1、第三节 气体吸附o 吸附吸附n 利用多孔性固体物质具有选择性吸附废气中的一种或利用多孔性固体物质具有选择性吸附废气中的一种或多种有害组分的特点，实现净化废气的一种方法。多种有害组分的特点，实现净化废气的一种方法。n 吸附质被吸附物质吸附质被吸附物质n 吸附剂附着吸附质的物质吸附剂附着吸附质的物质o 优点：优点：效率高、可回收有用组分、设备简单，易实现自效率高、可回收有用组分、设备简单，易实现自动化控制动化控制o 缺点：缺点：吸附容量小、设备体积大，吸附剂容量往往有限，吸附容量小、设备体积大，吸附剂容量往往有限，需频繁再生。需频繁再生。o 适用范围适用范围 常用于浓度低，毒性大的有害气体的净化，
2、但处理常用于浓度低，毒性大的有害气体的净化，但处理的气体量不宜过大；的气体量不宜过大；对有机溶剂蒸汽具有较高的净化效率；对有机溶剂蒸汽具有较高的净化效率；当处理的气体量较小时，用吸附法灵活方便。当处理的气体量较小时，用吸附法灵活方便。o 具体应用具体应用 废气治理中脱除水分、有机蒸汽、恶臭、废气治理中脱除水分、有机蒸汽、恶臭、HF、SO2、NOX等。等。成功的例子：用变压吸附法来处理合成氨放气，可回成功的例子：用变压吸附法来处理合成氨放气，可回收纯度很高（收纯度很高（98%）的氢气，实现废物资源化。）的氢气，实现废物资源化。吸附机理物理吸附和化学吸附物理吸附化学吸附1.吸附力范德华力；2.不发
3、生化学反应；3.过程快，瞬间达到平衡；4.放热反应；5.吸附可逆；1.吸附力化学键力；2.发生化学反应；3.过程慢；4.升高温度有助于提高速率；5.吸附不可逆；物理吸附和化学吸附同一污染物可能在较低温度下发生物理吸附若温度升高到吸附剂具备足够高的活化能时，发生化学吸附吸附剂o 吸附剂需具备的特性n 内表面积大n 具有选择性吸附作用n 高机械强度、化学和热稳定性n 吸附容量大n 来源广，造价低n 良好的再生性能2、工业常用吸附剂o 活性炭：疏水性，常用于空气中有机溶剂，催化脱活性炭：疏水性，常用于空气中有机溶剂，催化脱 除除尾气中尾气中SO2、NOX等恶臭物质的净化；优点：性能稳等恶臭物质的净化
4、；优点：性能稳定、抗腐蚀。定、抗腐蚀。缺点：可燃性，使用温度不超过缺点：可燃性，使用温度不超过200。p 活性氧化铝：用于气体干燥，石油气脱硫，含氟废气净活性氧化铝：用于气体干燥，石油气脱硫，含氟废气净化（对水有强吸附能力）。化（对水有强吸附能力）。o 硅胶：亲水性，吸附水份量可达自身质量的硅胶：亲水性，吸附水份量可达自身质量的50%，而，而难于吸附非极性物质。常用于处理含湿量较高的气体干难于吸附非极性物质。常用于处理含湿量较高的气体干燥，烃类物质回收等。燥，烃类物质回收等。o 沸石分子筛：是一种人工合成沸石，为微孔型、具有立沸石分子筛：是一种人工合成沸石，为微孔型、具有立方晶体的硅酸盐。方晶
5、体的硅酸盐。常用吸附剂特性吸附剂类型吸附剂类型活性炭活性炭活性氧化活性氧化铝铝硅胶硅胶沸石分子筛沸石分子筛4A5A13x堆 积 密 度堆 积 密 度 /kg/kgm m-3-32006007501000800800800800热容热容/kJ(kgK)-1-10.8361.2540.8361.0450.920.7940.794操作温度上操作温度上限限/K423773673873873873平均孔径平均孔径/15251848224513再 生 温 度再 生 温 度 /K373413473523393423473573473573473573比表面积比表面积 /g-16001600210360600
6、气体吸附的影响因素o 操作条件操作条件n 温度、气相压力、气流速度。l 吸附剂性质吸附剂性质比表面积（孔隙率、孔径、粒度等）m0322.4 10fVWNAf比比表表面面积积，比比表表面面积积，mm2 2/g/gf f 单单位位体体积积气气体体铺铺成成单单分分子子层层的的面面积积单单位位体体积积气气体体铺铺成成单单分分子子层层的的面面积积,mm2 2/mLmLN N0 0阿阿佛佛加加德德罗罗常常数数阿阿佛佛加加德德罗罗常常数数A A 吸吸附附质质分分子子横横截截面面积积吸吸附附质质分分子子横横截截面面积积,mm2 2V Vmm吸吸附附剂剂表表面面被被单单层层分分子子铺铺满满时时的的气气体体体体积
7、积，吸吸附附剂剂表表面面被被单单层层分分子子铺铺满满时时的的气气体体体体积积，mLmLWW吸吸附附剂剂的的重重量量，吸吸附附剂剂的的重重量量，g gm0322.4 10fVWNAf比比表表面面积积，比比表表面面积积，mm2 2/g/gf f 单单位位体体积积气气体体铺铺成成单单分分子子层层的的面面积积单单位位体体积积气气体体铺铺成成单单分分子子层层的的面面积积,mm2 2/mLmLN N0 0阿阿佛佛加加德德罗罗常常数数阿阿佛佛加加德德罗罗常常数数A A 吸吸附附质质分分子子横横截截面面积积吸吸附附质质分分子子横横截截面面积积,mm2 2V Vmm吸吸附附剂剂表表面面被被单单层层分分子子铺铺满
8、满时时的的气气体体体体积积，吸吸附附剂剂表表面面被被单单层层分分子子铺铺满满时时的的气气体体体体积积，mLmLWW吸吸附附剂剂的的重重量量，吸吸附附剂剂的的重重量量，g g比比表表面面积积，比比表表面面积积，mm2 2/g/gf f 单单位位体体积积气气体体铺铺成成单单分分子子层层的的面面积积单单位位体体积积气气体体铺铺成成单单分分子子层层的的面面积积,mm2 2/mLmLN N0 0阿阿佛佛加加德德罗罗常常数数阿阿佛佛加加德德罗罗常常数数A A 吸吸附附质质分分子子横横截截面面积积吸吸附附质质分分子子横横截截面面积积,mm2 2V Vmm吸吸附附剂剂表表面面被被单单层层分分子子铺铺满满时时的
9、的气气体体体体积积，吸吸附附剂剂表表面面被被单单层层分分子子铺铺满满时时的的气气体体体体积积，mLmLWW吸吸附附剂剂的的重重量量，吸吸附附剂剂的的重重量量，g g气体吸附的影响因素o 典型吸附质分子的横截面积气体吸附的影响因素o 吸附质性质、浓度吸附质性质、浓度n 临界直径吸附质不易渗入的最小直径临界直径吸附质不易渗入的最小直径n 吸附质的分子量、沸点、饱和性吸附质的分子量、沸点、饱和性n 例：同种活性炭做吸附剂，对于结构相似的有机物分子例：同种活性炭做吸附剂，对于结构相似的有机物分子量和不饱和性越高，沸点越高，吸附越容易。量和不饱和性越高，沸点越高，吸附越容易。o 吸附剂活性吸附剂活性n
10、单位吸附剂吸附的吸附质的量。以被吸附物质的重量对单位吸附剂吸附的吸附质的量。以被吸附物质的重量对吸附剂的重量或体积分数表示。吸附剂的重量或体积分数表示。%100 所用吸附剂量已吸附吸附质的质量吸附剂的活性n 静活性静活性：是指在一定温度下，与气相中被吸附物质的是指在一定温度下，与气相中被吸附物质的初始浓度平衡时的最大吸附量，即在该条件下，吸附初始浓度平衡时的最大吸附量，即在该条件下，吸附达到饱和时的吸附量。达到饱和时的吸附量。n 动活性动活性：气体通过吸附层时，当流出吸附层的气体中气体通过吸附层时，当流出吸附层的气体中刚刚出现被吸附物质时即认为此吸附层已失效。这时刚刚出现被吸附物质时即认为此吸
11、附层已失效。这时单位吸附剂所吸附的吸附质的量称为动活性。单位吸附剂所吸附的吸附质的量称为动活性。p其它其它 接触时间、吸附器性能等接触时间、吸附器性能等气体吸附的影响因素o 吸附剂再生 溶剂萃取l活性炭吸附活性炭吸附SO2，可用水脱附，可用水脱附 置换再生l脱附剂需要再脱附脱附剂需要再脱附 降压或真空解吸l 吸附作用吸附作用 ，再生温度，再生温度 加热再生吸附平衡o 当当吸附速度脱附速度吸附速度脱附速度时，吸附平衡，此时吸附量达时，吸附平衡，此时吸附量达到极限值到极限值静吸附量分数静吸附量分数XT（m吸附质吸附质/m吸附量吸附量）o 极限吸附量受气体压力和温度的影响极限吸附量受气体压力和温度的
12、影响o 吸附等温线吸附等温线 吸附等温线XT单位吸附剂的吸附量单位吸附剂的吸附量P吸附质在气相中的平衡分压吸附质在气相中的平衡分压K,n经验常数经验常数,实验确定实验确定吸附方程式o 弗罗德里希（弗罗德里希（Freundlich）方程（）方程（I型等温线中压部分）型等温线中压部分）n lgXT对对lgP作图为直线作图为直线nTkPX1PnkXTlg)1(lglg1916年导出，较好适用于适用于I型型的理论公式设：吸附质对吸附表面的覆盖率为，则未覆盖率为（1-）。若气相分压为P，则吸附速率为k1P(1-)。解吸速率为k2，当吸附达平衡时：maxXX固体总面积已覆盖的面积 k1P(1-)=k2 p
13、kkpk121朗格缪尔（Langmuir）方程式式中：式中：k1,k2分别为吸附，解吸常数。分别为吸附，解吸常数。令令 B=k1/k2，则，则 若若A为饱和吸附量，则单位量吸附剂所吸附的吸附质量为饱和吸附量，则单位量吸附剂所吸附的吸附质量XT为：为：（朗氏方程）（朗氏方程）其中：其中：A，B为常数。为常数。当压力当压力P很小时很小时BP1，则则 XT=A，即此时吸附量与气体压力无，即此时吸附量与气体压力无关，吸附达到饱和。关，吸附达到饱和。BPBP1BPABPAXT1PBAXT若=V/Vm 其中：V气体分压为P时被吸附气体在标准状态下的体积；说明：（1）P/V对P作图，得一直线；（2）由斜率1
14、/Vm 和截距1/(B Vm)，可算出B，Vm。指明：朗氏方程式是目前常用的基本等温吸附方程式，但较大时，吻合性较差。BPBPVVm1mmVPBVVP1n 已知：293K,用活性炭吸附苯蒸汽所得到的平衡数据如下n 例题例题 P/103Pa 0.267 0.400 0.533 1.333 2.660 4.000 5.332 XT 0.176 0.205 0.225 0.265 0.287 0.290 0.300 n 试绘制等温吸附线，若该等温吸附线符合朗氏等温吸附方程式，试求A、B值。解：依数据，绘图如下 图：活性炭吸附苯蒸汽等温吸附线显然，该等温吸附线符合朗氏等温吸附线，从而可用朗氏方程式描述
15、。结合曲线横、纵坐标参数，将朗氏方程式变换成下列形式：任取曲线上两点q(400，0.205)和s(4000，0.290)代入上式，于是有：解之得：)1()/(BPXXATT BABA14000290.0290.01400205.0205.0310176.5B304.010176.51400205.025.03A吸附方程式o BET方程（I、II、III型等温线，多分子层吸附）m000mm0()1(1)/1(1)()V CPVPPCP PPCPV PPV CV CPV被被吸吸附附气气体体在在标标态态下下的的体体积积P吸吸附附质质在在气气相相中中的的平平衡衡分分压压P0吸吸附附温温度度下下吸吸附附
16、质质的的饱饱和和蒸蒸汽汽压压Vm吸吸附附剂剂被被覆覆盖盖满满一一层层时时吸吸附附气气体体在在标标态态下下的的体体积积C与与吸吸附附热热有有关关的的常常数数m000mm0()1(1)/1(1)()V CPVPPCP PPCPV PPV CV CPV被被吸吸附附气气体体在在标标态态下下的的体体积积P吸吸附附质质在在气气相相中中的的平平衡衡分分压压P0吸吸附附温温度度下下吸吸附附质质的的饱饱和和蒸蒸汽汽压压Vm吸吸附附剂剂被被覆覆盖盖满满一一层层时时吸吸附附气气体体在在标标态态下下的的体体积积C与与吸吸附附热热有有关关的的常常数数吸附速率o 吸附过程 吸附 外扩散（气流主体 外表面）内扩散（外表面
17、内表面）吸附速率o 外扩散速率o 内扩散速率o 总吸附速率方程*APAAd()dyMKYYt*APAAd()dxMKXXt*APAAPAAPPPPPPd()()d11111;yxyyxxxyMKYYKXXtmKkkKkkm吸附工艺o 固定床吸附工艺o 移动床吸附工艺o 移动床吸附工艺o 流化床o 流化床吸附工艺固定床吸附计算固定床吸附计算固定床吸附计算固定床吸附计算o 保护作用时间L实际曲线与理论曲线的比较1理论线 2实际曲线（假定吸附层完全饱和）b0Lv（假定吸附层完全饱和）b0Lv b00()LK Lhva a静活度，静活度，静活度，静活度，S S吸附层截面积吸附层截面积吸附层截面积吸附层
18、截面积,mm2 2L L吸附层厚度吸附层厚度吸附层厚度吸附层厚度,mm吸附剂堆积密度，吸附剂堆积密度，吸附剂堆积密度，吸附剂堆积密度，kg/mkg/m3 3v v气体流速，气体流速，气体流速，气体流速，m/sm/s污染物浓度，污染物浓度，污染物浓度，污染物浓度，kg/mkg/m3 3保护作用时间损失；保护作用时间损失；保护作用时间损失；保护作用时间损失；h h死区长度死区长度死区长度死区长度b00希洛夫方程b00()LK Lhva a静活度，静活度，静活度，静活度，S S吸附层截面积吸附层截面积吸附层截面积吸附层截面积,mm2 2L L吸附层厚度吸附层厚度吸附层厚度吸附层厚度,mm吸附剂堆积密
19、度，吸附剂堆积密度，吸附剂堆积密度，吸附剂堆积密度，kg/mkg/m3 3v v气体流速，气体流速，气体流速，气体流速，m/sm/s污染物浓度，污染物浓度，污染物浓度，污染物浓度，kg/mkg/m3 3保护作用时间损失；保护作用时间损失；保护作用时间损失；保护作用时间损失；h h死区长度死区长度死区长度死区长度b00希洛夫方程固定床吸附计算o 同样条件下o 定义动力特性1 12201102212.K vK vconstvvconstdd102BKvvBd固定床吸附计算o 吸附床长度n 假定条件o 等温吸附o 低浓度污染物的吸附o 吸附等温线为第三种类型o 吸附区长度为常数o 吸附床的长度大于吸
20、附区长度固定床吸附计算o 吸附床长度0AEA(1)LWLWf W吸附器的压力损失1）图解计算3pgg2p150(1)1.75(1)PgdDGd G P压降压降(lb/ft2)D固定床厚度固定床厚度(ft)孔隙率孔隙率G气体流量气体流量(lb/ft2?hr)g 气体粘度气体粘度(lb/ft?hr)dp颗粒直径颗粒直径(ft)2）公式计算）公式计算3pgg2p150(1)1.75(1)PgdDGd G P压降压降(lb/ft2)D固定床厚度固定床厚度(ft)孔隙率孔隙率G气体流量气体流量(lb/ft2?hr)g 气体粘度气体粘度(lb/ft?hr)dp颗粒直径颗粒直径(ft)2）公式计算）公式计算
21、移动床计算o 操作线o 吸附速率方程SS2SS2(/)(/)YLGXYLGXSPd(*)dyG YK a YYL12S*PdYyYGYLK aYY传质单元高度传质单元高度传质单元数传质单元数（图解积分法）（图解积分法）12S*PdYyYGYLK aYY传质单元高度传质单元高度传质单元数传质单元数（图解积分法）（图解积分法）例：用连续移动床逆流等温吸附过程净化含H2S的空气。吸附剂为分子筛。空气中H2S的浓度为3（重量），气相流速为6500kg/h，假定操作在293K和1atm下进行，H2S的净化率要求为95，试确定：(1)分子筛的需要量（按最小需要量的1.5倍计）；(2)需要再生时，分子筛中H
22、2S的含量；(3)需要的传质单元数。解：(1)吸附器进口气相组成：H2S的流量0.036500195kg/h 空气的流量65001956305kg/h 吸附器出口气相组成：H2S0.05(195)9.75 kg/h 空气6305 kg/h 移动床计算11950.036305Y 329.751.55 106305Y移动床计算实验得到的平衡关系如右图假定X20，从图得（X1）最大0.1147所以实际需要的分子筛 0.37263052345.5kg/h(2)分子筛吸收分子筛吸收H H2 2S S的平衡数据的平衡数据SSSS(/)1.5(/)1.5 0.2840.372LGLG最小实际SS0.030.
23、00155(/)0.2840.11470.0000LG最小11959.75()0.0792345.5X实际移动床计算(3)图解积分法计算NOGNOG3.12712OG*dYYYNYYYY*0.00155 0.00 6450.00500 0.00 2000.010 0.0001 1010.015 0.0005 690.020 0.0018 550.025 0.0043 48.30.030 0.0078 45.0*1YYYY*0.00155 0.00 6450.00500 0.00 2000.010 0.0001 1010.015 0.0005 690.020 0.0018 550.025 0.0043 48.30.030 0.0078 45.0*1YY
