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VOCs废气治理活性炭吸附系统原理风量等相关参数

文章出处:未知 人气:发表时间:2019-11-06

随着我国对VOCs污染问题的重视度不断提升,以及各种环保法规不断严格VOCs的排放标准,VOCs治理技术也在不断改进和完善。涂装是现代工业工艺的重要环节,但该过程往往会有大量的VOCs产生,主要是甲苯和二甲苯等。由于涂料大量使用了挥发性有机溶剂、助剂等,涂装过程中溶剂型涂料有50%以上的VOCs排放到大气中。有机废气来源多种多样,其产生方式排放也不尽相同。因此,有机废气的治理技术也多种多样,各种治理技术也存在自己不同的缺点。在实际生产过程中,根据不同情况,选择合适的方法是有机废气治理的关键。 在这里小编给大家分享VOCs废气治理活性炭吸附系统原理风量等相关参数计算。
 
1基本吸附原理:
  
在用多孔性固体物质处理液体混合物时,液体中的某一些组分或某些组分被吸引到固体表面浓集其上,此现象称为吸附。吸附处理废气时,吸附的对象是气态污染物,被吸附的气体组分称为吸附质,多孔性物质为吸附剂。
 
   固体表面吸附了吸附质后,一部分被吸附的吸附质可从吸附剂表面脱离,此现象称为脱附。而当吸附进行一段时间后,由于表面吸附质浓集,使其吸附能力明显下降而不能满足吸附净化的要求,此时需要采用一定的措施使吸附剂上已吸附的吸附质脱附,已恢复吸附剂的吸附能力,这个过程称为吸附剂的再生。因此,在实际工作中,正是利用吸附剂的吸附--再生--吸附循环过程,达到除去废气中污染物质并回收废气中有用组分的目的。
 
由于多孔固体吸附剂表面存在着剩余吸引力,固表面具有吸附力。根据吸附剂表面与被吸附物质之间作用力的不同,吸附可分为物理吸附和化学吸附,但同一污染物可在较低温度下发生物理吸附,而在较高温度下发生化学吸附,或者两种吸附同时发生,两者之间没有严格的界限。两者的主要区别见表。
表1物理吸附与化学吸附的区别

性质 物理吸附 化学吸附
吸附力 范德华力 化学键力
吸附层数 单层活多层 单层
吸附热 小(近于液化热) 大(近于反应热)
选择性 无或很差 较强
可逆性 可逆 不可逆
吸附平衡 易达到 不易达到

  吸附剂与吸附质间的吸附力不强,当气体中吸附质分压降低或温度升高时,容易发生脱附。工业上的吸附操作正是利用这种可逆进行吸附剂的再生及吸附质的回收利用的。
 
2. 吸附机理
   吸附和脱附互为逆过程。当用新鲜的吸附剂吸附气体中的吸附质时,由于吸附剂表面没有吸附质,因此也就没有吸附质的脱附。但随着吸附的进行,吸附剂表面上的吸附质逐渐增多,也就出现了吸附质的脱附,且随时间推移,脱附速度不断增大。但从宏观上看,同一时间内吸附质的吸附量仍大于脱附量,所以过程总趋势认为吸附。当同一时间内吸附质的吸附量与脱附理相等时,吸附和脱附达到动态平衡,此时称为达到吸附平衡。平衡是,吸附质再在流体中的浓度称为平衡浓度,在吸附剂中的浓度称为平衡吸附量。
 
   当吸附质与吸附剂长时间接触后,终达到吸附平衡。吸附平衡理是吸附剂对吸附质极限吸附量,亦称静吸附量分数或静活性分数,有Xt表示,无量纲。它是设计和生产中十分重要的参数。吸附平衡时,吸附质在气、固两相中的浓度关系,一般用吸附等温线表示。吸附等温线通常根据实验数据绘制,也常用各种经验方程式来表示。
 
3. 吸附等温线与吸附等温方程式
   平衡吸附量表示的吸附剂对吸附质吸附数量的极根,其数值对吸附造作,设计和过程控制有着重要意义。达到吸附平衡是,平衡吸附量与吸附质在流体中的浓度与吸附温度间存在着一定的函数关系,此关系即为吸附平衡关系,其一般都是根据实验测得的,也可以用经验方程式表示。
 
4. 吸附等温线
   在气体吸附中,其平衡关系可表示为:式中A——平衡吸附量;p——吸附平衡时吸附质在气相中分压力;T——吸附温度;根据需要。对一定的吸附体系可测得如下关系:①当保持T不变,可测得A与P的变化关系②当保持P不变,可测得A与T的变化关系③当保持A不变,可测得P与T的变化关系,依据上述变化关系,可分别给出相应的关系曲线,分别为吸附等温线,吸附等压线和吸附等量线。由于吸附过程中,吸附温度一般变化不大,因此吸附等温线最为常用。
   吸附等温线描述的是在吸附温度不变的情况下,平衡时,吸附剂的吸附量随气相中组分压力的不同而变化情况。根据对大量的不同气体与节气的吸附测定,吸附等温线形式可归纳为六种基本类型。
 
5. 吸附等温方程式
   根据大量的吸附等温线整理出描述吸附平衡状态的经验方式,即为吸附等温文程式,其中有的完全依据实验数据所表现的规律整理而得,一定条件范围内具有应用意义,但不具有理论指导意义,如弗罗因德利希(Freundlich)吸附等温方程式;有些是以一定的理论假设为前提得出的方程式,如朗格谬尔(Langmuir)吸附等温方程式和B.E.T方程,后者应用较多。
 
(1)朗格谬尔方程式
     朗格谬尔吸附理论假定:①吸附仅是单分子层的; ②气体分子在吸附剂表面上吸附与脱附呈动态平衡;③吸附剂表面性质量均一的,被吸附的分子之间相互不受影响;④气体的吸附速率与该气体在气相的分压成正比。根据上述假设。可推导出朗格谬尔等温式:  式中θ——吸附剂表面被吸附分子覆盖的百分数;a——吸附系数,是吸附作用的平衡常数;p——气相分压。朗格谬尔等温度的另一表现形式为: 式中——单分子层覆盖满时(θ=1)的吸量;V——在气相分压P下的吸附量。
在压力很低时,或者吸附很弱时,ap≤1,上式变成:V=Vmap 由于朗格谬尔等温式得到的结果与许多实验现象相符合,能够解释很多实验结果,因此,它目前仍是常用的、基本的等温式。在很多体系中,朗格谬尔等温式不能在较大的θ范围内与实验结果相吻合。
 
 
(2)弗中q——固体吸附气体的量,kg/kg吸附剂;p——平衡时气体分压;k,n——经验常数。在一定温度下,对一定体系而言是常数,k和n随温度变化而变化;m——吸附质质量,kg;χ——被吸附气体质量。
  弗罗因德利希等温方程式只是一个经验式,它所适用的θ范围比朗格谬尔式要大些,可用于未知组成物质的吸附,如有机物或矿物油的脱色,通过实验来确定K与n。有资料认为它在高压范围内不能很好地吻合实验值。
(1)B.E.T方程
     由于朗格谬尔的单分子层吸附理论及其等温方程对中压合高压物理吸附不能很好地吻合,在此基础上发展了B.E.T理论。它除了接受朗格谬尔理论地几条假定,即固体表面是均匀的,被吸附分子不受其实分子的影响,吸附与脱附在吸附剂表面达到动态平衡以外,还认为在吸附剂表面吸附了一层分子以后,由于范德华力地作用还可以吸附多层分子,而第一层与以后的各层有所不同。
 
   吸附达平衡后,吸附总数(V)为:

P——平衡时气体压;
V——压力为P时的吸附总量;
Vm——吸附剂表面为单分子层铺满时的吸附量;
P0——实际温度下气体的饱和节气压;
C——与气体有关的常数。
很多实验证明,当比压P/P0在0.05-0.35范围内时,B.E.T公式是比较准确的,在低压下可以与朗格谬尔等温式一致。
 
2. 吸附量
   吸附量是指在一定条件下单位质量地吸附剂上所吸附的吸附质的量,通常以kg吸附质/吸附剂或质量百分数表示,它是吸附剂所具有吸附能力的标志。在工业上将吸附量称为吸附剂的活性。
   吸附剂的活性有两种表示方法:
(1)吸附剂的静活性
在一定的操作条件下,达到平衡时吸附剂平衡吸附量即为其静活性。对一定吸附体系,静活性只取决于吸附温度和吸附质的浓度或分压。
(2)吸附剂的动活性
     在一定的操作条件,将气体混合物通过吸附床层,吸附质被吸附,当吸附一段时间后,从吸附剂层流出的气体中开始发现吸附质(或其浓度达到一规定允许值时),认为床层失效,此时吸附剂吸附的吸附质的量称为吸附剂的动活性。动活性除与吸附剂和吸附质的特性有关外,还与温度、浓度及操作条件有关。吸附剂的动活性值是吸附系统设计的主要依据。
 
(3)吸附速率
     吸附过程常需要较长时间才能达到平衡,而在实际生产过程中,两项接触时间是有限的,因此,吸附量取决与吸附速率,而吸附速率与吸附过程有关,吸附过程可分以下几步:
1)外扩散,吸附质从气流主体穿过颗粒物周围气膜扩散至吸附剂的外表面
2)内扩散,吸附质由外表面经微孔扩散至吸附剂微孔表面
3)吸附,到达吸附剂微孔表面的吸附质被吸附
4)脱附的吸附质再经内外扩散至气相主体 
 
物理吸附过程一般为内外扩散控制,化学吸附既有表面动力学控制,又有内外扩散控制。由于吸附过程复杂,影响因素多,从理论上推导速率很难,因此一般是凭经验或根据模式实验来确定。
 
(4)吸附器选择的设计计算
     吸附器的设计计算应包括确定吸附器的形式,吸附剂的种类,吸附剂的需要量,吸附床高度,吸附周期等,这些参数的选择应从吸附平衡,吸附传质速率及压降来考虑。
 
   吸附器的基本要求:
1)具有足够的过气断面和停留时间;
2)良好的气流分布;
3)预先除去入口气体中污染吸附剂的杂质;
4)能够有效地控制和调节吸附操作温度
5)易于更换吸附剂。
吸附工艺根据吸附课剂在吸附器上的工作状态,可吸附器分为固定床、移动和液化床过程,相应的三种吸附器的主要特点比较。
蜂窝状活性炭的物理性能

项目 性能指标
外形尺寸/mm 50×50×100
孔数/cm-2 16
孔壁厚/mm 0.5
  下面:7.07
压碎强度/Mpa 侧面:0.3
体积密度/g.cm-3 0.4~0.5
几何外表面积/m2.g-1 0.32
比表面积/m2.g-1 700
着火点/℃ 550
苯吸附率/% 0.2

其吸附性能主要取决于它的几个主要材料参数和过程参数。材料参数包括炭的吸附孔隙率、蜂窝结构的壁厚和炭的含量;过程参数包括流体流速、吸附质的浓度、吸附能(吸附能取决于碳结构和吸附质的特征如分子量)。穿透曲线是表征材料吸附性能的主要性能之一,是吸附前后吸附质浓度比值随时间变化的一个函数”此比值达到0.95时.所吸附的吸附质的总量就称为穿透容量。穿透容量取决于流体流速、吸附质浓度和蜂窝炭组分含量等因素。对蜂窝状活性炭来说,壁厚是一个非常重要的参数,可以通过改变壁厚来提高它的吸附效率。在孔隙率相同的情况下,壁厚增加,则单位体积蜂窝的炭含量也随之增加,从而可以提高吸附容量。这是因为壁厚增加,蜂窝中流体通道的截面积减少,这样真实的表面或体积流速也会增大。同时,吸附质与炭之间的接触效率也会提高,这两者之间存在一个平衡关系。在给定的条件下,这个平衡关系将决定吸附增加还是减少。如果吸附质以较高的扩散速度扩散到蜂窝壁的内部,由此空出来的吸附位又可连续吸附,因此厚壁蜂窝应该具有更好的吸附效率和吸附容量”

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