1、 第六節(jié)吸附設備與方法一、吸附設計為了盡可能地提高吸附速率，在吸附設計中往往需要考慮很多因素，由于吸附操作過程的復雜性，影響吸附速率的因素很多。對于一定的生產(chǎn)任務，吸附質的性質與濃度是已經(jīng)確定了的，也就是說是不容選擇的。需要選擇的因素主要是吸附劑的選擇、吸附裝置及吸附流程的選擇。為了達到任務規(guī)定的凈化要求，凈化效率的確定也必須在設計時解決。1、吸附劑的選擇吸附劑的性質，直接影響吸附效率，因此，在吸附設計中必須根據(jù)任務的規(guī)定選擇合適的吸附劑。吸附劑選擇總的原則是根據(jù)前面所講的工業(yè)上對常用吸附劑的要求，再結合具體的生產(chǎn)任務進行選擇。在吸附設計中，吸附劑的選擇一般需要經(jīng)過下列步驟：（1）初選根據(jù)吸附

2、質的性質、濃度和凈化要求以及吸附劑的來源等因素，初步選出幾種吸附劑。根據(jù)吸附質的性質選吸附質的性質包括極性和分子的大小。若為非極性的大分子物質，首選的應是活性炭。因為活性炭屬于非極性吸附劑，且內部具有范圍較廣的大小孔徑，可以吸附直徑變化范圍很寬的非極性吸附質，如大多數(shù)有機蒸氣。若吸附質為極性小分子物質，則應考慮極性吸附劑，如硅膠、分子篩、活性氧化鋁等。根據(jù)氣體的濃度和凈化要求選擇對于濃度高但要求凈化效率不高的場合，就應盡可能地采用廉價的吸附劑，以降低生產(chǎn)成本。對于濃度較低但凈化要求高的場合，就應該考慮用吸附能力比較強的吸附劑。對于氣體濃度高且凈化效率要求也高的場合，應考慮先采用廉價吸附劑處理，

3、然后再采用吸附力強的吸附劑處理的二級吸附處理方法或應用吸附劑浸漬的方法。根據(jù)吸附劑的來源選擇在綜合考慮以上諸因素的基礎上，盡量選擇一些價廉、易得，且近距離能解決的吸附劑。（2）活性實驗利用小型裝置，對初選出的幾種吸附劑進行活性實驗，實驗所用吸附質氣體應是任務規(guī)定的待凈化的氣體。通過實驗，再篩選出其中幾種活性較好的吸附劑，做進一步實驗。（3）壽命實驗在中型裝置中，對幾種活性較好的吸附劑進行壽命和脫附性能的實驗。實驗氣體仍必須是待處理的氣體，實驗條件應是生產(chǎn)時的操作條件，所用的脫附方式也必須是生產(chǎn)中選定的。這樣經(jīng)過吸附脫附再生反復多次循環(huán)，確定每種吸附劑的使用壽命。（4）全面評估對初選的幾種吸附，

4、綜合活性、壽命等實驗，再結合價格、運費等指標進行全面評估，最后選出一項既較適用、價格又相對便宜的吸附劑。吸附劑的選擇是一項復雜繁瑣的工作，需要仔細認真地進行。2、吸附裝置的選擇吸附裝置是吸附系統(tǒng)的核心，工業(yè)上所使用的吸附裝置共三大類，即固定床、移動床和流化床。其中以固定床應用最為廣泛。但不論是哪一類吸附裝置，在進行氣體凈化設計時，必須考慮基本要求。（1）吸附裝置設計的基本要求吸附裝置出口排氣必須達到排放標準這是對吸附裝置的最起碼要求。按照目前的規(guī)定，各類氣態(tài)污染物的排放濃度必須達到國家環(huán)保局頒布的大氣污染物綜合排放標準（GB16297-1996）的規(guī)定，如果地方政府還有更嚴格的規(guī)定，還必須執(zhí)行

5、地方政府的規(guī)定。1996標準的規(guī)定對過去的標準進行了修訂，提出了更嚴格的標準，今后隨著可持發(fā)展戰(zhàn)略的實施，國家可能還會對標準進行更嚴格的修訂，因此在設計吸附裝置時應隨時注意排放標準的要求。設備選型要面向生產(chǎn)實際設備選型要考慮實際生產(chǎn)中的規(guī)模、排氣量、排污方式（連續(xù)或間歇，均勻排放還是非均勻排放）、污染物的物化特性、回收還是進一步處理等因素，正確選擇吸附裝置和吸附工藝系統(tǒng)，尤其對一些特殊污染物或特殊要求的場合。選擇工藝系統(tǒng)時還應考慮生產(chǎn)的發(fā)展，留有適當?shù)挠嗟亍１M可能采用先進技術，通過改進設備結構，使吸附裝置能保持在最佳狀態(tài)下運行，使所設計的吸附系統(tǒng)處理能力大、效率高、收益大。認真考慮經(jīng)濟因素所設

6、計的吸附裝置和系統(tǒng)盡可能地簡化，易于安裝、維修，使用壽命長，同時要使系統(tǒng)操作簡便，易于管理，以節(jié)省投資及運行費用。（2）吸附裝置的類型固定床吸附系統(tǒng)固定床，顧名思義，它是將吸附劑固定在某一部位上，在其靜止不動的情況下進行吸附操作的。它多為園柱形設備，在內部支撐的格板或孔板上放置吸附劑，使處理的氣體通過它，吸附質被吸附在吸附劑上。固定床的應用是多見的。如果只需短期處理氣流，那末通常只需一個吸附裝置，當然這要以吸附周期之間有足夠的時間間隔，以便進行吸附劑的再生。然而，情況通常不是這樣，由于通常要求待處理氣體連續(xù)流動，因此必須采用能按這種方式操作的一個或多個裝置。用來從氣流中除去污染物最普通的吸附系

7、統(tǒng)型式，是由許多固定床裝置組成的，這些裝置以一定的順序進行吸附操作和再生操作，以使氣流保持連續(xù)。如果間歇操作和分批操作切實可行，則簡單的單床層吸附就足夠了，這時吸附階段和再生階段可交替進行。然而，由于大多數(shù)工業(yè)應用要求連續(xù)操作，因此經(jīng)常采用雙吸附床或三吸附床系統(tǒng)，其中一個或兩個吸附床分別進行再生，其余的進行吸附。固定床吸附器也存在一些缺點：（1）間歇操作為使氣流連續(xù)，操作必然不斷地周期性更換。為此必須配置較多的進出口閥門，操作十分麻煩。即使實現(xiàn)了自動化操作?？刂瞥绦蛞彩潜容^復雜的。（2）需設有備用設備即當一部分吸附器進行吸附時，要有一部分吸附床進行再生，這些吸附床中的吸附劑即處于非生產(chǎn)狀態(tài)。即

8、使處于生產(chǎn)中的設備里，為了保證吸附區(qū)的高度有一定富余，也需要放置多于實際需要的吸附劑，因而總吸附劑用量增多。（3）吸附劑層導熱性差吸附時產(chǎn)生的吸附熱不易導出，操作時容易出現(xiàn)局部床層過熱。另外，再生時加熱升溫和冷卻降溫都很不容易，因而延長了再生的時間。（4）熱量利用率低對于采用厚床層，壓力損失也較大，因此，能耗增加。固定床吸附器固定床吸附系統(tǒng)的核心裝置是固定床吸附器。目前使用的固定床吸附器有立式、臥式、環(huán)式三種類型。（1）立式固定床吸附器分上流式和下流式兩種。吸附劑裝填高度以保證凈化效率和一定的阻力降為原則，一般取0.52.0米。床層直徑以滿足氣體流量和保證氣流分布均勻為原則進行設計。處理腐蝕性

9、氣體時應注意采取防腐蝕措施，一般是加裝內襯。立式固定床吸附器適合于小氣量濃度高的情況。（2）臥式固定床吸附器臥式固定床吸附器適合處理氣量大、濃度低的氣體。臥式固定床吸附器為一水平擺放的園柱形裝置，吸附劑裝填高度為0.51.0米，待凈化廢氣由吸附層上部或下部入床。臥式固定床吸附器的優(yōu)點是處理氣量大、壓降小，缺點是由于床層截面積大，容易造成氣流分布不均。因此在設計時特別注意氣流均布的問題。（3）環(huán)式固定床吸附器環(huán)式固定床吸附器又稱徑向固定床吸附器，其結構比立式和臥式吸附器復雜，如圖3-8所示。吸附劑填充在兩個同心多孔圓筒之間，吸附氣體由外殼進入，沿徑向通過吸附層，匯集到中心筒后排出。環(huán)式固定床吸附

10、器結構緊湊，吸附截面積大，阻力小，處理能力大，在氣態(tài)污染物的凈化上具有獨特的優(yōu)勢。目前使用的環(huán)式吸附器多使用纖維活性炭作吸附材料，用以凈化有機蒸氣。移動床吸附器移動床吸附器的優(yōu)點在于其結構可以使固相連續(xù)、穩(wěn)定地輸入和輸出，還可以使氣固兩相接觸良好，不致發(fā)生溝流和局部不均勻現(xiàn)象。由于氣固兩相均處于移動狀態(tài)，所以克服了固定床局部過熱的缺點。其操作是連續(xù)的，用同樣數(shù)量的吸附劑可以處理比固定床多得多的氣體，因此對處理量比較大的氣體的操作，選用移動床較好。但是，移動床有它的固有缺點。主要是由于吸附劑處在移動狀態(tài)下，磨損消耗大，且移動床結構復雜，設備龐大。設備投資和運行費用均較高。工業(yè)上應用的典型移動床吸

11、附器是超吸附塔，它是由美國加利福尼亞聯(lián)合石油公司（TheunionoilCompanyofCalifornie）于1947年研制的。設備高近30米，由塔體和流態(tài)化粒子提升裝置二部分組成。吸附劑采用硬質活性炭?；钚蕴拷?jīng)脫附、再生及冷卻后繼續(xù)下降用于吸附。在吸附塔內，吸附與脫附是順序進行的。在吸附段，待處理的氣體由吸附段下部（即塔體中上部）進入，與從塔頂下來的活性炭逆流接觸并把吸附質吸附下來，處理過的氣體經(jīng)吸附段頂部排出。吸附了吸附質的活性炭繼續(xù)下降，經(jīng)過增濃段到達汽提段。在汽提段的下部通入熱蒸汽，使活性炭上的吸附質進行脫附，經(jīng)脫附后，含吸附質的氣流一部分由汽提段頂部作為回收產(chǎn)品（底部產(chǎn)品）回收，

12、有一部分繼續(xù)上升，到達增濃段。在增濃段蒸汽中所含的吸附質被由吸附段下來的活性炭進一步吸附，等于使這部分活性炭的“濃度”又增加了?；钚蕴拷?jīng)過汽提，大部分吸附質都被脫附，為了使之更徹底地脫附再生，在汽提段下面又加設了一個提取器，使活性炭的溫度進一步提高，一是為了干燥目的，二是為了使活性炭更好地再生。經(jīng)過再生的活性炭到達塔底，由提升器將其返回塔頂，于是完成了一個循環(huán)過程。在實際操作中，過程連續(xù)不斷地進行，氣體和固體的流速得到很好的控制。近年來在移動床中有使用極性吸附劑如分子篩作吸附劑的，用于凈化極性氣體如h2s等，結果也相當滿意。流化床吸附器用于氣態(tài)污染物治理的流化床吸附工藝是20世紀60年代發(fā)展起

13、來的，是固體流態(tài)化技術在氣態(tài)污染物凈化方面的具體應用。流化床是由氣體和固體吸附劑組成的兩相流裝置。之所以稱為流化床，是因為固體吸附劑在與氣體的接觸中，由于氣體速度較大使固體顆粒處于流化狀態(tài)。由于流態(tài)化的運動形式，使它具有許多獨特的優(yōu)點：（1）由于流體與固體的強烈擾動，大大強化了氣固傳質；（2）由于采用小顆粒吸附劑，使單位體積中吸附劑表面積增大；（3）固體的流態(tài)化，優(yōu)化了氣固的接觸，提高了界面的傳質速率，從而強化了設備的生產(chǎn)能力，由于流化床采用了比固定床大得多的氣速，因而可以大大減少設備投資；（4）由于氣體和固體同處于流化狀態(tài)，不僅可使床層溫度分布均勻，而且可以實現(xiàn)大規(guī)模的連續(xù)生產(chǎn)。和移動床吸附

14、器一樣，流化床吸附器系統(tǒng)也設有吸附段和脫附段。流化床吸附器從結構型式上一般分為二大類，一類是單層流化床吸附器，一類是多層流化床吸附器。前者結構簡單，處理能力小，效率低，后者處理能力大，但結構復雜。多層流化床吸附器又可分為二類。一類是吸附段和脫附段分設，一類是吸附段和脫附段設在一個塔內，這個類型的吸附裝置從大的結構形式上講，與移動床中的超吸附塔相似，其根本區(qū)別是氣體流速的不同。移動床吸附器的氣體流速在臨界流化氣速之下，一般取臨界流化氣速的0.60.8倍，因而吸附劑在床層中不處在流化狀態(tài)。而流化床中的氣體流速在臨界流化速度之上，界于臨界流化氣速和最大流化氣速之間，因此使吸附劑在床層內處于流化狀態(tài)。

15、不論是吸附段和脫附段分設還是合在一起的流化床吸附器，其吸附段的結構類似吸收用的板式塔，只不過是塔板上流動的是吸附劑顆粒。在流化床吸附塔中，這些塔板稱為氣流分布板，是流化床裝置的最重要部件，它對于流化質量的影響極為重要。設計好的分布板使氣流分布均勻，吸附劑顆粒產(chǎn)生平穩(wěn)的流化狀態(tài)。同時還可防止正常操作時物料的下漏、磨損和小孔堵塞。多層流化床吸附器采用多塊氣體分布板，以抑制床內氣體與固體顆粒的返混，改善停留時間分布，提高吸附效率。常用的幾種氣流分布板的結構形式如圖3-11所示。其中(a)為直孔分布板，結構簡單，易于制造。但其缺點是由于氣流方向為軸向，易使床層形成溝流，且小孔易堵塞，停車時易漏料。為克

16、服上述缺點，出現(xiàn)了如(b)所示的錯迭多孔板，由兩層多孔板將孔錯開迭加起來，改善了氣流分布，防止漏料。(a)和(b)多孔板只能適應負荷較小的小直徑流化床，為了使氣流分布板承受較大的固體負荷和熱應力，設計出了如(c)、(d)所示的氣流分布板，這種結構由于氣流不是軸向吹出，因而改善了氣流分布狀況，防止了溝流的發(fā)生。缺點是制造較困難。隨著大直徑流化床的出現(xiàn)，為了提高處理能力，又設計出了類似吸收塔中的泡罩板一樣的氣流分布板，稱為側流式分布板，在分布板的孔上裝上錐形風帽，如(e)、(f)所示，氣流從錐帽底部的縫隙或錐帽四周的側孔流出，改善了床層的流化質量。(g)為填充式分布板，這種板結構簡單，氣流分布均勻

17、，還可隔熱，但維修麻煩，且阻力較大。三、吸附器凈化效率的計算與選擇從理論上講，要求吸附器的凈化效率愈高愈好。然而，要想達到理想的凈化效率，一方面需要龐大的吸附設備和很長的氣、固接觸時間，另一方面需要采用高強吸附能力的吸附劑。這將使設備投資和運行費用大大增加。這在實際上往往是不可行的，而且對于大部分場合也并不是完全必要的。吸附器凈化效率是由吸附器的入口氣體濃度，即污染氣體的濃度和吸附器的穿透濃度決定的，設污染氣體濃度為yo，污染物穿透吸附床時的濃度為yB，吸附器的吸附效率n可由下式計算：耳,y0_yB.100%(3-18)y0對于一定的處理任務，yo是已經(jīng)確定了的，而凈化效率的高低就取決于oyB

18、的選擇。對于一定的吸附器，yB愈低，凈化效率會越高，但是吸附劑的利用率就會降低。為了充分利用吸附劑，盡可能地延長吸附床的吸附時間，往往希望確定出較高的yB。但yB的選定是受環(huán)境保護法規(guī)規(guī)定的該污染物排放濃度限制的。因此，在實際吸附器設計時，一般是在滿足環(huán)保法規(guī)的前提下，盡可能地提高yB的值，以達到充分利用吸附劑的目的，從而降低處理成本。二、吸附法凈化二氧化硫采用固體吸附劑吸附廢氣中的SO2是含硫氣態(tài)污染物凈化的主要方法之一。所用吸附劑有活性炭、活化煤（一種褐煤系半焦）、沸石分子篩、活性氧化鋁等，活化煤價廉，但吸附容量小，只有2.53.6g/kg煤；活性炭（包括浸漬活性炭）吸附容量可達12016

19、0g/kg炭；合成沸石分子篩的吸附容量最大,可達290g/kg分子篩。近年來又出現(xiàn)了一類稱作硅沸石的憎水分子篩，對SO2的吸附具有特殊的功效，它可以在N2、02、CO2等氣體存在下，選擇性地吸附S02，且吸附容量較大，目前已完成了中試。雖然有多種吸附劑，但目前應用最多的還是活性炭，有時為了降低處理成本，也用活化煤。而其它吸附劑在治理低濃度S02時應用較少。這里重點介紹用活性炭吸附法脫除二氧化硫的原理和工藝。（一）方法原理用活性炭吸附S02的工藝，一般都用在低濃度S02煙氣治理上。煙氣中一般都含有一定量的氧和水蒸汽。因此氧和水的存在，也直接參與了吸附過程。吸附過程中物理吸附和化學吸附同時存在，其

20、過程如下：SO2-S02*（物理吸附）02-02*（物理吸附）H2O-H20*（物理吸附）2S02*+02*-2S03*（化學吸附）S03*+H20*-H2S04*（化學吸附）H2SO4*+nH2O*-H2SO4nH2O*（化學吸附）式中*表示吸附態(tài)分子。（二）影響因素水和氧的影響實驗研究證明，混合氣體中氧和水的存在，對活性炭的吸附起著很明顯的催化作用。當沒有水和氧存在時，吸附過程可認為是單純的物理吸附，當有氧和水存在時，會導致化學吸附的發(fā)生，使總吸附量大大增加。據(jù)武漢化學研究所在用含氮活性炭吸附S02的研究中發(fā)現(xiàn)，在活性炭表面催化氧化S02時，氧的傳遞是反應的控制步驟。但當氧含量達到4%6%

21、時，再增加含氧量，對S02吸附量的增加已不明顯，這個含氧量正是燃燒煙氣中的含氧量，因此在具體工藝中，不必另外增加氣體中氧的含量。水蒸汽含量的影響，一方面可以使S03轉化成H2SO4，從而使S02吸附量增加，但若過高，由于水蒸汽凝縮形成的水膜會阻礙氧的傳遞。實驗證實，煙氣中水含量在10%左右時，S02的吸附量達到最高。吸附溫度的影響吸附溫度對S02的吸附量有著顯著的影響。盡管在活性炭吸附S02中存在著化學吸附，但注意到，化學反應的存在仍然是以活性炭對氧和水蒸汽的物理吸附為基礎的，因此，低溫吸附仍然是有利的，一般掌握在20100C范圍內。也有采用中溫或高溫吸附的工藝，但再生時會損失活性炭，且存在著

22、床層著火的危險。吸附劑浸漬的影響近年來把吸附劑浸漬引入了活性炭煙氣脫硫的工藝中來，已有報導，經(jīng)過浸漬銅、鐵、錳、鉆、鉻和鋅等鹽類的活性炭用于脫除S02,可顯著地提高活性炭的吸附能力，大多數(shù)研究者認為是這些鹽類對SO2催化氧化作用所致。70年代，有關單位在湖北松木坪電廠用含碘和含氮活性炭進行了吸附SO2的脫除實驗，結果證明，用這種活性炭吸附SO2,可使SO2的吸附容量提高23倍。但由于制備含碘和含氮活性炭增加了成本及工藝本身帶來的問題，方案未及推廣應用。（三）工藝流程活性炭吸附SO2的工藝按再生方式可分為加熱再生、還原再生和水洗法再生三種流程，其中以水洗法再生流程應用最廣。1.水洗再生法流程直接

23、用水把活性炭層中的硫酸洗滌下來，得到5%15%的稀硫酸，這種工藝出現(xiàn)在20世紀5060年代的原西德和日本。最典型的代表工藝是德國魯奇（Lurgi）公司開發(fā)的用于煙氣治理的活性炭吸附一水洗制酸工藝，工藝采用雙床并聯(lián)的固定床吸附器，含SO2的煙氣先在文丘里洗滌器中被來自循環(huán)槽的稀酸洗滌，起到降溫和除塵的作用，同時還可以使稀酸蒸濃。洗滌后的煙氣進入活性炭吸附器凈化后排放。此流程不設計單獨的再生時間，而是在氣體連續(xù)流動的情況下從吸附器的頂端間歇噴水對炭層洗滌，得到稀酸并循環(huán)使用，達到10%15%時再用于文丘里洗滌，可增濃到25%30%，再經(jīng)加熱濃縮，可得到70%的硫酸，用來生產(chǎn)化肥。脫硫效率可達到90%以上。圖3-21所示為該法流程的示意圖。該工藝存在兩大缺點，一是硫酸蒸濃時耗能太高，二