10第四節(jié)固定床吸附過程的計(jì)算固定床吸附器構(gòu)造簡潔，但由于氣體吸附過程是氣—固傳質(zhì)，對任一時(shí)間或任一顆粒來說都是不穩(wěn)定過程，因此固定床吸附器的吸附操作是非穩(wěn)態(tài)的，等溫過程處理，可不考慮傳熱速率方程和熱量方程〔升溫脫附除外。這樣在氣相中吸附質(zhì)濃度低〔2〕吸附操作在等溫下進(jìn)展〔3〕傳質(zhì)區(qū)通過整個(gè)床層時(shí)長度保持不變〔4和吸附效率確定之后進(jìn)展的。設(shè)計(jì)計(jì)算的任務(wù)是求出吸附器的床層直徑和高固定床吸附器的吸附過程。一、固定床吸附器的吸附過程了以下概念?！惨弧澄截?fù)荷曲線與透過曲線吸附負(fù)荷曲線〔高度x隨床層長度z變化的曲線。線將是一個(gè)直角形的折線，如圖3-12所示。但實(shí)際上是不行能的，在實(shí)際操3-13所示的吸附負(fù)荷曲線。圖中把曲線分成了三個(gè)區(qū)域：飽和區(qū)〔全部吸附劑已經(jīng)到達(dá)了飽和、傳質(zhì)區(qū)〔有一局部吸附劑還正在吸附〕和未用區(qū)〔全部吸附劑上均未有吸附質(zhì)。假設(shè)經(jīng)過一段時(shí)II線的位這個(gè)時(shí)刻，稱為破點(diǎn)。此時(shí)流出氣體中吸附質(zhì)的濃度稱為破點(diǎn)濃度?！布次截?fù)荷〕不易測定，故高度〔長度〕變化的曲線。是我們不期望消滅的狀況。透過曲線yτ的推移可畫出一條τ-y曲線。如圖3-14所示，開頭時(shí)流出物中吸附質(zhì)濃度為BxB〔xB為破點(diǎn)時(shí)床層出口端的吸附負(fù)荷τEyE,層已完全沒有吸附力氣，吸附波的末端也離開床層了。于是在τ-y圖上，從τB到τE呈現(xiàn)一個(gè)S型曲線，這條曲線稱“透過曲線飛速的，是抱負(fù)的吸附波?！捕潮Ｗo(hù)作用時(shí)間3-14所示的由τ0到τB所經(jīng)受的時(shí)間，到達(dá)τB時(shí)，床層內(nèi)吸附劑還沒有完全飽和。圖中的yB>0，是依據(jù)排放標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定出的一個(gè)值。3-14還消滅一個(gè)點(diǎn)，即τE，時(shí)間到達(dá)τE時(shí)，吸附波整個(gè)移出床層，透了的吸附床轉(zhuǎn)入脫附再生?！踩硞髻|(zhì)區(qū)高度Za表示。從理論上Z〔一般為05～10%，而吸附劑完全到達(dá)飽和的時(shí)間又太長，所以一般把由破點(diǎn)時(shí)間τB對應(yīng)的氣體濃度yB到干點(diǎn)時(shí)間τE對應(yīng)的氣體濃度yE這段時(shí)Z軸上所占據(jù)的長度稱為傳質(zhì)區(qū)高度。10倍?！捕取澈褪Ｓ囡柡土夥致蔬@兩個(gè)概念可用下式表示：吸附力氣分率越小，說明吸附床的操作性能越好。二、希洛夫近似計(jì)算法〔一〕希洛夫公式τˊτB

內(nèi)通過吸附床的吸附質(zhì)將全部被吸附，即通過床層的吸附質(zhì)的量確定等于床層內(nèi)所吸附的量，即：(3-19)式中 G——?dú)怏w通過床層的速率，kg/(m2·s)；SA——吸附床層截面積，m2；Tx——吸附劑的靜活性〔平衡吸附量，kg/k；TBτˊ——抱負(fù)保護(hù)作用時(shí)間，min；c0——?dú)怏w中污染物初始濃度，kg/m3；ρB——吸附劑積存密度，kg/m3；BZ——床層長度，m。由上式可得：

(3-20)對于確定的吸附系統(tǒng)和操作條件，ρB、x式可變成：

、G、co均已確定，因此可令T T Bτˊ=KZ (3-22)B但對一個(gè)實(shí)際的操作過程，由于床層存在阻力，因此實(shí)際上的保護(hù)作用時(shí)B間τB要比抱負(fù)保護(hù)作用時(shí)間τˊ時(shí)間損失，用τo來表示。阻力越大，τo越大。三個(gè)時(shí)間的關(guān)系可表示如下：BBτB=τˊ—τoB將(3-22)式代入上式，即得：

(3-23) KZ K(ZZ) (3-24)Z式即為具BZ

0公式，o

可以稱為床層長度損失。Zo均可由試驗(yàn)求得?！捕忱孟Ｂ宸蚬降暮喕?jì)算在吸附凈化的設(shè)計(jì)中，常利用希洛夫公式進(jìn)展簡化計(jì)算。簡化計(jì)算還是以試驗(yàn)作根底，利用希洛夫公式求出K與τ

，再依據(jù)生產(chǎn)要求的操作周期求出o0.2～0.6m/s之間；規(guī)定出適宜的破點(diǎn)濃度；uZ的保護(hù)作用時(shí)間τB，作出τB-ZK和τ0；定出操作周期τBmin；K、τ0、τB代入希洛夫公式，求出ZZ過長可以分層。用下式計(jì)算床層直徑：7W：

(3-25)(3-26)B式中 ρ ——吸附劑積存Zg/3。B10%裝填量。[例3-1] 用活性炭固定床吸附器吸附凈化廢氣。常溫常壓下廢氣流量為1000m3/h廢氣中四氯化碳初始濃度為2023mg/3選定空床氣速為20m/min條件下，進(jìn)展動態(tài)吸附試驗(yàn)取得如下數(shù)據(jù)：Z/m0.10.150.20.250.30.35透過時(shí)間τB/min109231310462550650請計(jì)算固定床吸附器的直徑、高度和吸附劑用量?！?-1附圖K，截距即為-τ0，得K=2143〔min/m〕τ0=95(min)K、τ0、τB代入希洛夫公式得：取Z=1.20m。承受立式園柱床進(jìn)展吸附，計(jì)算出吸附床直徑：。考慮裝填失，所吸W為：WAZ 1.2 1450423.9(kg)B423.91.1=466kg三、透過曲線計(jì)算法Za,保護(hù)作用時(shí)間τB和全床飽和度S?！惨弧硞髻|(zhì)區(qū)高度確實(shí)定0圖3-15〔kg溶質(zhì)/kg無溶質(zhì)氣體，0Gs(kg/m2·h)W〔kg無溶質(zhì)氣體/m3。透過曲線是比較陡的，流出物中溶質(zhì)的濃度從根本上yB作為破點(diǎn)的濃度，并認(rèn)為流出物濃度升到接WB，而到吸附劑耗竭時(shí)，流出物的量為WE。這樣，在透過曲線消滅期間所積存的流或稱傳質(zhì)區(qū)高度。當(dāng)吸附波形成后，隨著混合氣體的不斷通入，傳質(zhì)區(qū)沿床層不斷移動，令τa為吸附波移動一個(gè)傳質(zhì)區(qū)高度所需的時(shí)間，則： (WEWB)Wa (3-27)又令τ 為由通氣開頭a至床G耗竭需要的時(shí)間，即傳質(zhì)區(qū)形成和移出床層所E S S需的時(shí)間之和，則：〔3-28〕設(shè)傳質(zhì)區(qū)形WE τF，則τE-τF應(yīng)是自吸附波形成開頭到移出床層的時(shí)S間。在穩(wěn)定操G〔即吸附波前進(jìn)的速度得出傳質(zhì)區(qū)高度為：S(3-29)

U〔kg/m2Z Z床層截面積3-15中陰影的面積(3-30)

a E B假設(shè)傳質(zhì)區(qū)中全部的吸附劑均為吸附質(zhì)所飽和，則其吸附容量應(yīng)為yoWakg/m2。但實(shí)際狀況是，當(dāng)?shù)竭_(dá)破點(diǎn)時(shí)，傳質(zhì)區(qū)內(nèi)照舊具有一局部吸附容量，其值為U，式〔3-30〕所示。假設(shè)以E代表到達(dá)破點(diǎn)時(shí)傳質(zhì)區(qū)內(nèi)仍具有的吸附力氣與該區(qū)內(nèi)吸附劑總的吸附力氣之比，即前述剩余吸附力氣分率，則W3-31)

(yU

y)dW (E1-〕即代表了吸附

W B愈大，說明吸附區(qū)的飽和程度0 a 0 aE=0時(shí)，說明吸附波形成后，吸附區(qū)長度的距離所需時(shí)間相等：τF=τa于零。據(jù)此兩種極端狀況，應(yīng)有：3-32)代入式〔3-29〕得：

(1E)F a(3-33)S 由于τa=Wa/G，τE=WE/GS (3-34)由式〔3-34〕可知，要確定傳質(zhì)區(qū)的高度Za，必需通過試驗(yàn)得出透過曲線〔二〕吸附床飽和度Z，其中吸附劑的積存密度為ρB，ZAρB。Ty0x，T則此時(shí)吸附劑所吸附的污染物的量為：(3-35)

QZA xBT實(shí)際吸附量應(yīng)為飽和區(qū)的吸附量與傳質(zhì)區(qū)的吸附量之和。其中：飽和區(qū)吸附污染物的量=〔Z-Za〕AρBxT傳質(zhì)區(qū)吸附污染物的量=Za(1-E)AρBxTS為：(3-36)〔三〕傳質(zhì)區(qū)中傳質(zhì)單元數(shù)和傳質(zhì)單元高度的計(jì)算3-16所示。作物料衡算：(3-37)

G(yS

0)S(xT

0)式中 假想的吸附劑流量。即(3-38)

y S x ：0 G TS上式可以看作是操作線方程，SGS一截面，則可有如下關(guān)系：

為操作線斜率〔圖3-1。對于床層任(3-39)

G ySxS1dz作物料衡算，得：GdyKaS y p

(yy)dz(3-40)dz高度內(nèi)，氣體中溶質(zhì)的削減量等于吸附劑固體中吸附的吸附質(zhì)的量。式中 G——?dú)怏w流量，kg無溶質(zhì)氣體/m2·h；SKyap——?dú)庀囿w積傳質(zhì)總系數(shù)，kg吸附質(zhì)/m3·h；*—x成平衡的氣相濃度，kg吸附質(zhì)/kg無溶質(zhì)氣體。將〔3-40〕式整理并在傳質(zhì)區(qū)內(nèi)積分，即得傳質(zhì)區(qū)高度：(3-41)上式中H 、N

可以稱為傳質(zhì)區(qū)內(nèi)的傳質(zhì)單元高度和傳質(zhì)單元數(shù)。OG OG與處理吸取計(jì)算相類似，傳質(zhì)單元數(shù)可用圖解積分法求取。當(dāng)平衡線接近直線時(shí)，也可用下式近似計(jì)算：yyN 1 2(3-42)式中

OG ym——對數(shù)平均推動力m(yy)(y

y) (y 1 1 2 23-43)

m yln 1

y1y平均推動力。2 2下面通過例題講解有關(guān)計(jì)算。[例3-2] 用硅膠固定吸附床凈化含苯廢氣。廢氣初始濃度為y0=0.025kg混合氣體密度ρv=2.38kg/m3，動力粘度μV=1.8×10-5kg/(m.s)。氣流速度為1m/s，吸附周期為90min，破點(diǎn)苯/kg空氣，排放濃度yE=0.020kg苯/kg空氣。硅膠積存密度ρB=650kg/m3，平均粒徑dp=6mm。比外表積ap=600m2/m3。給定條件下的為y*=0.167x1..5，傳質(zhì)單元高度。試計(jì)算床層高度。1m2，以簡化計(jì)算。GS

u Ag

112.38kg/s ；傳質(zhì)單元高度y0=0.025時(shí)，xT=0.282B作操y值；yy*的值。依次計(jì)算出之后，之間進(jìn)展圖解積分，即可得到第5欄的值，即NOG的值。據(jù)此可得到對應(yīng)于yE的Za：Za=H ·N =0.071×5.925=0.42(m)OG OG例3-2 附表1234567yB=0.00250.00090.0016625000.10.00500.00220.00420.00280.00333583041.13751.90000.1920.3210.20.30.0070.00630.00372702.61250.4410.450.00890.00362783.30000.5560.50.0100.01160.00342944.01250.6760.600.01480.00273704.83750.8150.750.0120.01800.00205005.92501.0000.8yy*y-y*0.01500.017yy*y-y*0.01500.01750

WE

WWB依據(jù)上式，假設(shè)以y/y

(y y)dW0

1

yW標(biāo)，繪出曲線，曲線與y/y

=1水平線、(W－E WB

(1 )d(

b，即為。圖解aB)0 B)/Wa1面積aB)0 aE=0.55。依據(jù)物料衡算關(guān)系式：

0 0 a1×ZρBSxT=GSτBy0 (3-44)將〔3-36〕式代入上式，得：(3-45)將數(shù)代入上式，得：ZS：四、閱歷估算法附劑的用量，然后依據(jù)操作周期和閱歷氣體流速〔一般0.2～0.6m/s計(jì)算出吸附床高度。[例3-3] 擬用活性炭吸附器回收廢氣中所含的三氯乙烯廢氣排放條積分?jǐn)?shù)為2.0×10-3，流量為12700m3/h，要求三氯乙烯的回收率為99.5%。測得所要承受的活性炭對三氯乙烯的吸附容量為0.28kg三氯乙烯蒸氣/kg活性炭，活性炭的積存密度為期為4小時(shí)。操作氣速依據(jù)閱歷，取0.5m/s，求固定吸附床高度。解：三氯乙烯體積流量為：12700×2.0×10-3=25.4m3/h。將此換算成標(biāo)準(zhǔn)狀況下的體積：在四小時(shí)內(nèi)所要吸附的三氯乙烯的量為：189.18×4×0.995=752.94kg則所需活性炭體積為：0.5m/s74/23：AD4

5

4.66m7.065(m2)于是得床層高度為：Z=m/A=4.66/7.065=0.66(m)五、固定床吸附器床層壓降估算體是在顆粒間的空隙中流淌的，顆粒間空隙形成的孔道是彎曲且相互穿插的，降的閱歷公式?！惨弧硽怏w通過靜止吸附劑顆粒層的壓力降式計(jì)算床層的壓力降：(3-46)式中 △P——壓力降，Pa；Z——吸附劑層厚度，m；λ——外摩擦系數(shù)；顆粒當(dāng)量直徑，m；uh——?dú)怏w在吸附劑顆粒空隙間的真實(shí)流速，m/s；w——?dú)怏w重度，kg/m3；vg——重力加速度，9.81m/s2。dp可用下式計(jì)算：4 (3-47)式中 ε——床層空隙率,m3/m3;dpδ——單位體積床層中吸附劑顆粒的總外表積，m2/m3?？障堵师排c顆粒的放置狀況有關(guān)，對于均勻全都的球形顆粒， ε可取0.259～0.426，對于顆粒外形及大小不一的亂堆吸附劑層，其ε的值可按0.4計(jì)算。uh會比空塔氣速u高，uh可用下式近似計(jì)算：(3-48)外摩擦系數(shù)λ是雷諾準(zhǔn)數(shù)的函數(shù)，即(3-49)式中 μ

f(R)ev——?dú)怏w的動力粘度，kg/ms。vλ也可由試驗(yàn)得到。由試驗(yàn)得知：Re<20時(shí)，20<Re<7000時(shí)，Re>7000時(shí)， λ=0.4D1/50時(shí)，λ需乘以由試驗(yàn)測得的較正系數(shù)?！捕硽W根〔Ergun〕公式法計(jì)算床層壓降歐根從大量試驗(yàn)中導(dǎo)出了單一流體通過固定床壓力降的估算式為：(3-50)式中 △P——壓力降，Pa；吸附劑顆粒直徑，m；ε——床層空隙率，%；vρ ——?dú)怏w密度，kg