第十章 吸附法净化气态污染物
吸附过程与吸附剂
吸附理论
吸附操作方式与设计
吸附法净化气态污染物的应用本章重点与难点：
吸附理论：
重点：吸附平衡和吸附速率；
难点：吸附穿透曲线
吸附法净化气态污染物的应用重点讲述：
a,吸附法净化烟气中的 SO2
b,吸附法净化有机蒸汽。
引 言
1,吸附净化的概念,
（ 1） 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 。
（ 2） 吸附净化是利用多孔性固体物质的这一特点,实现净化废气的一种方法 。
2,吸附净化法的特点
（ 1） 适用范围
① 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；
② 对有机溶剂蒸汽具有较高的净化效率；
③ 当处理的气体量较小时,用吸附法灵活方便 。
（ 2） 优点,净化效率高，可回收有用组分，设备简单，
易实现自动化控制。
（ 3） 缺点,吸附容量小，设备体积大；吸附剂容量往往有限，需频繁再生，间歇吸附过程的再生操作麻烦且设备利用率低。
（ 4） 应用,广泛应用于有机化工、石油化工等部门。
环境治理方面：废气治理中，脱除水分、有机蒸汽、
恶臭,HF,SO2,NOX等。
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（ >98%）的氢气，实现废物资源化。
第一节 吸附过程与吸附剂一、物理吸附和化学吸附吸附过程,是用多孔固体（吸附剂）将流体（气提或液体）混合物中一种或多种组分积聚或凝缩在表面达到分离目的操作。
根据吸附剂表面与被吸附物质之间作用力不同。
物理吸附和化学吸附的区别 （见补表 10-1）。
注意一点：
物理吸附和化学吸附可同时发生但常以某一类吸附为主 。
同一污染物的吸附量随温度的变化曲线
（见图 10-1,吸附过程曲线）
补表 10-1 物理吸附和化学吸附的区别吸附作用力
（物）：一种物理作用，分子间力（范德华力）；
（化）：一种表面化学反应（化学键力）。
吸附速率
（物）：极快，常常瞬间即达平衡；
（化）：较慢，达平衡需较长时间。
吸附热
（区别二者的重要标志）
（物）：与气体的液化热相近,较小（几百焦耳 / m o l 左右）；
（化）：与化学反应热相近，很大（ > 4 2 k J / m o l ）。
选择性
（物）：没有多大的选择性（可逆）；
（化）：具有较高的选择性（不可逆）。
温度的影响
（物）：吸附与脱附速率一般不受温度的影响，但吸附量随温度上升而上升；
（化）：可看成一 个表面化学过程，需一定的活化能,吸附与脱附速率随温度升高而明显加快。
吸附层厚度
（物）：单分子层或双分子层，解析容易，低压多为单分子层随吸附压力增加变为多分子层；
（化）：总是单分子层或单原子层，且不易解吸。
图 10-1 吸附过程曲线二、吸附剂及再生
（ 一 ） 吸附剂
1,工业用吸附剂应具备的条件：
① 巨大的内表面,大的比表面积即大的吸附容量；
② 良好的选择性；
③ 较高的机械强度,化学与热稳定性；
④ 来源广泛,造价低廉；
⑤ 良好的再生性能 （ 从经济角度考虑 ） 。
2,工业常用吸附剂
① 活性炭,疏水性,常用于空气中有机溶剂,催化脱除尾气中 SO2,NOX等恶臭物质的净化；
优点：性能稳定,抗腐蚀 。
缺点：可燃性,因此使用温度不能超过 200℃,在惰性气流掩护下,操作温度可达 500℃ 。
② 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 ） 。
③ 硅胶,亲水性,从水中吸附水份量可达硅胶自身质量的 50%,而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 。
④ 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 。
通式为,[Mex/n(Al2O3)x(SiO2)y]·mH2O
特点：孔径整齐均一,因而具有筛分性能,一种离子型吸附剂,对极性分子,不饱和有机物具有选择吸附能力 。
⑤ 吸附树脂,最初为酚,醛类缩合高聚物,以后出现一系列的交联共聚物,如聚苯乙烯等 。
大孔吸附树脂除了价格较贵外,比起活性炭,物理化学性能稳定,品种较多,能用于废水处理,维生素的分离及 H2O2的精制等 。
书 P248,表 10-1列出了几种常用吸附剂的特性 。
3,影响气体吸附的因素
（ 1） 操作条件：
① 低温 （ 有利 ） 物理吸附；
高温 （ 有利 ） 化学吸附 。
② 吸附质分压上升,吸附量增加 。
③ 气流速度：对固定床为 0.2~0.6m/s
（ 2） 吸附剂的性质：
如孔隙率,孔径,粒度 比表面积 吸附效果
（ 3） 吸附质的性质与浓度：
如临界直径,分子量,沸点,饱和性 。
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 。
（ 4） 吸附剂的活性定义：以被吸附物质的重量对吸附剂的重量或体积分数表示,是吸附剂吸附能力的标志 。
%100 所用吸附剂量已吸附吸附质的质量吸附剂的活性吸附剂的活性：
静活性,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,吸附达到饱和时的吸附量 。
动活性,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 。 这时单位吸附剂所吸附的吸附质的量称为～ 。
（ 5） 接触时间
（ 6） 吸附器性能
（ 二 ） 吸附剂的再生再生方法：
（ 1） 加热解吸再生； （ 2） 降压或真空解吸再生；
（ 3） 溶剂萃取再生； （ 4） 置换再生； (5)化学转化再生第二节 吸附理论一、吸附平衡设计吸附装置或强化吸附过程的关键：
对于一台运转的吸附设备预达到最大的吸附分离效果取决于两方面因素：
（ 1） 由吸附剂与吸附质本身的物化性质所决定的吸附平衡 （ 进行的可能性 ） ；
（ 2） 由物质传递所决定的吸附动力学 （ 吸附速率 ） （ 进行的快慢 ） 。
吸附平衡,吸附质与吸附剂长期接触后,气相中吸附质的浓度与吸附剂 （ 相 ） 中吸附质的浓度终将达到动态平衡 。
---------------- 10.1
平衡吸附量,吸附剂对吸附质的极限吸附量,亦称 静吸附量分数 或 静活性分数,用 XT或 m吸附质 /m吸附量 表示,是设计和生产中一个十分重要的参数,用吸附等温线或吸附等温方程来描述 。
等温吸附线,吸附达平衡时,吸附质在气,固两相中的浓度间有一定的函数关系,一般用等温吸附线表示 。
目前已观测到 5种类型的等温吸附线 （ 见图 10-2） 。
化学吸附只有 I型,物理吸附 I~V型都有 。
相应的等温吸附方程式如下：
（ 一 ） 弗伦德里希 （ Freundlick） 方程式对 I型 提出如下经验式：
nT kPX
1
图 10-2 5种类型等温吸附线
XT — 吸附质质量与吸附剂质量之比值,无量纲,单位吸附剂在吸附平衡时的饱和吸附量 (m3/kg)或 (kg/kg)
P— 吸附质在气相中的分压,pa；
K,n— 经验常数,与吸附剂,吸附质种类及吸附温度有关
,对于一定的吸附物质,仅与平衡时的分压和温度有关,其值需由实验确定,而 n≥1。
适应范围：在广泛的中压部分,与实际数据符合较好；
常用于低浓度气体的吸附 。
取对数后：
----------- 10.2
① lgXT— gP关系,得直线； ② 1/n,lgk求出 n,k；
③ 1/n介于 0.1~0.5之间时,吸附容易进行；
1/n >2时,吸附难进行 。
PnkX T lg)1(lglg
（ 二 ） 朗格缪尔 （ Langmuir） 方程式
1916年导出,较好 适用于 I型 的理论公式假设,a.固体表面的吸附能力只能进行单分子层吸附 —
与 I型吸附线相吻合； b.固体表面各处的不饱和力相等,
表面均匀,即各处的吸附热相等 。
设：吸附质对吸附表面的覆盖率为 θ,则为覆盖率为
（ 1-θ）,。
若气相分压为 P,则吸附速率为 k1P(1-θ)。
解吸速率为 k2θ,当吸附达平衡时：
m a xX
X
固体总面积已覆盖的面积?
k1P(1-θ)= k2θ ----------- 10.3
----------- 10.4
pkk
pk
12
1
式中,k1,k2分别为吸附,解吸常数 。
令 B= k1/k2,则
----------- 10.5
若 A为饱和吸附量,则单位量吸附剂所吸附的吸附质量
XT为：
（ 朗氏方程 ） ----------- 10.6
其中,A,B为常数 。
当压力 P很小时 BP<<1,则：
当压力 P很大时 BP>>1,则,即此时吸附量与气体压力无关,吸附达到饱和；
当压力 P为中等时,这与 Freundlick吸附等温式相同 。
BP
BP
1?
BP
A B PAX
T 1?
PBAX T
PAX T
nT PAX
1
若 θ= 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；
Vm— 吸附剂被盖满一层时被吸附气体在标准状态下的体积 。
则 10.5式写成：
或 ----- 10.7
说明：
（ 1） P/V对 P作图,得一直线；
（ 2） 由斜率 1/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 θ较大时,吻合性较差 。
BP
BP
V
V
m?
1
mm V
P
BVV
P 1
（ 三 ） BET方程式 （ 是朗氏理论基础上的发展 ）
1938年勃劳纳尔 （ Brunauer）,爱米特 （ Emmett） 和泰勒 （ Teller） 三人提出 适合 Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ 型的多分子层吸附理论并建立等温方程式,即：
或
--------- 10.8
式中：
P0— 在同温度下该气体的液相饱和蒸汽压,Pa；
C— 与吸附热有关的常数；
Xe— 饱和吸附量分数,无量纲；
]/)1(1[ 00 PPCPP
CPVV m
00 11,PPCPP
CPXX e
T
上式亦写为：
或
--------- 10.9
说明：
（ 1） － P/P0或 － P/P0作图,
得一直线 。
（ 2） 重要用途 可测定和计算固体吸附剂的比表面积具体计算方法为：
由斜率和截距求得 Vm,则吸附剂的比表面积为：
--------- 10.10
00
11
PCV
PC
CVPPV
P
mm
00
11
PCX
PC
CXPPX
P
eeT
)( 0 PPV
P
)(
0 PPX
P
T?
W
NVS m
b
2 2 4 0 0
0
式中：
Sb— 吸附剂比表面积,m2/g ；
σ— 一个吸附质分子的截面积,m2 ；
W— 吸附剂质量；
N0— 阿伏伽德罗常数,。
适用范围,P/P0=0.05~0.35时上方程较准确 。
例题,（ 见 P251,例 10.1）
已知,293K,用活性炭吸附苯蒸汽所得到的平衡数据如下
230 10023.6N
P/ 10 3 Pa 0,267 0,400 0,533 1,333 2,660 4,000 5,332
X T 0,176 0,205 0,225 0,265 0,287 0,290 0,300
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 （ 见例 10-1图 ）,
例 10-1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 。
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) 带入上式,于是有：
解之得：
)1()/( BPXXA TT
BA
BA
1400 0290.0290.0
1400205.0205.0
3101 7 6.5B
304.0
10176.5
1
400
205.025.0
3A
二,吸附速率吸附速率,单位重量的吸附剂 （ 或单位体积的吸附层 ）
在单位时间内所吸附的物质量 。 吸附速率的变化范围很大,可从百分之几秒到几十小时 。
吸附过程可分为以下几步 （ 见图 10-3） 。
（ 1） 外扩散 （ 气膜扩散 ）,吸附质从气流主体穿过颗粒周围气膜扩散至外表面 。
（ 2） 内扩散 （ 微孔扩散 ）,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 。
脱附过程是上过程的逆过程 。
对于化学吸附第三步还伴有化学反应 。
图 10-3 吸附过程与两种极端浓度曲线一般吸附过程：
(1) 物理吸附：内外扩散控制；
(2) 化学吸附：既有表面动力学控制,亦有内外扩散控制一般来说,外扩散控制的情况较少,
（ 一 ） 外扩散速率吸附质 A的外扩散传质速率计算式为：
--------- 10.11
式中：
dMA— dt时间内吸附质从气相扩散至固体表面的质量,kg/m3；
kY— 外扩散吸附分系数,kg/ (m2.s)；
ap— 单位体积吸附剂的吸附表面积,m2/ m3；
YA,YAi— 分别为 A 在气相中及吸附剂外表面的浓度,质量分数 。
AiApYA YYakdtdM
（ 二 ） 内扩散速率
--------- 10.12
式中：
kX— 内扩散吸附分系数,kg/ (m2.s) ；
XA,XAi— 分别为 A在固相内表面及外表面的浓度,质量分数
（ 三 ） 总吸附速率方程式由于表面浓度不易测定,吸附速率常用吸附总系数表示
----- 10.13
式中：
KY,KX— 分别为气相及吸附相吸附总系数,kg/ (m2.s) ；
— 分别为吸附平衡时气相及吸附相中 A的浓度,
质量分数
)( AAipXA XXakdtdM
)()( AApXAApYA XXaKYYaKdtdM
AA XY,
设吸附过程中吸附质在吸附剂上达到平衡时,流动相中的浓度与吸附剂上的吸附量成简单的关系：
式中,m— 平衡曲线的斜率 。
由此得：
--------- 10.14
--------- 10.15
可见,--------- 10.16
显然：分吸附系数与总吸附系数间的关系与吸收类似 。
AA mXY
pXpYpY ak
m
akaK
11
makakaK pYpXpX
111?
YX KmK
第三节 吸附操作方式与设计一,吸附过程的工艺流程
（ 一 ） 工艺流程分类
1,按吸附剂在吸附器中的工作状态分为：
固定床,移动床 （ 超吸附 ）,沸腾流化床 。
穿床速度,气体通过床层的速度是划分反应床类型的主要依据 。
（ 1） 穿床速度低于吸附剂的悬浮速度,颗粒处于静止状态,属于 固定床 范围；
（ 2） 穿床速度大致等于吸附剂的悬浮速度,吸附剂颗粒处于激烈的上下翻腾状态,并在一定时间内运动,属于流化床 范围；
（ 3） 穿床速度远远超过吸附剂的悬浮速度,固体颗粒浮起后不再返回原来的位置而被输送走,属于 输送床 范围
2,按操作过程的连续与否分为,间歇式,连续式 。
3,按吸附床再生的方法分,升温解吸循环再生 （ 变温吸附 ）,减压循环再生 （ 变压吸附 ）,溶剂置换再生 等
（ 二 ） 常见的几种吸附流程
1,固定床吸附流程 （ 见图 10-4）
优点：设备结构简单,吸附剂磨损小；
缺点,① 间歇操作,操作必须周期性地变换,因而操作复杂,劳动强度高；
② 设备庞大,生产强度低；
③ 吸附剂导热性差,因而升温及变温再生困难 。
图 10-4 半连续式吸附流程
2,移动床吸附流程 （ 见图 10-5）
控制吸附剂在床层中的移动速度,使净化后的气体达到排放标准 。
特点,① 吸附剂在下降过程中,经历了冷却,降温,吸附,增浓,汽提 -再生等阶段,在同一设备内完成了吸附
,脱附 （ 再生 ） 过程； ② 吸附过程是连续的,多用于处理稳定,连续,大气量的废气； ③ 吸附剂在移动过程中有磨损 。
3,流化床吸附流程 （ 见图 10-6）
二,吸附性能参数的测定
（ 一 ） 吸附平衡的测定 （ 自学 ）
有三种测定方法,即容量法,重量法和流动色谱法 。
（ 详见书 P255）
图 10-5 移动床工艺流程图
1-料斗；
2-吸附器；
3-风机；
4-传输带图 10-6 连续式流化床吸附工艺流程图
1-料斗；
2-多层流化床吸附器；
3-风机；
4-皮带传输机；
5-再生塔；
6-分离器
（ 二 ） 比表面积的测定用 BET方程进行图解,可测得吸附剂的比表面积 。
其测定步骤如下：
1,据 BET方程式,以 对 P/P0或对 P/P0作图,可得到一直线 。 由斜率 和截距
,求出 C,Vm。
2,按式 10.10求出吸附剂的比表面积 。
例 10.2,用比表面积测定仪测定某一固体吸附剂的比表面积,试验用吸附剂试料量 W=0.9578g,实验温度
T=300K,在该温度下,N2的饱和蒸汽压 P0=119057Pa，
试验测得吸附达平衡时氮气分压与吸附剂吸附量的关系为：
TXPP
P
00PPV
P
CV
C
m?
1
CV m?
1
P/ Pa 9 0 5 1,8 9 5 1 1 5 3 3,0 4 1 8 6 5 6,1 9 7 2 6 3 4 7,3 2 9 7 2 8,4 9
V / m l 0,8 9 8 4 0,9 2 2 8 1,0 7 6 0 1,1 6 6 1,2 5 8
若一个 N2分子截面积 σ=13.8× 10-10m2。 试用 BET方程计算该吸附剂的表面积 Sb。
解,BET方程式如下：
根据测得 N2分压与相应的吸附量值，计算出及 P/P0 结果见下表：
00
11
CPV
PC
CVPPV
P
mm
PPV
P
0
0P
P
0,0 7 6 0 0,0 9 6 9 0,1 5 6 7 0,2 2 1 3 0,2 4 9 7
PPV
P
0
0,0 9 1 6 0,1 1 6 2 0,1 7 2 7 0,2 4 3 7 0,2 6 4 5
以 为纵坐标,为横坐标作图。
(见例 10.2附图）PPV P?0 0PP
由图可知：
解上方程组，得,C=94.82 Vm=0.9588
则吸附剂的比表面积
0 1 1.0
1
0 3 2.1
1
m
m
VC
VC
C
gm
W
NV
S mb
/107 1 4.3
9 5 7 8.0
108.13
2 2 4 0 0
100 2 3.69 5 8 8.0
2 2 4 0 0
210
1023
0
（三）吸附速率的测定气相吸附的速率可以用定容法或重量法测定。
（参见书 P256）
三,吸附装置的设计
（ 一 ） 常见的吸附器 （ 详见 P257）
（ 二 ） 固定床吸附器的设计计算设计计算应包括确定：
（ 1） 吸附器的型式 ； （ 2） 吸附剂的种类 ； （ 3） 吸附剂的需要量； （ 4） 吸附床高度 ； （ 5） 吸附周期；等 。
以上参数的选择应从吸附平衡,吸附传质速率及压降来考虑 。
1,设计依据废气的流量,性质及污染物浓度,国家排放标准 。
2,吸附器的确定对吸附器的基本要求：
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 能够有效的控制和调节吸附操作温度；
⑤ 易于更换吸附剂 。
3,吸附剂的选择 （ 同：工业吸附剂应具备的条件 ）
依据：等温吸附线 （ 得到或测出 ）
须满足条件：
① 对所处理污染物选择性强；
② 比表面积大；
③ 吸附容量大；
④ 具有较好机械强度,热稳定性及化学稳定性 。
4,吸附区高度的计算常用两种,穿透曲线法 ； 希洛夫近似法 。
（ 1） 穿透曲线 （ 透过曲线 ） 法
（ A） 吸附负荷曲线在流动状态下,气相中的吸附质沿床层不同高度的浓度变化曲线,或在一定温度下吸附剂种吸附的吸附质沿床层不同高度的浓度变化曲线称为～ 。
结合 补图 10-1,分析一下床层内吸附质浓度在整个操作过程的变化 。
说明,横轴 Z— 吸附剂床层高度；横轴 X— 吸附剂的吸附负荷； X0— 吸附剂原始浓度 （ 或反复再生过的吸附剂中残留的吸附质浓度 ） ； Xe— 吸附剂达到饱和时的负荷； τ0— 床层开始吸附的时间； τb— 达到破点的时间； τe—
全床达到吸附平衡 （ 饱和 ） 的时间 。
补图 10-1 吸附剂中吸附质浓度的变化
τ0 τ τ+Δτ
补图 10-1 吸附剂中吸附质浓度的变化 (续）
τb >τb ≥τe
（ a） 图,τ＜ τ0,未通过含吸附质气体时
（ b） 图,τ=τ,已通入含吸附质气体,在吸附剂进口处吸附剂刚刚出现饱和时 。
（ c） 图,τ=τ+Δτ,在床层的进气端吸附质负荷为 Xe，
此区称为,平衡区,或称,饱和区,；而靠近气体出口侧,床层中的吸附负荷仍为 X0,此区内的吸附剂仍具有高度活性,此区称为,未用区,；介于平衡区和未用区之间的那一部分床层其吸附负荷由饱和 Xe的变化到起始的 X0,形成一个 S形曲线,这段床层进行吸附过程,故称,传质区,或,传质带,,而 S曲线称为,
吸附波,或,传质波,,又称,传质前沿,。 (见补图
10-2)
补图 10-2 吸附剂床层中各区分布示意图未用区传质区 (传质带 )
饱和区 (平衡区 )
Y
Y0
（ d） 图,τ=τb,吸附波前沿刚刚到达吸附层下端口,
若继续进行吸附,则从流出床层气体中,将发现有吸附,此即所谓,穿透现象,或称,透过现象,。 出现穿透的点称为,穿透点,（ 或称,破点,）,到达破点所需的时间为,透过时间,τb（ 或,穿透时间,）
。
（ e） 图,τ>τb：,传质波,继续前移 。
（ f） 图,τ≥τe,吸附波的末端也到达床层的出口,即全床达到吸附平衡 (饱和 ),整个床层失去吸附能力 。
（ B） 穿透曲线 （ 透过曲线 ）
在一定时间内,分析床层中流出气体的浓度,即从研究流出物浓度随时间的变化关系来达到研究吸附床层中浓度变化的情况 — 穿透曲线 （ 透过曲线 ） 。
（ 见图 10-10）
图 10-10 吸附穿透曲线
W
Yb
D
C
（ C） 穿透曲线法假设条件,① 等温吸附,等温吸附线为线型；
② 低浓度污染物的吸附；
③ 传质区高度比床层高度小得多 。
设：气体中吸附质的无溶质基浓度用 Y（ 即吸附质 /载气
） 表示,吸附剂上吸附质的无溶质基浓度用 X表示 （ 即吸附质 /吸附剂 ） 表示 。
图中,W,一段时间后流出物总量,kg载气 /m2；
① Ye≠Y0,Ye=0.9Y0 ； ② Yb≠0,Yb=0.001 Y0~0.01 Y0;
则一段时间后流出物总量：
Wa = We— Wb (kg/m2) ------------10.17
其中,Wa— Z a段 （ 传质区段 ） 的流出物量那么在吸附区内,从穿透点到吸附剂基本失去吸附能力
,吸附剂所吸附污染物的质量为：
------------10.18
定义,f — 穿透点出现时,传质区内仍具有吸附能力面积的比率,可表示为：
------------10.19
从而 （ 1-f） 为传质区内吸附剂的饱和度 。
f意义,f的大小反映了在到达破点时床层的饱和度 。
f愈大,吸附饱和的程度愈低,传质区形成所需的时间愈短 。 f介于 0～ 1之间,一般在 0.4～ 0.5左右 。
BED
W
W
SdwYYU e
b
）（ 0
B C E D
B E D
a S
S
WY
Uf?
0
设吸附床的高度为 Z,则传质区高度：
------------10.20
Za的计算公式推导如下,
① 传质区形成后在床区内向前移动一段距离等于 Za（ 传质区高度 ） 所需的时间 τa
------------(a)
② 传质区形成并移出床层所需的时间 τe
-----------（ b）
ZWfW
W
WfW
ZWZ
ab
a
ae
a
a
1
S
be
s
a GWWGWa?
S
ee GW
③ 令 τf为传质区形成所需的时间,则传质区移动等于床层总高 Z距离,所需时间为 τe-τf,因此,传质区高度 Za为
-----------（ c）
∵ 吸附波形成后尚有 f这一部分面积未吸附,∴ τf <τa
当 f=0时,则表示吸附波形成后,传质区已达饱和,
τf =τa； 当 f=1时,表示传质区里吸附剂基本上不含吸附质,τf≈0。
所以有,τf=（ 1- f） τa ------------ (d)
将 （ d）,（ a）,（ b） 代入 （ c） 有
fe
a
a ZZ
ae
a
s
a
s
e
s
a
ae
a
a
WfW
ZW
G
W
f
G
W
G
W
Z
f
ZZ
1
1
1
（ D） 穿透曲线的绘制,（ 见书 P260）
（ 2） 希洛夫近似法 → 间歇固定床持续时间的计算
（ A） 希洛夫公式 （ 希洛夫方程 ）
假设条件：
① 吸附速率无穷大,即吸附质进入吸附层即被吸附；
② 达到穿透时间时,吸附质进入床层的吸附质量等于该时间内吸附床的吸附量 。
于是,有平衡关系式：
------------10.26
显然,吸附床的穿透时间 τb与吸附床高度 Z关系是通过原点的直线,如图 10-12所示,1线 （ 纠正 ） 。
Tsbs XAZYAG 0
KZZYGX
s
sT
b?
0
τ
图 10-12 τb— Z曲线而实际穿透时间 τ<τb,其差值为 τ0,故上式修正为：
τ=K(Z-Z0) 或 τ=τb -τ0 --------10.27
式中：
Gs — 载气通过床层的流率,kg/m2.s；
τb— 吸附床的穿透时间 （ 保护作用时间 ） 。
Z0— 吸附剂中未被利用部分的长度,亦称为,死层,；
τ0=KZ0,K为吸附层的保护作用系数,
τ-Z关系曲线,（ 如图 10-12所示,2线 ）
式 10.26,10.27为希洛夫方程
（ B） 用 希洛夫公式进行近似计算的设计程序
0YG
XK
s
sT
① 选定吸附剂和操作条件,如温度,压力,气体流速等
。 对于气体净化,空床流速一般取 0.1～ 0.6m/s,可根据已给处理气量选定 。
② 根据净化要求,定出穿透点浓度,在载气速率 Gs一定的情况下,选取不同的吸附剂床层高度 Z1,Z2,…,Zn，
可根据已给处理气量选定 。
③ 以 Z为横坐标,τ为纵坐标,作 Z -τ直线,则其斜率为
K,截距为 τ0。
④ 根据生产中计划采取的脱附方法和脱附再生时间,能耗等因素确定操作周期,从而确定所要求的穿透时间 τ
⑤ 用希洛夫公式计算所需吸附剂床层高度 Z。若求出 Z
太高，可分为 n层布置或分为 n个串联吸附床布置。为便于制造和操作,通常取个床层高度相等,串联床数 n≤3。
⑥ 由气体质量流量 G（ kg/s） 与气流速率 Gs,求床层截面积 A（ m2）
若 A太大,可分为 n个并联的小床,则每个小床的截面积 （ m2）
由床层截面积 A或 A′可求出床层直径 D（ 圆柱形床 ） 或边长 B（ 正方形床 ） 。
⑦ 求所需吸附剂质量 。
⑧ 核算压降 Δp。 若 Δp值超过允许范围,可采取增大 A 或减小 Z的办法使 Δp值降低 。
⑨ 设计吸附剂的支承与固定装置,气体分布装置,吸附器壳体,各连接管口及进行脱附所需的附件等 。
n
GA?'
sG
GA?
5,吸附剂用量 （ 纠正公式 ）
------------10.28
式中：
A— 吸附床横截面积,m2。 考虑到装填损失,每次新装吸附剂量为 （ 1.05～ 1.2） 理论量 。
6,吸附周期 （ 出现穿透的时间 ）
------------10.29
7,固定床降压采用欧根 （ Ergun） 方程计算 （ 经验公式 ）
-------10.30
s
T
bs ZAM
X
AGYM 或0
s
a
G
Wt?
pp d
u
d
u
Z
P 2
323
2 1
75.1)1(1 5 0
式中,△ P— 通过床层的压降,Pa；
Z— 床层高度,m；
μ— 气体的动力粘度,Pa/s；
ε— 颗粒层孔隙率,%；
ρ— 气体密度,kg/m3；
u— 床层进口横截面积处气体平均流速,m/s；
dp— 吸附剂颗粒直径,m.
例题,P262,例 10.3（ 校正题中错误 ！ ）
（ 变换形式后 ）
某厂产生含 CCl4废气,气量 Q=1000m3/h,浓度为 4~5g/m3
,一般均为白天操作,每天最多工作 8h。 拟采用吸附法净化,并回收 CCl4,试设计需用的立式固定床吸附器 。
解：
① CCl4为有机溶剂,沸点为 76.8,微溶于水,可选用活性炭作吸附剂进行吸附,采用水蒸气置换脱附,脱附气冷凝后沉降分离回收 CCl4。 根据市场供应情况选用粒状活 性 炭 作 吸 附 剂,其 直 径 为 3 mm,堆 积 密 度
ρs=300~600g/l,孔隙率 ε=0.33~0.43。
② 选定在常温常压下进行吸附,维持进入吸附床的气体在 20℃ 以下,压力为 101325Pa。 根据经验选取空床流速
u=20m/min。
③ 将穿透点浓度定为 50 mg/m3。
以含 CCl45g/m3的气流在 ①②③ 所指定的条件下进行动态吸附实验,测定不同床层高度下的穿透时间,得到如下实验数据：
④ 以 Z— 横,τ— 纵,作图得一直线 (见例 10-3,附图 )。
在所作直线上取两点 （ 0.14,200）,（ 0.35,651）
于是
τ0=101min（ 查图 ）
)( m i n /2 1 4 814.035.0 2 0 06 5 1 mK
床层高度 Z /m 0,1 0,1 5 0,2 0,2 5 0,3 0,3 5
穿透时间 τ /m i n 109 231 310 462 550 651
⑤ 据该厂生产情况,考虑每周脱附一次,床层每周吸附
6天,每天按 8 h计,累计吸附时间 48h。
因而床层高度为：
τ0 0
tgα=K
例 10-13 附图取 Z=1.4m
⑥ 采用立式圆筒进行吸附,其直径为：
取 D=1.0m
⑦ 所需吸附剂量考虑到装填损失,取损失率为 10%,则每次新装填吸附剂时需活性炭 545~726kg。
)(3 88.12 14 8 1 0160480 mKZ
03.1
6020
1 0 0 044 2
1
2
1
u
QD
kgZAm s 8.4942/16003004.10.14 2
kgm 7.6596004.10.14 2m a x
⑧ 压力降 （ 书中有计算错误,纠正 ！ ）
查 20℃,101.325Pa条件下空气密度 ρ=1.2kg/m3,
,此时气速
sPa 6108.1?
smu /354.00.143 6 0 01 0 0 0
2
( P a)1.4 3 124.15.1 7 3 6
4.1
0 0 3.0
3 5 4.02.1
38.0
38.01
75.1
0 0 3.038.0
10183 5 4.038.011 5 0
1
75.1
1
1 5 0
2
323
62
2
323
2
Z
dp
u
dp
u
P
代入式 10.30,得：
此压降可以接受,不必对吸附器床厚度作调整 。
⑨ 设计吸附器壳
（ 三 ） 吸附剂再生的计算 （ 见书 P263）
（ 以水蒸气脱附再生法为例 ）
1,脱附吸附质时水蒸气的消耗量；
2,干燥吸附剂时空气消耗量；
3,加热空气所消耗的热量 。
小结,这一节介绍了
（ 1） 吸附过程与工艺流程；
（ 2） 吸附性能参数的测定：吸附性能参数中着重讲了比表面积 的测定,其测定计算方法需掌握；
（ 3） 吸附装置的设计中重点讲了常见的固定床吸附器的设计计算,其中吸附区高度的计算常用两种计算方法,穿透曲线法,希洛夫近似法,需掌握 。
第四节 吸附法净化气态污染物的应用一、吸附法净化烟气中的 SO2
常用的吸附剂是活性炭,分子筛,硅胶等,下面介绍活性炭吸附法 。
（ 一 ） 活性炭吸附脱硫的特点,
最早出现于 19世纪下半叶,20世纪 70年代后期,日本
,德国,美国得到工业应用 。 其代表法有：月立法,住友法,鲁奇法,BF法及 Reinluft法等 。 发展趋势：由电厂到石油化工,硫酸及肥料工业等领域 。
能否应用该方法的关键,
① 解决副产物稀硫酸的应用市场；
② 提高活性炭的吸附性能；
活性炭脱硫的主要特点：
① 过程比较简单,再生过程中副反应很少；
② 吸附容量有限,常需在低气速 （ 0.3~1.m/s） 下进行,
因而吸附器体积较大；
③ 活性炭易被废气中 O2氧化而导致损耗；
④ 长期使用后,活性会产生磨损,并因微孔堵塞丧失活性 。
（ 二 ） 活性炭脱硫工艺流程常见的工艺流程有固定床,移动床 。 （ 见图 10-13,图
10-14）
图 10-13 活性炭固定床吸附 SO2
1、文丘里洗涤器； 2、吸附塔； 3、液体槽；
4、硫酸浓缩器； 5、冷却器； 6、过滤器图 10-14 移动床吸附 SO2
1、吸附塔； 2、空气处理槽； 3、脱附塔；
4、换热器； 5,7、风机； 6、烟囱； 8、锅炉
（ 三 ） 原理
1,脱硫两个步骤：
（ 1） SO2,O2通过扩散传质从排烟中到达炭表面,穿过界面后继续向微孔通道内扩散,直至为内表面活性催化点吸附； （ 2） 被吸附的 SO2进一步催化氧化成 SO3,再经过水合稀释形成一定浓度的硫酸储存于炭孔中 。
其机理如下：
*2*222,,OSOOSO?
1*32*2 21 QSOCCOSO
2422*3 QSOHCOHSOC
32422*42 QOnHSOHCOnHSOHC
2,再生：采用洗涤再生法,通过洗涤活性炭床层,使炭孔内的酸液不断排出炭层,从而恢复炭的催化活性 。
（ 原因 ）
（ 四 ） 影响因素
1,脱硫催化剂的物化特性书中列出三种不同活性炭的物化性能 (书 P267,表 10-3)
2,烟气空床速度与 SO2浓度 （ 见图 10-15和图 10-16）
3,床层温度与烟气湿度 （ 见图 10-17）
4,烟气中氧含量烟气中氧含量对反应有直接影响 。
氧含量 <3%时,反应效率下降；氧含量 >5%时,反应效率明显提高；一般烟气中氧含量为 5%~10%,能够满足脱硫反应要求 。
图 10-15 空速对脱硫效率的影响
1-总反应时间； 2-平均转化率
1
2
图 10-16 SO2浓度对脱硫效率的影响
1-总反应时间； 2-平均转化率
1
2
图 10-17 床层温度和烟气含湿量 对脱硫效率的影响
1-烟气含湿量； 2-床层温度
1
2
二、吸附法净化有机蒸汽常用的吸附剂是活性炭 。
（ 一 ） 固定床吸附净化流程 （ 见图 10-18）
（ 二 ） 间歇固定床净化有机溶剂的计算有机溶剂易挥发,在进行吸附计算时应考虑有机溶剂的蒸发量
1,有机溶剂的蒸发量 （ 即散发量 ） 可按马扎克
（ B.T.M） 公式和相对挥发度计算 。
（ 1） 马扎克公式法适用于：有机物质敞露存放时散发量计算
MFpuG v 32.1331.438.5
图 10-18 从空气中回收有机溶剂蒸汽的工业吸附装置图
1、过滤器,2、砾石阻火器； 3、附有安全膜片的补偿安全器；
4、风机； 6、加热器； 7、凝液罐； 8、吸附器； 9、冷凝器；
10、液体压力计； 11、弹簧压力计； 12、水银温度计式中,G-----有机溶剂蒸发量,g/h；
u------车间内风速,m/s；
Pv----有机溶剂在室温时饱和蒸汽压,Pa；
F------有机溶剂敞露面积,m2；
M-----有机溶剂分子量 。
不同温度下有机溶剂的饱和蒸汽压 Pv可按下式计算：
式中,T-----------有机溶剂的温度,T；
A,B------常数 。
常用有机溶剂的 A,B值 （ 见书 P269,表 10-4）
BT AP V
05 22 3.0
32.13 3l og
（ 2） 相对挥发度近似计算法相对挥发度,为乙醚的蒸发量与某溶剂在相同条件下蒸发量的比值,即已知某条件下,A物质的散发量为 GA,那么相同条件下,B物质的散发量为：
ii GGa /乙醚?
BAAB aaGG /
例 10.4,比较简单,看书即可 。
例 10.5：在 21℃ 和 138KPa（ 绝压 ） 下,283.2m3/min（
289K,101.3KPa） 的脱酯剂排气流中含有三氯乙烯 0.2%
（ 以体积计 ）,用活性炭吸附塔回收 99.5%（ 以质量计 ）
的三氯乙烯 。 活性炭堆积密度 ρs=577Kg/m3,静活性
XT=28Kg三氯乙烯 /100Kg活性炭,吸附塔的操作周期为
：吸附 4h,加热和脱附 2h,冷却 1h,1h备用 。 试计算活性炭的用量和吸附塔尺寸 。
解：操作条件下混合气体的体积流量：
三氯乙烯的体积流量：
三氯乙烯的质量流量：
hm /9.1 2 6 8 81 3 82 8 9 3.1 0 12 9 4602.2 8 3 3
hm /4.25%2.09.1 2 6 8 8 3
hKg
hK m o l
/86.18737.13143.1
/43.1
3.101294
138273
4.22
4.25
经 4h吸附的三氯乙烯量：
所需活性炭量：
若采用气速为 0.5m/s的立式塔,流体通过的截面积为：
塔径,
塔高：
205.736 005.09.12 688 ms
mD 305.74
mH 66.005.763.4
Kg68.7474995.086.187
363.4285 7 7 1 0 068.7 4 7 m
三,吸附法净化含氟废气
1,含氟废气的 净化方法 有：干法和湿法 。
典型的技术：用氧化铝吸附净化铝厂含氟烟气 。
目前,国外采用的吸附净化流程有：美国的 A-398法,
加拿大的阿尔肯 （ A） 法,法国的比施涅法 （ P） 法 。
2,该法的 特点,
① 净化效率高,可达 99%以上；
② 吸收剂是铝电解的原料氧化铝,不需专门制备和处理吸附剂；
③ 无二次污染和设备腐蚀问题；
④ 属干法净化,基建费用和运行费用均较低,适用于各种气候条件 。
3,原理,
氧化铝：颗粒细,微孔多,比表面积大,又具有两性化合物的特性,一种特殊的吸附剂；
氟化氢：酸性气体,沸点高,电负性大,极易被氧化铝吸附 。
Al2O3+6HF 2AlF3+3H2O
4,吸附特点：
主要为化学吸附,同时伴随物理吸附 。 降低温度和提高
HF浓度均有利于吸附过程的进行 。
5,吸附装置和净化工艺
① 输送床吸附法 （ 亦称：管道吸附法 ） 净化工艺流程
（ 见图 10-21） 。
LogK400K=37.2
LogK1250K=1.64
图 10-21 输送床净化工艺流程
1-电解槽； 2-集气罩； 3-反应管； 4-排烟管； 5-料仓；
6-加料管； 7-布袋除尘器； 8-定量给料装置； 9-烟囱； 10-风机影响吸附效率的因素主要有,
a,固气比,一般取 77.5g/m3；
b,管内气体流速,要求：垂直管 >10m/s,水平管
>13m/s,一般以 15～ 18 m/s为宜；
c,吸附时间和输送床长度,气固接触时间一般 >1s,输送床管道长度不宜太短,必须 10m以上；
d,输送床流速 。
工艺特点,
流程简单,运行可靠,便于管理,投资不高,易于投产
② 沸腾床吸附法工艺特点：
流程紧凑,净化效率高 （ 约 98%）,氧化铝的床厚以
4cm为好,气流速度为 0.3m/s左右 。
四,吸附法净化含氮氧化物尾气 （ 见书 P272,了解 ）
常用吸附剂有：分子筛,硅胶,活性炭,含氨泥煤等丝光氟石吸附法工艺流程和工艺条件 。 (见书图 10-22）
本章小结,
需理解和掌握如下几方面内容,
1,影响气体吸附的因素；
2,吸附理论中：
① 常用的三个等温吸附方程式,尤其朗式方程的应用及求解；利用 BET方程测定和计算固体吸附剂的比表面积
② 吸附速率计算式随吸附方程控制步骤的不同而不同；
3,要求会进行固定床吸附器的设计计算，特别要掌握吸附区高度。常用的两种计算方法为穿透曲线法和希洛夫方程法；
4,吸附法净化气态污染物的应用中掌握：
① 吸附净化烟气中 SO2的原理及影响因素；
② 吸附法净化有机蒸气。常用的吸附剂活性炭；有机溶剂具有易挥发的特点，在进行吸附计算时，应考虑有机溶剂的蒸发量；
③ 吸附法净化含氟废气所采用的特殊吸附剂氧化铝及其特点。
作业：书 P274,10.2,10.5,10.6,10.7
吸附过程与吸附剂
吸附理论
吸附操作方式与设计
吸附法净化气态污染物的应用本章重点与难点：
吸附理论：
重点：吸附平衡和吸附速率；
难点：吸附穿透曲线
吸附法净化气态污染物的应用重点讲述：
a,吸附法净化烟气中的 SO2
b,吸附法净化有机蒸汽。
引 言
1,吸附净化的概念,
（ 1） 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 。
（ 2） 吸附净化是利用多孔性固体物质的这一特点,实现净化废气的一种方法 。
2,吸附净化法的特点
（ 1） 适用范围
① 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；
② 对有机溶剂蒸汽具有较高的净化效率；
③ 当处理的气体量较小时,用吸附法灵活方便 。
（ 2） 优点,净化效率高，可回收有用组分，设备简单，
易实现自动化控制。
（ 3） 缺点,吸附容量小，设备体积大；吸附剂容量往往有限，需频繁再生，间歇吸附过程的再生操作麻烦且设备利用率低。
（ 4） 应用,广泛应用于有机化工、石油化工等部门。
环境治理方面：废气治理中，脱除水分、有机蒸汽、
恶臭,HF,SO2,NOX等。
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（ >98%）的氢气，实现废物资源化。
第一节 吸附过程与吸附剂一、物理吸附和化学吸附吸附过程,是用多孔固体（吸附剂）将流体（气提或液体）混合物中一种或多种组分积聚或凝缩在表面达到分离目的操作。
根据吸附剂表面与被吸附物质之间作用力不同。
物理吸附和化学吸附的区别 （见补表 10-1）。
注意一点：
物理吸附和化学吸附可同时发生但常以某一类吸附为主 。
同一污染物的吸附量随温度的变化曲线
（见图 10-1,吸附过程曲线）
补表 10-1 物理吸附和化学吸附的区别吸附作用力
（物）：一种物理作用，分子间力（范德华力）；
（化）：一种表面化学反应（化学键力）。
吸附速率
（物）：极快，常常瞬间即达平衡；
（化）：较慢，达平衡需较长时间。
吸附热
（区别二者的重要标志）
（物）：与气体的液化热相近,较小（几百焦耳 / m o l 左右）；
（化）：与化学反应热相近，很大（ > 4 2 k J / m o l ）。
选择性
（物）：没有多大的选择性（可逆）；
（化）：具有较高的选择性（不可逆）。
温度的影响
（物）：吸附与脱附速率一般不受温度的影响，但吸附量随温度上升而上升；
（化）：可看成一 个表面化学过程，需一定的活化能,吸附与脱附速率随温度升高而明显加快。
吸附层厚度
（物）：单分子层或双分子层，解析容易，低压多为单分子层随吸附压力增加变为多分子层；
（化）：总是单分子层或单原子层，且不易解吸。
图 10-1 吸附过程曲线二、吸附剂及再生
（ 一 ） 吸附剂
1,工业用吸附剂应具备的条件：
① 巨大的内表面,大的比表面积即大的吸附容量；
② 良好的选择性；
③ 较高的机械强度,化学与热稳定性；
④ 来源广泛,造价低廉；
⑤ 良好的再生性能 （ 从经济角度考虑 ） 。
2,工业常用吸附剂
① 活性炭,疏水性,常用于空气中有机溶剂,催化脱除尾气中 SO2,NOX等恶臭物质的净化；
优点：性能稳定,抗腐蚀 。
缺点：可燃性,因此使用温度不能超过 200℃,在惰性气流掩护下,操作温度可达 500℃ 。
② 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 ） 。
③ 硅胶,亲水性,从水中吸附水份量可达硅胶自身质量的 50%,而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 。
④ 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 。
通式为,[Mex/n(Al2O3)x(SiO2)y]·mH2O
特点：孔径整齐均一,因而具有筛分性能,一种离子型吸附剂,对极性分子,不饱和有机物具有选择吸附能力 。
⑤ 吸附树脂,最初为酚,醛类缩合高聚物,以后出现一系列的交联共聚物,如聚苯乙烯等 。
大孔吸附树脂除了价格较贵外,比起活性炭,物理化学性能稳定,品种较多,能用于废水处理,维生素的分离及 H2O2的精制等 。
书 P248,表 10-1列出了几种常用吸附剂的特性 。
3,影响气体吸附的因素
（ 1） 操作条件：
① 低温 （ 有利 ） 物理吸附；
高温 （ 有利 ） 化学吸附 。
② 吸附质分压上升,吸附量增加 。
③ 气流速度：对固定床为 0.2~0.6m/s
（ 2） 吸附剂的性质：
如孔隙率,孔径,粒度 比表面积 吸附效果
（ 3） 吸附质的性质与浓度：
如临界直径,分子量,沸点,饱和性 。
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 。
（ 4） 吸附剂的活性定义：以被吸附物质的重量对吸附剂的重量或体积分数表示,是吸附剂吸附能力的标志 。
%100 所用吸附剂量已吸附吸附质的质量吸附剂的活性吸附剂的活性：
静活性,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,吸附达到饱和时的吸附量 。
动活性,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 。 这时单位吸附剂所吸附的吸附质的量称为～ 。
（ 5） 接触时间
（ 6） 吸附器性能
（ 二 ） 吸附剂的再生再生方法：
（ 1） 加热解吸再生； （ 2） 降压或真空解吸再生；
（ 3） 溶剂萃取再生； （ 4） 置换再生； (5)化学转化再生第二节 吸附理论一、吸附平衡设计吸附装置或强化吸附过程的关键：
对于一台运转的吸附设备预达到最大的吸附分离效果取决于两方面因素：
（ 1） 由吸附剂与吸附质本身的物化性质所决定的吸附平衡 （ 进行的可能性 ） ；
（ 2） 由物质传递所决定的吸附动力学 （ 吸附速率 ） （ 进行的快慢 ） 。
吸附平衡,吸附质与吸附剂长期接触后,气相中吸附质的浓度与吸附剂 （ 相 ） 中吸附质的浓度终将达到动态平衡 。
---------------- 10.1
平衡吸附量,吸附剂对吸附质的极限吸附量,亦称 静吸附量分数 或 静活性分数,用 XT或 m吸附质 /m吸附量 表示,是设计和生产中一个十分重要的参数,用吸附等温线或吸附等温方程来描述 。
等温吸附线,吸附达平衡时,吸附质在气,固两相中的浓度间有一定的函数关系,一般用等温吸附线表示 。
目前已观测到 5种类型的等温吸附线 （ 见图 10-2） 。
化学吸附只有 I型,物理吸附 I~V型都有 。
相应的等温吸附方程式如下：
（ 一 ） 弗伦德里希 （ Freundlick） 方程式对 I型 提出如下经验式：
nT kPX
1
图 10-2 5种类型等温吸附线
XT — 吸附质质量与吸附剂质量之比值,无量纲,单位吸附剂在吸附平衡时的饱和吸附量 (m3/kg)或 (kg/kg)
P— 吸附质在气相中的分压,pa；
K,n— 经验常数,与吸附剂,吸附质种类及吸附温度有关
,对于一定的吸附物质,仅与平衡时的分压和温度有关,其值需由实验确定,而 n≥1。
适应范围：在广泛的中压部分,与实际数据符合较好；
常用于低浓度气体的吸附 。
取对数后：
----------- 10.2
① lgXT— gP关系,得直线； ② 1/n,lgk求出 n,k；
③ 1/n介于 0.1~0.5之间时,吸附容易进行；
1/n >2时,吸附难进行 。
PnkX T lg)1(lglg
（ 二 ） 朗格缪尔 （ Langmuir） 方程式
1916年导出,较好 适用于 I型 的理论公式假设,a.固体表面的吸附能力只能进行单分子层吸附 —
与 I型吸附线相吻合； b.固体表面各处的不饱和力相等,
表面均匀,即各处的吸附热相等 。
设：吸附质对吸附表面的覆盖率为 θ,则为覆盖率为
（ 1-θ）,。
若气相分压为 P,则吸附速率为 k1P(1-θ)。
解吸速率为 k2θ,当吸附达平衡时：
m a xX
X
固体总面积已覆盖的面积?
k1P(1-θ)= k2θ ----------- 10.3
----------- 10.4
pkk
pk
12
1
式中,k1,k2分别为吸附,解吸常数 。
令 B= k1/k2,则
----------- 10.5
若 A为饱和吸附量,则单位量吸附剂所吸附的吸附质量
XT为：
（ 朗氏方程 ） ----------- 10.6
其中,A,B为常数 。
当压力 P很小时 BP<<1,则：
当压力 P很大时 BP>>1,则,即此时吸附量与气体压力无关,吸附达到饱和；
当压力 P为中等时,这与 Freundlick吸附等温式相同 。
BP
BP
1?
BP
A B PAX
T 1?
PBAX T
PAX T
nT PAX
1
若 θ= 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；
Vm— 吸附剂被盖满一层时被吸附气体在标准状态下的体积 。
则 10.5式写成：
或 ----- 10.7
说明：
（ 1） P/V对 P作图,得一直线；
（ 2） 由斜率 1/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 θ较大时,吻合性较差 。
BP
BP
V
V
m?
1
mm V
P
BVV
P 1
（ 三 ） BET方程式 （ 是朗氏理论基础上的发展 ）
1938年勃劳纳尔 （ Brunauer）,爱米特 （ Emmett） 和泰勒 （ Teller） 三人提出 适合 Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ 型的多分子层吸附理论并建立等温方程式,即：
或
--------- 10.8
式中：
P0— 在同温度下该气体的液相饱和蒸汽压,Pa；
C— 与吸附热有关的常数；
Xe— 饱和吸附量分数,无量纲；
]/)1(1[ 00 PPCPP
CPVV m
00 11,PPCPP
CPXX e
T
上式亦写为：
或
--------- 10.9
说明：
（ 1） － P/P0或 － P/P0作图,
得一直线 。
（ 2） 重要用途 可测定和计算固体吸附剂的比表面积具体计算方法为：
由斜率和截距求得 Vm,则吸附剂的比表面积为：
--------- 10.10
00
11
PCV
PC
CVPPV
P
mm
00
11
PCX
PC
CXPPX
P
eeT
)( 0 PPV
P
)(
0 PPX
P
T?
W
NVS m
b
2 2 4 0 0
0
式中：
Sb— 吸附剂比表面积,m2/g ；
σ— 一个吸附质分子的截面积,m2 ；
W— 吸附剂质量；
N0— 阿伏伽德罗常数,。
适用范围,P/P0=0.05~0.35时上方程较准确 。
例题,（ 见 P251,例 10.1）
已知,293K,用活性炭吸附苯蒸汽所得到的平衡数据如下
230 10023.6N
P/ 10 3 Pa 0,267 0,400 0,533 1,333 2,660 4,000 5,332
X T 0,176 0,205 0,225 0,265 0,287 0,290 0,300
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 （ 见例 10-1图 ）,
例 10-1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 。
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) 带入上式,于是有：
解之得：
)1()/( BPXXA TT
BA
BA
1400 0290.0290.0
1400205.0205.0
3101 7 6.5B
304.0
10176.5
1
400
205.025.0
3A
二,吸附速率吸附速率,单位重量的吸附剂 （ 或单位体积的吸附层 ）
在单位时间内所吸附的物质量 。 吸附速率的变化范围很大,可从百分之几秒到几十小时 。
吸附过程可分为以下几步 （ 见图 10-3） 。
（ 1） 外扩散 （ 气膜扩散 ）,吸附质从气流主体穿过颗粒周围气膜扩散至外表面 。
（ 2） 内扩散 （ 微孔扩散 ）,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 。
脱附过程是上过程的逆过程 。
对于化学吸附第三步还伴有化学反应 。
图 10-3 吸附过程与两种极端浓度曲线一般吸附过程：
(1) 物理吸附：内外扩散控制；
(2) 化学吸附：既有表面动力学控制,亦有内外扩散控制一般来说,外扩散控制的情况较少,
（ 一 ） 外扩散速率吸附质 A的外扩散传质速率计算式为：
--------- 10.11
式中：
dMA— dt时间内吸附质从气相扩散至固体表面的质量,kg/m3；
kY— 外扩散吸附分系数,kg/ (m2.s)；
ap— 单位体积吸附剂的吸附表面积,m2/ m3；
YA,YAi— 分别为 A 在气相中及吸附剂外表面的浓度,质量分数 。
AiApYA YYakdtdM
（ 二 ） 内扩散速率
--------- 10.12
式中：
kX— 内扩散吸附分系数,kg/ (m2.s) ；
XA,XAi— 分别为 A在固相内表面及外表面的浓度,质量分数
（ 三 ） 总吸附速率方程式由于表面浓度不易测定,吸附速率常用吸附总系数表示
----- 10.13
式中：
KY,KX— 分别为气相及吸附相吸附总系数,kg/ (m2.s) ；
— 分别为吸附平衡时气相及吸附相中 A的浓度,
质量分数
)( AAipXA XXakdtdM
)()( AApXAApYA XXaKYYaKdtdM
AA XY,
设吸附过程中吸附质在吸附剂上达到平衡时,流动相中的浓度与吸附剂上的吸附量成简单的关系：
式中,m— 平衡曲线的斜率 。
由此得：
--------- 10.14
--------- 10.15
可见,--------- 10.16
显然：分吸附系数与总吸附系数间的关系与吸收类似 。
AA mXY
pXpYpY ak
m
akaK
11
makakaK pYpXpX
111?
YX KmK
第三节 吸附操作方式与设计一,吸附过程的工艺流程
（ 一 ） 工艺流程分类
1,按吸附剂在吸附器中的工作状态分为：
固定床,移动床 （ 超吸附 ）,沸腾流化床 。
穿床速度,气体通过床层的速度是划分反应床类型的主要依据 。
（ 1） 穿床速度低于吸附剂的悬浮速度,颗粒处于静止状态,属于 固定床 范围；
（ 2） 穿床速度大致等于吸附剂的悬浮速度,吸附剂颗粒处于激烈的上下翻腾状态,并在一定时间内运动,属于流化床 范围；
（ 3） 穿床速度远远超过吸附剂的悬浮速度,固体颗粒浮起后不再返回原来的位置而被输送走,属于 输送床 范围
2,按操作过程的连续与否分为,间歇式,连续式 。
3,按吸附床再生的方法分,升温解吸循环再生 （ 变温吸附 ）,减压循环再生 （ 变压吸附 ）,溶剂置换再生 等
（ 二 ） 常见的几种吸附流程
1,固定床吸附流程 （ 见图 10-4）
优点：设备结构简单,吸附剂磨损小；
缺点,① 间歇操作,操作必须周期性地变换,因而操作复杂,劳动强度高；
② 设备庞大,生产强度低；
③ 吸附剂导热性差,因而升温及变温再生困难 。
图 10-4 半连续式吸附流程
2,移动床吸附流程 （ 见图 10-5）
控制吸附剂在床层中的移动速度,使净化后的气体达到排放标准 。
特点,① 吸附剂在下降过程中,经历了冷却,降温,吸附,增浓,汽提 -再生等阶段,在同一设备内完成了吸附
,脱附 （ 再生 ） 过程； ② 吸附过程是连续的,多用于处理稳定,连续,大气量的废气； ③ 吸附剂在移动过程中有磨损 。
3,流化床吸附流程 （ 见图 10-6）
二,吸附性能参数的测定
（ 一 ） 吸附平衡的测定 （ 自学 ）
有三种测定方法,即容量法,重量法和流动色谱法 。
（ 详见书 P255）
图 10-5 移动床工艺流程图
1-料斗；
2-吸附器；
3-风机；
4-传输带图 10-6 连续式流化床吸附工艺流程图
1-料斗；
2-多层流化床吸附器；
3-风机；
4-皮带传输机；
5-再生塔；
6-分离器
（ 二 ） 比表面积的测定用 BET方程进行图解,可测得吸附剂的比表面积 。
其测定步骤如下：
1,据 BET方程式,以 对 P/P0或对 P/P0作图,可得到一直线 。 由斜率 和截距
,求出 C,Vm。
2,按式 10.10求出吸附剂的比表面积 。
例 10.2,用比表面积测定仪测定某一固体吸附剂的比表面积,试验用吸附剂试料量 W=0.9578g,实验温度
T=300K,在该温度下,N2的饱和蒸汽压 P0=119057Pa，
试验测得吸附达平衡时氮气分压与吸附剂吸附量的关系为：
TXPP
P
00PPV
P
CV
C
m?
1
CV m?
1
P/ Pa 9 0 5 1,8 9 5 1 1 5 3 3,0 4 1 8 6 5 6,1 9 7 2 6 3 4 7,3 2 9 7 2 8,4 9
V / m l 0,8 9 8 4 0,9 2 2 8 1,0 7 6 0 1,1 6 6 1,2 5 8
若一个 N2分子截面积 σ=13.8× 10-10m2。 试用 BET方程计算该吸附剂的表面积 Sb。
解,BET方程式如下：
根据测得 N2分压与相应的吸附量值，计算出及 P/P0 结果见下表：
00
11
CPV
PC
CVPPV
P
mm
PPV
P
0
0P
P
0,0 7 6 0 0,0 9 6 9 0,1 5 6 7 0,2 2 1 3 0,2 4 9 7
PPV
P
0
0,0 9 1 6 0,1 1 6 2 0,1 7 2 7 0,2 4 3 7 0,2 6 4 5
以 为纵坐标,为横坐标作图。
(见例 10.2附图）PPV P?0 0PP
由图可知：
解上方程组，得,C=94.82 Vm=0.9588
则吸附剂的比表面积
0 1 1.0
1
0 3 2.1
1
m
m
VC
VC
C
gm
W
NV
S mb
/107 1 4.3
9 5 7 8.0
108.13
2 2 4 0 0
100 2 3.69 5 8 8.0
2 2 4 0 0
210
1023
0
（三）吸附速率的测定气相吸附的速率可以用定容法或重量法测定。
（参见书 P256）
三,吸附装置的设计
（ 一 ） 常见的吸附器 （ 详见 P257）
（ 二 ） 固定床吸附器的设计计算设计计算应包括确定：
（ 1） 吸附器的型式 ； （ 2） 吸附剂的种类 ； （ 3） 吸附剂的需要量； （ 4） 吸附床高度 ； （ 5） 吸附周期；等 。
以上参数的选择应从吸附平衡,吸附传质速率及压降来考虑 。
1,设计依据废气的流量,性质及污染物浓度,国家排放标准 。
2,吸附器的确定对吸附器的基本要求：
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 能够有效的控制和调节吸附操作温度；
⑤ 易于更换吸附剂 。
3,吸附剂的选择 （ 同：工业吸附剂应具备的条件 ）
依据：等温吸附线 （ 得到或测出 ）
须满足条件：
① 对所处理污染物选择性强；
② 比表面积大；
③ 吸附容量大；
④ 具有较好机械强度,热稳定性及化学稳定性 。
4,吸附区高度的计算常用两种,穿透曲线法 ； 希洛夫近似法 。
（ 1） 穿透曲线 （ 透过曲线 ） 法
（ A） 吸附负荷曲线在流动状态下,气相中的吸附质沿床层不同高度的浓度变化曲线,或在一定温度下吸附剂种吸附的吸附质沿床层不同高度的浓度变化曲线称为～ 。
结合 补图 10-1,分析一下床层内吸附质浓度在整个操作过程的变化 。
说明,横轴 Z— 吸附剂床层高度；横轴 X— 吸附剂的吸附负荷； X0— 吸附剂原始浓度 （ 或反复再生过的吸附剂中残留的吸附质浓度 ） ； Xe— 吸附剂达到饱和时的负荷； τ0— 床层开始吸附的时间； τb— 达到破点的时间； τe—
全床达到吸附平衡 （ 饱和 ） 的时间 。
补图 10-1 吸附剂中吸附质浓度的变化
τ0 τ τ+Δτ
补图 10-1 吸附剂中吸附质浓度的变化 (续）
τb >τb ≥τe
（ a） 图,τ＜ τ0,未通过含吸附质气体时
（ b） 图,τ=τ,已通入含吸附质气体,在吸附剂进口处吸附剂刚刚出现饱和时 。
（ c） 图,τ=τ+Δτ,在床层的进气端吸附质负荷为 Xe，
此区称为,平衡区,或称,饱和区,；而靠近气体出口侧,床层中的吸附负荷仍为 X0,此区内的吸附剂仍具有高度活性,此区称为,未用区,；介于平衡区和未用区之间的那一部分床层其吸附负荷由饱和 Xe的变化到起始的 X0,形成一个 S形曲线,这段床层进行吸附过程,故称,传质区,或,传质带,,而 S曲线称为,
吸附波,或,传质波,,又称,传质前沿,。 (见补图
10-2)
补图 10-2 吸附剂床层中各区分布示意图未用区传质区 (传质带 )
饱和区 (平衡区 )
Y
Y0
（ d） 图,τ=τb,吸附波前沿刚刚到达吸附层下端口,
若继续进行吸附,则从流出床层气体中,将发现有吸附,此即所谓,穿透现象,或称,透过现象,。 出现穿透的点称为,穿透点,（ 或称,破点,）,到达破点所需的时间为,透过时间,τb（ 或,穿透时间,）
。
（ e） 图,τ>τb：,传质波,继续前移 。
（ f） 图,τ≥τe,吸附波的末端也到达床层的出口,即全床达到吸附平衡 (饱和 ),整个床层失去吸附能力 。
（ B） 穿透曲线 （ 透过曲线 ）
在一定时间内,分析床层中流出气体的浓度,即从研究流出物浓度随时间的变化关系来达到研究吸附床层中浓度变化的情况 — 穿透曲线 （ 透过曲线 ） 。
（ 见图 10-10）
图 10-10 吸附穿透曲线
W
Yb
D
C
（ C） 穿透曲线法假设条件,① 等温吸附,等温吸附线为线型；
② 低浓度污染物的吸附；
③ 传质区高度比床层高度小得多 。
设：气体中吸附质的无溶质基浓度用 Y（ 即吸附质 /载气
） 表示,吸附剂上吸附质的无溶质基浓度用 X表示 （ 即吸附质 /吸附剂 ） 表示 。
图中,W,一段时间后流出物总量,kg载气 /m2；
① Ye≠Y0,Ye=0.9Y0 ； ② Yb≠0,Yb=0.001 Y0~0.01 Y0;
则一段时间后流出物总量：
Wa = We— Wb (kg/m2) ------------10.17
其中,Wa— Z a段 （ 传质区段 ） 的流出物量那么在吸附区内,从穿透点到吸附剂基本失去吸附能力
,吸附剂所吸附污染物的质量为：
------------10.18
定义,f — 穿透点出现时,传质区内仍具有吸附能力面积的比率,可表示为：
------------10.19
从而 （ 1-f） 为传质区内吸附剂的饱和度 。
f意义,f的大小反映了在到达破点时床层的饱和度 。
f愈大,吸附饱和的程度愈低,传质区形成所需的时间愈短 。 f介于 0～ 1之间,一般在 0.4～ 0.5左右 。
BED
W
W
SdwYYU e
b
）（ 0
B C E D
B E D
a S
S
WY
Uf?
0
设吸附床的高度为 Z,则传质区高度：
------------10.20
Za的计算公式推导如下,
① 传质区形成后在床区内向前移动一段距离等于 Za（ 传质区高度 ） 所需的时间 τa
------------(a)
② 传质区形成并移出床层所需的时间 τe
-----------（ b）
ZWfW
W
WfW
ZWZ
ab
a
ae
a
a
1
S
be
s
a GWWGWa?
S
ee GW
③ 令 τf为传质区形成所需的时间,则传质区移动等于床层总高 Z距离,所需时间为 τe-τf,因此,传质区高度 Za为
-----------（ c）
∵ 吸附波形成后尚有 f这一部分面积未吸附,∴ τf <τa
当 f=0时,则表示吸附波形成后,传质区已达饱和,
τf =τa； 当 f=1时,表示传质区里吸附剂基本上不含吸附质,τf≈0。
所以有,τf=（ 1- f） τa ------------ (d)
将 （ d）,（ a）,（ b） 代入 （ c） 有
fe
a
a ZZ
ae
a
s
a
s
e
s
a
ae
a
a
WfW
ZW
G
W
f
G
W
G
W
Z
f
ZZ
1
1
1
（ D） 穿透曲线的绘制,（ 见书 P260）
（ 2） 希洛夫近似法 → 间歇固定床持续时间的计算
（ A） 希洛夫公式 （ 希洛夫方程 ）
假设条件：
① 吸附速率无穷大,即吸附质进入吸附层即被吸附；
② 达到穿透时间时,吸附质进入床层的吸附质量等于该时间内吸附床的吸附量 。
于是,有平衡关系式：
------------10.26
显然,吸附床的穿透时间 τb与吸附床高度 Z关系是通过原点的直线,如图 10-12所示,1线 （ 纠正 ） 。
Tsbs XAZYAG 0
KZZYGX
s
sT
b?
0
τ
图 10-12 τb— Z曲线而实际穿透时间 τ<τb,其差值为 τ0,故上式修正为：
τ=K(Z-Z0) 或 τ=τb -τ0 --------10.27
式中：
Gs — 载气通过床层的流率,kg/m2.s；
τb— 吸附床的穿透时间 （ 保护作用时间 ） 。
Z0— 吸附剂中未被利用部分的长度,亦称为,死层,；
τ0=KZ0,K为吸附层的保护作用系数,
τ-Z关系曲线,（ 如图 10-12所示,2线 ）
式 10.26,10.27为希洛夫方程
（ B） 用 希洛夫公式进行近似计算的设计程序
0YG
XK
s
sT
① 选定吸附剂和操作条件,如温度,压力,气体流速等
。 对于气体净化,空床流速一般取 0.1～ 0.6m/s,可根据已给处理气量选定 。
② 根据净化要求,定出穿透点浓度,在载气速率 Gs一定的情况下,选取不同的吸附剂床层高度 Z1,Z2,…,Zn，
可根据已给处理气量选定 。
③ 以 Z为横坐标,τ为纵坐标,作 Z -τ直线,则其斜率为
K,截距为 τ0。
④ 根据生产中计划采取的脱附方法和脱附再生时间,能耗等因素确定操作周期,从而确定所要求的穿透时间 τ
⑤ 用希洛夫公式计算所需吸附剂床层高度 Z。若求出 Z
太高，可分为 n层布置或分为 n个串联吸附床布置。为便于制造和操作,通常取个床层高度相等,串联床数 n≤3。
⑥ 由气体质量流量 G（ kg/s） 与气流速率 Gs,求床层截面积 A（ m2）
若 A太大,可分为 n个并联的小床,则每个小床的截面积 （ m2）
由床层截面积 A或 A′可求出床层直径 D（ 圆柱形床 ） 或边长 B（ 正方形床 ） 。
⑦ 求所需吸附剂质量 。
⑧ 核算压降 Δp。 若 Δp值超过允许范围,可采取增大 A 或减小 Z的办法使 Δp值降低 。
⑨ 设计吸附剂的支承与固定装置,气体分布装置,吸附器壳体,各连接管口及进行脱附所需的附件等 。
n
GA?'
sG
GA?
5,吸附剂用量 （ 纠正公式 ）
------------10.28
式中：
A— 吸附床横截面积,m2。 考虑到装填损失,每次新装吸附剂量为 （ 1.05～ 1.2） 理论量 。
6,吸附周期 （ 出现穿透的时间 ）
------------10.29
7,固定床降压采用欧根 （ Ergun） 方程计算 （ 经验公式 ）
-------10.30
s
T
bs ZAM
X
AGYM 或0
s
a
G
Wt?
pp d
u
d
u
Z
P 2
323
2 1
75.1)1(1 5 0
式中,△ P— 通过床层的压降,Pa；
Z— 床层高度,m；
μ— 气体的动力粘度,Pa/s；
ε— 颗粒层孔隙率,%；
ρ— 气体密度,kg/m3；
u— 床层进口横截面积处气体平均流速,m/s；
dp— 吸附剂颗粒直径,m.
例题,P262,例 10.3（ 校正题中错误 ！ ）
（ 变换形式后 ）
某厂产生含 CCl4废气,气量 Q=1000m3/h,浓度为 4~5g/m3
,一般均为白天操作,每天最多工作 8h。 拟采用吸附法净化,并回收 CCl4,试设计需用的立式固定床吸附器 。
解：
① CCl4为有机溶剂,沸点为 76.8,微溶于水,可选用活性炭作吸附剂进行吸附,采用水蒸气置换脱附,脱附气冷凝后沉降分离回收 CCl4。 根据市场供应情况选用粒状活 性 炭 作 吸 附 剂,其 直 径 为 3 mm,堆 积 密 度
ρs=300~600g/l,孔隙率 ε=0.33~0.43。
② 选定在常温常压下进行吸附,维持进入吸附床的气体在 20℃ 以下,压力为 101325Pa。 根据经验选取空床流速
u=20m/min。
③ 将穿透点浓度定为 50 mg/m3。
以含 CCl45g/m3的气流在 ①②③ 所指定的条件下进行动态吸附实验,测定不同床层高度下的穿透时间,得到如下实验数据：
④ 以 Z— 横,τ— 纵,作图得一直线 (见例 10-3,附图 )。
在所作直线上取两点 （ 0.14,200）,（ 0.35,651）
于是
τ0=101min（ 查图 ）
)( m i n /2 1 4 814.035.0 2 0 06 5 1 mK
床层高度 Z /m 0,1 0,1 5 0,2 0,2 5 0,3 0,3 5
穿透时间 τ /m i n 109 231 310 462 550 651
⑤ 据该厂生产情况,考虑每周脱附一次,床层每周吸附
6天,每天按 8 h计,累计吸附时间 48h。
因而床层高度为：
τ0 0
tgα=K
例 10-13 附图取 Z=1.4m
⑥ 采用立式圆筒进行吸附,其直径为：
取 D=1.0m
⑦ 所需吸附剂量考虑到装填损失,取损失率为 10%,则每次新装填吸附剂时需活性炭 545~726kg。
)(3 88.12 14 8 1 0160480 mKZ
03.1
6020
1 0 0 044 2
1
2
1
u
QD
kgZAm s 8.4942/16003004.10.14 2
kgm 7.6596004.10.14 2m a x
⑧ 压力降 （ 书中有计算错误,纠正 ！ ）
查 20℃,101.325Pa条件下空气密度 ρ=1.2kg/m3,
,此时气速
sPa 6108.1?
smu /354.00.143 6 0 01 0 0 0
2
( P a)1.4 3 124.15.1 7 3 6
4.1
0 0 3.0
3 5 4.02.1
38.0
38.01
75.1
0 0 3.038.0
10183 5 4.038.011 5 0
1
75.1
1
1 5 0
2
323
62
2
323
2
Z
dp
u
dp
u
P
代入式 10.30,得：
此压降可以接受,不必对吸附器床厚度作调整 。
⑨ 设计吸附器壳
（ 三 ） 吸附剂再生的计算 （ 见书 P263）
（ 以水蒸气脱附再生法为例 ）
1,脱附吸附质时水蒸气的消耗量；
2,干燥吸附剂时空气消耗量；
3,加热空气所消耗的热量 。
小结,这一节介绍了
（ 1） 吸附过程与工艺流程；
（ 2） 吸附性能参数的测定：吸附性能参数中着重讲了比表面积 的测定,其测定计算方法需掌握；
（ 3） 吸附装置的设计中重点讲了常见的固定床吸附器的设计计算,其中吸附区高度的计算常用两种计算方法,穿透曲线法,希洛夫近似法,需掌握 。
第四节 吸附法净化气态污染物的应用一、吸附法净化烟气中的 SO2
常用的吸附剂是活性炭,分子筛,硅胶等,下面介绍活性炭吸附法 。
（ 一 ） 活性炭吸附脱硫的特点,
最早出现于 19世纪下半叶,20世纪 70年代后期,日本
,德国,美国得到工业应用 。 其代表法有：月立法,住友法,鲁奇法,BF法及 Reinluft法等 。 发展趋势：由电厂到石油化工,硫酸及肥料工业等领域 。
能否应用该方法的关键,
① 解决副产物稀硫酸的应用市场；
② 提高活性炭的吸附性能；
活性炭脱硫的主要特点：
① 过程比较简单,再生过程中副反应很少；
② 吸附容量有限,常需在低气速 （ 0.3~1.m/s） 下进行,
因而吸附器体积较大；
③ 活性炭易被废气中 O2氧化而导致损耗；
④ 长期使用后,活性会产生磨损,并因微孔堵塞丧失活性 。
（ 二 ） 活性炭脱硫工艺流程常见的工艺流程有固定床,移动床 。 （ 见图 10-13,图
10-14）
图 10-13 活性炭固定床吸附 SO2
1、文丘里洗涤器； 2、吸附塔； 3、液体槽；
4、硫酸浓缩器； 5、冷却器； 6、过滤器图 10-14 移动床吸附 SO2
1、吸附塔； 2、空气处理槽； 3、脱附塔；
4、换热器； 5,7、风机； 6、烟囱； 8、锅炉
（ 三 ） 原理
1,脱硫两个步骤：
（ 1） SO2,O2通过扩散传质从排烟中到达炭表面,穿过界面后继续向微孔通道内扩散,直至为内表面活性催化点吸附； （ 2） 被吸附的 SO2进一步催化氧化成 SO3,再经过水合稀释形成一定浓度的硫酸储存于炭孔中 。
其机理如下：
*2*222,,OSOOSO?
1*32*2 21 QSOCCOSO
2422*3 QSOHCOHSOC
32422*42 QOnHSOHCOnHSOHC
2,再生：采用洗涤再生法,通过洗涤活性炭床层,使炭孔内的酸液不断排出炭层,从而恢复炭的催化活性 。
（ 原因 ）
（ 四 ） 影响因素
1,脱硫催化剂的物化特性书中列出三种不同活性炭的物化性能 (书 P267,表 10-3)
2,烟气空床速度与 SO2浓度 （ 见图 10-15和图 10-16）
3,床层温度与烟气湿度 （ 见图 10-17）
4,烟气中氧含量烟气中氧含量对反应有直接影响 。
氧含量 <3%时,反应效率下降；氧含量 >5%时,反应效率明显提高；一般烟气中氧含量为 5%~10%,能够满足脱硫反应要求 。
图 10-15 空速对脱硫效率的影响
1-总反应时间； 2-平均转化率
1
2
图 10-16 SO2浓度对脱硫效率的影响
1-总反应时间； 2-平均转化率
1
2
图 10-17 床层温度和烟气含湿量 对脱硫效率的影响
1-烟气含湿量； 2-床层温度
1
2
二、吸附法净化有机蒸汽常用的吸附剂是活性炭 。
（ 一 ） 固定床吸附净化流程 （ 见图 10-18）
（ 二 ） 间歇固定床净化有机溶剂的计算有机溶剂易挥发,在进行吸附计算时应考虑有机溶剂的蒸发量
1,有机溶剂的蒸发量 （ 即散发量 ） 可按马扎克
（ B.T.M） 公式和相对挥发度计算 。
（ 1） 马扎克公式法适用于：有机物质敞露存放时散发量计算
MFpuG v 32.1331.438.5
图 10-18 从空气中回收有机溶剂蒸汽的工业吸附装置图
1、过滤器,2、砾石阻火器； 3、附有安全膜片的补偿安全器；
4、风机； 6、加热器； 7、凝液罐； 8、吸附器； 9、冷凝器；
10、液体压力计； 11、弹簧压力计； 12、水银温度计式中,G-----有机溶剂蒸发量,g/h；
u------车间内风速,m/s；
Pv----有机溶剂在室温时饱和蒸汽压,Pa；
F------有机溶剂敞露面积,m2；
M-----有机溶剂分子量 。
不同温度下有机溶剂的饱和蒸汽压 Pv可按下式计算：
式中,T-----------有机溶剂的温度,T；
A,B------常数 。
常用有机溶剂的 A,B值 （ 见书 P269,表 10-4）
BT AP V
05 22 3.0
32.13 3l og
（ 2） 相对挥发度近似计算法相对挥发度,为乙醚的蒸发量与某溶剂在相同条件下蒸发量的比值,即已知某条件下,A物质的散发量为 GA,那么相同条件下,B物质的散发量为：
ii GGa /乙醚?
BAAB aaGG /
例 10.4,比较简单,看书即可 。
例 10.5：在 21℃ 和 138KPa（ 绝压 ） 下,283.2m3/min（
289K,101.3KPa） 的脱酯剂排气流中含有三氯乙烯 0.2%
（ 以体积计 ）,用活性炭吸附塔回收 99.5%（ 以质量计 ）
的三氯乙烯 。 活性炭堆积密度 ρs=577Kg/m3,静活性
XT=28Kg三氯乙烯 /100Kg活性炭,吸附塔的操作周期为
：吸附 4h,加热和脱附 2h,冷却 1h,1h备用 。 试计算活性炭的用量和吸附塔尺寸 。
解：操作条件下混合气体的体积流量：
三氯乙烯的体积流量：
三氯乙烯的质量流量：
hm /9.1 2 6 8 81 3 82 8 9 3.1 0 12 9 4602.2 8 3 3
hm /4.25%2.09.1 2 6 8 8 3
hKg
hK m o l
/86.18737.13143.1
/43.1
3.101294
138273
4.22
4.25
经 4h吸附的三氯乙烯量：
所需活性炭量：
若采用气速为 0.5m/s的立式塔,流体通过的截面积为：
塔径,
塔高：
205.736 005.09.12 688 ms
mD 305.74
mH 66.005.763.4
Kg68.7474995.086.187
363.4285 7 7 1 0 068.7 4 7 m
三,吸附法净化含氟废气
1,含氟废气的 净化方法 有：干法和湿法 。
典型的技术：用氧化铝吸附净化铝厂含氟烟气 。
目前,国外采用的吸附净化流程有：美国的 A-398法,
加拿大的阿尔肯 （ A） 法,法国的比施涅法 （ P） 法 。
2,该法的 特点,
① 净化效率高,可达 99%以上；
② 吸收剂是铝电解的原料氧化铝,不需专门制备和处理吸附剂；
③ 无二次污染和设备腐蚀问题；
④ 属干法净化,基建费用和运行费用均较低,适用于各种气候条件 。
3,原理,
氧化铝：颗粒细,微孔多,比表面积大,又具有两性化合物的特性,一种特殊的吸附剂；
氟化氢：酸性气体,沸点高,电负性大,极易被氧化铝吸附 。
Al2O3+6HF 2AlF3+3H2O
4,吸附特点：
主要为化学吸附,同时伴随物理吸附 。 降低温度和提高
HF浓度均有利于吸附过程的进行 。
5,吸附装置和净化工艺
① 输送床吸附法 （ 亦称：管道吸附法 ） 净化工艺流程
（ 见图 10-21） 。
LogK400K=37.2
LogK1250K=1.64
图 10-21 输送床净化工艺流程
1-电解槽； 2-集气罩； 3-反应管； 4-排烟管； 5-料仓；
6-加料管； 7-布袋除尘器； 8-定量给料装置； 9-烟囱； 10-风机影响吸附效率的因素主要有,
a,固气比,一般取 77.5g/m3；
b,管内气体流速,要求：垂直管 >10m/s,水平管
>13m/s,一般以 15～ 18 m/s为宜；
c,吸附时间和输送床长度,气固接触时间一般 >1s,输送床管道长度不宜太短,必须 10m以上；
d,输送床流速 。
工艺特点,
流程简单,运行可靠,便于管理,投资不高,易于投产
② 沸腾床吸附法工艺特点：
流程紧凑,净化效率高 （ 约 98%）,氧化铝的床厚以
4cm为好,气流速度为 0.3m/s左右 。
四,吸附法净化含氮氧化物尾气 （ 见书 P272,了解 ）
常用吸附剂有：分子筛,硅胶,活性炭,含氨泥煤等丝光氟石吸附法工艺流程和工艺条件 。 (见书图 10-22）
本章小结,
需理解和掌握如下几方面内容,
1,影响气体吸附的因素；
2,吸附理论中：
① 常用的三个等温吸附方程式,尤其朗式方程的应用及求解；利用 BET方程测定和计算固体吸附剂的比表面积
② 吸附速率计算式随吸附方程控制步骤的不同而不同；
3,要求会进行固定床吸附器的设计计算，特别要掌握吸附区高度。常用的两种计算方法为穿透曲线法和希洛夫方程法；
4,吸附法净化气态污染物的应用中掌握：
① 吸附净化烟气中 SO2的原理及影响因素；
② 吸附法净化有机蒸气。常用的吸附剂活性炭；有机溶剂具有易挥发的特点，在进行吸附计算时，应考虑有机溶剂的蒸发量；
③ 吸附法净化含氟废气所采用的特殊吸附剂氧化铝及其特点。
作业：书 P274,10.2,10.5,10.6,10.7
