固定床吸附计算

第四节固定床吸附过程的计算固定床吸附器结构简单，但由于气体吸附过程是气—固传质，对任一时间或任一颗粒来说都是不稳定过程，因此固定床吸附器的吸附操作是非稳态的，计算过程非常复杂，一般要涉及到物料衡算方程、吸附等温线方程和传热速率方程及热量衡算。

而在气态污染物的吸附净化设计中，由于所涉及到的物系是低浓度的气态混合物，且气量一般比较大，吸附热相对较小，因此可近似地按等温过程处理，可不考虑传热速率方程和热量方程（升温脱附除外）。

这样在设计过程中可采用简化了的方法进行近似计算，计算时往往提出如下假设：（1）气相中吸附质浓度低；（2）吸附操作在等温下进行；（3）传质区通过整个床层时长度保持不变；（4）床层长度比传质区长度大得多。

这些简化限制条件对目前工业上应用的吸附器来说，一般是符合的。

设计中较常采用的是希洛夫近似计算法和透过曲线计算法。

计算过程一般是在吸附剂的选择、吸附设备的选择和吸附效率确定之后进行的。

设计计算的任务是求出吸附器的床层直径和高度，吸附剂的用量，吸附器的一次循环工作时间，床层压降等。

下面首先介绍固定床吸附器的吸附过程。

一、固定床吸附器的吸附过程在固定床吸附器的吸附操作中，一般是混合气体从床层的一端进入，净化了的气体从床层的另一端排出。

因此，首先吸附饱和的应是靠近进气口一端的吸附剂床层。

随着吸附的进行，整个床层会逐渐被吸附质饱和，床层末端流出污染物，此时吸附应该停止，完成了一个吸附过程。

为了描述吸附过程，提出了以下概念。

（一）吸附负荷曲线与透过曲线1. 吸附负荷曲线在实际操作中，对于一个固定床吸附器，气体以等速进入床层，气体中的吸附质就会按某种规律被吸附剂所吸附。

吸附一定时间后，吸附质在吸附剂上就会有一定的浓度，我们把这一定的浓度称为该时刻的吸附负荷。

如果把这一瞬间床层内不同截面上的吸附负荷对床层的长度（高度）作一条曲线，即得吸附负荷曲线。

也就是说，吸附负荷曲线是吸附床层内吸附质浓度x随床层长度z变化的曲线。

吸附设备的计算（一）进气总的风量为：Q=32000m3/h有机甲苯日峰值为：C=5t×0.84=4.2t每小时甲苯的量为：c=4.2t÷24h=0.175t/h每小时甲苯的浓度为：c’=0.175t/h÷32000 m3/h=830mg/ m3要求废气的排放满足《大气污染物综合排放标准》（GB16297—1996）二级标准，而《大气污染物综合排放标准》（GB16297—1996）二级最高允许排放速率为 3.6kg/h;则允许的尾气排放浓度为c’’=3600g÷32000 m3/h=112.5mg/ m3>60 mg/ m3(二级最高允许排放浓度)，所以尾气排放控制在《大气污染物综合排放标准》（GB16297—1996）二级最高允许排放浓度60 mg/ m3；C尾气=60 mg/ m3每小时排放的甲苯的量为：C排放=32000m3/h×60 mg/ m3=1.92kg/h需要处理掉的甲苯的量为：C处理=175－1.92=173.08kg/h吸附按四个小时算，则吸附的甲苯的总量为：C’=173.08kg/h×4h=692.32kg每个吸附器吸附的甲苯的量为C’’=692.32kg÷2=346.16kg吸附质采用zj-30活性炭，由工程实践经验，吸附质的量按吸附剂量的20%算，则吸附剂的量为：C吸附剂=692.32kg÷20%=3461.6kg做三个吸附器，运行的时候两个吸附器吸附，一个吸附器脱附，则每个吸附器吸附质的量为：C吸附剂’=3461.6÷2=1730.8kg（二）吸附器的尺寸设计zj-30活性炭的堆积密度为460kg/ m3,则堆积的体积为：V=1730.8kg÷460kg/ m3≈3.76 m3为保护活性炭层不被破坏，气速采用0.4m/s，则活性炭堆积的截面积为：S=32000 m3/h÷0.4m/s÷3600s≈22.2 m3 由于运行的时候只有两个吸附器在工作，因此每个吸附器活性炭堆积的截面积为：S’=22.2 m3÷2=11.1 m3每个吸附器活性炭堆积厚度为：ζ=3.76 m3÷11.1 m3≈0.34 m ，取0.4m采用立式固定床吸附塔，则塔径为：D={（4×11.1 m3）÷3.14}^0.5=3.76m，塔径过大，不宜采用因此采用卧式固定床吸附器，则假设塔高为2m,则吸附器的长：L=11.1 m3÷2m=5.55m≈5.6m所以吸附器采用卧式固定床吸附器，高跟宽都为2m,长为5.6m。

最大吸附量公式
吸附量计算公式为：
q＝V（C0-C）/m，吸附量是指单位面积的表层中所含溶质的物质的量，与同量容积在溶液本体中所含溶质物质的量的差值，常用的吸附单位有：g/g、g/m2、mol/g。

最大吸附量：
吸附容量是指单位吸附剂所吸附的吸附质的量，单位是mg/g或其他。

指的是滤料或离子交换剂吸附某种物质或离子的能力。

即吸附量，在固定床吸附时，达到透过点时的透过容量为吸附容量。

吸附装置的吸附容量指在一定的运转条件下（包括再生切换在内）的吸附量，由于吸附剂经多次使用后会发生劣化的现象，故设计吸附装置时，常采用运转条件下的吸附容量为设计吸附容量。

活性炭固定床吸附器的设计计算及选型一、活性炭固定床吸附器的设计计算及选型1.废气吸附净化设计中的假设条件固定床吸附器结构虽然简单，但由于气体吸附过程是气-固传质过程，对任一时间或任一颗粒来说，这个传质过程都是一个不稳定过程，因此固定床吸附器的吸附操作是非稳态的，计算过程非常复杂，一般要涉及物料衡算方程、吸附等温线方程、传热速率方程及热量衡算。

为了避开一些没有必要的烦琐计算，可根据废气净化系统的特点，提出一些合理的假设：①气相中吸附质浓度低。

②吸附操作在等温下进行。

③传质区通过整个床层时长度保持不变。

④床层长度比传质区长度大得多。

这些简化限制条件对目前工业上应用的吸附器来说，一般是符合的。

固定床吸附过程的设计计算一般包括：吸附剂及吸附设备的选择；吸附效率确定。

当以上任务完成后，才能进行以下参数的设计计算：吸附器的床层直径和高度；吸附剂的用量；吸附器的一次循环工作时间；床层压降等。

2.活性炭固定床吸附剂的选择活性炭吸附剂的选择应根据吸附剂的比表面积（或碘吸附值、四氯化碳值、丁烷工作容量）、废气的组分及处理要求，依据吸附剂的选择性、再生性、化学稳定性、机械强度、价格等因素，进行综合考虑。

2.1选择原则——工业上对常用吸附剂的要求①要有巨大的内表面积（有效表面）和孔隙率。

②选择性要强，对需要去除的气体组分有选择地吸附。

③吸附容量要大，与比表面积和孔隙率大小以及孔径分布的合理性、分子的极性以及吸附剂分子上官能团的性质有关。

④要有足够的机被强度、热稳定性和化学稳定性。

⑤颗粒度要适中而且均匀。

⑥易于再生和活化。

⑦原料来源广泛，制造简便，价廉易得。

2.2吸附剂的选择步骤吸附剂的性质直接影响吸附效率，因此，在吸附设计中必须根据吸附质的性质以及处理要求选择合适的吸附剂。

下面所介绍的是标准的选择程序，按照这个程序操作，可以比较精准地选择出所希望的吸附剂，但是过程比较烦琐。

因此，一般是根据实际经验选择。

在吸附设计中，选择吸附剂的标准程序如下：（1）初选根据吸附质的性质、浓度和净化要求以及吸附剂的来源等因素，初步选出几种吸附剂。

第五节 移动床吸附过程的计算在移动床吸附器的吸附操作中，吸附剂固体和气体混合物均以恒定速度连续流动，它们在床层任一截面上的浓度都在不断地变化，和气液在吸收塔内的吸收相类似。

移动床吸附过程的计算主要是吸附器直径、吸附段高度和吸附剂用量的计算。

我们可以仿照吸收塔的计算来处理问题，同时由于我们所进行的是低浓度气态污染物的吸附处理，可以按照等温过程对待。

为了简化计算，只讨论一个组分的吸附过程。

一、移动床吸附器直径的计算移动床吸附器主体一般为园柱形设备，和吸收塔计算塔径的公式相同： (3-53) 式中 D ——设备直径，m ；V ——混合气体流量，m 3/h ；u ——空塔气速，m/s 。

与吸收计算一样，在吸附设计中，一般来说混合气体流量是已知的，计算塔径的关键是确定空塔气速u 。

一般移动床中的空塔气速都低于临界流化气速。

球形颗粒的移动吸附床临界流化气速可由下式求得： (3-54) 式中 u mf ——临界流化气速，m/s ；μV ——气体粘度，Pa ·s ；ρV ——气体密度，kg/m 3；d p ——固体颗粒平均直径，m ；R emf ——临界流化速度时的雷诺准数，由下式求得：式中 A T ——阿基米德准数，由下式求取：式中 ρs ——吸附剂颗粒密度，kg/m 3。

若吸附剂是由不同大小的颗粒组成，则其平均直径应按下式计算：式中 x i ——颗粒各筛分的质量分率，%；d pi ——颗粒各筛分的平均直径，m ； u V D π4=v p V emf mf d R u ρμ=5.022.51400T T emf A A R +=)(23v s v v p T g d A ρρμρ-=∑==n i pi i p d x d 11d 1、d 2——上下筛目尺寸，m 。

计算出临界流化气速后，再乘以0.6～0.8，即为空塔气速u ，再代入（3-35）式，求出塔径D 。

二、移动床吸附器吸附剂用量的计算（一）物料衡算与操作线方程与吸收操作相类似，只是以固体吸附剂代替液体吸收剂。

第四节固定床吸附过程的计算固定床吸附器结构简单，但由于气体吸附过程是气—固传质，对任一时间或任一颗粒来说都是不稳定过程，因此固定床吸附器的吸附操作是非稳态的，计算过程非常复杂，一般要涉及到物料衡算方程、吸附等温线方程和传热速率方程及热量衡算。

而在气态污染物的吸附净化设计中，由于所涉及到的物系是低浓度的气态混合物，且气量一般比较大，吸附热相对较小，因此可近似地按等温过程处理，可不考虑传热速率方程和热量方程（升温脱附除外）。

这样在设计过程中可采用简化了的方法进行近似计算，计算时往往提出如下假设：（1）气相中吸附质浓度低；（2）吸附操作在等温下进行；（3）传质区通过整个床层时长度保持不变；（4）床层长度比传质区长度大得多。

这些简化限制条件对目前工业上应用的吸附器来说，一般是符合的。

设计中较常采用的是希洛夫近似计算法和透过曲线计算法。

计算过程一般是在吸附剂的选择、吸附设备的选择和吸附效率确定之后进行的。

设计计算的任务是求出吸附器的床层直径和高度，吸附剂的用量，吸附器的一次循环工作时间，床层压降等。

下面首先介绍固定床吸附器的吸附过程。

一、固定床吸附器的吸附过程在固定床吸附器的吸附操作中，一般是混合气体从床层的一端进入，净化了的气体从床层的另一端排出。

因此，首先吸附饱和的应是靠近进气口一端的吸附剂床层。

随着吸附的进行，整个床层会逐渐被吸附质饱和，床层末端流出污染物，此时吸附应该停止，完成了一个吸附过程。

为了描述吸附过程，提出了以下概念。

（一）吸附负荷曲线与透过曲线1. 吸附负荷曲线在实际操作中，对于一个固定床吸附器，气体以等速进入床层，气体中的吸附质就会按某种规律被吸附剂所吸附。

吸附一定时间后，吸附质在吸附剂上就会有一定的浓度，我们把这一定的浓度称为该时刻的吸附负荷。

如果把这一瞬间床层内不同截面上的吸附负荷对床层的长度（高度）作一条曲线，即得吸附负荷曲线。

也就是说，吸附负荷曲线是吸附床层内吸附质浓度x随床层长度z变化的曲线。

吸附设备的计算(一)进气总的风量为：Q=32000m3/h有机甲苯日峰值为：C=5t X 0.84=4.2t每小时甲苯的量为：c=4.2t+ 24h=0.175t/h每小时甲苯的浓度为：c'0.175t/h—32000 m3/h=830mg/ m3要求废气的排放满足《大气污染物综合排放标准》 (GB 1 6297— 1 996) 二级标准，而《大气污染物综合排放标准》 (GB16297—1996)二级最高允许排放速率为 3.6kg/h;则允许的尾气排放浓度为c' =3600g + 32000 m3/h=112.5mg/ m3>60 mg/ m3(二级最高允许排放浓度)，所以尾气排放控制在《大气污染物综合排放标准》 (GB16297—1996)二级最高允许排放浓度60 mg/ m3；3C 尾气=60 mg/ m3每小时排放的甲苯的量为：C排放=32000m3/h X 60 mg/ m3=1.92kg/h需要处理掉的甲苯的量为：C处理=175- 1.92=173.08kg/h 吸附按四个小时算，则吸附的甲苯的总量为：C'=173.08kg/h X 4h=692.32kg每个吸附器吸附的甲苯的量为C'=692.32kg宁2=346.16kg吸附质采用zj-30 活性炭，由工程实践经验，吸附质的量按吸附剂量的20%算，则吸附剂的量为：C吸附剂=692.32kg- 20%=3461.6kg做三个吸附器，运行的时候两个吸附器吸附，一个吸附器脱附，则每个吸附器吸附质的量为：C吸附剂'3461.6宁2=1730.8kg（二）吸附器的尺寸设计zj-30 活性炭的堆积密度为460kg/ m3,则堆积的体积为：V=1730.8kg + 460kg/ m3〜3.76 m3为保护活性炭层不被破坏，气速采用0.4m/s，则活性炭堆积的截面积为：S=32000 mi7h+ 0.4m/s+ 3600* 22.2 m3由于运行的时候只有两个吸附器在工作，因此每个吸附器活性炭堆积的截面积为：S'22.2 m3宁2=11.1 m3每个吸附器活性炭堆积厚度为：Z =3.76 m3+ 11.1 m3〜0.34 m，取0.4m采用立式固定床吸附塔，则塔径为：D={ （4X 11.1 m3）- 3.14}八0.5=3.76m,塔径过大，不宜采用因此采用卧式固定床吸附器，则假设塔高为2m,则吸附器的长：L=11.1 m3—2m=5.55m~ 5.6m所以吸附器采用卧式固定床吸附器，高跟宽都为2m,长为5.6m。

第四节固定床吸附过程的计算固定床吸附器结构简单，但由于气体吸附过程是气—固传质，对任一时间或任一颗粒来说都是不稳定过程，因此固定床吸附器的吸附操作是非稳态的，计算过程非常复杂，一般要涉及到物料衡算方程、吸附等温线方程和传热速率方程及热量衡算。

而在气态污染物的吸附净化设计中，由于所涉及到的物系是低浓度的气态混合物，且气量一般比较大，吸附热相对较小，因此可近似地按等温过程处理，可不考虑传热速率方程和热量方程（升温脱附除外）。

这样在设计过程中可采用简化了的方法进行近似计算，计算时往往提出如下假设：（1）气相中吸附质浓度低；（2）吸附操作在等温下进行；（3）传质区通过整个床层时长度保持不变；（4）床层长度比传质区长度大得多。

这些简化限制条件对目前工业上应用的吸附器来说，一般是符合的。

设计中较常采用的是希洛夫近似计算法和透过曲线计算法。

计算过程一般是在吸附剂的选择、吸附设备的选择和吸附效率确定之后进行的。

设计计算的任务是求出吸附器的床层直径和高度，吸附剂的用量，吸附器的一次循环工作时间，床层压降等。

下面首先介绍固定床吸附器的吸附过程。

一、固定床吸附器的吸附过程在固定床吸附器的吸附操作中，一般是混合气体从床层的一端进入，净化了的气体从床层的另一端排出。

因此，首先吸附饱和的应是靠近进气口一端的吸附剂床层。

随着吸附的进行，整个床层会逐渐被吸附质饱和，床层末端流出污染物，此时吸附应该停止，完成了一个吸附过程。

为了描述吸附过程，提出了以下概念。

（一）吸附负荷曲线与透过曲线1. 吸附负荷曲线在实际操作中，对于一个固定床吸附器，气体以等速进入床层，气体中的吸附质就会按某种规律被吸附剂所吸附。

吸附一定时间后，吸附质在吸附剂上就会有一定的浓度，我们把这一定的浓度称为该时刻的吸附负荷。

如果把这一瞬间床层内不同截面上的吸附负荷对床层的长度（高度）作一条曲线，即得吸附负荷曲线。

也就是说，吸附负荷曲线是吸附床层内吸附质浓度x随床层长度z变化的曲线。

一、 尾气中苯蒸气的浓度为0.025kg/kg 干空气(Y 0)，欲在298K 、2atm 的条件下用硅胶吸附净化，固定床保护作用时间至少要90min ，设穿透点时苯的浓度为0.025kg/kg 干空气(Y B )，当固定床出口尾气中苯浓度达0.020kg/kg 干空气(Y E )时，即认为床层已耗竭，尾气通过床层的速度为1m/s(基于床的整个横截面积)，试决定所需的床高/已知硅胶的堆积密度为625kg/m 3，平均粒径D p =0.60cm 平均表面积a=600m 2/m 3，在上述操作条件下，吸附等温方程式为：Y *=0.167X 1.5式中Y *：kg 苯/kg 干空气，X ：kg 苯/kg 硅胶，假定气相传质单元高度H OG =51.0)DpG (a 42.1μG ：kg/m 2·S 解：据题意：Y o =0.025kg 苯/kg 干空气，Y B =0.0025kg 苯/kg 干空气，Y E =0.02kg 苯/kg 干空气由于G S (Y o -0)=L S (X T -0) ∴TOS S X Y G L = 又∵Y *=0.167X T 1.5 (等温线方程) ∴Y O =0.167 X T 1.5 求得X T =0.282kg 苯/kg 硅胶求操作线方程：O S Y L ==025.0=0.08865 ∴Y=0.08865X 计算下列表中X 和Y *第一栏：由Y 0到Y E 分成若干段，平均分配。

第二栏：由操作线方程计算出。

第三栏：由吸附等温线计算出。

第四栏：由第一栏和第三栏计算出。

第五栏：由第一栏和第四栏计算出，用数值积分，梯形(上底加下底乘高除二)，再加上上面栏的数据。

最后一个数据就是N OG (传质单元高度)，N OG ×H OG =W a ，H OG 可以由题意计算出来。

第六栏：由于8866.5Y Y dY Y Y dY Y Y dY W W W YY *Y Y *YY *aB B E B B ⎰⎰⎰-=--=-8866.5Y Y dYN EB Y Y *OG =-=⎰因此将第五栏的数据都除以5.8866得第六栏的数据 第七栏：Y 0=0.025 计算H OG ：∵Y 0=0.025kg 苯/kg 干空气，是质量比 计算其摩尔比，∴苯与干空气的摩尔比=03448.010205.329178025.04-⨯=空塔流速为1m/s ，将其化为标准态可得摩尔流速。