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9第三章第四節固定床吸附过程的计算
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。
在理想状态下,若床层完全没有阻力,吸附会在瞬间达到平衡,即吸附速率无穷大,则在床层内所有断面上的吸附负荷均为一个相同的值,吸附负荷曲线将是一个直角形的折线,如图3-12所示。但实际上是不可能的,在实际操作中由于床层中存在着阻力,在某一瞬间床层内各个截面上的吸附负荷会有差异,我们这时所绘制的曲线将是图3-13所示的吸附负荷曲线。图中把曲线分成了三个区域:饱和区(所有吸附剂已经达到了饱和)、传质区(有一部分吸附剂还正在吸附)和未用区(所有吸附剂上均未有吸附质)。如果经过一段时间的吸附,绘制另一时刻的吸附负荷曲线时,会发现曲线前进到了II线的位置,所以我们又形象地把吸附负荷曲线称为吸附波或吸附前沿。当吸附波的下端到达床层未端时,说明已有吸附质漏出,这时床层被穿透,当床层被穿透的这个时刻,称为破点。此时流出气体中吸附质的浓度称为破点浓度。
在实际工作中,由于吸附剂中吸附质的浓度(即吸附负荷)不易测定,故目前许多场合,曲线的纵坐标都以床层中混合气体的浓度c来表示。因此,吸附负荷曲线又可定义为在稳定吸附状态下,床层中气相中吸附质的浓度随床层高度(长度)变化的曲线。
由于床层的阻力不同,吸附负荷曲线会有不同的形状。床层阻力愈大,某一时刻床层内各截面上浓度差别越大,吸附负荷曲线也就变得越平缓,这当然是我们不希望出现的情况。
2. 透过曲线
吸附负荷曲线表达了床层中浓度分布的情况,可直观地了解床层内操作的状况。但要从床层中各部位采出吸附剂样品进行分析是相当困难的,这样易破坏床层的稳定。因此通常改用在一定的时间间隔内。分析床层流出物中吸附质浓度的变化,以流出物中吸附质浓度y为纵坐标。时间τ为横坐标,则随时间的推移可画出一条τ-y曲线。如图3-14所示,开始时流出物中吸附质浓度为yB,它是与吸附剂中的xB浓度相平衡的(xB为破点时床层出口端的吸附负荷)。流出物中吸附质浓度开始上升,到τE时升到yE,即接近床层进口浓度,这时床层已完全没有吸附能力,吸附波的末端也离开床层了。于是在τ-y图上,从τB到τE呈现一个S型曲线,这条曲线称“透过曲线”。它的形状与吸附负荷曲线是完全相似的,只是方向相反。由于它与吸附负荷曲线成镜面对称相似,所以也称吸附负荷曲线为“吸附波”或“传质前沿”。
由于透过曲线易于测定和标绘出来,因此也用它来反映床层内吸附负荷曲线的形状,而且也能准确地求出破点。如果透过曲线比较陡,说明吸附过程比较快,反之则速度较慢。如果透过曲线是一条竖直的直线,则说明吸附过程是飞快的,是理想的吸附波。
(二)保护作用时间
保护作用时间是固定床吸附器的有效工作时间。它定义为从吸附操作开始到床层被穿透所经历的时间称为保护作用时间,如图3-14所示的由τ0到τB所经历的时间,到达τB时,床层内吸附剂还没有完全饱和。图中的y
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