§7-2 吸附法净化气态污染物

概述

1. 定义

吸附：利用多孔性固体使混合物中的一种或几种组分

浓集在固体表面从而分离的过程。

吸附质：能被吸附的物质 .

吸附剂：能吸附吸附质的物质 .

（ 1 ）适于处理低浓度废气，并可回收有用组分，流程短，

净化效率高，设备简单。

（ 2 ）吸附容量较小、设备体积大。

2. 特点：

3. 主要内容：

§7-2-1 吸附过程与吸附剂

§7-2-2 吸附理论

§7-2-3 吸附设备

§7-2-4 固定床吸附器的计算

§7-2-1 吸附过程与吸附剂

一、吸附过程

静电力或范德华力 化学键力

相当于被吸附气体的凝结热  

较小， 20 kJ/mol 较大， 80 ～ 400 kJ/mol

可逆的 不可逆（无法还原为原有物质）

快 慢

作用力

吸附热

 

可逆性

吸附速率

吸附层数 单分子层，多分子层 单分子层或单原子层

  物理吸附 化学吸附

① 内表面积大 ;② 具有较好的选择性 ;③ 吸附容量大 ;吸附容量 : 在一定温度和一定的吸附质浓度下 , 单位质量

或单位体积吸附剂所能吸附的最大吸附质质量 . ④ 足够的机械强度、化学和热稳定性 ;⑤ 来源广泛 , 造价低廉等 .

二 . 吸附剂 1. 对工业吸附剂的要求

2. 常用工业吸附剂

（ 1 ）活性炭

按形状分：粒炭和粉炭

非极性吸附剂，具有疏水性和亲有机物性。

可吸附：苯类、恶臭物质、醛酮类等。

（ 2 ）活性氧化铝

根据晶格构造分： α 型和 γ 型

极性吸附剂，对水的吸附容量很大。

用于：气体的干燥，脱硫及含氟废气净化等。

（ 3 ）硅胶

分子式 : SiO2.nH2O

极性吸附剂，亲水性强，孔径均一。 常用作干燥剂，也可作催化剂载体。

(4) 沸石分子筛 ［ M2(Ⅰ)·M2(Ⅱ) ］ O·Al2O3·nSiO2·mH2O

其中： M2(Ⅰ) —— 一价金属； M2(Ⅱ) —— 二价金属；

n—— 硅铝比； m—— 结晶水摩尔数。 特点 : 孔径均一、吸附容量大、吸附选择性强。

可净化： SO2 、 NOX 等。

（ 5 ） 白土

分为：漂白土和酸性白土。

主要成分：硅铝酸盐。

用途：油类脱色、除臭。

三 . 影响气体吸附的因素

1. 操作条件

（ 1 ） 温度

物理吸附， T ￬有利；

化学吸附， T ￪有利。

（ 2 ） 压力

P ￪，则PA ￪，有利；

P ￪ ，能耗￪；

一般常压操作

2. 吸附剂性质的影响

（ 1 ）极性

（ 3 ）气体流速 v

v ￪ ，则 τ ￬， ΔP ￪ 不利；

v ￬ ，则 τ ￪， ΔP ￬，有利；

v ￬ ￬， A ￪ ￪，设备费￪，不利；

固定床

v＝ 0.2 ～ 0.6m/s

非极性吸附剂 非极性吸附质

极性吸附质极性吸附剂

（ 2 ）表面积

W

fVm

式中： δ —— 吸附剂的比表面积， m2/g；

f —— 单位体积气体铺成单分子层时所占面积， m2/ml ；

Vm —— 吸附剂表面被单层分子铺满时的气体体积， ml;

W —— 吸附剂的重量， g。

3

0

104.22

ANf

式中： N0 ——阿佛加德罗常数， 6.02× 1023 ；

A—— 一个吸附质分子的横截面积， m2 ；

a. 比表面积

3. 吸附质性质和浓度的影响

（ 1 ）性质

临界直径（见表 7－ 13 ）、沸点、分子量、饱和性等

（ 2 ）浓度

C0 ￪，吸附量￪；

C0 ￪ ￪ ，较早达饱和，吸附剂用量大，再生频繁。

b. 有效表面积

定义：吸附质分子能进入的表面积（微孔）

微孔孔径 >分子临界直径（分子所能进入的最小孔径）

4. 吸附器设计的影响

（ 1 ）对吸附器的要求

① 有足够的气流流通面积和停留时间

② 气流分布均匀

③ 有效控制和调节吸附操作温度

④ 易于更换吸附剂

（ 2 ） 对工艺的要求

① 预先除去杂质，防止吸附器污染。

② 对高浓度气体进行一级处理，将吸附作为二级

处理，以减轻吸附系统负荷。

§7-2-2 吸附理论

一、吸附平衡

1. 平衡关系的表示

某时刻： 吸附速度＝脱附速度 → 动态吸附平衡

此时，吸附质在气相中的浓度称为平衡浓度→ p*

吸附质在固相中的浓度称为平衡吸附量 → XT

XT 为吸附剂吸附量的极限值，亦称静活性。

对于一定的吸附剂， XT ＝ f（ T ， p）

固定温度 T ，则 XT ＝ f（ p） → 等温吸附方程

2. 吸附等温线

描述一定温度下，被吸附剂吸附的物质的最大量（平衡吸

附量）与气相中吸附质平衡分压之间关系的曲线。

P279-280:图 7-15 、 7-16 。

NH3 在活性炭上的吸附等温线

上图中：相对压力为： p/pv ； p—— 气相中吸附质分压；

pv —— 一定温度下，吸附质的饱和蒸气压。

3. 吸附等温线方程

（ 1 ） Freundlich 方程

n1

kpXT

—— 适用于Ⅰ型等温线中压部分

将上式两边取对数，则 plgn

1klgXlg T

式中： XT —— 被吸附组分的质量与吸附剂质量的比值，

g 质 /g 剂；

k ， n —— 经验常数，通常 n＞ 1 ，由实验测定。

BP1

BP

V

V

m

（ 2 ） Langmuir 方程——单分子层吸附

—— 适用于Ⅰ型等温线。

式中： A —— 饱和吸附量；

V —— 气体分压为 p时被吸附气体在标准状态下的

体积；

V m—— 吸附剂被覆盖满一层时被吸附气体在标准状态

下的体积；

A 、 B —— 常数。

BP1

ABPAXT

(3)BET方程——多分子层吸附

0mm0 pCV

p1C

CV

1

ppV

p

—— 适用于Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ型等温线（ p/p0=0.05~0.35 ）

式中： V —— 吸附达平衡的气体吸附量 ,ml ；

Vm —— 固体表面盖满单分子层所吸附的气体体积， ml ；

P —— 被吸附组分在气相中的平衡分压， Pa ；

P0 —— 在吸附温度下该气体的饱和蒸汽压， Pa ；

C —— 与吸附热有关的常数。

外扩散（气流主体 外表面）

吸附

内扩散（外表面 内表面）

二、吸附速率

1. 吸附过程及控制步骤

1 ）吸附过程

2 ）控制步骤

外扩散 （慢）

内扩散 （慢）

吸附 ( 物理） （快）

控制步骤

2. 物理吸附速率公式

（ 1 ） 外扩散速率

)YY(akdt

dMAiApy

A

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剂 ;

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 在气相主体及吸附剂外表面的浓

度，质量分数 ;

（ 2 ） 内扩散速率

)XX(akdt

dMAAipx

A

式中： kx —— 内扩散吸附分系数， kg/（ m2.s）；

XA 、 XAi—— 分别为 A 在固相中及吸附剂外表面的

浓度，质量分数 。

（ 3 ） 总吸附速率方程式

)X*X(aK*)YY(aKdt

dMAApxAApY

A

式中： KY 、 KX —— 分别为气相及吸附相吸附总系数， kg/（ m2.s）；

YA 、 YA*—— 分别为吸附平衡时 A 在气相及与 A 在吸

附相浓度成平衡的气相浓度，质量分数 ；

XA 、 XA* —— 分别为 A 在吸附相浓度及与 A 在气相浓度 YA

成平衡的吸附相浓度，质量分数 。

分吸附系数与总吸附系数的关系

pxpYpY ak

m

ak

1

aK

1

mak

1

ak

1

aK

1

pypxpX

m—— 吸附平衡曲线的斜率。

Xy mKK

3 、活性炭吸附速率计算公式

巴厄姆 : 活性炭吸附 SO2 、甲苯、 氨蒸气等

常数。系统过程经历的时间，系统平衡时的吸附量，

m,k

;st

;kgM

m

A

ktMM

Mln

对上式积分，可得：

mAA

t

MMk

dt

dM

tlgmklg)MM

Mlg(ln

A

两边取对数，有：

三、 吸附剂解吸（脱附）方法

1. 升温

等压下，吸附容量随温度升高而降低。

吸附剂吸附饱和时： XT, PA* ；

降低压力，则 PA ￬， 平衡时 XT’

￬ ,

等温下，吸附容量随压力降低而减小。

常用脱附剂：水蒸气、热空气

2. 降压（吹扫脱附）

4. 溶剂萃取

使吸附质在溶剂中的溶解性能大于吸附剂对吸附质的吸

附能力。

5. 化学转化脱附

化学反应

3. 置换解吸

采用与吸附剂结合能力更强的物质进行解吸。

§7-2-3 吸附设备

一、固定床——吸附剂固定不动

g

g

a.立式

g

g

b.卧式

g

吸附剂

c.环式（径向式）

结构简单，吸附截面积大，处理能力大，阻力小 。

处理气量大，h=0.5-1.0m 。

处理小气量，h=0.5-2.0m 。

特点： 1. 结构简单、制造容易、价格低廉；

2. 适于小气量、间歇性污染源治理；

3.应用广泛。

固定床吸附工艺

含污染物的气体

二、移动床——吸附剂移动

特点：1.吸附剂在吸附床中不断移动；

2.处理气量大，吸附剂可循环使用，适用于稳定、连

续、量大的气体净化；

3.吸附和脱附连续完成；

4.动力和热量消耗较大，吸附剂磨损较为严重。

三、流化床——吸附剂运动（流化态）

当空气自下而上地穿过固体颗粒随意填充状态的料层，而气流速度达到或超过颗粒的临界流化速度时，料层中颗粒呈上下翻腾，并有部分颗粒被气流夹带出料层的状态。

床层的这种状态和液体相似称为流化床。

特点：

1. 气体速度大，气固相均处于流化状态，强化了

气固传质；

2. 处理能力大，适合于治理连续性、大气量的污染源；

3. 吸附器和吸附剂磨损严重，排出气体中带有吸附剂

粉末，需增设除尘设备。

吸附剂床层可分为三个区域：

Ⅰ ：饱和区 ( 所有吸附剂已达到饱和）

Ⅱ ：吸附区 /传质区（部分吸附剂还在吸附）

Ⅲ：未用区（所有吸附剂上均没有吸附质）

I

II

III

废气

净化气

§7-2-4 固定床吸附器的计算

一、 固定床吸附器的吸附过程

1. 吸附负荷曲线

吸附负荷：气体进入吸附器吸附一定时间后，吸附

质在吸附剂上的浓度（吸附剂吸附量）， x。

吸附负荷曲线：某瞬间 , 吸附床层内吸附质浓度 x 随床

层长度 L 变化的曲线。

① 理想状态

设床层无阻力，吸附在瞬间达到平衡。

则床层内所有断面上的吸附负荷均为一相同值。

吸附负荷曲线为直角形的折线。 相等

L

x

理想吸附负荷曲线 L’ L’’

0

②实际操作

床层中存在阻力，某一瞬间，床层内各截面上的吸附负荷会有差异。

I

II

III实际吸附负荷曲线

0

x

L

不相等

负荷曲线

L0

I II III

吸附波（吸附前沿）

吸附负荷曲线被形象地称为吸附波。

传质区（吸附区）高度

一个吸附波所占据的床层高度称为传质区高度 L0。

吸附负荷曲线形状与阻力之间有联系

（ 1 ）曲线平缓，则吸附速率慢，过程阻力大；

（ 2 ）曲线陡峭，则吸附速率快，过程阻力小；

（ 3 ）曲线为垂线，则吸附速率无穷大，阻力为 0 ，传质区为一面。

2. 透过曲线 表示床层流出物中吸附质浓度随时间变化的曲线。

Y —— 出口气体中污染物浓度，

kg 污染物 / kg 惰性气体；

w —— 排出气体的量，

kg 惰性气体 /m2 ；

GS ——通过床层的惰性气体流量，

kg/（ s.m2 ) 。0 —— 表示入口；下标B—— 表示床层被穿透；下标E—— 表示床层被饱和；

Y

Y0YE

YB穿透点

饱和点

wB wE w

1 ）床层穿透：流出床层气体中吸附质达到某一容许最大浓度

时，称床层穿透。

穿透时间：从气流通入床层开始至床层被穿透的时间， τB 。

S

BB G

W

动活性：床层被穿透时，单位体积（质量）吸附剂所吸附

的吸附质的量。

ss.m/kg

m/kg2

2

惰性气体

惰性气体

2 ）床层饱和：流出床层气体中吸附质浓度与入口浓度相等

时，称床层饱和。

饱和时间：从气流通入到床层饱和的时间， τE 。

S

EE G

W

静活性：床层饱和时，单位体积（质量）吸附剂所吸附

的吸附质的量。

ss.m/kg

m/kg2

2

惰性气体

惰性气体

小结： 1 、随着吸附过程的进行，吸附波以一定的速度不断向

前移动（绿色曲线）。饱和区逐渐变长，未用区逐渐

缩短，传质区基本保持不变。

2 、床层穿透时，吸附波到达床层出口端（蓝色曲线），

未用区消失。

3 、床层饱和时，吸附波完全移出吸附床（紫色曲线） ，

饱和区占据整个床层。

L0

0

x

L

负荷曲线

I II III

5 、吸附波越平缓，则传质区越长，吸附剂利用率越低； 吸附波越陡峭，则传质区越短，吸附剂利用率越高； 吸附波为一垂线，则传质区长度为 0，吸附剂利用率最高。

0

x

L

III

饱和未饱和

4 、对于理想吸附操作，床层穿透时间和饱和时间相等， 静活性和动活性相等。

二、 保护作用时间的确定

　 定义：吸附操作开始至吸附床层被穿透所经历的时间。

1 、希洛夫公式

假定 1 ）保护作用时间 τ′内，床层全部达饱和；

2 ）气相中吸附质浓度很大，吸附等温线

　　　　　　符合Ⅰ型。

物料衡算（理想状态） :

气体中吸附质的减少量＝吸附剂吸附的吸附质的量

令： a —— 吸附剂的静活性（平衡吸附量）， kg质 /kg剂 ；

L —— 吸附床长度， m ； v —— 气流流速， m/s ；

ρb —— 吸附剂的堆积密度， kg/m3 ；

Co —— 气体中吸附质浓度， kg/m3 ；

S —— 床层截面积； τ′—— 保护作用时间， s 。则 C0·ν·S·τ′＝ a·ρb·L·S

LvC

a'

0

b∴

KvC

a

0

b

令

式中： K —— 保护作用系数， s/m ；

物理意义：吸附负荷曲线在吸附层中移动单位长度

所需要的时间；

1/K —— 吸附负荷曲线 ( 吸附波 ) 在吸附床层内的移动速

度， m/s。

∴ τ’=K·L (7-11)

实际操作，床层存在阻力， τ＜ τ′

令 τ′－ τ＝ τ0

τ0——保护作用时间损失。

∴ τ ＝ τ′－ τ0

将（ 7－ 11 ）代入上式有：

τ=K·L － τ0 (7-12)

或 τ=K（ L － h) (7-13)

h—— 死层，吸附层中未被利用

部分的长度。

τ － L实际曲线与理论曲线的比较1－理论线 2实际曲线

2、经验计算( 注意应用条件）

常数

2

202

1

101

dpdp公式二： B2 （ 动力特性）

公式一： K1v1= K2v2=常数 B1 （ 动力特性）

式中： dp —— 吸附剂颗粒的直径。

公式三： τ·vn = 常数

τ· ρ m = 常数对于活性炭： m ， n＝ 1

3 、间歇式吸附过程持续吸附时间的确定

设： Co —— 进入床层吸附质初始浓度， kg/m3 ；

C′—— 离开吸附床的吸附质浓度， kg/m3 ；

G —— 吸附剂装填量， kg ;

v —— 气流速度， m/s ；

a —— 吸附剂的初始活性，质量％ ；

a′—— 吸附剂的残留活性，质量％。

在一个操作周期内做吸附质的物料衡算 :

气相吸附质减少量＝吸附剂吸附量

(Co－C′)· v·S·τ ＝ G· （ a － a′）

)'CC(vS

)'aa(G

0

所以： (7-14)

再生吸附剂

CO C’ G ， a’v

三、传质区高度的确定 (迈克公式）

１、计算式推导　　假定：

a) 等温吸附

b) 低浓度污染物

c) 吸附等温线为第三种类型

d) 吸附区长度为常数

e) 吸附床的长度大于传质区长度

令吸附区（波）在床层内移动距离 L0 所需的时间为：

BES

BE

S

Aa G

WW

G

W

设 τf ——传质区形成时间， s;

f ——穿透时，吸附剂仍具有的吸附能力与全部吸附

能力之比。

（ 1－ f) —— 吸附区内吸附剂的饱和程度；

剩余吸附能力分数

0

x

L

吸附波

L0 L0

Y

Y0YE

YB穿透点

饱和点

wB wE w

WA=WB-WE

即：fEa

0 LL

自波形成至移出床层所需时间

fE

a0 LL

(1)

稳定操作时，吸附波形成后，其移动速度为一常数，

２、 τf 的确定　　　　

(1-f): 吸附区的饱和程度。f＝０，１－ f=1 ，传质区内吸附剂完全饱和，

　　　　　　　　传质区形成时间 τf ＝ τa ；

f＝ 1 ，１－ f=0 ，传质区内吸附剂不含吸附质，

　　　　　　　　传质区形成时间 τf ＝ 0 。

所以： τf ＝（ 1-f ） τa (2 ）

aE

a0 )f1(

LL

将（ 2 ）式代入（ 1 ）式，

aE

a0 W)f1(W

WLL

Ｗ a 、 WE 、 f通过透过曲线确定

实际计算中 f=0.4 ～ 0.6

若床层全部饱和，此时最大吸附量为 a.(LSρb)

实际操作中，实际吸附量＝饱和吸附量＋传质区吸附量

饱和区吸附量＝ a（ L － L0） Sρb

传质区吸附量＝ aLOSρb(1－ f)

aLS

a)f1(SLaS)LL(DBS

b

b0b0

四、吸附床的饱和度

衡的吸附剂最大吸附量与吸附质入口浓度成平实际吸附污染物的量DBS＝

∴

0

x 吸附波

L0 L

体中所含吸附质的量单位时间进入吸附床气质的量吸附剂上所累积的吸附

L

fLLDBS 0

化简有：

保护作用时间：

OS

b

YG

aLDBS

）（ ∴

s.m

kg

kg

kg

s.m

kg22吸附质

惰性气体

吸附质惰性气体

23 m

kg

m

kgm

kg

kg 吸附质吸附剂

吸附剂

吸附质

五、床层压降

影响因素：吸附剂的形状、大小、床层厚度、气体流速等。

标态下吸附器的压力损失见图 7－ 27 （ P284)

1. 了解吸附法的特点、掌握各影响因素对吸附过程的影 响及工业上常用吸附剂的特点。2. 理解吸附平衡的概念，了解吸附等温线的类型及不同 等温方程的形式及应用条件。3. 了解不同控制步骤时吸附速率方程的形式 。4. 掌握常用的吸附剂再生方法及原理。5. 了解吸附设备的分类与特点 。

本节要求：

6. 掌握吸附负荷曲线与透过曲线的概念，理解吸附波、传质区高度、静活性、动活性、吸附床饱和度等概念。

7. 理解保护作用时间的概念，会运用希洛夫公式进行计算。

8. 掌握间歇操作活性炭用量及吸附塔尺寸的确定。

9. 理解传质区高度计算的迈克公式的推导过程。