活性炭吸附裝置設計計算

㈠ 求吸附器的工作原理

吸附器

吸附器是裝有吸附劑實現氣一固吸附和解吸的設備。

分類與結構 按吸附器操作時吸附劑的運動狀態，吸附器分為固定床吸附器、流動床吸附器和沸騰床吸附器。工業廢氣凈化多採用固定床吸附器。固定床吸附器有立式、卧式和環形三種，在外形大小相同條件下，環形吸附器的接觸面積最大。

固定床吸附器基本結構見圖1。

圖1 立式吸附器

1—送蒸氣空氣混合物入吸附器的接管2—除去被吸蒸氣後的空氣排出管 3—加料孔4—活性炭及礫石排出孔 5—框架6—帶有有孔側壁的蒸氣空氣混合物分配器7—送直接蒸氣人吸附器的鼓泡器8—圓筒形凝液排除器 9—凝液排出管10—進水管 11—溫度計插套12—解吸時的蒸氣排出管 13—排氣管14—壓力計連接管 15—安全閥連接管

固定床吸附器的設計 以活性炭吸附有機溶劑為例。

1．確定廢氣處理量

處理風量應根據車間內有機溶劑的蒸發量(即吸附質)、有機氣體的爆炸下限，配製車間的排氣量進行計算，同時確定廢氣的初始濃度。

(1)有機溶劑蒸發量計算

可以按實際溶劑消耗量計算、相對揮發度的近似

計算或用馬札克公式(式1)計算。

(1)

式中 G——有機蒸氣蒸發量，g／h；

W——車間內風速，m／s；

p飽——有機溶劑在室溫時飽和蒸氣壓，Pa；

F——有機溶劑敞露面積，m2；

M —有機溶劑分子量。

(2)確定有機溶劑的爆炸下限

從有關手冊查出該有機溶劑的爆炸下限或用計演算法求得(詳見「爆炸極限」條目)。

(3)配氣原則

一般將排氣濃度控制在爆炸下限濃度的10%～25％左右。

(4)廢氣初始濃度

Go=G／V (2)

式中 Go——廢氣中吸附質的初始濃度，g／m3；

G——吸附質的蒸發量，g／h；

V——廢氣體積流量，m3/h。

2．確定吸附劑用量

(1)確定保護作用時間

常用希洛夫方程(式3)近似計算：

(3)

式中 τ——保護作用時間，s；

α——平衡靜活性，％；

ρ——吸附劑松密度，kg／m3；

W——通過吸附劑層的氣體流速，m／s；

Co——氣流中吸附質初始濃度，kg／m3；

L——吸附劑床層厚度，m；

h——吸附劑「死層」厚度，m。

吸附劑床層厚度的選擇決定了保護作用時間的長短，活性炭吸附有機溶劑的床層厚度一般選擇0．5～1m。若厚度過高，炭層阻力加大，設備體積加大，解吸時蒸氣耗量亦會增加，所以保護作用時間的確定是經濟指標和技術指標的綜合結果。

「死層」厚度的選擇一般為吸附劑床層厚度的8％～15％。

吸附過程的每次間歇操作的持續時間(即保護作用時間)，還可以根據實際吸附劑層的平均終活性與初活性，用物料衡算來確定。

(4)

式中 τ——保護作用時間，s；

G——吸附劑用量，kg；

a終——吸附劑終活性，即最終炭層中含有吸附質的重量百分數；

a初——吸附劑的初活性，即初始炭層中含有吸附質的重量百分數；

W——吸附劑層截面氣流速度，m／s；

S——吸附劑層截面積，m2；

Co——氣流吸附質初始濃度，kg／m3。

C殘——吸附器出口氣流吸附質的殘留濃度，kg／m3。

(2)吸附劑床層面積

S=V／W (5)

式中 V——廢氣體積流量，m3／h；

W——通過吸附劑截面氣流速度，m／s。

一般空塔流速在0．2～0．4m／sE右。

(3)吸附劑用量

G=LSρ(6)

式中符號同前。

3．吸附熱造成的升溫

用活性炭吸附物質時，所放出的吸附熱使炭層及混合氣升溫，不利於吸附的進行。活性炭吸附有機物的吸附熱可由手冊中查出。根據吸附器中裝炭總量及每次間歇吸附時被吸物質的總量，計算吸附放出的總熱量。該熱量消耗於加熱混合氣、炭、礫石、吸附器及絕熱材料等。但大部分熱量被混合氣吸收，假定混合氣比熱等於空氣比熱，可求得混合氣的升溫。

4．解吸時水蒸氣的消耗量

水蒸氣消耗量的一般經驗值：每回收1kg苯消耗3～5kg水蒸氣。

5．吸附劑層阻力

(7)

式中 λ——外摩擦系數，是雷諾數(Re)的函數。

Re＜20時， ；

Re在20～2 000時， ；

Re＞2000時，λ=0．4j

L——吸附劑層厚度，m；

W隙——氣體在吸附劑層的孔隙中的真實速度，m／s；

ρ——氣體密度，kg／m3；

d當——當量直徑，m；

式中 V隙——單位體積吸附劑層中顆粒空隙所佔的百分比，又稱床層孔隙度；

σ——單位體積床層中全部吸附劑顆粒的表面積，m2／m3；

△p的計算值應與實測值對照，才比較可靠。

吸附凈化系統的安全技術 吸附凈化系統的安全是極其重要的，應注意以下幾個方面。

1．保證吸附器和管道的密閉

設備和管道應具有最少的可拆卸接合；排送含有有機溶劑的管道壁厚應大於5mm；含有機溶劑的設備和管道均應經過礫石阻火器與大氣相通。

2．杜絕工作場所產生火花

馬達應是防爆型的或放在專門隔離的場所；防靜電、防雷擊。

3．杜絕活性炭升溫到接近其燃點(300℃)

嚴格控制炭層溫度，測溫點應能達到炭層中心及炭層的各部分；應避免炭層的急劇氧化而放出大量熱；解吸時炭層溫度控制在105～110℃之間，解吸用的過熱蒸氣不應高於120℃；解吸後應在100℃以下乾燥炭層，然後用冷空氣將活性炭冷卻至40℃以下；若炭層冒煙或引燃時，應立即引水緩慢淹沒炭層，不可鼓風；避免解吸冷凝液倒流人炭層而劇烈放熱；吸附器停止操作時間超過24h，活性炭在解吸後應用水淹沒炭層。

吸附流程 吸附凈化流程分為非再生吸附凈化流程和再生吸附凈化流程。

1．非再生吸附凈化流程

吸附器可以並聯，也可以串聯。例如用吸附氯氣後的活性炭凈化汞蒸氣，待吸附器飽和後，重新更換吸附劑。

2．再生吸附凈化流程

再生吸附凈化流程主要用於凈化含有機溶劑的廢氣，並回收有機溶劑。該流程包括：活性炭吸附有機蒸氣(吸附)、從活性炭中解吸有機溶劑(解吸)、用熱空氣吹乾或烘幹活性炭(乾燥)、用冷空氣冷卻活性炭(冷卻)四個步驟。為了維持連續吸附，凈化系統中應不少於二台吸附器交替進行吸附及解吸過程。典型流程見圖2。

圖2 有再生系統的活性炭吸附凈化設備

1—過濾器 2—風機 3—空氣冷卻器 4—第Ⅰ號吸附器5—第Ⅱ號吸附器 6—冷凝器 7—分離器

——摘自《安全科學技術網路全書》（中國勞動社會保障出版社，2003年6月出版）

㈡ 某煉油廠採用吸附進行深度處理，處理量為X m3\d,廢水COD=120 mg\L,出水要求低於30 mg\L,要求設計該吸附塔

設計任務書
一、 設計題目
活性炭吸附廢水的吸附塔設計
二、 設計任務及操作條件
1、處理水量Q=200m3/h
2、原水COD平均120mg/L
3、出水COD小於30mg/L
4、活性炭吸附量q=（0.12～0.2）g COD/g炭
5、活性炭與水接觸時間10～30min
6、污水在塔中的下降流速5～10m/h
7、反沖洗水的線速度28～32m/h
8、反沖洗時間4～10min
9、沖洗間隔時間72～144h
10、炭層沖洗膨脹率30%～50%
11、水力輸炭管道流速0.75～1.5m/s
12、水力輸炭水量與炭量體積比例10:1
三、設計內容
1、設計方案的確定及流程說明
2、吸附塔的面積、塔徑、高度、容積、活性炭質量、再生周期等計算
3、吸附塔附屬結構的選型與設計
4、吸附塔工藝流程圖
5、吸附塔計算圖
6、設計說明
7、參考文獻

設計方案和流程的說明
由於電鍍廢水中Cr6+屬於有毒重金屬離子，不能直接排放。根據國家環境標准對廢水的處理要求，考慮經濟性與實用性，選用活性炭吸附,採用二塔並聯降流式固定裝置。
吸附是一種物質在另一種物質表面上進行自動累積或濃積的現象，可以發生在氣-液，氣-固，液-液兩相之間。在污水處理中，吸附則是利用多孔性固體物質的表面吸附污水中的一種或多種污染物，從而達到凈化水質的目的。活性炭是常用吸附劑之一。
固定床吸附器最大的優點是結構簡單、造價低、吸附器磨損少、使用方便。它是污水處理中常用的吸附裝置。污水連續地流過裝有吸附劑的固定床層，被吸附後的污水連續排出。當出水水質不符合要求（即床層被穿透）時，則停止進水，將吸附劑再生。固定床根據水流方向又分為升流式和降流式兩種。降流式水流自上而下，出水水質較好，但水頭損失大，需對床層定期進行反沖洗。而升流式水流由下而上流動，這種床型水頭損失增加較慢，運行時間較降流式長。
根據處理水量、原水水質及處理要求，固定床可分為單床和多床系統，單床一般用於處理規模小的工藝。多床層又分並聯、串聯兩種，該設計根據實際要求選擇大規模處理，出水要求低的並聯方式。
設計參數選擇及計算
1、設計參數選擇
處理水量200m3/h、原水COD平均120mg/L、出水COD=30mg/L、活性炭的吸附量q=0.14gCOD/g炭、活性炭與水接觸的時間30min、污水在塔中下降的流速V=8m/h、反沖洗水的線速度28m/h、反沖洗時間6min、反沖洗間隔時間80h、炭層沖洗膨脹率45%、水力輸炭管道流速0.8m/s、水力輸炭水量與炭量體積比例10：1、炭層密度ρ=0.43t/m3。
計算
①吸附塔的面積：
2
②每個塔的面積：
2
③吸附塔直徑：

④吸附塔炭層的高度：

⑤每個吸附塔的炭層容積：
3
⑥每塔填充活性炭質量：

⑦每塔每天應處理的水量：

⑧每個吸附塔每天應吸附的值：

⑨活性炭再生周期：

三、吸附塔附屬結構的選型和設計
⒈活性炭
活性炭是最常用的非極性吸附劑，由木炭、堅果殼、煤等含碳原料經炭化與活化製得的一種多孔性含碳物質，有大的比表面積（600～1500m2/g)，吸附容量大，吸附能力強，該設計屬於液相吸附，一般用孔徑為（210-3～0.1）的活性炭。它有穩定的化學性質，易再生與再利用，來源廣、價格低。它對鉻陽離子也有還原作用；在選用活性炭處理裝置設備時應選不銹鋼材料，防止活性炭與普通鋼材接觸發生嚴重的化學腐蝕。
2. 支撐裝置
位於填料底部，安裝平穩，既要保證能夠支撐填料層的質量，又要保證液體能通暢的流動，具有耐腐蝕性，耐壓，耐沖擊。根據以上要求我們常選用不銹鋼作為支架材料。
液體分布裝置
讓液體分布裝置設在塔頂，讓廢水均勻的分
布在填料表面，設備的耐腐性強。考慮易於維修又使布水
均勻，且具有一定的水力沖刷強度及直徑大小，選用
不銹鋼材料的可拆卸多孔管布水裝置。
4.液體出口裝置
沉降式,出口位於塔底。管與塔接觸部分密封性好，防止出現液封現象，保證出水通暢流出，還要防腐蝕，耐壓，耐沖擊。選排水管的直徑為100mm，多用價格低、容易得的鑄鐵。
5．反沖洗設備
防止堵塞，設在吸附層的下方，孔管布水，孔徑為10mm，使沖洗水在整個底部平面均勻分布，沖洗時間為6min,每80h沖洗一次。以長久利益來看，選用費用高，操作簡單，能較長時間向塔內輸水，泵小、耗電較均勻的沖洗水塔來排沖洗後的水。
四、吸附塔工藝流程圖 吹出氣
A、B並聯吸附，C再生； 加料
下一個階段是：A再生，B、
C並聯吸附；再下一個階段
是：A、C並聯吸附時，B再
生。這樣以此類推。 A B C

產品
部分產品用作再生氣

吸附塔計算圖
設計說明
1、設計要求：
①處理水量大、出水水質高、可回收、吸附劑可再生、設備耐腐性強。
②採用柱狀活性炭進行吸附，不易堵塞。若用粉末活性炭吸附，要防火防爆，而且對設備要求也高，投資高，麻煩。
③反沖洗時要讓沖洗水均勻分布，有足夠的沖洗時間，沖洗後的水要及時排出。
④活性炭的再生:吸附劑在達到吸附飽和後，必須進行脫附再生才能重復使用。所謂再生，及在吸附劑本身不發生或很少發生變化的情況下，用某種方法把吸附質從吸附劑空隙中除去，恢復它的吸附能力，這樣就可以大大的減少水處理運行成本。再生分為：加熱再生法，化學氧化再生法，溶劑再生法。我們選用加熱再生法，它是目前最常用最有效的一種再生方法。其再生步驟如下：
a. 脫水：使活性炭和含鉻電鍍廢水進行分離。
b. 乾燥：加熱到100～150℃，將吸附在活性炭細孔中的水分蒸發出來，同時使一部分低沸點的有機物也夠揮發出來。
c. 炭化：加熱到300～700℃，使高沸點有機物熱分解，一部分低沸點有機物揮發，另一部分被炭化留在活性炭細孔中。
d. 活化：加熱到700～1000℃，將炭化階段留在活性炭細孔中的殘留物用活化氣體（如水蒸汽、CO2及O2）進行氧化反應，反應產物以氣態形式逸出，達到重新造孔的目的。
e. 冷卻：把活化後的活性炭用水急劇冷卻，防止氧化。

主要設計參數：
參 數 內容 吸附塔面積A 每個塔面積A』 吸附塔直徑D 吸附塔炭層高度h 每個塔炭層的容積V 每塔填充活性炭質量M 每塔每天應處理水量Q1 每個吸附塔每天吸附COD值 活性炭在生周期T
數 值 25m2 12．5m2 4m 4m 50m3 21．5t 2400t 216kg/d 14d

影響吸附的因素：
①吸附劑的種類：一般來說，極性吸附劑易吸收極性吸附質，非極性吸附劑易吸收非極性吸附質。
②活性炭的比表面積：比表面積（600～1500m2/g)越大，吸附能力越強，吸附量越大。
③孔結構：孔徑越大，比表面積越小，吸附能力差。該設計屬於液相吸附,孔徑一般為（210-3～0.1）。
④ 溫度：其他條件不變的條件下，低溫有利吸附，升溫有利脫附。
⑤pH值：在酸性溶液中，活性炭的吸附率要比在鹼性溶液中高一些。
⑥接觸時間： 在進行吸附操作時，應保證吸附質與活性炭有一定的接觸時間，使吸附接近平衡，以充分利用活性炭的吸附能力。吸附速度越大，吸附時間就越短。
七、參考文獻
《環境工程原理》 化學工業出版社 主編：張柏欽，王文選 2003,7
《水污染控制技術》 化學工業出版社 主編：王金梅，薛敘明 2004,3

㈢ 有機廢氣吸附怎麼計算活性炭用量

1、吸附劑（活性炭）用量的計算：

活性炭發生的主要是物理吸附，大多數是單層分子吸附，其吸附量與被吸附物的濃度服從朗格繆爾單分子層吸附等溫方程 ：α=kθ=kbp/（1+kbp）。

式中：（覆蓋度）θ--一定溫度下，吸附分子在固體表面上所佔面積占表面總面積的分數；p--吸附質在氣相的分壓； b=k1/k2--吸附與脫附的速度之比；a--氣體在固體表面上的吸附量。

2、吸附量是指在一定條件下單位質量的吸附劑上所吸附的吸附質的量，通常以kg吸附質/kg吸附劑或質量分數表示，它是吸附劑所具有吸附能力的標志。

(3)活性炭吸附裝置設計計算擴展閱讀：

在工業上吸附量稱為吸附劑的活性，吸附劑的活性有兩種表示方法：

1、吸附劑的靜活性：在一定條件下，達到平衡時吸附劑的平衡吸附量即為其靜活性。對一定的吸附體系，靜活性只取決於吸附溫度和吸附質的濃度或分壓。

2、吸附劑的動活性：在一定的操作條件下，將氣體混合物通過吸附床層，吸附質被吸附，當吸附一段時間後，從吸附劑層流出的汽提開始發現吸附質（或其濃度達到依規定的允許值）時，認為床層失敗，此時吸附劑吸附的吸附質的量稱為吸附劑的動活性。

動活性除與吸附劑和吸附質的特性有關外，還與溫度、濃度及操作條件有關。吸附劑的動活性值是吸附系統設計的主要依據。

㈣ 活性炭吸附苯或對二甲苯咋設計

設計活性炭吸附苯或對二甲苯的方案，可以按照以下步驟進行：

1. 確定污染物特性：

   • 明確目標：了解苯或對二甲苯的濃度、揮發性及在空氣中的穩定性。
   • 目的：這有助於後續選擇適合的活性炭類型和尺寸。

2. 選擇活性炭類型：

   • 選擇標准：根據苯或對二甲苯的特性，選擇具有較大表面積和微孔結構的活性炭，如椰殼炭或煤質炭。
   • 目的：確保活性炭的吸附效果最佳。

3. 計算吸附劑需求：

   • 考慮因素：污染物的排放量、活性炭的吸附能力、填充密度和使用周期。
   • 目的：准確計算所需活性炭的質量和體積。

4. 設計吸附床：

   • 確定尺寸：根據氣流需求和活性炭的填充量，確定吸附床的高度和寬度。
   • 考慮因素：氣流阻力、更換活性炭的方便性。

5. 選擇處理工藝：

   • 決策依據：污染物的性質和排放量。
   • 選擇：連續或間歇操作的吸附工藝，連續操作可能需要考慮再生步驟。

6. 實施監測與控制：

   • 安裝設備：監測設備以定期檢測排放濃度。
   • 調整參數：根據監測結果調整溫度、壓力等操作參數，提高吸附效率。

7. 安全與環保考慮：

   • 安全措施：防止火災和爆炸的預防措施。
   • 環保要求：確保系統符合排放標准，減少環境影響。

8. 經濟性評估：

   • 考慮因素：活性炭的購買和更換費用、能源消耗等運行成本。
   • 目的：選擇經濟合理的方案，同時考慮長期的維護和運行成本。

總結：設計活性炭吸附苯或對二甲苯的方案時，需綜合考慮污染物特性、活性炭類型、吸附劑需求、吸附床設計、處理工藝、監測與控制、安全與環保以及經濟性評估等多個方面。通過細致的規劃和設計，可以確保系統的高效、安全和環保運行。

㈤ 活性炭吸附實驗實驗報告 [活性炭吸附實驗]

活性炭吸附實驗

一 實驗目的

1、通過實驗進一步了解活性炭的吸附工藝及性能，並熟悉整個實驗過程的操作 2、掌握用「間歇」法、「連續流」法確定活性炭處理污水的設計參數的方法 二 實驗原理

活性炭吸附過程包括物理吸附和化學吸附。其基ᴀ原理就是利用活性炭的固體表面對水中一種或多種物質的吸附作用，以達到凈化水質的目的。當活性炭對水中所含雜質吸附時，水中的溶解性雜質在活性炭表面積聚而被吸附，同時也有一些被吸附物質由於分子的運動而離開活性炭表面，重新進入水中即同時發生解吸現象。當吸附和解吸處於動態平衡狀態時，稱為吸附平衡。這時活性炭和水(即固相和液相)之間的溶質濃度，具有一定的分布比值。單位重量的活性炭吸附溶質的數量qe，即吸附容量可按下式計算:

V(C0C)

qe

m

式中 qe—活性炭吸附量，即單位重量的吸附劑所吸附的物質量，mg/g；

V—污水體積，L；

C0、C—分別為吸附前原水及吸附平衡時污水中的物質濃度，mg/L； m—活性炭投加量，g； 在溫度一定的條件下，活性炭的吸附量隨被吸附物質平衡濃度的提高而提高，兩者之間的變化曲線稱吸附等溫線，通常用Fruendlich經驗式加以表達。

qeKCn

式中 K、n—是與溶液的溫度、pH值以及吸附劑和被吸附物質的性質有關的常數；

K、n值求法如下：通過間歇式活性炭吸附實驗測得qe、C相應之值，將式上式到對數後變換為下式：

1

lgqelgKlgC

n

將qe、C相應值點繪在雙對數坐標紙上，所得直線的斜率為1/n，截距則為k。

三 實驗設備及用具

1、振盪器一台； 2、分析天平一台； 3、分光光度計一台； 4、250mL三角燒杯5個； 5、100mL容量瓶6個； 6、活性炭（粉狀和粒狀）； 7、亞甲基蘭。

8、活性炭連續流吸附實驗裝置 四 實驗步驟

1、 間歇式活性炭吸附實驗

①配製濃度為50mg/L的亞甲蘭溶液於1000mL容量瓶中；

②用十倍稀釋法依次配製濃度為5mg/L、1mg/L、0.5mg/L、0.1mg/L、0.05mg/L、0.01mg/L的亞甲蘭溶液於100mL容量瓶中；

③用分光光度計測定其吸光度值(吸附波長為665nm)，記錄到表1中，繪制標准曲線；

④ 取5個250mL的三角瓶，用天平分別稱取100mg、200mg、300mg、400mg、500mg的粉活性炭投入三角瓶中，每瓶中加入100mL50mg/L亞甲基蘭溶液；

⑤將三角燒瓶放在振盪器上振盪（震盪器的速度要由小變大，但也不能太大，否則會將活性碳粉粘到瓶壁上），當達到吸附平衡時停止振盪。（振盪時間一般為25--30min）。

⑥測定靜置後三角瓶中廢水的吸光度值，結果記錄在表2中，求出吸附容量qe。

表2

2、連續流活性炭吸附實驗 ① 熟悉動態活性炭吸附裝置；

圖1 活性炭連續流吸附實驗裝置示意圖

1 有機玻璃管 2 活性炭層 3 承托 4 單孔橡膠塞

② 測自配污水吸光度；

③ 以2L/h的流量按降流方式進行單柱實驗（運行時炭層不應有空氣泡）。運行30min，每隔5min取樣測出水吸光度，結果記錄在表3中，並計算去除率；

④ 改變流量分別以3.0L/h、4.0L/h、5.0L/h、6.0L/h的流量運行10min，

每隔5min取樣測出水吸光度值。

五 實驗結果分析

1 間歇式活性炭吸附實驗

① 根據測定數據繪制吸附等溫線 ② 確定常數K、n

2 連續流活性炭吸附實驗

① 畫出去除量與時間的關系線

六 思考題

1、吸附等溫線有什麼現實意義，作吸附等溫線時為什麼要用粉狀炭？ 2、活性碳投加量對於吸附平衡濃度的測定有什麼影響，該如何控制？