活性炭吸附装置设计计算

㈠ 求吸附器的工作原理

吸附器

吸附器是装有吸附剂实现气一固吸附和解吸的设备。

分类与结构 按吸附器操作时吸附剂的运动状态，吸附器分为固定床吸附器、流动床吸附器和沸腾床吸附器。工业废气净化多采用固定床吸附器。固定床吸附器有立式、卧式和环形三种，在外形大小相同条件下，环形吸附器的接触面积最大。

固定床吸附器基本结构见图1。

图1 立式吸附器

1—送蒸气空气混合物入吸附器的接管2—除去被吸蒸气后的空气排出管 3—加料孔4—活性炭及砾石排出孔 5—框架6—带有有孔侧壁的蒸气空气混合物分配器7—送直接蒸气人吸附器的鼓泡器8—圆筒形凝液排除器 9—凝液排出管10—进水管 11—温度计插套12—解吸时的蒸气排出管 13—排气管14—压力计连接管 15—安全阀连接管

固定床吸附器的设计 以活性炭吸附有机溶剂为例。

1．确定废气处理量

处理风量应根据车间内有机溶剂的蒸发量(即吸附质)、有机气体的爆炸下限，配制车间的排气量进行计算，同时确定废气的初始浓度。

(1)有机溶剂蒸发量计算

可以按实际溶剂消耗量计算、相对挥发度的近似

计算或用马札克公式(式1)计算。

(1)

式中 G——有机蒸气蒸发量，g／h；

W——车间内风速，m／s；

p饱——有机溶剂在室温时饱和蒸气压，Pa；

F——有机溶剂敞露面积，m2；

M —有机溶剂分子量。

(2)确定有机溶剂的爆炸下限

从有关手册查出该有机溶剂的爆炸下限或用计算法求得(详见“爆炸极限”条目)。

(3)配气原则

一般将排气浓度控制在爆炸下限浓度的10%～25％左右。

(4)废气初始浓度

Go=G／V (2)

式中 Go——废气中吸附质的初始浓度，g／m3；

G——吸附质的蒸发量，g／h；

V——废气体积流量，m3/h。

2．确定吸附剂用量

(1)确定保护作用时间

常用希洛夫方程(式3)近似计算：

(3)

式中 τ——保护作用时间，s；

α——平衡静活性，％；

ρ——吸附剂松密度，kg／m3；

W——通过吸附剂层的气体流速，m／s；

Co——气流中吸附质初始浓度，kg／m3；

L——吸附剂床层厚度，m；

h——吸附剂“死层”厚度，m。

吸附剂床层厚度的选择决定了保护作用时间的长短，活性炭吸附有机溶剂的床层厚度一般选择0．5～1m。若厚度过高，炭层阻力加大，设备体积加大，解吸时蒸气耗量亦会增加，所以保护作用时间的确定是经济指标和技术指标的综合结果。

“死层”厚度的选择一般为吸附剂床层厚度的8％～15％。

吸附过程的每次间歇操作的持续时间(即保护作用时间)，还可以根据实际吸附剂层的平均终活性与初活性，用物料衡算来确定。

(4)

式中 τ——保护作用时间，s；

G——吸附剂用量，kg；

a终——吸附剂终活性，即最终炭层中含有吸附质的重量百分数；

a初——吸附剂的初活性，即初始炭层中含有吸附质的重量百分数；

W——吸附剂层截面气流速度，m／s；

S——吸附剂层截面积，m2；

Co——气流吸附质初始浓度，kg／m3。

C残——吸附器出口气流吸附质的残留浓度，kg／m3。

(2)吸附剂床层面积

S=V／W (5)

式中 V——废气体积流量，m3／h；

W——通过吸附剂截面气流速度，m／s。

一般空塔流速在0．2～0．4m／sE右。

(3)吸附剂用量

G=LSρ(6)

式中符号同前。

3．吸附热造成的升温

用活性炭吸附物质时，所放出的吸附热使炭层及混合气升温，不利于吸附的进行。活性炭吸附有机物的吸附热可由手册中查出。根据吸附器中装炭总量及每次间歇吸附时被吸物质的总量，计算吸附放出的总热量。该热量消耗于加热混合气、炭、砾石、吸附器及绝热材料等。但大部分热量被混合气吸收，假定混合气比热等于空气比热，可求得混合气的升温。

4．解吸时水蒸气的消耗量

水蒸气消耗量的一般经验值：每回收1kg苯消耗3～5kg水蒸气。

5．吸附剂层阻力

(7)

式中 λ——外摩擦系数，是雷诺数(Re)的函数。

Re＜20时， ；

Re在20～2 000时， ；

Re＞2000时，λ=0．4j

L——吸附剂层厚度，m；

W隙——气体在吸附剂层的孔隙中的真实速度，m／s；

ρ——气体密度，kg／m3；

d当——当量直径，m；

式中 V隙——单位体积吸附剂层中颗粒空隙所占的百分比，又称床层孔隙度；

σ——单位体积床层中全部吸附剂颗粒的表面积，m2／m3；

△p的计算值应与实测值对照，才比较可靠。

吸附净化系统的安全技术 吸附净化系统的安全是极其重要的，应注意以下几个方面。

1．保证吸附器和管道的密闭

设备和管道应具有最少的可拆卸接合；排送含有有机溶剂的管道壁厚应大于5mm；含有机溶剂的设备和管道均应经过砾石阻火器与大气相通。

2．杜绝工作场所产生火花

马达应是防爆型的或放在专门隔离的场所；防静电、防雷击。

3．杜绝活性炭升温到接近其燃点(300℃)

严格控制炭层温度，测温点应能达到炭层中心及炭层的各部分；应避免炭层的急剧氧化而放出大量热；解吸时炭层温度控制在105～110℃之间，解吸用的过热蒸气不应高于120℃；解吸后应在100℃以下干燥炭层，然后用冷空气将活性炭冷却至40℃以下；若炭层冒烟或引燃时，应立即引水缓慢淹没炭层，不可鼓风；避免解吸冷凝液倒流人炭层而剧烈放热；吸附器停止操作时间超过24h，活性炭在解吸后应用水淹没炭层。

吸附流程 吸附净化流程分为非再生吸附净化流程和再生吸附净化流程。

1．非再生吸附净化流程

吸附器可以并联，也可以串联。例如用吸附氯气后的活性炭净化汞蒸气，待吸附器饱和后，重新更换吸附剂。

2．再生吸附净化流程

再生吸附净化流程主要用于净化含有机溶剂的废气，并回收有机溶剂。该流程包括：活性炭吸附有机蒸气(吸附)、从活性炭中解吸有机溶剂(解吸)、用热空气吹干或烘干活性炭(干燥)、用冷空气冷却活性炭(冷却)四个步骤。为了维持连续吸附，净化系统中应不少于二台吸附器交替进行吸附及解吸过程。典型流程见图2。

图2 有再生系统的活性炭吸附净化设备

1—过滤器 2—风机 3—空气冷却器 4—第Ⅰ号吸附器5—第Ⅱ号吸附器 6—冷凝器 7—分离器

——摘自《安全科学技术网络全书》（中国劳动社会保障出版社，2003年6月出版）

㈡ 某炼油厂采用吸附进行深度处理，处理量为X m3\d,废水COD=120 mg\L,出水要求低于30 mg\L,要求设计该吸附塔

设计任务书
一、 设计题目
活性炭吸附废水的吸附塔设计
二、 设计任务及操作条件
1、处理水量Q=200m3/h
2、原水COD平均120mg/L
3、出水COD小于30mg/L
4、活性炭吸附量q=（0.12～0.2）g COD/g炭
5、活性炭与水接触时间10～30min
6、污水在塔中的下降流速5～10m/h
7、反冲洗水的线速度28～32m/h
8、反冲洗时间4～10min
9、冲洗间隔时间72～144h
10、炭层冲洗膨胀率30%～50%
11、水力输炭管道流速0.75～1.5m/s
12、水力输炭水量与炭量体积比例10:1
三、设计内容
1、设计方案的确定及流程说明
2、吸附塔的面积、塔径、高度、容积、活性炭质量、再生周期等计算
3、吸附塔附属结构的选型与设计
4、吸附塔工艺流程图
5、吸附塔计算图
6、设计说明
7、参考文献

设计方案和流程的说明
由于电镀废水中Cr6+属于有毒重金属离子，不能直接排放。根据国家环境标准对废水的处理要求，考虑经济性与实用性，选用活性炭吸附,采用二塔并联降流式固定装置。
吸附是一种物质在另一种物质表面上进行自动累积或浓积的现象，可以发生在气-液，气-固，液-液两相之间。在污水处理中，吸附则是利用多孔性固体物质的表面吸附污水中的一种或多种污染物，从而达到净化水质的目的。活性炭是常用吸附剂之一。
固定床吸附器最大的优点是结构简单、造价低、吸附器磨损少、使用方便。它是污水处理中常用的吸附装置。污水连续地流过装有吸附剂的固定床层，被吸附后的污水连续排出。当出水水质不符合要求（即床层被穿透）时，则停止进水，将吸附剂再生。固定床根据水流方向又分为升流式和降流式两种。降流式水流自上而下，出水水质较好，但水头损失大，需对床层定期进行反冲洗。而升流式水流由下而上流动，这种床型水头损失增加较慢，运行时间较降流式长。
根据处理水量、原水水质及处理要求，固定床可分为单床和多床系统，单床一般用于处理规模小的工艺。多床层又分并联、串联两种，该设计根据实际要求选择大规模处理，出水要求低的并联方式。
设计参数选择及计算
1、设计参数选择
处理水量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、活性炭与水接触的时间30min、污水在塔中下降的流速V=8m/h、反冲洗水的线速度28m/h、反冲洗时间6min、反冲洗间隔时间80h、炭层冲洗膨胀率45%、水力输炭管道流速0.8m/s、水力输炭水量与炭量体积比例10：1、炭层密度ρ=0.43t/m3。
计算
①吸附塔的面积：
2
②每个塔的面积：
2
③吸附塔直径：

④吸附塔炭层的高度：

⑤每个吸附塔的炭层容积：
3
⑥每塔填充活性炭质量：

⑦每塔每天应处理的水量：

⑧每个吸附塔每天应吸附的值：

⑨活性炭再生周期：

三、吸附塔附属结构的选型和设计
⒈活性炭
活性炭是最常用的非极性吸附剂，由木炭、坚果壳、煤等含碳原料经炭化与活化制得的一种多孔性含碳物质，有大的比表面积（600～1500m2/g)，吸附容量大，吸附能力强，该设计属于液相吸附，一般用孔径为（210-3～0.1）的活性炭。它有稳定的化学性质，易再生与再利用，来源广、价格低。它对铬阳离子也有还原作用；在选用活性炭处理装置设备时应选不锈钢材料，防止活性炭与普通钢材接触发生严重的化学腐蚀。
2. 支撑装置
位于填料底部，安装平稳，既要保证能够支撑填料层的质量，又要保证液体能通畅的流动，具有耐腐蚀性，耐压，耐冲击。根据以上要求我们常选用不锈钢作为支架材料。
液体分布装置
让液体分布装置设在塔顶，让废水均匀的分
布在填料表面，设备的耐腐性强。考虑易于维修又使布水
均匀，且具有一定的水力冲刷强度及直径大小，选用
不锈钢材料的可拆卸多孔管布水装置。
4.液体出口装置
沉降式,出口位于塔底。管与塔接触部分密封性好，防止出现液封现象，保证出水通畅流出，还要防腐蚀，耐压，耐冲击。选排水管的直径为100mm，多用价格低、容易得的铸铁。
5．反冲洗设备
防止堵塞，设在吸附层的下方，孔管布水，孔径为10mm，使冲洗水在整个底部平面均匀分布，冲洗时间为6min,每80h冲洗一次。以长久利益来看，选用费用高，操作简单，能较长时间向塔内输水，泵小、耗电较均匀的冲洗水塔来排冲洗后的水。
四、吸附塔工艺流程图 吹出气
A、B并联吸附，C再生； 加料
下一个阶段是：A再生，B、
C并联吸附；再下一个阶段
是：A、C并联吸附时，B再
生。这样以此类推。 A B C

产品
部分产品用作再生气

吸附塔计算图
设计说明
1、设计要求：
①处理水量大、出水水质高、可回收、吸附剂可再生、设备耐腐性强。
②采用柱状活性炭进行吸附，不易堵塞。若用粉末活性炭吸附，要防火防爆，而且对设备要求也高，投资高，麻烦。
③反冲洗时要让冲洗水均匀分布，有足够的冲洗时间，冲洗后的水要及时排出。
④活性炭的再生:吸附剂在达到吸附饱和后，必须进行脱附再生才能重复使用。所谓再生，及在吸附剂本身不发生或很少发生变化的情况下，用某种方法把吸附质从吸附剂空隙中除去，恢复它的吸附能力，这样就可以大大的减少水处理运行成本。再生分为：加热再生法，化学氧化再生法，溶剂再生法。我们选用加热再生法，它是目前最常用最有效的一种再生方法。其再生步骤如下：
a. 脱水：使活性炭和含铬电镀废水进行分离。
b. 干燥：加热到100～150℃，将吸附在活性炭细孔中的水分蒸发出来，同时使一部分低沸点的有机物也够挥发出来。
c. 炭化：加热到300～700℃，使高沸点有机物热分解，一部分低沸点有机物挥发，另一部分被炭化留在活性炭细孔中。
d. 活化：加热到700～1000℃，将炭化阶段留在活性炭细孔中的残留物用活化气体（如水蒸汽、CO2及O2）进行氧化反应，反应产物以气态形式逸出，达到重新造孔的目的。
e. 冷却：把活化后的活性炭用水急剧冷却，防止氧化。

主要设计参数：
参 数 内容 吸附塔面积A 每个塔面积A’ 吸附塔直径D 吸附塔炭层高度h 每个塔炭层的容积V 每塔填充活性炭质量M 每塔每天应处理水量Q1 每个吸附塔每天吸附COD值 活性炭在生周期T
数 值 25m2 12．5m2 4m 4m 50m3 21．5t 2400t 216kg/d 14d

影响吸附的因素：
①吸附剂的种类：一般来说，极性吸附剂易吸收极性吸附质，非极性吸附剂易吸收非极性吸附质。
②活性炭的比表面积：比表面积（600～1500m2/g)越大，吸附能力越强，吸附量越大。
③孔结构：孔径越大，比表面积越小，吸附能力差。该设计属于液相吸附,孔径一般为（210-3～0.1）。
④ 温度：其他条件不变的条件下，低温有利吸附，升温有利脱附。
⑤pH值：在酸性溶液中，活性炭的吸附率要比在碱性溶液中高一些。
⑥接触时间： 在进行吸附操作时，应保证吸附质与活性炭有一定的接触时间，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，吸附时间就越短。
七、参考文献
《环境工程原理》 化学工业出版社 主编：张柏钦，王文选 2003,7
《水污染控制技术》 化学工业出版社 主编：王金梅，薛叙明 2004,3

㈢ 有机废气吸附怎么计算活性炭用量

1、吸附剂（活性炭）用量的计算：

活性炭发生的主要是物理吸附，大多数是单层分子吸附，其吸附量与被吸附物的浓度服从朗格缪尔单分子层吸附等温方程 ：α=kθ=kbp/（1+kbp）。

式中：（覆盖度）θ--一定温度下，吸附分子在固体表面上所占面积占表面总面积的分数；p--吸附质在气相的分压； b=k1/k2--吸附与脱附的速度之比；a--气体在固体表面上的吸附量。

2、吸附量是指在一定条件下单位质量的吸附剂上所吸附的吸附质的量，通常以kg吸附质/kg吸附剂或质量分数表示，它是吸附剂所具有吸附能力的标志。

(3)活性炭吸附装置设计计算扩展阅读：

在工业上吸附量称为吸附剂的活性，吸附剂的活性有两种表示方法：

1、吸附剂的静活性：在一定条件下，达到平衡时吸附剂的平衡吸附量即为其静活性。对一定的吸附体系，静活性只取决于吸附温度和吸附质的浓度或分压。

2、吸附剂的动活性：在一定的操作条件下，将气体混合物通过吸附床层，吸附质被吸附，当吸附一段时间后，从吸附剂层流出的汽提开始发现吸附质（或其浓度达到依规定的允许值）时，认为床层失败，此时吸附剂吸附的吸附质的量称为吸附剂的动活性。

动活性除与吸附剂和吸附质的特性有关外，还与温度、浓度及操作条件有关。吸附剂的动活性值是吸附系统设计的主要依据。

㈣ 活性炭吸附苯或对二甲苯咋设计

设计活性炭吸附苯或对二甲苯的方案，可以按照以下步骤进行：

1. 确定污染物特性：

   • 明确目标：了解苯或对二甲苯的浓度、挥发性及在空气中的稳定性。
   • 目的：这有助于后续选择适合的活性炭类型和尺寸。

2. 选择活性炭类型：

   • 选择标准：根据苯或对二甲苯的特性，选择具有较大表面积和微孔结构的活性炭，如椰壳炭或煤质炭。
   • 目的：确保活性炭的吸附效果最佳。

3. 计算吸附剂需求：

   • 考虑因素：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：准确计算所需活性炭的质量和体积。

4. 设计吸附床：

   • 确定尺寸：根据气流需求和活性炭的填充量，确定吸附床的高度和宽度。
   • 考虑因素：气流阻力、更换活性炭的方便性。

5. 选择处理工艺：

   • 决策依据：污染物的性质和排放量。
   • 选择：连续或间歇操作的吸附工艺，连续操作可能需要考虑再生步骤。

6. 实施监测与控制：

   • 安装设备：监测设备以定期检测排放浓度。
   • 调整参数：根据监测结果调整温度、压力等操作参数，提高吸附效率。

7. 安全与环保考虑：

   • 安全措施：防止火灾和爆炸的预防措施。
   • 环保要求：确保系统符合排放标准，减少环境影响。

8. 经济性评估：

   • 考虑因素：活性炭的购买和更换费用、能源消耗等运行成本。
   • 目的：选择经济合理的方案，同时考虑长期的维护和运行成本。

总结：设计活性炭吸附苯或对二甲苯的方案时，需综合考虑污染物特性、活性炭类型、吸附剂需求、吸附床设计、处理工艺、监测与控制、安全与环保以及经济性评估等多个方面。通过细致的规划和设计，可以确保系统的高效、安全和环保运行。

㈤ 活性炭吸附实验实验报告 [活性炭吸附实验]

活性炭吸附实验

一 实验目的

1、通过实验进一步了解活性炭的吸附工艺及性能，并熟悉整个实验过程的操作 2、掌握用“间歇”法、“连续流”法确定活性炭处理污水的设计参数的方法 二 实验原理

活性炭吸附过程包括物理吸附和化学吸附。其基ᴀ原理就是利用活性炭的固体表面对水中一种或多种物质的吸附作用，以达到净化水质的目的。当活性炭对水中所含杂质吸附时，水中的溶解性杂质在活性炭表面积聚而被吸附，同时也有一些被吸附物质由于分子的运动而离开活性炭表面，重新进入水中即同时发生解吸现象。当吸附和解吸处于动态平衡状态时，称为吸附平衡。这时活性炭和水(即固相和液相)之间的溶质浓度，具有一定的分布比值。单位重量的活性炭吸附溶质的数量qe，即吸附容量可按下式计算:

V(C0C)

qe

m

式中 qe—活性炭吸附量，即单位重量的吸附剂所吸附的物质量，mg/g；

V—污水体积，L；

C0、C—分别为吸附前原水及吸附平衡时污水中的物质浓度，mg/L； m—活性炭投加量，g； 在温度一定的条件下，活性炭的吸附量随被吸附物质平衡浓度的提高而提高，两者之间的变化曲线称吸附等温线，通常用Fruendlich经验式加以表达。

qeKCn

式中 K、n—是与溶液的温度、pH值以及吸附剂和被吸附物质的性质有关的常数；

K、n值求法如下：通过间歇式活性炭吸附实验测得qe、C相应之值，将式上式到对数后变换为下式：

1

lgqelgKlgC

n

将qe、C相应值点绘在双对数坐标纸上，所得直线的斜率为1/n，截距则为k。

三 实验设备及用具

1、振荡器一台； 2、分析天平一台； 3、分光光度计一台； 4、250mL三角烧杯5个； 5、100mL容量瓶6个； 6、活性炭（粉状和粒状）； 7、亚甲基兰。

8、活性炭连续流吸附实验装置 四 实验步骤

1、 间歇式活性炭吸附实验

①配制浓度为50mg/L的亚甲兰溶液于1000mL容量瓶中；

②用十倍稀释法依次配制浓度为5mg/L、1mg/L、0.5mg/L、0.1mg/L、0.05mg/L、0.01mg/L的亚甲兰溶液于100mL容量瓶中；

③用分光光度计测定其吸光度值(吸附波长为665nm)，记录到表1中，绘制标准曲线；

④ 取5个250mL的三角瓶，用天平分别称取100mg、200mg、300mg、400mg、500mg的粉活性炭投入三角瓶中，每瓶中加入100mL50mg/L亚甲基兰溶液；

⑤将三角烧瓶放在振荡器上振荡（震荡器的速度要由小变大，但也不能太大，否则会将活性碳粉粘到瓶壁上），当达到吸附平衡时停止振荡。（振荡时间一般为25--30min）。

⑥测定静置后三角瓶中废水的吸光度值，结果记录在表2中，求出吸附容量qe。

表2

2、连续流活性炭吸附实验 ① 熟悉动态活性炭吸附装置；

图1 活性炭连续流吸附实验装置示意图

1 有机玻璃管 2 活性炭层 3 承托 4 单孔橡胶塞

② 测自配污水吸光度；

③ 以2L/h的流量按降流方式进行单柱实验（运行时炭层不应有空气泡）。运行30min，每隔5min取样测出水吸光度，结果记录在表3中，并计算去除率；

④ 改变流量分别以3.0L/h、4.0L/h、5.0L/h、6.0L/h的流量运行10min，

每隔5min取样测出水吸光度值。

五 实验结果分析

1 间歇式活性炭吸附实验

① 根据测定数据绘制吸附等温线 ② 确定常数K、n

2 连续流活性炭吸附实验

① 画出去除量与时间的关系线

六 思考题

1、吸附等温线有什么现实意义，作吸附等温线时为什么要用粉状炭？ 2、活性碳投加量对于吸附平衡浓度的测定有什么影响，该如何控制？