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挥发性有机化合物(VOCs)的污染日益成为人们关注的重点,VOCs排放到空气中形成的有机废气不仅污染环境,而且对人体也造成了伤害,因此,对VOCs污染控制已成为研究的热点。针对工业中大风量低浓度的有机废气,吸附法是目前应用较为广泛的技术,其操作方便,工艺简单,能够实现资源的回收利用,具有较好的经济价值和社会价值,被广泛的用于化工、医药、电子等行业中进行废气处理。随着工业的发达,有机溶剂被广泛应用的种类也越来越多,而在对某些气体的治理上尚缺乏一些依据,因此,系统的研究活性炭的动态吸附行为和固定床动力学模型,对工业应用提供基础数据具有重大的意义。
选用异丙醇为吸附质体系,活性炭为吸附剂,建立了动态配气系统和固定床吸附装置,采用气相色谱对有机废气出口浓度进行检测,并用吸附称重法确定了活性炭的饱和吸附量,对异丙醇吸附平衡进行了研究;从穿透曲线的形状、穿透时间和吸附量等方面考察了初始浓度、气体体积流率、吸附温度、床层长度、活性炭粒径等因素对活性炭动态吸附行为的影响;采用希洛夫公式和穿透曲线法对固定床的穿透时间和传质区进行了计算。实验结果表明,异丙醇在活性炭上的吸附属于I型的优惠吸附,在低浓度条件下,活性炭对异丙醇有较高的吸附量。在吸附平衡模拟研究中,Langmuir、Freundlich和D-R方程都能较好的拟合实验结果,其中Langmuir和D-R方程拟合度接近且较Freundlich的高,为计算方便,本文在固定床动力学模型中选用Langmuir吸附等温线方程。初始浓度、吸附剂粒径的变化可以改变透过曲线的形状,随着初始浓度的增大,透过曲线的陡峭度增加,活性炭的吸附量也相应增大,粒径增大使透过曲线的陡峭度变平缓,固定床提前穿透;气体体积流率对透过曲线的形状影响较小,但适当提高流速可以增大活性炭的吸附量,当流速过大时,产生脱附现象,使吸附量减少;温度和床层长度变化对透过曲线基本上没有影响,只是使穿透曲线发生了左右平移。同时,还利用希洛夫公式和穿透曲线法,得出床层长度和异丙醇穿透时间的关联式为τB=13.46562-7.6886,及一定初始浓度下对应的传质区长度。
同时,对固定床动力学模型进行了研究,以线性推动力模型(LDF)为传质速率方程,Langmuir吸附等温线方程为吸附平衡模型,根据固定床的物料横算
采用MATLAB,利用正交配置法求解动力学模型,并与半经验Yoon-Nelson模型进行对比,根据模型预测了床层空隙率、总传质系数、轴向扩散系数、活性炭颗粒密度等参数对吸附性能的影响。结果表明,两种模型与试验数据的吻合度较好,都可以预测吸附透过曲线。其中基于吸附平衡的动力学方程组能够预测吸附床在不同操作条件下的出口浓度和穿透时间,为异丙醇蒸气吸附的工程应用设计和实际操作提供更合理的依据、方法和工艺参数。模型预测结果显示,床层空隙率增大可以使吸附提前穿透;总传质系数越大,穿透曲线越陡峭;轴向扩散系数增大,吸附传质区增长,越早穿透,但当轴向扩散系数较小时,其对吸附过程影响不显著;活性炭颗粒密度只使透过曲线发生了左右平移,不改变其形状。