有機(jī)氣體甲苯吸附過程中溫度變化曲線的研究

有機(jī)氣體甲苯吸附過程中溫度變化曲線的研究

廢水處理（vocs）的去除是控制污染物污染的一個(gè)熱點(diǎn)問題。在本研究中，我們將重點(diǎn)關(guān)注紹興碳吸收過程中對苯甲酸的吸附，并通過atieaproemieretechnologyprocedural軟件對生成的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行差分分解，這為有效解決吸附過程中無法直接確定的物質(zhì)有效傳遞系數(shù)帶來了困難的解決方案，并為吸附過程的設(shè)計(jì)、預(yù)測和優(yōu)化提供了支持。1活性炭吸附法ent實(shí)驗(yàn)裝置主要采用固定床吸附裝置研究吸附過程.該裝置由配氣系統(tǒng)、恒溫系統(tǒng)、吸附柱、測試系統(tǒng)(氣相色譜儀FID,RS53-T,Ratfischnahysystem,德國)和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)(SolartronInstrument,S135951,IMP)組成.實(shí)驗(yàn)時(shí),由真空泵吸取配置好的一定濃度的干燥有機(jī)氣體,泵入吸附柱,進(jìn)行吸附處理.當(dāng)外排氣有機(jī)氣體濃度與進(jìn)氣濃度相同,并維持30min以上時(shí),認(rèn)為吸附已達(dá)到平衡.稱取活性炭的重量,以確定吸附容量.通過理論計(jì)算,確定稱量誤差在5%之內(nèi).實(shí)驗(yàn)材料為吸附劑:活性炭C40/4(Carbotech.Ltd.Co,德國,柱狀(堆積密度:390kg/m3;700kg/m3;BET表面積:106m2/kg;活性炭顆?？障堵?0.667;顆粒尺寸:φ4mm×8mm;比熱:0.8kJ/Kkg)吸附前,在403K下至少3h干燥處理.吸附質(zhì):甲苯(kosterundBohmkeLtd.Co.德國,純度≥99.5%).2數(shù)學(xué)模型2.1活性炭顆粒纖維在吸附柱中的吸附行為式中:ρg為氣體總密度,kg/m3;t為吸附時(shí)間,s;ug為氣體在吸附柱中的空塔速度,m/s;z為吸附柱縱坐標(biāo),m;ε為活性炭顆粒空隙率;n為吸附質(zhì)數(shù)量;ni為i的吸附速率,kg/m3s.2.2相橋中組分的物質(zhì)固定式中:ρgi為某一種吸附質(zhì)組分密度,kg/m3;Dax為組分軸向擴(kuò)散系數(shù),m2/S;qi為組分i吸附量,kg/kg.2.3固相中的物質(zhì)保護(hù)方式式中:ρs為吸附劑的堆積密度,kg/m3;βi為組分i有效傳質(zhì)系數(shù),1/s;為組分i在一定濃度下的飽和吸附量,kg/kg.2.4溫度和傳熱系數(shù)的測定式中:Cgi為組分i的熱容,kJ/kgK;Cs為吸附劑的熱容,kJ/kgK;Ci為吸附質(zhì)i吸附態(tài)的熱容kJ/kgK;θg為氣體溫度,℃;p為氣體壓力,Pa;Cg為氣相總熱容;hadi為組分i的吸附熱,kJ/kg;αw為吸附柱綜合傳熱系數(shù);dp為吸附柱壁厚,m;θw為吸附柱墻體溫度,℃;ε為活性炭堆積空隙率.2.5變量守備法式中:P為吸附柱吸附氣相總壓力,Pa.2.6邊境條件式中:yi為氣象組分分率;H為吸附柱高,m;ρg0為吸附柱進(jìn)口氣相總密度,kg/m3;△P為氣體在整個(gè)吸附柱中的壓力損失,Pa.3溫度和溫度作用下的熱傳遞系數(shù)為保證模擬具有一定的精確性,吸附柱分成50等份(△z=0.15/50=0.003),>50等分的數(shù)值模擬結(jié)果基本無偏差.將吸附量、傳質(zhì)和傳熱系數(shù)帶入式(1)～(6),用Athenavisualworkbench軟件進(jìn)行數(shù)值模擬.模擬中發(fā)現(xiàn)吸附質(zhì)軸向擴(kuò)散系數(shù)是一個(gè)很小的數(shù),可忽略不計(jì),從而使模型更加簡化.模擬后,得圖1～6結(jié)果,圖中:線為模擬值;點(diǎn)為實(shí)驗(yàn)值.從圖1～6中可以看到,模型能很好地將實(shí)驗(yàn)過程模擬.這個(gè)模擬方法的主要優(yōu)點(diǎn)是:通過模型間的相互關(guān)系,方便而簡潔的計(jì)算出來,或者通過簡便的試驗(yàn)測定出來.模型的主要參數(shù):ε=0.428;△hadi=752.00kJ/kg;αw=0.126kJ/m2sK;Rp=3.16×10-3m;初始空他速度ug0=0.34m/s;db=0.028m.從模擬過程中得知,濃度曲線基本上不受熱傳遞系數(shù)的影響,溫度曲線對熱傳遞系數(shù)更為敏感.而物質(zhì)傳遞系數(shù)卻對濃度曲線以及溫度曲線有顯著影響.這種現(xiàn)象可以這樣來解釋:物質(zhì)傳遞鋒面,比起溫度傳遞鋒面來說,具有更快的速度.因?yàn)榛钚蕴烤哂邢鄬碚f較大的熱容,在這種情況下,通過模型數(shù)值模擬對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的擬合,來獲得準(zhǔn)確的物質(zhì)傳遞系數(shù)和熱傳遞系數(shù).首先通過對濃度曲線的擬合來獲得有效的物質(zhì)傳遞系數(shù)β,再通過對溫度曲線的擬合來獲得有效的熱傳遞系數(shù)αw,這種研究方法也為有效的熱與物質(zhì)傳遞系數(shù)研究提供了有效的手段.從β計(jì)算過程中得知,吸附質(zhì)有效擴(kuò)散系數(shù)主要受分子自由擴(kuò)散和微孔中分子knudsen擴(kuò)散所控制,其中分子自由擴(kuò)散占90%以上.表面擴(kuò)散,以及由于壓力差所引起的laminare擴(kuò)散對其影響不大,由此吸附柱的壓力差對吸附曲線也影響不大.從圖中,可看到穿透曲線形狀受進(jìn)口濃度的影響,在吸附階段,當(dāng)進(jìn)口濃度越大,物質(zhì)傳遞速率就越大,穿透曲線斜率也隨之變大,同時(shí)傳質(zhì)推動(dòng)力變高,傳質(zhì)區(qū)變短,因而越早到達(dá)吸附平衡;由于單位時(shí)間吸附量越多,所以單位時(shí)間放出的熱也越多;同樣進(jìn)口濃度的氣體在溫度低的情況下,由于吸附量變大,使之達(dá)到平衡的時(shí)間變長,不同溫度下,由于物質(zhì)傳遞速率基本相等,吸附穿透曲線形狀也就基本一樣,所以放熱所造成的溫差基本一致,溫度曲線形狀基本一致;穿透時(shí)間隨吸附溫度的上升而縮短.甲苯在活性炭上的吸附可被認(rèn)為是物理吸附,吸附劑的吸附容量隨著溫度的增加而降低.隨著吸附容量的降低,穿透時(shí)間也隨之縮短.吸附穿透曲線斜率僅受進(jìn)口濃度影響,溫度、空塔速度、床層高度則讓穿透曲線左右平移.溫度曲線的模擬與試驗(yàn)結(jié)果,在吸附傳質(zhì)區(qū)范圍內(nèi)能很好地相符合,在吸附剛開始時(shí)和吸附達(dá)到平衡時(shí)的溫度模擬不是很理想.這有待于進(jìn)一步研究.但是有一點(diǎn)可以肯定,由于熱效應(yīng)不是很大,無論吸附和脫附,造成的溫差不大,在10℃以內(nèi),相對來說較大的活性炭熱容使他對吸附時(shí)濃度曲線的影響也不大,可以忽略不計(jì).溫度變化最大值正好處在濃度曲線斜率最大的時(shí)間,也就是說,傳質(zhì)區(qū)中傳質(zhì)速度最大的時(shí)刻.由于單位時(shí)間吸附量多,所以單位時(shí)間放出的熱也就多,造成的溫度變化也就大.從試驗(yàn)曲線以及模擬曲線來看,都反映了這個(gè)現(xiàn)象.從圖中可知,理論穿透曲線與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相近,僅在穿透點(diǎn)有些差異.計(jì)算結(jié)果表明,模擬預(yù)測的穿透曲線與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合良好,說明所建模型與選用參數(shù)合理正確.因此,在工程設(shè)計(jì)中利用理論穿透曲線預(yù)測甲苯在活性炭傳質(zhì)區(qū)分布情況,是有現(xiàn)實(shí)意義的.有效傳質(zhì)系數(shù)在同一進(jìn)口濃度下,隨著溫度的升高而增大;在同一溫度時(shí),有效傳質(zhì)系數(shù)先增大,然后減小,在其間有一個(gè)峰值.4模擬方法的可行性1)采用的模型可以較好地模擬固定床吸附工藝的全過程;能對實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行預(yù)測.數(shù)值解所得結(jié)果能夠清楚地反映固定床吸附工藝出口氣濃度變化情況、固定床層溫度變化情況;2)濃度曲線基本上不受熱傳遞系數(shù)的影響;3)由于相對來說較大的活性炭熱容,使物質(zhì)傳遞系數(shù)對濃度曲線及溫度曲線有顯著影響;4)吸附由微孔擴(kuò)散所