等溫吸附甲苯和丙酮廢氣的空氣凈化數值模擬

摘要：常溫常壓下，以活性炭為吸附劑吸附凈化甲苯和丙酮的廢氣，并采用LDF的等溫數學模型，應用有限差分方法借助計算軟件ATHENA VISUAL STUDIO對模型進行了數值解，其數值計算結果與實驗吻合較好。利用該模型考察發現較低的環境和進氣溫度、較小的堆積空隙率、0.15m/s的進氣流速和0.9m的吸附床高度等工藝參數條件有利于獲得較高的廢氣凈化率。

關鍵詞：活性炭；甲苯；丙酮；吸附；數值模擬

目前，電廠燃煤鍋爐對環境造成了嚴重的污染，吸附凈化電廠煙氣也成了環境保護中的熱點問題。其中應用和研究有活性炭吸附脫除鍋爐排放氣中的SO2和NOX等[1]，吸附法凈化電廠中的多環芳烴類有機污染物[２]，電廠煙道氣中CO2的吸附回收[３]，吸附脫除燃煤鍋爐中重金屬汞蒸氣[４]等。由于吸附應用中的一些關鍵參數靠實驗來確定耗時又不經濟，所以建立數學模型與實驗結合來分析關鍵參數是有必要的。在文中以活性炭為吸附劑，在常溫常壓下吸附凈化甲苯和丙酮的有機廢氣，建立數學模型進行等溫模擬，揭示吸附床高度、環境溫度、進氣溫度、進氣流速和堆積空隙率等工藝參數對廢氣凈化率的影響，為電廠吸附處理有機廢氣的過程的設計、預測和優化提

作者簡介：黎榮枝(1975-)，男，本科，暖通設計、空氣凈化的研究。

1、數學模型

建立等溫吸附過程的數學模型采用如下假設：氣體為理想氣體；氣相流動模型采用軸向擴散活塞流模型；氣體流速沿吸附床軸向無變化；氣體流速，壓力和組分濃度沿吸附床的徑向梯度忽略不計；考慮吸附熱并假設氣固相瞬時達到熱平衡[5]。

根據以上假設，將問題簡化為一維等溫模型，則該吸附凈化過程的控制方程如下：

(1)物料平衡方程

(1)

式中：DL為軸向擴散系數，m2/s；Ci為i組分吸附質的濃度，g/m3；u為進氣流速，m/s；ρp為 床內堆密度，kg/m3；ε為床層空隙率；qi為i組分的吸附量，g/100g；z為軸向距離，m；t為時間，s。

(2)能量守恒方程

(2)

式中：KL為軸向導熱系數，W/(m·K)；ρg為吸附質氣相密度，kg/m3 ；cpg為氣相定壓比熱，kJ/(kg·K)；cps為吸附劑的真實定壓比熱，kJ/(kg·K)；T為進氣溫度，K；Tw為吸附床壁溫度，K；ΔHi為i組分的吸附熱，kJ/kg ；hi為吸附床內部換熱系數，W/(m2·K)；rBi為吸附床內半徑，m。

(3)

式中：ρw為吸附床壁密度，kg/m3 ；Tatm為大氣環境溫度，K ；cpw 為吸附床壁的定壓比熱，kJ/(kg·K)；ho為吸附床外部換熱系數，W/(m2·K)； rBo為吸附床外半徑，m。

(4)

(3)傳質速率方程

(5)

式中：qi*為i組分平衡吸附量，g/100g ；ki為i組分傳質系數，s-1。

(4)吸附等溫線方程

(6)

等溫吸附模型的初始條件為：

，，

，

等溫吸附模型的邊界條件為：

，

，

2、模型的求解與驗證

采用有限差分法求解該模型，借助計算軟件Athena visual studio進行數值計算。該軟件為保證模擬具有一定的精確度，把吸附床分成50等份，大于50等分的數值模擬結果基本無偏差[6]。模型中的物性數據，吸附劑，床層特性參數及動力性參數取自文獻[7，8]。在進氣溫度T=298.15K，進氣流速u=0.20m/s，丙酮濃度C10=0.84g/m3 ，甲苯濃度C20=1.85g/m3條件下，實驗測得的丙酮和甲苯的穿透曲線與模型計算結果的比較。從比較可以得出，數值計算的溫度和濃度結果與實驗數據有較好的吻合。因此可以認為采用該模型計算固定床的等溫吸附過程是可行的。

3、工藝參數的模擬分析

本實驗利用活性炭吸附混合氣體中的有機組分甲苯和丙酮，對吸附過程與吸附性能進行研究。為分析工藝參數對吸附凈化效果的影響，定義了廢氣凈化率，其式如下：

(7)

式中：mo1，mo2分別是丙酮和甲苯的出口含量，g；mi1，mi2分別是丙酮和甲苯的進口含量，g。

利用軟件模擬的初始條件是：吸附床高度L=0.45m，進氣流速u=0.2m/s，丙酮濃度C10=0.84g/m3，甲苯濃度C20=1.85 g/m3，進氣溫度T=298.15K，環境溫度為Tw=298.15K，吸附壓力P=1atm。在這些條件下分析考察吸附床高度、環境溫度、進氣溫度、進氣流速和床層堆積空隙率等工藝參數對廢氣凈化率影響時，分別改變相應的參數來模擬分析其對廢氣凈化率的影響。

3.1吸附床高度對廢氣凈化率的影響

由廢氣凈化率與吸附床高度的關系可以看出，廢氣凈化率隨吸附床高度的增加而升高，且在吸附床高度大于0.9m時，凈化率上升的幅度減小，同時也與吸附床高度為1.2 m時的凈化率接近。如果吸附床高度不夠，則廢氣的凈化效果就不好。由此可以推知，當吸附床高度為0.9m時，廢氣的凈化率就能達到80%以上，因為此時廢氣中的甲苯和丙酮組分基本被吸附劑所吸附，所以再增加吸附床的高度就會顯得浪費活性炭。

3.2環境溫度對廢氣凈化率的影響

由廢氣凈化率與環境溫度的關系可以看出，廢氣凈化率隨環境溫度的增加而降低;在溫度越低時，凈化率越高。這是因為低的環境溫度通過熱交換可以使吸附溫度將低，而低溫時活性炭的吸附容量較大，單位時間每個單元吸附的吸附質也就比較多，所以具有較高的吸附凈化率。

3.3進氣溫度對廢氣凈化率的影響

由廢氣凈化率與進氣溫度的關系可以看出，進氣溫度對廢氣凈化率的影響較大。同樣與環境溫度的影響一樣，隨進氣溫度的升高而凈化率下降。同樣可以看出溫度為288.15K時吸附凈化率達到90%以上。因而要使凈化效果很好，進氣溫度宜控制在低溫。因為活性炭吸附甲苯和丙酮屬于物理吸附，隨溫度升高時，吸附性能降低，所以進氣溫度應選低溫。

3.4進氣流速對廢氣凈化率的影響

由廢氣凈化率與進氣流速的關系可知，廢氣凈化率隨流速的增加而降低，因為流速大時，吸附質分子與吸附劑表面接觸的時間較短，吸附質容易穿透吸附床，且被吸附的吸附質部分可能被主流帶出吸附床，使得單元吸附劑吸附的吸附質減少，因而降低廢氣凈化率。也可以看出流速為0.15m/s時的凈化率與0.05m/s時特別接近，考慮到廢氣處理速率和凈化率的因素，進氣流速認為取0.15m/s左右即可。

3.5堆積空隙率對廢氣凈化率的影響

由廢氣凈化率與活性炭堆積空隙率的關系可知，廢氣凈化率隨空隙率的增大而迅速下降。其原因可能是堆積密度較大時，空隙率較小，而從空隙穿透出去的吸附質量較少，單位時間單元吸附的吸附質相應就多，故廢氣凈化率較大。

4 結論

本文建立了多組分有機氣體吸附的等溫數學模型，采用Athena軟件對該模型進行了數值解，并通過實驗驗證，結果表明數值結果與實驗結果吻合較好；同時模擬分析了工藝參數對廢氣凈化效果的影響，發現在較低的環境和進氣溫度、較小的堆積空隙率、0.15m/s的進氣流速和0.9m的吸附床高度等工藝參數條件下，有利于獲得較高的廢氣凈化率，為電廠吸附凈化有機廢氣提供了理論依據。

參考文獻

[1] 印佳敏，林曉芬，范志林等.吸附法脫除燃煤鍋爐煙氣污染物綜述[ J ].潔凈煤燃燒與發電技術，2004，4：11-13.

[2] 劉惠永，張愛云.燃煤電廠飛灰吸附非多環芳烴類有機污染物的檢出及意義[ J ]. 環境工程，2004，18(2)：56-57.

[3] 李莉，袁文輝，韋朝海.二氧化碳的高溫吸附劑及其吸附過程[ J ].化工進展，2006，25(8)：918-922.

[4] 江貽滿，段鈺鋒，楊祥花等. ESP飛灰對燃煤鍋爐煙氣汞的吸附特性 [J].東南大學學報， 2007， 37(3)：436-440.

[5] Ruthven D M， Farooq S， Knaebel K S. Pressure Swing Adsorption [M]. USA， VCH Publishers，Inc，1993.

[6] 李立清，唐新村， Hans-Jürgen Rouml;hm.吸附柱出口溫度隨時間的變化規律及其數值模擬[J].離子交換與吸附， 2005， 21(1)： 17 – 26.

[7] 時鈞，汪家鼎，余國琮等.化學工程手冊-化工基礎數據[M].北京：化學工業出版社，1996.

[8] Jee J G， Lee C H. Air separation by a small-scale two-bed medical O2 pressure swing adsorption[J]. Ind Eng Chem Res，2001，40：3647-3658.