活性炭吸附热空气脱附回收甲苯工艺参数研究

摘要

随着我国工业的发展,挥发性有机物(VOCs)的用量逐年增加,受限于现有工艺水平,有相当一部分VOCs以废气形式排入大气,不仅污染环境,严重威胁人类的健康与安全,而且浪费资源。目前,活性炭吸附、水蒸气再生回收VOCs工艺已达工业应用水平,但是该法存在冷凝水二次污染和部分VOCs后续分离困难等问题。本文采用木质活性炭作为吸附剂,以甲苯为回收对象,对于活性炭吸附热气体循环再生冷凝回收工艺中所涉及的一些基本工艺参数进行了测定和研究。
　　 实验首先测定了木质和煤质活性炭的甲苯吸附等温线,结果显示木质活性炭对甲苯的吸附容量大。与温度相关的Langmuir方程能够与实验结果较好吻合。根据Calusius-C1apeyron方程计算出木质和煤质活性炭的平均吸附热分别为29.97kJ/mol、40.46kJ/mol。
　　 改变甲苯入口浓度、表观气速等因素考察活性炭固定床的吸附规律。结果表明:传质区移动速率与表观气速和甲苯入口浓度的关系可以表示为:Y=-0.003266*X1+3.215*X2,X1为表观气速,X2为甲苯入口浓度,但是甲苯入口浓度对传质区移动速率的影响远大于表观气速。传质区长度与甲苯入口浓度和表观气速的关系可以定量表示为:Y=1.50*1.0-4X1+6.63*X2+5.371,X1为甲苯入口浓度,X2为表观气速,但是表观气速对传质区长度的影响更明显。活性炭饱和吸附容量与甲苯入口浓度的关系可以表示为:Y=-3.948*10-5X。吸附柱温升与甲苯入口浓度、表观气速的关系可以表示为:Y=-2.55546*X1+0.000554*X2+6.1330,X1为表观气速,X2为甲苯入口浓度,甲苯入口浓度对柱温的影响远大于表观气速。
　　 本研究测定了不同热空气流量和温度条件下的木质活性炭脱附曲线,并计算出甲苯在木质活性炭上的脱附活化能为49.22kJ/mol。增大热空气流量或提高热空气温度,可以缩短脱附时间,提高脱附率。当脱附条件相同时,脱附时间与原始固相浓度基本无关。计算得知脱附温度在124℃和183℃脱附过程存在能耗谷值。
　　 脱附后热床层直接吸附甲苯的研究结果表明:热床层直接吸附时,床层厚度大的穿透曲线传质区中心点斜率大,等浓度、等表观气速时热床层的传质区移动速率高于冷床层,且甲苯入口浓度对传质区移动速率的影响变大,表观气速对传质区移动速率的影响减弱。活性炭的甲苯吸附容量损失率与表观气速、甲苯入口浓度的关系为:Y=-31.88*X1-0.005*X2,X1为表观气速,X2为甲苯入口浓度。在高甲苯入口浓度的情况下,可以直接采用热床层进行吸附操作。
　　 本研究最后探索了湿度对于活性炭固定床吸附甲苯性能的影响,结果表明:湿度增加,将导致活性炭床层甲苯吸附容量的减少,且水蒸气先于甲苯穿透活性炭床层。热床层的甲苯吸附容量与表观气速、水蒸气浓度、甲苯入口浓度的关系可以表示为Y=-0.0833*X1-0.00725*X2+1.123*X3,X1为表观气速,X2为水蒸气浓度,X3为甲苯入口浓度。

目录

文摘

英文文摘

第一章 引言

1.1 选题背景

1.2 挥发性有机物污染控制现状和发展趋势

1.2.1 清洁生产

1.2.2 末端治理

1.3 活性炭吸附回收挥发性有机物的工艺现状及研究热点

1.3.1 活性炭吸附VOCs工艺现状

1.3.2 活性炭吸附同收VOCs工艺研究热点

1.4 研究目的和意义

1.5 研究内容

第二章 吸附基础理论概述

2.1 吸附剂

2.2 吸附机理

2.2.1 吸附平衡等温线

2.2.2 吸附速率

2.3 固定床吸附装置

2.3.1 装置和操作

2.3.2 穿透曲线的计算方法

第三章 活性炭吸附性能研究

3.1 活性炭吸附容量的测定

3.1.1 实验装置与材料

3.1.2 结果与讨论

3.2 吸附等温线的数学模型拟合

3.2.1 吸附等温线数学模型

3.2.2 煤质活性炭与木质活性炭甲苯吸附等温线的拟合结果

3.3 吸附热的研究

3.3.1 等量吸附热的计算

3.3.2 平均吸附热的计算

3.4 活性炭重金属总量分析

3.4.1 活性炭重金属总量的测定步骤

3.4.2 测定结果

3.5 本章小节

第四章 活性炭固定床吸附过程研究

4.1 实验装置

4.2 实验材料

4.3 研究方法

4.4 结果与讨论

4.4.1 活性炭固定床穿透曲线

4.4.2 甲苯入口浓度对固定床穿透曲线的影响

4.4.3 表观气速对固定床穿透曲线的影响

4.4.4 甲苯传质区移动速率的计算及影响冈素

4.4.5 传质区长度的影响因素

4.4.6 饱和吸附容量的影响因素

4.4.7 固定床吸附过程中柱温的变化

4.3.8 吸附柱温升的影响因素

4.5 本章小节

第五章 活性炭固定床脱附过程研究

5.1 实验装置

5.2 实验材料与方法

5.3 结果与讨论

5.3.1 小装置脱附

5.3.2 大装置的固定床脱附曲线

5.3.3 热空气流量对柱温的影响

5.3.4 热空气流量对脱附曲线的影响

5.3.5 热空气温度对脱附曲线的影响

5.3.6 热空气温度的选择

5.3.7 活性炭原始固相浓度对脱附曲线的影响

5.3.8 脱附活化能的计算

5.4 本章小节

第六章 脱附后热床层直接吸附甲苯规律研究

6.1 实验装置

6.2 实验材料

6.3 研究方法

6.4 结果与讨论

6.4.1 热床层直接吸附甲苯的穿透曲线

6.4.2 甲苯入口浓度对固定床穿透曲线的影响

6.4.3 表观气速对热床层穿透曲线的影响

6.4.4 热床层与冷床层吸附穿透曲线的比较

6.4.5 热床层直接吸附对活性炭甲苯吸附容量的影响

6.4.6 热床层吸附过程的温度变化

6.4.7 热床层吸附传质区移动速率的变化

6.5 本章小节

第七章 湿度对活性炭吸附甲苯的影响研究

7.1 实验装置

7.2 实验材料

7.3 研究方法

7.3.1 甲苯浓度的测定

7.3.2 水蒸气体积分数的测定

7.4 结果与讨论

7.4.1 湿度对活性炭甲苯穿透曲线的影响

7.4.2 活性炭同定床吸附甲苯过程中出口甲苯浓度与湿度的变化

7.4.3 活性炭吸附甲苯能力的影响因素

7.4.4 木质活性炭对水蒸气的吸附

7.5 本章小节

第八章 结论与不足

8.1 结论

8.2 不足

致谢

参考文献

附录A 各章节图表索引

个人简历 在读期间发表的学术论文与研究成果