第三章第五节移动床吸附过程的计算

在移动床吸附器的吸附操作中，吸附剂固体和气体混合物均以恒定速度连续流动，它们在床层任一截面上的浓度都在不断地变化，和气液在吸收塔内的吸收相类似。移动床吸附过程的计算主要是吸附器直径、吸附段高度和吸附剂用量的计算。我们可以仿照吸收塔的计算来处理问题，同时由于我们所进行的是低浓度气态污染物的吸附处理，可以按照等温过程对待。为了简化计算，只讨论一个组分的吸附过程。

一、移动床吸附器直径的计算

移动床吸附器主体一般为园柱形设备，和吸收塔计算塔径的公式相同：

4V D   u (3-53) 式中 D——设备直径，m；

V——混合气体流量，m3/h； u——空塔气速，m/s。

与吸收计算一样，在吸附设计中，一般来说混合气体流量是已知的，计算塔径的关键是确定空塔气速u。一般移动床中的空塔气速都低于临界流化气速。球形颗粒的移动吸附床临界流化气速可由下式求得：

RemfV umf d p  v (3-54) 式中 umf——临界流化气速，m/s； μV——气体粘度，Pa·s； ρV——气体密度，kg/m3；

dp——固体颗粒平均直径，m；

Remf——临界流化速度时的雷诺准数，由下式求得：

AT Remf0.514005.22AT

式中 AT——阿基米德准数，由下式求取：

d3 pvgAT(sv)2 v

式中 ρs——吸附剂颗粒密度，kg/m3。

若吸附剂是由不同大小的颗粒组成，则其平均直径应按下式计算： 1dpn x

i dpii1式中 xi——颗粒各筛分的质量分率，%； dpi——颗粒各筛分的平均直径，m；

 d pid1d2 d1、d2——上下筛目尺寸，m。

计算出临界流化气速后，再乘以0.6～0.8，即为空塔气速u，再代入（3-35）式，求出塔径D。

二、移动床吸附器吸附剂用量的计算 （一）物料衡算与操作线方程

与吸收操作相类似，只是以固体吸附剂代替液体吸收剂。仿照处理气液吸收塔内的情况，也是取塔的任一截面分别对塔顶和塔底作物料衡算，见图3-17a。可得操作线方程：

LSLSy y1 G x  (  G x1 ) (3-58)

SS

LL 或 y  S x  ( y 2  S x 2 ) (3-59)

GSGS

式中 Gs——通过吸附剂床层的惰性气体量，kg/(m2·s); Ls——通过吸附剂床层纯吸附剂流量，kg/(m2·s); y1、y2——进、出口气体中污染物浓度； x1、x2——出、进口吸附剂中污染物浓度。 (3-58)、(3-59)式即为吸附操作线方程。

在稳定操作条件下，Gs、LS是定值，而二个操作线方程是表示的通过D点（x2、y2）和E点（x1、y1）的直线，如图3-17（b），DE线称为移动床吸附器逆流连续吸附的操作线。操作线上的任何一点，都代表着吸附床内任一截面上的气固中污染物的状况。

（二）吸附剂用量的计算

与吸收操作一样，操作线DE的斜率Ls/Gs称作“固气比”，它反映了处理单位气体量所需要的吸附剂的量。对于一定的吸附任务，Gs都是一定的，这时希望用最少的吸附剂来完成吸附任务。若吸附剂量Ls减小，则操作线的斜率Ls/Gs就会变小，当达到E点与平衡线上E*点重合，则Ls/Gs达到最小，称最小固气比（Ls/Gs）min，最小固气比可用图解法求出。若吸附平衡线符合图3-17（b）的情况，则需找到进气端（浓端）气体中污染物浓度y1与平衡线的交点E*，从E*点读出对应的x*1的值，然后计算出最小固气比：

Lyy2 (S)min1 G 1  x 2 (3-60) S x得出最小吸附剂用量：

y1y2LG S min s  (3-61)

x1x2

根据实际经验，操作条件下的固气比应为最小固气比的1.1～2.0倍，因此，实际操作条件下的吸附剂用量应是：

LS=（1.1～2.0）Lsmin (3-62)

三、移动床吸附器吸附层高度的计算

在吸附器截面上取一微分高度dz作物料衡算，得到：

LSdx=GSdy (3-63) 又根据吸附率方程式：

GSdy=Kyap(y-y*)dz (3-) 上式整理后积分得传质单元数NOG：

ZNdz OG  G H (3-65)

y2yy0SOG

得吸附床层有效高度Z为：

Z=NOG·HOG (3-66)

HOG称传质单元高度。

传质单元数可仿照吸收或固定吸附过程的处理方法，采用图解积分的方法求出。但要正确求出传质单元高度就显得困难一些。主要原因是还没有找出正确的方法准确地求出移动床的传质总系数Kyap，目前移动床的传质总系数都是采用固定吸附床的数据进行估算的。但是由于在移动床中固体颗粒处于运动状态。因此其传质阻力与固定床有差别，这样处理只是一种近似估算。

[例3-4] 以分子筛吸附剂，在移动床吸附器中净化含SO2为3%（质量分数）的废气，废气流速为6500kg/h，操作条件为293K、1.013×105Pa，等温吸附。要求气体净化效率为95%。又根据固定床吸附器操作时得到气、固传质分系数分别为：

kyap=1260Gs0.55 (kgSO2／h·m2·△y) kxap=3458 (kgSO2／h·m2·△x) 试计算∶⑴ 吸附剂用量；

⑵ 操作条件下，吸附剂中SO2的含量； ⑶ 移动吸附床的有效高度。 解∶⑴ 吸附剂用量∶

吸附器进、出口气体组成为∶

65000.03 y10.03[kg/kg,SO2/空气]650065000.03

65000.03005 y21.55103([kg/kg,SO2/空气)6500(10.03)

由实验得到用分子筛从空气中吸附SO2的平衡曲线图〔例3-4附图（a）〕，

*

由图中可查出与气相组成y1呈平衡的x1=0.1147，假定吸附器进口的固相组成x2=0，则根据﹙3-60）式得：

L0.030.00155 (s)min0.248G0.11470S

y1dyKyapz操作条件下的固气比取最小固气比的1.5倍，则 L(s)1.50.2480.372 GS吸附剂的实用量为：

LS=0.372x6500=2418﹙kg/h﹚

⑵ 操作条件下,吸附剂中SO2的含量x1 GS(y1y2)x1 LS

6500(0.030.0015)

2418

0.0766(kg/kg,SO2/分子筛

⑶ 移动吸附床有效高度的计算

a. 传质单元数计算 y根据 N OG  dy  用图解积分法求取传质单元数。利用例3-4附图(a),

yyy在у1=0.03

到y2=0.0015范围内划分一系列的у值，对每一个y值，在操作线上查出相应

1的x值，再查出与每一个x值相对应的y*值，计算出  的值。结果如

yy下：

y 0.0015 0.005 0.010 0.015 0.020 0.025 0.030

y* 0.00 0.00 0.0001 0.0005 0.0018 0.0043 0.0078 15 200 101 69 55 48.3 45

yy 1以 y  为纵坐标，y为横坐标，作曲线[如例3-4附图(b)]。在坐标y1=0.03 y和У2=0.0015

区间曲线下的面积即为传质单元数： y1dy NOG3.128y2yy

b. 传质单元高度计算

根据传质总系数与传质分系数的关系有：

11m Kyapkyapkxap

实验测知，该体系中，m=0.022，将m及kyap、kxap代入上式，经计算得：

12 Kyap=794 则传质单元高度为：

GS6500 HOG0.082(m)Ka794yp

c. 吸附床有效高度计算：

Z=HOG×NOG=0.082×3.128=0.256（m）