對于一定的生產(chǎn)任務(wù)，吸附質(zhì)的性質(zhì)與濃度是已經(jīng)確定了的，也就是說不容選擇。需要選擇的因素主要是吸附劑的選擇、吸附裝置及吸附流程的選擇。為了達(dá)到任務(wù)規(guī)定的凈化要求，凈化效率的確定也必須在設(shè)計時解決。

    一、吸附劑的選擇

    吸附劑的性質(zhì)，直接影響吸附效率，因此，在吸附設(shè)計中必須根據(jù)任務(wù)的規(guī)定選擇合適的吸附劑。

    吸附劑選擇總的原則是根據(jù)前面所述的工業(yè)上對常用吸附劑的要求，再結(jié)合具體的生產(chǎn)任務(wù)進(jìn)行選擇。在吸附設(shè)計中，吸附劑的選擇一般需要經(jīng)過下列步驟。

    1．初選

    根據(jù)吸附質(zhì)的性質(zhì)、濃度和凈化要求以及吸附劑的來源等因素，初步選出幾種吸附劑。

    (1)根據(jù)吸附質(zhì)的性質(zhì)選擇  吸附質(zhì)的性質(zhì)包括極性和分子的大小。若為非極性的大分子物質(zhì)，首選的應(yīng)是活性炭。因為活性炭屬于非極性吸附劑，且內(nèi)部具有范圍較廣的大小孔徑，可以吸附直徑變化范圍很寬的非極性吸附質(zhì)，如大多數(shù)有機蒸氣。若吸附質(zhì)為極性小分子物質(zhì)，則應(yīng)考慮極性吸附劑，如硅膠、分子篩、活性氧化鋁等。

    (2)根據(jù)氣體的濃度和凈化要求選擇  對于濃度高但要求凈化效率不高的場合，就應(yīng)盡可能地采用廉價的吸附劑，以降低生產(chǎn)成本。對于濃度較低但凈化要求高的場合，就應(yīng)該考慮用吸附能力比較強的吸附劑。對于氣體濃度高、且凈化效率要求也高的場合，應(yīng)考慮先采用廉價吸附劑處理，然后再采用吸附力強的吸附劑處理的二級吸附處理方法或應(yīng)用吸附劑浸漬的方法。

    (3)根據(jù)吸附劑的來源選擇  在綜合考慮以上諸因素的基礎(chǔ)上，盡量選擇一些價廉，易得，且近距離能解決的吸附劑。

    2．活性實驗

    利用小型裝置，對初選出的幾種吸附劑進(jìn)行活性實驗，實驗所用吸附質(zhì)氣體應(yīng)是任務(wù)規(guī)定的待凈化氣體。通過實驗，再篩選出其中幾種活性較好的吸附劑，做進(jìn)一步實驗。

    3．壽命實驗

    在中型裝置中，對幾種活性較好的吸附劑進(jìn)行壽命和脫附性能的實驗。實驗氣體仍必須是待處理的氣體，實驗條件應(yīng)是生產(chǎn)時的操作條件，所用的脫附方式也必須是生產(chǎn)中選定的。這樣經(jīng)過吸附—脫附—再生反復(fù)多次循環(huán)，確定每種吸附劑的使用壽命。

    4．全面評估

    對初選的幾種吸附劑，綜合活性、壽命等實驗，再結(jié)合價格、運費等指標(biāo)進(jìn)行全面評估，最后選出一種既較適用，價格又相對便宜的吸附劑。

    吸附劑的選擇是一項復(fù)雜煩瑣的工作，需要仔細(xì)認(rèn)真地進(jìn)行。

    二、吸附裝置的選擇

    吸附裝置是吸附系統(tǒng)的核心，工業(yè)上所使用的吸附裝置共三大類，即固定床、移動床和流化床。其中以固定床應(yīng)用最為廣泛。但不論是哪一類吸附裝置，在進(jìn)行氣體凈化設(shè)計時，必須考慮基本要求。

    1．吸附裝置設(shè)計的基本要求

    (1)吸附裝置出口排氣必須達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)  這是對吸附裝置的最起碼要求。按照目前的規(guī)定，各類氣態(tài)污染物的排放濃度必須達(dá)到國家環(huán)保局頒布的《大氣污染物綜合排放標(biāo)準(zhǔn)(GBl6297—1996)》的規(guī)定，如果地方政府還有更嚴(yán)格的規(guī)定，還必須執(zhí)行地方政府的規(guī)定。1996標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定對過去的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了修訂，提出了更嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)，今后隨著可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的實施，國家還會對標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行更嚴(yán)格的修訂，因此，在設(shè)計吸附裝置時應(yīng)隨時注意排放標(biāo)準(zhǔn)的要求。

    (2)設(shè)備選型要面向生產(chǎn)實際  設(shè)備選型要考慮實際生產(chǎn)中的規(guī)模、排氣量、排污方式(連續(xù)或間歇，均勻排放還是非均勻排放)、污染物的物化特性、回收還是進(jìn)一步處理等因素，正確選擇吸附裝置和吸附工藝系統(tǒng)，尤其對一些特殊污染物或特殊要求的場合。選擇工藝系統(tǒng)時還應(yīng)考慮生產(chǎn)的發(fā)展，留有適當(dāng)?shù)挠嗟亍?/span>

    (3)盡可能采用先進(jìn)技術(shù)  通過改進(jìn)設(shè)備結(jié)構(gòu)，使吸附裝置能保持在最佳狀態(tài)下運行，使所設(shè)計的吸附系統(tǒng)處理能力大、效率高、收益大。

    (4)認(rèn)真考慮經(jīng)濟(jì)因素  所設(shè)計的吸附裝置和系統(tǒng)盡可能

地簡化，易于安裝、維修，使用壽命長，同時要使系統(tǒng)操作簡

便，易于管理，以節(jié)省投資及運行費用。

    2．吸附裝置的類型

    (1)固定床吸附系統(tǒng)  固定床，顧名思義，它是將吸附劑固定在某一部位上，在其靜止不動的情況下進(jìn)行吸附操作的。它多為圓柱形設(shè)備，在內(nèi)部支撐的格板或孔板上放置吸附劑，使處理的氣體通過它，吸附質(zhì)被吸附在吸附劑上。

    固定床的應(yīng)用較多見。如果只需短期處理氣流，那么通常只需一個吸附裝置，當(dāng)然這要以吸附周期之間有足夠的時間間隔，以便進(jìn)行吸附劑的再生。然而，由于通常要求待處理氣體連續(xù)流動，因此必須采用能按這種方式操作的一個或多個裝置。用來從氣流中除去污染物最普通的吸附系統(tǒng)形式，是由許多固定床裝置組成的，這些裝置以一定的順序進(jìn)行吸附操作和再生操作，以使氣流保持連續(xù)。如果間歇操作和分批操作切實可行，則簡單的單床層吸附就足夠了，這時吸附階段和再生階段可交替進(jìn)行。然而，由于大多數(shù)工業(yè)應(yīng)用要求連續(xù)操作，因此經(jīng)常采用雙吸附床或三吸附床系統(tǒng)，其中一個或兩個吸附床分別進(jìn)行再生，其余的進(jìn)行吸附。典型的雙吸附床和三吸附床系統(tǒng)如圖15—3和圖15—4所示。

圖15—3  雙吸附床吸附系統(tǒng)

圖15－4  三吸附床吸附系統(tǒng)

    固定床吸附器也存在一些缺點。

    ①間歇操作  為使氣流連續(xù)，操作必然不斷地周期性切換，為此必須配置較多的進(jìn)出口閥門，操作十分麻煩。即使實現(xiàn)了自動化操作，控制程序也比較復(fù)雜。

    ②需設(shè)有備用設(shè)備  即當(dāng)一部分吸附器進(jìn)行吸附時，要有一部分吸附床進(jìn)行再生；這些吸附床中的吸附劑即處于非生產(chǎn)狀態(tài)。即使處于生產(chǎn)中的設(shè)備里，為了保證吸附區(qū)的高度有一定的富余，也需要放置多個實際需要的吸附劑，因而總吸附劑用量增多。

    ③吸附劑層導(dǎo)熱性差  吸附時產(chǎn)生的吸附熱不易導(dǎo)出，操作時容易出現(xiàn)局部床層過熱。另外，再生時加熱升溫和冷卻降溫都很不容易，因而延長了再生的時間。

    ④熱量利用率低  對于采用厚床層，壓力損失也較大，因此，能耗增加。

    (2)固定床吸附器  固定床吸附系統(tǒng)的核心裝置是固定床吸附器。目前使用的固定床吸附器有立式、臥式、環(huán)式三種類型。

    ①立式固定床吸附器  立式固定床吸附器如圖15—5所示。分上流和下流式兩種。吸附劑裝填高度以保證凈化效率和一定的阻力降為原則，一般取0．5～2．0m。床層直徑以滿足氣體流量和保證氣流分布均勻為原則。處理腐蝕性氣體時應(yīng)注意采取防腐蝕措施，一般是加裝內(nèi)襯。立式固定床吸附器適合于小氣量濃度高的情況。

圖15－5  立式固定床吸附器

1－礫石；2－卸料孔；3，6－網(wǎng)；4－裝料孔；5－廢氣及空氣入口；7－脫附氣排出；8－安全閥接管；

9－頂蓋；10－重物；11－剛性環(huán)；12－外殼；13－吸附劑；14－支撐環(huán)；15－柵板；16－凈氣出口；

17－粱；18－視鏡；19－冷凝排放及供水；20－擴散器；21－吸附器底；22－梁支架；23－擴散器水蒸氣接管

    ②臥式固定床吸附器  臥式固定床吸附器適合處理氣量大、濃度低的氣體，其結(jié)構(gòu)如圖15—6所示。

圖15－6  臥式固定床吸附器

1－殼體；2－供水；3－人孔；4－安全閥接管；5－擋板；6－蒸汽進(jìn)口；7－凈化氣體出口；8－裝料口；

9－吸附劑；10－卸料口；11－礫石層；12－支腳：13－填料底座；14－支架；15－蒸汽及熱空氣出入口

    臥式固定床吸附器為一水平擺放的圓柱形裝置，吸附劑裝填高度為0．5～1．0m，待凈化廢氣由吸附層上部或下部入床。臥式固定床吸附器的優(yōu)點是處理氣量大、壓降小，缺點是由于床層截面積大，容易造成氣流分布不均。因此在設(shè)計時特別注意氣流均布的問題。

    ③環(huán)式固定床吸附器  環(huán)式固定床吸附器又稱徑向固定床吸附器，其結(jié)構(gòu)比立式和臥式吸附器復(fù)雜，如圖15—7所示。吸附劑填充在兩個同心多孔圓筒之間，吸附氣體由外殼進(jìn)入，沿徑向通過吸附層，匯集到中心筒后排出。

圖15－7  環(huán)式吸附器

1－支腳；2－廢氣及冷熱空氣入口；3－吸附劑筒底支座；4－殼體；

5，6－多孔外筒和內(nèi)筒；7－頂蓋；8－視孔；9－裝料口；10－補償料斗；

11－安全閥接管；12－吸附劑；13－吸附劑筒底座；14－卸料口；

15－器底；16－凈化器出口及脫附水蒸氣入口；17－脫附時排氣口

    環(huán)式固定床吸附器結(jié)構(gòu)緊湊，吸附截面積大、阻力小，處理能力大，在氣態(tài)污染物的凈化上具有獨特的優(yōu)勢。目前使用的環(huán)式吸附器多使用纖維活性炭作吸附材料，用以凈化有機蒸氣。實際應(yīng)用上多采用數(shù)個環(huán)式吸附芯組合在一起的結(jié)構(gòu)設(shè)計，自動化操作。

    (3)移動床吸附器  移動床吸附器的優(yōu)點在于其結(jié)構(gòu)可以使氣、固相連續(xù)穩(wěn)定地輸入和輸出，還可以使氣、固兩相接觸良好，不致發(fā)生溝流和局部不均勻現(xiàn)象。由于氣、固兩相均處于移動狀態(tài)，所以克服了固定床局部過熱的缺點。其操作是連續(xù)的，用同樣數(shù)量的吸附劑可以處理比固定床多得多的氣體，因此對處理量比較大的氣體的操作，選用移動床較好。但是，移動床有它的固有缺點。主要是由于吸附劑處在移動狀態(tài)下，磨損消耗大，且結(jié)構(gòu)復(fù)雜，設(shè)備龐大。設(shè)備投資和運行費用均較高。

    工業(yè)上應(yīng)用的典型移動床吸附器是超吸附塔(見圖15—8)，設(shè)備高近30m，由塔體和流態(tài)化粒子提升裝置兩部分組成。吸附劑采用硬質(zhì)活性炭?；钚蕴拷?jīng)脫附、再生及冷卻后繼續(xù)下降用于吸附。在吸附塔內(nèi)，吸附與脫附是順序進(jìn)行的。在吸附段，待處理的氣體由吸附段的下部(即塔體中上部)進(jìn)入，與從塔頂下來的活性炭逆流接觸并把吸附質(zhì)吸附下來，處理過的氣體經(jīng)吸附段頂部排出。吸附了吸附質(zhì)的活性炭繼續(xù)下降，經(jīng)過增濃段到達(dá)汽提段。在汽提段的下部通入熱蒸汽，使活性炭上的吸附質(zhì)進(jìn)行脫附，經(jīng)脫附后，含吸附質(zhì)的氣流一部分由汽提段頂部作為回收產(chǎn)品(底部產(chǎn)品)回收，有一部分繼續(xù)上升，到達(dá)增濃段。在增濃段蒸汽中所含的吸附質(zhì)被由吸附段下來的活性炭進(jìn)一步吸附，等于使這部分活性炭的“濃度”又增加了?；钚蕴拷?jīng)過汽提，大部分吸附質(zhì)都被脫附，為了使之更徹底地脫附再生，在汽提段下面又加設(shè)了一個提取器，使活性炭的溫度進(jìn)一步提高，一是為了干燥目的，二是為了使活性炭更好地再生。經(jīng)過再生的活性炭到達(dá)塔底，由提升器將其返回塔頂，于是完成了一個循環(huán)過程。在實際操作中，過程連續(xù)不斷地進(jìn)行，氣體和固體的流速得到很好的控制。

圖15－8  超吸附塔結(jié)構(gòu)

    近年來在移動床中有使用極性吸附劑如分子篩作吸附劑的，用于凈化極性氣體如H2S等，結(jié)果也相當(dāng)滿意。

    (4)流化床吸附器  用于氣態(tài)污染物治理的流化床吸附工藝是20世紀(jì)60年代發(fā)展起來的，是固體流態(tài)化技術(shù)在氣態(tài)污染物凈化方面的具體應(yīng)用。流化床是由氣體和固體吸附劑組成的兩相流裝置。之所以稱為流化床，是因為固體吸附劑在與氣體的接觸中，由于氣體速度較大使固體顆粒處于流化狀態(tài)。由于流化床的運動形式，使它具有許多獨特的優(yōu)點。

    ①由于流體與固體的強烈擾動，大大強化了氣固傳質(zhì)；

    ②由于采用小顆粒吸附劑，使單位體積中吸附劑表面積增大；

    ③固體的流態(tài)化，優(yōu)化了氣固的接觸，提高了界面的傳質(zhì)速率，從而強化了設(shè)備的生產(chǎn)能力，由于流化床采用了比固定床大得多的氣速，因而可以大大減少設(shè)備投資；

    ④由于氣體和固體同處于流化狀態(tài)，不僅可使床層溫度分布均勻，而且可以實現(xiàn)大規(guī)模的連續(xù)生產(chǎn)。

    當(dāng)吸附劑需要再生時，可采用如圖15—9所示的流化床吸附器。該吸附器由吸附塔、旋風(fēng)分離器、吸附提升管、通風(fēng)機、冷凝冷卻器、吸附質(zhì)儲槽等部分組成。吸附塔按各段所起作用的不同分為吸附段、預(yù)熱段和再生段。

圖15－9  帶再生的多層流化床吸附裝置

1－脫附器；2－吸附器；3－分配板；4－料斗；5－空氣提升機構(gòu)；6－冷卻器

    需凈化的氣體由吸附塔的中部送入，與篩板上的吸附劑顆粒接觸進(jìn)行傳質(zhì)。氣流穿過篩孔的速度應(yīng)略大于吸附劑顆粒的懸浮速度，使吸附劑顆粒在篩板上處于懸浮狀態(tài)。這樣既使傳質(zhì)更加充分，又使吸附劑能逐漸自溢流管流下。相鄰兩塔板上的溢流管相互錯開，以使吸附劑在各層板上均布。凈氣由塔頂進(jìn)入旋風(fēng)分離器，將氣流帶出的少量吸附劑顆粒分離下來，再回到吸附塔內(nèi)。運轉(zhuǎn)一定時期后，可將旋風(fēng)分離器收回的吸附劑粉末移

走，而補入新吸附劑。

    吸附劑由塔頂加入，沿塔向下流動，在各層塔板上形成吸附劑層，吸附劑層的工作高度由溢流堰高度決定。吸附了吸附質(zhì)的吸附劑從最下一層塔板降落到預(yù)熱段，經(jīng)間接加熱后進(jìn)入脫附再生段，脫附后的吸附質(zhì)進(jìn)入冷凝冷卻器進(jìn)行冷卻，其中的部分吸附質(zhì)被冷凝成液體，進(jìn)入儲槽。未凝氣體中還含有部分吸附質(zhì)，又回到吸附段。

    脫附再生后的吸附劑自塔下部進(jìn)入吸附劑提升管，再送入吸附塔上部重新使用。

    在流化床吸附塔中，塔板稱為氣流分布板，是流化床裝置的最重要部件，它對于流化質(zhì)量的影響極為重要。設(shè)計好的分布板使氣流分布均勻，吸附劑顆粒產(chǎn)生平穩(wěn)的流化狀態(tài)。同時還可防止正常操作時物料的下漏、磨損和小孔堵塞。多層流化床吸附器采用多塊氣體分布板，以抑制床內(nèi)氣體與固體顆粒的返混，改善停留時間分布，提高吸附效率。常用的幾種氣流分布板的結(jié)構(gòu)形式如圖15—10所示。

圖15—10  幾種氣流分布板的結(jié)構(gòu)

    流化床吸附器由于氣流速度大，與移動床相比，具有更大的處理能力，但能耗更高，對吸附劑的機械強度要求也更高。

    三、吸附器凈化效率的計算與選擇

    從理論上講，要求吸附器的凈化效率愈高愈好。然而，要想達(dá)到理想的凈化效率，千方面需要龐大的吸附設(shè)備和很長的氣、固接觸時間，另一方面需要采用高強吸附能力的吸附劑。這將使設(shè)備投資和運行費用大大增加。這在實際上往往是不可行的，而且對于大部分場合也并不是完全必要的。

    吸附器凈化效率是由吸附器的入口氣體濃度，即污染氣體的濃度和吸附器的穿透濃度決定的，設(shè)污染氣體濃度為y₀，污染物穿透吸附床時的濃度為y_B，吸附器的吸附效率η可由下式計算：

    對于一定的處理任務(wù)，y₀是已經(jīng)確定了的，而凈化效率的高低就取決于y_B的選擇。對于一定的吸附器，y_B愈低，凈化效率會愈高，但是吸附劑的利用率就會降低。為了充分利用吸附劑，盡可能地延長吸附床的吸附時間，往往希望確定出較高的y_B。但y_B的選定是受環(huán)境保護(hù)法規(guī)規(guī)定的該污染物排放濃度限制的。因此，在實際吸附器設(shè)計時，一般是在滿足環(huán)保法規(guī)的前提下，盡可能地提高y_B值，以達(dá)到充分利用吸附劑的目的，從而降低處理成本。