活性炭固定床热床层吸附甲苯规律研究

活性炭固定床热床层吸附甲苯规律研究
李婕*1 贾斌2

摘要 以木质活性炭和甲苯为对象，研究了甲苯入口浓度、表观气速对活性炭固定床热床层吸附性能的影响，对比了在相同吸附条件下，冷、热床层吸附容量、传质区移动速率的变化。研究结果表明：甲苯入口浓度和表观气速对热床层穿透曲线的影响与冷床层相同，即随着表观气速和甲苯入口浓度的增加，穿透曲线变陡峭，穿透时间和饱和时间前移，活性炭饱和吸附容量的损失逐渐增大；当表观气速、甲苯入口浓度相同时，热床层的传质区移动速率高于冷床层，甲苯入口浓度对热床层传质区移动速率的影响比冷床层更加显著，但是表观气速对传质区移动速率的影响变弱。
关键词 活性炭固定床 热床层 吸附 甲苯
中图分类号 [1]X701
Research on toluene adsorption behavior of activated carbon hot-fixed bed
Li Jie*1 Jia Bin2
（1.Shanxi Academy For Environmental Planning, Taiyuan,030002;
2.Taiyuan Environmental Monitoring Centre,Taiyuan,030002;
3.College of Environmental Science and Engineering,Taiyuan,030024）
Abstract With wooden activated carbon and toluene as object, this paper studied the influence of toluene inlet concentration and superficial gas velocity on activated carbon hot-fixed bed’s adsorption properties. Also compared the differences of adsorption capacity and mass transfer rate between cold-bed and hot bed under the same adsorption condition. The results were: the influnce of toluene inlet concentration and superficial gas velocity on hot-bed’s penetration curve were the same as the cold’s. With the increasing of superficial gas velocity and toluene inlet concentration, the breakthrough curves became steeper, the penetration time and saturation time advanced, and the loss of activated carbon’s saturated adsorption capacity gradually increased. When the superficial gas velocity and toluene inlet concentration were the same, hot-bed’s mass transfer zone moved faster than cold-bed’s.The influnce of inlet concentration on hot-bed’s mass transfer zone moving rate was more significant than the cold-bed’s, but the impact of superficial gas velocity on mass transfer zone moving rate became weaker.
Key words Activated carbon fixed bed; hot-bed; adsorption; toluene
随着我国建设可持续发展社会和清洁生产目标的提出，VOCs的回收再利用也被提上议事日程。开发经济高效的VOCs回收工艺，已成为环保领域的又一研究热点。回收VOCs不仅对于减轻环境污染，保护人类健康具有重大意义，而且能够产生巨大的经济效益。在众多回收工艺中，活性炭固定床由于吸附效率高，吸附塔设备简单，制造容易，价格低廉，吸附和解吸交替进行、间歇操作，工艺相对成熟，目前在VOCs的分离回收中使用最为广泛[1]。
不少学者都开展了活性炭固定床吸附回收VOCs的研究[2~10]，但是多集中于常温固定床的吸附特性研究，对于活性炭固定床热床层的吸附特性研究较少。活性炭固定床吸附饱和后，若采用热空气吹扫脱附法再生活性炭，床层温度较高，需要等床层温度下降后才能进行吸附，操作周期长。如果在脱附后直接让活性炭固定床吸附待净化气体，在吸附放热量低于待净化气体散热量的情况下，则可以达到利用待净化气体冷却床层的目的，从而大大缩短了操作周期。
本文以甲苯为代表，通过测定脱附后热床层在不同工况下直接吸附甲苯的穿透曲线，研究了热床层直接吸附甲苯的特性。
1.材料与方法
1.1实验装置
吸附柱分为两段，内径为5cm，每段都填有高度为10cm左右的木质活性炭,实验装置见图1。

图1 活性炭固定床吸附装置

Fig.1 Activated carbon fixed bed adsorption installation

1.2实验材料
实验材料主要为木质活性炭和甲苯。木质活性炭的粒度为4*8mm，表观密度0.35 g/ml ~0.4g/ml，堆积密度313.86 kg/m3，强度95%~98%，碘值850 mg/g ~1100 mg/g，灰分5%~8%，着火点400℃~450℃，水份<5%，成灰率5.38%；甲苯的纯度为A.R级（国药集团化学市集有限公司），分子量92.14g/mol，相对密度867 kg/m3，非极性，沸点110.6℃，熔点-95℃。
1.3研究方法
活性炭固定床脱附后，不进行冷却，打开阀门2、3、4、12、13、17，关闭阀门14、15、16、18，使吸附柱10进入工作状态，调整甲苯入口浓度为1000mg/m3~8000mg/m3、表观气速为0.47m/s~0.80m/s，每隔3min采集出口和入口气样，用气相色谱测定甲苯浓度，并以时间和甲苯出口浓度为坐标做出穿透曲线进行分析，当出口浓度与入口浓度一致时停止吸附。
2. 结果与讨论
2.1 甲苯入口浓度对固定床穿透曲线的影响
控制表观气速为0.64m/s和0.80m/s，在各表观气速下调整入口甲苯浓度，使入口甲苯浓度分别维持在1500mg/m3、2500mg/m3、4000mg/m3左右，测定20cm段床层的甲苯穿透曲线，结果如下图所示：


图2 甲苯入口浓度对穿透曲线的影响

Fig.2 The influnce of toluene inlet concentration on breakthrough curve

由图2可以看出：热床层的甲苯穿透曲线呈现出与冷床层穿透曲线相同的特性，即当表观气速相同时，甲苯入口浓度越大，活性炭层越容易被穿透，且吸附传质区中心点斜率越大。
2.2 表观气速对热床层穿透曲线的影响
实验测定了甲苯入口浓度为4000 mg/m3、2500 mg/m3、1500mg/m3时，不同表观气速的穿透曲线，发现各浓度下表观气速对穿透曲线的影响规律相同，下面以甲苯入口浓度4000 mg/m3为例，说明表观气速对吸附穿透曲线的影响：


图3 甲苯表观气速对穿透曲线的影响

Fig.3 The influnce of toluene superficial gas velocity on breakthrough curve

可以看出：在甲苯入口浓度接近的情况下，气体表观气速增大，热床层的穿透曲线变陡峭，吸附传质区中心点的斜率增大，穿透时间和饱和时间前移，与冷床层的吸附特性一致。
2.3冷热床层吸附甲苯穿透曲线的比较
以10cm和20cm段床层为研究对象，比较表观气速相同、甲苯入口浓度相近的情况下热床层与冷床层吸附甲苯的穿透曲线，如下图所示：




图4 各浓度下不同表观气速的冷、热床层穿透曲线

Fig. 4 The breakthrough curve of cold and hot bed under different concentration and superficial gas velocity

由上图可知：当入口甲苯浓度接近时，表观气速越高，穿透和饱和时间相差越大；当表观气速相同时，甲苯入口浓度越低，穿透和饱和时间相差越大。
不同表观气速和甲苯入口浓度，热床层与冷床层甲苯的饱和吸附容量如下表所示：
表1 热床层与冷床层甲苯的饱和吸附容量比较

Table 1 The toluene saturated adsorption capacity of hot-bed and the coled-bed

表观气速m/s

未冷

冷却

吸附容量损失%

浓度mg/m3

吸附容量g/g

浓度mg/m3

吸附容量g/g

0.47

3879

0.2080

3876

0.2047

0



0.64

4266

0.2024

3722

0.2091

0

2486

0.1893

2502

0.1990

5.0

1460

0.1276

1374

0.1382

7.6



0.80

3975

0.2054

3916

0.2133

0

2507

0.1816

2450

0.2155

15.7

1584

0.1212

1374

0.1595

24.0

可以看出：随着表观气速的增加和入口甲苯浓度的降低，吸附容量的损失量逐渐增大。因此，在甲苯入口较高的情况下，可以考虑直接使用热床层进行吸附，但在实际应用中还应考虑床层比热，床层长度和散热条件等因素。
2.5 冷热床层吸附传质区移动速率的变化
冷床层与热床层吸附时，甲苯入口浓度对传质区移动速率的影响见下图：


图5 甲苯入口浓度对传质区移动速率的影响

Fig.5 The influnce of toluene inlet concentration on the moving rate of mass transfer zone

注：图中实心为热床层，空心为冷床层

可以看出：当表观气速、甲苯入口浓度相同时，热床层的传质区移动速率高于冷却后的，说明温度升高，传质区移动速率加快，与李芳等的研究结果一致[11]。
热床层直接吸附时，甲苯入口浓度对传质区移动速率的影响比冷却后的更加显著，表现为热床层传质区移动速率对甲苯入口浓度回归直线的斜率大，当表观气速为0.80m/s时，热床层传质区移动速率对甲苯入口浓度回归直线的斜率是冷却后的1.61倍，当表观气速为0.64m/s时，热床层传质区移动速率对甲苯入口浓度回归直线的斜率是冷却后的2.74倍。


图6 表观气速对传质区移动速率的影响

Fig.6 The influnce of superficial gas velocity on the moving rate of mass transfer zone

注：图中实心为热床层；空心为冷床层

可以看出：各入口甲苯浓度下热床层的传质区移动速率高于冷却后的，但是在热床层中，表观气速对传质区移动速率的影响比冷床层弱。
3.结论
（1）采用热床层吸附甲苯时，甲苯入口浓度和表观气速对穿透曲线的影响与冷床层相同。
（2）随着甲苯入口浓度的降低，各表观气速下冷热床层吸附甲苯的穿透曲线差距逐渐增大，且表观气速越高，穿透时间、饱和时间越提前。
（3）随着表观气速的增加和入口甲苯浓度的降低，活性炭饱和吸附容量的损失量逐渐增大。在甲苯入口浓度较高的情况下，可以考虑直接使用热床层进行吸附。
（4）当表观气速、甲苯入口浓度相同时，热床层的传质区移动速率高于冷床层，甲苯入口浓度对热床层传质区移动速率的影响比冷床层更加显著，但是表观气速对传质区移动速率的影响变弱。
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