等温吸附甲苯和丙酮废气空气净化数值模拟.docVIP

等温吸附甲苯和丙酮废气空气净化数值模拟 　　摘要：常温常压下，以活性炭为吸附剂吸附净化甲苯和丙酮的废气，并采用LDF的等温数学模型，应用有限差分方法借助计算软件ATHENA VISUAL STUDIO对模型进行了数值解,其数值计算结果与实验吻合较好。利用该模型考察发现较低的环境和进气温度、较小的堆积空隙率、0.15m/s的进气流速和0.9m的吸附床高度等工艺参数条件有利于获得较高的废气净化率。 　　关键词：活性炭；甲苯；丙酮；吸附；数值模拟 　　 　　目前，电厂燃煤锅炉对环境造成了严重的污染，吸附净化电厂烟气也成了环境保护中的热点问题。其中应用和研究有活性炭吸附脱除锅炉排放气中的SO2和NOX等[1]，吸附法净化电厂中的多环芳烃类有机污染物[２]，电厂烟道气中CO2的吸附回收[３]，吸附脱除燃煤锅炉中重金属汞蒸气[４]等。由于吸附应用中的一些关键参数靠实验来确定耗时又不经济，所以建立数学模型与实验结合来分析关键参数是有必要的。在文中以活性炭为吸附剂，在常温常压下吸附净化甲苯和丙酮的有机废气，建立数学模型进行等温模拟，揭示吸附床高度、环境温度、进气温度、进气流速和堆积空隙率等工艺参数对废气净化率的影响，为电厂吸附处理有机废气的过程的设计、预测和优化提 　　作者简介：黎荣枝(1975-)，男，本科，暖通设计、空气净化的研究。 　　 　　1、数学模型 　　建立等温吸附过程的数学模型采用如下假设：气体为理想气体；气相流动模型采用轴向扩散活塞流模型；气体流速沿吸附床轴向无变化；气体流速，压力和组分浓度沿吸附床的径向梯度忽略不计；考虑吸附热并假设气固相瞬时达到热平衡[5]。 　　根据以上假设，将问题简化为一维等温模型，则该吸附净化过程的控制方程如下： 　　(1)物料平衡方程 　　 (1) 　　式中：DL为轴向扩散系数，m2/s；Ci为i组分吸附质的浓度，g/m3；u为进气流速，m/s；ρp为 床内堆密度，kg/m3；ε为床层空隙率；qi为i组分的吸附量，g/100g；z为轴向距离，m；t为时间，s。 　　(2)能量守恒方程 　　 　　(2) 　　式中：KL为轴向导热系数，W/(m?K)；ρg为吸附质气相密度，kg/m3 ；cpg为气相定压比热，kJ/(kg?K)；cps为吸附剂的???实定压比热，kJ/(kg?K)；T为进气温度，K；Tw为吸附床壁温度，K；ΔHi为i组分的吸附热，kJ/kg ；hi为吸附床内部换热系数，W/(m2?K)；rBi为吸附床内半径，m。 　　(3) 　　式中：ρw为吸附床壁密度，kg/m3 ；Tatm为大气环境温度，K ；cpw 为吸附床壁的定压比热，kJ/(kg?K)；ho为吸附床外部换热系数，W/(m2?K)； rBo为吸附床外半径，m。 　　 (4) 　　(3)传质速率方程 　　 (5) 　　式中：qi*为i组分平衡吸附量，g/100g ；ki为i组分传质系数，s-1。 　　(4)吸附等温线方程 　　(6) 　　等温吸附模型的初始条件为： 　　，， 　　 ， 　　等温吸附模型的边界条件为： 　　， 　　， 　　2、模型的求解与验证 　　采用有限差分法求解该模型，借助计算软件Athena visual studio进行数值计算。该软件为保证模拟具有一定的精确度，把吸附床分成50等份，大于50等分的数值模拟结果基本无偏差[6]。模型中的物性数据，吸附剂，床层特性参数及动力性参数取自文献[7,8]。在进气温度T=298.15K，进气流速u=0.20m/s，丙酮浓度C10=0.84g/m3 ，甲苯浓度C20=1.85g/m3条件下，实验测得的丙酮和甲苯的穿透曲线与模型计算结果的比较。从比较可以得出，数值计算的温度和浓度结果与实验数据有较好的吻合。因此可以认为采用该模型计算固定床的等温吸附过程是可行的。 　　3、工艺参数的模拟分析 　　本实验利用活性炭吸附混合气体中的有机组分甲苯和丙酮，对吸附过程与吸附性能进行研究。为分析工艺参数对吸附净化效果的影响，定义了废气净化率，其式如下： 　　 (7) 　　式中：mo1,mo2分别是丙酮和甲苯的出口含量，g；mi1,mi2分别是丙酮和甲苯的进口含量，g。 　　利用软件模拟的初始条件是：吸附床高度L=0.45m，进气流速u=0.2m/s，丙酮浓度C10=0.84g/m3，甲苯浓度C20=1.85 g/m3，进气温度T=298.15K，环境温度为Tw=298.15K，吸附压力P=1atm。在这些条件下分析考察吸附床高度、环境温度、进气温度、进气流速和床层堆积空隙率等工艺参数对废气净化率影响时，分别改变相应的参数来模拟分析其对废气净化率的影响。 　　3.1吸附床高度对废气净化率的影响 　　由废气净化率