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真空脱附和变压吸附处理挥发性有机气体的实验研究及其过程模拟

作　者: 秦映心
导　师: 李立清
学　校: 中南大学
专　业: 供热、供燃气、通风及空调工程
关键词: 挥发性有机化合物真空脱附变压吸附传热传质数值模拟
分类号: TK124
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
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内容摘要

变压吸附为目前处理回收挥发性有机化合物的主要方法之一。本文针对其中的真空变压吸附进行了研究,侧重于以往研究中常简化处理的难点——真空脱附阶段。研究内容主要有两部分:建立脱附传热传质的数学模型,分析其中传热传质的耦合作用,对丙酮活性炭上真空脱附过程中的传质过程进行数值模拟;真空变压吸附多组分有机气体的实验研究和数值模拟。首先,为探讨脱附过程中传热传质耦合影响规律,采用线性驱动力和Langmiur吸附平衡模型,通过质量和能量守恒原理建立脱附的传热传质模型,从理论上分析脱附脱附过程中传热与传质之间的影响,发现在脱附过程中由于其温度变化较小,因此传热对传质的影响不大。脱附真空度越大,脱附初始吸附容量越大,但脱附速率相应变小;由于吸附剂微孔内的毛细管现象作用和脱附过程中的传热传质耦合影响,脱附浓度曲线表现出真空浓缩区、快速衰减区和缓慢衰减区三个阶段。由于温度的变化对传质系数影响不大,耦合影响的传质系数主要受吸附量相对于浓度变化率影响。通过对吸附等温线的分析发现吸附量对浓度的变化率在低浓度区和高浓度区虽然相差较大但分别近似线形。因此在模拟过程中分段求取传质系数和轴向扩散系数可以使数值计算结果很好的与实验数据吻合;对于同一初始吸附容量,脱附时丙酮分压越大其传质系数k越大;轴向扩散系数在真空脱附时不宜省略。其次,实验研究了两床真空变压吸附甲苯和丙酮混合蒸气过程的传热和传质情况,讨论了平衡状态时浓度和温度随时间和床层方向的变化规律,实验发现在吸附床的后半部分浓度随时间的变化不是单调递减,有可能随着脱附时间的增加而有所维持甚至反弹。采用的传热传质耦合模型对吸附床的前半段模拟结果较好,模拟分析了稳定状态时浓度的变化规律及在床层中的分布。采用该模型对变压吸附的操作时间进行了优化:21.5℃下,丙酮和甲苯的吸附进气浓度分别为58.478g/m³和18.014g/m³,均压升和均压降时间各为5s,吹扫时间为10s时,当吸附时长为300s,最佳脱附时间为155s,此时丙酮的C_脱附/C_吸附进气为5.53,C_净化/C_吸附进气为0.10;甲苯的C_脱附/C_吸附进气为2.58;当脱附时间为60s,最佳吸附时间为165s,此时丙酮的C_脱附/C_吸附进气为4.93,C_净化/C_吸附进气为0.10;甲苯的C_脱附/C_吸附进气为2.98。

全文目录

摘要  3-4
ABSTRACT  4-11
第一章绪论  11-21
  1.1 挥发性有机化合物(VOCs)污染控制技术  11-15
    1.1.1 VOC的危害及各国对VOCs控制的法规  11-12
    1.1.2 VOC污染控制技术的现状  12-15
  1.2 活性炭吸附回收VOC的研究进展  15-19
    1.2.1 活性炭吸附回收VOC工艺  15-17
    1.2.2 活性炭固定床吸附VOCs工艺的研究进展  17-19
  1.3 论文研究的内容、创新点和意义  19-21
    1.3.1 研究内容  19-20
    1.3.2 论文研究的创新点和意义  20-21
第二章吸附及变压吸附理论及其模型综述  21-30
  2.1 吸附原理  21-23
    2.1.1 吸附的定义及分类  21
    2.1.2 吸附动力学  21-23
    2.1.3 变压吸附基本原理  23
  2.2 固定床吸附模型综述  23-28
    2.2.1 固定床模型  24-25
    2.2.2 传质速率模型  25-27
    2.2.3 吸附平衡模型  27-28
    2.2.4 动力平衡  28
  2.3 其它PSA数学模型  28-29
    2.3.1 PSA电路模型  28-29
    2.3.2 PSA神经网络模型  29
  2.4 数值解法  29-30
第三章丙酮在活性炭上脱附的模型建立  30-45
  3.1 研究内容  30
  3.2 丙酮在活性炭上脱附模型的构建  30-39
    3.2.1 模型假设  30
    3.2.2 质量守恒模型  30-33
    3.2.3 能量守恒模型  33-37
    3.2.4 传质速率模型  37
    3.2.5 吸附等温线模型  37-38
    3.2.6 模型定解条件  38-39
  3.3 模型参数的计算  39-41
    3.3.1 传质系数  39-40
    3.3.2 传热系数  40
    3.3.3 轴向扩散系数  40-41
    3.3.4 混合气体热熔  41
  3.4 传热与传质耦合影响讨论  41-43
    3.4.1 传热对传质的影响  41-43
    3.4.2 传质对的传热影响  43
  3.5 小结  43-45
第四章丙酮在活性炭上真空脱附的数值模拟  45-62
  4.1 丙酮在活性炭上真空脱附的分析  45-50
    4.1.1 不同脱附压力对脱附出口浓度曲线的影响  45-47
    4.1.2 不同饱和吸附量对脱附出口浓度曲线的影响  47-49
    4.1.4 不同实验温度对脱附出口浓度曲线的影响  49-50
  4.2 模型求解与参数分析  50-51
    4.2.1 模拟程序模块设计  50-51
    4.2.2 模型求解  51
  4.3 传质系数对浓度的影响讨论  51-55
    4.3.1 耦合影响的传质系数对脱附浓度曲线影响  51-54
    4.3.2 传质系数和质量扩散系数在高真空脱附中的分段性  54-55
  4.4 丙酮在活性炭上脱附实验的数值模拟  55-58
  4.5 丙酮在活性炭上脱附吸附床内浓度分布的数值模拟  58-61
  4.6 小结  61-62
第五章变压吸附丙酮甲苯混合蒸汽的实验与模拟  62-88
  5.1 实验设备与实验方法  62-65
    5.1.1 实验设备  62-64
    5.1.2 实验材料  64
    5.1.3 实验方法  64-65
  5.2 PSA处理有机废气的数学模型  65-66
    5.2.1 模型假设  65
    5.2.2 数学模型  65
    5.2.3 定解条件  65-66
  5.3 变压吸附的实验研究  66-75
    5.3.1 吸附等温线的拟合  66-68
    5.3.2 气相中组分浓度分布  68-74
    5.3.3 变压吸附床温度变化  74-75
  5.4 变压吸附浓度的数学模拟  75-87
    5.4.1 第一个循环周期结束时气相组分浓度分布  76-77
    5.4.2 循环达到稳定状态时气相中组分浓度分布  77-78
    5.4.3 循环达到稳定状态时吸附浓和脱附阶段度随时间变化规律  78-80
    5.4.4 变压吸附整个循环过程的浓度模拟  80-82
    5.4.5 操作时间的改变对净化气和脱附气的影响  82-87
  5.5 小结  87-88
第六章结论与展望  88-90
  6.1 结论  88
  6.2 展望  88-90
参考文献  90-98
致谢  98-99
攻读学位期间主要的研究成果  99

真空脱附和变压吸附处理挥发性有机气体的实验研究及其过程模拟

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