活性炭吸附分离苯蒸气的数学模拟

论文摘要

挥发性有机废气的治理已成为当今环境保护的热点问题,吸附法对有机废气可进行深度净化,并且具有设备简单、操作简易、能耗低等优点,已被广泛应用于中低浓度挥发性有机化合物的净化回收。然而吸附过程的复杂性和各参数的耦合性,一些关键参数很难通过理论准确计算获得,只能通过实验确定,这种方法既耗时又不经济,本文在此前提下建立数学模型采用数值方法对吸附过程进行模拟研究。根据吸附过程中的传质、传热机理建立活性炭GH-6A固定床吸附及吹扫脱附苯过程的数学模型。采用轴向扩散活塞流模型建立物料和能量守恒方程；采用Langmuir方程表示气固相间吸附平衡方程；采用线性驱动力模型（LDF）表示气固相间传质速率方程。所建立的数学模型是一系列偏微分方程组,本文采用线上法（MOL）,借助Matlab软件对模型进行求解。并采用建立的模型及求解方法对活性炭固定床吸附及脱附苯的各个过程进行模拟。对活性炭固定床常压吸附及常压、真空吹扫脱附苯过程进行模拟。结果表明：固定床常压吸附过程,苯进料浓度越高,温度越高,进料流速越大,吸附床越容易被穿透；床层温度随时间变化呈正态分布,最大温差在3K以内。常压吹扫过程,温度越高,吹扫气速越大,苯的脱附速率越大；床层温度随时间变化呈正态分布,最大温差在1K以内。真空吹扫过程,气相浓度曲线分为3个区：真空浓缩区、快速衰减区和缓慢衰减区；真空吹扫压力越低越有利于得到高浓度的脱附气但不利于脱附的完全；不同初始进料浓度只对快速衰减区浓度曲线有影响。对活性炭固定床热吹扫脱附苯过程进行模拟,考察床层内苯浓度及温度动态分布规律以及热吹扫温度、吹扫气流速对热脱附性能的影响。结果表明：热吹扫过程,热吹扫温度为473.15K条件下,热吹扫进行到10000s时,固相中苯的脱附率达到94.9%，脱附效果显著；提高吹扫气温度或提高吹扫气流速,可以提高脱附速率以及苯的脱附率。对变温吸附法分离苯过程进行模拟。变温吸附采用三阶段（吸附、热吹扫脱附和冷吹）循环工艺。结果表明：变温吸附分离净化苯的过程,冷吹主要起着降低床层温度的作用；热吹扫时长增加,热脱附阶段苯的脱附比率增加,然而脱附气中苯的平均浓度却会减少；增大吸附时长可以获得较高浓度的热脱附气,并且不会影响热脱附阶段苯的脱附比率。通过上述模拟,本文采用的数学模型考虑了轴向扩散、热效应以及传质阻力等诸多因素对吸附过程的影响,并借助Matlab软件采用线上法对模型进行求解,能够很好地描述吸附及吹扫脱附过程床层内苯浓度及温度的动态分布,模拟结果符合吸附过程的一般规律,说明建立的模型及求解方法合理可行,并可进一步用于吸附法中多步骤循环过程的模拟,对吸附法的理论研究具有指导意义。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 引言
• 1 绪论
• 1.1 挥发性有机化合（VOCs）物概述
• 1.1.1 挥发性有机化合物的来源
• 1.1.2 挥发性有机化合物的危害
• 1.2 挥发性有机化合物控制技术
• 1.2.1 挥发性有机化合物的预防性措施
• 1.2.2 挥发性有机化合物的控制性措施
• 1.3 吸附概述
• 1.3.1 吸附的概念
• 1.3.2 吸附剂
• 1.4 吸附理论
• 1.4.1 吸附平衡理论
• 1.4.2 传质速率模型
• 1.5 活性炭吸附回收VOCs工艺
• 1.5.1 变压吸附
• 1.5.2 变温吸附
• 1.6 本课题研究目的及内容
• 1.6.1 研究目的及意义
• 1.6.2 研究内容
• 2 固定床吸附及脱附过程模型的建立及求解
• 2.1 模拟材料及过程
• 2.1.1 模拟材料
• 2.1.2 模拟过程
• 2.2 数学模型
• 2.2.1 模型的基本假设
• 2.2.2 基本模型
• 2.3 初始和边界条件
• 2.4 模型参数
• 2.4.1 传质系数
• 2.4.2 轴向扩散系数
• 2.4.3 轴向热分散系数
• 2.4.4 吸附平衡动力学参数
• 2.5 模型求解及模拟程序
• 2.5.1 MOL法
• 2.5.2 龙格-库塔法
• 2.5.3 模拟程序
• 3 固定床常压吸附及常压、真空吹扫脱附过程模拟
• 3.1 固定床常压吸附过程模拟
• 3.1.1 常压吸附过程苯浓度及温度分布规律
• 3.1.2 进料浓度对吸附过程苯浓度分布的影响
• 3.1.3 温度对吸附过程苯浓度分布的影响
• 3.1.4 进料流速对吸附过程苯浓度分布的影响
• 3.2 固定床常压吹扫脱附过程模拟
• 3.2.1 常压吹扫过程苯浓度及温度分布规律
• 3.2.2 初始进料浓度对常压吹扫过程苯浓度分布的影响
• 3.2.3 温度对常压吹扫过程苯浓度分布的影响
• 3.2.4 吹扫气速对常压吹扫过程苯浓度分布的影响
• 3.3 固定床真空吹扫脱附过程模拟
• 3.3.1 真空吹扫过程气相中苯浓度分布规律
• 3.3.2 吹扫压力对脱附曲线的影响
• 3.3.3 初始进料浓度对脱附曲线的影响
• 3.4 本章小结
• 4 固定床热吹扫脱附过程模拟
• 4.1 热吹扫过程苯浓度及温度分布规律
• 4.2 热吹扫温度对脱附效果的影响
• 4.3 热吹扫气速对脱附效果的影响
• 4.4 本章小结
• 5 变温吸附法分离苯过程模拟
• 5.1 变温吸附流程
• 5.1.1 模拟材料
• 5.1.2 模拟流程
• 5.1.3 数学模型
• 5.1.4 初始及边界条件
• 5.2 循环稳态时各阶段苯浓度及温度动态分布规律
• 5.2.1 吸附阶段苯浓度及温度分布
• 5.2.2 热吹扫阶段苯浓度及温度分布
• 5.2.3 冷吹阶段苯浓度及温度分布
• 5.3 操作时间对变温吸附过程的影响
• 5.3.1 冷吹时间对变温吸附过程的影响
• 5.3.2 热吹扫时长对变温吸附过程的影响
• 5.3.3 吸附时长对变温吸附过程的影响
• 5.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 附录A 符号说明
• 附录B 程序
• 附录B.1 Matlab编程固定床吸附苯程序
• 附录B.2 Matlab编程固定床吹扫脱附苯程序
• 附录B.3 Matlab编程变温吸附法净化苯程序
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况
• 致谢