《水污染控制原理》课程教学资源（文献资料）废水处理中固定床吸附器的设计计算

·596. 石油化工 1985年第14卷 废水处理中固定床吸附器的设计计算 杨润昌 (湘潭大学化工系) 吸附是废水处理中一种十分有效的处理方 法，目前已用于城市污水和石油化工废水的深 度处理，用来去除废水中难以生物降解的有机 物，如木质素、氯或硝基取代的芳烃化合物、 杂环化合物、洗涤剂、合成染料等6-8。但是， 由于影响吸附的因素很多，吸附比其它传质过 金# CoJ 耗竭点 程更为复杂，而目前的吸附理论尚不成熟，所 穿透曲线 以，关于吸附装置的设计计算方法虽然很多， 穿透点 但还未定型，还有待进一步完善。固定床吸附 器是废水处理中的一种常用设备，现将其主要 累积出水量（米） 的计算方法综述如下。 图1吸附过程及穿透曲线 一、传质区（或传质模型） 注：1.CB根据出水水质要求确定； 2.Cg一般取CE=0.9-0.95C0。 计算法(1,2,4) 在吸附床里，溶质由溶液中迁出的速度为 这种计算方法于1972年由Weber(韦伯) Fw·dC=Ke·(C-C*)·dn(1) 提出，优点是能用实验室的静态实验吸附数据 式中K。为总传质系数，为吸附剂上膜扩散和孔 去计算大型连续吸附装置。目前较为通用。其 方法为，首先在实验室用所选定的活性炭对所 隙扩散阻力总和；C*为与平衡吸附量、 需处理废水测定吸附等温线（测定时的操作条 件如温度、pH等应与大型装置一致)和传质 吸附浓度C对应的溶液平衡浓度。 系数，再利用Weber计算式计算吸附传质区内 (C-C*)为吸附推动力，如图2。对于 穿透曲线的形状和长度，然后以此为基础进行 大型连续吸附装置的计算。 给定的()值,为操作线和吸附等温线之间 下面介绍吸附传质区的概念及Weber计算 式，然后举例说明其计算步骤。 的距离。吸附等温线由试验测定。当使用的是新 当废水稳定地（水质、水量不变）通过固 鲜活性炭或再生较完全的活性炭时，操作线为 定床吸附器时，吸附过程如图1所示，可看作 是吸附传质区和传质区内穿透曲线稳定下移的 通过原点和C、()点的直线。()为 过程。 1994-2008ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouse.Allrightsreserved.http:/www.cnki.net

第10期石油化T597穿透点时吸附传质区的饱和度4*9)为：100r(）H-hof×100（6)）饱和度(%)=吸谢等温线HXc*50换作载【例1】某工厂含酚废水浓度为2670Ppm，流量Q为51米/小时，准备采用吸附剂层高各为6.1米的二台活性炭固定床串联处理，CaCo3000HH要求出水含酚浓度为100毫克/升。操作运行中，溶液中酚浓度C(ppm)当第一台床出水浓度达耗竭浓度（这里选定图2操作线和吸附等温线Cg=0.9C。=2400毫克/升）时，把第一台床切换出来进行再生，第二台床变成第一台床，待原第一合床再生完后串联进处理流程内，作第与进水浓度Co相平衡时的(值。%为所吸二台床使用，如此进行循环操作，吸附等温线数据已绘于图2中，试验测定总传质系数与流附的溶质量，m为吸附剂量。速的关系式为K，=10.5.（Fw）0.5吨/分钟·米，对公式（1）进行积分，得到吸附传质区活性炭的装填离度为721.9公斤/米。选定空长度ho的计算式：塔流密为0.24米/分钟·米”（一般情况下设计acFwrCB参数可按以下范围选取：F为0.1-0.4米/(2)ho--K.JC-C分钟·米”，废水与炭接触时间，即空床停留时间为15—60分钟，炭床深H为311米，直径小于h的任值与C和C之间的C值相对应，所以公或（2）可写为，H比值为1.5—3.0:1)*，104为2—4米，dacFurCh(3)X.JcC-C*试求第一台床达到穿透点时的工作时间及炭宋的直径。式（3）除以式（2）得：计算过程如下。acrC1.如图2所示，先制定操作线。操作线C-C*V-V.h(4)dcVg-Ve过图中原点及等温线与Co-2670Ppm垂线的heCEC-C*交点。2.各项计算按表1进行。利用公式（4）可以绘出穿透曲线，如图3。以Ms代表由穿透点Cs到耗竭点C所去3。由公式（4）知道，以表1中%和除的溶质量，则吸附达到穿透点时，吸附传质C区中还能去除溶质的能力与总吸附能力的比值-V值作图，即可绘出穿透曲线，见图3。f9为:Ve-VB""(Co- C) av4.由公式（5）可知，f由图3积分求Msf=-Co(V.-V.)Co(Vx-Vs)得。积分图3的穿透曲线得于=0.53。5总传质系数K.=10.5×（0.24)5m-(1- &)a()(5)F5.14吨/分钟·米。D1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/www.cnki.net

石油化工1985年第14卷·598·表1进水带入的酚量为0.24×2670×10-6=0.641公斤酚/分钟·米C*C(C-(CC/C.JCR因此，达穿透点的运行时间为C*)1(ppm)(ppm)C*)-C100(CB)000.037300.0143374.05=583.5分钟=9.73小时200700.00771.100.0750.120.6414000.1501600.00422.220.2406000.2252700.00302.930.31因为，炭床横截面积A=所以，炭Fw8000.3000.00260.384103.4910000.8755700.00230.433.98床直径&应为12000.4497650.00234.440.48404×51/6014000.5249950.00254.920.53d=2.12米元Fw元×0.2416000.59912300.00275.430.5818000.67414800.00316.020.6520000.7490.7217500.00406.73二、勃哈特-亚当（Bohart-Adams)22000.82420300.00597.720.830.8999.302400(CE)23000.01001.00计算法(1.5)该计算式于1920年由Bohart-Adams提1.0出。计算较单，但需要进行多次的连续动态o.试验，费时费钱。这种计算方法在废水处理中的应用也较广泛。Bohart-Adams方程如下：0.N.H0-In=(70CoFCK2C当t=0时，能保证出水中溶质不超过Ch的活性炭层理论深度叫活性炭层的临界深度0.60.81.0H。，即为吸附传质区长度，H。一ho。由公式0.40.2(V-Vo)/(Vr-VD)（7）得：Fw_in(Co-1)图3算出的穿透曲线Ho-(8)KN。Cs由公式（7）知道，t与H呈线性关系，dcCB6.把K.、Fw、值代入（2）JCBC-C*这种关系可通过试验测定。用三组（每组为三式算得ho=0.131米。把H-6.1米、ho=0.131根充炭量不同的活性炭柱申联组成）进行三种米、f=0.53代入公式（6）算得第一床达到流速F下的连续吸附试验，并分别测出各炭穿透点时的饱和度为99%。床出水达Cs时的工作时间，绘制t～H关系图，如图4，求出三种流速Fw下直线的斜7.由图2查得C.时（=0.0858克酚1N.1率和截矩，斜率=，截矩一，-InCoFwKC.公斤活性炭，活性炭装填密度为721.9公厅炭米。因此，炭床每平方米截面上炭重6.1×，求出不同流速F下的K、No，CE721.9=4403.6公斤/米2。穿透点时炭床每平方并用公式（8）求出Ho，绘制Fw、K、Na、米截面上活性炭含酚量为4403.6×0.99×8.58×10-2-374.05H。关系图，如图5。利用图5进行固定床吸公斤酚/米炭附器的设计计算。D 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved.http://www.cnki.net

·599·第10期石油化性炭达到饱和时（底部活性炭与浓度Cs相平7衡），须切换进行再生。此时，1.07米长的吸30008.1米/分·米3柱附传质区将移到第二床的顶部。第二床必须在2000出水达到穿透点前运行30天，以保证第一床进"2柱0.2来分米1500行再生，所以，每个活性炭床的最小深度为1000炭床最小深度=1.07米+30天×0.4米1分·来5000.1米/天=4.07米S6每台炭床的实际运行时间为炭床高H（米）4.07米+0.1米/天=40.7天三、哈金斯(Hutchins)计算法(1)图4~H关系图此法也叫BDST（BedDepth/Service160R.015002.5Time）计算法，为Hutciins于1973年在K80Bohart-Adams公式基础上进行修改而提出的米750580Y一种计算方法。Bohar-Adams方程进行计算o2501o.s9时，至少需要（或相当于）进行9次连续动态0.10.20.30.4试验，而Hutchins计算法则只要进行三次连F米米分）续动态试验，并且适用范围也较广。Hutchins图5Fw与K、N、H关系图把Bohart-Adams方程改变为(9)t=aH+b【例2］图4和图5为由废水中去除ABSN.的试验数据作成，测定条件为C=10毫克/升、式中a为斜率，a=CoFwC=.5毫克/升。试计算进水中ABS浓度C。一110毫克/升，要求出水C=0.5毫克/升，流速1nb为截距，b=KCo为.4米/分钟·米，用两台活性炭床串联处理，每台活性炭的再生时间为30天，计算每个(% -1)CB炭床的最小高度及每台床的实际工作时间。公式（9）中的a、6为某一流速F下的计算过程如下：测定值，另流速Fw下的a值，由i二由图5查得，流速为0.4米*/分钟·米时，H。1.07米，N。=57.75公斤/米”。aFw亦算，值一般不作调整。Fw0Q为处理水量（米/小流速Fw如果进水浓度为Ci，式（9）变为At=arH+b,(10)Q为水力负时)，A为床横截面积（米2)，则C浓度下的az、bz值可用下式进行修正A荷。所以，吸附传质区的移动速度Ci(11)a2=anC2(Q/A)Co0:N.-10.4×10×10-3×24×602=0.1米/天b2-b(12)57.75LC.本流程为两床串联式，当第一台炭床的活D 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved.http://www.cnki.net

600.石油化工1985年第14等式中2.求进水浓度为140毫克/升的工作时C为进水浓度为C2时的出水浓度C1=172.5×100123.2a2C.为进水浓度为C,时的出水浓度C2140当然，这种修正只是一种近似的办法，若140In试验能在实际所需的浓度范围进行，则所得公100262--70x54.35140100式将更加可靠。in(-12【例3】当流速为0.04米/分钟·米?时，t=123.2H-54.39进行用活性炭从废水中除去酚的试验，进水含=123.2×1.22-54.39=95.93小时酚100毫克/升，出水含酚2毫克/升，测得床深与工作时间的关系如图6。试计算固定床活性炭层高度为1.22米，流速为0.06米"/分钟四、弗华德-哈金斯（Fornwalt-米，进水含酚由100毫克/升、140毫克/升降Hutchins)计算法1,3)到2毫克/升的工作时间。计算过程如下。这种计算法店Fornwalt-Hlutchins于1966年想出，是一种利用小试或中试的动态遵600续吸附数据进行数学计算和作图相结合的方法，其计算也很简便。计算方法如下。500f首先在实验室里对所需处理废水测定穿透（）1路工400曲线，并确定达到处理要求时的V。QV.=(13)30clH·AV.确定后，由废水流量算出所需活性炭200积B1000B=.(14)V45若已知活性炭的装填密度D，可由下式激床高H米）出所需活性炭重量W-B-D(15)图6t~H关系图活性炭床的操作周期由允许的最大穿1，求进水浓度为100毫克/升的工作时间。浓度C决定，计算式如下：由图6得到BDST方程为W(16)tO/V.t=258.8H-70流速为0.06米/分钟·米的斜率为由式（15）、（16）整理得BDV.DFw = 258.8 0.04 =172.5QDV.(17)t41=V.Fw0.06Q/V.QV.方程式修正为最后根据试验测定的穿透曲线进行如圈”所示的排布，求出所雷串联的固定床的数目。t-172.5H-70工作时间为【例4】某工厂排出废水流量为3782来】天（2.63米/分钟），COD为100毫克/升，#=172.5×1.22-70=140.5小时D 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House: All rights reserved.http:/www.cnki.net

第10期石油化T601求处理后出水的COD小于20毫克/升。试验测Q3782/24=65.7米B=定的穿透曲线如图7曲线A所示，测定条件流V.2.4速为0.286米/分钟米，空床停留时间为25Q2.63分钟，炭的装填密度为401公斤/米3。试计算炭床横截面积4=9.19米*Fw0.286所需串联的活性炭固定床的数目、尺寸、投炭、达到处理要求时炭床的工作时间及炭床再4.A生前的工作时间。炭床直径d.19x-3.42米元计算过程如下。1.假定每个炭床的穿透曲线都与试验穿B=65.7=7.15米炭床深H=-适曲线A同。由于后面炭床的吸附作用，实9.19A运行中的穿透曲线要比试验测定的穿透曲线3.每台床的装炭量4婴更好些，所以这是一种保守而安全的假W=B·D=65.1×401=26346公斤R。4.每台床达穿透点的工作时间如图7，按1550倍床体积的距离V.、Vz、由图7知道，达穿透点处理水量为1550倍V.平移与曲线A相同的曲线。V=1550倍床体床体积，所以棵水量相当于第一床达到处理要求C=20毫/升的出水量。添加曲线，直到最后一条曲1550B1550×65.7V.=的起点接近于第一床达饱和时（即床中全部W26346换与进水浓度相平衡）所处理的杰量。图7指=3.865米水/公斤炭密，必须有三个床串联运行，同时还须增加一食作备用，当第一台床达到（或接近）饱和时V.D3.865×0.4=648.78小时E初换下来，并把备用床串联到第三台床的后V.2.4，如此循环下去。=26.91天5.炭床再生前的工作时间ra刻膜由图7的排布知道，每合床在进行再生前高富的处理水量可达4600倍床体积，所以再生前的p实际处理水量为04600×65.7=302220米20fCs接各用味再生前工作时间为水册（1000倍床体移)t=302220/3782-79.9天.图？例4的穿透曲线符号说明2.求炭床的尺寸A固定床横截面积，米B活性炭容积，米HA床体积整床停留时间25分钟=C。进水中溶质浓度，毫克/升废水流量QCo穿透点时出水中溶质浓度，宽来/升0CrV.-耗竭点时出水中溶质浓度，毫克/升=1/25分钟=2.4小时-1HAD活性炭装填密度，公斤炭/来=0.1天-1Fw固定床中废水流速，米*分钟·米D1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http://www.cnki.net

化·602石油T1985年第14卷Wastewater Treatment",p.383--403, Pre-ho传质区长度，米ntice-Hall, Inc.,Englewood Cliffs,NewH固定床吸附剂层总高，米Jersey,1982.K流率常数，米/公斤·小时[2]Weber,W. J.Jr.,"Physicochemical Processm吸附剂最，公斤for Water QualityControl',p.246,JohnN.炭的吸附容量，公斤/米Wiley & Sons, New York, 1972.Q废水流量，米/小时[3)Fornwalt H.J.,Hntchins,R.A.Chem.t达到穿透点时的工作时间，小时Eng-,73(10).155(1966).V在穿透点和耗竭点之间，炭床单位横截面积上【4]许保玖编著，“当代给水与废水处理原理讲义”，的出水量，米/米”P，87—89，清华大学出版社，1983.v.出水达Cs值时，每公斤炭处理的废水量，米"/【5】拉马尔奥R.S.著，严忠琪译，“废水处理概论”，公斤炭P.368374，中国建筑工业出版社，1982.(6) Pervich J. R., "Activated Carbon Adsor-Vo处理水量，米/米炭·小时ption for Wastewater Treatment",P.13-16,Vs达穿透点时，炭床单位横截面积上的累积出水CRC Press, Inc.,1981.量，米"/米(7] Azad H.S.,'Industrizi Wastewater Mana-Vs达耗竭点时，炭床单位横截面积上的累积出水gemeatHaneDk,p.3—24,McGraw-Hill,量，米米”Inc.,1976.W活性炭重量，公厅(8]（美）卡尔音，R.L卡尔普G，L.著，俞浩喀译，3吸附的溶质量，克“城市污水高级处理"，P-129，中国建筑工业出版社，1975年，参考文献【9】杨润昌，化工环保，5(5】，（1985).Benefield L.D.;JudkinsJ.F.;Weand,(1] (1o)U.S.EPA,"Process Design Manual forCaB.L-,"Proess, Chouistry for Water andrbon Adsorption*,EPA 625/1-71-002a,1973.YD系列导热油系统工艺设计王化淳（化工部第一设计院，天津）本文介绍并提出了YD系列导热油系统工艺设计方法及设计中应注意的若干问题。文中还提出了根据YD系列导热油的有关物性数据用电子计算机进行关联、回归的关联式，可供目前设计计算时用。地应用于石油、化工、轻工、纺织、印染、食一、概述品、造纸、机械制造、建材等部门的反应、糖随着现代化工业的发展，在世界工业应用馏、蒸发、干燥、加热或冷却等操作中。这主上已有五十余年历史的载热体一—导热油的品要是因为在较高的工艺要求温度条件下（例如种日趋繁多，产量与需用量日趋增加。它广泛200—300℃），般的载热体水蒸汽的自D1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House..All rights reserved.http://www.cnki.net