1、7.2 吸附平衡吸附平衡7.3 吸附动力学和传递吸附动力学和传递7.4 吸附分离过程吸附分离过程7.1 概述概述7.1.2 吸附剂吸附剂7.1.1 吸附过程吸附过程7.1.1 吸附过程吸附过程1.吸附定义吸附定义吸附吸附(adsorption)当两相组成一个体系时，其组成在两相当两相组成一个体系时，其组成在两相界面界面(Interface)与相内部是不同的，处在两相与相内部是不同的，处在两相界面处的成分产生了界面处的成分产生了积蓄积蓄(浓缩浓缩)。这种现象称。这种现象称为为吸附吸附。7.1.1 吸附过程吸附过程吸附质吸附质(adsorbate)被被吸着吸着和和浓缩浓缩于多孔固于多孔固 体表面的
2、物质体表面的物质吸附剂吸附剂(adsorbent)具有具有选择性选择性吸着溶质的吸着溶质的 多孔多孔表面表面固体固体1.吸附定义吸附定义7.1.1 吸附过程吸附过程吸附操作吸附操作 流动相与多孔的固体颗粒相接触，流动相与多孔的固体颗粒相接触，使使固体颗粒固体颗粒能有选择地能有选择地累积累积和和凝聚凝聚流动流动相中一定组分在其相中一定组分在其内表面内表面上，从而达到上，从而达到分离的目的。分离的目的。1.吸附定义吸附定义7.1.1 吸附过程吸附过程2.吸附原理吸附原理吸附质单个原子、离子或分子与固体吸附质单个原子、离子或分子与固体表面之间存在着表面之间存在着相互作用力相互作用力而被吸附在而被吸附
3、在固固相相吸附剂的吸附剂的内外表面内外表面上。上。7.1.1 吸附过程吸附过程物理吸附物理吸附 化学吸附化学吸附 作用力作用力 Van der waals力力 化学键力，电子得失与化学键力，电子得失与转移、分子解离等转移、分子解离等现现 象象 类似于类似于冷凝冷凝 类似于类似于化学反应化学反应 热效应热效应 近似于近似于冷凝热冷凝热 近似于近似于化学反应热化学反应热 吸附方式吸附方式 单分子层或多分子层单分子层或多分子层 一般为一般为单分子层单分子层 解吸结果解吸结果 吸附质吸附质能还原能还原 吸附质吸附质不能还原不能还原 吸附过程吸附过程可逆，速度快可逆，速度快不可逆不可逆3.物理吸附和化学
4、吸附物理吸附和化学吸附表表1 物理吸附和化学吸附比较物理吸附和化学吸附比较7.1.1 吸附过程吸附过程4.吸附过程在工业上的应用吸附过程在工业上的应用应用领域：应用领域：石油、化工、冶金、食品、医药石油、化工、冶金、食品、医药 日常生活中的应用：家用净水剂、冰箱日常生活中的应用：家用净水剂、冰箱除异味除异味工业吸附分离应用实例如书本表工业吸附分离应用实例如书本表7-17-17.1.1 吸附过程吸附过程 工业吸附分离应用实例工业吸附分离应用实例4.吸附过程在工吸附过程在工业上的应用业上的应用7.1.2 吸附剂吸附剂工业上常用的吸附剂工业上常用的吸附剂 活性碳、沸石分子筛、硅胶活性碳、沸石分子筛、
5、硅胶 和活性氧化铝和活性氧化铝。吸附剂的主要特征吸附剂的主要特征 多孔特征多孔特征和和具有很大的比表面具有很大的比表面，约约300l 200m2/g，以及具有，以及具有足够强度。足够强度。7.1.2 吸附剂吸附剂吸附剂的性能吸附剂的性能 选择性选择性，一般可分为，一般可分为亲水亲水与与疏水疏水两类。两类。吸附剂的吸附剂的性能性能不仅取决于不仅取决于化学组成化学组成，还与，还与制造方法制造方法有关。有关。7.1.2 吸附剂吸附剂1.活性活性炭炭活性炭是活性炭是碳质碳质吸附剂的总称，是一种吸附剂的总称，是一种多多孔含碳物质孔含碳物质的颗粒或粉末。的颗粒或粉末。应用：活性炭用于应用：活性炭用于回收有
6、机物质回收有机物质，脱除脱除废水中有机物废水中有机物，脱色素脱色素等。等。7.1.2 吸附剂吸附剂性质和特点：性质和特点：具有具有非极性表面非极性表面，疏水疏水和和亲有机物亲有机物。性能稳定性能稳定、抗腐蚀抗腐蚀、吸附容量大吸附容量大和和解吸容解吸容易易等优点。等优点。多次循环使用仍可保持原有的吸附性能。多次循环使用仍可保持原有的吸附性能。1.1.活性活性炭炭7.1.2 吸附剂吸附剂1.1.活性活性炭炭活性炭吸附率（活性）活性炭吸附率（活性）活性炭孔容活性炭孔容-度量度量在一定在一定浓浓度度的碘溶液的碘溶液中，在规定中，在规定的条件下，的条件下，每克炭每克炭吸附吸附碘的毫克数。碘的毫克数。碘值
7、是碘值是鉴鉴定定活性炭活性炭对对半径小于半径小于2nm吸附吸附质质分子的分子的吸附吸附能力，能力，活性炭活性炭在在制造制造过程过程中，当挥发性有机物去除后，晶格中，当挥发性有机物去除后，晶格间的空隙形成形状和大小不同的细孔。半径间的空隙形成形状和大小不同的细孔。半径1001000nm为为大孔大孔，半径，半径2100nm为为中孔中孔，半径，半径小于小于2nm为为微孔微孔。7.1.2 吸附剂吸附剂2.沸石分子筛沸石分子筛 沸石分子筛：沸石分子筛：Mx/n(AlO2)x(SiO2)ymH2O表示的表示的结结晶硅铝酸盐的多水化合物晶硅铝酸盐的多水化合物，具有，具有Al-Si晶形结构，典晶形结构，典型的
8、几何形状如图型的几何形状如图7-27-2沸石分子筛由高度规则的沸石分子筛由高度规则的笼笼和和孔孔构成。每一种分子构成。每一种分子筛都有特定的筛都有特定的均一孔径均一孔径。7.1.2 吸附剂吸附剂性质和特点：性质和特点：强极性吸附剂强极性吸附剂，对极性分对极性分子有很强的亲和力子有很强的亲和力，而与，而与有机物的亲和有机物的亲和力较弱力较弱。应用：分子筛的应用：分子筛的筛分性能筛分性能在分离中起主在分离中起主要作用。要作用。2.沸石分子筛沸石分子筛7.1.2 吸附剂吸附剂2.沸石分子筛沸石分子筛Mex/n(AlO2)x(SiO2)ymH2O7.1.2 吸附剂吸附剂2.沸石分子筛沸石分子筛7.1.
9、2 吸附剂吸附剂3.硅胶硅胶组成：化学式是组成：化学式是SiO2nH2O性质和特点：硅胶处于性质和特点：硅胶处于高亲水高亲水和和高疏水高疏水性性质的质的中间中间状态。典型的物理性质如书中表状态。典型的物理性质如书中表7-57-5所示。所示。7.1.2 吸附剂吸附剂3.硅胶硅胶7.1.2 吸附剂吸附剂4.活性氧化铝活性氧化铝组成：化学式是组成：化学式是Al2O3nH2O性质和特点：活性中心是性质和特点：活性中心是羟基羟基和和路易斯酸路易斯酸中心中心，极性强极性强。典型的物理性质如书中表。典型的物理性质如书中表7-6所示。所示。7.1.2 吸附剂吸附剂4.活性氧化铝活性氧化铝7.1.2 吸附剂吸附
10、剂5.其它吸附剂其它吸附剂“不可逆不可逆”吸附剂吸附剂或称或称高高反应反应性能吸附剂性能吸附剂。生物吸附剂生物吸附剂首先吸着首先吸着有机分子有机分子等物质，然后将其等物质，然后将其氧化成氧化成CO2、H2O，处理城市和工业废水的生化，处理城市和工业废水的生化处理。处理。吸附树脂吸附树脂用于从用于从废气废气中脱除中脱除有机有机物质。物质。亲和吸附剂亲和吸附剂是具有极高选择性的吸附剂，高选择是具有极高选择性的吸附剂，高选择性是因为性是因为吸附剂的活性中心吸附剂的活性中心与与被吸附分子被吸附分子的活性的活性点必须在点必须在几何上排成一条线几何上排成一条线。7.1.2 吸附剂吸附剂5.其它吸附剂其它吸
11、附剂环保用分子筛环保用分子筛采用采用专用专用分子筛脱除硫酸厂尾气中分子筛脱除硫酸厂尾气中的的SO2和硝酸厂尾气中的和硝酸厂尾气中的NOx以及氢碱厂氩气中以及氢碱厂氩气中的汞的方法已经在工业上应用。的汞的方法已经在工业上应用。处理放射性废物专用分子筛处理放射性废物专用分子筛在原子能工业中，含在原子能工业中，含有这类物质的废水量一般都较大。有这类物质的废水量一般都较大。7.1.2 吸附剂吸附剂5.其它吸附剂其它吸附剂7.2.2 液相吸附平衡液相吸附平衡7.2.1 气相吸附平衡气相吸附平衡7.2.1 气体吸附平衡气体吸附平衡吸附平衡吸附平衡 在一定条件下，经过足够长的时在一定条件下，经过足够长的时间
12、，吸附质在两相中的间，吸附质在两相中的浓度不再变化浓度不再变化，称，称为为吸附平衡吸附平衡，对应的浓度称为，对应的浓度称为平衡浓度平衡浓度。吸附平衡关系吸附平衡关系决定了吸附过程的决定了吸附过程的方向和极方向和极限限，是吸附过程的，是吸附过程的基本依据基本依据。1.吸附平衡定义吸附平衡定义7.2.1 气体吸附平衡气体吸附平衡吸附等温线吸附等温线吸附剂的表面是吸附剂的表面是不均匀不均匀的，被吸附的分子和吸附的，被吸附的分子和吸附剂剂表面分子之间表面分子之间，被吸附的各分子之间的，被吸附的各分子之间的作用力作用力各不相等各不相等，吸附等温线的形状也不相同。，吸附等温线的形状也不相同。Brunaue
13、r等人等人把把纯气体纯气体实验的实验的物理吸附物理吸附等温等温线分为线分为五类五类。2.单组分气体吸附平衡单组分气体吸附平衡7.2.1 气体吸附平衡气体吸附平衡类类吸附等温线吸附等温线类是平缓地接近饱和类是平缓地接近饱和值的值的朗格谬尔型等温吸朗格谬尔型等温吸附曲线附曲线。单分子层吸附单分子层吸附，常适用，常适用于于吸附吸附温度温度处于该气体处于该气体临界温度以上临界温度以上。7.2.1 气体吸附平衡气体吸附平衡类类吸附等温线吸附等温线是最普通的是最普通的物理吸附物理吸附；能形成能形成多分子层吸附多分子层吸附，第一吸附层第一吸附层吸吸附热附热大于大于后继吸附层的后继吸附层的吸附热吸附热；吸附吸
14、附气体的温度气体的温度低于低于其临界温度其临界温度，吸吸附附压力较低，但接近于饱和蒸汽压。压力较低，但接近于饱和蒸汽压。类吸附等温线和类吸附等温线和类吸附等温线显示出类吸附等温线显示出强吸附强吸附性能性能，是人们所，是人们所希望希望的。的。多多分子层吸附分子层吸附单单分子层吸附分子层吸附7.2.1 气体吸附平衡气体吸附平衡类类吸附等温线吸附等温线压力低时，吸附量很低，只有在压力低时，吸附量很低，只有在压力高时才容易吸附，相应于压力高时才容易吸附，相应于多多层吸附，层吸附，它的特点是它的特点是吸附热与吸附热与被被吸附组分的吸附组分的液化热液化热大致相等大致相等。第一吸附层第一吸附层的吸附热的吸附
15、热小于小于后继吸后继吸附层附层的的吸附热吸附热；类比较少见。类比较少见。多多分子层吸附分子层吸附7.2.1 气体吸附平衡气体吸附平衡类和类和类类吸附等温线吸附等温线解吸解吸吸附吸附 Brunauer提出，提出，微孔微孔尺寸可限制吸附的尺寸可限制吸附的层数层数，并且由于发，并且由于发生生毛细管冷凝现象毛细管冷凝现象，在，在达到饱和蒸汽压之前达到饱和蒸汽压之前显示出显示出很大的吸很大的吸附附程度。程度。图图7-5中的中的类和类和V类分别是类分别是类和类和类因毛细管冷类因毛细管冷凝现象而演变出来的吸附等温线。凝现象而演变出来的吸附等温线。可以认为是由可以认为是由于产生于产生毛细管凝毛细管凝结结现象所
16、致。现象所致。7.2.1 气体吸附平衡气体吸附平衡（2）吸附平衡方程吸附平衡方程亨利定律亨利定律气体在液体中的溶解度与气体的分压成正比气体在液体中的溶解度与气体的分压成正比(一定一定温度下温度下)，这就是，这就是亨利定律亨利定律。在吸附过程中，在吸附过程中，吸附量与压力吸附量与压力(或浓度或浓度)成正比成正比。qK p qKc或或式中：式中：K或或K为为亨利系数亨利系数，随温度的增高随温度的增高而而降低。降低。7.2.1 气体吸附平衡气体吸附平衡朗格谬尔方程朗格谬尔方程(Langmuir)单分子层单分子层吸附理论，吸附理论，均匀表面均匀表面，被吸附溶质分子之，被吸附溶质分子之间间没有相互作用力
17、没有相互作用力。1mKpqqKpq吸附量吸附量qm饱和吸附量饱和吸附量p压力压力K 方程参数方程参数 该模型在该模型在低浓度低浓度时简化为时简化为亨利定律亨利定律，符合热力学一致，符合热力学一致性要求，公认为性要求，公认为定性定性或或半定量半定量研究变压吸附研究变压吸附的基础的基础。7.2.1 气体吸附平衡气体吸附平衡Freundlich吸附等温方程吸附等温方程1/nqKpn值越大值越大，等温线与线性偏离大，变成非线性等温线。，等温线与线性偏离大，变成非线性等温线。当当n10，变成矩形，是不可逆吸附。，变成矩形，是不可逆吸附。参数参数K和和n依赖于依赖于平衡温度平衡温度，关系很复杂。，关系很复
18、杂。Freundlich方程是描述平衡的最早的方程是描述平衡的最早的经验经验关系式关系式之一，之一，其表达式：其表达式：7.2.1 气体吸附平衡气体吸附平衡1/1/1nnsqKpqKpLangmuir和和Freundlich方程结合起来，称方程结合起来，称为为LangmuirFreundlich方程方程：该式该式纯属经验纯属经验关系。关系。LangnluirFreundlich方程方程7.2.1 气体吸附平衡气体吸附平衡1/nqKp例例7-1 纯甲烷气体在活性炭上的吸附平衡数据如下纯甲烷气体在活性炭上的吸附平衡数据如下：q/cm3(STP)CH4/g活性炭活性炭45.591.511312112
19、5126126P=PCH4 /kPa275.81137.62413.23757.65240.06274.26687.9吸附温度吸附温度 296 K，拟合，拟合方程方程为：（为：（a）Freundlich 方程；方程；（b）Langmuir 方程。哪个方程拟合更好些？方程。哪个方程拟合更好些？解：解：将等温方程线性化，使用线性方程回归方法得到常数。将等温方程线性化，使用线性方程回归方法得到常数。（a）Freundlich（b）LangmuirmmqpKqqp17.2.1 气体吸附平衡气体吸附平衡由（由（a）式拟合得：）式拟合得：K=8.979,n=3.225,故故Freundlich 方程为：方
20、程为：3101.0979.8pq 例例7-1，解：，解：由（由（b）式拟合得：式拟合得：1/qm=0.007301，1/qmK=3.917，qm=137.0，K=0.001864，故故Langmuir 方程为：方程为：0.255310.001864pqp7.2.1 气体吸附平衡气体吸附平衡两个等温线预测的两个等温线预测的q值如下：值如下：p/kPaq/cm3(STP)CH4/g活性炭活性炭实验值实验值FreundlichLangmuir27645.551.346.5113891.579.693.12413113101112375812111512052401251281246274126135
21、1266688126138127例例7-1从表中数据可看出，从表中数据可看出，Langmuir 方程比方程比Freundlich 方程拟合结果好得多。平均方程拟合结果好得多。平均偏差偏差为为1.0%和和8.64%，其原因是其原因是Langmuir 方程在高方程在高压下压下q趋于趋于渐近值渐近值，与实测与实测数数据类型相据类型相吻合吻合。7.2.1 7.2.1 气体吸附平衡气体吸附平衡（1 1）扩展）扩展Langmuir方程方程,11iiim injjjK pqqK p 假设各组分互不影响，假设各组分互不影响，Langmuir方程用于含方程用于含n个组分个组分的混合物，组分的混合物，组分i的吸附
22、量为：的吸附量为：3.3.气体混合物吸附平衡气体混合物吸附平衡7.2.1 气体吸附平衡气体吸附平衡（2）扩展扩展Freundlich-Langmuir方程方程1/,1/1ns iiiinjjjq K pqK p 相似的方法将相似的方法将Freundlich-Langmuir方程，用于气方程，用于气体体混合物混合物的如下关系：的如下关系：式中：式中：qs,i为最大吸附量为最大吸附量，不同于单分子层的，不同于单分子层的qm,i。7.2.1 气体吸附平衡气体吸附平衡例例7-2CH4(A)和和CO(B)在在294K的的Langmuir常数如下：常数如下：气气 体体qm /cm3(STP)CH4/gK
23、/kPa-1CH4133.40.001987CO126.10.000905用扩展用扩展Langmuir预测预测CH4和和CO气体混合物的比吸附体积气体混合物的比吸附体积(STP)。已知吸附温度已知吸附温度294K；总压；总压2512kPa；组成：；组成：CH4 69.6%(mol)，CO 30.4%(mol)。计算结果与下列实验数据进行比较。计算结果与下列实验数据进行比较。总吸附量总吸附量/cm3(STP)/g114.1106.6吸附质的吸附质的mol分数：分数：CH40.8670.841CO0.1330.1597.2.1 气体吸附平衡气体吸附平衡例例7-2，解：解：pA=yA p=0.696
24、2512=1748(kPa)pB=yB p=0.304 2512=763.6(kPa)3133.4(0.001987)(1748)89.7()/10.001987(1748)(0.000905)(763.6)AqcmSTPg,11iiim injjjK pqqK p7.2.1 气体吸附平衡气体吸附平衡同理得：同理得：qB=16.9 cm3(STP)/g总吸附量：总吸附量：q=qA+qB=106.6例例7-2，解：解：计算吸附相组成：计算吸附相组成：xA=89.7/106.6=0.841 xB=16.9/106.6=0.159说明说明扩展扩展Langmuir 方程对该物系有相当好的方程对该物系有
25、相当好的预测预测结果。结果。实验值实验值0.867实验值实验值0.133实验值实验值114.17.2.2 液相吸附平衡液相吸附平衡液相吸附的机理液相吸附的机理比气相复杂。影响液相吸附机理的因比气相复杂。影响液相吸附机理的因素除了素除了温度温度、浓度浓度和和吸附剂的结构性能吸附剂的结构性能外，外，溶质和溶溶质和溶剂的性质剂的性质对其吸附等温线的形状都有影响。对其吸附等温线的形状都有影响。经过对大量有机化合物的吸附性能的研究，以经过对大量有机化合物的吸附性能的研究，以活性炭活性炭对对有机化合物水溶液有机化合物水溶液的吸附特性为例，可归纳出以下的吸附特性为例，可归纳出以下规律：规律：7.2.2 液相
26、吸附平衡液相吸附平衡(a)同族同族有机化合物，有机化合物，分子量越大分子量越大，吸附量越大吸附量越大；(b)对于对于分子量相同分子量相同的有机化合物，的有机化合物，芳香芳香族族化合物比化合物比脂肪族脂肪族化合物化合物容易吸附容易吸附；(c)直链直链化合物比化合物比侧链侧链化合物容易吸附；化合物容易吸附；(d)溶解度溶解度越小越小，疏水性疏水性越强，越强，越容易吸附越容易吸附；(e)被其他被其他基团置换基团置换的位置不同的异构体，吸附性能不相同。的位置不同的异构体，吸附性能不相同。7.2.2 液相吸附平衡液相吸附平衡1.液相吸附等温线液相吸附等温线Giles 研究了研究了一批有机溶一批有机溶剂组
27、成剂组成的溶液，按吸附的溶液，按吸附等温线离原点最近一段等温线离原点最近一段曲线的斜率变化，可将曲线的斜率变化，可将液相吸附等温线分成液相吸附等温线分成四四类类，如图，如图77所示。所示。7.2.2 液相吸附平衡液相吸附平衡1.液相吸附等温线液相吸附等温线n图图7-7吸附等温线形状吸附等温线形状的变化与的变化与吸附吸附层层分子和分子和溶液中分子溶液中分子的的相互作用相互作用有关。有关。如果溶质形成如果溶质形成单层吸附单层吸附，它，它对溶对溶液中溶质液中溶质分子的分子的引力较弱引力较弱，则曲，则曲线有一段较长的线有一段较长的平坡线段平坡线段。如果如果吸附层吸附层对溶液中对溶液中溶质分子溶质分子有
28、有强烈的吸引力强烈的吸引力，则曲线陡升。，则曲线陡升。图中图中H2、L3、Sl，L4和和S2这五种曲这五种曲线与线与Brunauer气相气相吸附等温线吸附等温线相当相当。H2L3SlL4S27.2.2 液相吸附平衡液相吸附平衡2.吸附等温方程吸附等温方程吸附类型吸附类型 吸附等温方程吸附等温方程 应用应用 单单溶质、溶质、低低浓度浓度溶液的吸附溶液的吸附 Langmuir方程方程 Freundlich方程方程 有机物或水溶有机物或水溶液的液的脱色脱色，环，环保中生化处理保中生化处理后污水中总后污水中总有有机氮机氮的脱除。的脱除。多多溶质、溶质、低低浓度浓度 溶液的吸附溶液的吸附 扩展的扩展的L
29、angmuir方程方程扩展的扩展的Langmuir-Freundlich方程方程 7.3.2 外扩散传质过程外扩散传质过程7.3.3 颗粒内部传质过程颗粒内部传质过程7.3.1 吸附机理吸附机理7.3.1 吸附机理吸附机理吸附质在吸附剂的多孔表面上被吸附的过程分吸附质在吸附剂的多孔表面上被吸附的过程分为下列四步：为下列四步：吸附质从流体主体通过吸附质从流体主体通过分子扩散分子扩散与与对流扩散对流扩散穿穿过过薄膜薄膜或或边界层边界层传递到吸附剂的外表面，称为传递到吸附剂的外表面，称为外外扩散过程扩散过程。吸附质通过吸附质通过孔扩散孔扩散从吸附剂的外表面传递到微从吸附剂的外表面传递到微孔结构的内表
30、面，称为孔结构的内表面，称为内扩散内扩散。7.3.1 吸附机理吸附机理外扩散过程外扩散过程内扩散内扩散表面扩散表面扩散7.3.1 吸附机理吸附机理吸附质沿孔表面的吸附质沿孔表面的表面扩散表面扩散。吸附质被吸附质被吸附吸附在孔表面上。在孔表面上。对于对于物理吸附物理吸附，由于吸附速率仅仅取决于吸附质分，由于吸附速率仅仅取决于吸附质分子与孔表面的子与孔表面的碰撞频率碰撞频率和和定向作用定向作用，几乎是瞬间完，几乎是瞬间完成的，成的，吸附速率吸附速率由由前三步控制前三步控制，统称为，统称为扩散控制扩散控制。7.3.2 外扩散传质过程外扩散传质过程吸附质从流体主体对流扩散到吸附剂颗粒外表面的吸附质从流
31、体主体对流扩散到吸附剂颗粒外表面的传传质速率方程质速率方程为：为：,()icb is idqk A ccdt相应的相应的传热方程传热方程为：为：()sbdQhA TTdt7.3.3 颗粒内部传质过程颗粒内部传质过程由于微孔贯穿颗粒内部，吸附质从颗粒外表面的孔口由于微孔贯穿颗粒内部，吸附质从颗粒外表面的孔口到内表面吸着处的路径不同，所以吸附质的内部传质到内表面吸着处的路径不同，所以吸附质的内部传质是一个是一个逐步渗入的过程逐步渗入的过程。吸附质在微孔中的扩散有吸附质在微孔中的扩散有两种形式两种形式 沿孔截面的扩散沿孔截面的扩散 沿孔表面的表面扩散沿孔表面的表面扩散7.3.3 颗粒内部传质过程颗粒
32、内部传质过程 沿孔截面的扩散沿孔截面的扩散 沿孔表面的表面扩散沿孔表面的表面扩散分子扩散分子扩散 纽特逊扩散纽特逊扩散 介于这两者之间的扩散介于这两者之间的扩散当微孔表面吸附有吸附质时，沿孔口向里的表当微孔表面吸附有吸附质时，沿孔口向里的表面上存在着吸附质的浓度梯度，吸附质可以沿孔面上存在着吸附质的浓度梯度，吸附质可以沿孔表面向颗粒内部扩散。表面向颗粒内部扩散。7.47.4 吸附分离过程吸附分离过程7.4.3 变温吸附循环变温吸附循环7.4.2 固定床吸附器固定床吸附器7.4.4 变压吸附变压吸附7.4.5 连续逆流吸附连续逆流吸附7.4.1 搅拌槽搅拌槽7.4.1 搅拌槽搅拌槽工艺特点工艺特
33、点 由于搅拌作用和采用小颗粒吸附剂，减少了吸附的外由于搅拌作用和采用小颗粒吸附剂，减少了吸附的外扩散阻力，因此扩散阻力，因此吸附速率快吸附速率快。适用于适用于溶质溶质的的吸附能力强吸附能力强，传质速率传质速率为为液膜控制液膜控制和和脱脱除少量杂质除少量杂质的场合。的场合。吸附停留时间决定于达到平衡的快慢，一般在吸附停留时间决定于达到平衡的快慢，一般在比较短比较短的时间的时间内，两相即达到内，两相即达到吸附平衡吸附平衡。用于液体吸附用于液体吸附7.4.1 搅拌槽搅拌槽间歇操作间歇操作连续操作连续操作半间歇半连续操作半间歇半连续操作 多用于多用于液体液体的精制，例如的精制，例如:脱水、脱色、脱臭脱
34、水、脱色、脱臭等。等。吸附剂吸附剂一般为液体处理量的一般为液体处理量的0.1-20(质量分数质量分数)，停留时间停留时间数数分钟分钟。7.4.2 固定床吸附器固定床吸附器用途：用途：固定床固定床吸附器吸附器结构简单结构简单，操作方便操作方便，是吸附分离中，是吸附分离中应用最广泛的一类吸附器。应用最广泛的一类吸附器。可用于从气体中可用于从气体中回收溶剂蒸气、气体净化回收溶剂蒸气、气体净化和主体和主体分分离、离、气体和液体的气体和液体的脱水脱水以及以及难分离有机液体难分离有机液体混合物混合物的分离等。的分离等。用于用于气体、气体、液体吸附液体吸附7.4.2 固定床吸附器固定床吸附器一、固定床吸附器
35、的一、固定床吸附器的操作特性操作特性传质区和传质区和透过曲线透过曲线进进料料CFCout床层内吸床层内吸附质浓度附质浓度Cout/CF=0Cout/CF=10Cout/CF1t=00ttbC-床床层层内吸内吸附附质浓质浓度度透过曲线透过曲线MTZ-传质传质区区Cout/CF=0.05LUBCout/CF=0.957.4.2 固定床吸附器固定床吸附器 吸附吸附等温线等温线类型对类型对浓浓度度波波的影响的影响 1.固定床吸附器的固定床吸附器的操作特性操作特性7.4.2 固定床吸附器固定床吸附器 浓度波的移动速度浓度波的移动速度假设：假设：流体以流体以活塞流活塞流通过床层，流经床层空隙的实际流速是常
36、数通过床层，流经床层空隙的实际流速是常数u；流体主体中溶质与吸附剂上的吸附质流体主体中溶质与吸附剂上的吸附质瞬时达到平衡瞬时达到平衡；无轴向弥无轴向弥散散；等温操作等温操作。恒定浓度恒定浓度c的浓度波移动速度的浓度波移动速度uc为：为：该方程说明该方程说明浓度波移动速度浓度波移动速度取决于流体在床层空隙中的取决于流体在床层空隙中的流速流速和和吸附等温吸附等温线的斜率。线的斜率。一般说来，浓度波在床层中移动的速度一般说来，浓度波在床层中移动的速度uc比流体流经床层空隙的速度比流体流经床层空隙的速度u小小得多。得多。例如假设例如假设b0.5，吸附平衡关系，吸附平衡关系q5000c则则dq/dc50
37、00，从式从式(7-43)计算出计算出u c/u0.0002。如果如果u0.914m/s，则，则uc0.000183m/s。若床层高度若床层高度1.83m，那么浓度波穿过床层需，那么浓度波穿过床层需2.78h。7.4.2 固定床吸附器固定床吸附器 影响传质区的因素影响传质区的因素吸附剂颗粒尺寸吸附剂颗粒尺寸吸附剂床层深度吸附剂床层深度气体流速的影响气体流速的影响温度的影响温度的影响吸附质浓度的影响吸附质浓度的影响压力的影响压力的影响LUB未用床层的等价长度未用床层的等价长度7.4.2 固定床吸附器固定床吸附器 吸附剂总的床层长度吸附剂总的床层长度LB=理想理想固定床吸附器固定床吸附器床层长度床
38、层长度（LES）+附加长度附加长度（LUB）二、由透过曲线确定吸附剂床层长度二、由透过曲线确定吸附剂床层长度MTZ-传质传质区区LUB取决于传质区取决于传质区MTZ的长度和在该传质区内的长度和在该传质区内c/cF分布的形状。分布的形状。对于理想固定床吸附器，因对于理想固定床吸附器，因MTZ0，故不需要故不需要LUB，但如果但如果LBLES，则，则LUB就是就是未用床层未用床层的长度的长度。一般情况一般情况MTZ不等于零，所以需要不等于零，所以需要LUB，它称为，它称为未用床层的等价长度未用床层的等价长度。未用床层未用床层7.4.2 固定床吸附器固定床吸附器二、由透过曲线确定吸附剂床层长度二、由
39、透过曲线确定吸附剂床层长度 理想固定床层长度理想固定床层长度LES和和未用床层的等价长度未用床层的等价长度LUB的计算的计算依赖于依赖于实验数据实验数据。为了从为了从实测的透过曲线实测的透过曲线确定确定LUB，实验时要采用与工业吸，实验时要采用与工业吸附器相同的附器相同的进料组成进料组成和和表观流速表观流速。LES的定位应使的定位应使A的面积等于的面积等于B的面积的面积(见图见图7-16)。则则Let)tt(LUBsbs图图7-16：Flash动画动画式中式中Le是实验床层长度。是实验床层长度。7.4.2 固定床吸附器固定床吸附器二、由透过曲线确定吸附剂床层长度二、由透过曲线确定吸附剂床层长度
40、对于理想情况从直径为对于理想情况从直径为D D的圆柱床中溶质的物料衡算得到，的圆柱床中溶质的物料衡算得到，式中，式中，tb为穿透时间，它可用于确定为穿透时间，它可用于确定LES。CF进料中吸附质浓度；进料中吸附质浓度；QF 进料的体积流量；进料的体积流量；qF 与进料浓度相平衡的吸附量；与进料浓度相平衡的吸附量；b 床层的堆积密度。床层的堆积密度。LUB除用上述方法确定之外，还可通过实测透过曲线数据计算除用上述方法确定之外，还可通过实测透过曲线数据计算tS，进而求出进而求出LUB。(7-47)dtccteFst)1(0 )LES()D(qtQCbFbFF24 (7-46)7.4.2 固定床吸附
41、器固定床吸附器例例7-4 已知用已知用4A分子筛固定床脱除氮气中水蒸气的吸附实验数据：床分子筛固定床脱除氮气中水蒸气的吸附实验数据：床层长度层长度Le=0.268m，操作温度，操作温度 T=28(忽略温度的变化忽略温度的变化)，p=4118Pa(忽忽略压降略压降)，进料流率，进料流率 G=144kmol/(hm2)，进料中水含量，进料中水含量CF=144010-6(体积体积)，分子筛原始含水量分子筛原始含水量q0=1kg/100kg分子筛分子筛，分子筛平衡含水量分子筛平衡含水量qF=0.215kgH2O/kg分子筛分子筛，床层堆积密度床层堆积密度b=713 kg/m3。透过曲线数据。透过曲线数
42、据见下表见下表(下页）。拟工业装置在与小试相同的温度、压力、质量流率和下页）。拟工业装置在与小试相同的温度、压力、质量流率和水含量下操作，确定透过时间为水含量下操作，确定透过时间为20h，出口气中水蒸气含量不大于，出口气中水蒸气含量不大于910-6(V)的床层高度。的床层高度。P P324324有印刷错误！请补充和修改！有印刷错误！请补充和修改！7.4.2 固定床吸附器固定床吸附器透过曲线数据见下表：透过曲线数据见下表：c出口出口/10-6(V)时间时间/hc出口出口/10-6(V)时间时间/hc出口出口/10-6(V)时间时间/h109.023810.2111511.519.036510.4
43、123511.7549.249810.6133012.099.465010.8141012.5339.680811.0144012.8809.898011.25144013.014210.0te=12.8h，tb=9.4h进料中水含量进料中水含量出口气中水蒸气含量出口气中水蒸气含量例例7-4tb=20h,b=713kg/m3qF=0.215 kg H2O/kg分子筛，q0=1kg/100kg分子筛)()4(2LESDqtQCbbFF(7-46)床层长度床层长度LB=理想床层长度理想床层长度（LES）+附加长度附加长度（LUB）例例7-4，解：解：22602592010181440kmolN/O
44、kgH.CF)mh/(kmol/DQF221444单位单位床层床层横截面积进料流率横截面积进料流率 G=144kmol/(hm2)mDqtQCLESbbFF511.0713)01.0215.0(2014402592.0)4(2例例7-4，解解：LUB=？m.Let)tt(LUBsbs0370268093104099310用积分法求用积分法求LUB积分得：积分得：从表中透过曲线数据得到：从表中透过曲线数据得到：te=12.8h，tb=9.4hLB=0.511+0.037=0.548m床层床层有效利用率：有效利用率：%.%.29310054805110dtccteFst)1(0 ts=10.93h
45、7.4.3 变温吸附循环变温吸附循环1.变温吸附循环原理变温吸附循环原理 下面以下面以沸石沸石脱除气体中的脱除气体中的水水分为分为例说明变温吸附循环原理例说明变温吸附循环原理 以以温度温度为热力学参数，在为热力学参数，在等压条等压条件件下借吸附量随下借吸附量随温度温度的变化特性的变化特性而实现的吸附分离过程而实现的吸附分离过程 在一定温度在一定温度T1、压力、压力PA下吸附下吸附A 加热解吸操作线加热解吸操作线AE7.4.3 变温吸附循环变温吸附循环吸附阶段开吸附阶段开始前，床层中始前，床层中沸石的含水量沸石的含水量为为qd，温度为，温度为Ta，其状态为点其状态为点I，吸附阶段吸附阶段开始后开
46、始后通入湿气体，其含通入湿气体，其含水量为水量为C0，温度为，温度为Ta，A点为点为湿气体湿气体吸附起点。直到整吸附起点。直到整个床层吸附饱和。个床层吸附饱和。床层中沸石的含水床层中沸石的含水量从量从qd上升到上升到q0再生阶段再生阶段用温度用温度Td、含水量为、含水量为Cd的热气体的热气体（D点）再生，其流向与吸附流向相反，靠近点）再生，其流向与吸附流向相反，靠近热气体入口的区域先升温至热气体入口的区域先升温至Td，平衡吸附量，平衡吸附量为为qd。因为。因为qdq0，所以沸石中的水解吸出来，所以沸石中的水解吸出来，直至达到直至达到qd，其状态为，其状态为D。脱水过程沿热气流。脱水过程沿热气流
47、流向推移，至床层全部再生完毕；流向推移，至床层全部再生完毕；冷却阶段冷却阶段用自产的干气冷却，用自产的干气冷却，其状态为了其状态为了Ta、cl，冷却后床，冷却后床层的状态又回到层的状态又回到I点。整个循点。整个循环在三者间运行；环在三者间运行；1.1.变温吸附循环原理变温吸附循环原理7.4.3 变温吸附循环变温吸附循环2.变温吸附循环流程变温吸附循环流程7.4.4 变压吸附变压吸附1.变压吸附原理变压吸附原理 以以压力压力为热力学参数，在为热力学参数，在等温条等温条件件下借吸附量随下借吸附量随压力压力的变化特性的变化特性而实现的吸附分离过程而实现的吸附分离过程。在一定温度在一定温度T1、压力、
48、压力PA下吸附下吸附A 减压解吸操作线减压解吸操作线AB吸附容量差值：吸附容量差值：q=qA-qB如果在吸附和解吸过程中，如果在吸附和解吸过程中，床层温度维持床层温度维持T T1 1不变。不变。从从B点在加热解吸操作线点在加热解吸操作线BD吸附容量差值：吸附容量差值：q=qB-qD 增加吸附和解吸过程吸附剂增加吸附和解吸过程吸附剂吸附量之差吸附量之差。7.4.4 变压吸附变压吸附1.变压吸附变压吸附操作原理操作原理 同时同时采用采用减压减压和和加热加热方法进方法进行解吸再生行解吸再生。在温度在温度T1、压力、压力PA下吸附（下吸附（A点点）吸附容量差值：吸附容量差值：q=qA-qD7.4.4
49、变压吸附变压吸附2.实际操作线实际操作线在实际的变压吸附分离操作中，吸附质在实际的变压吸附分离操作中，吸附质的的吸附热吸附热都都较大较大。伴随。伴随吸附过程放热吸附过程放热使使床层升温床层升温，操作点由，操作点由A A移至移至E E。解吸过程吸热解吸过程吸热使使床层降温床层降温，操作点为，操作点为F，故吸附循环沿，故吸附循环沿EF线进行。线进行。AE吸附容量差值：吸附容量差值：q=qE-qF7.4.4 变压吸附变压吸附3.变压吸附循环流程变压吸附循环流程7.4.5 连续逆流吸附连续逆流吸附 逆流逆流操作提供了操作提供了最大的传质推动力最大的传质推动力，原则上比间歇系，原则上比间歇系统能更有效地
50、利用吸附剂的吸附能。统能更有效地利用吸附剂的吸附能。然而逆流接触或是需要然而逆流接触或是需要吸附剂循环吸附剂循环，或是需要仔细设，或是需要仔细设计流动系统计流动系统模拟吸附剂的循环模拟吸附剂的循环。移动床移动床吸附吸附气相、液相气相、液相模拟移动床模拟移动床吸附吸附气相、液相气相、液相7.4.5 连续逆流吸附连续逆流吸附1.移动床吸附移动床吸附气相气相7.4.5 连续逆流吸附连续逆流吸附2.移动床吸附移动床吸附液相液相7.4.5 连续逆流吸附连续逆流吸附移动床液相吸附原理移动床液相吸附原理：图图7-27 固液相移动床吸附塔的工作原理固液相移动床吸附塔的工作原理设设进料进料液里只含液里只含A、B
