化工原理第九章吸附分離

1、第九章 吸附分離第一節(jié) 概述9.1.1 、吸附現(xiàn)象及其工業(yè)應用：1、吸附分離應用背景：吸附操作在化工、輕工、煉油、冶金和環(huán)保等領域都有著廣泛的應用。如氣體中水分的 脫除，溶劑的回收，水溶液或有機溶液的脫色、脫臭，有機烷烴的分離，芳烴的精制等。2、吸附的定義及概念：固體物質(zhì)表面對氣體或液體分子的吸著現(xiàn)象稱為吸附。其中被吸附的物質(zhì)稱為吸附質(zhì)， 固體物質(zhì)稱為吸附劑。3、吸附機理的分類：根據(jù)吸附質(zhì)和吸附劑之間吸附力的不同，吸附操作分為物理吸附與化學吸附兩大類。、物理吸附或稱范德華吸附：它是吸附劑分子與吸附質(zhì)分子間吸引力作用的結(jié)果，因其分 子間結(jié)合力較弱， 故容易脫附， 如固體和氣體之間的分子引力大于氣

2、體內(nèi)部分子之間的引力， 氣體就會凝結(jié)在固體表面上，吸附過程達到平衡時，吸附在吸附劑上的吸附質(zhì)的蒸汽壓應等 于其在氣相中的分壓。、化學吸附：是由吸附質(zhì)與吸附劑分子間化學健的作用所引起，其間結(jié)合力比物理吸附大 得多，放出的熱量也大得多，與化學反應熱數(shù)量級相當，過程往往不可逆?；瘜W吸附在催化 反應中起重要作用。本章主要討論物理吸附。4、吸附機理的判斷依據(jù)：、化學吸附熱與化學反應熱相近，比物理吸附熱大得多。如二氧化碳和氫在各種吸附劑上的化學吸附熱為83740J/mol和62800J/mol,而這兩種氣體的物理吸附熱約為 25120J/mol 和 8374Jmol。、化學吸附有較高的選擇性。如氯可以被鎢

3、或鎳化學吸附。物理吸附則沒有很高的選擇性， 它主要取決于氣體或液體的物理性質(zhì)及吸附劑的特性。、化學吸附時，溫度對吸附速率的影響較顯著，溫度升高則吸附速率加快，因其是一個活 化過程，故又稱活化吸附。而物理吸附即使在低溫下，吸附速率也可能較大，因它不屬于活 化吸附。、化學吸附總是單分子層或單原子層，而物理吸附則不同，低壓時，一般是單分子層，但 隨著吸附質(zhì)分壓增大，吸附層可能轉(zhuǎn)變成多分子層。5、吸附劑的再生及方法：吸附劑的再生，即吸附劑脫附，對吸附過程是非常重要的，通常采用的方法：提高溫度 或降低吸附質(zhì)在氣相中的分壓，這樣的結(jié)果：吸附質(zhì)將以原來的形態(tài)從吸附劑上回到氣相或 液相，這種現(xiàn)象稱為“脫附”，

4、所以物理吸附過程是可逆的。吸附分離過程正是利用物理吸 附的這種可逆性來實現(xiàn)混合物的分離。6、吸附分離過程的分類：目前工業(yè)生產(chǎn)中吸附過程主要有如下幾種： 、變溫吸附 在一定壓力下吸附的自由能變化 G有如下關(guān)系： G A H TA S(9-1 )式中 H為焓變，A S為熵變。當吸附達到平衡時，系統(tǒng)的自由能，熵值都降低.故式(9-1) 中焓變AH為負值，表明吸附過程是放熱過程，可見若降低操作溫度，可增加吸附量，反之 亦然。因此，吸附操作通常是在低溫下進行，然后提高操作溫度使被吸附組分脫附。通常用 水蒸汽直接加熱吸附劑使其升溫解吸，解吸物與水蒸汽冷凝后分離。吸附劑則經(jīng)間接加熱升 溫干燥和冷卻等階段組成

5、變溫吸附過程，吸附劑循環(huán)使用。 、變壓吸附 也稱為無熱源吸附。恒溫下，升高系統(tǒng)的壓力，床層吸附容量增多，反 之系統(tǒng)壓力下降，其吸附容量相應減少，此時吸附劑解吸、再生，得到氣體產(chǎn)物的過程稱為 變壓吸附。根據(jù)系統(tǒng)操作壓力變化不同，變壓吸附循環(huán)可以是常壓吸附、真空解吸，加壓吸 附、常壓解吸，加壓吸附、真空解吸等幾種方法。對一定的吸附劑而言，壓力變化愈大，吸 附質(zhì)脫除得越多。 、溶劑置換 在恒溫恒壓下，已吸附飽和的吸附劑可用溶劑將床層中已吸附的吸附質(zhì) 沖洗出來，同時使吸附劑解吸再生。常用的溶劑有水、有機溶劑等各種極性或非極性物質(zhì)。7、吸附分離過程的適用范圍：吸附分離是利用混合物中各組分與吸附劑間結(jié)合力

6、強弱的差別，即各組分在固相(吸附 劑)與流體間分配不同的性質(zhì)使混合物中難吸附與易吸附組分分離。適宜的吸附劑對各組分 的吸附可以有很高的選擇性，故特別適用于用精餾等方法難以分離的混合物的分離，以及氣 體與液體中微量雜質(zhì)的去除。此外，吸附操作條件比較容易實現(xiàn)。9.1.2 、常用吸附劑 1、工業(yè)吸附劑的定義：通常固體都具有一定的吸附能力，但只有具有很高選擇性和很大吸附容量的固體才能作 為工業(yè)吸附劑。2、吸附劑的選擇原則：吸附劑的性能對吸附分離操作的技術(shù)經(jīng)濟指標起著決定性的作用，吸附劑的選擇是非常重要的一環(huán)，一般選擇原則為： 、具有較大的平衡吸附量。一般比表面積大的吸附劑，其吸附能力強； 、具有良好的

7、吸附選擇性； 、容易解吸，即平衡吸附量與溫度或壓力具有較敏感的關(guān)系； 、有一定的機械強度和耐磨性，性能穩(wěn)定，較低的床層壓降，價格便宜等。3、吸附劑的種類：目前工業(yè)上常用的吸附劑主要有活性炭，活性氧化鋁，硅膠，分子篩等。、活性炭 、活性炭的結(jié)構(gòu)特點：是具有非極性表面，是一種疏水性和親有機物的吸附劑，故又 稱為非極性吸附劑。 、活性炭的優(yōu)點：是吸附容量大，抗酸耐堿、化學穩(wěn)定性好，解吸容易，在高溫下進 行解吸再生時其晶體結(jié)構(gòu)不發(fā)生變化，熱穩(wěn)定性高，經(jīng)多次吸附和解吸操作，仍能保持原有 的吸附性能。 、活性炭常用于溶劑回收，溶液脫色、除臭、凈制等過程。是當前應用最普遍的吸附 劑。 、活性炭的制備：通常所

8、有含碳的物料，如木材，果殼，褐煤等都可以加工成黑炭， 經(jīng)活化制成活性炭。活化方法主要有兩種：即藥品活化和氣體活化。藥品活化是在原料中加入藥品，如ZnCI2、H3PO等，在非活性氣體中加熱，進行干餾和活化。氣體活化是通入水蒸汽、 CQ空氣等在7001100C下反應，使之活化。炭中含水會降低其活性。一般活性炭的活化 表面約6001700nVg。、硅膠硅膠是一種堅硬無定形鏈狀和網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的硅酸聚合物顆粒，是一種親水性極性吸附劑。 因其是多孔結(jié)構(gòu)比表面積可達 350 m2 g 左右。工業(yè)上用的硅膠有球型、無定型、加工成型 及粉末狀四種。主要用于氣體的干燥脫水，催化劑載體及烴類分離等過程。、活性氧化鋁活性

9、氧化鋁為無定形的多孔結(jié)構(gòu)物質(zhì)，一般由氧化鋁的水合物 （以三水合物為主 ）加熱，脫水和活化制得，其活化溫度隨氧化鋁水合物種類不同而不同，一般為250500C。孔徑約從20?到50?。典型的比表面積為200500mi/g?；钚匝趸X具有良好的機械強度，可在移 動床中使用。對水具有很強的吸附能力，故主要用于液體和氣體的干燥。、分子篩沸石吸附劑是具有特定而且均勻一致孔徑的多孔吸附劑，它只能允許比其微孔孔徑小的 分子吸附上去，比其大的分子則不能進入，有分子篩的作用，故稱為分子篩。分子篩（合成沸石）一般可用-式表示的含水硅酸鹽。其中M表n表示復合離子的價數(shù)，y和2左右的稱為A型分子篩，3左示金屬離子，多數(shù)

10、為鈉、鉀、鈣，也可以是有機胺或復合離子。 w分別表示SiO4和H2O的分子數(shù)，y又稱為硅鋁比，硅鋁比為 右的稱為X型分子篩，3以上稱為Y型分子篩。根據(jù)原料配比、組成和制造方法不同，可以制成不同孔徑（一般從3?到8?）和形狀（圓形、 橢圓形）的分子篩。分子篩是極性吸附劑，對極性分子，尤其對水具有很大的親和力。由于分 子篩突出的吸附性能，使得它在吸附分離中有著廣泛的應用，主要用于各種氣體和液體的干 燥，芳烴或烷烴的分離及用作催化劑及催化劑載體等。表9-1所示為分子篩的特性與應用。第二節(jié)吸附平衡 9.2.1 、概念1、吸附平衡：在一定溫度和壓力下，當流體（氣體或液體）與固體吸附劑經(jīng)長時間充分接 觸后

11、，吸附質(zhì)在流體相和固體相中的濃度達到平衡狀態(tài)，稱為吸附平衡。2、 吸附過程的方向和極限：吸附平衡關(guān)系決定了吸附過程的方向和極限，是吸附過程的 基本依據(jù)。若流體中吸附質(zhì)濃度高于平衡濃度，則吸附質(zhì)將被吸附，若流體中吸附質(zhì)濃度低 于平衡濃度，則吸附質(zhì)將被解吸，最終達吸附平衡，過程停止。3、 吸附平衡的影響因素：單位質(zhì)量吸附劑的平衡吸附量：受到許多因素的影響，如吸 附劑的物理結(jié)構(gòu)（尤其是表面結(jié)構(gòu)）和化學組成，吸附質(zhì)在流體相中的濃度，操作溫度等。 9.2.2 、吸附等溫線1 、吸附平衡關(guān)系表示方法，通常用等溫下單位質(zhì)量吸附劑的吸附容量與；流體相中吸附質(zhì)的分壓/ （或濃度C）間的關(guān)系.；=.；心 表示，稱

12、為吸附等溫線。由于吸附劑和吸附 質(zhì)分子間作用力的不同，形成了不同形狀的吸附等溫線。2 、以：對相對壓力牛作圖（為該溫度下吸附質(zhì)的飽和蒸汽壓），所得曲線為等 溫線。3 、Brun suer等將典型的吸附等溫線歸納成五類，如書 p347圖9 1所示。其中I、U、 W型對吸附量坐標方向凸出的吸附等溫線，稱為優(yōu)惠等溫線，它有利于吸附的完全分離，因 為當吸附質(zhì)的分壓很低時，吸附劑的吸附量仍保持在較高水平， 從而保證痕量吸附質(zhì)的脫除。 川、V型曲線在開始一段曲線向吸附量坐標方向下凹，屬非優(yōu)惠吸附等溫線。4 、經(jīng)驗方程：吸附作用是固體表面力作用的結(jié)果， 但這種表面力的性質(zhì)至今未被充分了 解。為了說明吸附作用

13、，許多學者提出了多種假設或理論，但只能解釋有限的吸附現(xiàn)象，可 靠的吸附等溫線只能依靠實驗測定。至今，尚未得到一個通用的半經(jīng)驗方程。下面介紹幾種 常用的經(jīng)驗方程。、Langmuir方程a ）、朗格繆爾吸附模型假定條件為： 、吸附是單分子層的，即一個吸附位置只吸附一個分子； 、被吸附分子之間沒有相互作用力； 、吸附劑表面是均勻的。上述假定條件下的吸附稱為理想吸附。b ）、Langmuir方程的推導過程：吸附速率與吸附質(zhì)氣體分壓和吸附劑表面上吸附位置數(shù)成正比。若用表示吸附劑表面上已被吸附的位置的分率，則吸附速率為：kp（1- 0）。已被吸附的分子會從固體表面逸出，稱為脫附。顯然脫附速率與已被吸附的位

14、置數(shù)也成正比，即脫附速率為：k 9。吸附平衡時,吸附速率與脫附速率相等，即達到了動態(tài)吸附平衡，可表示為：令：一廠廣則上式變?yōu)椋?+切(9-2 )若以:表示氣體分壓為一下的吸附量， =表示所有的吸附位置被占滿時的飽和吸附6-量，則：/g臨，式(9 2)經(jīng)整理可得：二也p1+協(xié)(9-3)式(9 3)稱為朗格繆爾吸附等溫線方程。式中銳-吸附劑的的最大吸附量；q實際吸附量，p吸附質(zhì)在氣體混合物中的分壓；朗格繆爾常數(shù)。c )、Langmuir方程的應用：計算吸附劑的比表面積式(9 3)還可寫成:(9-4)1_：可以求出形成單P如以-為縱坐標，:為橫坐標作圖，可得一直線，從該直線斜率分子層的吸附量，進而可

15、計算吸附劑的比表面積。，Ar，CH等氣體。d）、朗格繆爾方程適用范圍：僅適用于I型等溫線，如用活性炭吸附、BET方程（Brunauer、Emmet、Teller）a）、BET模型假定條件 、吸附劑表面上可擴展到多分子層吸附； 、被吸附組分之間無相互作用力，而吸附層之間的分子力為范德華力; 、吸附劑表面均勻； 、第一層的吸附熱為物理吸附熱，第二層以上為液化熱； 、總吸附量為各層吸附量的總和；每一層都符合Langmuir公式。b）、BET模型方程在以上假設的基礎上推導出 BET二參數(shù)方程為(9-5)（1-嶺）1他-1）菇pP式中： 一一達到吸附平衡時的平衡吸附量；第一層單分子層的飽和吸附量；/吸附

16、質(zhì)的平衡分壓；廣吸附溫度下吸附質(zhì)氣體的飽和蒸汽壓;與吸附熱有關(guān)的常數(shù)。c）、BET模型方程的適用范圍式（9 5）的適用范圍為匚=0.050.35,d）、BET模型方程與Langmuir方程的聯(lián)系BET吸附模型是在Langmuir模型基礎上建立起來的。Langmuir模型的前提條件是假設在吸附劑表面上只形成單分子層，而 BET模型吸附劑表面上可擴展到多分子層吸附；若吸附 質(zhì)的平衡分壓遠小于其飽和蒸汽壓，即遠遠小于 ”則：q _ pP(9-6)令 ，則式（9 6）即為Langmuir方程，所以BET方程是廣泛的Langmuir方程可適用于I、u、川型等溫線。、Freundlich 方程a )、表達

17、式為：I心戸(9-7)式中一一與吸附劑的種類、特性、溫度等有關(guān)的常數(shù)與溫度有關(guān)的常數(shù)，且】1。和1都由實驗測定。b)、參數(shù)的計算：將式(9 7)兩邊取對數(shù)得lg(?= -lgf n3( 9-8)在對數(shù)坐標系中，以/為縱坐標，-為橫坐標作圖可得一直線，該直線截距為，斜率為 d：。若 d：二0.10.5之間，表示吸附容易進行，超過 2時，則表示吸附很難進行。式(9 7)在中壓部分與實驗數(shù)據(jù)符合得很好，但在低壓和高壓部分則有較大偏差。對液相吸附，式(9 7)常能給出較滿意的結(jié)果。 9.2.3、單一氣體(或蒸汽)的吸附平衡1、吸附平衡的差異:(k. 2/ISOC-1若干氣體在活性損上的吸附平衡曲線從上

18、圖可以看出：不同的氣體（或蒸汽）在相同條件下吸附程度差異較大，如在 100C和 相同氣體平衡分壓下，苯的平衡吸附量比丙酮平衡吸附量大得多。一般規(guī)律是、分子量較大而臨界溫度較低的氣體（或蒸汽）較容易被吸附。、化學性質(zhì)的差異，如分子的不飽和程度也影響吸附的難易。、對于所謂“永久性氣體”，通常其吸附量很小，如圖中甲烷吸附等溫線所示；、同種氣體在不同吸附劑上的平衡吸附量不同， 即使是同類吸附劑，若所用原料組成， 配比及制備方法不同，其平衡吸附量也會有較大差別。2、吸附劑兩種再生方法的依據(jù):、升溫再生：在某些方面氣體在固體吸附劑上的吸附平衡與氣體在液相中的溶解度相類似，圖92表示活性炭上三種物質(zhì)在不同溫

19、度下的吸附等溫線，由圖可知，對于同一種物質(zhì)，如丙酮，在同一平衡分壓下，平衡吸附量隨著溫度降低而增加，因為吸附是一個放熱過 程，所以工業(yè)生產(chǎn)中常用升溫的方法使吸附劑脫附再生。、壓力再生：同樣，在一定溫度下，隨著氣體壓力的升高，活性炭上三種物質(zhì)的平衡 吸附量增加。如丙酮在100C下氣相壓力為190mmH時的平衡吸附量為0.2kg丙酮/kg活性炭 （圖中點所示）。提高丙酮氣體分壓可使更多的丙酮被吸附。反之，則將已吸附在活性炭上的丙酮解吸。這也是工業(yè)生產(chǎn)中用改變壓力的方法使吸附劑脫附再生所依據(jù)的基本原理。3. 吸附的滯留現(xiàn)象：、定義：吸附劑在使用過程中經(jīng)反復吸附解吸，其微孔和表面結(jié)構(gòu)會發(fā)生變化，隨之

20、其吸附性能也將發(fā)生變化，有時會出現(xiàn)吸附得到的吸附等溫線與脫附得到的解吸等溫線在一 定區(qū)間內(nèi)不能重合的現(xiàn)象，如圖 93所示。這一現(xiàn)象稱為吸附的滯留現(xiàn)象。、特點：在相同的平衡吸附量下，吸附平衡壓力一定高于脫附的平衡壓力。 9.2.4、液相吸附平衡1、溶劑的種類對吸附平衡的影響：液相吸附的機理比氣相吸附復雜， 對于同種吸附劑，溶劑的種類對溶質(zhì)的吸附亦有影響。 因為吸附質(zhì)在溶劑中的溶解度不同，吸附質(zhì)在不同溶劑中的分子大小不同以及溶劑本身的吸 附均對吸附質(zhì)的吸附有影響。一般說溶質(zhì)被吸附量隨溫度升高而降低，溶質(zhì)的溶解度越大， 被吸附量亦越大。2、溶質(zhì)的相對吸附量或表觀吸附量:液相吸附時，溶質(zhì)和溶劑都可能被

21、吸附。因為總吸附量難以測量，所以只能以溶質(zhì)的相對吸附量或表觀吸附量來表示。用已知質(zhì)量的吸附劑來處理已知體積的溶液，以 ：表示單位 質(zhì)量吸附劑處理的溶液體積 溶液kg吸附劑，由于溶質(zhì)優(yōu)先被吸附，溶液中溶質(zhì)濃度由初 始值降到平衡濃度 被吸附溶質(zhì) 溶液，若忽略溶液體積變化，則溶質(zhì)的表觀吸附量為：被吸附質(zhì) 、二吸附劑。對于稀溶液，溶劑被吸附的分數(shù)很小，用這種方 法表示吸附量是可行的。3、液相吸附平衡的表示:對于稀溶液，在較小溫度范圍內(nèi)，吸附等溫線可用Freundlich經(jīng)驗方程式表示：仁 WG?（9-9）式中廣和：為體系的特性常數(shù)。以為縱坐標 二一 -，為橫坐標，在雙對數(shù)坐標_上作圖，式（9 9）表示

22、斜率為；，截距為：的一條直線。圖9 4表示不同溶劑對硅膠吸附 苯甲酸的吸附等溫線的影響（圖中（a）、（b）兩線），（c）線則表示在高濃度范圍時，直線有所偏 差。可見應用Freundlich式有適宜的濃度范圍。第三節(jié)吸附機理和吸附速率 9.3.1、吸附機理：1 、吸附質(zhì)被吸附劑吸附的過程可分為三步: 、外擴散：吸附質(zhì)從流體主體通過擴散（分子擴散與對流擴散）傳遞到吸附劑顆粒的外表面。因為流體與固體接觸時，在緊貼固體表面處有一層滯流膜，所以這一步的速率主要取 決于吸附質(zhì)以分子擴散通過這一滯流膜的傳遞速率。 、內(nèi)擴散：吸附質(zhì)從吸附劑顆粒的外表面通過顆粒上微孔擴散進入顆粒內(nèi)部，到達顆 粒的內(nèi)部表面。 、

23、吸附：吸附質(zhì)被吸附劑吸附在內(nèi)表面上。2 、吸附機理的分類：對于物理吸附，第三步通常是瞬間完成的，所以吸附過程的速率通常由前二步?jīng)Q定，據(jù) 內(nèi)、外擴散速率的相對大小分為：外擴散控制、內(nèi)擴散控制和內(nèi)外擴散聯(lián)合控制三種。9.3.2 、吸附速率：1 、定義：當含有吸附質(zhì)的流體與吸附劑接觸時，吸附質(zhì)將被吸附劑吸附，吸附質(zhì)在單位時間內(nèi)被 吸附的量稱為吸附速率。吸附速率是吸附過程設計與生產(chǎn)操作的重要參量。2 、影響因素：吸附速率與體系性質(zhì) （吸附劑、 吸附質(zhì)及其混合物的物理化學性質(zhì) ） 、操作條件 （溫度、壓 力、兩相接觸狀況 ） 以及兩相組成等因素有關(guān)。3 、吸附過程不同階段的吸附速率大?。簩τ谝欢w系，在

24、一定的操作條件下，兩相接觸、吸附質(zhì)被吸附劑吸附的過程如下：開始時，吸附質(zhì)在流體相中濃度較高，在吸附劑上的含量較低，遠離平衡狀態(tài)，傳質(zhì)推動 力大，故吸附速率高。過程中期，隨著過程的進行，流體相中吸附質(zhì)濃度降低，吸附劑上吸附質(zhì)含量增高，傳質(zhì) 推動力降低吸附速率逐漸下降，末期平衡時，經(jīng)過很長時間，吸附質(zhì)在兩相間接近平衡，吸附速率趨近于零。4 、吸附過程為非定態(tài)過程，其吸附速率可以表示為吸附劑上吸附質(zhì)的含量、流體相中吸 附質(zhì)的濃度、接觸狀況和時間等的函數(shù)。 933、吸附的傳質(zhì)速率方程:根據(jù)上述機理，對于某一瞬間，按擬穩(wěn)態(tài)處理，吸附速率可分別用外擴散、內(nèi)擴散或總傳質(zhì)速率方程表示。1）、外擴散傳質(zhì)速率方程

25、:吸附質(zhì)從流體主體擴散到固體吸附劑外表面的傳質(zhì)速率方程為(9-10)式中吸附劑上吸附質(zhì)的含量，-吸附質(zhì)二吸附劑;!時間，s；*每千克吸附劑的吸附速率，；_：；吸附劑的比外表面,/流體相中吸附質(zhì)的平均濃度，七;八；吸附劑外表面上流體相中吸附質(zhì)的濃度，匸;J 流體相側(cè)的傳質(zhì)系數(shù)，-。二與流體物性，顆粒幾何形狀，兩相接觸的流動狀況以及溫度、壓力等操作條件有關(guān)。 有些關(guān)聯(lián)式可供使用，具體可參閱有關(guān)專著。2）、內(nèi)擴散傳質(zhì)速率方程：內(nèi)擴散過程比外擴散過程要復雜得多。按照內(nèi)擴散機理進行內(nèi)擴散計算非常困難，把內(nèi)擴散過程簡單地處理成從外表面向顆粒內(nèi)的傳質(zhì)過程，內(nèi)擴散傳質(zhì)速率方程為(9-11)式中I吸附劑固相側(cè)的

26、傳質(zhì)系數(shù)，七廠円；晞 吸附劑外表面上的吸附質(zhì)含量，七&/七& ,此處與吸附質(zhì)在流體相中的濃度C呈平衡;:吸附劑上吸附質(zhì)的平均含量，二與吸附劑的微孔結(jié)構(gòu)性質(zhì)、吸附質(zhì)的物性以及吸附過程持續(xù)時間等多種因素有關(guān)。：值由實驗測定。3）、總傳質(zhì)速率方程:由于吸附劑外表面處的濃度與二無法測定，因此通常按擬穩(wěn)態(tài)處理，將吸附速率用總傳質(zhì)方程表示為(9-12)式中/與吸附質(zhì)含量為1的吸附劑呈平衡的流體中吸附質(zhì)的濃度，七；一一與吸附質(zhì)濃度為C的流體呈平衡的吸附劑占吸附質(zhì)的含量， 7以丄-表示推動力的總傳質(zhì)系數(shù)，霍一；亠：一一以 工一表示推動力的總傳質(zhì)系數(shù)，七一用”對于穩(wěn)態(tài)傳質(zhì)過程，存在d8(913)-上= p(圳g

27、)如果在操作的濃度范圍內(nèi)吸附平衡為直線,即:(914)則根據(jù)式(9 13)和(9 14)整理可得:1 1 1Kf kF加怠(9 15a)(915b)式（9 15）表示吸附過程的總傳質(zhì)阻力為外擴散阻力與內(nèi)擴散阻力之和。若內(nèi)擴散很快，過程為外擴散控制，二接近:，貝U 7 - -。若外擴散很快，過程為內(nèi)擴散控制，接近于-：則-：:o第四節(jié)吸附設備與吸附過程計算 941、固定床吸附器與固定床吸附過程計算：1、固定床吸附器：、形式與結(jié)構(gòu)：工業(yè)上應用最多的吸附設備是固定床吸附器，主要有立式和臥式兩種，都是圓柱形容器。圖96為臥式圓柱形吸附器，兩端為球形頂蓋，靠近底部焊有橫柵條8,其上面放置可拆式鑄鐵柵條9

28、,柵條上再放金屬網(wǎng)（也可用多孔板替代柵條），若吸附劑顆粒細，可在金屬網(wǎng)上 先堆放粒度較大的礫石再放吸附劑。圖 97為立式吸附器示意圖，基本結(jié)構(gòu)與臥式相同。、吸附過程的操作方式：a）、間隙過程：欲處理的流體通過固定床吸附器時，吸附質(zhì)被吸附劑吸附，流體是由出 口流出，操作時吸附和脫附交替進行。b）、連續(xù)過程：通常流程中都裝有兩臺以上吸附器，以便切換使用。圖9 8為典型的有兩個吸附器輪流切換操作流程的示意圖。 當A器在吸附時原料氣由下方通人（通B器的閥門關(guān) 閉），吸附后的原料氣從頂部出口排出。與此同時，吸附器 B占處于脫附再生階段，再生用氣體由加熱器加熱至要求的溫度，從頂部進入 B器（通A器的閥門關(guān)

29、閉），再生氣進入吸附器的 流向與原料氣相反，再生氣攜帶從吸附劑上脫附的組分從吸附器底部放出，經(jīng)冷卻器冷凝分離，再生氣循環(huán)使用。如果所帶組分不易冷凝，要采用其它方法使之分離。、優(yōu)缺點：a ）、優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單、造價低，吸附劑磨損少。b ）、缺點 :i）操作麻煩，因是間歇操作，操作過程中兩個吸附器需不斷地周期性切換；ii）單位吸附劑生產(chǎn)能力低，因備用設備雖然裝有吸附劑，但處于非生產(chǎn)狀態(tài)；iii）固定床吸附劑床層尚存在傳熱性能較差，床層傳熱不均勻等缺點。2、固定床吸附器的操作特性：1） 、非定態(tài)的傳質(zhì)過程當流體通過固定床吸附劑顆粒層時，床層中吸附劑的吸附量隨著操作過程的進行而逐漸增加，同時床層內(nèi)各處濃

30、度分布也隨時間而變化。（1） 過程說明：吸附器內(nèi)床層濃度及流出物濃度在整個吸附操作過程中的變化，可結(jié)合圖99 來說明）、未吸附區(qū)吸附質(zhì)濃度為 的流體由吸附器上部加入，自上而下流經(jīng)高度為浪的新鮮吸附劑床層。開始時，最上層新鮮吸附劑與含吸附質(zhì)濃度較高的流體接觸，吸附質(zhì)迅速地被吸附，濃 度降低很快，只要吸附劑床層足夠，流體中吸附質(zhì)濃度可以降為零。經(jīng)過一段時間 dl后,吸 附器內(nèi)吸附劑上吸附質(zhì)含量變化情況如圖 9 9上部(a)圖所示。水平線密度大小表示固定床 內(nèi)吸附劑上吸附質(zhì)的濃度分布，頂端的吸附劑上吸附質(zhì)含量高，由上而下吸附劑上吸附質(zhì)含 量逐漸降低，到一定高度1以下的吸附劑上吸附質(zhì)含量均為零，即仍保

31、持初始狀態(tài)，稱該區(qū)為未吸附區(qū)。此時出口流體中吸附質(zhì)組成 J近于零。吸附劑上吸附質(zhì)的組成分布如圖9 9(b) 中的線所示。ii )、吸附傳質(zhì)區(qū)、吸附傳質(zhì)區(qū)高度繼續(xù)操作至 匸時，由于吸附劑不斷吸附，吸附器上端有一段吸附劑上吸附質(zhì)的含量已 經(jīng)達到飽和，向下形成一段吸附質(zhì)含量從大到小的J形分布的區(qū)域，如圖99(b)中從匚到匸的I線所示。這一區(qū)域為吸附傳質(zhì)區(qū)，其所占床層高度稱為吸附傳質(zhì)區(qū)高度，此區(qū)以下 仍是未吸附區(qū)。iii)、飽和區(qū)在飽和區(qū)內(nèi)，兩相處于平衡狀態(tài)，吸附過程停止；從高度處開始，兩相又處于不平衡狀態(tài)，吸附質(zhì)繼續(xù)被吸附劑吸附，隨之吸附質(zhì)在流體中的濃度逐漸降低，至匸處接近于零， 此后，過程不再進行

32、，如圖9 9(c)中的 匸線所示。iv )、吸附波吸附傳質(zhì)只在吸附傳質(zhì)區(qū)內(nèi)進行，再繼續(xù)操作，吸附器上端的飽和區(qū)將不斷擴大，吸附傳 質(zhì)區(qū)尤如“波”一樣向下移動，故稱為吸附波，其移動的速度遠低于流體流經(jīng)床層的速度。 到匚時，吸附傳質(zhì)區(qū)的前端已移至吸附器的出口。V)、穿透點與穿透曲線從吸附器流出的流體中吸附質(zhì)濃度突然升高到一定的最高允許值:,說明吸附過程達到所謂的“穿透點”。若再繼續(xù)通人流體，吸附傳質(zhì)區(qū)將逐漸縮小，而出口流體中吸附質(zhì)的濃 度將迅速上升，直至吸附傳質(zhì)區(qū)幾乎全部消失，吸附劑全部飽和，如圖99上部(d)圖所示， 這時出口流體中吸附質(zhì)濃度接近起始濃度 y。圖99(a)中流出物濃度曲線上從 到

33、丿段 稱為“穿透曲線”。實際上吸附操作只能進行到穿透點為止，從過程開始到穿透點所需時間 稱為穿透時間。vi) 、總吸附量與剩余吸附容量：圖99(b)中矩形的面積表示床高為吸附傳質(zhì)區(qū)高內(nèi)的吸附劑的總吸附量，其中陰影面積表示到穿透點時吸附器剩余的吸附容量。 圖99(a)中矩形的面積表示吸附傳 質(zhì)區(qū)高的床層內(nèi)吸附劑的總吸附容量， 其中陰影面積表示到穿透點時吸附器剩余的吸附容量。vii) 、吸附負荷曲線與穿透曲線的關(guān)系吸附負荷曲線與穿透曲線成鏡面相似，即從穿透曲線的形狀可以推知吸附負荷曲線。對 吸附速度高而吸附傳質(zhì)區(qū)短的吸附過程，其吸附荷曲線與穿透曲線均陡些。不僅吸附負荷曲線、穿透曲線、吸附傳質(zhì)區(qū)高度

34、和穿透時間互相密切相關(guān)，而且都與吸 附平衡性質(zhì)、吸附速率、流體流速、流體濃度以及床高等因素有關(guān)。一般穿透點隨床高的減 小，吸附劑顆粒增大，流體流速增大以及流體中吸附質(zhì)濃度增大而提前出現(xiàn)。所以在一定條件下，吸附劑的床層高度不宜太小。因為床高太小，穿透時間短，吸附操作循環(huán)周期短，使 吸附劑的吸附容量不能得到充分的利用。、作用：固定床吸附器的操作特性是設計固定床吸附器的基本依據(jù)，通常在設計固定 床吸附器時，需要用到通過實驗確定的穿透點與穿透曲線，因此實驗條件應盡可能與實際操 作情況相同。3、固定床吸附器的設計計算、固定床吸附器設計計算的主要內(nèi)容固定床吸附器設計計算的主要內(nèi)容是根據(jù)給定體系，分離要求和

35、操作條件，計算穿透時 間為某一定值（吸附器循環(huán)操作周期）時所需床層高度，或一定床高所需的穿透時間。對優(yōu)惠型等溫線系統(tǒng)，在吸附過程中吸附傳質(zhì)區(qū)的濃度分布 （吸附負荷曲線）很快達到一 定的形狀與高度，隨著吸附過程不斷進行，吸附傳質(zhì)區(qū)不斷向前平移，但吸附負荷曲線的形 狀幾乎不再發(fā)生變化。因此應用不同床高的固定床吸附器將得到相同形狀的穿透曲線。當操 作到達穿透點時，在從床人口到吸附傳質(zhì)區(qū)的起始點 I處的一段床層中吸附劑全部飽和在吸 附傳質(zhì)區(qū)（從匸到-）中吸附劑上的吸附質(zhì)含量從幾乎飽和到幾乎不含吸附質(zhì)，其中吸附質(zhì) 的總吸附量可等于床層高為 -的床層的飽和吸附量。所以整個床層高中相當于床高為站+加二血的床

36、層飽和，而有 丹認的床高還沒有吸附，這段高度稱為未用床層高 扎。對 于一定吸附符合曲線，二為一定值。根據(jù)小型實驗結(jié)果進行放大設計的原則是未用床高二不因總床高不同而不同，所以，只要求出未用床高二，即可進行固定床吸附器的設計，即H = hhi0、確定未用床高 V有兩種方法： 根據(jù)完整的穿透曲線求 -。如圖910所示，當達到穿透點時，相當于吸附傳質(zhì)區(qū)前沿到達床的出口。乩時相當于吸附傳質(zhì)區(qū)移出床層，即床層中的吸附劑已全部飽和。圖中陰影面積E對應于到達穿透點時床層中吸附質(zhì)的總吸附量；陰影面積F對應于穿透點時床層尚能吸附的吸附量，因此到達穿透點時的未用床高為：E ?(916) 根據(jù)穿透點與吸附劑的飽和吸附

37、量求。因為到達穿透點時被吸附的吸附質(zhì)總量為：(917)式中 流體流量，1 -：惰性流體/ s ；匚一一穿透時間，s；-流體中吸附質(zhì)初始組成，V吸附質(zhì)/ 二惰性流體；二一一與初始吸附劑呈平衡的流體相中的平衡組成，V吸附質(zhì)/ 2惰性流體。吸附W 一:的吸附質(zhì)相當于有 丫，高的吸附劑層已飽和，故人=ApgXj(9T8)式中 一一床層截面積，m；八一一吸附劑床層視密度，kg/m；門；一一與流體相初始組成y。呈平衡的吸附劑上吸附質(zhì)含量，kg吸附質(zhì)/ kg吸附劑；吸附劑上初始吸附質(zhì)含量，kg吸附質(zhì)/ kg吸附劑。所以床中的未用床高為:(919) 動態(tài)平衡吸附量和靜態(tài)平衡吸附量:(i )、所謂動態(tài)平衡吸附量

38、是指在一定壓力、溫度條件下，流體通過固定床吸附劑，經(jīng) 過較長時間接觸達到穩(wěn)定的吸附量。它不僅與體系性質(zhì)、溫度和壓力有關(guān)，還與流動狀態(tài)和 吸附劑顆粒等影響吸附過程的動態(tài)因素有關(guān)。其值通常小于靜態(tài)平衡吸附量。女口：式(9 19)中的平衡吸附量是指動態(tài)平衡吸附量。(ii)、所謂靜態(tài)平衡吸附量是指一定溫度和壓力條件下，流體兩相經(jīng)過長時間充分接觸,吸附質(zhì)在兩相中達到平衡時的吸附量。 942、移動床吸附器與移動床吸附過程計算：1、移動床吸附器：流體或固體可以連續(xù)而均勻地在移動床吸附器中移動，穩(wěn)定地輸入和輸出。同時使流體與固體兩相接觸良好，不致發(fā)生局部不均勻的現(xiàn)象。移動床吸附器又稱“超吸附器”，特別適用于輕烴類氣體混合物的提純。圖912 所示， 是從甲烷氫混合氣體中提取乙烯的移動床吸附器。從吸附器底部出來的吸附劑由氣力輸送的 升降管（9） 送往吸附器頂部的料斗