中國農(nóng)大食品工程原理第8章(6)液體吸附與離子交換

中國農(nóng)大食品工程原理第8章(6)液體吸附與離子交換

第8章液體吸附與離子交換吸附與離子交換都是相間傳質(zhì)過程，物質(zhì)傳遞方向是由液相到固相。1液體吸附1.1吸附作用和吸附劑1.1.1吸附作用利用多孔固體顆粒選擇性地吸附流體中的一個或幾個組分，從而使流體混合物得以分離的單元操作。分離的依據(jù)：各組分的吸附力不同。吸附劑：具有吸附作用的物質(zhì)；吸附質(zhì)：被吸附的組分。固相具有吸附能力的根本原因是固體表面分子處在一個不平衡力場中，也既是表面力在起作用。物理吸附：吸附劑與吸附質(zhì)之間的作用力僅為分子間引力的吸附；化學(xué)吸附：吸附劑與吸附質(zhì)之間的作用力為化學(xué)鍵力的吸附。物理吸附的特點(diǎn)：①放熱過程；②吸附無選擇性；③吸附速度快，易達(dá)平衡；④可以是多分子層吸附；⑤可逆過程，解吸容易?；瘜W(xué)吸附的特點(diǎn)：①放熱過程；②吸附有選擇性；③吸附速度慢，不易達(dá)平衡；④單分子層吸附；⑤解吸困難。1．1．2吸附劑及其性能吸附劑的來源：①天然礦產(chǎn)：活性白土、漂白土、硅藻土、凹凸棒等；②人工制品：活性炭、硅膠、活性氧化鋁、分子篩、吸附樹脂等。食品工業(yè)中常用的吸附劑有：(1)活性炭包括粉末活性炭和顆?；钚蕴績煞N。(2)活性白土(3)硅膠包括球形、無定形、粉末狀及加工成型四種。(4)膨潤土(5)分子篩(6)吸附樹脂食品工業(yè)對吸附劑的要求主要有：①吸附量大；②選擇性好。一些常用吸附劑的性能見表8-1。1．2吸附理論1．2．1吸附平衡(1)單組分吸附吸附劑只選擇性的吸附一個組分（溶質(zhì)）?？捎玫葴匚椒匠蹋ǜナ戏匠蹋┍硎荆簄kC1*=ω式中：ω-吸附質(zhì)在固相中的濃度，kg吸附質(zhì)/kg吸附劑；C*-吸附質(zhì)與固相濃度成平衡的液相質(zhì)量濃度，kg吸附質(zhì)/m3。k，n-與吸附劑（質(zhì)）性質(zhì)、溫度有關(guān)的常數(shù)。一般n在2～10之間易吸附，小于0.5時，吸附困難。吸附濃度較低時，可用線性方程表示：*kC=ω參見下圖，活性炭對醋酸（水容液）和苯甲酸（苯溶液）的吸附：從圖中可以看出，吸附質(zhì)不同，吸附平衡濃度不同；另外，濃度低時ω～C*基本為線性關(guān)系。吸附平衡后，對吸附質(zhì)作物料衡算，得：mCCV)(*0-=ω式中：m-吸附劑的質(zhì)量，kg；V-液相體積，m3；C0，C*-平衡前、后的溶液濃度，kg吸附質(zhì)/m3。(2)雙組分吸附既吸附溶質(zhì)又吸附溶劑。設(shè)x-液體中溶質(zhì)的體積分?jǐn)?shù)；y-固體中溶質(zhì)的體積分?jǐn)?shù)。則以x～y曲線表示的平衡關(guān)系如下圖所示：分離系數(shù)α：)1()1(11yxxyxxyy--=--=α若吸附劑對兩組分的吸附力相同，即x=y，則α=1，稱為恒比吸附。(3)吸附機(jī)理吸附過程可以分為3步：①外擴(kuò)散過程：即吸附質(zhì)從液相向吸附劑外表面擴(kuò)散；②內(nèi)擴(kuò)散過程：吸附質(zhì)經(jīng)固體內(nèi)部細(xì)孔擴(kuò)散到吸附劑的內(nèi)表面；③吸附過程：吸附質(zhì)在吸附劑內(nèi)表面被吸附。1．2．2吸附速率單位時間、單位體積吸附劑吸附的吸附質(zhì)的量，即：dtduaωρ=式中：ρa(bǔ)-吸附劑松密度，kg/m3；u-吸附速率，kg/(m3〃s)。(1)外擴(kuò)散速率u0)(0iLCCaku-=式中：kL-液相傳質(zhì)系數(shù)，m/s；a-單位體積吸附劑的表面積，m2/m3；C-液相中吸附質(zhì)濃度，kg/m3；Ci-液固界面上液體吸附質(zhì)濃度，kg/m3。(2)內(nèi)擴(kuò)散速率)(ωω-=iSiaku式中：kS-吸附劑內(nèi)擴(kuò)散傳質(zhì)系數(shù)kg/(m2〃s)；ωi-液固相界面上的吸附量，kg/kg；ω-吸附劑內(nèi)部的吸附量，kg/kg。(3)總傳質(zhì)速率稀溶液中，若忽略界面上的吸附阻力，因吸附傳質(zhì)過程為串聯(lián)過程，則：)()(ωωωρ-=-==iSiLaakCCakdtdu若固、液相間的平衡關(guān)系為線性ω=kC*，則：)()(*CCakkCCakdtduiSiLa-=-==ωρ或)(11**CCaKakkCCakCCdtdLSiLia-=-=-=ωρkkkKSLL111+=∴式中：KL-總傳質(zhì)系數(shù)，m/s。令akakkakkakrLSSL===11內(nèi)擴(kuò)散阻力外擴(kuò)散阻力當(dāng)r＜0.01時，內(nèi)擴(kuò)散控制；r＞10，外擴(kuò)散控制。一般，kL，kS由實驗測定。1．3吸附操作1．3．1吸附操作步驟包括三步：①使溶液與吸附劑接觸,完成吸附；②分離吸附劑和吸附后的溶液；③吸附劑再生或更換吸附劑。1.3.2吸附操作裝置類型1)接觸式吸附接觸式吸附操作裝置如圖下所示：吸附在攪抖混合桶中進(jìn)行，吸附完畢后，過濾分離固、液。2）固定床吸附固定床吸附操作裝置如下圖所示：主要由吸附柱和過濾器兩部分組成，吸附柱內(nèi)裝滿吸附劑。吸附操作中，吸附區(qū)（吸附帶）逐漸下移。3）移動床吸附吸附過程中吸附劑和溶液均處于動態(tài)，為連續(xù)穩(wěn)定過程。吸附劑和溶液可作同向運(yùn)動亦可作逆向運(yùn)動。1．4吸附計算1.4.1分級接觸式吸附分級接觸式吸附是一種間歇式吸附方法。注意，在以下計算中，均假定吸附完成后，達(dá)到了吸附平衡。(1)單級式參見下圖：對吸附前后的吸附質(zhì)進(jìn)行物料衡算得：)()(1001CCVm-=-ωω或)(0011ωω++-=CmVCmV此即操作線方程,為一直線方程,斜率為-V/m,截距為ω0+VC0/m。式中：V-料液體積，m3；m-吸附劑質(zhì)量，kg；ω0,ω1吸附前后吸附質(zhì)在固相中的濃度,kg/kg吸附劑；C0,C1-吸附前后的溶液濃度,kg/m3。若nkC1110,0==ωω代入物料衡算式整理可得:)()(010110101CCCkmVCCCnn-=-上式的用途:①工藝計算中求m或C1；②實驗中求取1/n。(2)多級式吸附①平流式，參見下圖:對吸附質(zhì)進(jìn)行物料衡算，得：第一級：)()(10011CCVm-=-ωω第i級：)()(10iiiiCCVm-=--ωω操作線方程為：)(01ωω++-=-iiiiiCmVCmV對兩級平流式吸附，若平衡關(guān)系滿足弗氏方程，且ω0=0，則nnTkCCCkCCCVmmVm1221111021-+-=+=C0，C2一定時，mT存在極小值，當(dāng)C1滿足下式時，mT最小。nCCnCCn11)(1)(101121-=--②逆流式，如圖所示：吸附劑和液相均貫穿各級，并以逆流的形式接觸吸附。在第一級至第i級間作吸附質(zhì)的衡算，有：)()(011iiCCVm-=-+ωω或)(011CmVCmVii-+=+ωω此即逆流吸附的操作線方程，為一直線方程，斜率為V/m，截距為ω1-VC0/m，且方程過點(diǎn)H(C0，ω1)和L(Cn，ω0)。畫出的梯級數(shù)即為理論級數(shù)。1.4.2連續(xù)式吸附(1)連續(xù)逆流吸附在移動床內(nèi)進(jìn)行，為連續(xù)穩(wěn)定過程。下列符號的意義：qL-溶液的流量，m3/s；qS-吸附劑流量，kg/s；C1，C2-吸附前后溶液濃度，kg/m3；ω2，ω1吸附劑吸附前后的吸附量，kg/kg；Ω-塔的截面積，m2。注意：塔的濃端用“1”表示，稀端用“2”表示，且C1=C0，ω2=ω0。取任一微元高度對吸附質(zhì)作物料衡算得：ωdqdCqdGSLA==傳質(zhì)速率關(guān)系:dzCCaKdGLAΩ-=)(*dzCCaKdCqLLΩ-=∴)(*積分可得:OLOLCCLLNHCCdCaKqz=-Ω=?12*全塔吸附質(zhì)的衡算:)()(2121ωω-=-SLqCCq在塔頂至塔任一截面作吸附質(zhì)的衡算,得:)()(11ωω-=-SLqCCq或)(11CqqCqqSLSL-+=ωω此即逆流吸附塔的操作線方程,直線的斜率為qL/qS,過點(diǎn)H(C1,ω1),L(C2,ω2)。一般，C2=0，ω2=0。移動床中吸附劑的移動速度：Ω=aSGquρ111111)0()0(ωρωρρωaLaLaSGSLCuCqquqCq=Ω=Ω=∴-=-若吸附平衡關(guān)系為線性ω=kC，則：aLGkuuρ=(2)固定床吸附解決方法：將移動床轉(zhuǎn)化成固定床。吸附區(qū)不斷下移，則飽和區(qū)內(nèi)的空隙中持有吸附質(zhì)，這時的物料衡算為：)(111CuCqaGLεωρ+Ω=或)(111CuCuaGLεωρ+=ερεωρ+=+=∴aLaLGkuCCuu111吸附區(qū)的高度為：OLOLCaLLNHCCdCkaKqz=-+Ω=?10*)1(ρε一般，ε<OLOLCLLNHCCdCaKqz=-Ω=∴?10*［例8-1］欲用活性炭對某糖液進(jìn)行脫色。首先進(jìn)行兩組脫色實