化工分離與傳質(zhì)

化工分離與傳質(zhì)第一頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期日吸附（Adsorption）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，其中固體物質(zhì)稱為吸附劑（adsorbent，adsorbingsubstance），被吸附的物質(zhì)稱為吸附質(zhì)（adsorbate）。第二頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期日根據(jù)吸附質(zhì)與吸附劑表面分子間結(jié)合力性質(zhì)的不同，吸附可分為：物理吸附和化學(xué)吸附。物理吸附（范德華吸附）（Physisorption）是吸附劑分子與吸附質(zhì)分子間吸引力作用的結(jié)果，其結(jié)合力較弱，容易脫附。特點：單分子層或多分子層，一般是多分子層。過程可逆（吸附分離的基礎(chǔ)），吸附速率大，脫附容易，易達到平衡。第三頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期日化學(xué)吸附（Chemisorption）：是由吸附質(zhì)與吸附劑分子間化學(xué)鍵的作用所引起，其結(jié)合力比物理吸附大得多，放出的熱量也大得多，與化學(xué)反應(yīng)的數(shù)量級相當。特點：具有顯著的選擇性，總是單分子層吸附，過程往往是不可逆的（吸附催化過程），吸附速率一般較小，低溫下不易達到平衡。化學(xué)吸附第四頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期日吸附分離過程是利用混合物中各組分與吸附劑間結(jié)合力強弱的差別，即各組分在固相（吸附劑）與流體相間分配不同的性質(zhì)使混合物中難吸附與易吸附組分分離的技術(shù)。特點：合適的吸附劑對各組分的吸附可以有很高的選擇性，適用于精餾等方法難以分離的混合物的分離和氣體與液體中微量雜質(zhì)的去除等，操作條件相對溫和。第五頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期日吸附分離功能材料分類系統(tǒng)第六頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期日常見的吸附劑活性炭（憎水）分子篩，沸石（親水）活性氧化鋁（親水）硅膠（介于親水與憎水之間）吸附樹脂天然吸附劑吸附劑的主要特征：多孔結(jié)構(gòu)、具有很大的比表面積，一般約從100m2/g到超過3000m2/g。工業(yè)吸附劑比表面積約為300~1200m2/g。第七頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期日活性炭（ActivatedCarbon）由木炭、堅果殼、煤和石油渣等含碳原料經(jīng)炭化與活化制得，具有多孔結(jié)構(gòu)和很大的比表面。液相用活性炭：多為蓬松的粉狀，比表面積為300m2/g，孔徑為30?（3nm）或更大，以利于加快物質(zhì)擴散。氣相用活性炭：堅固的粒狀或片狀，比表面積通常為1000m2/g，孔徑小于30?（3nm）。第八頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期日分子篩（MolecularSieve），沸石（Zeolite）含水硅酸鹽，為結(jié)晶型且具有多孔結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)式為M2/nO·Al2O3·ySiO2·wH2O，M為IA和IIA族金屬元素，多數(shù)為鈉與鈣，n表示金屬離子的價數(shù)，y與w分別表示SiO2與H2O的分子數(shù)。選擇性吸附作用是基于物質(zhì)分子尺寸、形狀和性質(zhì)的不同，可以分離性質(zhì)相近而分子大小和形狀不同的物質(zhì)。第九頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期日活性氧化鋁（Activated

Alumina）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、脫水和活化而得，孔徑主要從20~50?（2-5nm），典型的比表面積值為200~500m2/g。也可由鋁土礦直接活化制得活性鋁土礦。用途：極性吸附劑，對水有很強的吸附力，主要用于液體和氣體的干燥。第十頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期日硅膠（SilicaGel）一種堅硬的由無定形SiO2構(gòu)成的多孔結(jié)構(gòu)的固體顆粒，其分子式是SiO2·

nH2O。用硫酸處理硅酸鈉水溶液生成凝膠，所得凝膠用水洗去硫酸鈉后，進行干燥，便得到硅膠。制造過程條件的不同，可控制微孔尺寸、空隙率和比表面積的大小。用途：粒狀、球狀、粉狀或各種加工成型的形狀。是極性吸附劑，易于吸附水和甲醇等極性物質(zhì)，主要用于氣體和液體的干燥，吸附氣體中的水分可達其本身質(zhì)量的50%。第十一頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期日帶有巨型網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的合成樹脂，如苯乙烯和二乙烯苯的共聚物、聚苯乙烯、聚丙烯酸酯等。應(yīng)用不同的單體制成非極性的到強極性的很多種類的吸附樹脂。吸附樹脂（AdsorptionResin）用途：廢水處理、維生素分離優(yōu)點：再生容易，用稀酸、稀堿或有機溶劑（如低分子量的醇、酮）洗滌即可再生。缺點：價格較高第十二頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期日天然礦物，如活性白土、膨潤土、漂白土或其他黏土等經(jīng)適當加工處理的吸附劑。天然吸附劑（NaturalAdsorbent）優(yōu)點：價廉易得缺點：活性較低，使用一次失效后，再生困難用途：油品脫色等第十三頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期日各種吸附劑的孔徑分布第十四頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期日吸附平衡在一定條件下，當流體（氣體或液體）與固體吸附劑接觸時，流體中的吸附質(zhì)將被吸附劑吸附，經(jīng)過足夠長的時間，吸附質(zhì)在兩相中的含量達到一對定值，互呈平衡，稱為吸附平衡。吸附過程：若流體中吸附質(zhì)的濃度高于平衡濃度，則吸附質(zhì)將被吸附。解吸過程：若流體中吸附質(zhì)的濃度低于平衡濃度，則已吸附在吸附劑上的吸附質(zhì)將被解吸。決定了吸附過程的傳質(zhì)方向和極限，是吸附過程的基本依據(jù)。第十五頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期日吸附等溫線的形式分壓P1第十六頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期日固體吸附的實驗、

半經(jīng)驗、理論方法研究氣-固和液-固吸附量與溫度、壓力和體相濃度的關(guān)系第十七頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期日固體吸附的實驗方法①容量法：（氣—固）通過量氣管測定氣體在吸附前后體積的變化而得到第十八頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期日②重量法：（氣—固）通過吸附前后吊有吸附劑的石英彈簧下垂距離的變化來得到第十九頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期日③液—固吸附量的實驗測定將定量的吸附劑與一定量已知濃度的溶液相混在一定溫度下振搖使之達平衡。澄清后進行分析，由其濃度的改變可以求出單位質(zhì)量固體所吸附溶質(zhì)的數(shù)量。式中，m是吸附劑的質(zhì)量；V是溶液的體積；c0和c分別為溶質(zhì)在吸附前后的濃度。Γ是吉布斯單位質(zhì)量的吸附量Γ=V(c0-c)/m第二十頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期日

固體吸附的半經(jīng)驗方法①Langmuir吸附等溫式

②Freundlich吸附等溫式

③弗魯姆金-斯魯金吸附等溫式

④BET吸附等溫式（S.Brunauer,P.H.Emmett,E.Teller）:（多層吸附，適用于物理吸附）第二十一頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期日①Langmuir吸附等溫式W=bc1+Kc前提：由單分子層均勻吸附的假設(shè)理論推導(dǎo)得到優(yōu)吸型等溫線適用于化學(xué)吸附式中：w和c分別為吸附質(zhì)在吸附劑相與流體相中的組成；b和K為體系的特征常數(shù)。當Kc>>1，等溫線為強優(yōu)吸附等溫線；當Kc<1時，等溫線接近線性。不適合物理吸附體系第二十二頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期日②Freundlich吸附等溫式W=bc1n'經(jīng)驗關(guān)系式：式中b和n‘為體系的特征常數(shù)。對上式兩邊取對數(shù)得：lgW=lgb+n’-1lgclgW對lgc作圖應(yīng)得到直線，由斜率和截距可得到n’和b。特別適用于液體的吸附體系第二十三頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期日吸附機理（三步曲）（1）吸附質(zhì)從流體主體通過擴散（分子擴散或?qū)α鲾U散）傳遞到吸附劑顆粒的外表面，稱外擴散過程。速率取決于吸附質(zhì)以分子擴散通過滯流膜的傳遞。（2）吸附質(zhì)從吸附劑顆粒的外表面通過顆粒上的微孔擴散進入顆粒內(nèi)部，到達顆粒的內(nèi)部表面，稱內(nèi)擴散過程（包括吸附質(zhì)沿孔表面的表面擴散）。（3）在吸附劑的內(nèi)表面上吸附質(zhì)被吸附劑吸著。第二十四頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期日多孔吸附劑中立體濃度分布和溫度分布吸附放熱解吸吸熱第二十五頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期日吸附的傳質(zhì)速率方程外擴散傳質(zhì)速率方程?q?θ=kFaP(c-ci)kF：流體相側(cè)的傳質(zhì)系數(shù)，m/s，與流體物性、顆粒幾何特性、兩相接觸的流動狀況及溫度壓力等操作條件有關(guān)。?q?θ，每千克吸附劑的吸附速率，kg/(s.kg)ap：吸附劑的比外表面，m2/kg；c：流體相中吸附質(zhì)的平均濃度，kg/m3ci：吸附劑外表面上流體相中吸附質(zhì)的質(zhì)量濃度，kg/m3第二十六頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期日吸附的傳質(zhì)速率方程內(nèi)擴散傳質(zhì)速率方程?q?θ=kSaP(qi-q)ks：吸附劑固體相側(cè)的傳質(zhì)系數(shù)，m/s，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)的時間有關(guān)。q：吸附劑上吸附質(zhì)的平均含量，kg/kgqi：吸附劑外表面上的吸附質(zhì)含量，kg/kg，它與此處吸附質(zhì)在流體相中的濃度c呈平衡第二十七頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期日總傳質(zhì)速率方程?q?θ=KFaP(c

–c*)N=

N

=KSaP(q*

–q)c*：與吸附質(zhì)含量為q的吸附劑呈平衡的流體中吸附質(zhì)的質(zhì)量濃度，kg/m3;KF：以Δc=c-c*表示推動力的總傳質(zhì)系數(shù)，m/sq*：與吸附質(zhì)濃度為c的流體相呈平衡的吸附劑上吸附質(zhì)的含量，kg/kg;KS：以Δq=q*-q表示推動力的總傳質(zhì)系數(shù)，kg/(s·m)第二十八頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期日對于穩(wěn)態(tài)過程從流體傳遞到吸附劑外表面的速率（外擴散）應(yīng)等于從吸附劑外表面?zhèn)鬟f到吸附劑內(nèi)的速率（內(nèi)擴散），所以：=KSaP(q*

–q)?q?θ=KFaP(c

–c*)N==kFaP(c–ci)=kSaP(qi

–q)如果在操作的濃度范圍內(nèi)吸附平衡為直線：q-q1=m(c-c1)式中，q1和c1為不同條件下的常數(shù)第二十九頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期日KF1=KF1kF1+mks1Ks1=kFm+ks1吸附過程的總阻力為外擴散與內(nèi)擴散的分傳質(zhì)阻力之和。若內(nèi)擴散很快，過程為外擴散控制，qi接近q，則:KF≈kF若外擴散很快，過程為內(nèi)擴散控制，c接近ci，則:Ks≈ks第三十頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期日吸附分離特性參數(shù)穿透曲線殘余吸附量吸附劑劣化吸附的滯留現(xiàn)象第三十一頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期日固定床溶質(zhì)濃度分布和穿透曲線穿透點（進料濃度的5-10%）：cb第三十二頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期日水分吸附和解吸的變化曲線親水性溶劑的吸附率和水分的關(guān)系殘余吸附量qR指經(jīng)過再生后吸附劑中殘余吸附負荷，與吸附階段床層末端處吸附劑的狀態(tài)、吸附和解吸階段的吸附容量之差有關(guān)。第三十三頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期日變溫吸附過程中床層吸附容量變化（a）吸附后床層的負荷曲線（b）再生后床層的殘余狀態(tài)（c）再吸附容量的差值有效吸附容量第三十四頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期日吸附劑劣化原因①吸附劑表面為炭沉積疊合物或一些化合物覆蓋②加熱過程使吸附劑還原為半熔融狀態(tài)，微孔部分堵塞甚至熔融消失③化學(xué)反應(yīng)將結(jié)晶部分破壞第三十五頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期日吸附的滯留現(xiàn)象吸附劑在使用過程中經(jīng)反復(fù)吸附解吸，由于微孔和表面結(jié)構(gòu)的變化，其吸附性能也將發(fā)生變化。吸附得到的吸附等溫線和脫附等溫線在一定區(qū)間內(nèi)不能重合，脫附得到的等溫線低，這一現(xiàn)象稱為滯留現(xiàn)象。第三十六頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期日吸附分離工藝按吸附劑與溶液的物流方向和接觸次數(shù)，吸附過程可分為：一次接觸吸附錯流吸附多段逆流吸附第三十七頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期日攪拌式（泥漿狀操作）循環(huán)固定床式（間歇操作）移動床操作三種典型的吸附系統(tǒng)第三十八頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期日基本吸附循環(huán)變溫吸附循環(huán)變壓吸附循環(huán)惰性介質(zhì)解吸循環(huán)置換解吸循環(huán)聯(lián)合循環(huán)第三十九頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期日變溫吸附循環(huán)x1x2吸附質(zhì)去除率為：p1

-p2p1吸附劑的有效負荷：x1-x2缺點：再生過程（包括加熱、解吸、冷卻）長，通常需要幾小時，甚至1天，熱量消耗較大，只用于吸附質(zhì)含量較少的場合第四十頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期日變壓吸附循環(huán)優(yōu)點：循環(huán)周期短低壓惰性解吸氣特點：①循環(huán)中高低壓比值越大，所需要的解吸氣量少，宜采用真空解吸。②高真空度解吸，少量難吸附氣體便可解吸完全，得到純產(chǎn)品第四十一頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期日惰性介質(zhì)解吸循環(huán)吸附劑最大可能的有效負荷可達x1。缺點：由于吸附放熱，在吸附階段吸附劑溫度升高，使吸附劑的吸附能力降低。優(yōu)點：循環(huán)時間短，很少超過10min。第四十二頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期日置換解吸循環(huán)特點：（1）解析的原因：降低了吸附質(zhì)在流體相中的分壓（濃度）；置換介質(zhì)的吸附競爭作用（2）置換介質(zhì)必須與加料中組分易于分離（3）吸附劑溫度基本不變，可提高吸附劑的有效吸附量第四十三頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期日變溫吸附—惰性介質(zhì)解吸聯(lián)合循環(huán)第四十四頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期日Adsorptioneffect，吸附作用；Adsorptionphenomenon，吸附現(xiàn)象；Adsorptioncatalysis，吸附催化；Adsorptionenergy，吸附能；Adsorptionkinetics，吸附動力學(xué)；Adsorptionisobar，等壓吸附線；Adsorptionisothermer，吸附等溫線；Adsorptionaffinity，吸附力；Adsorption