化工分离与传质

1、化工分离与传质第1页，共48页，2022年，5月20日，16点56分，星期二吸附（ Adsorption）固体物质表面对气体或液体分子的吸着现象称为吸附，其中固体物质称为吸附剂（adsorbent，adsorbing substance），被吸附的物质称为吸附质（adsorbate）。第2页，共48页，2022年，5月20日，16点56分，星期二根据吸附质与吸附剂表面分子间结合力性质的不同，吸附可分为：物理吸附和化学吸附。物理吸附（范德华吸附）（Physisorption） 是吸附剂分子与吸附质分子间吸引力作用的结果，其结合力较弱，容易脱附。 特点：单分子层或多分子层，一般是多分子层。过程可逆

2、（吸附分离的基础），吸附速率大，脱附容易，易达到平衡。第3页，共48页，2022年，5月20日，16点56分，星期二化学吸附（Chemisorption）：是由吸附质与吸附剂分子间化学键的作用所引起，其结合力比物理吸附大得多，放出的热量也大得多，与化学反应的数量级相当。 特点：具有显著的选择性，总是单分子层吸附，过程往往是不可逆的（吸附催化过程），吸附速率一般较小，低温下不易达到平衡。化学吸附第4页，共48页，2022年，5月20日，16点56分，星期二吸附分离过程是利用混合物中各组分与吸附剂间结合力强弱的差别，即各组分在固相（吸附剂）与流体相间分配不同的性质使混合物中难吸附与易吸附组分分离的

3、技术。特点：合适的吸附剂对各组分的吸附可以有很高的选择性，适用于精馏等方法难以分离的混合物的分离和气体与液体中微量杂质的去除等，操作条件相对温和。第5页，共48页，2022年，5月20日，16点56分，星期二吸附分离功能材料分类系统第6页，共48页，2022年，5月20日，16点56分，星期二常见的吸附剂活性炭（憎水）分子筛，沸石（亲水）活性氧化铝（亲水）硅胶（介于亲水与憎水之间）吸附树脂天然吸附剂吸附剂的主要特征：多孔结构、具有很大的比表面积，一般约从100 m2/g到超过3000 m2/g 。工业吸附剂比表面积约为3001200 m2/g 。第7页，共48页，2022年，5月20日，16点

4、56分，星期二活性炭（Activated Carbon）由木炭、坚果壳、煤和石油渣等含碳原料经炭化与活化制得，具有多孔结构和很大的比表面。液相用活性炭：多为蓬松的粉状，比表面积为300m2/g，孔径为30（3nm）或更大，以利于加快物质扩散。气相用活性炭：坚固的粒状或片状，比表面积通常为1000m2/g，孔径小于30（3nm）。第8页，共48页，2022年，5月20日，16点56分，星期二分子筛（Molecular Sieve），沸石（Zeolite）含水硅酸盐，为结晶型且具有多孔结构，其结构式为M2/nOAl2O3ySiO2wH2O，M为IA和IIA族金属元素，多数为钠与钙，n表示金属离子的

5、价数，y与w分别表示SiO2与H2O的分子数。选择性吸附作用是基于物质分子尺寸、形状和性质的不同，可以分离性质相近而分子大小和形状不同的物质。第9页，共48页，2022年，5月20日，16点56分，星期二活性氧化铝（ Activated Alumina）无定形的多孔结构物质，一般由氧化铝的水合物（以三水合物为主）加热、脱水和活化而得，孔径主要从2050（2-5nm），典型的比表面积值为200500 m2/g。也可由铝土矿直接活化制得活性铝土矿。用途：极性吸附剂，对水有很强的吸附力，主要用于液体和气体的干燥。第10页，共48页，2022年，5月20日，16点56分，星期二硅胶（Silica Ge

6、l）一种坚硬的由无定形SiO2构成的多孔结构的固体颗粒，其分子式是SiO2 nH2O。用硫酸处理硅酸钠水溶液生成凝胶，所得凝胶用水洗去硫酸钠后，进行干燥，便得到硅胶。制造过程条件的不同，可控制微孔尺寸、空隙率和比表面积的大小。用途：粒状、球状、粉状或各种加工成型的形状。是极性吸附剂，易于吸附水和甲醇等极性物质，主要用于气体和液体的干燥，吸附气体中的水分可达其本身质量的50%。第11页，共48页，2022年，5月20日，16点56分，星期二带有巨型网状结构的合成树脂，如苯乙烯和二乙烯苯的共聚物、聚苯乙烯、聚丙烯酸酯等。应用不同的单体制成非极性的到强极性的很多种类的吸附树脂。吸附树脂（Adsorp

7、tion Resin）用途：废水处理、维生素分离优点：再生容易，用稀酸、稀碱或有机溶剂（如低分子量的醇、酮）洗涤即可再生。缺点：价格较高第12页，共48页，2022年，5月20日，16点56分，星期二天然矿物，如活性白土、膨润土、漂白土或其他黏土等经适当加工处理的吸附剂。天然吸附剂（Natural Adsorbent）优点：价廉易得缺点：活性较低，使用一次失效后，再生困难用途：油品脱色等第13页，共48页，2022年，5月20日，16点56分，星期二各种吸附剂的孔径分布第14页，共48页，2022年，5月20日，16点56分，星期二吸附平衡在一定条件下，当流体（气体或液体）与固体吸附剂接触时，

8、流体中的吸附质将被吸附剂吸附，经过足够长的时间，吸附质在两相中的含量达到一对定值，互呈平衡，称为吸附平衡。吸附过程：若流体中吸附质的浓度高于平衡浓度，则吸附质将被吸附。解吸过程：若流体中吸附质的浓度低于平衡浓度，则已吸附在吸附剂上的吸附质将被解吸。决定了吸附过程的传质方向和极限，是吸附过程的基本依据。第15页，共48页，2022年，5月20日，16点56分，星期二吸附等温线的形式分压P1第16页，共48页，2022年，5月20日，16点56分，星期二固体吸附的实验、半经验、理论方法研究气-固和液-固吸附量与温度、压力和体相浓度的关系第17页，共48页，2022年，5月20日，16点56分，星期

9、二固体吸附的实验方法容量法：（气固）通过量气管测定气体在吸附前后体积的变化而得到第18页，共48页，2022年，5月20日，16点56分，星期二重量法：（气固）通过吸附前后吊有吸附剂的石英弹簧下垂距离的变化来得到第19页，共48页，2022年，5月20日，16点56分，星期二液固吸附量的实验测定将定量的吸附剂与一定量已知浓度的溶液相混在一定温度下振摇使之达平衡。澄清后进行分析，由其浓度的改变可以求出单位质量固体所吸附溶质的数量。式中，m是吸附剂的质量；V是溶液的体积；c0和c分别为溶质在吸附前后的浓度。是吉布斯单位质量的吸附量= V(c0-c)/m第20页，共48页，2022年，5月20日，1

10、6点56分，星期二固体吸附的半经验方法 Langmuir 吸附等温式 Freundlich吸附等温式 弗鲁姆金-斯鲁金吸附等温式 BET吸附等温式（S. Brunauer, P.H. Emmett, E. Teller）: （多层吸附，适用于物理吸附）第21页，共48页，2022年，5月20日，16点56分，星期二 Langmuir 吸附等温式W =bc1 + Kc前提：由单分子层均匀吸附的假设理论推导得到优吸型等温线适用于化学吸附式中：w和c分别为吸附质在吸附剂相与流体相中的组成；b和K为体系的特征常数。当Kc 1，等温线为强优吸附等温线；当Kc1时，等温线接近线性。不适合物理吸附体系第22

11、页，共48页，2022年，5月20日，16点56分，星期二 Freundlich吸附等温式W =bc1n经验关系式：式中b和n 为体系的特征常数。对上式两边取对数得：lgW=lgb+n-1lgclgW对lgc作图应得到直线，由斜率和截距可得到n和b。特别适用于液体的吸附体系第23页，共48页，2022年，5月20日，16点56分，星期二吸附机理（三步曲）（1）吸附质从流体主体通过扩散（分子扩散或对流扩散）传递到吸附剂颗粒的外表面，称外扩散过程。速率取决于吸附质以分子扩散通过滞流膜的传递。（2）吸附质从吸附剂颗粒的外表面通过颗粒上的微孔扩散进入颗粒内部，到达颗粒的内部表面，称内扩散过程（包括吸附

12、质沿孔表面的表面扩散）。（3）在吸附剂的内表面上吸附质被吸附剂吸着。第24页，共48页，2022年，5月20日，16点56分，星期二多孔吸附剂中立体浓度分布和温度分布吸附放热解吸吸热第25页，共48页，2022年，5月20日，16点56分，星期二吸附的传质速率方程外扩散传质速率方程q= kF aP (c - ci)kF：流体相侧的传质系数，m/s，与流体物性、颗粒几何特性、两相接触的流动状况及温度压力等操作条件有关。q，每千克吸附剂的吸附速率，kg/(s.kg)ap：吸附剂的比外表面，m2/kg；c：流体相中吸附质的平均浓度，kg/m3ci：吸附剂外表面上流体相中吸附质的质量浓度，kg/m3第

13、26页，共48页，2022年，5月20日，16点56分，星期二吸附的传质速率方程内扩散传质速率方程q= kS aP (qi - q)ks：吸附剂固体相侧的传质系数，m/s，与吸附剂的微孔结构性质、吸附质的物性以及吸附过程持续的时间有关。q：吸附剂上吸附质的平均含量，kg/kgqi：吸附剂外表面上的吸附质含量，kg/kg，它与此处吸附质在流体相中的浓度c呈平衡第27页，共48页，2022年，5月20日，16点56分，星期二总传质速率方程q= KF aP (c c*)N = N = KS aP (q* q)c*：与吸附质含量为q的吸附剂呈平衡的流体中吸附质的质量浓度，kg/m3;KF：以c=c-c

14、*表示推动力的总传质系数，m/sq*：与吸附质浓度为 c的流体相呈平衡的吸附剂上吸附质的含量，kg/kg;K S：以q=q*-q表示推动力的总传质系数，kg/(sm)第28页，共48页，2022年，5月20日，16点56分，星期二对于稳态过程从流体传递到吸附剂外表面的速率（外扩散）应等于从吸附剂外表面传递到吸附剂内的速率（内扩散），所以：= KS aP (q* q)q= KF aP (c c*)N = kF aP (c ci) = kS aP (qi q)如果在操作的浓度范围内吸附平衡为直线：q - q1 = m ( c - c1 )式中，q1和c1为不同条件下的常数第29页，共48页，202

15、2年，5月20日，16点56分，星期二KF1=KF1kF1+mks1Ks1=kFm+ks1吸附过程的总阻力为外扩散与内扩散的分传质阻力之和。若内扩散很快，过程为外扩散控制，qi接近q，则: KF kF若外扩散很快，过程为内扩散控制，c接近ci，则: Ks ks第30页，共48页，2022年，5月20日，16点56分，星期二吸附分离特性参数穿透曲线残余吸附量吸附剂劣化吸附的滞留现象第31页，共48页，2022年，5月20日，16点56分，星期二固定床溶质浓度分布和穿透曲线穿透点（进料浓度的5-10%）：cb第32页，共48页，2022年，5月20日，16点56分，星期二水分吸附和解吸的变化曲线亲

16、水性溶剂的吸附率和水分的关系残余吸附量qR指经过再生后吸附剂中残余吸附负荷，与吸附阶段床层末端处吸附剂的状态、吸附和解吸阶段的吸附容量之差有关。第33页，共48页，2022年，5月20日，16点56分，星期二变温吸附过程中床层吸附容量变化（a）吸附后床层的负荷曲线（b）再生后床层的残余状态（c）再吸附容量的差值有效吸附容量第34页，共48页，2022年，5月20日，16点56分，星期二吸附剂劣化原因吸附剂表面为炭沉积叠合物或一些化合物覆盖加热过程使吸附剂还原为半熔融状态，微孔部分堵塞甚至熔融消失化学反应将结晶部分破坏第35页，共48页，2022年，5月20日，16点56分，星期二吸附的滞留现象

17、吸附剂在使用过程中经反复吸附解吸，由于微孔和表面结构的变化，其吸附性能也将发生变化。吸附得到的吸附等温线和脱附等温线在一定区间内不能重合，脱附得到的等温线低，这一现象称为滞留现象。第36页，共48页，2022年，5月20日，16点56分，星期二吸附分离工艺按吸附剂与溶液的物流方向和接触次数，吸附过程可分为：一次接触吸附错流吸附多段逆流吸附第37页，共48页，2022年，5月20日，16点56分，星期二搅拌式（泥浆状操作） 循环固定床式（间歇操作）移动床操作三种典型的吸附系统第38页，共48页，2022年，5月20日，16点56分，星期二基本吸附循环变温吸附循环变压吸附循环惰性介质解吸循环置换解

18、吸循环联合循环第39页，共48页，2022年，5月20日，16点56分，星期二变温吸附循环x1x2吸附质去除率为：p1 - p2p1吸附剂的有效负荷：x1-x2缺点：再生过程（包括加热、解吸、冷却）长，通常需要几小时，甚至1天，热量消耗较大，只用于吸附质含量较少的场合第40页，共48页，2022年，5月20日，16点56分，星期二变压吸附循环优点：循环周期短低压 惰性解吸气特点：循环中高低压比值越大，所需要的解吸气量少，宜采用真空解吸。 高真空度解吸，少量难吸附气体便可解吸完全，得到纯产品第41页，共48页，2022年，5月20日，16点56分，星期二惰性介质解吸循环吸附剂最大可能的有效负荷可

19、达x1。缺点：由于吸附放热，在吸附阶段吸附剂温度升高，使吸附剂的吸附能力降低。优点：循环时间短，很少超过10min。第42页，共48页，2022年，5月20日，16点56分，星期二置换解吸循环特点：（1）解析的原因：降低了吸附质在流体相中的分压（浓度）；置换介质的吸附竞争作用（2）置换介质必须与加料中组分易于分离（3）吸附剂温度基本不变，可提高吸附剂的有效吸附量第43页，共48页，2022年，5月20日，16点56分，星期二变温吸附 惰性介质解吸联合循环第44页，共48页，2022年，5月20日，16点56分，星期二Adsorption effect， 吸附作用；Adsorption phenomenon， 吸附现象；Adsorption catalysis，吸附催化；Adsorption energy，吸附能；Adsorption kinetics， 吸附动力学；Adsorption isobar， 等压吸附线；Adsorption isothermer， 吸附等温线；Adsorption affinity， 吸附力；Adsorption curve， 吸附曲线；Adsorption hyster