吸附过程基本原理

（1）吸附与吸附平衡当流体与多孔固体接触时,流体中某一组分或多个组分在固体表面处产生积蓄,此现象称为吸附。在固体表面积蓄的组分称为吸附物或吸附质，多孔固体称为吸附剂。利用某些多孔固体有选择地吸附流体中的一个或几个组分，从而使混合物分离的方法称为吸附操作，它是分离和纯净气体和液体混合物的重要单元操作之一。吸附平衡是指在一定的温度和压力下，吸附剂与吸附质充分接触，最后吸附质在两相中的分布达到平衡的过程，吸附分离过程实际上都是一个平衡吸附过程。在实际的吸附过程中，吸附质分子会不断地碰撞吸附剂表面并被吸附剂表面的分子引力束缚在吸附相中；同时吸附相中的吸附质分子又会不断地从吸附剂分子或其它吸附质分子得到能量，从而克服分子引力离开吸附相。当一定时间内进入吸附相的分子数和离开吸附相的分子数相等时，吸附过程就达到了平衡。在一定的温度和压力下，对于相同的吸附剂和吸附质，该动态平衡吸附量是一个定值。在压力高时，由于单位时间内撞击到吸附剂表面的气体分子数多，因而压力越高动态平衡吸附容量也就越大；在温度高时，由于气体分子的动能大，能被吸附剂表面分子引力束缚的分子就少，因而温度越高平衡吸附容量也就越小。（2）吸附类型根据吸附质与吸附剂间吸附作用力性质的不同，将吸附分为物理吸附和化学吸附。物理吸附又称为范德华吸附，它是吸附质和吸附剂以分子间作用力为主的吸附；化学吸附是吸附质和吸附剂以分子间的化学键为主的吸附。利用变压吸附分离提纯气体混合物的分离方法主要是物理吸附，在整个过程中气相分子没有发生化学变化。（3）吸附速率吸附速率是指当流体与吸附剂接触时，单位时间内的吸附量，单位为kg/s。吸附速率与物系、操作条件及浓度有关。吸附过程包括以下三个步骤：①吸附质从流体主体以对流扩散的形式传递到固体吸附剂的外表面，此过程称为外扩散。②吸附质从吸附剂的外表面进入吸附剂的微孔内，然后扩散到固体的内表面，此过程为内扩散。③吸附质在固体内表面上被吸附剂所吸附，称为表面吸附过程。通常吸附为物理吸附，表面吸附速率很快，故总吸附速率主要取决于内外扩散速率的大小。当外扩散速率小于内扩散速率时，总吸附速率由外扩散速率决定，此吸附为外扩散控制的吸附。当内扩散速率小于外扩散速率时，总吸附速率由内扩散速率决定，此吸附为内扩散控制的吸附。（4）吸附剂吸附分离的效果很大程度上取决于吸附剂的性能，工业吸附要求吸附剂满足以下要求：①具有较大的内表面；②选择性高；③具有一定的机械强度；④有良好的物理及化学稳定性；⑤容易再生；⑥价廉，易得。目前在吸附分离过程中常用的吸附剂主要有活性炭、合成沸石分子筛、硅胶、活性氧化铝等。活性炭是最常用的吸附剂。它具有非极性表面，比表面积较大，化学稳定性好，抗酸耐碱，热稳性高，再生容易。常用于空气分离制氮、改善饮料气味、香烟的过滤嘴等场合。沸石分子筛是指硅铝酸金属盐的晶体，它是一种强极性的吸附剂，对极性分子，特别是对水有很大的亲和能力，具有很强的选择性。常用于石油馏分的分离、各种气体和液体的干燥等场合，如从混合二甲苯中分离出对二甲苯，从空气中分离氧。硅胶是亲水性的极性吸附剂，对不饱和烃、甲醇、水分等有明显的选择性。主要用于气体和液体的干燥、溶液的脱水。活性氧化铝是一种极性吸附剂，对水分有很强的吸附能力。主要用于气体的干燥和液体的脱水，如汽油、煤油、芳烃等化工产品的脱水；空气、氢气、氯化氢和二氧化硫等气体的干燥。最常用的吸附剂是分子筛和活性炭，通常两种吸附剂组合使用。分子筛对一般气体的吸附顺序是H2＜N2＜CH4＜CO＜CO2，活性炭对一般气体的吸附顺序是H2＜N2＜CO＜CH4＜CO2。（5）吸附剂再生吸附剂因吸附大量的吸附质，并逐渐趋向饱和并丧失工作能力，因而必然对失效的吸附剂进行更换或者再生。再生是在吸附剂基本不发生变化的前提下，采用某种方法使吸附质脱附，以恢复吸附质吸附性能的过程。通过再生可以实现吸附剂的循环使用，降低处理成本，减少系统废渣排放量，也可以对有利用价值的吸附质进行回收。吸附剂的再生