吸附分离技术教学PPT.pptx

吸附分离技术,小组成员： 吴伊威 刘 海 田 野,内容,概述 吸附平衡 吸附机理和吸附速率 吸附设备,20世纪70年代以来，吸附分离技术作为一种低能耗的固相萃取分离技术，在环境保护领域中得到广泛关注。他是利用具有较强吸附能力的多空固体吸附剂，选择性的将一种或一类物质吸附在固体表面，从而实现流体混合物中不同组分的分离。吸附过程实质上是通过相界面上的吸附作用以达到一种或数种组分在固相吸附剂上的富集浓缩。,吸附操作在化工、轻工、炼油、冶金和环保等领域都有着广泛的应用。如气体中水分的脱除，溶剂的回收，水溶液或有机溶液的脱色、脱臭，有机烷烃的分离，芳烃的精制等,吸附定义,固体物质表面对气体或液体分子的吸着现象称为吸附。其中被吸附的物质称为吸附质，固体物质称为吸附剂。,吸附剂,吸附质,溶剂/水,相互作用,相互作用,相互作用 如：溶解,吸附分类,根据吸附质和吸附剂之间吸附力的不同，吸附操作分为以下两种：,物理吸附 （范德华引力、偶极-偶极作用、氢键） 化学吸附 （通过形成化学键的吸附 离子键、配位键、易断裂的共价键）,吸附的再生及方法,吸附剂的再生，即吸附剂脱附，对吸附过程是非常重要的。 方法： 提高温度 降低吸附质在气相中的分压,吸附分离过程的分类,1 变温吸附 在一定压力下吸附的自由能变化g有如下关系: ghts 2 变压吸附 对一定的吸附剂而言，压力变化愈大，吸附质脱除 得越多。 3 溶剂置换 在恒温恒压下，已吸附饱和的吸附剂可用溶剂将床层中已吸附的吸附质冲洗出来，同时使吸附剂解吸再生。常用的溶剂有水、有机溶剂等各种极性或非极性物质。,吸附分离过程的适用范围,吸附分离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）与流体间分配不同的性质使混合物中难吸附与易吸附组分分离。适宜的吸附剂对各组分的吸附可以有很高的选择性，故特别适用于用精馏等方法难以分离的混合物的分离，以及气体与液体中微量杂质的去除。此外，吸附操作条件比较容易实现。,常用吸附剂,吸附剂,活性炭,分子筛,活性氧 化铝,硅胶,吸附剂的选择原则,具有较大的平衡吸附量。一般比表面积大的吸附 剂，其吸附能力强； 具有良好的吸附选择性； 容易解吸，即平衡吸附量与温度或压力具有较敏 感的关系； 有一定的机械强度和耐磨性，性能稳定，较低的 床层压降，价格便宜 等。,第二节 吸附平衡,吸附平衡：在一定温度和压力下，当流体(气体或液体)与固体吸附剂经长时间充分接触后，吸附质在流体相和固体相中的浓度达到平衡状态，称为吸附平衡。 吸附过程的方向和极限：吸附平衡关系决定了吸附过程的方向和极限，是吸附过程的基本依据。若流体中吸附质浓度高于平衡浓度，则吸附质将被吸附，若流体中吸附质浓度低于平衡浓度，则吸附质将被解吸，最终达吸附平衡，过程停止。,吸附等温线,通常用等温下单位质量吸附剂的吸附容量q与流体相中吸附质的分压p(或浓度c)间的关系 表示，称为吸附等温线。 吸附剂和吸附质分子间作用力的不同，形成了不同形状的吸附等温线。,经验方程,吸附作用是固体表面力作用的结果，但这种表面力的性质至今未被充分了解。尚未得到一个通用的半经验方程，有以下几种经验方程： langmuir方程 bet方程(brunauer、emmett、teller) freundlich方程 将重点介绍langmuir方程,朗格缪尔吸附模型假定条件,吸附是单分子层的，即一个吸附位置只 吸附一个分子； 被吸附分子之间没有相互作用力； 吸附剂表面是均匀的。 上述假定条件下的吸附称为理想吸附。,langmuir方程的推导过程：,吸附速率与吸附质气体分压和吸附剂表面上吸附位置数成正比。若用“吸附剂表面上已被吸附的位置的分率”表示，则吸附速率为： kp(1-) 脱附速率与已被吸附的位置数“也成正比，即脱附速率为： k 吸附平衡时，吸附速率与脱附速率相等： 令： 则上式变为：,若以q 表示气体分压为 下的吸附量，qm 表示所有的吸附位置被占满时的饱和吸附量，则： ，上式经整理可得： 上式即为朗格缪尔吸附等温线方程。 式中 qm吸附剂的的最大吸附量； q 实际吸附量， p 吸附质在气体混合物中的分压； k1 朗格缪尔常数。,langmuir方程的应用,计算吸附剂的比表面积 langmuir方程可以写成以下形式： 以 为纵坐标，p为横坐标作图，可得一直线，从该直线斜率 可以求出形成单分子层的吸附量，进而可计算吸附剂的比表面积。 朗格缪尔方程适用范围：仅适用于i型等温线，如用活性炭吸附n2 ，ar，ch4等气体。,吸附机理和吸附速率,吸附机理 吸附质被吸附剂吸附的过程可分为三步： 外扩散 内扩散 吸附 对于物理吸附，第三步通常是瞬间完成的所以吸附过程的速率通常由前二步决定。 据内、外扩散速率的相对大小分为： 外扩散控制、内扩散控制和内外扩散联合控制三种,吸附速率,定义：吸附质在单位时间内被吸附的量称为吸附速率 吸附的传质速率方程 对于某一瞬间，按拟稳态处理，吸附速率可分别用外扩散、内扩散或总传质速率方程表示。 1)、外扩散传质速率方程： 吸附质从流体主体扩散到固体吸附剂外表面的传质速率方程为： kf与流体物性，颗粒几何形状，两相接触的流动状况以及温度、压力等操作条件有关,2)、内扩散传质速率方程：,把内扩散过程简单地处理成从外表面向颗粒内的传质过程，内扩散传质速率方程为 : ks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时间等多种因素有关。 值由实验测定。 3)、总传质速率方程： 由于吸附剂外表面处的浓度 与 无法测定，因此通常按拟稳态处理，将吸附速率用总传质方程表示为: 对于稳态传质过程，存在：,如果在操作的浓度范围内吸附平衡为直线，即： 得由以上两式整理： ( a) , (b) (b) 表示吸附过程的总传质阻力为外扩散阻力与内扩散阻力之和。 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接近于ci ,则 ks ks。,第四节 吸附设备,立式固定床吸附器 卧式固定床吸附器 环式固定床吸附器 移动床吸附器 流化床吸附器,适合于小气量浓度高的情况,适合处理气量大、浓度低的气体,阻力小，处理能力大，用以净化有机蒸气,（一）类型,立式固定床吸附器,1砾石；2卸料孔；3，6网；4装料孔；5废气及空气入口； 7脱附气排出；8安全阀接管；9顶盖；10重物；11刚性环； 12外壳；13吸附剂；14支撑环；15栅板；16净气出口； 17粱；18视镜；19冷凝排放及供水；20扩散器； 21吸附器底；22梁支架；23扩散器水蒸气接管,卧式固定床吸附器,1壳体；2供水；3人孔；4安全阀接管；5挡板；6蒸汽进口；7净化气体出口；8装料口； 9吸附剂；10卸料口；11砾石层；12支脚：13填料底座；14支架；15蒸汽及热空气出入口,环式吸附器,1支脚；2废气及冷热空气入口；3吸附剂筒底支座；4壳体； 5，6多孔外筒和内筒；7顶盖；8视孔；9装料口；10补偿料斗； 11安全阀接管；12吸附剂；13吸附剂筒底座；14卸料口； 15器底；16净化器出口及脱附水蒸气入口；17脱附时排气口,带再生的多层流化床吸附装置,1脱附器；2吸附器；3分配板；4料斗；5空气提升机构； 6冷却器,（二）固定床吸附系统,固定床的应用较多见。 如果只需