第七章_分离工程吸附.ppt

第七章吸附,7.2吸附平衡,7.3吸附动力学和传递,7.4吸附分离过程,7.1概述,7.1概述,7.1.2吸附剂,7.1.1吸附过程,7.1.1吸附过程,1.吸附定义,吸附(adsorption)当两相组成一个体系时，其组成在两相界面(Interface)与相内部是不同的，处在两相界面处的成分产生了积蓄(浓缩)。这种现象称为吸附。,7.1.1吸附过程,吸附质(adsorbate)被吸着和浓缩于多孔固体表面的物质,吸附剂(adsorbent)具有选择性吸着溶质的多孔表面固体,1.吸附定义,7.1.1吸附过程,吸附操作流动相与多孔的固体颗粒相接触，使固体颗粒能有选择地累积和凝聚流动相中一定组分在其内表面上，从而达到分离的目的。,1.吸附定义,7.1.1吸附过程,2.吸附原理,吸附质单个原子、离子或分子与固体表面之间存在着相互作用力而被吸附在固相吸附剂的内外表面上。,7.1.1吸附过程,3.物理吸附和化学吸附,表1物理吸附和化学吸附比较,7.1.1吸附过程,4.吸附过程在工业上的应用,应用领域：,石油、化工、冶金、食品、医药日常生活中的应用：家用净水剂、冰箱除异味,工业吸附分离应用实例如书本表7-1,7.1.1吸附过程,工业吸附分离应用实例,4.吸附过程在工业上的应用,7.1.2吸附剂,工业上常用的吸附剂活性碳、沸石分子筛、硅胶和活性氧化铝。吸附剂的主要特征多孔特征和具有很大的比表面，约300l200m2/g，以及具有足够强度。,7.1.2吸附剂,吸附剂的性能选择性，一般可分为亲水与疏水两类。吸附剂的性能不仅取决于化学组成，还与制造方法有关。,7.1.2吸附剂,1.活性炭,活性炭是碳质吸附剂的总称，是一种多孔含碳物质的颗粒或粉末。,应用：活性炭用于回收有机物质，脱除废水中有机物，脱色素等。,7.1.2吸附剂,性质和特点：具有非极性表面，疏水和亲有机物。性能稳定、抗腐蚀、吸附容量大和解吸容易等优点。多次循环使用仍可保持原有的吸附性能。,1.活性炭,7.1.2吸附剂,1.活性炭,活性炭吸附率（活性）活性炭孔容-度量,在一定浓度的碘溶液中，在规定的条件下，每克炭吸附碘的毫克数。碘值是鉴定活性炭对半径小于2nm吸附质分子的吸附能力，,活性炭在制造过程中，当挥发性有机物去除后，晶格间的空隙形成形状和大小不同的细孔。半径1001000nm为大孔，半径2100nm为中孔，半径小于2nm为微孔。,7.1.2吸附剂,2.沸石分子筛,沸石分子筛：Mx/n(AlO2)x(SiO2)ymH2O表示的结晶硅铝酸盐的多水化合物，具有Al-Si晶形结构，典型的几何形状如图7-2,沸石分子筛由高度规则的笼和孔构成。每一种分子筛都有特定的均一孔径。,7.1.2吸附剂,性质和特点：强极性吸附剂，对极性分子有很强的亲和力，而与有机物的亲和力较弱。,应用：分子筛的筛分性能在分离中起主要作用。,2.沸石分子筛,7.1.2吸附剂,2.沸石分子筛,Mex/n(AlO2)x(SiO2)ymH2O,7.1.2吸附剂,2.沸石分子筛,7.1.2吸附剂,3.硅胶,组成：化学式是SiO2nH2O,性质和特点：硅胶处于高亲水和高疏水性质的中间状态。典型的物理性质如书中表7-5所示。,7.1.2吸附剂,3.硅胶,7.1.2吸附剂,4.活性氧化铝,组成：化学式是Al2O3nH2O,性质和特点：活性中心是羟基和路易斯酸中心，极性强。典型的物理性质如书中表7-6所示。,7.1.2吸附剂,4.活性氧化铝,7.1.2吸附剂,5.其它吸附剂,“不可逆”吸附剂或称高反应性能吸附剂。生物吸附剂首先吸着有机分子等物质，然后将其氧化成CO2、H2O，处理城市和工业废水的生化处理。吸附树脂用于从废气中脱除有机物质。亲和吸附剂是具有极高选择性的吸附剂，高选择性是因为吸附剂的活性中心与被吸附分子的活性点必须在几何上排成一条线。,7.1.2吸附剂,5.其它吸附剂,环保用分子筛采用专用分子筛脱除硫酸厂尾气中的SO2和硝酸厂尾气中的NOx以及氢碱厂氩气中的汞的方法已经在工业上应用。处理放射性废物专用分子筛在原子能工业中，含有这类物质的废水量一般都较大。,7.1.2吸附剂,5.其它吸附剂,7.2吸附平衡,7.2.2液相吸附平衡,7.2.1气相吸附平衡,7.2.1气体吸附平衡,吸附平衡在一定条件下，经过足够长的时间，吸附质在两相中的浓度不再变化，称为吸附平衡，对应的浓度称为平衡浓度。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。,1.吸附平衡定义,7.2.1气体吸附平衡,（1）吸附等温线吸附剂的表面是不均匀的，被吸附的分子和吸附剂表面分子之间，被吸附的各分子之间的作用力各不相等，吸附等温线的形状也不相同。,Brunauer等人把纯气体实验的物理吸附等温线分为五类。,2.单组分气体吸附平衡,7.2.1气体吸附平衡,类吸附等温线类是平缓地接近饱和值的朗格谬尔型等温吸附曲线。单分子层吸附，常适用于吸附温度处于该气体临界温度以上。,7.2.1气体吸附平衡,类吸附等温线是最普通的物理吸附；能形成多分子层吸附，第一吸附层吸附热大于后继吸附层的吸附热；吸附气体的温度低于其临界温度，吸附压力较低，但接近于饱和蒸汽压。,类吸附等温线和类吸附等温线显示出强吸附性能，是人们所希望的。,多分子层吸附,单分子层吸附,7.2.1气体吸附平衡,类吸附等温线压力低时，吸附量很低，只有在压力高时才容易吸附，相应于多层吸附，它的特点是吸附热与被吸附组分的液化热大致相等。第一吸附层的吸附热小于后继吸附层的吸附热；类比较少见。,多分子层吸附,7.2.1气体吸附平衡,类和类吸附等温线,解吸,吸附,Brunauer提出，微孔尺寸可限制吸附的层数，并且由于发生毛细管冷凝现象，在达到饱和蒸汽压之前显示出很大的吸附程度。,图7-5中的类和V类分别是类和类因毛细管冷凝现象而演变出来的吸附等温线。,可以认为是由于产生毛细管凝结现象所致。,7.2.1气体吸附平衡,（2）吸附平衡方程,亨利定律气体在液体中的溶解度与气体的分压成正比(一定温度下)，这就是亨利定律。在吸附过程中，吸附量与压力(或浓度)成正比。,或,式中：K或K为亨利系数，随温度的增高而降低。,7.2.1气体吸附平衡,朗格谬尔方程(Langmuir),单分子层吸附理论，均匀表面，被吸附溶质分子之间没有相互作用力。,q吸附量qm饱和吸附量p压力K方程参数,该模型在低浓度时简化为亨利定律，符合热力学一致性要求，公认为定性或半定量研究变压吸附的基础。,7.2.1气体吸附平衡,Freundlich吸附等温方程,n值越大，等温线与线性偏离大，变成非线性等温线。当n10，变成矩形，是不可逆吸附。参数K和n依赖于平衡温度，关系很复杂。,Freundlich方程是描述平衡的最早的经验关系式之一，其表达式：,7.2.1气体吸附平衡,Langmuir和Freundlich方程结合起来，称为LangmuirFreundlich方程：,该式纯属经验关系。,LangnluirFreundlich方程,7.2.1气体吸附平衡,例7-1纯甲烷气体在活性炭上的吸附平衡数据如下：,吸附温度296K，拟合方程为：（a）Freundlich方程；（b）Langmuir方程。哪个方程拟合更好些？,解：,将等温方程线性化，使用线性方程回归方法得到常数。,（a）Freundlich,（b）Langmuir,7.2.1气体吸附平衡,由（a）式拟合得：K=8.979,n=3.225,故Freundlich方程为：,例7-1，解：,由（b）式拟合得：1/qm=0.007301，1/qmK=3.917，,qm=137.0，K=0.001864，故Langmuir方程为：,7.2.1气体吸附平衡,两个等温线预测的q值如下：,例7-1,从表中数据可看出，Langmuir方程比Freundlich方程拟合结果好得多。平均偏差为1.0%和8.64%，其原因是Langmuir方程在高压下q趋于渐近值，与实测数据类型相吻合。,7.2.1气体吸附平衡,（1）扩展Langmuir方程,假设各组分互不影响，Langmuir方程用于含n个组分的混合物，组分i的吸附量为：,3.气体混合物吸附平衡,7.2.1气体吸附平衡,（2）扩展Freundlich-Langmuir方程,相似的方法将Freundlich-Langmuir方程，用于气体混合物的如下关系：,式中：qs,i为最大吸附量，不同于单分子层的qm,i。,7.2.1气体吸附平衡,例7-2,CH4(A)和CO(B)在294K的Langmuir常数如下：,用扩展Langmuir预测CH4和CO气体混合物的比吸附体积(STP)。已知吸附温度294K；总压2512kPa；组成：CH469.6%(mol)，CO30.4%(mol)。计算结果与下列实验数据进行比较。,7.2.1气体吸附平衡,例7-2，解：,pA=yAp=0.6962512=1748(kPa)pB=yBp=0.3042512=763.6(kPa),7.2.1气体吸附平衡,同理得：qB=16.9cm3(STP)/g总吸附量：q=qA+qB=106.6,例7-2，解：,计算吸附相组成：xA=89.7/106.6=0.841xB=16.9/106.6=0.159说明扩展Langmuir方程对该物系有相当好的预测结果。,实验值0.867,实验值0.133,实验值114.1,7.2.2液相吸附平衡,液相吸附的机理比气相复杂。影响液相吸附机理的因素除了温度、浓度和吸附剂的结构性能外，溶质和溶剂的性质对其吸附等温线的形状都有影响。,经过对大量有机化合物的吸附性能的研究，以活性炭对有机化合物水溶液的吸附特性为例，可归纳出以下规律：,7.2.2液相吸附平衡,(a)同族有机化合物，分子量越大，吸附量越大；(b)对于分子量相同的有机化合物，芳香族化合物比脂肪族化合物容易吸附；(c)直链化合物比侧链化合物容易吸附；(d)溶解度越小，疏水性越强，越容易吸附；(e)被其他基团置换的位置不同的异构体，吸附性能不相同。,7.2.2液相吸附平衡,1.液相吸附等温线,Giles研究了一批有机溶剂组成的溶液，按吸附等温线离原点最近一段曲线的斜率变化，可将液相吸附等温线分成四类，如图77所示。,7.2.2液相吸附平衡,1.液相吸附等温线,图7-7吸附等温线形状的变化与吸附层分子和溶液中分子的相互作用有关。如果溶质形成单层吸附，它对溶液中溶质分子的引力较弱，则曲线有一段较长的平坡线段。如果吸附层对溶液中溶质分子有强烈的吸引力，则曲线陡升。图中H2、L3、Sl，L4和S2这五种曲线与Brunauer气相吸附等温线相当。,H2,L3,Sl,L4,S2,7.2.2液相吸附平衡,2.吸附等温方程,7.3吸附动力学和传递,7.3.2外扩散传质过程,7.3.3颗粒内部传质过程,7.3.1吸附机理,7.3.1吸附机理,吸附质在吸附剂的多孔表面上被吸附的过程分为下列四步：,吸附质从流体主体通过分子扩散与对流扩散穿过薄膜或边界层传递到吸附剂的外表面，称为外扩散过程。,吸附质通过孔扩散从吸附剂的外表面传递到微孔结构的内表面，称为内扩散。,7.3.1吸附机理,外扩散过程,内扩散,表面扩散,7.3.1吸附机理,吸附质沿孔表面的表面扩散。,吸附质被吸附在孔表面上。,对于物理吸附，由于吸附速率仅仅取决于吸附质分子与孔表面的碰撞频率和定向作用，几乎是瞬间完成的，吸附速率由前三步控制，统称为扩散控制。,7.3.2外扩散传质过程,吸附质从流体主体对流扩散到吸附剂颗粒外表面的传质速率方程为：,相应的传热方程为：,7.3.3颗粒内部传质过程,由于微孔贯穿颗粒内部，吸附质从颗粒外表面的孔口到内表面吸着处的路径不同，所以吸附质的内部传质是一个逐步渗入的过程。,吸附质在微孔中的扩散有两种形式,沿孔截面的扩散,沿孔表面的表面扩散,7.3.3颗粒内部传质过程,沿孔截面的扩散,沿孔表面的表面扩散,分子扩散,纽特逊扩散,介于这两者之间的扩散,当微孔表面吸附有吸附质时，沿孔口向里的表面上存在着吸附质的浓度梯度，吸附质可以沿孔表面向颗粒内部扩散。,7.4吸附分离过程,7.4.3变温吸附循环,7.4.2固定床吸附器,7.4.4变压吸附,7.4.5连续逆流吸附,7.4.1搅拌槽,7.4.1搅拌槽,工艺特点,由于搅拌作用和采用小颗粒吸附剂，减少了吸附的外扩散阻力，因此吸附速率快。适用于溶质的吸附能力强，传质速率为液膜控制和脱除少量杂质的场合。吸附停留时间决定于达到平衡的快慢，一般在比较短的时间内，两相即达到吸附平衡。,用于液体吸附,7.4.1搅拌槽,操作方式,间歇操作,连续操作,半间歇半连续操作,用途,多用于液体的精制，例如:脱水、脱色、脱臭等。吸附剂一般为液体处理量的0.1-20(质量分数)，停留时间数分钟。,7.4.2固定床吸附器,用途：,固定床吸附器结构简单，操作方便，是吸附分离中应用最广泛的一类吸附器。可用于从气体中回收溶剂蒸气、气体净化和主体分离、气体和液体的脱水以及难分离有机液体混合物的分离等。,用于气体、液体吸附,7.4.2固定床吸附器,一、固定床吸附器的操作特性,传质区和透过曲线,进料CF,Cout床层内吸附质浓度,Cout/CF=0,Cout/CF=1,t=0,0BD,液体解吸剂D,A吸附区,B解吸区A精制或第一精馏段,A解吸区,D部分解吸区第二精馏段,液体中A被吸附，吸附剂内D被A置换出来。,吸附剂内A+B+D,液体中A+D,吸附剂内A+D,吸附剂内A全部被冲洗解吸出来。,吸附剂内D,液体中B组分被吸附，吸附剂内D被部分置换出来，B+D,液体中D,液体中A+D,液体中B+D,吸附剂内B被A置换出来（因A比B有更强的吸附力）。液体中A被吸附,7.4.5连续逆流吸附,3.模拟移动床吸附气相,为了解决吸附剂颗粒在移动中造成床层装填性能的劣化，以及吸附剂颗拉的磨损问题，同时兼顾装填良好的固定床和移动床连续操作的优点，并保持吸附塔在等温下操作，一般采用程序控制的方法。定期启闭切换吸附塔各塔节的进出液料和解吸剂的阀门，从而使各液流进入口的位置不断变化(图728)，相当于吸附剂在全塔内连续地“移动”。在阀门未切换前，对每个塔节而言是固定床间歇操作，当塔节较多和各阀门不断地切换，或采用多通道(如24通道)的旋转阀代替众多的单通道阀并不停地转动时，吸附塔是“连续操作的移动床”。,7.4.5连续逆流吸附,当固体吸附剂在床层内固定不动，而通过旋转阀的控制将各段相应的溶液进出口连续地向上移动(图728)。这和进出口位置不动，保持固体吸附剂自上而下地移动的结果是一样的。这就是多段串联模拟移动床。,3.模拟移动床吸附气相,7.4.5连续逆流吸附,旋转阀是一种多通道的阀，又称24通阀。是由一接通各塔节管道的定子和分配各通道的联接和封闭的转子所组成。旋