制药分离工程-第九章吸附PPT课件

第九章吸附，程春茹，2012年10月，2，9.1吸附分离吸附分离9.1.1分离原理和分类1。吸附原理吸附过程：当流体接触多孔固体时，流动相中的一种或多种溶质被选择性地吸附并累积在多孔固体颗粒的表面上。逆过程解吸过程吸附操作：一种使用多孔固体选择性吸附流体中一种或多种组分以分离混合物的操作方法。分离和净化气液混合物是重要的单元操作之一。吸附质-吸附剂：吸附在固体表面的成分称为吸附质，多孔固体称为吸附剂，它具有大比表面积的多孔结构。(1)溶质从稀溶液中分离出来，由于固体吸附剂的限制，其处理能力较小。2)操作条件温和，对溶质影响小，适合分离热敏物质，如蛋白质分离；3)吸附是一个自发过程，在吸附过程中释放热量。4)溶质和吸附剂之间的吸附平衡关系通常是非线性的。吸附的分类，1)物理吸附(范德瓦尔斯吸附):通过分子间作用力吸附吸附物和吸附剂。物理吸附分离原则上有四种类型：选择性吸附、分子筛效应、微孔扩散和微孔团聚。2)化学吸附：由吸附质和吸附分子之间的化学键力引起的吸附。它的结合力很大，释放的热量和化学反应的热量是同一个数量级的，而且这个过程通常是不可逆的。化学吸附在催化中起着重要作用，但在分离过程中很少使用。5、物理吸附和化学吸附的比较。6，3。三种类型的吸附过程，1)温度相关的吸附。吸附通常在室温下进行，而解吸在直接或间接加热吸附剂的条件下完成。利用温度的变化实现吸附和解吸再生的循环操作。2)变压吸附。在较高的压力下选择性地吸附气体混合物中的一些组分，然后降低压力以解吸吸附剂，并利用压力的变化完成循环操作。3)可变浓度吸附。液体混合物中的一些组分在环境条件下被选择性吸附，然后用少量强吸附液体解吸和再生。吸附应用，1)气体或液体的脱水和深度干燥。2)气体或溶液的除臭和脱色以及有机溶剂蒸汽的回收。3)吸附和分离气体中的微量物质，如制备纯氮和纯氧。4)分离一些难以精馏分离的物质，如烷烃、烯烃和芳烃馏分。5)废气和废水的处理。吸附应用，吸附剂及其特性，1。符合要求的工业吸附剂1)具有较大的比表面吸附能力；150 1500 m2/G2)高选择性吸附剂对不同吸附质的吸附容量(吸附量或吸附速率)不同，差异越显著，分离效果越好。3)具有一定的机械强度和耐磨性；4)良好的物理化学稳定性、耐热性和耐腐蚀性；5)易于再生；6)容易获得且便宜。工业吸附剂、天然吸附剂如硅藻土、粘土、天然沸石等。人造吸附剂活性炭、活性氧化铝、硅胶、分子筛、有机树脂吸附剂等。1)活性炭-非极性吸附剂。它比表面积高，活性炭表面官能团少，对碳氢化合物和衍生物有很强的吸附能力。化学稳定性好，耐酸碱，热稳定性高，易再生。活性炭作为吸附剂在水溶液中最强，在有机溶剂中最弱。因此，水的洗脱能力最弱，而有机溶剂的洗脱能力更强。11、活性炭，通常用稀盐酸、乙醇、水洗涤，80干燥即可使用。从气体中回收有机气体，从废水中去除有机物，从水溶液中去除色素。活性炭对芳香族化合物的吸附能力大于脂肪族化合物，对大分子化合物的吸附能力大于小分子化合物。d硅胶有四种类型：球形、无定形、加工过的和粉末状。硅胶的吸附容量随着吸附水的增加而降低。如果含水量超过17%，吸附能力非常弱，不能用作吸附剂。对不饱和烃、甲醇、水等有明显的选择性。硅胶的活化，当硅胶加热到100 110时，硅胶表面被氢键吸附的水可以被除去。主要用于气体、液体的干燥和溶液的脱水。13，活性氧化铝，3)活性氧化铝Al2O3nH2O，碱性极性吸附剂。活性氧化铝表面有官能团，为极性分子的吸附提供活性中心。比表面积约为200 500m2/g，对水有很强的吸附能力。可以将其移至n1，24，朗缪尔吸附等温线。吸附等温线：在一定温度下平衡吸附量与吸附质分压或浓度之间的关系曲线。25，多组分和液相吸附平衡，2)气体多组分吸附平衡方程3)液相吸附平衡Langmuir等温线和Freundlich等温线也适用于低浓度溶液的吸附。当在液体中使用时，压力P由浓度C代替，即丙腈水溶液与活性炭在25或，或，26，9.1.4吸附动力学过程和吸附速率，1的吸附等温线。吸附率：当流体与吸附剂接触时，每单位时间吸附的吸附质的量。吸附速率是设计吸附装置的重要依据。吸附速率与种类、操作条件和浓度有关。2.吸附机理：非稳态扩散和传质过程1)外扩散过程：吸附质通过分子扩散和对流扩散从流体转移到固体吸附剂的外表面。2)内扩散过程：吸附质从吸附剂外表面进入吸附剂微孔结构内表面的过程。3)表面吸附过程：吸附质在固体内表面被吸附剂吸附的过程。27，吸附机理-控制步骤，3。受外部扩散控制的吸附：当外部扩散速率小于内部扩散速率时，总吸附速率由外部扩散速率决定。外部扩散可以用线性驱动力速率方程4来描述。内部扩散控制吸附：当内部扩散速率小于外部扩散速率时，吸附为内部扩散控制吸附。球形颗粒在孔隙中的扩散和吸附的数学表达式为孔隙中溶质的质量浓度，De为表观扩散系数，与孔隙大小、分子大小和物理性质有关，为10-8 10-3cm2/s，c *，c，28，9.1.5吸附操作，吸附分离过程包括吸附过程和解吸过程。有许多形式的吸附操作与待处理流体的浓度、性质和吸附程度有关。常用的吸附分离设备有：搅拌罐、固定床吸附器、移动床和流化床吸附塔。(1)罐式吸附操作(接触过滤式)工艺：将待处理液体和吸附剂一起加入带有搅拌器的吸附罐中，使吸附剂与溶液充分接触。溶液中的吸附质被吸附剂吸附。一段时间后，吸附剂达到饱和，浆液被送至过滤器以分离吸附剂。吸附剂可以在适当的解吸后循环使用。设备：釜式或罐式，结构简单，操作方便。29、罐吸附操作，罐吸附操作适用于吸附传质过程的外部扩散控制。搅拌用于使溶液处于湍流状态，并且颗粒外表面上的膜阻力较小。用于液体精制，如脱水、脱色和除臭。吸附剂S的量决定：物质平衡，吸附相平衡，L:液体输入量L，Co和C:液体开始和结束时的吸附质浓度kg/L，S:平衡吸附剂量所需输入量，kg。co，c，t=0，t=t，30，罐吸附操作，动态特性：罐吸附过程不稳定，溶液中吸附质浓度随时间变化。31、罐吸附操作，测定如果吸附等温线是线性的，时间和浓度的关系如下：固定床吸附操作；2.固定床吸附操作方法：吸附剂均匀堆积在吸附塔内的多孔支撑板上，含有吸附剂的流体可以自上而下或自下而上流动。在吸附过程中，吸附剂不会移动。固定床吸附操作，特点：1)固定床吸附塔结构简单，易于加工，操作方便灵活，吸附剂不易磨损，物料返混少，分离效率高，回收效果好。2)固定床吸附操作传热性能差。当吸附剂颗粒很小时，流体通过床层的压降很大。吸附、再生、冷却等操作需要一定的时间，生产效率低。固定床吸附用于溶剂回收、气体干燥和溶剂脱水。35，固定床吸附放大过程模型，固定床吸附放大过程模型可以用三个方程来描述：1)溶质在溶液中的质量平衡方程，溶质在液相中的累积，流入和流出微量元素的溶解质量之差，床层中的轴向扩散，吸附剂吸附的溶解质量。36、固定床吸附放大过程模型，床层孔隙率；u是床中液体的表观速度；d是轴向扩散系数；z是床的高度。2)吸附溶质的吸附速率方程，3)吸附平衡方程：等温线Freundlich公式，固定床吸附动力学是非线性和相互关联的，只能通过数值计算来求解。根据吸附过程的实验结果，当含有吸附质的流体从上到下连续流过床层时，由于实际吸附过程中的传质阻力，吸附平衡不能瞬间达到，在床层入口处会形成如图所示的传质区。在吸附传质区，吸附质浓度从初始浓度C0沿流动方向逐渐降低。38，吸附过程实验溶液，传质区高度：吸附过程中传质区占据的床层高度。传质区下方的区域是新鲜吸附剂，称为未使