第7章 吸附 化学分离工程

1、17 7 吸附吸附 (Chapter7 Adsorption)分离工程分离工程（Separation Engineering） 2 本章主要学习内容本章主要学习内容7.4 7.4 吸附分离过程吸附分离过程7.1 7.1 概述概述7.2 7.2 吸附平衡吸附平衡7.3 7.3 吸附机理吸附机理31、掌握吸附分离过程原理、吸附平衡、吸附机理；、掌握吸附分离过程原理、吸附平衡、吸附机理；2、掌握固定床中溶质浓度分布曲线的绘制和透过曲、掌握固定床中溶质浓度分布曲线的绘制和透过曲 线的绘制；线的绘制；3、学会从吸附等温线分析有利于吸附操作的条件；、学会从吸附等温线分析有利于吸附操作的条件；4、理解几种吸

2、附剂的特性；、理解几种吸附剂的特性；5、了解吸附分离过程在化工生产中的应用。、了解吸附分离过程在化工生产中的应用。 本章主要学习要求本章主要学习要求41 1、吸附过程、吸附过程 流体（气体或液体）与固体多孔物质接触时，流体（气体或液体）与固体多孔物质接触时，流体中的一种或多种组分传递并吸着于固体内、外流体中的一种或多种组分传递并吸着于固体内、外表面上，形成单分子层或多分子层的过程，称为表面上，形成单分子层或多分子层的过程，称为吸吸附过程。附过程。 吸附质：吸附质：被吸附的流体被吸附的流体 附附剂：附附剂：多孔固体颗粒多孔固体颗粒 吸附相：吸附相：吸附剂内的流体相吸附剂内的流体相 吸余相：吸余相

3、：剩余的流体本体相剩余的流体本体相7.1 概述概述吸附达到平衡时吸附达到平衡时52 2、吸附分离过程原理、吸附分离过程原理 由于吸附质和吸附剂的物理、化学性质不同，吸由于吸附质和吸附剂的物理、化学性质不同，吸附剂对不同吸附质的吸附能力也不同，因此当流体与附剂对不同吸附质的吸附能力也不同，因此当流体与吸附剂接触时，吸附剂接触时，吸附剂对流体中的某个或某些组分相吸附剂对流体中的某个或某些组分相对其他组分具有较高的对其他组分具有较高的吸附选择性吸附选择性，从而使吸附相和，从而使吸附相和吸余相的组分可被富集，实现物质的分离过程。吸余相的组分可被富集，实现物质的分离过程。7.1 概述概述外表面吸附现象外

4、表面吸附现象吸附剂吸附剂6吸附剂吸附剂一般吸附分离过程包括吸附和脱附一般吸附分离过程包括吸附和脱附(再生再生)两部分。两部分。 脱附的目的脱附的目的：（）回收被吸附的有用物质；（）回收被吸附的有用物质； （）吸附剂的循环使用。（）吸附剂的循环使用。 脱附现象脱附现象固体表面能产生吸附作用的根本原因：固体表面能产生吸附作用的根本原因：固体表面上的固体表面上的原子或分子的力场和液体表面一样也是不均衡的，因原子或分子的力场和液体表面一样也是不均衡的，因此，也有自发降低表面能的倾向，但由于固体表面难此，也有自发降低表面能的倾向，但由于固体表面难于收缩，所以只能靠降低于收缩，所以只能靠降低界面张力界面张

5、力的方法来的方法来降低表面降低表面能能。73 3、吸附过程的分类、吸附过程的分类物理吸附：物理吸附：吸附剂与吸附质间的作用力是吸附剂与吸附质间的作用力是范德华范德华 力、氢键或静电力力、氢键或静电力。（范德华吸附）。（范德华吸附）特征特征：（）（）吸附速度快，过程是可逆、放热的；吸附速度快，过程是可逆、放热的；（）（）TT对吸附有利，对吸附有利， TT对脱附有利；对脱附有利；（）吸附热较小，一般（）吸附热较小，一般20kJ/mol20kJ/mol左右。左右。化学吸附：化学吸附：吸附质与吸附剂间的作用力为吸附质与吸附剂间的作用力为化学键化学键。 ( (活化吸附活化吸附) ) 特征：特征：（）吸附

6、速度慢，只形成单分子层且不可逆（）吸附速度慢，只形成单分子层且不可逆（）吸附选择性强；（）吸附选择性强；（）（） TT有利于吸附；有利于吸附； （）吸附热物理吸附热，一般（）吸附热物理吸附热，一般848442kJ/mol42kJ/mol化学吸附在催化反应中应用较多，分离过程中应用极少化学吸附在催化反应中应用较多，分离过程中应用极少84 4、吸附过程的工业应用、吸附过程的工业应用（P294P294表表7-17-1）94 4、吸附过程的工业应用、吸附过程的工业应用（P294P294表表7-17-1）104 4、吸附过程的工业应用、吸附过程的工业应用（P294P294表表7-17-1）114 4、吸

7、附过程的工业应用、吸附过程的工业应用（P294P294表表7-17-1）124 4、吸附过程的工业应用、吸附过程的工业应用（P294P294表表7-17-1）13一、吸附剂的主要特征：一、吸附剂的主要特征：多孔结构、具有很大的比表面积。多孔结构、具有很大的比表面积。二、对吸附剂的选择要求二、对吸附剂的选择要求（1 1）较高的选择性较高的选择性以达到一定的分离要求；以达到一定的分离要求；（2 2）较大的吸附容量较大的吸附容量以减小用量；以减小用量；（3 3）较好的动力学及传递性质较好的动力学及传递性质以实现快速吸附；以实现快速吸附；（4 4）较高的化学及热稳定性较高的化学及热稳定性，不溶或极难溶

8、于待处理流，不溶或极难溶于待处理流 体，以保证吸附剂的数量和性质；体，以保证吸附剂的数量和性质；（5 5）较高的硬度及机械强度较高的硬度及机械强度以减小磨损和侵蚀；以减小磨损和侵蚀；（6 6）较好的流动性较好的流动性以便于装卸；以便于装卸；（7 7）较高的抗污染能力较高的抗污染能力以延长使用寿命；以延长使用寿命；（8 8）较好的惰性较好的惰性以避免发生不期望的化学反应；以避免发生不期望的化学反应；（9 9）易再生；易再生； （1010）价廉易得。价廉易得。7.1.2 7.1.2 吸附剂吸附剂 14三、吸附剂的分类三、吸附剂的分类、按与水的结合能力：、按与水的结合能力： 亲水性吸附剂和疏水性吸附

9、剂亲水性吸附剂和疏水性吸附剂、按化学结构分、按化学结构分无机吸附剂和有机吸附剂。无机吸附剂和有机吸附剂。无机吸附剂：无机吸附剂：硅胶、氧化铝硅胶、氧化铝、硅藻土、硅藻土、分子筛分子筛等。等。有机吸附剂：有机吸附剂：活性炭活性炭、炭化树脂、纤维素、大孔、炭化树脂、纤维素、大孔 树脂等。树脂等。几种工业上常用吸附剂几种工业上常用吸附剂7.1.2 7.1.2 吸附剂吸附剂 15四、工业常用吸附剂四、工业常用吸附剂、活性炭：、活性炭：是一类碳质吸附剂的总称，品种很多。几乎所是一类碳质吸附剂的总称，品种很多。几乎所有的有的有机物有机物都可以都可以作为制造活性炭的原料作为制造活性炭的原料，如泥炭、褐煤、，

10、如泥炭、褐煤、烟煤、极性和弱极性有机物。烟煤、极性和弱极性有机物。 一般制作过程：一般制作过程：将原料在隔绝空气的条件下加热至将原料在隔绝空气的条件下加热至600600左右（有时加添加剂），使其热分解，得到的残碳在左右（有时加添加剂），使其热分解，得到的残碳在800800以上高温下与空气、水蒸气或二氧化碳反应使其烧蚀，便生以上高温下与空气、水蒸气或二氧化碳反应使其烧蚀，便生成多孔的活性炭。成多孔的活性炭。 特性：特性：活性炭比表面积可达活性炭比表面积可达120012001600m1600m2 2/g/g，孔结构复，孔结构复杂，孔隙结构各异，具有强的吸附能力，分离效果好，价廉杂，孔隙结构各异，具

11、有强的吸附能力，分离效果好，价廉易得。易得。 缺点：缺点：由于活性炭生产原料和制备方法不同，因此由于活性炭生产原料和制备方法不同，因此吸附吸附性能的可重复性很难控制性能的可重复性很难控制。另外活性炭色黑质轻，有时会造。另外活性炭色黑质轻，有时会造成环境污染。成环境污染。7.1.2 7.1.2 吸附剂吸附剂 16活性炭的结构示意图活性炭的结构示意图17活性炭纤维活性炭纤维 由炭素纤维活化而制得的一种纤维状吸附剂，可做由炭素纤维活化而制得的一种纤维状吸附剂，可做成毛毡状、纸片状、布料状、蜂巢状等。成毛毡状、纸片状、布料状、蜂巢状等。活性炭纤维的活性炭纤维的外表面积比颗粒活性炭大，吸附和解吸速度比颗

12、粒状活外表面积比颗粒活性炭大，吸附和解吸速度比颗粒状活性炭快，阻力小，容易使气体或液体透过性炭快，阻力小，容易使气体或液体透过。近年来作为。近年来作为活性炭新品种正在推广应用。活性炭新品种正在推广应用。炭分子筛（炭分子筛（CMSCMS） 较活性炭具有更小的孔径较活性炭具有更小的孔径（2 21010）和更窄的孔径和更窄的孔径分布，可用于分离更小的气体分子分布，可用于分离更小的气体分子，如：从空气中回收，如：从空气中回收N N2 2。7.1.2 7.1.2 吸附剂吸附剂 18、硅胶：、硅胶：粒状无晶形氧化硅，其化学式是粒状无晶形氧化硅，其化学式是SiOSiO2 2.nH.nH2 2O O孔径在孔径

13、在1-40nm1-40nm之间，表面积约为之间，表面积约为830m830m2 2/g/g；与活性炭比与活性炭比孔径分布较单一、窄小，是极性吸附剂孔径分布较单一、窄小，是极性吸附剂；常用于空气；常用于空气或气体的干燥脱水。或气体的干燥脱水。、活性氧化铝：、活性氧化铝：化学式为化学式为AlAl2 2O O3 3.nH.nH2 2O O，孔径在，孔径在1-1-7.5nm7.5nm之间其表面积为之间其表面积为320m320m2 2/g/g；是极性吸附剂，常用是极性吸附剂，常用于催化剂载体。于催化剂载体。、沸石分子筛：、沸石分子筛：硅铝四面体构成硅铝四面体构成硅铝酸盐金属结构硅铝酸盐金属结构的结晶的结晶

14、，是一种孔径大小均一的强极性吸附剂是一种孔径大小均一的强极性吸附剂。经离。经离子交换或其他方法改性后的分子筛，具有很高的选择子交换或其他方法改性后的分子筛，具有很高的选择吸附分离能力。吸附分离能力。分子筛的吸附、催化和离子交换特性在石油化工分子筛的吸附、催化和离子交换特性在石油化工中具有广泛的应用。中具有广泛的应用。分子筛的化学通式：分子筛的化学通式：MeMex/mx/m(AlO(AlO2 2) )x x(SiO(SiO2 2) )y y.zH.zH2 2O O19（）分子筛的分类（）分子筛的分类根据根据结晶物中结晶物中SiO2AlO2的摩尔比不同的摩尔比不同，孔径的大小，孔径的大小不同，不同

15、，分为分为A、X、Y型型。型号型号SiO2AlO2孔径孔径(A0)A23-5X2.3-3.38-10Y3.3-610同一类型的分子筛，金属离子不同，其孔径是有差别的同一类型的分子筛，金属离子不同，其孔径是有差别的 如：如：3A型（钾型（钾A型）孔径为型）孔径为 3A0 4A型（钠型（钠A型）孔径为型）孔径为 4A0 5A型（钙型（钙A型）孔径为型）孔径为 6A0 10X （钙（钙X型）孔径为型）孔径为 9A0 13X （钠（钠X型）孔径为型）孔径为10A0 20（a a）A A 型型 （b b）X X 型型两种常用沸石分子筛的结构两种常用沸石分子筛的结构7.1.2 7.1.2 吸附剂吸附剂 2

16、1 AFI分子筛的结构分子筛的结构 7.1.2 7.1.2 吸附剂吸附剂 22ZSM5分子筛结构示意图分子筛结构示意图23ZSM-12分子筛结构示意图分子筛结构示意图24（2）分子筛的吸附特性）分子筛的吸附特性A A、分子筛只能吸附直径小于其孔径的分子、分子筛只能吸附直径小于其孔径的分子。因此它。因此它可以像筛分子的可以像筛分子的“筛子筛子”一样把大小不同的分子分开，一样把大小不同的分子分开，故称分子筛。故称分子筛。如：如：3 3A 分子筛孔径为分子筛孔径为 3.0 3.3A0，只能吸附，只能吸附H2 ,O2 , N2 ,H2O等分子。等分子。B B、分子筛是一种极性吸附剂，对极性分子具有较大

17、、分子筛是一种极性吸附剂，对极性分子具有较大 的亲和力。的亲和力。如：如：4A分子筛按分子大小通过分子筛按分子大小通过H2 、 H2O、C10、C20等，等，但因但因H2O极性最大，所以优先吸附水。极性最大，所以优先吸附水。C C、分子的不饱和程度越大，越容易被分子筛所吸附。、分子的不饱和程度越大，越容易被分子筛所吸附。吸附能力：吸附能力：C2 C2= C20炔烃烯烃烷烃炔烃烯烃烷烃25吸附了甲烷的吸附了甲烷的ZMS5分子筛分子筛26五、几种吸附剂的脱水性能分析五、几种吸附剂的脱水性能分析 P PH2OH2O高时：高时：硅胶、活性氧化硅胶、活性氧化铝对水的吸附量铝对水的吸附量较高；较高；P P

18、H2OH2O低时：低时：分子筛对水的吸分子筛对水的吸附量较高；附量较高；选择多种可用吸选择多种可用吸附剂、设计串联附剂、设计串联流程完成给定混流程完成给定混合物的分离过程，合物的分离过程，以提高吸附效率。以提高吸附效率。27吸附平衡：吸附平衡：在一定条件下，当流体与固体吸附剂接触时，在一定条件下，当流体与固体吸附剂接触时，流体中的吸附质被吸附剂吸附，经过足够长的时间后流体中的吸附质被吸附剂吸附，经过足够长的时间后吸吸附质在两相中浓度不再变化，即吸附质在流体和吸附剂上附质在两相中浓度不再变化，即吸附质在流体和吸附剂上的分配达到一种动态平衡，的分配达到一种动态平衡，称为称为吸附平衡吸附平衡。7.2

19、7.2吸附平衡吸附平衡*iiyy 或或*iixx 吸附：吸附质由流体转向吸附剂吸附：吸附质由流体转向吸附剂脱附：吸附质由吸附剂转向流体脱附：吸附质由吸附剂转向流体*iiyy 或或*iixx 吸附过程进行的基本依据：吸附平衡关系。吸附过程进行的基本依据：吸附平衡关系。吸附平衡关系决定吸附进行的方向和限度！吸附平衡关系决定吸附进行的方向和限度！吸附和脱附吸附和脱附进行的条件：进行的条件：28 目前尚没有成熟的理论来估计流体与固体之间的吸目前尚没有成熟的理论来估计流体与固体之间的吸附平衡关系。因此，需要对特定的物系，通过实验进行附平衡关系。因此，需要对特定的物系，通过实验进行测定：测定：(1)(1)

20、在在等温等温条件下，表示吸附剂上吸附质的条件下，表示吸附剂上吸附质的吸附量与流吸附量与流 体中吸附质浓度或分压体中吸附质浓度或分压的关系曲线称为的关系曲线称为吸附等温线吸附等温线(2)(2)在在等压等压条件下，表示条件下，表示吸附量和温度吸附量和温度的关系曲线称为的关系曲线称为 吸附等压线吸附等压线；(3)(3)在在等吸附容量条件等吸附容量条件下，表示下，表示温度和压力温度和压力的关系曲线的关系曲线 称为称为吸附等容线。吸附等容线。吸附平衡时，可用吸附平衡时，可用吸附量吸附量表示吸附剂的吸附能力。表示吸附剂的吸附能力。(1)(1)吸附量：被吸附的吸附质的摩尔数吸附量：被吸附的吸附质的摩尔数/

21、/单位表面吸附剂单位表面吸附剂m m2 2(2)(2)吸附量：被吸附的吸附质的摩尔数吸附量：被吸附的吸附质的摩尔数/ /单位质量吸附剂单位质量吸附剂kgkg 29一、单组分气体的吸附平衡一、单组分气体的吸附平衡 吸附速度脱附速度，即达到吸附速度脱附速度，即达到吸附动态平衡吸附动态平衡。平衡吸附量平衡吸附量q q与与P P，T T有关，即：有关，即：q=f(p,T)q=f(p,T) T T一定时，一定时，q = f(P) q = f(P) 吸附等温线；吸附等温线； P P一定时，一定时，q = f(T) q = f(T) 吸附等压线。吸附等压线。、吸附等温线、吸附等温线图图7-57-5为气相吸附

22、的典型的吸附等温线。为气相吸附的典型的吸附等温线。BrunauerBrunauer等人等人将纯气体实验得到的吸附等温线，分为五类。将纯气体实验得到的吸附等温线，分为五类。7.2.17.2.1气体吸附平衡气体吸附平衡30类：类：多分子层吸附多分子层吸附常适用于临界温度以常适用于临界温度以下的气体。下的气体。 -195 -195 氮在铁上的吸附；氮在铁上的吸附； 3030水蒸气在碳黑上水蒸气在碳黑上的吸附。的吸附。 类：类：优惠型吸附优惠型吸附等温曲线，单分子等温曲线，单分子层吸附，常适用于层吸附，常适用于临界温度以上的气临界温度以上的气体。体。 -103-103氧在活氧在活性炭上的吸附。性炭上的

23、吸附。类：类：等温线在压力等温线在压力低时，曲线下凹，吸低时，曲线下凹，吸附量低，只有高压下附量低，只有高压下才变得容易吸附，相才变得容易吸附，相应于多层吸附；应于多层吸附； 7070溴在硅胶上的吸附。溴在硅胶上的吸附。类：类：由由演变演变而来，吸附初期为而来，吸附初期为单分子层吸附，吸单分子层吸附，吸附后期为多分子层附后期为多分子层吸附和毛细孔内凝吸附和毛细孔内凝聚；聚；5050苯在氧化苯在氧化铁上的吸附。铁上的吸附。 类：类：由由 演变演变而来，曲线呈而来，曲线呈s s型，型，吸附有滞后现象；吸附有滞后现象；100 100 水蒸气在水蒸气在木炭上的吸附。木炭上的吸附。 31吸附等温线的作用

24、：吸附等温线的作用：选择适宜的吸附剂、判断吸附剂选择适宜的吸附剂、判断吸附剂的吸附性能的特征和极限；的吸附性能的特征和极限；若吸附等温线呈若吸附等温线呈、型型吸附操作有效；吸附操作有效；若吸附等温线呈若吸附等温线呈、型吸附操作可型吸附操作可能是不经济的。能是不经济的。2、吸附等温式、吸附等温式 不同类型的吸附等温线反映了吸附剂不同的吸附不同类型的吸附等温线反映了吸附剂不同的吸附机机理，因此提出了多种吸附理论和表达吸附平衡关系的理，因此提出了多种吸附理论和表达吸附平衡关系的吸附等温式。吸附等温式。 Freundlich(费雷德里希费雷德里希)吸附等温方程式吸附等温方程式 q=Kp1/n (7-4

25、)式中：式中：q吸附质在吸附相中的浓度；吸附质在吸附相中的浓度； p吸附质在流体相中的分压；吸附质在流体相中的分压； K 、n与吸附剂的种类、特性、温度有关的与吸附剂的种类、特性、温度有关的常数；常数； n大于大于1的数，的数，n越大其吸附等温线与线性越大其吸附等温线与线性偏离程度越大，变成非线性等温线。见图偏离程度越大，变成非线性等温线。见图7-6。32随随n n的增大，的增大，吸附过程吸附过程由由可逆转为可逆转为不可逆不可逆。7.2.17.2.1气体吸附平衡气体吸附平衡33 对式对式 q=Kp1/n 两边取对数：两边取对数： lgq=lgK+1/nlgp (7-6) 在对数坐标纸上是一条直

26、线。由实验测得在对数坐标纸上是一条直线。由实验测得p、q数数据，作直线得：据，作直线得：截距截距lgK、斜率、斜率1/n，可求出参数，可求出参数K和和n。Freundlich (费雷德里希费雷德里希)吸附等温方程式：吸附等温方程式： (1) 是经验公式，不能说明吸附机理；是经验公式，不能说明吸附机理； (2) 不仅适用于气体吸附，更适用于液体吸附；不仅适用于气体吸附，更适用于液体吸附； (3) 低压段和高压段有较大偏差。低压段和高压段有较大偏差。 7.2.17.2.1气体吸附平衡气体吸附平衡34Langmuir吸附等温方程吸附等温方程 最早从动力学观点提出的一个著名的吸附理论。最早从动力学观点

27、提出的一个著名的吸附理论。 假设假设：(1) 固体表面是均匀的；固体表面是均匀的； (2) 吸附是单分子层的；吸附是单分子层的； (3) 被吸附分子之间无相互作用力。被吸附分子之间无相互作用力。 满足上述三个条件的吸附称为满足上述三个条件的吸附称为理想吸附理想吸附。7.2.17.2.1气体吸附平衡气体吸附平衡35 (7-3) 由实验数据确定由实验数据确定单分子层最大吸附量单分子层最大吸附量Langmuir常数，与温度有关常数，与温度有关吸附容量吸附容量吸附质在气体混合物中的分压吸附质在气体混合物中的分压 Langmuir基于单分子层吸附理论对气体推导基于单分子层吸附理论对气体推导出出简单和应用

28、广泛的近似表达式：简单和应用广泛的近似表达式：7.2.17.2.1气体吸附平衡气体吸附平衡36把式把式 两边取倒数，得：两边取倒数，得： 1/q=(1+KP)/(qmKP)=1/(qmKP)+1/qm两边乘两边乘P得：得： P/q=P/qm+1/(qmK) (A式式) P/qP 为直线关系为直线关系，其，其截距截距=1/(qmK)，斜率，斜率=1/qm如果有一组如果有一组Pq 的的实验数据实验数据，可以求出，可以求出P/qP 的直线的直线关系，由此，关系，由此，求出求出qm和和K。与与Langmuir方程完全吻合的物系相当少，但有方程完全吻合的物系相当少，但有大量的物系近似符合。由于该模型在低

29、浓度范围就简大量的物系近似符合。由于该模型在低浓度范围就简化为亨利定律（化为亨利定律（q=Kp）。使得物理吸附系统符合热）。使得物理吸附系统符合热力学一致性要求，因此力学一致性要求，因此Langmuir模型被公认为模型被公认为定性定性或半定量研究变压吸附或半定量研究变压吸附系统的基础。系统的基础。37二、气体混合物的吸附平衡二、气体混合物的吸附平衡 如果气体混合物中两个或多个组分都被吸附，而如果气体混合物中两个或多个组分都被吸附，而且被吸附程度大致相同，一般被吸附的两个组分之间且被吸附程度大致相同，一般被吸附的两个组分之间相互有影响。通常，相互有影响。通常，纯组分是易吸附的，在混合物中纯组分是

30、易吸附的，在混合物中也易吸附，但整体吸附情况较复杂也易吸附，但整体吸附情况较复杂。 吸附等温式：吸附等温式：扩展扩展Langmuir吸附等温式：吸附等温式：忽略各吸附组分之间忽略各吸附组分之间的相互作用，其他组分的吸附仅仅减少了吸附表面上的相互作用，其他组分的吸附仅仅减少了吸附表面上的空位，的空位，用扩展的用扩展的Langmuir方程式表示。方程式表示。含含c个组分个组分的混合物，每个组分的吸附量为：的混合物，每个组分的吸附量为： (7-9)qm,i ，Ki 纯组分吸附时的对应值；纯组分吸附时的对应值； pi 气相中组气相中组分分 i的分压；总吸附量为各组分吸附量之和。的分压；总吸附量为各组分

31、吸附量之和。 C1iiiiii ,mipK1pKqq38Langmuir- Freundlich联合方程联合方程 (7-10) 式中：式中：qs,i 最大吸附量；最大吸附量； (7-10)能非常好地表示非极性多组分混合物在分子筛中的能非常好地表示非极性多组分混合物在分子筛中的吸附数据。吸附数据。Langmuir扩展方程式和扩展方程式和Langmuir-Freundlich方程的联方程的联合方程合方程缺乏热力学一致性，故理论依据不充分，只具有半缺乏热力学一致性，故理论依据不充分，只具有半经验性质，经验性质，但应用起来比较简便。但应用起来比较简便。 C1jn/1jjn/1iii , sijipK1

32、pKqq7.2.17.2.1气体吸附平衡气体吸附平衡 q=Kp1/n GOTO39液相吸附比气相复杂，除液相吸附比气相复杂，除温度和溶质浓度温度和溶质浓度外，吸外，吸附剂对溶剂和溶质的吸附、溶质的溶解度和离子化、附剂对溶剂和溶质的吸附、溶质的溶解度和离子化、各种溶质之间的相互作用以及共吸附现象等都会对吸各种溶质之间的相互作用以及共吸附现象等都会对吸附产生不同程度的影响。附产生不同程度的影响。Giles对一批有机溶剂组成的溶液的吸附等温线对一批有机溶剂组成的溶液的吸附等温线进行了研究，按等温线离开原点最近一段曲线斜率变进行了研究，按等温线离开原点最近一段曲线斜率变化将液相吸附等温线分为四类：化将

33、液相吸附等温线分为四类：7.2.27.2.2液相吸附平衡液相吸附平衡认识液相吸附等温线认识液相吸附等温线40一、等温线的分类一、等温线的分类S曲线：被吸附分子垂直于吸附曲线：被吸附分子垂直于吸附剂表面，吸附曲线在离开原点的剂表面，吸附曲线在离开原点的一段向浓度坐标轴方向凸出；一段向浓度坐标轴方向凸出；L曲线：被吸附分子在吸附剂表曲线：被吸附分子在吸附剂表面形成平面，为面形成平面，为Langmuir吸附吸附等温线。等温线。H曲线：高亲和力吸附等温曲线，曲线：高亲和力吸附等温曲线，曲线在离开原点后向浓度坐标轴曲线在离开原点后向浓度坐标轴方向高度凸出；方向高度凸出； C曲线：吸附量与溶液浓度成线曲线

34、：吸附量与溶液浓度成线性关系，被吸附物质在吸附剂表性关系，被吸附物质在吸附剂表面和溶液之间有一定的分配系数。面和溶液之间有一定的分配系数。7.2.27.2.2液相吸附平衡液相吸附平衡曲线的变化主要与吸附层分子和溶液中的分子作用有关！曲线的变化主要与吸附层分子和溶液中的分子作用有关！41二、等温方程二、等温方程以浓度代替压力，用以浓度代替压力，用Langmuir方程和方程和Freundlich方程，表示的溶液的吸附等温方程；方程，表示的溶液的吸附等温方程；7.2.27.2.2液相吸附平衡液相吸附平衡两式在工业上应用都较多。两式在工业上应用都较多。 对于含两种或多种溶质的稀溶液，可用扩展对于含两种

35、或多种溶质的稀溶液，可用扩展的的Langmuir方程估计多组分吸附。方程估计多组分吸附。427.37.3吸附机理吸附机理吸附质被吸附剂吸附的过程可分为四步：吸附质被吸附剂吸附的过程可分为四步：1 1、外扩散过程外扩散过程：吸附质从流体的主体通过扩散（分：吸附质从流体的主体通过扩散（分 子扩散或对流扩散）穿过流体膜（气膜或液膜）子扩散或对流扩散）穿过流体膜（气膜或液膜） 传递到吸附剂的外表面；传递到吸附剂的外表面；2 2、内扩散过程内扩散过程：吸附质从固体外表面进入其微孔：吸附质从固体外表面进入其微孔 道，通过扩散到达颗粒的内表面；道，通过扩散到达颗粒的内表面；3 3、表面扩散表面扩散：吸附质沿

36、孔表面的扩散；：吸附质沿孔表面的扩散；4 4、吸附质被、吸附质被吸附吸附在孔内表面上。在孔内表面上。控制步骤控制步骤43吸附机理示意图吸附机理示意图RETURN44u 在在化学吸附化学吸附中，由于吸附质与吸附剂间有化学键中，由于吸附质与吸附剂间有化学键的形成，因此第的形成，因此第4步较慢，可能成为吸附的控制步步较慢，可能成为吸附的控制步骤。骤。u 在在物理吸附物理吸附中，在固体颗粒表面上的吸附质吸附中，在固体颗粒表面上的吸附质吸附过程很快，吸附的速率由前面过程很快，吸附的速率由前面3步决定，称为步决定，称为扩散控扩散控制制。在大多数情况下，内扩散的速率较外扩散慢，。在大多数情况下，内扩散的速率

37、较外扩散慢，吸附过程为吸附过程为内扩散控制内扩散控制；但有的情况下，外扩散速；但有的情况下，外扩散速率比内扩散速率慢得多，吸附速度由外扩散速率决率比内扩散速率慢得多，吸附速度由外扩散速率决定，称为定，称为外扩散控制外扩散控制。7.37.3吸附机理吸附机理45 进料方式进料方式 床层温度床层温度分离组分数分离组分数 组分浓度组分浓度 吸附过吸附过 程分类程分类单组分吸附单组分吸附多组分吸附多组分吸附连续进料连续进料间歇进料间歇进料恒温吸附恒温吸附痕量组分脱除痕量组分脱除绝热吸附绝热吸附主体分离主体分离7.7.吸附分离过程吸附分离过程吸附分离设备吸附分离设备46工业上常用的吸附分离设备：工业上常用

38、的吸附分离设备：吸附搅拌槽、固定吸附搅拌槽、固定床吸附器、移动床吸附器和流化床吸附塔。床吸附器、移动床吸附器和流化床吸附塔。7.4.1 吸附搅拌槽吸附搅拌槽应用：主要用于液体的吸附分离，特别是液体的应用：主要用于液体的吸附分离，特别是液体的 精制。如：脱水、脱色、脱臭等操作。精制。如：脱水、脱色、脱臭等操作。操作方式：间歇操作、连续操作、半间歇半连续操作操作方式：间歇操作、连续操作、半间歇半连续操作操作要求：良好的搅拌，使液固充分接触，形成湍流操作要求：良好的搅拌，使液固充分接触，形成湍流 状态的悬浮液。状态的悬浮液。适用场合：溶质的吸附能力强，传质速率由液膜控制适用场合：溶质的吸附能力强，传

39、质速率由液膜控制 和脱除少量杂质的场合。和脱除少量杂质的场合。7.7.吸附分离过程吸附分离过程477.7.吸附分离过程吸附分离过程7.4.2 固定床吸附器固定床吸附器一、固定床吸附器的结构一、固定床吸附器的结构操作过程由两部分组成：操作过程由两部分组成：吸附过程和脱附过程。吸附过程和脱附过程。优点：优点：设备结构简单，操作方便。设备结构简单，操作方便。缺点：缺点：操作不稳定，床层中各处的浓度随时间变化操作不稳定，床层中各处的浓度随时间变化 为非稳态过程，计算过程较复杂。为非稳态过程，计算过程较复杂。 48二、固定床吸附器的操作特性二、固定床吸附器的操作特性 1 1、理想固定床吸附器中溶质浓度分

40、布、理想固定床吸附器中溶质浓度分布理想固定床吸附的假设理想固定床吸附的假设：(1)(1)内外扩散阻力很小；内外扩散阻力很小；(2)(2)流体流动呈活塞流；流体流动呈活塞流；(3)(3)轴向扩散忽略；轴向扩散忽略；(4)(4)初始吸附剂不含吸附质初始吸附剂不含吸附质(5)(5)吸附等温线开始于吸附等温线开始于0 0， 且瞬间达到吸附平衡。且瞬间达到吸附平衡。49t1t1时刻：整个床层处时刻：整个床层处于非饱和状态。于非饱和状态。t2t2时刻：整个床层时刻：整个床层被分为三部分。被分为三部分。传质区传质区(MTZ)(MTZ)：c/cc/cF F=0.05=0.05处为处为L Lf fc/cc/cF

41、 F=0.95=0.95处为处为L Ls stbtb时刻：传质区的时刻：传质区的下端点到达床底，此下端点到达床底，此点称为点称为穿透点穿透点。7.7.吸附分离过程吸附分离过程2 2、实际固定床中溶质浓度分布、实际固定床中溶质浓度分布MTZ50eb 饱和点饱和点( (流干点流干点) )穿透点穿透点破破 点点突破点突破点透过点透过点C=0.05cFC=0.95cF3 3、透过曲线：、透过曲线：床层出口流体床层出口流体中溶质的相对中溶质的相对浓度随时间变浓度随时间变化的曲线。化的曲线。51对透过曲线的分析对透过曲线的分析当当ttttttb b时，若继续吸时，若继续吸附，附，c coutout迅速上升

42、，迅速上升，当当c coutout=0.95c=0.95cF F时，时，床床层饱和。层饱和。 穿透点穿透点饱饱和和点点透过曲线：透过曲线：反映出床层内吸附波的形状反映出床层内吸附波的形状和传质区的长度，并确定了床层中吸附和传质区的长度，并确定了床层中吸附容量的利用程度。容量的利用程度。透过曲线越宽，相应的传质区越宽，可透过曲线越宽，相应的传质区越宽，可被利用床层的容量越小。被利用床层的容量越小。当床层全部饱和后当床层全部饱和后c coutout = = c cF F最高允许浓度：最高允许浓度：c/cF=0.05524 4、影响透过曲线的因素、影响透过曲线的因素吸附剂的特性、床层的装填和流体的流

43、动吸附剂的特性、床层的装填和流体的流动状态、流动相的流率和两相接触时间、吸附塔状态、流动相的流率和两相接触时间、吸附塔的直径和床层深度、吸附剂的用量、进料浓度的直径和床层深度、吸附剂的用量、进料浓度和对出料纯度的要求等对吸附透过曲线都有着和对出料纯度的要求等对吸附透过曲线都有着不同的影响。其中吸附剂的特性、不同的影响。其中吸附剂的特性、吸附等温线吸附等温线的类型的类型对透过曲线有直接影响。对透过曲线有直接影响。7.7.吸附分离过程吸附分离过程53吸附等温线类型对透过曲线的影响吸附等温线类型对透过曲线的影响(a)(a)优惠吸附等温线优惠吸附等温线曲线斜率随被吸附组分浓度的增加而减小曲线斜率随被吸

44、附组分浓度的增加而减小，刚开始吸附时，刚开始吸附时，在床层进口附近形成直线浓度波；继续进料，浓度波前移，在床层进口附近形成直线浓度波；继续进料，浓度波前移，从等温线可知随组分浓度的增加，吸附量增加量呈下降趋从等温线可知随组分浓度的增加，吸附量增加量呈下降趋势，故在床层内高浓度端较低浓度端移动较快，浓度波随势，故在床层内高浓度端较低浓度端移动较快，浓度波随时间变得越来越陡，使得时间变得越来越陡，使得传质区变窄小，床层有效利用率传质区变窄小，床层有效利用率提高，有利于吸附操作提高，有利于吸附操作。在实际操作中，由于传质阻力的。在实际操作中，由于传质阻力的存在，传质区的缩短不再延续，而形成一定波形的

45、浓度波存在，传质区的缩短不再延续，而形成一定波形的浓度波在床层内移动，直到浓度波前沿到达床层出口为止。在床层内移动，直到浓度波前沿到达床层出口为止。MTZ547.7.吸附分离过程吸附分离过程(b)(b)非优惠吸附等温线非优惠吸附等温线与优惠吸附等温线相反，即随组分浓度的增加，吸与优惠吸附等温线相反，即随组分浓度的增加，吸附量增加量呈上升趋势，导致高浓度端较低浓度端移动附量增加量呈上升趋势，导致高浓度端较低浓度端移动较慢，使得较慢，使得传质区变大，床层有效利用率降低，不利于传质区变大，床层有效利用率降低，不利于吸附操作。吸附操作。再加传质阻力的存在，对整个吸附更加不利。再加传质阻力的存在，对整个

46、吸附更加不利。MTZMTZMTZMTZ55(c)(c)线性吸附等温线线性吸附等温线 曲线斜率为定值，不因吸附质浓度的增加而变化。曲线斜率为定值，不因吸附质浓度的增加而变化。即吸附质与吸附剂分子间的亲和力与溶液平衡浓度无即吸附质与吸附剂分子间的亲和力与溶液平衡浓度无关，形成直线浓度波。关，形成直线浓度波。优惠吸附等温线有利于吸附，非优惠等温线有利优惠吸附等温线有利于吸附，非优惠等温线有利于脱附，于脱附，因此，选择吸附剂时既要兼顾因此，选择吸附剂时既要兼顾吸附和脱附吸附和脱附过过程，还要据实际选择的程，还要据实际选择的脱附方法和吸附分离操作的工脱附方法和吸附分离操作的工艺条件确定。艺条件确定。56

47、一、变温吸附一、变温吸附(Thermal Swing Adsorption简称简称TSA) 依靠依靠吸附量随温度变化的特性吸附量随温度变化的特性而实现的吸附分离过而实现的吸附分离过程。程。 吸附通常在环境温度下进行，而解吸在直接或间接吸附通常在环境温度下进行，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循环操作。解吸再生循环操作。该类流程常用于从气体或液体中分该类流程常用于从气体或液体中分离少量杂质。离少量杂质。几种典型吸附分离流程几种典型吸附分离流程升温升温吸附量明显下降吸附量明显下降57 变温吸附变温吸附循环操作是在两个平行的固定床吸附器循环操作是在两个平行的固定床吸附器中进行。其中一个在环境温度下吸附溶质，而另一个中进行。其中一个在环境温度下吸附溶质，而另一个在较高温度下解吸附质，使吸附剂床层再生。在较高温度下解吸附质，使吸附剂床层再生。缺点：缺点：再生时间长再生时间长热量消耗大热量消耗大同图7-185859二、变压吸附（二、变压吸附（Pressure Swing Adsorption简称简称PSA） 依靠依靠在等温条件下吸