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1、湖南大学教案第 6 章 气固、液固传质分离过程主要包括吸附、结晶和膜分离等。一般都在低温和常温下进行，能耗较低，且在杂质含量较多或目的组分含量较少的体系中显示出显著的技术优势。吸附、结晶属于平衡分离过程，膜分离属速率分离过程。6.1 吸附分离过程基本要求：1、 掌握的内容：物理吸附、化学吸附概念，吸附剂的特性，吸附平衡的概念，气相单分子层物理吸附等温线。2、 熟悉的内容： 吸附剂的分类， 吸附过程与吸附过程速率控制。3、了解的内容：气相双组分吸附等温线，液相中的吸附平衡，各种吸附操作及强化吸附过程的途径。61 1 概述吸附：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

2、蓄 , 此现象称为吸附。吸附物、吸附剂：在固体表面积蓄的组分称为吸附物或吸附质(adsorbate)，多孔固体称为吸附剂 (adsorbent)。吸附操作：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。实际上，人们很早就发现并利用了吸附现象，如生活中用木炭脱湿和除臭等。随着新型吸附剂的开发及吸附分离工艺条件等方面的研究，吸附分离过程显示出节能、产品纯度高、可除去痕量物质、操作温度低等突出特点，使这一过程在化工、医药、食品、轻工、环保等行业得到了广泛的应用，例如：（1）气体或液体的脱水及深度干燥， 如将

3、乙烯气体中的水分脱到痕量，再聚合。（2）气体或溶液的脱臭、 脱色及溶剂蒸气的回收， 如在喷漆工业中，常有大量的有机溶剂逸出， 采用活性炭处理排放的气体， 既减少环境的污染，又可回收有价值的溶剂。（3）气体中痕量物质的吸附分离，如纯氮、纯氧的制取。（4）分离某些精馏难以分离的物系，如烷烃、烯烃、芳香烃馏分化学工程与工艺1夏新年传质分离过程第 6 章气固与液固传质分离的分离。（5）废气和废水的处理， 如从高炉废气中回收一氧化碳和二氧化碳，从炼厂废水中脱除酚等有害物质。吸附的分类物理吸附：也称为范德华吸附，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

4、附。61 2 吸附剂及其特性1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）具有较大的内表面吸附容量大；（2）选择性高吸附剂对不同的吸附质具有不同的吸附能力，其差异愈显著，分离效果愈好；（3）具有一定的机械强度抗磨损；（4）有良好的物理及化学稳定性耐热冲击，耐腐蚀；（5）容易再生；（6）易得，价廉。吸附剂可分为两大类，一类是天然的吸附剂，如硅藻土、白土、天然沸石等。 另一类是人工制作的吸附剂，主要有活性炭、 活性氧化铝、硅胶、合成沸石分子筛、有机树脂吸附剂等，下面介绍几种广泛应用的人工制作的吸附剂。（1）活性炭活性炭是最常用的吸附剂。它具有非极性表面，

5、比表面积较大，化学稳定性好，抗酸耐碱，热稳性高，再生容易。合成纤维经炭化后可制成活性炭纤维吸附剂，使吸附容量提高数十倍，因活性炭纤维可以编制成各种织物， 流体流动阻力减少。 活性炭也可加工成炭分子筛，具有分子筛的作用，常用于空气分离制氮、改善饮料气味、香烟的过滤嘴等场合。（2）硅胶硅胶的分子式通常用 SiO2nH2O表示。它的比表面积达 800 m2/g。工业用的硅胶有球型、无定形、加工成型和粉末状四种。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。化学工程与工艺2夏新年湖南大学教案（3）活性氧化铝活性氧化铝是一种极性吸附剂，对水分有很

6、强的吸附能力。其比2表面积约为 200500 m/g ，用不同的原料，在不同的工艺条件下，可制得不同结构、不同性能的活性氧化铝。活性氧化铝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、氦、氢气、氯气、氯化氢和二氧化硫等气体的干燥。（4）合成沸石分子筛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，它的比表面积可达m2/g，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。（5）有机树脂吸附剂有机树脂吸附剂是高分子物质，它可以制成强极性、弱极性、非

7、极性、中性，广泛用于废水处理、 维生素的分离及过氧化氢的精制等场合。2吸附剂的性能：吸附剂具有良好的吸附特性，主要是因为它有多孔结构和较大的比表面积，下面介绍与孔结构和比表面积有关的基础性能。（1）密度1）填充密度 B（又称体积密度）是指单位填充体积的吸附剂质量。通常将烘干的吸附剂装入量筒中，摇实至体积不变，此时吸附剂的质量与该吸附剂所占的体积比称为填充密度。2）表观密度 P（又称颗粒密度）定义为单位体积吸附剂颗粒本身的质量。3）真实密度 t是指扣除颗粒内细孔体积后单位体积吸附剂的质量。（2）吸附剂的比表面积吸附剂的比表面积是指单位质量的吸附剂所具有的吸附表面积， g。吸附剂孔隙的孔径大小直接

8、影响吸附剂的比表面积，孔径的大小可分三类：大孔、过渡孔、微孔。吸附剂的比表面积以微孔提供的表面积为主，常采用气相吸附法测定。（3）吸附容量化学工程与工艺3夏新年传质分离过程第 6 章气固与液固传质分离吸附容量是指吸附剂吸满吸附质时的吸附量 （单位质量的吸附剂所吸附吸附质的质量），它反映了吸附剂吸附能力的大小。吸附量可以通过观察吸附前后吸附质体积或质量的变化测得。 也可用电子显微镜等观察吸附剂固体表面的变化测得。613吸附平衡平衡吸附量：当温度、压强一定时，吸附剂与流体长时间接触，吸附量不再增加， 吸附相（吸附剂和已吸附的吸附质） 与流体达到平衡，此时的吸附量为平衡吸附量。吸附等温线：吸附平衡关

9、系常用不同温度下的平衡吸附量与吸附质分压或浓度的关系表示，其关系曲线称为吸附等温线。1气相的吸附等温线（1）气相单组分吸附平衡1）单分子层物理吸附假设吸附剂表面均匀， 被吸附的分子间无作用， 吸附质在吸附剂的表面只形成均匀的单分子层， 则吸附量随吸附质分压的增加平缓接近平衡吸附量。如在 193下，氮在活性炭上的吸附，其吸附等温线如图 9-6 中所示。2）多分子层吸附假设吸附分子在吸附剂上按层次排列，已吸附的分子之间作用力忽略不计，吸附的分子可以累叠， 而每一层的吸附服从朗格谬尔吸附机理，此吸附为多分子层吸附。如在 30下水蒸汽在活性炭上的吸附，其吸附等温线见图 9-6 中。3）其他情况下的吸附

10、等温曲线也有人认为吸附是因产生毛细管凝结现象等所致， 其吸附等温线如图 9-6 中、所示。（2）气相双组分吸附当吸附剂对混合气体中的两个组分吸附性能相近时，可认为是双组分的吸附。此情况下吸附剂对某一组分的吸附量不仅与温度、 压强有关，还随混合物组成的变化而变化。 通常温度升高、 压力下降会使吸附量下降，图 9-7 反映了用石墨炭吸附 CFCl3C6H6混合气体，气相组成对吸附量的影响。 可以看出，某组分在吸附相和气相中摩尔分数的关系与精馏中某组分在气液两相摩尔分数的关系非常相似。2液相中的吸附平衡（1）液相单组分吸附平衡化学工程与工艺4夏新年湖南大学教案当吸附剂对溶液中溶剂的吸附忽略不计时，构

11、成了液相单组分的吸附，如用活性碳吸附水溶液中的有机物。 Giles 等人根据等温吸附曲线初始部分斜率的大小，把液相单组分吸附等温线分为 S、L、H、C四大类型，而每一类型又分成 5 族，见图 8-8 ，图中横坐标为组分在液相中的浓度，纵坐标为组分的吸附量。 S 型表示被吸附分子在吸附剂表面上成垂直方位吸附。 L 型的吸附即朗格谬尔吸附，是指被吸附分子在吸附剂表面呈平行状态。 H型的吸附是吸附剂与吸附质之间高亲合力的吸附。 C型是吸附质在溶液中和吸附剂上有一定分配比例的吸附。（2）液相中双组分的吸附平衡含吸附质 A 和 B 的溶液与新鲜的吸附剂长时间接触后，吸附量不再增加，吸附达到平衡。此情况下

12、的吸附等温曲线一般呈 U型或 S 型。U型是在吸附过程中吸附剂始终优先吸附一个组分的曲线，如用Al2O3 吸附 CH3Cl苯溶液， CH3Cl被优先吸附。 S型为溶质和溶剂吸附量相当情况， 如用炭黑吸附乙醇苯溶液， 在乙醇摩尔分数为 00.4 的范围内，乙醇优先吸附， 而在 0.4 1 的范围内，苯优先吸附。61 4 吸附过程与吸附速率的控制吸附速率是设计吸附装置的重要依据。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，kg/s 。吸附速率与物系、操作条件及浓度有关，当物系及操作条件一定时，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

13、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。外扩散控制的吸附：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。内扩散控制的吸附：当内扩散速率小于外扩散速率时，此吸附为化学工程与工艺5夏新年传质分离过程第 6 章气固与液固传质分离内扩散控制的吸附，总吸附速率由内扩散速率决定。61 5 吸附操作吸附分离过程包括吸附过程和解吸过程。 由于需处理的流体浓度、性质及要求吸

14、附的程度不同，故吸附操作有多种形式。1接触过滤式操作该操作是把要处理的液体和吸附剂一起加入到带有搅拌器的吸附槽中，使吸附剂与溶液充分接触， 溶液中的吸附质被吸附剂吸附， 经过一段时间， 吸附剂达到饱和， 将料浆送到过滤机中， 吸附剂从液相中滤出，若吸附剂可用，经适当的解吸，回收利用之。因在接触式吸附操作时， 使用搅拌使溶液呈湍流状态， 颗粒外表面的膜阻力减少，故该操作适用于外扩散控制的传质过程。 接触过滤吸附操作所用设备主要有釜式或槽式， 设备结构简单， 操作容易。广泛用于活性炭脱除糖液中的颜色等方面。2固定床吸附操作固定床吸附操作是把吸附剂均匀堆放在吸附塔中的多孔支承板上，含吸附质的流体可以

15、自上而下流动，也可自下而上流过吸附剂。在吸附过程中，吸附剂不动。通常固定床的吸附过程与再生过程在两个塔式设备中交替进行，如图 9-9 所示， z = , c = c m ,积分：(6-148)以摩尔浓度表示的浓差极化方程：化学工程与工艺16夏新年湖南大学教案（ 6-149）定义传质系数k=D/ ，当和时：6-150 ）式中称为浓差极化比。定义传质系数k=D/ ，当和时：（ 6-150）式中称为浓差极化比。浓差极化对膜分离过程的不利影响：浓差极化使膜表面被截留的溶质浓度增高，引起渗透压的增大，从而减小传质推动力；当膜表面溶质浓度达到其饱和浓度时，便会在膜表面形成沉积或凝胶层，增加透过阻力； 膜表

16、面沉积或凝胶层的形成会改变膜的分离特性；当有机溶质在膜表面达到一定浓度则有可能对膜发生溶胀或溶解，恶化膜的性能；严重的浓差极化导致结晶析出，阻塞流道，运行恶化。减轻浓差极化的方法：改变流向、提高流速； 设置湍流促进器； 脉冲法； 搅拌法； 适当提高原料侧温度。 例 6-76.3.3膜分离过程一、 膜分离过程简介膜分离过程推动力：压力差、浓度差、电位差等。表6-10 工业化膜分离过程及其特性化学工程与工艺17夏新年传质分离过程第 6 章气固与液固传质分离分离过程气体分离GasSeparation渗透汽化Pervaporation渗析Dialysis电渗析Electrodialysis分离目的气体

17、的浓缩或净化液体的浓缩或提纯大分子溶液脱除低分子溶质，或低分子溶液脱除大分子溶质脱除溶液中的离子或浓缩溶液中的离子成原料、透截留物性质过程机透过物性质推动力过物相（尺寸）理态浓度梯大分子或小分子或度溶解扩低溶解性高溶解性气气相（分压散气体体差）小分子或浓度梯进料：液大分子或高溶解性或 度、溶解扩 相低溶解性高挥发性物 温度梯 散透过物：物质质度气相 0.02，血液透筛分、低分子和 浓度梯析中阻碍扩 液体小分子溶剂 度 0.005散大尺寸离小分子离电势梯反离子液体子和水子度传递化学工程与工艺18夏新年湖南大学教案纳滤Nanofiltration超滤Ultrafiltration微滤Microfi

18、ltration图 6-44分2003000溶剂和无脱除低分子有机物及小于溶解扩机物或浓缩低相对分子静压差散及筛 液体分子有机物质量的溶200 相对分分子量的物质质脱除溶液中大10000200分子或大分子000 相对低分子静压差筛分液体与小分子溶质分子质量分离的溶质脱除或浓缩液溶液或气液体或0.0210静压差筛分体中的颗粒体气体的物质各种膜分离过程的应用范围化学工程与工艺19夏新年传质分离过程第 6 章气固与液固传质分离膜分离过程的特点：）多数膜分离过程无相变发生，能耗通常较低。）一般无需从外界加入其他物质，可节约资源和保护环境。）可使分离与浓缩、分离与反应同时实现，大大提高了分离效率。）通常

19、在温和条件下进行，因而特别适用于热敏性物质的分离、分级、浓缩与富集。）应用范围广。）规模和处理能力可在很大范围内变化，而效率、设备单价、运行费用等都变化不大。）膜组件结构紧凑，操作方便，可在频繁的启停下工作，易自控和维修，且可直接插入已有的生产工艺流程。膜分离过程的现状与发展趋势：图 6-45各种膜分离过程的现状与发展趋势二、 常用膜分离过程1 ） 微滤、超滤、纳滤和反渗透推动力：压力差1 ）超滤与微滤超滤膜的透过性能以纯水的透过速度表示，截留性能以截留相对分子质量表示，截留相对分子质量为膜对物质截留达到90% 时所对应物质的相对分子质量。微滤膜的重要参数为孔径，常见的商品微滤膜的孔径一般在 0.02 至几十微米之间。化学工程与工艺20夏新年湖南大学教案传质机理筛分机理）反渗透和纳滤过程反渗透是最早工业化和最成熟的膜分离过程之一，其工业应用是从海水、苦咸水的脱盐开始的，现又有许多新的应用。纳滤是新近发展起来的介于反渗透和超滤之间的压力驱动膜分离过程， 因其能够截留纳米级物质， 故得名纳滤，又称低压反渗透。反渗透和纳滤过程的传质模型：微孔模型、孔隙开闭理论和溶解 - 扩散理论。（ 2 ）气体膜分离过程渗透率P：。 渗透系数 J：单