1、第九章吸 附,第九章 吸附,一、 吸附分离操作的基本概念 二、 吸附剂 三、 吸附平衡 四、 吸附操作与吸附穿透曲线,本章主要内容,一、吸附分离操作的分类 二、吸附分离操作的应用,本节的主要内容,第一节 吸附分离操作的基本概念,吸附操作是通过多孔固体物质与某一混合组分体系（气体或液体）接触，有选择地使体系中的一种或多种组分附着于固体表面，从而实现特定组分分离的操作过程。 被吸附到固体表面的组分吸附质 吸附吸附质的多孔固体吸附剂 吸附质附着到吸附剂表面的过程吸附 吸附质从吸附剂表面逃逸到另一相的过程解吸,基本术语,第一节 吸附分离操作的基本概念,按作用力性质分类：物理吸附和化学吸附 按吸附剂再生
2、方法分类：变温吸附和变压吸附 按原料组成分类：大吸附量分离和杂质去除 按分离机理分类：位阻效应、动力学效应和平衡效应,一、吸附分离操作的分类,第一节 吸附分离操作的基本概念,二、吸附分离操作的应用,吸附分离操作的应用范围很广，既可以对气体或液体混合物中的某些组分进行大吸附量分离，也可以去除混合物中的痕量杂质。 日常生活：木炭吸湿、吸臭；防腐剂；吸湿剂（硅胶）,第九章第一节 吸附分离操作的基本概念,第一节 吸附分离操作的基本概念,化工领域：产品的分离提纯，如制糖品工业，用活性炭处理糖液， 吸附其中杂质，得到洁白的产品。环境领域：水：脱色脱臭，有害有机物的去除，金属离子，氮、磷空气：脱湿，有害气体
3、，脱臭,特别适合于低浓度混合物的分离,第一节 吸附分离操作的基本概念,几种常用的吸附剂,具有一定吸附能力的多孔物质都可以作吸附剂.,（一）活性炭,（二）活性炭纤维,（三）硅胶,（四）活性氧化铝,（五）沸石分子筛,一、单组分气体吸附 二、双组分气体吸附 三、液相吸附,本节的主要内容,第三节 吸附平衡,在一定条件下，当流体（气体或液体）和吸附剂接触，流体中的吸附质将被吸附剂所吸附。,当吸附速率和解吸速率相等时，流体中吸附质浓度不再改变时 吸附平衡,吸附剂吸附能力用吸附量q表示。,吸附平衡与平衡吸附量,第三节 吸附平衡,（一）吸附平衡理论,一、单组分气体吸附,气体吸附等温线测定方法： 重量法、容量法
4、,不同温度下NH3在木炭上的吸附等温线,第三节 吸附平衡,q=f(p,T),(9.3.1),降压或升温易发生脱附。,第三节 吸附平衡,1.弗兰德里希（Freunlich）方程,等温吸附方程,描述等温吸附条件下吸附量与压力的关系式,2. 朗格谬尔（Langmuir)公式,3.BET公式,q平衡吸附量，kg吸附质/kg吸附剂；,k和吸附剂种类、特性、温度以及所用单位有关的常数；,弗兰德里希公式参数的求解： 对吸附等温式两边取对数：,k,双对数坐标,1/n,1/n越小，说明吸附可在相当宽的浓度范围下进行。 一般认为 1/n = 0.1 0.5 时容易吸附。,第三节 吸附平衡,lg p,lg q,如何
5、求解Langmuir公式参数？,1/(k1qm),或,第三节 吸附平衡,公式变换得：,当p很小时，则：q=k1qmp 呈亨利定律，即吸附量与气体的平衡分压成正比。 当p时， q=qm 此时，吸附量与气体分压无关，吸附剂表面被占满，形成单分子层。,Langmuir 公式分析：,第三节 吸附平衡,1.液相吸附的特点 液相吸附的机理比气相复杂。在吸附质发生吸附时，溶剂也有可能被吸附。 影响因素包括：除温度和溶质浓度外，溶剂种类、吸附质的溶解度和离子化、各种溶质之间的相互作用等。 在溶剂的吸附作用忽略不计时，可以认为是单组分吸附。,三、液相吸附,第三节 吸附平衡,吸附质在液相中平衡质量浓度，kg/m3
6、,一、吸附剂颗粒外表面界膜传质速率 二、吸附剂颗粒内表面扩散速率 三、内表面扩散阻力控制的吸附过程 四、外表面界膜阻力和内表面扩散阻力同时存在时的吸附过程 五、外表面界膜控制时的吸附过程,本节的主要内容,第四节 吸附动力学,（1）吸附质从流体主体扩散到吸附剂外表面外扩散 （2）吸附质由吸附剂的外表面向微孔中的内表面扩散内扩散 （3）吸附质在吸附剂的内部表面上被吸附,一般第(3)步的速率很快，吸附传质速率主要取决于第(1)和(2)两步。 外扩散速率很慢外扩散控制 内扩散速率很慢内扩散控制,吸附剂从流体中吸附吸附质的传质过程,第四节 吸附动力学,五、外表面界面膜控制时的吸附过程,第四节 吸附动力学
7、,外表面界面膜控制通常发生在液相吸附的情况。,(9.4.13),当吸附剂颗粒较小时，界膜内扩散为控制步骤。吸附速度可以表示为：,一、接触过滤吸附 二、固定床吸附,本节的主要内容,第五节 吸附操作与吸附穿透曲线,为适用不同的过程特点和分离要求，吸附有各种不同的操作工艺，如：液体接触过滤器固定床吸附塔流化床吸附塔移动床吸附塔,吸附工艺过程,第五节 吸附操作与吸附穿透曲线,一、接触过滤吸附,接触过滤吸附是一种专门用于液体吸附的方法。 将吸附剂与被处理的溶液加入到搅拌的吸附槽中，经过足够的接触时间后，将液体和吸附剂分离。,操作方式可以分为单级吸附、多级吸附和逆流吸附等。,第五节 吸附操作与吸附穿透曲线
8、,（一）单级吸附,G, 0,G, 1,L, x0,L, x1,溶剂量G和吸附剂量L不变。根据质量守恒定律：,G溶剂量，m3； L吸附剂量，kg； x0, x1吸附质在进、出吸附槽的吸附剂中的浓度，kg（吸附质）/kg（吸附剂）； 0, 1吸附质在进、出吸附槽的溶液中的浓度，kg（吸附质）/m3（溶剂）。,吸附剂,溶液,第五节 吸附操作与吸附穿透曲线,(9.5.1),过端点（x0, 0）和（x1, 1），斜率为L/G的直线。 假设在该级操作中，固液之间达到平衡，即为一个理论级，则（x1, 1）点在平衡线上。,0,1,x0,x1,x,操作线,平衡线,单级吸附操作线,第五节 吸附操作与吸附穿透曲线,
9、如果吸附平衡关系可用弗兰德里希公式表示，则吸附平衡可表示为：,联立操作线方程和平衡线方程，可求出固、液相的极限浓度x1, 1。,如何求出固、液相的极限浓度x1, 1？,第五节 吸附操作与吸附穿透曲线,xk1/n,(9.3.13),或已知x1, 1，求固液比L/G： x00时,(9.5.2),所需接触时间,第五节 吸附操作与吸附穿透曲线,按（ 0- 1）/ （ 0- 1）=0.95-0.98计算,S1kg吸附剂的表面积； KF总传质系数,当吸附剂颗粒总量较少时， KF k,（二）多级错流吸附,G, 0,G, 1,L1, x0,L1, x1,G, 2,L2, x0,L2, x2,对于第1级：对于第
10、2级：,第1级,第2级,吸附剂,第五节 吸附操作与吸附穿透曲线,(9.5.1),(9.5.1), 0, 1,x0,x1,x,操作线,平衡线,x2, 2,A1,A2,如果吸附平衡可表示为：x0=0时，,每一级都是理论级，即（x1, 1）和（x2, 2）都在平衡线上。,第五节 吸附操作与吸附穿透曲线,xk1/n,(9.5.5),对于最小吸附剂总用量，d(L1+L2)/G/d10 对于一定体系和分离要求，k, n, 0及2为常数，则得：,即当1符合上式时，总吸附剂用量为最小。 由上式求出1, 然后再计算各级所需要的吸附剂用量。,吸附剂用量如何计算？,第五节 吸附操作与吸附穿透曲线,(9.5.6),（
11、三）逆流多级吸附,G, 0,1,2,m,L, x1,L, xm+1,x2,x3,1,2,m,上式为逆流吸附操作线方程。 理论级数，可通过在平衡线和操作线之间做阶梯确定。,吸附剂,溶液,第五节 吸附操作与吸附穿透曲线,m-1,xm,0,xm+1,x1,x,操作线,平衡线,m,理论级数：2,理论级数的图解法,第五节 吸附操作与吸附穿透曲线,B,A,1,吸附剂量的计算,在给定级数后，过B点作不同斜率的操作线，通过试差求出吸附剂量L。,0,xm+1,x1,x,m,第五节 吸附操作与吸附穿透曲线,L/G,B,A,最小吸附剂量的计算,无限级数情况下，作操作线求出最小吸附剂量。,0,xm+1,x1,x,m,0,xm+1,x1,x,m,（L/G) min,第五节 吸附操作与吸附穿透曲线,（L/G) min,B,B,A,A,若体系的平衡关系可用弗兰德里希公式表示，且所用的吸附剂不含吸附质，xm+1=0时，吸附剂用量可通过计算求得。 以二级吸附为例：,由该式可求得离开第1级的液相组成1， 再求出吸附剂用量等其他参数。,第五节 吸附操作与吸附穿透曲线,(9.5.8),例题9.5.3,第五节 吸附操作与吸附穿透曲线,1、单级操作,先确定等温吸附方程，即平衡关系。,xk1/n,2、二级错流操作,3、二级逆流操作,(9.5.2),(9.5.6),(9.5.8),
