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1、-1-第一节第一节 吸附的基本概念吸附的基本概念气体吸附是一种在空气污染中日益获得重视的有效方法,吸附技术的多样性和应用的广泛性,特别增强了吸附作为一种气相污染控制方法的吸引力。一般来说,吸附在实用上和经济上优于有竞争性的湿式工艺(如洗涤法)之处有以下几个方面:(1)干床层、非腐蚀系统;(2)良好的控制和对过程变化的敏感;(3)没有化学品的处理问题;(4)全自动、无人管理操作;(5)能把生产过程气流中的污染物去除到极低的含量。因此吸附技术广泛应用于工业气体的净化过程,以及有毒气体的个人防护过程。第1页/共55页-2-第一节第一节 吸附的基本概念吸附的基本概念 定义:吸附法是一种常用的净化方法它
2、是利用一些固态物质对气体的吸附能力来它是利用一些固态物质对气体的吸附能力来除去废气中某些有害组分,从而达到净化目的。除去废气中某些有害组分,从而达到净化目的。这种具有较大吸附能力的固态物质称为吸附剂吸附剂,被吸附的物质称为吸附质吸附质。吸附法特别适用于处理低浓度废气和高净化要求的场合处理低浓度废气和高净化要求的场合;对各种有机溶剂蒸气,其净化效率接近100。一定量的吸附剂所能吸收的气体量是有限度的,在吸附一定时间之后会达到饱和,这时需要更换吸附剂。用过的吸附剂经过再生(解吸)后能够重复使用。第2页/共55页-3-公元前1550年,古埃及就将木炭用于治疗疾病;中国汉代将木炭用于墓穴中的防腐。(长
3、沙马王堆)16世纪后,炭用于食品工业液相脱色;一战(19141918)德国使用毒气(氯气)俄罗斯捷林斯基(18611953年)发明了第一个通用的木炭防毒面具。活性炭:是在用于脱除酒精中的微量杂醇油后重新经过煅烧的木炭。具有较高的吸附能力。第3页/共55页-4-第一节第一节 吸附的基本概念吸附的基本概念一、吸附原理 1、和吸收过程不同吸收过程中吸收剂是液体液体,而吸附过程中吸附剂是固体固体;吸收时吸收质均匀分散在液相中(例如,硫酸或石灰吸收水分),而吸附时吸附质只吸附在吸附剂表面,形成一层吸附层。2、分类吸附过程可以分为物理吸附和化学吸附物理吸附和化学吸附两类。第4页/共55页-5-第一节第一节
4、 吸附的基本概念吸附的基本概念物理吸附物理吸附 固体吸附剂与气体分子之间普遍存在着分子间的引力,固体吸附剂与气体分子之间普遍存在着分子间的引力,即范德华力。产生物理吸附的原因是分子间的引力。即范德华力。产生物理吸附的原因是分子间的引力。物理吸附主要特征为:物理吸附主要特征为:固体表面与被吸附的气体之间不发生化学反应;固体表面与被吸附的气体之间不发生化学反应;对吸附的气体没有选择性,可吸附一切气体;对吸附的气体没有选择性,可吸附一切气体;既可以是单分子层吸附也可形成多分子层吸附;既可以是单分子层吸附也可形成多分子层吸附;吸附过程为放热过程。吸附过程为放热过程。第5页/共55页-6-第一节第一节
5、吸附的基本概念吸附的基本概念化学吸附化学吸附 化学吸附也称活性吸附,它是由于固体表面与吸附气体分子之间的化化学吸附也称活性吸附,它是由于固体表面与吸附气体分子之间的化学键所造成。学键所造成。化学吸附的特征为:化学吸附的特征为:具有明显的选择性;具有明显的选择性;单分子层吸附;单分子层吸附;吸附热量大。吸附热量大。吸附速率随温度升高而增加。故化学吸附宜在较高温度下进行。吸附速率随温度升高而增加。故化学吸附宜在较高温度下进行。为不可逆吸附。为不可逆吸附。第6页/共55页-7-第7页/共55页-8-吸附法主要运用于以下几个方面:吸附法主要运用于以下几个方面:(1)(1)对于低浓度气体,吸附法的净化效
6、率要比吸收法高,吸附法常用于浓度低、对于低浓度气体,吸附法的净化效率要比吸收法高,吸附法常用于浓度低、毒性大的有害气体,但吸附法处理的气体量不宜过大。毒性大的有害气体,但吸附法处理的气体量不宜过大。(2)(2)用吸附法净化有机溶剂蒸气具有较高的效率。用吸附法净化有机溶剂蒸气具有较高的效率。(3)(3)当处理的气量较小时,用吸附法灵活方便。当处理的气量较小时,用吸附法灵活方便。影响气体吸附的因素影响气体吸附的因素(1)(1)操作条件操作条件低温有利于物理吸附,提高温度有利于化学吸附。低温有利于物理吸附,提高温度有利于化学吸附。增大气相主体的压力、从而增大气相主体的压力、从而增大了吸附质的分压,有
7、利于吸附、但压力增大会增加能耗,且操作要求高。增大了吸附质的分压,有利于吸附、但压力增大会增加能耗,且操作要求高。气体流速大压损大并使吸附质和吸附剂接触时间短、不利于吸附,气流速气体流速大压损大并使吸附质和吸附剂接触时间短、不利于吸附,气流速度应控制在一定范围内,对固定床吸附器而言,气流速度控制在度应控制在一定范围内,对固定床吸附器而言,气流速度控制在0.20.2一一0.6m0.6ms s范围内。范围内。(2)(2)吸附剂性质吸附剂性质吸附剂的孔隙率、孔径、颗粒度等影响其比表面面积的大小,因而影响吸附效吸附剂的孔隙率、孔径、颗粒度等影响其比表面面积的大小,因而影响吸附效果。果。(3)(3)吸附
8、质的性质与浓度吸附质的性质与浓度其临界直径、分子量、沸点和饱和性等影响吸附量。其临界直径、分子量、沸点和饱和性等影响吸附量。若用同种活性炭吸附结构若用同种活性炭吸附结构相似的有机物时,吸附质分子量越大,沸点越高,不饱和性越大,越易被吸相似的有机物时,吸附质分子量越大,沸点越高,不饱和性越大,越易被吸附。附。第8页/共55页-9-吸附平衡(一一)吸附过程吸附过程吸附过程中吸附质的传送过程可以分为四个阶段吸附过程中吸附质的传送过程可以分为四个阶段1)1)吸附质分子通过吸附质分子通过气膜气膜扩散到吸附剂外表面;扩散到吸附剂外表面;(2)(2)吸附质分子在吸附质分子在微孔微孔中扩散到达内表面;中扩散到
9、达内表面;(3)(3)吸附质分子被吸附在吸附质分子被吸附在内表面活性点内表面活性点上;上;(4)(4)吸附质分子由吸附剂内表面向晶格内部扩散。吸附质分子由吸附剂内表面向晶格内部扩散。第9页/共55页-10-(二二)静活性与动活性静活性与动活性 单位质量吸附剂在一定的单位质量吸附剂在一定的温度、压力温度、压力下,达到下,达到饱和状态饱和状态时所吸附的气时所吸附的气体量称为吸附剂的体量称为吸附剂的静活性静活性,又称平衡吸附量。静活性是表示吸附剂对气体,又称平衡吸附量。静活性是表示吸附剂对气体吸附量的极限,是吸附操作的重要指标,是设计和控制吸附过程的重要参吸附量的极限,是吸附操作的重要指标,是设计和
10、控制吸附过程的重要参数。数。第10页/共55页-11-气流通过一定厚度的吸附层时,出口处的吸附质浓度随时间变化的曲线如图所示。从气流通过一定厚度的吸附层时,出口处的吸附质浓度随时间变化的曲线如图所示。从图中看出,开始时吸附层出口出的气体浓度为零,经一段时间后,在吸附层出口处出图中看出,开始时吸附层出口出的气体浓度为零,经一段时间后,在吸附层出口处出现吸附质,这种现象称为现吸附质,这种现象称为穿透穿透,所经历的这段时间称为,所经历的这段时间称为穿透时间穿透时间。吸附过程出现穿透后,吸附层出口处的有害气体浓度迅速增加,直至与进吸附过程出现穿透后,吸附层出口处的有害气体浓度迅速增加,直至与进口浓度相
11、等为止。吸附层从操作开始到穿透,吸附层的单位质量吸附口浓度相等为止。吸附层从操作开始到穿透,吸附层的单位质量吸附剂所吸附的气体量叫做吸附剂的剂所吸附的气体量叫做吸附剂的动活性动活性。在净化通风系统的排气时,。在净化通风系统的排气时,吸附层穿透后一般应当立即更换吸附剂。吸附层穿透后一般应当立即更换吸附剂。第11页/共55页-12-三、吸附剂的选择三、吸附剂的选择 (一一)吸附剂的特性吸附剂的特性 吸附剂具有许多微孔,内表面积很大,例如吸附剂具有许多微孔,内表面积很大,例如1kg1kg活性炭的总表面积可达活性炭的总表面积可达10106 6m m2 2。活性炭的内表面积和微孔大小对其吸附性能有很大影
12、响。吸附剂的特性参数活性炭的内表面积和微孔大小对其吸附性能有很大影响。吸附剂的特性参数均与多孔结构有关。均与多孔结构有关。第12页/共55页-13-1 1比表面积比表面积2 2孔半径孔半径 微孔大小通常用孔半径微孔大小通常用孔半径rgrg来表示,根据孔半径大小,可以把微孔分为来表示,根据孔半径大小,可以把微孔分为大大孔孔(rg(rg0.10.11.0um)1.0um),中孔中孔 (rg(rg0.0020.0020.1um)0.1um)和和小孔小孔(rg(rg0.002um)0.002um)。小孔吸附气体分子较有效,中孔吸附蒸气分子比较有效,大小孔吸附气体分子较有效,中孔吸附蒸气分子比较有效,大
13、孔用来吸附液体分子比较有效孔用来吸附液体分子比较有效第13页/共55页-14-3 3孔隙率孔隙率吸附剂内部的微孔体积和吸附剂个体总体积之比称为其吸附剂内部的微孔体积和吸附剂个体总体积之比称为其孔隙率孔隙率4 4饱和吸附量饱和吸附量饱和吸附量即静活性。饱和吸附量即静活性。第14页/共55页-15-(二二)对吸附剂的要求对吸附剂的要求对吸附剂的主要要求是:对吸附剂的主要要求是:吸附能力强,吸附容量大吸附能力强,吸附容量大。吸附容量是指在一定的温度、吸附质浓度下,单位质量。吸附容量是指在一定的温度、吸附质浓度下,单位质量(或单位体积或单位体积)吸附剂所能吸附的最大量。吸附量大,可降吸附剂所能吸附的最
14、大量。吸附量大,可降低处理单位流体所需的吸附剂用量。低处理单位流体所需的吸附剂用量。具有大的比表面积和孔隙率具有大的比表面积和孔隙率。具有良好的选择性具有良好的选择性。机械强度、化学稳定性、热稳定性等性能良好,使用寿命长。机械强度、化学稳定性、热稳定性等性能良好,使用寿命长。颗粒均匀。如果颗粒大小不均匀,易造成短路和流速分布不均,引起气流返混,降颗粒均匀。如果颗粒大小不均匀,易造成短路和流速分布不均,引起气流返混,降低吸附分离效率:若颗粒太小,床层阻力过大,严重时低吸附分离效率:若颗粒太小,床层阻力过大,严重时会将吸附剂带出器外。会将吸附剂带出器外。再生容易。再生容易。价格低廉易得,价格低廉易
15、得,第15页/共55页-16-第16页/共55页-17-2 2工业吸附剂工业吸附剂下面介绍常用的工业吸附剂下面介绍常用的工业吸附剂(1)(1)活性氧化铝活性氧化铝 活性氧化铝是一种极性吸附剂,含氧化铝大于活性氧化铝是一种极性吸附剂,含氧化铝大于9292,一般用作,一般用作催化剂的载体催化剂的载体。它是由。它是由含水氧化铝经加热脱水而制成,有粒状、片状和粉状。它有良好的机械强度,可以在含水氧化铝经加热脱水而制成,有粒状、片状和粉状。它有良好的机械强度,可以在移动床、流动床使用。主要用于空气或气体干燥,碳氢化合物或石油气的浓缩、脱硫、移动床、流动床使用。主要用于空气或气体干燥,碳氢化合物或石油气的
16、浓缩、脱硫、焦炉气精制,含氟废气的净化等。焦炉气精制,含氟废气的净化等。(2)(2)活性炭活性炭活性炭是许多具有较高吸附性能的碳基物质的总称。活性炭的缺点是它的活性炭是许多具有较高吸附性能的碳基物质的总称。活性炭的缺点是它的可燃性,因而可燃性,因而使用温度一般不能超过使用温度一般不能超过473K473K:(3)(3)硅胶硅胶硅胶含硅大于硅胶含硅大于9595,亲水性的极性吸附剂。硅胶是工业上和实验室常用的吸附剂。主要,亲水性的极性吸附剂。硅胶是工业上和实验室常用的吸附剂。主要用于气体或液体的干燥:烃类气体的回收;废气用于气体或液体的干燥:烃类气体的回收;废气(含含s02s02,N()x)N()x
17、)净化等。净化等。第17页/共55页-18-(4)(4)分子筛分子筛分子筛是一种人工合成的泡沸石。孔径分子筛是一种人工合成的泡沸石。孔径(0.3(0.310)nm10)nm,与天然泡沸石一样是水合铝硅酸盐晶体。分子筛在结构,与天然泡沸石一样是水合铝硅酸盐晶体。分子筛在结构上有许多孔径均匀的孔道与排列整齐的孔穴,上有许多孔径均匀的孔道与排列整齐的孔穴,这些孔穴不但提供了很大的比表面积,而且只允许直径比孔这些孔穴不但提供了很大的比表面积,而且只允许直径比孔径小的分子进入,故称为分子筛。径小的分子进入,故称为分子筛。分子筛与其它吸附剂比较其优点在于:分子筛与其它吸附剂比较其优点在于:吸附选择性强。吸
18、附选择性强。吸附能力强;即使气体的组成浓度很低、仍然具有较大的吸附能力;吸附能力强;即使气体的组成浓度很低、仍然具有较大的吸附能力;在较高的温度下仍然具有较强的吸附能力:在相同温度条件下,分子筛的吸附容量较其它吸附剂大。在较高的温度下仍然具有较强的吸附能力:在相同温度条件下,分子筛的吸附容量较其它吸附剂大。第18页/共55页-19-第二节 吸附理论(1)(1)吸附平衡吸附平衡就固相吸附剂对气相组分吸附而言,如果吸附过程是可逆的,当混合气体与吸附剂充分接触后,一方面吸附质就固相吸附剂对气相组分吸附而言,如果吸附过程是可逆的,当混合气体与吸附剂充分接触后,一方面吸附质被吸附剂吸附,另一方面,又有一
19、部分已被吸附的吸附质,由于热运动的结果,能够脱离吸附剂的表面,被吸附剂吸附,另一方面,又有一部分已被吸附的吸附质,由于热运动的结果,能够脱离吸附剂的表面,又回到混合气体中去。又回到混合气体中去。当吸附达到平衡时,被吸附组分在固相中的浓度及平衡时吸附组分在气相中的浓度之间具有一定的函数关系,当吸附达到平衡时,被吸附组分在固相中的浓度及平衡时吸附组分在气相中的浓度之间具有一定的函数关系,即;即;X=f(Y)X=f(Y)式中式中 X X被吸附组分在固相中的浓度,即单位重量的吸附剂所吸附的组分量;被吸附组分在固相中的浓度,即单位重量的吸附剂所吸附的组分量;Y Y平衡时被吸附组分在气相中的浓度,平衡时被
20、吸附组分在气相中的浓度,(kg(kgkgkg情性组分情性组分)。第19页/共55页-20-第二节第二节 吸附理论吸附理论一、吸附等温线一、吸附等温线关于吸附的大量实验数据是表达平衡关系的,即吸附达到平衡时,吸附量与温度及平衡关于吸附的大量实验数据是表达平衡关系的,即吸附达到平衡时,吸附量与温度及平衡浓度或分压之间的关系,可以表示为:浓度或分压之间的关系,可以表示为:在恒温条件下,考察吸附量与平衡压力的关系,可以得到吸附等温线。如图在恒温条件下,考察吸附量与平衡压力的关系,可以得到吸附等温线。如图P173P173。第20页/共55页-21-第二节第二节 吸附理论吸附理论(一)弗伦德里希方程(一)
21、弗伦德里希方程通过归纳总结实验结果,弗伦德里希提出了一个被广泛应用的经验公式通过归纳总结实验结果,弗伦德里希提出了一个被广泛应用的经验公式此式只适用此式只适用第一类等温线中压部分的等温吸附第一类等温线中压部分的等温吸附,而不适用于低压和高压部分。,而不适用于低压和高压部分。当对上式两边取对数后,方程变为:当对上式两边取对数后,方程变为:第21页/共55页-22-第二节第二节 吸附理论吸附理论(二)朗格缪尔吸附等温线二)朗格缪尔吸附等温线朗格缪尔根据固体表面存在着朗格缪尔根据固体表面存在着表面能表面能的观点指出,由于固体表面存在着不饱和力场,表层原子具有某种的观点指出,由于固体表面存在着不饱和力
22、场,表层原子具有某种剩余价剩余价键力键力,若气体分子碰撞到固体表面,就有可能被此键力所吸附。他认为这种吸附于普通化学反应并无不同,若气体分子碰撞到固体表面,就有可能被此键力所吸附。他认为这种吸附于普通化学反应并无不同,只是一种较松懈的化学反应,被吸附的气体分子与表面的作用力可以看成化合键的剩余价键力。此力的作只是一种较松懈的化学反应,被吸附的气体分子与表面的作用力可以看成化合键的剩余价键力。此力的作用范围大约在分子直径的范围内,固体表面的吸附作用,只能是用范围大约在分子直径的范围内,固体表面的吸附作用,只能是单分子层的吸附单分子层的吸附,所以此理论又称为单分,所以此理论又称为单分子层吸附理论子
23、层吸附理论从动力学的观点出发,朗格缪尔提出过一个关于气体吸附的理论,其中心内容如下:气体分子碰撞固体表面时,从动力学的观点出发,朗格缪尔提出过一个关于气体吸附的理论,其中心内容如下:气体分子碰撞固体表面时,可以是可以是弹性的弹性的,即碰撞后分子立刻自表面弹回,无能量交换。而通常的碰撞时,即碰撞后分子立刻自表面弹回,无能量交换。而通常的碰撞时非弹性的非弹性的,即分子将在表面,即分子将在表面停留一些时间,然后离去。吸附现象就是这种暂时停留造成的。停留一些时间,然后离去。吸附现象就是这种暂时停留造成的。第22页/共55页-23-第二节第二节 吸附理论吸附理论朗格谬尔在推导公式的过程中,做了如下的假设
24、:朗格谬尔在推导公式的过程中,做了如下的假设:1 1、只有撞在空白表面上的分子才会被吸附,倘若撞在一个已被吸附的分子上,则是弹性碰撞。也就是说,吸、只有撞在空白表面上的分子才会被吸附,倘若撞在一个已被吸附的分子上,则是弹性碰撞。也就是说,吸附式单分子层的。附式单分子层的。2 2、分子从表面逃逸的几率不受周围环境和位置的影响。也就是说,相邻的被吸附分子之间无作用力,而且表、分子从表面逃逸的几率不受周围环境和位置的影响。也就是说,相邻的被吸附分子之间无作用力,而且表面是均匀的。面是均匀的。设设代表某一瞬间已吸附的固体表面积对固体总面积的比值,(代表某一瞬间已吸附的固体表面积对固体总面积的比值,(1
25、-1-)代表未吸附的面积对总面积之比。因)代表未吸附的面积对总面积之比。因气体的气体的解吸速度与解吸速度与成正比成正比,则解吸速度,则解吸速度=k=k1 1,k,k1 1是一定温度时的解吸速度;同理,气体的吸附速度和未吸是一定温度时的解吸速度;同理,气体的吸附速度和未吸附的面积成正比,并且和气相中的分压成正压,即附的面积成正比,并且和气相中的分压成正压,即吸附速度吸附速度=k=k2 2p(1-p(1-),),吸附达到平衡时,解吸速度等于吸附速度吸附达到平衡时,解吸速度等于吸附速度,即,即k k1 1 =k=k2 2p(1-p(1-)因此,因此,第23页/共55页-24-第二节第二节 吸附理论吸
26、附理论如果用如果用表示某一定量吸附剂上吸附气体的摩尔数,而表示某一定量吸附剂上吸附气体的摩尔数,而N N0 0为此一定量的吸附剂所能吸附分子的最大数目,为此一定量的吸附剂所能吸附分子的最大数目,N N为为阿弗加罗数,则这一定量吸附剂所能吸附的气体的最大摩尔数阿弗加罗数,则这一定量吸附剂所能吸附的气体的最大摩尔数A=NA=N0 0/N/N,A A又称为又称为饱和吸附量饱和吸附量。未饱和时,被。未饱和时,被吸附的气体的摩尔数吸附的气体的摩尔数与吸附面积分数与吸附面积分数成正比,所以:成正比,所以:第24页/共55页-25-第二节第二节 吸附理论吸附理论对于第一类吸附等温线,当气体压强很低时,对于第
27、一类吸附等温线,当气体压强很低时,1+bp1,1+bp1,上式可简化为上式可简化为=m mbp,bp,此时此时 与与p p成直线关系;当气体压强很高时,成直线关系;当气体压强很高时,1+bpbp,1+bpbp,上式可简上式可简化为化为=m m,即在高压范围内,吸附量达恒定值,与压强无关。,即在高压范围内,吸附量达恒定值,与压强无关。(三)(三)BETBET方程式方程式布鲁若、埃默勒三人在朗格缪尔理论的基础上提出了多分子层吸附理论。他们布鲁若、埃默勒三人在朗格缪尔理论的基础上提出了多分子层吸附理论。他们接受了朗格缪尔的一个假定,而放弃了另一个假定,即认为:(接受了朗格缪尔的一个假定,而放弃了另一
28、个假定,即认为:(1 1)固体表面)固体表面是均匀的,且分子逃逸时不受周围其他分子的影响;(是均匀的,且分子逃逸时不受周围其他分子的影响;(2 2)在物理吸附中,固)在物理吸附中,固体和气体是依靠范德华力而发生吸附的,但是吸附的分子对外也有引力,在体和气体是依靠范德华力而发生吸附的,但是吸附的分子对外也有引力,在第一层吸附层之上,还可以吸附第二层、第三层第一层吸附层之上,还可以吸附第二层、第三层,即不只是单分子层吸附,即不只是单分子层吸附,还可以是多分子层吸附;还可以是多分子层吸附;在多层吸附的情况下,气体吸附量等于各层吸附量的总和。根据这个原则可导在多层吸附的情况下,气体吸附量等于各层吸附量
29、的总和。根据这个原则可导出:出:第25页/共55页-26-第二节第二节 吸附理论吸附理论这就是二常数这就是二常数BETBET方程,式中方程,式中代表在平衡压力代表在平衡压力p p时的吸附量,时的吸附量,m m代表表面被一层分子盖满时所需的气体量,代表表面被一层分子盖满时所需的气体量,p p0 0是平衡温度下吸附质的饱和蒸气压,是平衡温度下吸附质的饱和蒸气压,c c是与吸附热有关的常数。另外是与吸附热有关的常数。另外BETBET方程又可以写成如下形式:方程又可以写成如下形式:BETBET方程的作用之一是用来计算多孔固体的比面积,方法如下方程的作用之一是用来计算多孔固体的比面积,方法如下在恒温下测
30、得不同分压下的吸附体积在恒温下测得不同分压下的吸附体积V V,所得的实验数据以,所得的实验数据以 对作图,这对作图,这p/pp/p0 0样得到一条直线。样得到一条直线。第26页/共55页-27-第二节第二节 吸附理论吸附理论由斜率和截距可以计算单分子层饱和吸附量由斜率和截距可以计算单分子层饱和吸附量若每个气体分子的横截面积为已知,就可用下式求出该吸附剂的表面积若每个气体分子的横截面积为已知,就可用下式求出该吸附剂的表面积第27页/共55页-28-第二节第二节 吸附理论吸附理论(四)关于等温线的讨论(四)关于等温线的讨论通过对大量实验结果的分析,气体与蒸气的物理吸附等温线可归纳为五种类型。通过对
31、大量实验结果的分析,气体与蒸气的物理吸附等温线可归纳为五种类型。吸附等温线在固体表面与孔的研究,吸附的微观状态及吸附的工程设计上有重要的作用。下面讨论等温线在吸吸附等温线在固体表面与孔的研究,吸附的微观状态及吸附的工程设计上有重要的作用。下面讨论等温线在吸附器的设计应用中对操作过程的影响。附器的设计应用中对操作过程的影响。在吸附操作中,混合气体通过吸附剂床层时,以吸附剂上流体内吸附质的平衡浓度与气流主体内吸附质浓度的在吸附操作中,混合气体通过吸附剂床层时,以吸附剂上流体内吸附质的平衡浓度与气流主体内吸附质浓度的关系绘制成的吸附等温线就表示了等温条件下的吸附平衡关系。关系绘制成的吸附等温线就表示
32、了等温条件下的吸附平衡关系。分为三种情况:分为三种情况:1.1.优惠型吸附等温线优惠型吸附等温线2.2.线性吸附等温线线性吸附等温线3.3.非优惠型吸附等温线非优惠型吸附等温线第28页/共55页-29-第二节第二节 吸附理论吸附理论二、吸附位势理论二、吸附位势理论吸附具有位势能的概念,是由俄国学着爱坚与波辽尼等人提出的,他们认为:吸附时吸附引力的作用范围相当吸附具有位势能的概念,是由俄国学着爱坚与波辽尼等人提出的,他们认为:吸附时吸附引力的作用范围相当大,因此吸附剂的表面能吸留若干层吸附质分子。由于外层吸附质分子的吸引力及压力逐层降低,离吸附大,因此吸附剂的表面能吸留若干层吸附质分子。由于外层
33、吸附质分子的吸引力及压力逐层降低,离吸附剂表面越远,则该多分子层的密度越低。因此,最紧密的吸附层是直接与吸附剂表面接触的第一层。在吸剂表面越远,则该多分子层的密度越低。因此,最紧密的吸附层是直接与吸附剂表面接触的第一层。在吸附空间内,被吸附的分子相互间的作用力与它们在自由状态下的相互作用力是相同的,即气体在被吸附时附空间内,被吸附的分子相互间的作用力与它们在自由状态下的相互作用力是相同的,即气体在被吸附时与自由时的状态方程式是相同的。因此,对于被吸附的气体可采用范德华状态方程式。吸附质所具有的密与自由时的状态方程式是相同的。因此,对于被吸附的气体可采用范德华状态方程式。吸附质所具有的密度和聚集
34、状态,将与吸附容积内的压力相对应。度和聚集状态,将与吸附容积内的压力相对应。吸附层上每一点有其相应的所谓吸附势,而吸附势为该点吸附层上每一点有其相应的所谓吸附势,而吸附势为该点至吸附剂表面距离的函数。至吸附剂表面距离的函数。爱坚首先将吸附力视为分子力位势的梯度,而用定量公式表示位势理论应当归功于波辽你。爱坚首先将吸附力视为分子力位势的梯度,而用定量公式表示位势理论应当归功于波辽你。波辽尼把吸附势波辽尼把吸附势定义为吸附力将一个分子从无限远,吸到与吸附剂表面的距离为定义为吸附力将一个分子从无限远,吸到与吸附剂表面的距离为x x的一点上所做的功。的一点上所做的功。=(x x)第29页/共55页-3
35、0-第二节第二节 吸附理论吸附理论在吸附空间中,吸附势的分布曲线在吸附空间中,吸附势的分布曲线=(W W)称为特性曲线。按照势能理论,特性曲线)称为特性曲线。按照势能理论,特性曲线与温度无关,仅取决于吸附质的种类。当两个不同物质的吸附空间容积相等时,其吸与温度无关,仅取决于吸附质的种类。当两个不同物质的吸附空间容积相等时,其吸附势之比(即特性曲线纵坐标之比)是恒定的,并以附势之比(即特性曲线纵坐标之比)是恒定的,并以a a表示。表示。把纵坐标具有恒定比值的特性曲线称之为亲和特性曲线,把纵坐标具有恒定比值的特性曲线称之为亲和特性曲线,a a称之为亲和系数。以上两称之为亲和系数。以上两条曲线特性方
36、程式的区别仅在于这固定的系数条曲线特性方程式的区别仅在于这固定的系数a a,如果表示第一个物质的特性曲线,如果表示第一个物质的特性曲线为为 1 1=(W W)则对于第二个物质为则对于第二个物质为1=a(W)第30页/共55页-31-第二节第二节 吸附理论吸附理论或或取近似值可以认为取近似值可以认为 W=W=V V式中式中单位吸附剂所吸附物质的摩尔数,单位吸附剂所吸附物质的摩尔数,molmol;V V吸附质的摩尔体积,吸附质的摩尔体积,m m3 3/mol/mol;(一)亲和系数的计算一)亲和系数的计算吸附势概念的引入,有可能利用某种物质在某一温度下的吸附等温线而吸附势概念的引入,有可能利用某种
37、物质在某一温度下的吸附等温线而把其他物质在任何温度下的吸附等温线求出来。按照杜宾和季莫菲叶把其他物质在任何温度下的吸附等温线求出来。按照杜宾和季莫菲叶夫的意见,蒸气态物质的亲和系数用下式计算,可得到充分满意的近夫的意见,蒸气态物质的亲和系数用下式计算,可得到充分满意的近似值。似值。第31页/共55页-32-第二节第二节 吸附理论吸附理论(二)等温线的换算(二)等温线的换算在实际应用中,当对所研究的物质缺乏应有的吸附平衡数据或等温线时,可借助已有某物质的吸附在实际应用中,当对所研究的物质缺乏应有的吸附平衡数据或等温线时,可借助已有某物质的吸附等温线通过换算来求得所研究物质的吸附等温线。等温线通过
38、换算来求得所研究物质的吸附等温线。位势论认为,位势论认为,在恒温条件下,吸附力将在恒温条件下,吸附力将1 1摩尔蒸气自吸附力实际上不再其作用的地方吸至吸附剂表摩尔蒸气自吸附力实际上不再其作用的地方吸至吸附剂表面所做的功,等于将面所做的功,等于将1 1摩尔蒸气自体积摩尔蒸气自体积V V恒温压缩至恒温压缩至VsVs所做的功,所做的功,即有即有第32页/共55页-33-第二节第二节 吸附理论吸附理论应用公式时曾假设理想气体状态方程式的使用范围一直达到饱和压力,不过一直到接近临界温度为止,用以修应用公式时曾假设理想气体状态方程式的使用范围一直达到饱和压力,不过一直到接近临界温度为止,用以修正蒸气与理想
39、气体两者性质差异的修正系数在这里不大,可不予以考虑。正蒸气与理想气体两者性质差异的修正系数在这里不大,可不予以考虑。如果某一种物质的吸附势如果某一种物质的吸附势第33页/共55页-34-第二节第二节 吸附理论吸附理论于是第34页/共55页-35-第二节第二节 吸附理论吸附理论由公式可以从已知物质在某一温度下的吸附平衡分压,换算出另一物质在任意温度下的吸附平衡分压,这是等温线换算的第一个公式。根据位势论,吸附空间容积可以表示为:第35页/共55页-36-第二节第二节 吸附理论吸附理论三、活性炭的结构形式与分类三、活性炭的结构形式与分类有的研究者认为,如果吸附速度主要决定于被吸附分子进入微孔的通路
40、孔的结构,若将炭粉碎,相应增加其表有的研究者认为,如果吸附速度主要决定于被吸附分子进入微孔的通路孔的结构,若将炭粉碎,相应增加其表面积,其吸附速度可大大提高;另一些研究者指出,吸附能力只与微孔的结构有关,粉碎炭以增加其外部面积,其吸附速度可大大提高;另一些研究者指出,吸附能力只与微孔的结构有关,粉碎炭以增加其外部表面积,只能稍微增加其吸附能力。活性炭的合理分类方法是按其结构来分。表面积,只能稍微增加其吸附能力。活性炭的合理分类方法是按其结构来分。第一种是适度活化的炭,其烧去率通常不超过第一种是适度活化的炭,其烧去率通常不超过50%50%。这种炭的孔较细,小孔可按最简单的形式表示为缝隙,而。这种
41、炭的孔较细,小孔可按最简单的形式表示为缝隙,而各等势面以虚线比哦啊是,缝隙内每一点的吸附势为相对的两壁的吸附势之和。各等势面以虚线比哦啊是,缝隙内每一点的吸附势为相对的两壁的吸附势之和。第二种结构型式的炭为极度活性化炭。其烧去率在第二种结构型式的炭为极度活性化炭。其烧去率在75%75%以上。以上。第36页/共55页-37-第二节第二节 吸附理论吸附理论四、混合蒸气的吸附四、混合蒸气的吸附在实际应用中,经常遇到混合蒸气或气体吸附,这时的吸附状况就会变得复杂在实际应用中,经常遇到混合蒸气或气体吸附,这时的吸附状况就会变得复杂了。当混合气体的成分及组成比例不同时,吸附等温线都会发生变化。目前了。当混
42、合气体的成分及组成比例不同时,吸附等温线都会发生变化。目前对混合气体或蒸气的计算有一些方法可以应用。但往往缺乏相关的数据,准对混合气体或蒸气的计算有一些方法可以应用。但往往缺乏相关的数据,准确的计算存在困难。以下是一些基本公式,提供参考。确的计算存在困难。以下是一些基本公式,提供参考。第37页/共55页-38-第二节第二节 吸附理论吸附理论五、吸附传质速率五、吸附传质速率吸附速率分为传质速率和吸附的绝对速率两种。吸附速率分为传质速率和吸附的绝对速率两种。吸附速率即单位时间内被单位体积吸附剂所吸附的物质量,可按吸附动力学方程式求得:吸附速率即单位时间内被单位体积吸附剂所吸附的物质量,可按吸附动力
43、学方程式求得:第38页/共55页-39-第二节第二节 吸附理论吸附理论动力学系数又可称为从气流到吸附剂表面的质量传递系数,当吸附时间为动力学系数又可称为从气流到吸附剂表面的质量传递系数,当吸附时间为1s1s时,同时(时,同时(c-y)=1kg/mc-y)=1kg/m3 3时,时,=。因此动力学系数或质量传递系数。因此动力学系数或质量传递系数是指,是指,当浓度为当浓度为1kg/m1kg/m3 3时在时在1s1s内从气流传递到内从气流传递到1m1m3 3吸附层的物质吸附层的物质量量,1kg/m1kg/m3 3的浓度差应当是气流中吸附质的含量和吸附剂成平衡的气体浓度之差的浓度差应当是气流中吸附质的含
44、量和吸附剂成平衡的气体浓度之差,质量传递系数的单位是,质量传递系数的单位是s s-1-1。假设吸附本身进行的极快,实际上几乎是瞬间完成,其假设吸附本身进行的极快,实际上几乎是瞬间完成,其 吸附动力学决定于内扩散与外扩散的速度。若外扩散吸附动力学决定于内扩散与外扩散的速度。若外扩散动力学系数以动力学系数以1 1表示,内扩散动力学系数以表示,内扩散动力学系数以2 2表示,则总动力学系数表示,则总动力学系数与数值与数值1 1 和和2 2具有下列关系:具有下列关系:有关这方面的大量研究都是要说明,那一种扩散式主要的,但实际上载吸附过程的不同阶段和在不同的条件下,有关这方面的大量研究都是要说明,那一种扩
45、散式主要的,但实际上载吸附过程的不同阶段和在不同的条件下,外扩散或是内扩散都可能是主要的。外扩散或是内扩散都可能是主要的。第39页/共55页-40-第二节第二节 吸附理论吸附理论质量传递系数要根据每个不同的情况以实验方法求得的,并以准数方程来表示。质量传递系数要根据每个不同的情况以实验方法求得的,并以准数方程来表示。第40页/共55页-41-第三节第三节 吸附过程的计算吸附过程的计算计算吸附过程是指确定吸附剂的需要量、吸附过程的持续时间、吸附器的尺寸以及能量的消耗等主要内容。计算吸附过程是指确定吸附剂的需要量、吸附过程的持续时间、吸附器的尺寸以及能量的消耗等主要内容。一、吸附的流程及特点一、吸
46、附的流程及特点吸附流程包括三个步骤。吸附流程包括三个步骤。使流体和固体吸附剂进行接触,使吸附质吸附在吸附剂上。使流体和固体吸附剂进行接触,使吸附质吸附在吸附剂上。将未被吸附的流体从已吸附了吸附质的吸附剂上分开。将未被吸附的流体从已吸附了吸附质的吸附剂上分开。吸附剂的再生或更换。吸附剂的再生或更换。吸附器可按吸附剂和流体的接触方式不同而分为两种。吸附器可按吸附剂和流体的接触方式不同而分为两种。填充式吸附,其中又分为填充式吸附,其中又分为1 1)固定床吸附;)固定床吸附;2 2)移动床吸附;)移动床吸附;3 3)流化床吸附;)流化床吸附;其他形式吸附其他形式吸附第41页/共55页-42-吸附设备吸
47、附设备1 1、固定床吸附器、固定床吸附器 在固定床吸附器内,在固定床吸附器内,吸附剂固定不动吸附剂固定不动,仅使气体流经吸附床进行吸附。,仅使气体流经吸附床进行吸附。吸附达到饱和后,用解吸气体按反方向通过吸附床进行解吸。因此在吸附器吸附达到饱和后,用解吸气体按反方向通过吸附床进行解吸。因此在吸附器内,吸收和解吸交替进行。有害气体由入口内,吸收和解吸交替进行。有害气体由入口1 1流经吸附剂流经吸附剂7 7,内出口,内出口2 2排出;排出;解吸可采用蒸气解吸可采用蒸气(入口入口3 3和出口和出口4)4)或热空气或热空气(入口入口5 5和出口和出口6)6)。第42页/共55页-43-2 2、移动床吸
48、附器、移动床吸附器 在移动床吸附器中,在移动床吸附器中,吸附剂层为流动吸附剂层为流动(一般为自上而下的一般为自上而下的流动流动)的移动床,它与废气流的流动方向相反。与固定床吸的移动床,它与废气流的流动方向相反。与固定床吸附器比较,处理气体量大,净化有害气体的效率也较高,附器比较,处理气体量大,净化有害气体的效率也较高,缺点是动力和热量消耗比较大,吸附剂腐蚀严重缺点是动力和热量消耗比较大,吸附剂腐蚀严重3 3、流化床吸附器、流化床吸附器 在流化床吸附器内,分置在筛孔板上的吸附剂颗粒,在流化床吸附器内,分置在筛孔板上的吸附剂颗粒,在高速度气的作用下,强烈搅动,上下浮沉,使其成流态在高速度气的作用下
49、,强烈搅动,上下浮沉,使其成流态化。化。吸附剂内传质作热的速率快、床层温度均匀,操作吸附剂内传质作热的速率快、床层温度均匀,操作稳定。缺点是吸附剂和容器的磨损严重稳定。缺点是吸附剂和容器的磨损严重第43页/共55页-44-第44页/共55页-45-第45页/共55页-46-第三节第三节 吸附过程的计算吸附过程的计算二、有机溶剂的蒸发量计算二、有机溶剂的蒸发量计算计算有机溶剂的蒸发量,即发散量,是计算吸附工作量以及吸附回收率的基础。散发量可按以下方法计算:计算有机溶剂的蒸发量,即发散量,是计算吸附工作量以及吸附回收率的基础。散发量可按以下方法计算:第46页/共55页-47-第三节第三节 吸附过程
50、的计算吸附过程的计算三、间歇操作的吸附器的工艺计算三、间歇操作的吸附器的工艺计算(一)吸附持续时间的计算(一)吸附持续时间的计算1.1.希洛夫方程希洛夫方程当气体流过吸附剂厚度为当气体流过吸附剂厚度为L L的间歇式固定床吸附器时,吸附剂层逐段饱和,吸附质完全被吸附的一的间歇式固定床吸附器时,吸附剂层逐段饱和,吸附质完全被吸附的一段吸附剂层高度段吸附剂层高度L L0 0称为吸附剂的工作高度。从吸附开始,到吸附器出口开始出现微量吸附质的这称为吸附剂的工作高度。从吸附开始,到吸附器出口开始出现微量吸附质的这一段时间称为吸附层的保护作用时间。而吸附剂的动活性就是以开始一段时间称为吸附层的保护作用时间。