气固与液固传质分离.docx

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6.1.1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附6. 1. 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，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SiO2•nH2O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3) 活性氧化铝活性氧化铝是一种极性吸附剂，对水分有很强的吸附能力其比表面积约为 200〜500 m2/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750 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，m2/ g吸附 剂孔隙的孔径大小直接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6. 1. 3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一193°C 下，氮在活性炭上的吸附，其吸附等温线如图9-6中I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30C下水蒸汽在活性炭上的吸附，其吸附等温线见图9-6中II3) 其他情况下的吸附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III、 W、V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CFC13 —C6H6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当吸附剂对溶液中溶剂的吸附忽略不计时，构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 —A1203吸附CH3C1 —苯溶 液，CH3C1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0〜0.4的范围内，乙醇优先吸附，而在0.4〜1的 范围内，苯优先吸附6. 1. 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 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，此吸附为内扩散控制 的吸附，总吸附速率由内扩散速率决定6. 1. 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，•；表示阀门关闭，o表示阀门打开吸附在吸附塔1中进行，当出 塔流体中吸附质的浓度高于规定值时，物料切换到吸附塔2,与此同时吸附塔1 采用变温或减压等方法进行吸附剂再生，然后再在塔1中进行吸附，塔2中进行 再生，如此循环操作固定床吸附塔结构简单，加工容易，操作方便灵活，吸附剂不易磨损，物料 的返混少，分离效率高，回收效果好，故固定床吸附操作广泛用于气体中溶剂的 回收、气体干燥和溶剂脱水等方面。

但固定床吸附操作的传热性能差，且当吸附 剂颗粒较小时，流体通过床层的压降较大，因吸附、再生及冷却等操作需要一定 的时间，故生产效率较低3. 移动床吸附操作移动床吸附操作是指待处理的流体在塔内自上而下流动，在与吸附剂接触时, 吸附质被吸附，已达饱和的吸附剂从塔下连续或间歇排出，同时在塔的上部补充 新鲜的或再生后的吸附剂与固定床相比，移动床吸附操作因吸附和再生过程在 同一个塔中进行，所以设备投资费用少4. 流化床吸附操作及流化床一移动床联合吸附操作流化床吸附操作是使流体自下而上流动，流体的流速控制在一定的范围，保 证吸附剂颗粒被托起，但不被带出，处于流态化状态进行的吸附操作该操作的 生产能力大，但吸附剂颗粒磨损程度严重，且由于流态化的限制，使操作范围变 窄流化床一移动床联合吸附操作将吸附再。