化工原理第九章吸附分离
26页1、第九章 吸附分离第一节 概述、吸附现象及其工业应用:1、吸附分离应用背景: 吸附操作在化工、轻工、炼油、冶金和环保等领域都有着广泛的应用。如气体中水分的脱除,溶剂的回收,水溶液或有机溶液的脱色、脱臭,有机烷烃的分离,芳烃的精制等。 2、吸附的定义及概念: 固体物质表面对气体或液体分子的吸着现象称为吸附。其中被吸附的物质称为吸附质,固体物质称为吸附剂。3、吸附机理的分类: 根据吸附质和吸附剂之间吸附力的不同,吸附操作分为物理吸附与化学吸附两大类。、物理吸附或称范德华吸附:它是吸附剂分子与吸附质分子间吸引力作用的结果,因其分子间结合力较弱,故容易脱附,如固体和气体之间的分子引力大于气体内部分子之间的引力,气体就会凝结在固体表面上,吸附过程达到平衡时,吸附在吸附剂上的吸附质的蒸汽压应等于其在气相中的分压。 、化学吸附:是由吸附质与吸附剂分子间化学健的作用所引起,其间结合力比物理吸附大得多,放出的热量也大得多,与化学反应热数量级相当,过程往往不可逆。化学吸附在催化反应中起重要作用。本章主要讨论物理吸附。 4、吸附机理的判断依据: 、化学吸附热与化学反应热相近,比物理吸附热大得多。如二氧化碳和氢
2、在各种吸附剂上的化学吸附热为83740Jmol和62800Jmol,而这两种气体的物理吸附热约为25120Jmol和8374Jmol。 、化学吸附有较高的选择性。如氯可以被钨或镍化学吸附。物理吸附则没有很高的选择性,它主要取决于气体或液体的物理性质及吸附剂的特性。 、化学吸附时,温度对吸附速率的影响较显著,温度升高则吸附速率加快,因其是一个活化过程,故又称活化吸附。而物理吸附即使在低温下,吸附速率也可能较大,因它不属于活化吸附。 、化学吸附总是单分子层或单原子层,而物理吸附则不同,低压时,一般是单分子层,但随着吸附质分压增大,吸附层可能转变成多分子层。 5、吸附剂的再生及方法: 吸附剂的再生,即吸附剂脱附,对吸附过程是非常重要的,通常采用的方法:提高温度或降低吸附质在气相中的分压,这样的结果:吸附质将以原来的形态从吸附剂上回到气相或液相,这种现象称为“脱附”,所以物理吸附过程是可逆的。吸附分离过程正是利用物理吸附的这种可逆性来实现混合物的分离。6、吸附分离过程的分类: 目前工业生产中吸附过程主要有如下几种: 、变温吸附 在一定压力下吸附的自由能变化G有如下关系: GHTS (9-1)
3、式中H为焓变,S为熵变。当吸附达到平衡时,系统的自由能,熵值都降低故式(9-1)中焓变H为负值,表明吸附过程是放热过程,可见若降低操作温度,可增加吸附量,反之亦然。因此,吸附操作通常是在低温下进行,然后提高操作温度使被吸附组分脱附。通常用水蒸汽直接加热吸附剂使其升温解吸,解吸物与水蒸汽冷凝后分离。吸附剂则经间接加热升温干燥和冷却等阶段组成变温吸附过程,吸附剂循环使用。 、变压吸附 也称为无热源吸附。恒温下,升高系统的压力,床层吸附容量增多,反之系统压力下降,其吸附容量相应减少,此时吸附剂解吸、再生,得到气体产物的过程称为变压吸附。根据系统操作压力变化不同,变压吸附循环可以是常压吸附、真空解吸,加压吸附、常压解吸,加压吸附、真空解吸等几种方法。对一定的吸附剂而言,压力变化愈大,吸附质脱除得越多。 、溶剂置换 在恒温恒压下,已吸附饱和的吸附剂可用溶剂将床层中已吸附的吸附质冲洗出来,同时使吸附剂解吸再生。常用的溶剂有水、有机溶剂等各种极性或非极性物质。 7、吸附分离过程的适用范围: 吸附分离是利用混合物中各组分与吸附剂间结合力强弱的差别,即各组分在固相(吸附剂)与流体间分配不同的性质使混合物
4、中难吸附与易吸附组分分离。适宜的吸附剂对各组分的吸附可以有很高的选择性,故特别适用于用精馏等方法难以分离的混合物的分离,以及气体与液体中微量杂质的去除。此外,吸附操作条件比较容易实现。 、常用吸附剂1、工业吸附剂的定义: 通常固体都具有一定的吸附能力,但只有具有很高选择性和很大吸附容量的固体才能作为工业吸附剂。 2、吸附剂的选择原则: 吸附剂的性能对吸附分离操作的技术经济指标起着决定性的作用,吸附剂的选择是非常重要的一环,一般选择原则为: 、具有较大的平衡吸附量。一般比表面积大的吸附剂,其吸附能力强; 、具有良好的吸附选择性; 、容易解吸,即平衡吸附量与温度或压力具有较敏感的关系; 、有一定的机械强度和耐磨性,性能稳定,较低的床层压降,价格便宜等。 3、吸附剂的种类: 目前工业上常用的吸附剂主要有活性炭,活性氧化铝,硅胶,分子筛等。、活性炭 、活性炭的结构特点:是具有非极性表面,是一种疏水性和亲有机物的吸附剂,故又称为非极性吸附剂。 、活性炭的优点:是吸附容量大,抗酸耐碱、化学稳定性好,解吸容易,在高温下进行解吸再生时其晶体结构不发生变化,热稳定性高,经多次吸附和解吸操作,仍能保持原有
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