化工分离与传质.ppt

,Click to edit Master title style,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,*,化工分离与传质,化工分离与传质,（,Separation and Transmission of Chemical Engineering,）,潘 学 军,昆明理工大学环境科学与工程学院,Faculty of Environmental Science and Engineering,Kunming University of Science and Technology,E-mail:,xjpan,Tel&Fax,:,0871-5170906(Office),吸附（,Adsorption,）,固体物质表面对气体或液体分子的吸着现象称为吸附，其中固体物质称为,吸附剂,（,adsorbent,，,adsorbing substance,），被吸附的物质称为,吸附质,（,adsorbate,）。,根据吸附质与吸附剂表面分子间结合力性质的不同，吸附可分为：,物理吸附和化学吸附。,物理吸附（范德华吸附）（,Physisorption,）,是吸附剂分子与吸附质分子间吸引力作用的结果，其结合力较弱，容易脱附。,特点：,单分子层或多分子层，一般是多分子层。过程可逆,（吸附分离的基础），,吸附速率大，脱附容易，易达到平衡。,化学吸附（,Chemisorption,）：,是由吸附质与吸附剂分子间化学键的作用所引起，其结合力比物理吸附大得多，放出的热量也大得多，与化学反应的数量级相当。,特点：,具有显著的选择性，总是单分子层吸附，过程往往是不可逆的,（吸附催化过程），,吸附速率一般较小，低温下不易达到平衡。,化学吸附,吸附分离过程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）与流体相间分配不同的性质使混合物中,难吸附,与,易吸附,组分分离的技术。,特点：,合适的吸附剂对各组分的吸附可以有很高的选择性，适用于精馏等方法难以分离的,混合物的分离,和,气体与液体中微量杂质的去除,等，操作条件相对温和。,吸附分离功能材料分类系统,常见的吸附剂,活性炭,（憎水）,分子筛，沸石,（亲水）,活性氧化铝,（亲水）,硅胶,（介于亲水与憎水之间）,吸附树脂,天然吸附剂,吸附剂的主要特征：,多孔结构、具有很大的比表面积，一般约从,100 m,2,/g,到超过,3000 m,2,/g,。工业吸附剂比表面积约为,3001200 m,2,/g,。,活性炭（,Activated Carbon,）,由木炭、坚果壳、煤和石油渣等含碳原料经炭化与活化制得，具有多孔结构和很大的比表面。,液相用活性炭：,多为蓬松的粉状，比表面积为,300m,2,/g,，孔径为,30,（,3nm,）,或更大，以利于加快物质扩散。,气相用活性炭：,坚固的粒状或片状，比表面积通常为,1000m,2,/g,，孔径小于,30,（,3nm,）,。,分子筛（,Molecular Sieve,），沸石（,Zeolite,）,含水硅酸盐，为结晶型且具有多孔结构，其结构式为,M,2/n,O,Al,2,O,3,y,SiO,2,w,H,2,O,，,M,为,IA,和,IIA,族金属元素，多数为钠与钙，,n,表示金属离子的价数，,y,与,w,分别表示,SiO,2,与,H,2,O,的分子数。,选择性吸附作用是基于,物质分子尺寸、形状和性质的不同,，可以分离性质相近而分子大小和形状不同的物质。,活性氧化铝（,Activated,Alumina,）,无定形的多孔结构物质，一般由氧化铝的水合物（以三水合物为主）加热、脱水和活化而得，孔径主要从,2050,（,2-5nm,），典型的比表面积值为,200,500 m,2,/g,。也可由铝土矿直接活化制得活性铝土矿。,用途：,极性吸附剂，对水有很强的吸附力，主要用于液体和气体的干燥。,硅胶（,Silica Gel,）,一种坚硬的由无定形,SiO,2,构成的多孔结构的固体颗粒，其分子式是,SiO,2,nH,2,O,。用硫酸处理硅酸钠水溶液生成凝胶，所得凝胶用水洗去硫酸钠后，进行干燥，便得到硅胶。制造过程条件的不同，可控制微孔尺寸、空隙率和比表面积的大小。,用途：,粒状、球状、粉状或各种加工成型的形状。是极性吸附剂，易于吸附水和甲醇等极性物质，主要用于气体和液体的干燥，吸附气体中的水分可达其本身质量的,50%,。,带有巨型网状结构的合成树脂，如苯乙烯和二乙烯苯的共聚物、聚苯乙烯、聚丙烯酸酯等。应用不同的单体制成非极性的到强极性的很多种类的吸附树脂。,吸附树脂（,Adsorption Resin,）,用途：,废水处理、维生素分离,优点：,再生容易，用稀酸、稀碱或有机溶剂（如低分子量的醇、酮）洗涤即可再生。,缺点：,价格较高,天然矿物，如活性白土、膨润土、漂白土或其他黏土等经适当加工处理的吸附剂。,天然吸附剂（,Natural Adsorbent,）,优点：,价廉易得,缺点：,活性较低，使用一次失效后，再生困难,用途：,油品脱色等,各种吸附剂的孔径分布,吸附平衡,在一定条件下，当流体（气体或液体）与固体吸附剂接触时，流体中的吸附质将被吸附剂吸附，经过足够长的时间，吸附质在两相中的含量达到一对定值，互呈平衡，称为吸附平衡。,吸附过程：,若流体中吸附质的浓度高于平衡浓度，则吸附质将被吸附。,解吸过程：,若流体中吸附质的浓度低于平衡浓度，则已吸附在吸附剂上的吸附质将被解吸。,决定了吸附过程的传质方向和极限，是吸附过程的基本依据。,吸附等温线的形式,分压,P,1,固体吸附的实验、,半经验、理论方法,研究气,-,固和液,-,固吸附量,与温度、压力和体相浓度的关系,固体吸附的实验方法,容量法：,（气,固）,通过量气管测定气体在吸附前后体积的变化而得到,重量法：,（气,固）,通过吸附前后吊有吸附剂的石英弹簧下垂距离的变化来得到,液,固吸附量的实验测定,将定量的吸附剂与一定量已知浓度的溶液相混在一定温度下振摇使之达平衡。澄清后进行分析，由其浓度的改变可以求出单位质量固体所吸附溶质的数量。,式中，,m,是吸附剂的质量；,V,是溶液的体积；,c,0,和,c,分别为溶质在吸附前后的浓度。,是吉布斯单位质量的吸附量,=V(c,0,-c)/m,固体吸附的半经验方法,Langmuir,吸附等温式,Freundlich,吸附等温式 弗鲁姆金,-,斯鲁金吸附等温式,BET,吸附等温式（,S.Brunauer,P.H.Emmett,E.Teller,）,:,（多层吸附，适用于物理吸附）,Langmuir,吸附等温式,W,=,bc,1+,Kc,前提：由单分子层均匀吸附的假设理论推导得到,优吸型等温线,适用于化学吸附,式中：,w,和,c,分别为吸附质在吸附剂相与流体相中的组成；,b,和,K,为体系的特征常数。,当,Kc,1,，等温线为强优吸附等温线；,当,Kc1,时，等温线接近线性。,不适合物理吸附体系,Freundlich,吸附等温式,W,=,bc,1,n,经验关系式：,式中,b,和,n,为体系的特征常数。,对上式两边取对数得：,lg,W,=lg,b,+n,-1,lg,c,lg,W,对,lg,c,作图应得到直线，由斜率和截距可得到,n,和,b,。,特别适用于液体的吸附体系,吸附机理（三步曲）,（,1,）吸附质从流体主体通过扩散（分子扩散或对流扩散）传递到吸附剂颗粒的外表面，称,外扩散过程,。速率取决于吸附质以分子扩散通过滞流膜的传递。,（,2,）吸附质从吸附剂颗粒的外表面通过颗粒上的微孔扩散进入颗粒内部，到达颗粒的内部表面，称,内扩散过程（包括吸附质沿孔表面的表面扩散）。,（,3,）在吸附剂的内表面上吸附质被吸附剂吸着。,多孔吸附剂中立体浓度分布和温度分布,吸附放热,解吸吸热,吸附的传质速率方程,外扩散传质速率方程,q,=,k,F,a,P,(,c,-,c,i,),k,F,：,流体相侧的传质系数，,m/s,，与流体物性、颗粒几何特性、两相接触的流动状况及温度压力等操作条件有关。,q,，每千克吸附剂的吸附速率，,kg/(s.kg),a,p,：,吸附剂的比外表面，,m,2,/kg,；,c,：,流体相中吸附质的平均浓度，,kg/m,3,c,i,：,吸附剂外表面上流体相中吸附质的质量浓度，,kg/m,3,吸附的传质速率方程,内扩散传质速率方程,q,=,k,S,a,P,(,q,i,-,q,),k,s,：,吸附剂固体相侧的传质系数，,m/s,，与吸附剂的微孔结构性质、吸附质的物性以及吸附过程持续的时间有关。,q,：,吸附剂上吸附质的平均含量，,kg/kg,q,i,：,吸附剂外表面上的吸附质含量，,kg/kg,，它与此处吸附质在流体相中的浓度,c,呈平衡,总传质速率方程,q,=,K,F,a,P,(,c,c*,),N,=,N,=,K,S,a,P,(,q*,q,),c*：,与吸附质含量为,q,的吸附剂呈平衡的流体中吸附质的质量浓度，,kg/m,3,;,K,F,：,以,c=c-c*,表示推动力的总传质系数，,m/s,q*：,与吸附质浓度为,c,的流体相呈平衡的吸附剂上吸附质的含量，,kg/kg;,K,S,：,以,q=q*-q,表示推动力的总传质系数，,kg/(s,m),对于稳态过程从流体传递到吸附剂外表面的速率（外扩散）应等于从吸附剂外表面传递到吸附剂内的速率（内扩散），所以：,=,K,S,a,P,(,q*,q,),q,=,K,F,a,P,(,c,c*,),N,=,=,k,F,a,P,(,c,c,i,)=,k,S,a,P,(,q,i,q,),如果在操作的浓度范围内吸附平衡为直线：,q-q,1,=m(c-c,1,),式中，,q,1,和,c,1,为不同条件下的常数,K,F,1,=,K,F,1,k,F,1,+,mk,s,1,K,s,1,=,k,F,m,+,k,s,1,吸附过程的总阻力为外扩散与内扩散的分传质阻力之和。,若内扩散很快，过程为外扩散控制，,q,i,接近,q,，则,:,K,F,k,F,若外扩散很快，过程为内扩散控制，,c,接近,c,i,，则,:,K,s,k,s,吸附分离特性参数,穿透曲线,残余吸附量,吸附剂劣化,吸附的滞留现象,固定床溶质浓度分布和穿透曲线,穿透点（进料浓度的,5-10%,）：,c,b,水分吸附和解吸的变化曲线,亲水性溶剂的吸附率和水分的关系,残余吸附量,q,R,指经过再生后吸附剂中残余吸附负荷，与吸附阶段床层,末端处吸附剂的状态、吸附和解吸阶段的吸附容量,之差有关。,变温吸附过程中床层吸附容量变化,（a,）吸附后床层的负荷曲线,（,b,）再生后床层的残余状态,（,c,）再吸附容量的差值,有效吸附容量,吸附剂劣化原因,吸附剂表面为炭沉积叠合物或一些化合物覆盖,加热过程使吸附剂还原为半熔融状态，微孔部分堵塞甚至熔融消失,化学反应将结晶部分破坏,吸附的滞留现象,吸附剂在使用过程中经反复吸附解吸，由于微孔和表面结构的变化，其吸附性能也将发生变化。吸附得到的吸附等温线和脱附等温线在一定区间内不能重合，脱附得到的等温线低，这一现象称为滞留现象。,吸附分离工艺,按吸附剂与溶液的物流方向和接触次数，吸附过程可分为：,一次接触吸附,错流吸附,多段逆流吸附,搅拌式（泥浆状操作）循环固定床式（间歇操作）,移动床操作,三种典型的吸附系统,基本吸附循环,变温吸附循环,变压吸附循环,惰性介质解吸循环,置换解吸循环,联合循环,变温吸附循环,x,1,x,2,吸附质去除率为：,p,1,-,p,2,p,1,吸附剂的有效负荷：,x,1,-,x,2,缺点：,再生过程（包括加热、解吸、冷却）长，通常需要几小时，甚至,1,天，热量消耗较大，只用于吸附质含量较少的场合,变压吸附循环,优点：,循环周期短,低压 惰性解吸气,特点：,循环中高低压比值越大，所需要的解吸气量少，宜采用真空解吸。,高真空度解吸，少量难吸附气体便可解吸完全，得到纯产品,惰性介质解吸循环,吸附剂最大可能的有效负荷可达,x,1,。,缺点：,由于吸附放热，在吸附阶段吸附剂温度升高，使吸附剂的吸附能力降低。,优点：,循环时间短，很少超过,10min,。,置换解吸循环,特点：,（,1,）解析的原因：降低了吸附质在流体相中的分压（浓度）；置换介质的吸附竞争作用,（,2,）置换介质必须与加料中组分易于分离,（,3,）吸附剂温度基本不变，可提高吸附剂的有效吸附量,变温吸附,惰性介质解吸联合循环,Adsorption effect，,吸附作用,；,Adsorption phenomenon，,吸附现象,；,Adsorption catalysis，,吸附催化,；,Adsorption energy，,吸附能,；,Adsorption kinetics，,吸附动力学；,Adsorption isobar，,等压吸附线；,Adsorption isothermer，,吸附等温线；,Adsorption affinity，,吸附力；,Adsorption curve，,吸附曲线；,Adsorption hysteresis，,吸附滞后；,Adsorption heat，,吸附热；,专业词汇（,I,）,专业词汇（,II,）,Adsorption indicator,，吸附指示剂；,Adsorption on active carbon，,活性炭吸附作用,；,Desorption，,脱附；,Elution,，洗脱；,Regeneration,，再生；,Breakthrough curve,，穿透曲线；,Breakthrough point,，穿透点；,Favorable isotherm，,优惠等温线；,Linear isotherm，,线性等温线；,Unfavorable isotherm，,非优惠等温线；,专业词汇（,III,）,The interior diffusion rate controlling model,，,内扩散速率控制模型；,The exterior diffusion rate controlling model,，,外扩散速率控制模型；,The film diffusion rate controlling model,，,膜扩散速率控制模型；,The surface adsorption rate controlling model,，,表面吸附速率控制模型；,Thanks for attendance!,