吸附动力学及动态学.ppt

1.3 吸附动力学及动态学吸附动力学及动态学第一章第一章 吸附及吸附吸附及吸附过程过程1.1.1 1 吸附及吸附平衡吸附及吸附平衡吸附及吸附平衡吸附及吸附平衡吸附作用，物理吸附，化学吸附，吸附势能曲线，吸附平衡，平衡吸附作用，物理吸附，化学吸附，吸附势能曲线，吸附平衡，平衡吸附作用，物理吸附，化学吸附，吸附势能曲线，吸附平衡，平衡吸附作用，物理吸附，化学吸附，吸附势能曲线，吸附平衡，平衡吸附量。吸附量。吸附量。吸附量。1.2 1.2 吸附热力学吸附热力学吸附热力学吸附热力学吸附等温线、吸附等（温）压线、等量线，吸附等温方程，吸附热吸附等温线、吸附等（温）压线、等量线，吸附等温方程，吸附热吸附等温线、吸附等（温）压线、等量线，吸附等温方程，吸附热吸附等温线、吸附等（温）压线、等量线，吸附等温方程，吸附热及其测定。及其测定。及其测定。及其测定。1.3 1.3 吸附动力学及动态学吸附动力学及动态学吸附动力学及动态学吸附动力学及动态学吸附速率，吸附传质过程、吸附动力学方程，流出曲线及其测定，吸附速率，吸附传质过程、吸附动力学方程，流出曲线及其测定，吸附速率，吸附传质过程、吸附动力学方程，流出曲线及其测定，吸附速率，吸附传质过程、吸附动力学方程，流出曲线及其测定，吸附传质区、吸附前沿。吸附传质区、吸附前沿。吸附传质区、吸附前沿。吸附传质区、吸附前沿。11.3 吸附动力学及动态学吸附动力学及动态学n吸附动力学吸附动力学吸附动力学吸附动力学主要研究吸附质在主要研究吸附质在主要研究吸附质在主要研究吸附质在吸附剂颗粒内的扩散吸附剂颗粒内的扩散吸附剂颗粒内的扩散吸附剂颗粒内的扩散性性性性能，通过测定吸附速率，计算能，通过测定吸附速率，计算能，通过测定吸附速率，计算能，通过测定吸附速率，计算微孔扩散系数微孔扩散系数微孔扩散系数微孔扩散系数，进，进，进，进而推算吸附而推算吸附而推算吸附而推算吸附活化能活化能活化能活化能。n吸附动态学吸附动态学吸附动态学吸附动态学（或称动态吸附）主要研究（或称动态吸附）主要研究（或称动态吸附）主要研究（或称动态吸附）主要研究吸附剂床吸附剂床吸附剂床吸附剂床层层层层内的内的内的内的传质层性能传质层性能传质层性能传质层性能及其及其及其及其影响因素影响因素影响因素影响因素。1.3 吸附动力学及动态学吸附动力学及动态学21.3 吸附动力学及动态学吸附动力学及动态学1.3 吸附动力学及动态学吸附动力学及动态学(1)(1)吸附速度吸附速度吸附速度吸附速度吸附速率曲线吸附速率曲线可用与测定吸附等温线相同可用与测定吸附等温线相同可用与测定吸附等温线相同可用与测定吸附等温线相同的方法，在不同吸附时间测得的方法，在不同吸附时间测得的方法，在不同吸附时间测得的方法，在不同吸附时间测得吸附量，以吸附量为纵坐标，吸附量，以吸附量为纵坐标，吸附量，以吸附量为纵坐标，吸附量，以吸附量为纵坐标，时间为横坐标绘图，即可得到时间为横坐标绘图，即可得到时间为横坐标绘图，即可得到时间为横坐标绘图，即可得到吸附速率曲线。吸附速率曲线。吸附速率曲线。吸附速率曲线。正己烷在不同生产厂的正己烷在不同生产厂的5A分子筛上的吸附速率曲线（分子筛上的吸附速率曲线（30）右图为正己烷在右图为正己烷在5A分子筛上分子筛上的吸附速率曲线的吸附速率曲线在单位时间内被单位体积在单位时间内被单位体积(或质量或质量)吸附剂所吸附的物质吸附剂所吸附的物质量称为量称为吸附速度吸附速度。31.3 吸附动力学及动态学吸附动力学及动态学1.3 吸附动力学及吸附动力学及动态学动态学(2)(2)吸附的传质过程吸附的传质过程吸附的传质过程吸附的传质过程n n吸附剂都是内部拥有许多孔的多孔物质。以气相吸附质吸附剂都是内部拥有许多孔的多孔物质。以气相吸附质吸附剂都是内部拥有许多孔的多孔物质。以气相吸附质吸附剂都是内部拥有许多孔的多孔物质。以气相吸附质在吸附剂上的吸附过程为例，吸附质从气体主流到吸附在吸附剂上的吸附过程为例，吸附质从气体主流到吸附在吸附剂上的吸附过程为例，吸附质从气体主流到吸附在吸附剂上的吸附过程为例，吸附质从气体主流到吸附剂颗粒内部的传递过程分为剂颗粒内部的传递过程分为剂颗粒内部的传递过程分为剂颗粒内部的传递过程分为两个阶段两个阶段两个阶段两个阶段：第一阶段是从气体主流通过吸附剂颗粒周围的第一阶段是从气体主流通过吸附剂颗粒周围的第一阶段是从气体主流通过吸附剂颗粒周围的第一阶段是从气体主流通过吸附剂颗粒周围的气膜气膜气膜气膜到颗粒的表面，称为到颗粒的表面，称为到颗粒的表面，称为到颗粒的表面，称为外部传递过程外部传递过程外部传递过程外部传递过程或或或或外扩散外扩散外扩散外扩散。第二阶段是从吸附剂颗粒表面传向颗粒第二阶段是从吸附剂颗粒表面传向颗粒第二阶段是从吸附剂颗粒表面传向颗粒第二阶段是从吸附剂颗粒表面传向颗粒孔隙内部孔隙内部孔隙内部孔隙内部，称为称为称为称为孔内部传递过程孔内部传递过程孔内部传递过程孔内部传递过程或或或或内扩散内扩散内扩散内扩散.41.3 吸附动力学及动态学吸附动力学及动态学(2 2)吸吸吸吸附附附附的的的的传传传传质质质质过过过过程程程程 n n这两个阶段是按先后顺序进行的，在吸附时气体先通过气膜到达颗粒表面，然这两个阶段是按先后顺序进行的，在吸附时气体先通过气膜到达颗粒表面，然这两个阶段是按先后顺序进行的，在吸附时气体先通过气膜到达颗粒表面，然这两个阶段是按先后顺序进行的，在吸附时气体先通过气膜到达颗粒表面，然后才能向颗粒内扩散，脱附时则逆向进行。后才能向颗粒内扩散，脱附时则逆向进行。后才能向颗粒内扩散，脱附时则逆向进行。后才能向颗粒内扩散，脱附时则逆向进行。n n内扩散过程有几种不同情况内扩散过程有几种不同情况内扩散过程有几种不同情况内扩散过程有几种不同情况，参见右图。，参见右图。，参见右图。，参见右图。气体分子到达颗粒外表面时，一气体分子到达颗粒外表面时，一气体分子到达颗粒外表面时，一气体分子到达颗粒外表面时，一部分会被外表面所吸附。而被吸附部分会被外表面所吸附。而被吸附部分会被外表面所吸附。而被吸附部分会被外表面所吸附。而被吸附的分子有可能沿着颗粒内的的分子有可能沿着颗粒内的的分子有可能沿着颗粒内的的分子有可能沿着颗粒内的孔壁孔壁孔壁孔壁向向向向深入扩散，称为深入扩散，称为深入扩散，称为深入扩散，称为表面扩散。表面扩散。表面扩散。表面扩散。一部分气体分子还可能在颗粒内一部分气体分子还可能在颗粒内一部分气体分子还可能在颗粒内一部分气体分子还可能在颗粒内的的的的孔中孔中孔中孔中向深入扩散，称为向深入扩散，称为向深入扩散，称为向深入扩散，称为孔扩散。孔扩散。孔扩散。孔扩散。在孔扩散的途中气体分子又可能在孔扩散的途中气体分子又可能在孔扩散的途中气体分子又可能在孔扩散的途中气体分子又可能与孔壁表面碰撞而被与孔壁表面碰撞而被与孔壁表面碰撞而被与孔壁表面碰撞而被吸附吸附吸附吸附。51.3 吸附动力学及动态学吸附动力学及动态学(2)(2)吸附的传质过程吸附的传质过程吸附的传质过程吸附的传质过程 内扩散内扩散内扩散内扩散是既有是既有是既有是既有平行平行平行平行又有又有又有又有顺序顺序顺序顺序的吸附过程，它的过程模式可表的吸附过程，它的过程模式可表的吸附过程，它的过程模式可表的吸附过程，它的过程模式可表达为：达为：达为：达为：吸附传递过程吸附传递过程吸附传递过程吸附传递过程由三部分组成，即由三部分组成，即由三部分组成，即由三部分组成，即外扩散、内扩散外扩散、内扩散外扩散、内扩散外扩散、内扩散和和和和表面吸表面吸表面吸表面吸附附附附。吸附过程的。吸附过程的。吸附过程的。吸附过程的总速率总速率总速率总速率取决于取决于取决于取决于最慢阶段最慢阶段最慢阶段最慢阶段的速率。的速率。的速率。的速率。61.3 吸附动力学及动态学吸附动力学及动态学(3)(3)扩散系数扩散系数扩散系数扩散系数式中式中式中式中D D为扩散系数为扩散系数为扩散系数为扩散系数，负号负号负号负号表示扩散是表示扩散是表示扩散是表示扩散是向浓度低的方向向浓度低的方向向浓度低的方向向浓度低的方向进行。进行。进行。进行。扩散系数扩散系数扩散系数扩散系数随随随随扩散物质的性质扩散物质的性质扩散物质的性质扩散物质的性质而异，通常以而异，通常以而异，通常以而异，通常以实验方法测定实验方法测定实验方法测定实验方法测定，从有关从有关从有关从有关手册中手册中手册中手册中也也也也可查得可查得可查得可查得。n n扩散过程扩散过程扩散过程扩散过程在吸附中占有重要地位。由于分子热运动，在没在吸附中占有重要地位。由于分子热运动，在没在吸附中占有重要地位。由于分子热运动，在没在吸附中占有重要地位。由于分子热运动，在没有外力作用下扩散过程能有外力作用下扩散过程能有外力作用下扩散过程能有外力作用下扩散过程能自发地自发地自发地自发地产生。产生。产生。产生。按照按照按照按照费克定律费克定律费克定律费克定律，时间时间时间时间t t t t内扩散穿过内扩散穿过内扩散穿过内扩散穿过表面表面表面表面F F F F的物质的物质的物质的物质数量数量数量数量G G G G与与与与浓浓浓浓度度度度(c)c)梯度梯度梯度梯度成正比成正比成正比成正比(n n扩散距离扩散距离扩散距离扩散距离)。浓度梯度浓度梯度浓度梯度浓度梯度决定了过程的决定了过程的决定了过程的决定了过程的推推推推动力。动力。动力。动力。71.3 吸附动力学及动态学吸附动力学及动态学n n按吸附动力学原理，吸附速度可用下式表示：按吸附动力学原理，吸附速度可用下式表示：按吸附动力学原理，吸附速度可用下式表示：按吸附动力学原理，吸附速度可用下式表示：dq/dtdq/dt吸附速度吸附速度吸附速度吸附速度，在，在，在，在单位时间单位时间单位时间单位时间内被单位体积内被单位体积内被单位体积内被单位体积(或质量或质量或质量或质量)吸吸吸吸附剂所吸附的物质量；附剂所吸附的物质量；附剂所吸附的物质量；附剂所吸附的物质量；cc吸附质在吸附质在吸附质在吸附质在气体气体气体气体中的中的中的中的含量含量含量含量；yy与吸附剂所吸附的与吸附剂所吸附的与吸附剂所吸附的与吸附剂所吸附的物质量物质量物质量物质量成成成成平衡平衡平衡平衡的气体浓度的气体浓度的气体浓度的气体浓度；kk从气流到吸附剂表面的从气流到吸附剂表面的从气流到吸附剂表面的从气流到吸附剂表面的质量传递系数质量传递系数质量传递系数质量传递系数，也称，也称，也称，也称总传质总传质总传质总传质系数系数系数系数。(4)(4)吸附动力学方程吸附动力学方程吸附动力学方程吸附动力学方程81.3 吸附动力学及动态学吸附动力学及动态学(5 5)传传传传质质质质系系系系数数数数n n以以以以扩散方式扩散方式扩散方式扩散方式到达到达到达到达吸附剂表面吸附剂表面吸附剂表面吸附剂表面的的的的物质量物质量物质量物质量由费克定律确定，该物质量应由费克定律确定，该物质量应由费克定律确定，该物质量应由费克定律确定，该物质量应等等等等于于于于按按按按吸附动力学方程吸附动力学方程吸附动力学方程吸附动力学方程所求得的所求得的所求得的所求得的吸附质的量吸附质的量吸附质的量吸附质的量：对于物理吸附对于物理吸附对于物理吸附对于物理吸附，由于表面吸附的速度，由于表面吸附的速度，由于表面吸附的速度，由于表面吸附的速度极快极快极快极快，几乎是，几乎是，几乎是，几乎是瞬间完成瞬间完成瞬间完成瞬间完成，故，故，故，故吸附吸附吸附吸附对对对对吸附动力学过程的影响可以忽略不计；吸附动力学过程的影响可以忽略不计；吸附动力学过程的影响可以忽略不计；吸附动力学过程的影响可以忽略不计；吸附传递的动力学过程吸附传递的动力学过程吸附传递的动力学过程吸附传递的动力学过程是由是由是由是由外外外外扩散扩散扩散扩散和和和和内扩散内扩散内扩散内扩散所决定。所决定。所决定。所决定。k k1 1表示表示表示表示外扩散过程的传质系数外扩散过程的传质系数外扩散过程的传质系数外扩散过程的传质系数，k k2 2表示表示表示表示内扩散过程的传质系数内扩散过程的传质系数内扩散过程的传质系数内扩散过程的传质系数，则，则，则，则总传质总传质总传质总传质系数系数系数系数与外、内扩散系数有下列关系：与外、内扩散系数有下列关系：与外、内扩散系数有下列关系：与外、内扩散系数有下列关系：传质系数传质系数传质系数传质系数与许多变量，如，与许多变量，如，与许多变量，如，与许多变量，如，吸附剂种类、被吸附的气体组成吸附剂种类、被吸附的气体组成吸附剂种类、被吸附的气体组成吸附剂种类、被吸附的气体组成以及以及以及以及吸附吸附吸附吸附工况工况工况工况等性质等性质等性质等性质有关有关有关有关。91.3 吸附动力学及动态学吸附动力学及动态学作业作业n n查文献、综述吸附过程查文献、综述吸附过程查文献、综述吸附过程查文献、综述吸附过程扩散系数测定和计算方法。扩散系数测定和计算方法。扩散系数测定和计算方法。扩散系数测定和计算方法。101.3 吸附动力学及动态学吸附动力学及动态学(6)(6)固定床吸附动态学固定床吸附动态学固定床吸附动态学固定床吸附动态学pp 吸附动态学吸附动态学吸附动态学吸附动态学（或称动态吸附）是研究固定床层中的吸附（或称动态吸附）是研究固定床层中的吸附（或称动态吸附）是研究固定床层中的吸附（或称动态吸附）是研究固定床层中的吸附动态行为，即研究吸附床层中的工作层（或称动态行为，即研究吸附床层中的工作层（或称动态行为，即研究吸附床层中的工作层（或称动态行为，即研究吸附床层中的工作层（或称传质层传质层传质层传质层）（Mess Transfer ZoneMess Transfer Zone）MTZMTZ的的的的动态行为动态行为动态行为动态行为。111.3 吸附动力学及动态学吸附动力学及动态学(6)(6)固定床吸附动态学固定床吸附动态学固定床吸附动态学固定床吸附动态学n n恒温固定床吸附柱的连续性方程恒温固定床吸附柱的连续性方程恒温固定床吸附柱的连续性方程恒温固定床吸附柱的连续性方程n n恒温低浓度单组份恒温低浓度单组份恒温低浓度单组份恒温低浓度单组份流体通过体颗粒填充的流体通过体颗粒填充的流体通过体颗粒填充的流体通过体颗粒填充的圆柱固定床层圆柱固定床层圆柱固定床层圆柱固定床层时，床层内流时，床层内流时，床层内流时，床层内流动相的流速分布因动相的流速分布因动相的流速分布因动相的流速分布因颗粒大小颗粒大小颗粒大小颗粒大小的不同，吸附的不同，吸附的不同，吸附的不同，吸附床层的膨胀床层的膨胀床层的膨胀床层的膨胀变化，吸附时产生变化，吸附时产生变化，吸附时产生变化，吸附时产生的的的的吸附热吸附热吸附热吸附热使床层使床层使床层使床层温度改变温度改变温度改变温度改变，都会，都会，都会，都会影响传质的机理影响传质的机理影响传质的机理影响传质的机理和和和和流速的分布。流速的分布。流速的分布。流速的分布。为简便计，假设理想情况下为：为简便计，假设理想情况下为：为简便计，假设理想情况下为：为简便计，假设理想情况下为：恒温下固定相和流动相在流动方向连续互相接触，密度恒定不变，恒温下固定相和流动相在流动方向连续互相接触，密度恒定不变，恒温下固定相和流动相在流动方向连续互相接触，密度恒定不变，恒温下固定相和流动相在流动方向连续互相接触，密度恒定不变，流动相流动相流动相流动相在床层内占有在床层内占有在床层内占有在床层内占有恒定的容积分率恒定的容积分率恒定的容积分率恒定的容积分率。流动相的流速分布在整个床层的横流动相的流速分布在整个床层的横流动相的流速分布在整个床层的横流动相的流速分布在整个床层的横截面一定截面一定截面一定截面一定，溶质浓度分布溶质浓度分布溶质浓度分布溶质浓度分布曲线为曲线为曲线为曲线为连续连续连续连续的曲线，不因填充的吸附剂颗粒的大小，影响其连续性。的曲线，不因填充的吸附剂颗粒的大小，影响其连续性。的曲线，不因填充的吸附剂颗粒的大小，影响其连续性。的曲线，不因填充的吸附剂颗粒的大小，影响其连续性。121.3 吸附动力学及动态学吸附动力学及动态学(6)(6)固定床吸附动态学固定床吸附动态学固定床吸附动态学固定床吸附动态学1 1）低浓度单组分的连续性方程）低浓度单组分的连续性方程）低浓度单组分的连续性方程）低浓度单组分的连续性方程 从物料衡算，得出固定床连续性方程为：从物料衡算，得出固定床连续性方程为：从物料衡算，得出固定床连续性方程为：从物料衡算，得出固定床连续性方程为：式中，式中，式中，式中，D DAaAaD DAmAm+E+Ea a组分组分组分组分A A在流动相流动方向的轴向扩散系数；在流动相流动方向的轴向扩散系数；在流动相流动方向的轴向扩散系数；在流动相流动方向的轴向扩散系数；D DAmAm流动相中组分流动相中组分流动相中组分流动相中组分A A的有效扩散系数；的有效扩散系数；的有效扩散系数；的有效扩散系数；E Ea a弥散系数。弥散系数。弥散系数。弥散系数。弥散效应是由于：弥散效应是由于：弥散效应是由于：弥散效应是由于：(a)(a)床层内固定颗粒之间流体混和，床层内固定颗粒之间流体混和，床层内固定颗粒之间流体混和，床层内固定颗粒之间流体混和，(b)(b)沟流，使流动沟流，使流动沟流，使流动沟流，使流动相通过床层的横截面时流速不均匀，相通过床层的横截面时流速不均匀，相通过床层的横截面时流速不均匀，相通过床层的横截面时流速不均匀，(c)Taylor(c)Taylor扩散，由于局部径向速度扩散，由于局部径向速度扩散，由于局部径向速度扩散，由于局部径向速度梯度和轴向浓度梯度共同引起的效果，因而产生弥散和返混的现象。梯度和轴向浓度梯度共同引起的效果，因而产生弥散和返混的现象。梯度和轴向浓度梯度共同引起的效果，因而产生弥散和返混的现象。梯度和轴向浓度梯度共同引起的效果，因而产生弥散和返混的现象。在没有返混，呈活塞流的理想情况下，固定床连续性方程改为：在没有返混，呈活塞流的理想情况下，固定床连续性方程改为：在没有返混，呈活塞流的理想情况下，固定床连续性方程改为：在没有返混，呈活塞流的理想情况下，固定床连续性方程改为：131.3 吸附动力学及动态学吸附动力学及动态学进料料CFCout床层内吸床层内吸附质浓度附质浓度Cout/CF=0Cout/CF=10Cout/CF1t=00ttbC-床床层内吸内吸附附质浓度度透过曲线透过曲线MTZ-传质区区Cout/CF=0.05Cout/CF=0.95LUB(6)(6)固定床吸附动态学固定床吸附动态学固定床吸附动态学固定床吸附动态学 2)2)吸附的传质区、吸附前沿和流出曲线吸附的传质区、吸附前沿和流出曲线吸附的传质区、吸附前沿和流出曲线吸附的传质区、吸附前沿和流出曲线在吸附床中，随着气体混合物不断流入，在吸附床中，随着气体混合物不断流入，在吸附床中，随着气体混合物不断流入，在吸附床中，随着气体混合物不断流入，吸附前沿吸附前沿吸附前沿吸附前沿不断向床的不断向床的不断向床的不断向床的出口端推进出口端推进出口端推进出口端推进，绘出吸附，绘出吸附，绘出吸附，绘出吸附床床床床出口处吸附质浓度出口处吸附质浓度出口处吸附质浓度出口处吸附质浓度随随随随时间的变化时间的变化时间的变化时间的变化，便得到，便得到，便得到，便得到流出曲线流出曲线流出曲线流出曲线。141.3 吸附动力学及动态学吸附动力学及动态学 2)2)吸附的传质区、吸附前沿和流出曲线吸附的传质区、吸附前沿和流出曲线吸附的传质区、吸附前沿和流出曲线吸附的传质区、吸附前沿和流出曲线吸附前沿吸附前沿(或或传质前沿）传质前沿）(6)(6)固定床吸附动力学固定床吸附动力学固定床吸附动力学固定床吸附动力学151.3 吸附动力学及动态学吸附动力学及动态学以吸附床长度（以吸附床长度（z)为横坐标，吸附量为横坐标，吸附量(q)为纵坐标，作图即为纵坐标，作图即为为吸附负荷曲线吸附负荷曲线。3 3）吸附负荷曲线）吸附负荷曲线）吸附负荷曲线）吸附负荷曲线(6)(6)固定床吸附动态学固定床吸附动态学固定床吸附动态学固定床吸附动态学161.3 吸附动力学及动态学吸附动力学及动态学传质区形成后，只要传质区形成后，只要传质区形成后，只要传质区形成后，只要气流速度不变气流速度不变气流速度不变气流速度不变，其长度也不变其长度也不变其长度也不变其长度也不变，并随着，并随着，并随着，并随着气流的不断进入，逐渐沿气流向前推进。气流的不断进入，逐渐沿气流向前推进。气流的不断进入，逐渐沿气流向前推进。气流的不断进入，逐渐沿气流向前推进。在动态吸附过程中，吸附床可分为三个区段：在动态吸附过程中，吸附床可分为三个区段：在动态吸附过程中，吸附床可分为三个区段：在动态吸附过程中，吸附床可分为三个区段：a a.吸附饱和区吸附饱和区吸附饱和区吸附饱和区，在此区吸附剂不再吸附，达到动平衡状态。，在此区吸附剂不再吸附，达到动平衡状态。，在此区吸附剂不再吸附，达到动平衡状态。，在此区吸附剂不再吸附，达到动平衡状态。b.b.吸附传质区吸附传质区吸附传质区吸附传质区，传质区愈短，表示传质阻力愈小传质区愈短，表示传质阻力愈小传质区愈短，表示传质阻力愈小传质区愈短，表示传质阻力愈小(即传质系数即传质系数即传质系数即传质系数大大大大)，床层中，床层中，床层中，床层中吸附剂的利用率越高。吸附剂的利用率越高。吸附剂的利用率越高。吸附剂的利用率越高。c.c.吸附床的未吸附区吸附床的未吸附区吸附床的未吸附区吸附床的未吸附区，在此区吸附剂为，在此区吸附剂为，在此区吸附剂为，在此区吸附剂为“新鲜新鲜新鲜新鲜”吸附剂。吸附剂。吸附剂。吸附剂。(6)(6)固定床吸附动力学固定床吸附动力学固定床吸附动力学固定床吸附动力学吸附的传质区吸附的传质区吸附的传质区吸附的传质区 S S形曲线所占的床层长度称为吸附的传质区形曲线所占的床层长度称为吸附的传质区形曲线所占的床层长度称为吸附的传质区形曲线所占的床层长度称为吸附的传质区(MTZ)(MTZ)。171.3 吸附动力学及动态学吸附动力学及动态学“吸附前沿吸附前沿吸附前沿吸附前沿”常应用于吸附过程的常应用于吸附过程的常应用于吸附过程的常应用于吸附过程的工程概念工程概念工程概念工程概念中，它表示在传质区与未中，它表示在传质区与未中，它表示在传质区与未中，它表示在传质区与未吸附区之间存在着吸附前沿。吸附区之间存在着吸附前沿。吸附区之间存在着吸附前沿。吸附区之间存在着吸附前沿。(6)(6)固定床吸附动力学固定床吸附动力学固定床吸附动力学固定床吸附动力学吸附前沿吸附前沿吸附前沿吸附前沿实际上实际上实际上实际上吸附前沿吸附前沿吸附前沿吸附前沿和和和和流出曲线流出曲线流出曲线流出曲线是是是是成镜面的对称相似，成镜面的对称相似，成镜面的对称相似，成镜面的对称相似，和吸附前沿一样，和吸附前沿一样，和吸附前沿一样，和吸附前沿一样，传质阻力大，传质区愈大，流出曲线的波幅愈大传质阻力大，传质区愈大，流出曲线的波幅愈大传质阻力大，传质区愈大，流出曲线的波幅愈大传质阻力大，传质区愈大，流出曲线的波幅愈大，反之，传质阻力愈，反之，传质阻力愈，反之，传质阻力愈，反之，传质阻力愈小，流出曲线的波幅也愈小。小，流出曲线的波幅也愈小。小，流出曲线的波幅也愈小。小，流出曲线的波幅也愈小。在在在在极端理想极端理想极端理想极端理想的情况的情况的情况的情况下，即下，即下，即下，即吸附速度无限吸附速度无限吸附速度无限吸附速度无限大、无传质阻力大、无传质阻力大、无传质阻力大、无传质阻力的时的时的时的时候，吸附前沿曲线和候，吸附前沿曲线和候，吸附前沿曲线和候，吸附前沿曲线和流出曲线成了流出曲线成了流出曲线成了流出曲线成了垂直线垂直线垂直线垂直线，床内吸附剂床内吸附剂床内吸附剂床内吸附剂都都都都可能被可能被可能被可能被有效利用有效利用有效利用有效利用。181.3 吸附动力学及动态学吸附动力学及动态学(6)(6)固定床吸附动力学固定床吸附动力学固定床吸附动力学固定床吸附动力学透过曲线透过曲线透过曲线透过曲线n n把颗粒大小均一的同种吸附剂装填在固定吸附床中，含有一定浓度把颗粒大小均一的同种吸附剂装填在固定吸附床中，含有一定浓度把颗粒大小均一的同种吸附剂装填在固定吸附床中，含有一定浓度把颗粒大小均一的同种吸附剂装填在固定吸附床中，含有一定浓度(c(c0 0)吸附质的气体混合物以恒定的流速通过吸附床层，假设床层内的吸附吸附质的气体混合物以恒定的流速通过吸附床层，假设床层内的吸附吸附质的气体混合物以恒定的流速通过吸附床层，假设床层内的吸附吸附质的气体混合物以恒定的流速通过吸附床层，假设床层内的吸附剂剂剂剂完全没有传质阻力完全没有传质阻力完全没有传质阻力完全没有传质阻力，即，即，即，即吸附速度无限大吸附速度无限大吸附速度无限大吸附速度无限大的情况下，吸附质一直是以的情况下，吸附质一直是以的情况下，吸附质一直是以的情况下，吸附质一直是以c c0 0的初始浓度向气体流动力向推进，如图的初始浓度向气体流动力向推进，如图的初始浓度向气体流动力向推进，如图的初始浓度向气体流动力向推进，如图23(a)23(a)所示；所示；所示；所示；n n实际上由于实际上由于实际上由于实际上由于传质阻力存在传质阻力存在传质阻力存在传质阻力存在，流体的速度、吸附相平衡以及吸附机理等，流体的速度、吸附相平衡以及吸附机理等，流体的速度、吸附相平衡以及吸附机理等，流体的速度、吸附相平衡以及吸附机理等各方面的影响。吸附质浓度为各方面的影响。吸附质浓度为各方面的影响。吸附质浓度为各方面的影响。吸附质浓度为c c0 0的气体混合物通过吸附床时，首先是在的气体混合物通过吸附床时，首先是在的气体混合物通过吸附床时，首先是在的气体混合物通过吸附床时，首先是在吸附床入口处形成吸附床入口处形成吸附床入口处形成吸附床入口处形成s s形曲线形曲线形曲线形曲线 图图图图23(b)23(b)，此，此，此，此曲线曲线曲线曲线便称为便称为便称为便称为吸附前沿吸附前沿吸附前沿吸附前沿(或传质或传质或传质或传质前沿前沿前沿前沿)。1.3 1.3 吸附动力学及动态学吸附动力学及动态学吸附动力学及动态学吸附动力学及动态学191.3 吸附动力学及动态学吸附动力学及动态学6.6.固定床吸附动力学固定床吸附动力学固定床吸附动力学固定床吸附动力学在在在在qzqz曲线曲线曲线曲线中，面积中，面积中，面积中，面积abcdefabcdef代表传质区的总吸附容量，传质波上方面积代表传质区的总吸附容量，传质波上方面积代表传质区的总吸附容量，传质波上方面积代表传质区的总吸附容量，传质波上方面积agdefagdef是传质区床层仍具有吸附能力的容量，故传质区是传质区床层仍具有吸附能力的容量，故传质区是传质区床层仍具有吸附能力的容量，故传质区是传质区床层仍具有吸附能力的容量，故传质区(MTZ)(MTZ)吸附饱和率吸附饱和率吸附饱和率吸附饱和率为为为为agdcb/abcdefagdcb/abcdef，传质区剩余吸附能力分率为，传质区剩余吸附能力分率为，传质区剩余吸附能力分率为，传质区剩余吸附能力分率为agdef/abcdefagdef/abcdef。对于对于对于对于C C一一一一 曲线曲线曲线曲线，则和上述传质波的状态相对应，吸附饱和率为，则和上述传质波的状态相对应，吸附饱和率为，则和上述传质波的状态相对应，吸附饱和率为，则和上述传质波的状态相对应，吸附饱和率为agdcb/abcdefagdcb/abcdef，剩余吸附能力分率为，剩余吸附能力分率为，剩余吸附能力分率为，剩余吸附能力分率为agdef/abcdefagdef/abcdef，吸附饱和率愈大，表示，吸附饱和率愈大，表示，吸附饱和率愈大，表示，吸附饱和率愈大，表示床层的利用效率越大，透过曲线床层的利用效率越大，透过曲线床层的利用效率越大，透过曲线床层的利用效率越大，透过曲线S S形部分成形部分成形部分成形部分成垂直垂直垂直垂直的的的的直线直线直线直线时，时，时，时，传质阻力最小传质阻力最小传质阻力最小传质阻力最小，床层利用率最大床层利用率最大床层利用率最大床层利用率最大。4)4)吸附饱和率吸附饱和率吸附饱和率吸附饱和率剩余吸附能力剩余吸附能力剩余吸附能力剩余吸附能力剩余吸附能力剩余吸附能力剩余吸附能力剩余吸附能力201.3 吸附动力学及动态学吸附动力学及动态学(6)(6)固定床吸附动力学固定床吸附动力学固定床吸附动力学固定床吸附动力学4 4）透过曲线计算）透过曲线计算）透过曲线计算）透过曲线计算在固定床吸附，如果浓度波形成后，波形保持固定不变，在固定床吸附，如果浓度波形成后，波形保持固定不变，在固定床吸附，如果浓度波形成后，波形保持固定不变，在固定床吸附，如果浓度波形成后，波形保持固定不变，并以恒定的速度向前移动。并以恒定的速度向前移动。并以恒定的速度向前移动。并以恒定的速度向前移动。依照物料衡算依照物料衡算依照物料衡算依照物料衡算,在在在在d d 时间内，送入床层中溶液内时间内，送入床层中溶液内时间内，送入床层中溶液内时间内，送入床层中溶液内溶质变化值溶质变化值溶质变化值溶质变化值 b buACuAC0 0d d ，应等于在此段，应等于在此段，应等于在此段，应等于在此段dzdz床层中吸附剂的吸附量和床层吸床层中吸附剂的吸附量和床层吸床层中吸附剂的吸附量和床层吸床层中吸附剂的吸附量和床层吸附剂颗粒附剂颗粒附剂颗粒附剂颗粒空隙空隙空隙空隙b b内溶液浓度的变化量：内溶液浓度的变化量：内溶液浓度的变化量：内溶液浓度的变化量：b buAuAC C0 0d d=(1-=(1-b b)q)qmm+b bC C0 0ddZu-u-流体流经床层空隙的速度，流体流经床层空隙的速度，流体流经床层空隙的速度，流体流经床层空隙的速度，b b-吸附剂床层吸附剂床层吸附剂床层吸附剂床层空隙，空隙，空隙，空隙，211.3 吸附动力学及动态学吸附动力学及动态学(6)(6)固定床吸附动力学固定床吸附动力学固定床吸附动力学固定床吸附动力学4 4）透过曲线计算）透过曲线计算）透过曲线计算）透过曲线计算221.3 吸附动力学及动态学吸附动力学及动态学5 5）吸附等温线类型对浓度波的影响）吸附等温线类型对浓度波的影响）吸附等温线类型对浓度波的影响）吸附等温线类型对浓度波的影响(6)(6)固定床吸附动力学固定床吸附动力学固定床吸附动力学固定床吸附动力学231.3 吸附动力学及动态学吸附动力学及动态学6)6)浓度波的移动速度浓度波的移动速度浓度波的移动速度浓度波的移动速度(6)(6)固定床吸附动力学固定床吸附动力学固定床吸附动力学固定床吸附动力学假设：假设：假设：假设：流体以流体以流体以流体以活塞流活塞流活塞流活塞流通过床层，流经床层空隙的实际通过床层，流经床层空隙的实际通过床层，流经床层空隙的实际通过床层，流经床层空隙的实际流速流速流速流速是常数是常数是常数是常数u u；流体主体中溶质与吸附剂上的吸附质流体主体中溶质与吸附剂上的吸附质流体主体中溶质与吸附剂上的吸附质流体主体中溶质与吸附剂上的吸附质瞬时达到平衡瞬时达到平衡瞬时达到平衡瞬时达到平衡；无轴向弥散无轴向弥散无轴向弥散无轴向弥散；等温操作等温操作等温操作等温操作。恒定浓度恒定浓度恒定浓度恒定浓度c c的浓度波移动速度的浓度波移动速度的浓度波移动速度的浓度波移动速度u uc c为：为：为：为：该方程说明该方程说明该方程说明该方程说明浓度波移动速度浓度波移动速度浓度波移动速度浓度波移动速度取决于流体在取决于流体在取决于流体在取决于流体在床层空隙床层空隙床层空隙床层空隙b b中的中的中的中的流速流速流速流速和和和和吸附等吸附等吸附等吸附等温线的斜率温线的斜率温线的斜率温线的斜率。一般说来，浓度波在床层中移动的速度一般说来，浓度波在床层中移动的速度一般说来，浓度波在床层中移动的速度一般说来，浓度波在床层中移动的速度u uc c比流体流经床层空隙的速度比流体流经床层空隙的速度比流体流经床层空隙的速度比流体流经床层空隙的速度u u小小小小得多。得多。得多。得多。例如假设例如假设例如假设例如假设 b b0.50.5，吸附平衡关系，吸附平衡关系，吸附平衡关系，吸附平衡关系q q5000c5000c则则则则dq/dcdq/dc50005000，从式从式从式从式(7-43)(7-43)计算出计算出计算出计算出u u c/c/u u0.00020.0002。如果如果如果如果u u0.914m/s0.914m/s，则，则，则，则u uc c0.000183m/s0.000183m/s。若。若。若。若床层高度床层高度床层高度床层高度1.83m1.83m，那么浓度波穿过床层需，那么浓度波穿过床层需，那么浓度波穿过床层需，那么浓度波穿过床层需2.78h2.78h。241.3 吸附动力学及动态学吸附动力学及动态学n n影响影响影响影响流出曲线形状流出曲线形状流出曲线形状流出曲线形状或或或或传质区传质区传质区传质区的因素有的因素有的因素有的因素有:吸附剂的性质、颗粒的形状和大小吸附剂的性质、颗粒的形状和大小吸附剂的性质、颗粒的形状和大小吸附剂的性质、颗粒的形状和大小气体混合物的组成和性质、流体速度、气体混合物的组成和性质、流体速度、气体混合物的组成和性质、流体速度、气体混合物的组成和性质、流体速度、吸附平衡和机理以及吸附床的温度和压力。吸附平衡和机理以及吸附床的温度和压力。吸附平衡和机理以及吸附床的温度和压力。吸附平衡和机理以及吸附床的温度和压力。n n因此通过流出曲线的研究，可以评价因此通过流出曲线的研究，可以评价因此通过流出曲线的研究，可以评价因此通过流出曲线的研究，可以评价吸附剂的性能吸附剂的性能吸附剂的性能吸附剂的性能，测，测，测，测取取取取传质系数传质系数传质系数传质系数和和和和了解吸附床了解吸附床了解吸附床了解吸附床的操作状况。的操作状况。的操作状况。的操作状况。7)7)影响流出曲线形状的因素影响流出曲线形状的因素影响流出曲线形状的因素影响流出曲线形状的因素(6)(6)固定床吸附动态学固定床吸附动态学固定床吸附动态学固定床吸附动态学251.3 吸附动力学及动态学吸附动力学及动态学n n为了为了为了为了设计固定吸附床设计固定吸附床设计固定吸附床设计固定吸附床，必须进行，必须进行，必须进行，必须进行传质区长度传质区长度传质区长度传质区长度和和和和流出曲线流出曲线流出曲线流出曲线的的的的计算。计算。计算。计算。n n通常用实验手段测定通常用实验手段测定通常用实验手段测定通常用实验手段测定传质区长度传质区长度传质区长度传质区长度和和和和流出曲线流出曲线流出曲线流出曲线。测定时的测定时的测定时的测定时的气体浓度气体浓度气体浓度气体浓度、流体速度流体速度流体速度流体速度、接触时间接触时间接触时间接触时间、吸附压力吸附压力吸附压力吸附压力、吸附温度吸附温度吸附温度吸附温度等条件等条件等条件等条件应该应该应该应该与实际使用过程的条件对应与实际使用过程的条件对应与实际使用过程的条件对应与实际使用过程的条件对应，并，并，并，并通过实验及在已有工业装置运行数据基础上，建立通过实验及在已有工业装置运行数据基础上，建立通过实验及在已有工业装置运行数据基础上，建立通过实验及在已有工业装置运行数据基础上，建立计计计计算机模拟软件算机模拟软件算机模拟软件算机模拟软件来进行来进行来进行来进行新吸附系统的技术开发设计新吸附系统的技术开发设计新吸附系统的技术开发设计新吸附系统的技术开发设计。(6)(6)固定床吸附动力学固定床吸附动力学固定床吸附动力学固定床吸附动力学261.3 吸附动力学及动态学吸附动力学及动态学(6)(6)固定床吸附动力学固定床吸附动力学固定床吸附动力学固定床吸附动力学8 8）传质区长度）传质区长度）传质区长度）传质区长度n n在吸附剂床层中的吸附行为，对于某一在吸附剂床层中的吸附行为，对于某一在吸附剂床层中的吸附行为，对于某一在吸附剂床层中的吸附行为，对于某一吸附时刻吸附时刻吸附时刻吸附时刻的吸附情的吸附情的吸附情的吸附情况如下图：况如下图：况如下图：况如下图：Z Ze e饱和层饱和层饱和层饱和层 Z Za a传质层传质层传质层传质层 Z ZL L未用层未用层未用层未用层 Z271.3 吸附动力学及动态学吸附动力学