制药分离工程第九章-吸附.ppt

中药分离工程中药分离工程一、问题的引出一、问题的引出 精馏过程为多次部分气化、部分冷凝过精馏过程为多次部分气化、部分冷凝过程，塔顶有冷凝器，塔釜有再沸器，大量程，塔顶有冷凝器，塔釜有再沸器，大量的能量损失于塔顶冷凝器中。的能量损失于塔顶冷凝器中。如何寻找节能方法？如何寻找节能方法？开发出：开发出：1.吸着分离过程（吸附、离子交换、吸着分离过程（吸附、离子交换、色谱分离）；色谱分离）；2.超临界萃取；超临界萃取；3.膜分离。膜分离。中药分离工程中药分离工程二、吸附原理：二、吸附原理：吸附过程吸附过程:当流体与多孔固体接触时当流体与多孔固体接触时,流流动相中的一种或多种溶质向多孔固体颗动相中的一种或多种溶质向多孔固体颗粒表面选择性被吸附和积累的过程。粒表面选择性被吸附和积累的过程。吸附操作：吸附操作：用多孔固体有选择地吸附流用多孔固体有选择地吸附流体中的一个或几个组分，从而使混合物体中的一个或几个组分，从而使混合物分离的操作方法。它是分离的操作方法。它是分离和纯化气体分离和纯化气体和液体混合物和液体混合物的重要单元操作之一。的重要单元操作之一。中药分离工程中药分离工程吸附质和吸附剂吸附质和吸附剂(adsorbate-(adsorbate-adsorbentadsorbent）：）：在固体表面被吸附的组分称吸附质，在固体表面被吸附的组分称吸附质，多孔固体称为吸附剂，具有很大比表面积多孔固体称为吸附剂，具有很大比表面积的多孔结构。的多孔结构。固体：固体：吸附剂吸附剂流体：流体：被分离物，气体或液体中的分子、被分离物，气体或液体中的分子、原子或离子。原子或离子。解吸：解吸：吸附的逆过程吸附的逆过程 中药分离工程中药分离工程中药分离工程中药分离工程中药分离工程中药分离工程第二节第二节 吸附分离原理吸附分离原理9.2.1 9.2.1 吸附过程分类吸附过程分类9.2.2 9.2.2 常用吸附剂常用吸附剂9.2.3 9.2.3 吸附平衡吸附平衡9.2.4 9.2.4 吸附速率吸附速率返回返回中药分离工程中药分离工程9.2.1 吸附过程吸附过程一、吸附原理一、吸附原理 由吸附质单个原子、离子和分子与固体表面由吸附质单个原子、离子和分子与固体表面之间存在有相互作用力，气体和液体有着吸着于之间存在有相互作用力，气体和液体有着吸着于固体的趋势，通常形成单分子层，有时也形成多固体的趋势，通常形成单分子层，有时也形成多分子层。分子层。吸附现象吸附现象 选择性吸附选择性吸附继而继而再生再生是分离气体或液体混合是分离气体或液体混合物的基础。大多数情况下，吸附剂对吸附质的亲物的基础。大多数情况下，吸附剂对吸附质的亲和力比原子之间的共价键要弱，所以吸附是和力比原子之间的共价键要弱，所以吸附是可逆可逆的的。随温度的升高或被吸附质分压的降低，吸附。随温度的升高或被吸附质分压的降低，吸附质被质被解吸解吸。中药分离工程中药分离工程吸附的键能吸附的键能u吸附剂吸附剂/吸附质之间的吸附质之间的亲和力可用于选择性亲和力可用于选择性分离（如右图），吸分离（如右图），吸附过程需要一个适合附过程需要一个适合的键能范围。如果键的键能范围。如果键强度太弱，则几乎没强度太弱，则几乎没有物质被吸附，如果有物质被吸附，如果键能太强，则解吸困键能太强，则解吸困难难。中药分离工程中药分离工程1）物理吸附物理吸附（范德华吸附）：（范德华吸附）：吸附质和吸附剂以吸附质和吸附剂以分子间作用力分子间作用力为主的吸附。为主的吸附。物理吸附分离在原理上有四种类型：物理吸附分离在原理上有四种类型：选择性吸附选择性吸附 、分子筛效应、分子筛效应 、微孔的扩散和微孔、微孔的扩散和微孔中的凝聚中的凝聚。2 2）化学吸附化学吸附：吸附质和吸附剂分子间的吸附质和吸附剂分子间的化学键化学键作用力作用力所引起的吸附。其结合力大，放热量与化学所引起的吸附。其结合力大，放热量与化学反应热数量级相当，过程往往不可逆。化学吸附在反应热数量级相当，过程往往不可逆。化学吸附在催化中起重要作用，分离过程中较少使用。催化中起重要作用，分离过程中较少使用。2.2.常见的吸附类型及其主要特点常见的吸附类型及其主要特点中药分离工程中药分离工程物理吸附与化学吸附的比较物理吸附与化学吸附的比较中药分离工程中药分离工程3 3三类吸附过程三类吸附过程 1）变温吸附变温吸附。吸附通常在室温下进行，而解吸在吸附通常在室温下进行，而解吸在直接或间接加热吸附剂的条件下完成，利用温度直接或间接加热吸附剂的条件下完成，利用温度的变化实现吸附和解吸再生循环操作。的变化实现吸附和解吸再生循环操作。2 2）变变压压吸吸附附。在在较较高高压压力力下下选选择择性性吸吸附附气气体体混混合合物物中中的的某某些些组组分分，然然后后降降低低压压力力使使吸吸附附剂剂解解吸吸，利用压力的变化完成循环操作。利用压力的变化完成循环操作。3 3）变变浓浓度度吸吸附附。液液体体混混合合物物中中的的某某些些组组分分在在环环境境条条件件下下选选择择性性的的吸吸附附，然然后后用用少少量量强强吸吸附附性性液液体体解吸再生。解吸再生。中药分离工程中药分离工程4.4.吸附吸附应用应用 1 1）气体或液体的脱水及深度干燥。）气体或液体的脱水及深度干燥。2）气气体体或或溶溶液液的的脱脱臭臭、脱脱色色及及有有机机溶溶剂剂蒸蒸气气的的回回收。收。3）气气体体中中痕痕量量物物质质的的吸吸附附分分离离，如如纯纯氮氮、纯纯氧氧的的制取。制取。4）分分离离某某些些精精馏馏难难以以分分离离的的物物系系，如如烷烷烃烃、烯烯烃烃、芳香烃馏分的分离。芳香烃馏分的分离。5）废气和废水的处理。）废气和废水的处理。中药分离工程中药分离工程4.4.吸附吸附应用应用中药分离工程中药分离工程9.2.2 9.2.2 吸附剂吸附剂 活性碳活性碳 沸石分子筛沸石分子筛 吸附剂吸附剂 硅胶硅胶 活性氧化铝活性氧化铝中药分离工程中药分离工程u吸附剂的主要特征：吸附剂的主要特征：1.多孔结构多孔结构；2.较大的比表面积较大的比表面积u选择性吸附是吸附剂的关键性质。根据选择性吸附是吸附剂的关键性质。根据吸附剂表面的选择性，吸附剂又分为：吸附剂表面的选择性，吸附剂又分为：1.疏水吸附剂；疏水吸附剂；2.亲水吸附剂亲水吸附剂u影响吸附剂性能的主要因素：影响吸附剂性能的主要因素：1.化学组成；化学组成；2.制造方法制造方法中药分离工程中药分离工程1.硅胶极性吸附剂硅胶极性吸附剂u硅胶的化学通式为：硅胶的化学通式为：SiO2nH2O。用硅酸。用硅酸钠与无机酸反应生成硅酸，其聚合物在适钠与无机酸反应生成硅酸，其聚合物在适宜的条件下聚合、缩合而成为硅氧四面体宜的条件下聚合、缩合而成为硅氧四面体的多聚物，经聚集、洗盐、脱水而成为硅的多聚物，经聚集、洗盐、脱水而成为硅胶。在制造过程中通过控制胶团的尺寸和胶。在制造过程中通过控制胶团的尺寸和堆积的配位数，可以控制硅胶的孔容、孔堆积的配位数，可以控制硅胶的孔容、孔径和比表面积。径和比表面积。u硅胶处于高亲水和高疏水的中间状态，常硅胶处于高亲水和高疏水的中间状态，常用于各种气体脱水，也用于烃类分离。用于各种气体脱水，也用于烃类分离。中药分离工程中药分离工程2.2.活性氧化铝活性氧化铝极性吸附剂极性吸附剂u活性氧化率的化学通式为：活性氧化率的化学通式为：Al2O3nH2Ou用无机酸的铝盐与碱反应生成氢氧化铝的溶用无机酸的铝盐与碱反应生成氢氧化铝的溶胶，然后转变为凝胶，经过灼烧脱水而得。胶，然后转变为凝胶，经过灼烧脱水而得。u活性氧化铝的表面活性中心是羟基和路易斯活性氧化铝的表面活性中心是羟基和路易斯酸中心，极性强，对水具有很高的亲和作用，酸中心，极性强，对水具有很高的亲和作用，广泛用于脱除气体中的水分广泛用于脱除气体中的水分。中药分离工程中药分离工程3.活性碳活性碳非极性吸附剂非极性吸附剂u活性碳是碳质吸附剂的总称。各种含碳有活性碳是碳质吸附剂的总称。各种含碳有机物均可以制造活性碳，活性碳的制造主要机物均可以制造活性碳，活性碳的制造主要有两步：有两步：1碳化；碳化；2 活化。活化。u活性炭具有非极性表面。为活性炭具有非极性表面。为疏水亲有机物疏水亲有机物的吸附剂；它具有性能稳定、抗腐蚀、吸附的吸附剂；它具有性能稳定、抗腐蚀、吸附容量大、解吸容易及再生性能好的优点。容量大、解吸容易及再生性能好的优点。广泛用于：脱除水中有机物；水溶液中的广泛用于：脱除水中有机物；水溶液中的色素等。色素等。中药分离工程中药分离工程4.分子筛：分子筛：分子筛有天然和合分子筛有天然和合成分子筛。成分子筛。每一种沸石分子筛都具每一种沸石分子筛都具有特定的均一孔径，它因有特定的均一孔径，它因原料的配比、组成和制造原料的配比、组成和制造方法不同而不同，通过改方法不同而不同，通过改变这些因素可以制造出各变这些因素可以制造出各种孔径和形状的沸石分子种孔径和形状的沸石分子筛。筛。中药分离工程中药分离工程9.2.3 吸附平衡u吸附平衡：吸附平衡：在一定条件下，当流体（气体在一定条件下，当流体（气体或液体）与固体吸附剂接触时，流体中的或液体）与固体吸附剂接触时，流体中的吸附质将被吸附，经过足够长的时间，吸吸附质将被吸附，经过足够长的时间，吸附质在两相中的浓度不再变化，达到吸附附质在两相中的浓度不再变化，达到吸附平衡。平衡。u吸附平衡关系决定了吸附过程的方向和极吸附平衡关系决定了吸附过程的方向和极限，是吸附过程的基本依据。限，是吸附过程的基本依据。u吸附平衡关系通常用吸附平衡关系通常用等温下等温下吸附剂中吸附吸附剂中吸附质的质的含量含量与流体相中吸附质的与流体相中吸附质的浓度或分压浓度或分压间的关系表示（等温曲线）。间的关系表示（等温曲线）。中药分离工程中药分离工程9.2.4 吸附速率 当含有吸附质的流体与吸附剂接触当含有吸附质的流体与吸附剂接触时，将进行吸附过程。时，将进行吸附过程。吸附速率：吸附速率：单位时间内被吸附的单位时间内被吸附的 吸附质的量吸附质的量.是吸附过程设计和操作的重是吸附过程设计和操作的重要参数。要参数。中药分离工程中药分离工程一、一、吸附机理吸附机理吸附质在吸附剂的多孔表面上的吸附质在吸附剂的多孔表面上的 吸附过程分四步：吸附过程分四步：1.吸附质由流体主体通过分子扩散与对流扩散穿过薄膜或吸附质由流体主体通过分子扩散与对流扩散穿过薄膜或边界层传递到吸附剂外表面，称为外扩散过程。边界层传递到吸附剂外表面，称为外扩散过程。2.吸附质通过孔扩散从吸附剂的外表面传递到微孔结构的吸附质通过孔扩散从吸附剂的外表面传递到微孔结构的 内表面，称微内扩散过程。内表面，称微内扩散过程。3.吸附质沿孔表面的表面扩散。吸附质沿孔表面的表面扩散。4.吸附质被吸附在孔表面上。吸附质被吸附在孔表面上。对于化学吸附：对于化学吸附：吸附质与吸附剂之间有健的吸附质与吸附剂之间有健的 形成，第四步形成，第四步可能较慢，甚至是控制步骤。可能较慢，甚至是控制步骤。对于物理吸附：对于物理吸附：由于吸附速率仅取决于吸附质分子与孔表面由于吸附速率仅取决于吸附质分子与孔表面的碰撞频率和定向作用，几乎是瞬间完成的，吸附速率的碰撞频率和定向作用，几乎是瞬间完成的，吸附速率由前三步控制。统称为扩散控制。由前三步控制。统称为扩散控制。中药分离工程中药分离工程气（液）相主体气（液）相主体液膜 被吸附分被吸附分子子吸附剂吸附剂吸附机理吸附机理返回返回中药分离工程中药分离工程第三节第三节 吸附操作吸附操作9.3.1 9.3.1 搅拌槽吸附搅拌槽吸附9.3.2 9.3.2 固定床循环操作固定床循环操作9.3.3 9.3.3 吸附剂的再生吸附剂的再生返回返回中药分离工程中药分离工程9.3.19.3.1槽式吸附操作槽式吸附操作 槽槽式式吸吸附附操操作作适适用用于于外外扩扩散散控控制制的的吸吸附附传传质质过过程。程。使使用用搅搅拌拌使使溶溶液液呈呈湍湍流流状状态态，颗颗粒粒外外表表面面的的膜膜阻力较少。阻力较少。用于液体的精制，如脱水、脱色和脱臭等。用于液体的精制，如脱水、脱色和脱臭等。吸附剂用量吸附剂用量S确定确定:物料平衡物料平衡吸附相平衡吸附相平衡L：一批投入的液体量：一批投入的液体量l，Co、c：分别为液体中开始和终止时吸附质的浓度：分别为液体中开始和终止时吸附质的浓度kg/l,S：所需投入的平衡吸附剂量，所需投入的平衡吸附剂量，kg。CoCt=0t=t中药分离工程中药分离工程9.3.2 9.3.2 固定床吸附操作固定床吸附操作u方法：把吸附剂均匀堆放在吸附塔中的多孔支承板上，方法：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。附剂。在吸附过程中，吸附剂不动。中药分离工程中药分离工程固定床吸附操作固定床吸附操作特点：特点：1）固固定定床床吸吸附附塔塔结结构构简简单单，加加工工容容易易，操操作作方方便便灵灵活活，吸吸附附剂剂不不易易磨磨损损，物物料料的的返返混混少少，分分离离效率高，回收效果好效率高，回收效果好。2）固固定定床床吸吸附附操操作作的的传传热热性性能能差差，当当吸吸附附剂剂颗颗粒粒较较小小时时，流流体体通通过过床床层层的的压压降降较较大大，吸吸附附、再再生及冷却等操作需要一定的时间，生及冷却等操作需要一定的时间，生产效率较低生产效率较低。固固定定床床吸吸附附操操作作用用于于气气体体中中溶溶剂剂的的回回收收、气气体体干燥和溶剂脱水等方面。干燥和溶剂脱水等方面。中药分离工程中药分离工程9.3.3 9.3.3 吸附剂的再生吸附剂的再生u定义：是指在吸附定义：是指在吸附剂本身不发生变化剂本身不发生变化或变化很小的情况或变化很小的情况下，采用适当的方下，采用适当的方法将吸附质从吸附法将吸附质从吸附剂中除去，以恢复剂中除去，以恢复吸附剂的吸附能力，吸附剂的吸附能力，从而达到重复使用从而达到重复使用的目的。的目的。u常用方法：常用方法：u溶剂洗涤：水、稀酸、溶剂洗涤：水、稀酸、稀碱、有机溶剂稀碱、有机溶剂u加热加热u其它手段：其它手段：化学法、化学法、生物降解等。生物降解等。中药分离工程中药分离工程第四节第四节 吸附分离设备吸附分离设备9.4.1 9.4.1 固定床固定床9.4.2 9.4.2 流化床流化床9.4.3 9.4.3 移动床移动床9.4.4 9.4.4 模拟移动床模拟移动床返回返回中药分离工程中药分离工程9.4.1 9.4.1 固定床吸附固定床吸附ti吸附质首先出现在床层出口端时间；吸附质首先出现在床层出口端时间；tb对应馏出物最大允许浓度时间，称破点时间；对应馏出物最大允许浓度时间，称破点时间；te床层饱和时间。床层饱和时间。（te-ti）对应床层吸附区或传质区长度对应床层吸附区或传质区长度中药分离工程中药分离工程9.4.2 9.4.2 流化床吸附操作流化床吸附操作 使流体自下而上流动，流体的流速控制在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。被带出，处于流态化状态进行的吸附操作。生产能力大，但吸附剂颗粒磨损程度严重，生产能力大，但吸附剂颗粒磨损程度严重，操作范围变窄。操作范围变窄。中药分离工程中药分离工程9.4.39.4.3移动床吸附操作移动床吸附操作 待处理的流体在塔内自上而下流动，在与吸附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。的或再生后的吸附剂。移动床吸附操作因吸附和再生过程在同一个塔移动床吸附操作因吸附和再生过程在同一个塔中进行，设备投资费用少。中进行，设备投资费用少。中药分离工程中药分离工程第五节第五节 吸附分离的应用吸附分离的应用9.5.1 9.5.1 聚酰胺吸附色谱法聚酰胺吸附色谱法9.5.2 9.5.2 大孔吸附树脂大孔吸附树脂返回返回中药分离工程中药分离工程什么是吸附过程？什么是吸附过程？什么是吸附过程？什么是吸附过程？吸附的类型有哪些？它们是如何划分的？吸附的类型有哪些？它们是如何划分的？吸附的类型有哪些？它们是如何划分的？吸附的类型有哪些？它们是如何划分的？常用的吸附剂种类有哪些？常用的吸附剂种类有哪些？常用的吸附剂种类有哪些？常用的吸附剂种类有哪些？什么是吸附等温线？其意义何在？什么是吸附等温线？其意义何在？什么是吸附等温线？其意义何在？什么是吸附等温线？其意义何在？影响吸附过程的因素有哪些？影响吸附过程的因素有哪些？影响吸附过程的因素有哪些？影响吸附过程的因素有哪些？常用的吸附单元操作有哪些方式？常用的吸附单元操作有哪些方式？常用的吸附单元操作有哪些方式？常用的吸附单元操作有哪些方式？本章掌握以下内容：本章掌握以下内容：