吸附动力学及动态学

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εbuAC0dτ=[(1-εb)qm+ εbC0]dZ
dz
bu
d [(1 b )(qm /C 0) b ]
u-流体流经床层空隙的速度, εb-吸附剂床层空隙,
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(6)固定床吸附动力学
1.3 吸附动力学及动态学
4)透过曲线计算
dz
bu
d [(1 b )(qm /C 0) b ]
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(6) 固定床吸附动态学
7) 影响流出曲线形状的因素
1.3 吸附动力学及动态学
影响流出曲线形状或传质区的因素有: ✓ 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、 ✓ 吸附平衡和机理以及吸附床的温度和压力。
因此通过流出曲线的研究,可以评价吸附剂的性能, 测取传质系数和了解吸附床的操作状况。
剩余吸附能力
剩余吸附能力
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(6)固定床吸附动力学
1.3 吸附动力学及动态学
4)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, 并以恒定的速度向前移动。 ✓依照物料衡算,在dτ时间内,送入床层中溶液内溶质变化值 εbuAC0dτ ,应等于在此段dz床层中吸附剂的吸附量和床层吸 附剂颗粒空隙εb内溶液浓度的变化量:
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(6)固定床吸附动态学
1.3 吸附动力学及动态学
3)吸附负荷曲线
✓ 以吸附床长度(z)为横坐标,吸附量(q)为纵坐标,作图即 为吸附负荷曲线。
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(6)固定床吸附动力学
1.3 吸附动力学及动态学
✓吸附的传质区 ——S形曲线所占的床层长度称为吸附的传质区
2
1.3 吸附动力学及动态学
(1) 吸附速度
1.3 吸附动力学及动态学
➢在单位时间内被单位体积(或质量)吸附剂所吸附的物质 量称为吸附速度。
✓吸附速率曲线
0.16
0.14
➢可用与测定吸附等温线相同
0.12
的方法,在不同吸附时间测得
0.10
吸附量,kg/kg
吸附量,以吸附量为纵坐标,
源自文库0.08
0.06
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(6)固定床吸附动态学
1.3 吸附动力学及动态学
2) 吸附的传质区、吸附前沿和流出曲线
MTZ-传质区
✓在吸附床中,随着气体混合物不断流入,
吸附前沿不断向床的出口端推进,绘出吸附
床出口处吸附质浓度随时间的变化,便得到
流出曲线。
t=0 进料CF
0<t<tb
t>tb
C-床层内吸 附质浓度
按吸附动力学原理,吸附速度可用下式表示:
dq k(c y) dt
dq/dt—吸附速度,在单位时间内被单位体积(或质量) 吸附剂所吸附的物质量;
c—吸附质在气体中的含量; y—与吸附剂所吸附的物质量成平衡的气体浓度; k—从气流到吸附剂表面的质量传递系数,也称总传质
系数。
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透过曲线
LUB
Cout/CF=0.95
Cout
床层内吸 附质浓度
Cout/CF=0
Cout/CF=1
0<Cout/CF<1
Cout/CF=0.05
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(6) 固定床吸附动力学
1.3 吸附动力学及动态学
2) 吸附的传质区、吸附前沿和流出曲线
吸附前沿(或 传质前沿)
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➢ 在极端理想的情况 下,即吸附速度无 限大、无传质阻力 的时候,吸附前沿 曲线和流出曲线成 了垂直线,床内吸 附剂都可能被有效 利用。
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(6)固定床吸附动力学
1.13.3吸吸附附动动力力学学及及动动态学态学
透过曲线
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(c0) 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 剂完全没有传质阻力,即吸附速度无限大的情况下,吸附质一直是以 c0的初始浓度向气体流动力向推进,如图2—3(a)所示;
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(6)固定床吸附动态学
1.3 吸附动力学及动态学
吸附动态学(或称动态吸附)是研究固定床层中的吸 附动态行为,即研究吸附床层中的工作层(或称传质层) (Mess Transfer Zone)—MTZ的动态行为。
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(6)固定床吸附动态学
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✓ 一部分气体分子还可能在颗粒 内的孔中向深入扩散,称为孔 扩散。
✓ 在孔扩散的途中气体分子又可 能与孔壁表面碰撞而被吸附。
吸附主体 外扩散外表面 内扩散内表面 吸附内表面吸附
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(2)吸附的传质过程
1.3 吸附动力学及动态学
➢ 内扩散是既有平行又有顺序的吸附过程,它的过程模式可表 达为:
(MT➢Z)传。质区形成后,只要气流速度不变,其长度也不变,并随着
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:
➢ a.吸附饱和区,在此区吸附剂不再吸附,达到动平衡状态。 ➢ b.吸附传质区,传质区愈短,表示传质阻力愈小(即传质系数
大),床层中吸附剂的利用率越高。
➢ c.吸附床的未吸附区,在此区吸附剂为“新鲜”吸附剂。
1.3 吸附动力学及动态学
(2) 吸附的传质过程
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 剂颗粒内部的传递过程分为两个阶段:
✓ 第一阶段是从气体主流通过吸附剂颗粒周围的气膜 到颗粒的表面,称为外部传递过程或外扩散。
✓ 第二阶段是从吸附剂颗粒表面传向颗粒孔隙内部, 称为孔内部传递过程或内扩散.
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(6)固定床吸附动力学
1.3 吸附动力学及动态学
✓吸附前沿
➢ “吸附前沿”常应用于吸附过程的工程概念中,它表示在传质区与未 吸附区之间存在着吸附前沿。
➢ 实际上吸附前沿和流出曲线是成镜面的对称相似,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,反之,传质阻力 愈小,流出曲线的波幅也愈小。
时间为横坐标绘图,即可得到 0.04
吸附速率曲线。
0.02
➢右图为正己烷在5A分子筛上 的吸附速率曲线
0.00 0
10
20
30
40
50
60
70
吸附时 间 ,min
无机 ; 南工 3#
正己烷在不同生产厂的5A分子筛上的吸附速率曲线(30℃)
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1.3 吸附动力学及动态学
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1.3 吸附动力学及动态学
1.3 吸附动力学及动态学
吸附动力学主要研究吸附质在吸附剂颗粒内的扩 散性能,通过测定吸附速率,计算微孔扩散系数, 进而推算吸附活化能。
吸附动态学(或称动态吸附)主要研究吸附剂床 层内的传质层性能及其影响因素。
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(6)固定床吸附动态学
1)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:
1.3 吸附动力学及动态学
式中, DAa=DAm+ Ea——组分A在流动相流动方向的轴向扩散系数; DAm——流动相中组分A的有效扩散系数; Ea——弥散系数。
✓弥散效应是由于:(a)床层内固定颗粒之间流体混和,(b)沟流,使流 动相通过床层的横截面时流速不均匀,(c)Taylor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。 ✓ 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:
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(2)吸附的传质过程
1.3 吸附动力学及动态学
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。
内扩散过程有几种不同情况,参见右图。
✓ 气体分子到达颗粒外表面时, 一部分会被外表面所吸附。而 被吸附的分子有可能沿着颗粒 内的孔壁向深入扩散,称为表 面扩散。
恒定浓度c的浓度波移动速度uc为:
✓该方程说明浓度波移动速度取决于流体在床层空隙εb中的流速和吸附等 温线的斜率。
✓一般说来,浓度波在床层中移动的速度uc比流体流经床层空隙的速度u小 得多。
✓例如.假设εb=0.5,吸附平衡关系q=5000c.则dq/dc=5000, 从式(7-43)计算出u c/u=0.0002。如果u=0.914m/s,则uc=0.000183m/s。 若床层高度1.83m,那么浓度波穿过床层需2.78h。
✓在q—z曲线中,面积abcdef代表传质区的总吸附容量,传质波上方面积 agdef是传质区床层仍具有吸附能力的容量,故传质区(MTZ)吸附饱和率 为agdcb/abcdef,传质区剩余吸附能力分率为agdef/abcdef。 ✓对于C一τ曲线,则和上述传质波的状态相对应,吸附饱和率为 agdcb/abcdef,剩余吸附能力分率为agdef/abcdef,吸附饱和率愈大, 表示床层的利用效率越大,透过曲线S形部分成垂直的直线时,传质阻力 最小,床层利用率最大。
度(c)梯度成正比(n扩散距离)。浓度梯度决定了过程的
推动力。
G D F t dc dn
✓ 式中D为扩散系数,负号表示扩散是向浓度低的方向进行。
✓ 扩散系数随扩散物质的性质而异,通常以实验方法测定, 从有关手册中也可查得。
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(4) 吸附动力学方程
1.3 吸附动力学及动态学
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(5)传质系数
1.3 吸附动力学及动态学
以扩散方式到达吸附剂表面的物质量由费克定律确定,该物质量应等 于按吸附动力学方程所求得的吸附质的量:
k(c y) D F dc dn
✓ 对于物理吸附,由于表面吸附的速度极快,几乎是瞬间完成,故吸附 对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是由 外扩散和内扩散所决定。
✓ 吸附传递过程由三部分组成,即外扩散、内扩散和表面吸 附。吸附过程的总速率取决于最慢阶段的速率。
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(3)扩散系数
1.3 吸附动力学及动态学
扩散过程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自发地产生。
➢ 按照费克定律,时间t内扩散穿过表面F的物质数量G与浓
1.3 吸附动力学及动态学
恒温固定床吸附柱的连续性方程
恒温低浓度单组份流体通过体颗粒填充的圆柱固定床层时,床层内流 动相的流速分布因颗粒大小的不同,吸附床层的膨胀变化,吸附时产生 的吸附热使床层温度改变,都会影响传质的机理和流速的分布。
为简便计,假设理想情况下为: ✓①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, 流动相在床层内占有恒定的容积分率。 ✓②流动相的流速分布在整个床层的横截面一定,溶质浓度分布曲线为 连续的曲线,不因填充的吸附剂颗粒的大小,影响其连续性。
✓ k1表示外扩散过程的传质系数,k2表示内扩散过程的传质系数,则总传
•质系数与外、内扩散系数有下列关系: 1 1 1 k k1 k2
➢ 传质系数与许多变量,如,吸附剂种类、被吸附的气体组成以及吸附 工况等性质有关。
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作业
1.3 吸附动力学及动态学
查文献、综述吸附过程扩散系数测定和计算方法。
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(6) 固定床吸附动力学
5)吸附等温线类型对浓度波的影响
1.3 吸附动力学及动态学
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(6) 固定床吸附动力学
1.3 吸附动力学及动态学
6) 浓度波的移动速度
假设:① 流体以活塞流通过床层,流经床层空隙的实际流速是常数u; ② 流体主体中溶质与吸附剂上的吸附质瞬时达到平衡; ③ 无轴向弥散;④ 等温操作。
实际上由于传质阻力存在,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c0的气体混合物通过吸附床时,首先是 在吸附床入口处形成s形曲线[图2—3(b)],此曲线便称为吸附前沿(或 传质前沿)。
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6.固定床吸附动力学
1.3 吸附动力学及动态学
4) 吸附饱和率
第一章 吸附及吸附过程 1.3 吸附动力学及动态学
1.1 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 吸附量。
1.2 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 及其测定。
1.3 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, 吸附传质区、吸附前沿。
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