化学反应工程实验1

实验一变压吸附

利用多孔固体物质的选择性吸附分离和净化气体或液体混合物的过程称为吸附分离。吸附过程得以实现的基础是固体表面过剩能的存在，这种过剩能可通过范德华力的作用吸引物质附着于固体表面，也可通过化学键合力的作用吸引物质附着于固体表面，前者称为物理吸附，后者称为化学吸附。一个完整的吸附分离过程通常是由吸附与解吸（脱附）循环操作构成，由于实现吸附和解吸操作的工程手段不同，过程分变压吸附和变温吸附，变压吸附是通过调节操作压力（加压吸附、减压解吸）完成吸附与解吸的操作循环，变温吸附则是通过调节温度（降温吸附，升温解吸）完成循环操作。变压吸附主要用于物理吸附过程，变温吸附主要用于化学吸附过程。本实验以空气为原料，以5A分子筛为吸附剂，通过变压吸附的方法分离空气中的氮气和氧气，达到提纯氧气的目的。

1 实验目的

（1）了解和掌握连续变压吸附过程的基本原理和流程；

（2）了解和掌握影响变压吸附效果的主要因素；

（3）了解和掌握5A分子筛变压吸附提纯氧气的基本原理；

2 实验原理

物质在吸附剂（固体）表面的吸附必须经过两个过程：一是通过分子扩散到达固体表面，二是通过范德华力或化学键合力的作用吸附于固体表面。因此，要利用吸附实现混合物的分离，被分离组分必须在分子扩散速率或表面吸附能力上存在明显差异。空气中的主要组份是氮和氧，因此可选择对氮和氧具有不同吸附选择性的吸附剂，设计适当的工艺过程，使氮和氧分离制得氧气。

氮和氧都具有四极矩，但氮的四极矩(四极矩用来描述核内正电荷分布与球对称之间的偏离状况)（0.31A）比氧的（0.10 A）大得多，因此氮气在沸石分子筛上的吸附能力比氧气强（氮与分子筛表面离子的作用力强）。因此，当空气在加压状态下通过装有沸石分子筛吸附剂的吸附床时，氮气被分子筛吸附，氧气因吸附较少，在气相中得到富集并流出吸附床，使氧气和氮气分离获得氧气。当分子筛吸附氮气至接近饱和后，停止通空气并降低吸附床的压力，分子筛吸附的氮气可以解吸出来，分子筛得到再生并重复利用。两个以上的吸附床轮流切换工作，便可连续生产出氧气。

众所周知，当气体与多孔和固体吸附剂（如活性炭类）接触，因固体表面分子与内部分子不同，具有剩余的表面自由力场或称表面引力场，因此使气相中的可被吸附的组分分子碰撞到固体表面后即被吸附。当吸附于固体表面分子数量逐渐增加，并将要被覆盖时，吸附剂表面的再吸附能力下降，即失去吸附能力，此时己达到吸附平衡。变压吸附是在较高压力进行吸附，在较低压力下使吸附的组分解吸出来。从图1吸附等温线可看出，吸附量与分压的关系，升压吸附量增加，而降压可使吸附分子解吸，但解吸不完全，故用抽空方法得到脱附解吸并使吸附

剂再生。

图1、变压吸附的吸附等温线

吸附－解吸的压力变换为反复循环过程，但解吸条件不同，可以有不同结果，可通过图2（a）、（b）得到解释。

当被处理的吸附混合物中有强吸附物和弱吸附物存在时，强吸附物被吸附，而弱吸附物被强吸附物取代而排出，在吸附床未达到吸附平衡时，弱吸附物可不断排出，并且被提纯。

1、常压解吸

（1）升压过程（A－B）

经解吸再生后的吸附床处于过程的最低压力P1，床层内杂质的吸留量为Q1（A点），在此条件下让其他塔的吸附出口气体进入该塔，使塔压升至吸附压力P3，此时床内杂质的吸留量Q1不变（B点）。

（2）吸附过程（B－C）

在恒定的吸附压力下原料气不断进入吸附床，同时输出产品组分，吸附床内杂质组分的吸留量逐步增加，当达到规定的吸留量Q3 时（C点），停止进入原料气，吸附终止，此时吸附床上部仍预留有一部分未吸附杂质的吸附剂。

（3）顺放过程（C－D）

沿着进入原料气输出产品的方向降低压力，流出的气体仍然是产品组分，这部分气体用于其他吸附床升压或冲洗。在此过程中，随床内压力不断下降，吸附剂上的杂质被不断解吸，解吸的杂质又继续被吸附床上部未充分吸附杂质的吸附剂吸附，因此杂质并未离开吸附床，床内杂质吸留量Q3不变。当吸附床降压到D点时，床内吸附剂全部被杂质占用，压力为P2。（4）逆放过程（D－E）

逆着进入原料气输出产品的方向降低压力，直到变压吸附过程的最低压力P1（通常接近大气压力），床内大部分吸留的杂质随气流排出器外，床内杂质吸留量为Q2。

（5）冲洗过程（E－A）

根据实验测定的吸附等温线，在压力P1下吸附床仍有一部分杂质吸留量，为使这部分杂质尽可能解吸，要求床内压力进一步降低。为此利用其他吸附床顺向降压过程排出的产品组分，下对床层进行逆向冲洗不断降低杂质分压使杂质解吸并随冲洗气带出吸附在过程最低压力P

1

时，再生结束。至此，吸附床。经一定程度冲洗后，床内杂质吸留量降低到过程的最低量Q

1

床完成了一个吸附解吸再生过程，准备再次升压进行下一个循环。

2、真空解吸

该过程见图2。

图2、变压吸附的基本过程

（1）升压过程（A－B）

经真空解吸再生后的吸附床处于过程的最低压力P0、床内杂质吸留量为Q1（A点），在此条件下用让其他塔的吸附出口气体进入该塔，使塔压升至吸附压力P3，床内杂质吸留量Q1不变（B点）。

（2）吸附过程（B－C）

在恒定的吸附压力下原料气不断进入吸附床，同时输出产品组分，吸附床内杂质组分的吸留量逐步增加，当达到规定的吸留量Q3时（C点）停止进入原料气，吸附终止，此时吸附床上部仍预留有一部分未吸附杂质的吸附剂。

（3）顺放过程（C－D）

沿着进入原料气输出产品的方向降低压力，流出的气体仍为产品组分，这部分气体用于其他吸附床升压或冲洗。在此过程中，随床内压力不断下降，吸附剂上的杂质被不断解吸，解吸的杂质又继续被吸附床上部未充分吸附杂质的吸附剂吸附，因此杂质并未离开吸附床，床内杂

质吸留量Q

3不变。当吸附床降压到D点时，床内吸附剂全部被杂质占用，压力为P

2

。

（4）逆放过程（D－E）

逆着进入原料气输出产品的方向降低压力，直到变压吸附过程的最低压力P

1

（通常接近大

气压力），床内大部分吸留的杂质随气流排出器外，床内杂质吸留量为Q

2

。

（5）抽空过程（E－A）

根据实验测定的吸附等温线，在压力P

1

下吸附床仍有一部分杂质吸留量，为使这部分杂质尽可能解吸，要求床内压力进一步降低。在此利用真空泵抽吸的方法降低床层压力，从而降

低了杂质分压使杂质解吸并随抽空气带出吸附床。抽吸一定时间后，床内压力为P

，杂质吸留

量降低到过程的最低量Q

1

时，再生结束。至此，吸附床完成了一个吸附－解吸再生过程，准备再次升压进行下一个循环。当被处理的吸附混合物中有强吸附和弱吸附质，而强吸附质被吸附是弱吸附质在加压条件下不被吸附而排出，利用这规律就可提纯弱吸附。而强吸附质达到吸附平衡后，可通过真空操作解吸出来，也提高了纯度。当多吸附床联合操作，并采用多自动阀门转换，即可一端出高浓度的弱吸附质，另一端出高纯度强吸附质。

三实验技术指标

1、最高使用压力：0.4Mpa；