[方案]9第三章第四节固定床吸附过程的计算
9第三章第四节固定床吸附过程地计算
第四节固定床吸附过程的计算固定床吸附器结构简单，但由于气体吸附过程是气—固传质，对任一时间或任一颗粒来说都是不稳定过程，因此固定床吸附器的吸附操作是非稳态的，计算过程非常复杂，一般要涉及到物料衡算方程、吸附等温线方程和传热速率方程及热量衡算。
而在气态污染物的吸附净化设计中，由于所涉及到的物系是低浓度的气态混合物，且气量一般比较大，吸附热相对较小，因此可近似地按等温过程处理，可不考虑传热速率方程和热量方程（升温脱附除外）。
这样在设计过程中可采用简化了的方法进行近似计算，计算时往往提出如下假设：（1）气相中吸附质浓度低；（2）吸附操作在等温下进行；（3）传质区通过整个床层时长度保持不变；（4）床层长度比传质区长度大得多。
这些简化限制条件对目前工业上应用的吸附器来说，一般是符合的。
设计中较常采用的是希洛夫近似计算法和透过曲线计算法。
计算过程一般是在吸附剂的选择、吸附设备的选择和吸附效率确定之后进行的。
设计计算的任务是求出吸附器的床层直径和高度，吸附剂的用量，吸附器的一次循环工作时间，床层压降等。
下面首先介绍固定床吸附器的吸附过程。
一、固定床吸附器的吸附过程在固定床吸附器的吸附操作中，一般是混合气体从床层的一端进入，净化了的气体从床层的另一端排出。
因此，首先吸附饱和的应是靠近进气口一端的吸附剂床层。
随着吸附的进行，整个床层会逐渐被吸附质饱和，床层末端流出污染物，此时吸附应该停止，完成了一个吸附过程。
为了描述吸附过程，提出了以下概念。
（一）吸附负荷曲线与透过曲线1. 吸附负荷曲线在实际操作中，对于一个固定床吸附器，气体以等速进入床层，气体中的吸附质就会按某种规律被吸附剂所吸附。
吸附一定时间后，吸附质在吸附剂上就会有一定的浓度，我们把这一定的浓度称为该时刻的吸附负荷。
如果把这一瞬间床层内不同截面上的吸附负荷对床层的长度（高度）作一条曲线，即得吸附负荷曲线。
也就是说，吸附负荷曲线是吸附床层内吸附质浓度x随床层长度z变化的曲线。
床类的吸附分离
一 固定床的吸附分离及计算
当吸附波继续移动出现出口处吸附剂达到饱和的情况时(f)， 此时表明床层中全部吸附剂均已饱和，与进料中吸附质的 浓度达到平衡状态，整个床层已完全失去吸附能力，所用 时间为тe。 床层内吸附负荷曲线表示了床层中吸附质浓度的分布情况， 可以直观地了解床层内的操作情况，这是重要的优点。可 是它虽然可通过实验测得，但毕竟非常麻烦，若是吸附剂 一小薄层一小薄层取出来分析吸附剂的吸附量，或者在实 验过程中从床层不同位置取样分析流体的浓度，不仅采样 困难，而且均会破坏床层的稳定或破坏流体的流速和浓度 分布。因此在评价固定床吸附剂的性能时，常采用吸附器 出口流出物中吸附质的浓度随时间变化的透过曲线。
床类的吸附分离
一，固定床吸附分离及计算 二，移动床吸附分离及计算
一 固定床的吸附分离及计算
1.固定床吸附器
它多为圆柱形立式设备，在内部支撑的格板和多孔板，放置 吸附剂成为固定吸附床层。当预处理的流体通过床层时， 吸附质被吸附在吸附剂上，其余流体由出口流出。
2.固定床吸附器的 优点：结构简单，造价低，吸附剂磨损少。 缺点：间歇操作，吸附和再生两过程必须周期性更换这样不 但需有备用设备，而且要较多的进出口阀门，操作十分麻 烦，为大型化，自动化带来困难。即使实现自动化，控制 的程序也是比较复杂的。 在吸附器内为了保证产品质量，床层要有一定的富余，需 要放置多余实际需要的吸附剂，使吸附剂耗用量增加。
理想吸附波形：吸附过程的吸附速率为无限大，也就是吸附 剂完全没有传质阻力时，则透过曲线将是一条树立的直线。
一 固定床的吸附分离及计算
实际情况下吸附阻力时存在的，吸附速率也就不可能无限大。 就形成了S形波曲线。 S曲线分析： 吸附传质阻力越大，吸附速率越低，传质区越大，S形波幅 越大，反之亦然。除了吸附过程的快慢外，流体通过床层 的流速，进料中溶质的浓度，吸附剂床层的高度都会对波 形产生影响；一般随床层高度的减少，吸附剂颗粒的增大， 流体通过床层流速的增大以及进料中吸附质初始浓度的征 稿，都会使破点出现的时间提前。
现代分离技术：第三节 固定床吸附分离
样会因取样点的存在而破坏流动状态）
若取固相中溶质的浓度，可在某一时间i 时停止进
料，然后沿轴向分层取出吸附剂，测定每一小薄层吸 附剂的吸附量。两种方法可得到同样形状的吸附负荷 曲线。
3. 透过曲线
吸附负荷曲线可以反映出固定床层内的 吸附情况，但床层内吸附质的浓度比较难测 定，工程上一般采用固定床层出口处流出物 中吸附质的浓度来表示吸附过程的进行情况。 所 绘 得 的 曲 线 称 为 透 过 曲 线 (breakthrough curve)。
1. 吸附剂的活性
吸附剂的活性
被吸附物质的重量 吸附剂的重量
100 %
或：
吸附剂的活性
被吸附物质的体积 吸附剂的体积
100 %
• 活性可细分为静活性和动活性。
• 静活性——在操作T、P下，与流体相中吸 附质初始浓度C0成平衡时的最大吸附量与吸附 剂量之比（或者说是在该操作条件下，吸附剂 达饱和时的活性)。
(3) 线性型
Za不变。
PVL mol sieve unit
第四节 其他吸附设备
一、移动床
1. 移动床吸附器的工作原理
整个吸附塔按不同物料的进出口位置, 分成四个作 用不同的区域
(1) ab段 (2) bc段 (3) cd段 (4) da段
A吸附区 B脱附区 A脱附区 D部分脱附区
2. 移动床吸附器
出每个时间i下的曲线，称为吸附负荷曲线。即在
不同时间、不同床层段吸附质的浓度变化曲线。
(2) 理想的吸附负荷曲线
流体以柱塞流进入床层，初始浓度C0，床层的吸附速 率=∞，或阻力=0，则吸附负荷曲线为一垂直于横轴的 直线。
C0
活性炭固定床吸附器的设计计算及选型
活性炭固定床吸附器的设计计算及选型一、活性炭固定床吸附器的设计计算及选型1.废气吸附净化设计中的假设条件固定床吸附器结构虽然简单，但由于气体吸附过程是气-固传质过程，对任一时间或任一颗粒来说，这个传质过程都是一个不稳定过程，因此固定床吸附器的吸附操作是非稳态的，计算过程非常复杂，一般要涉及物料衡算方程、吸附等温线方程、传热速率方程及热量衡算。
为了避开一些没有必要的烦琐计算，可根据废气净化系统的特点，提出一些合理的假设：①气相中吸附质浓度低。
②吸附操作在等温下进行。
③传质区通过整个床层时长度保持不变。
④床层长度比传质区长度大得多。
这些简化限制条件对目前工业上应用的吸附器来说，一般是符合的。
固定床吸附过程的设计计算一般包括：吸附剂及吸附设备的选择；吸附效率确定。
当以上任务完成后，才能进行以下参数的设计计算：吸附器的床层直径和高度；吸附剂的用量；吸附器的一次循环工作时间；床层压降等。
2.活性炭固定床吸附剂的选择活性炭吸附剂的选择应根据吸附剂的比表面积（或碘吸附值、四氯化碳值、丁烷工作容量）、废气的组分及处理要求，依据吸附剂的选择性、再生性、化学稳定性、机械强度、价格等因素，进行综合考虑。
2.1选择原则——工业上对常用吸附剂的要求①要有巨大的内表面积（有效表面）和孔隙率。
②选择性要强，对需要去除的气体组分有选择地吸附。
③吸附容量要大，与比表面积和孔隙率大小以及孔径分布的合理性、分子的极性以及吸附剂分子上官能团的性质有关。
④要有足够的机被强度、热稳定性和化学稳定性。
⑤颗粒度要适中而且均匀。
⑥易于再生和活化。
⑦原料来源广泛，制造简便，价廉易得。
2.2吸附剂的选择步骤吸附剂的性质直接影响吸附效率，因此，在吸附设计中必须根据吸附质的性质以及处理要求选择合适的吸附剂。
下面所介绍的是标准的选择程序，按照这个程序操作，可以比较精准地选择出所希望的吸附剂，但是过程比较烦琐。
因此，一般是根据实际经验选择。
在吸附设计中，选择吸附剂的标准程序如下：（1）初选根据吸附质的性质、浓度和净化要求以及吸附剂的来源等因素，初步选出几种吸附剂。
9第三章第四节固定床吸附过程的计算
第四节固定床吸附过程的计算固定床吸附器结构简单，但由于气体吸附过程是气—固传质，对任一时间或任一颗粒来说都是不稳定过程，因此固定床吸附器的吸附操作是非稳态的，计算过程非常复杂，一般要涉及到物料衡算方程、吸附等温线方程和传热速率方程及热量衡算。
而在气态污染物的吸附净化设计中，由于所涉及到的物系是低浓度的气态混合物，且气量一般比较大，吸附热相对较小，因此可近似地按等温过程处理，可不考虑传热速率方程和热量方程（升温脱附除外）。
这样在设计过程中可采用简化了的方法进行近似计算，计算时往往提出如下假设：（1）气相中吸附质浓度低；（2）吸附操作在等温下进行；（3）传质区通过整个床层时长度保持不变；（4）床层长度比传质区长度大得多。
这些简化限制条件对目前工业上应用的吸附器来说，一般是符合的。
设计中较常采用的是希洛夫近似计算法和透过曲线计算法。
计算过程一般是在吸附剂的选择、吸附设备的选择和吸附效率确定之后进行的。
设计计算的任务是求出吸附器的床层直径和高度，吸附剂的用量，吸附器的一次循环工作时间，床层压降等。
下面首先介绍固定床吸附器的吸附过程。
一、固定床吸附器的吸附过程在固定床吸附器的吸附操作中，一般是混合气体从床层的一端进入，净化了的气体从床层的另一端排出。
因此，首先吸附饱和的应是靠近进气口一端的吸附剂床层。
随着吸附的进行，整个床层会逐渐被吸附质饱和，床层末端流出污染物，此时吸附应该停止，完成了一个吸附过程。
为了描述吸附过程，提出了以下概念。
（一）吸附负荷曲线与透过曲线1. 吸附负荷曲线在实际操作中，对于一个固定床吸附器，气体以等速进入床层，气体中的吸附质就会按某种规律被吸附剂所吸附。
吸附一定时间后，吸附质在吸附剂上就会有一定的浓度，我们把这一定的浓度称为该时刻的吸附负荷。
如果把这一瞬间床层内不同截面上的吸附负荷对床层的长度（高度）作一条曲线，即得吸附负荷曲线。
也就是说，吸附负荷曲线是吸附床层内吸附质浓度x随床层长度z变化的曲线。
10第三章第五节移动床吸附过程的计算
第五节 移动床吸附过程的计算在移动床吸附器的吸附操作中，吸附剂固体和气体混合物均以恒定速度连续流动，它们在床层任一截面上的浓度都在不断地变化，和气液在吸收塔内的吸收相类似。
移动床吸附过程的计算主要是吸附器直径、吸附段高度和吸附剂用量的计算。
我们可以仿照吸收塔的计算来处理问题，同时由于我们所进行的是低浓度气态污染物的吸附处理，可以按照等温过程对待。
为了简化计算，只讨论一个组分的吸附过程。
一、移动床吸附器直径的计算移动床吸附器主体一般为园柱形设备，和吸收塔计算塔径的公式相同： (3-53) 式中 D ——设备直径，m ；V ——混合气体流量，m 3/h ；u ——空塔气速，m/s 。
与吸收计算一样，在吸附设计中，一般来说混合气体流量是已知的，计算塔径的关键是确定空塔气速u 。
一般移动床中的空塔气速都低于临界流化气速。
球形颗粒的移动吸附床临界流化气速可由下式求得： (3-54) 式中 u mf ——临界流化气速，m/s ；μV ——气体粘度，Pa ·s ；ρV ——气体密度，kg/m 3；d p ——固体颗粒平均直径，m ；R emf ——临界流化速度时的雷诺准数，由下式求得：式中 A T ——阿基米德准数，由下式求取：式中 ρs ——吸附剂颗粒密度，kg/m 3。
若吸附剂是由不同大小的颗粒组成，则其平均直径应按下式计算：式中 x i ——颗粒各筛分的质量分率，%；d pi ——颗粒各筛分的平均直径，m ； u V D π4=v p V emf mf d R u ρμ=5.022.51400T T emf A A R +=)(23v s v v p T g d A ρρμρ-=∑==n i pi i p d x d 11d 1、d 2——上下筛目尺寸，m 。
计算出临界流化气速后，再乘以0.6～0.8，即为空塔气速u ，再代入（3-35）式，求出塔径D 。
二、移动床吸附器吸附剂用量的计算（一）物料衡算与操作线方程与吸收操作相类似，只是以固体吸附剂代替液体吸收剂。
固定床吸附课程设计书
固定床吸附课程设计书一、教学目标本课程的教学目标是让学生掌握固定床吸附的基本原理、设计和应用。
具体包括：1.知识目标：学生能够理解吸附的基本概念、吸附等温线、吸附剂的选择等；2.技能目标：学生能够运用固定床吸附理论进行简单的设计和计算；3.情感态度价值观目标：培养学生对环境保护和资源再利用的重视，增强学生的创新意识和实践能力。
二、教学内容本课程的教学内容主要包括：1.吸附的基本原理：吸附剂的种类、吸附等温线、吸附动力学；2.固定床吸附设计：吸附剂的装填、吸附柱的设计、操作条件优化；3.固定床吸附应用：水处理、空气净化、化学品的分离与提纯。
三、教学方法本课程采用多种教学方法，包括：1.讲授法：讲解吸附的基本原理、吸附设计的方法和应用案例；2.讨论法：引导学生探讨吸附过程中的问题，培养学生的思考和解决问题的能力；3.案例分析法：分析实际应用案例，使学生更好地理解吸附技术的原理和应用；4.实验法：进行吸附实验，让学生亲身感受吸附过程，提高学生的实践能力。
四、教学资源本课程的教学资源包括：1.教材：《固定床吸附技术》；2.参考书：相关领域的学术论文、技术手册；3.多媒体资料：教学PPT、视频资料；4.实验设备：吸附柱、吸附剂、实验仪器等。
教学资源的选择和准备应根据教学内容和教学方法的需要进行，以确保教学的顺利进行和学生的学习效果。
五、教学评估本课程的评估方式包括以下几个方面：1.平时表现：包括课堂参与、提问回答、小组讨论等，占总评的30%；2.作业：包括课后习题、小论文等，占总评的20%；3.考试：包括期中考试和期末考试，占总评的50%。
评估方式要求客观、公正，能够全面反映学生的学习成果。
同时，教师应及时给予反馈，帮助学生提高。
六、教学安排本课程的教学安排如下：1.教学进度：按照教材的章节顺序进行，确保每个章节都有足够的教学时间；2.教学时间：每周两次课，每次课90分钟，共18周；3.教学地点：实验室和教室。
固定床吸附过程
固定床吸附过程《固定床吸附过程那些事儿》嘿，朋友们！今天咱来聊聊固定床吸附过程。
这可是个挺有意思的玩意儿呢！想象一下，有一个大罐子，里面装满了特别的小颗粒，就像一群小小的卫士在那排排站。
这些小颗粒可神奇了，它们能把一些我们不想要的东西给抓住。
比如说，空气里有一些难闻的气味呀，或者水里有一些杂质呀，这些小颗粒就能发挥大作用啦。
它们就像一个个小魔术贴，把那些不好的东西粘住，让干净的空气或者水通过。
在这个过程中啊，这些小颗粒就像勤劳的小蜜蜂，一刻不停地工作着。
它们可不会偷懒哦，一直坚守着自己的岗位。
而且呀，不同的小颗粒有不同的本领呢。
有的擅长抓这个，有的擅长抓那个。
就好像我们每个人都有自己的特长一样。
你知道吗，固定床吸附过程就像是一场无声的战斗。
那些污染物是敌人，小颗粒就是我们的勇士。
它们勇敢地冲上去，和敌人展开搏斗，把敌人一个一个地消灭掉。
有时候呢，这些小颗粒工作久了也会累呀。
就像我们工作了一天会疲惫一样。
这时候就得给它们来个“大休息”，让它们恢复一下体力，重新变得生龙活虎，继续为我们战斗。
还有哦，这个过程也不是随随便便就能进行的。
就像我们做事情要有计划一样，它也得好好安排。
比如说，要选择合适的小颗粒呀，要控制好温度呀、压力呀等等这些条件。
我记得有一次，我在一个工厂里看到了这个固定床吸附的装置，哇，那可真是个大家伙！工人们都很认真地在操作它，就像在照顾一个宝贝似的。
总的来说呢，固定床吸附过程是个很了不起的过程。
它能让我们的环境变得更干净、更美好。
它就像一个默默奉献的英雄，在我们看不见的地方守护着我们。
所以呀，我们要好好珍惜它，让它能一直为我们服务下去。
让我们一起为固定床吸附过程点赞吧！。
吸附计算
一、 尾气中苯蒸气的浓度为0.025kg/kg 干空气(Y 0)，欲在298K 、2atm 的条件下用硅胶吸附净化，固定床保护作用时间至少要90min ，设穿透点时苯的浓度为0.025kg/kg 干空气(Y B )，当固定床出口尾气中苯浓度达0.020kg/kg 干空气(Y E )时，即认为床层已耗竭，尾气通过床层的速度为1m/s(基于床的整个横截面积)，试决定所需的床高/已知硅胶的堆积密度为625kg/m 3，平均粒径D p =0.60cm 平均表面积a=600m 2/m 3，在上述操作条件下，吸附等温方程式为：Y *=0.167X 1.5式中Y *：kg 苯/kg 干空气，X ：kg 苯/kg 硅胶，假定气相传质单元高度H OG =51.0)DpG (a 42.1μG ：kg/m 2·S 解：据题意：Y o =0.025kg 苯/kg 干空气，Y B =0.0025kg 苯/kg 干空气，Y E =0.02kg 苯/kg 干空气由于G S (Y o -0)=L S (X T -0) ∴TOS S X Y G L = 又∵Y *=0.167X T 1.5 (等温线方程) ∴Y O =0.167 X T 1.5 求得X T =0.282kg 苯/kg 硅胶求操作线方程：O S Y L ==025.0=0.08865 ∴Y=0.08865X 计算下列表中X 和Y *第一栏：由Y 0到Y E 分成若干段，平均分配。
第二栏：由操作线方程计算出。
第三栏：由吸附等温线计算出。
第四栏：由第一栏和第三栏计算出。
第五栏：由第一栏和第四栏计算出，用数值积分，梯形(上底加下底乘高除二)，再加上上面栏的数据。
最后一个数据就是N OG (传质单元高度)，N OG ×H OG =W a ，H OG 可以由题意计算出来。
第六栏：由于8866.5Y Y dY Y Y dY Y Y dY W W W YY *Y Y *YY *aB B E B B ⎰⎰⎰-=--=-8866.5Y Y dYN EB Y Y *OG =-=⎰因此将第五栏的数据都除以5.8866得第六栏的数据 第七栏：Y 0=0.025 计算H OG ：∵Y 0=0.025kg 苯/kg 干空气，是质量比 计算其摩尔比，∴苯与干空气的摩尔比=03448.010205.329178025.04-⨯=空塔流速为1m/s ，将其化为标准态可得摩尔流速。
9第三章第四节固定床吸附过程的计算
第四节固定床吸附过程的计算固定床吸附器结构简单，但由于气体吸附过程是气—固传质，对任一时间或任一颗粒来说都是不稳定过程，因此固定床吸附器的吸附操作是非稳态的，计算过程非常复杂，一般要涉及到物料衡算方程、吸附等温线方程和传热速率方程及热量衡算。
而在气态污染物的吸附净化设计中，由于所涉及到的物系是低浓度的气态混合物，且气量一般比较大，吸附热相对较小，因此可近似地按等温过程处理，可不考虑传热速率方程和热量方程（升温脱附除外）。
这样在设计过程中可采用简化了的方法进行近似计算，计算时往往提出如下假设：（1）气相中吸附质浓度低；（2）吸附操作在等温下进行；（3）传质区通过整个床层时长度保持不变；（4）床层长度比传质区长度大得多。
这些简化限制条件对目前工业上应用的吸附器来说，一般是符合的。
设计中较常采用的是希洛夫近似计算法和透过曲线计算法。
计算过程一般是在吸附剂的选择、吸附设备的选择和吸附效率确定之后进行的。
设计计算的任务是求出吸附器的床层直径和高度，吸附剂的用量，吸附器的一次循环工作时间，床层压降等。
下面首先介绍固定床吸附器的吸附过程。
一、固定床吸附器的吸附过程在固定床吸附器的吸附操作中，一般是混合气体从床层的一端进入，净化了的气体从床层的另一端排出。
因此，首先吸附饱和的应是靠近进气口一端的吸附剂床层。
随着吸附的进行，整个床层会逐渐被吸附质饱和，床层末端流出污染物，此时吸附应该停止，完成了一个吸附过程。
为了描述吸附过程，提出了以下概念。
（一）吸附负荷曲线与透过曲线1. 吸附负荷曲线在实际操作中，对于一个固定床吸附器，气体以等速进入床层，气体中的吸附质就会按某种规律被吸附剂所吸附。
吸附一定时间后，吸附质在吸附剂上就会有一定的浓度，我们把这一定的浓度称为该时刻的吸附负荷。
如果把这一瞬间床层内不同截面上的吸附负荷对床层的长度（高度）作一条曲线，即得吸附负荷曲线。
也就是说，吸附负荷曲线是吸附床层内吸附质浓度x随床层长度z变化的曲线。
固定床吸附计算
GS K yaP
Y1 Y2
Y
dY Y
*
传质单元数 （图解积分法）
传质单元高度
移动床计算
例：用连续移动床逆流等温吸附过程净化含H2S的空气。吸附剂为分 子筛。空气中H2S的浓度为3％（重量），气相流速为6500kg/h，假 定操作在293K和1atm下进行，H2S的净化率要求为95％，试确定：
固定床吸附计算
同样条件下
K1v1 K2v2 const.
01 v1 02 v2 const.
d1
d2
定义－动力特性
B1 Kv
B2
0
d
v
固定床吸附计算
吸附床长度
➢ 假定条件 等温吸附 低浓度污染物的吸附 吸附等温线为第三种类型 吸附区长度为常数 吸附床的长度大于吸附区长度
空气＝6305 kg/h
Y2
9.75 6305
Y2
1.55
9.75
1630053
1.55
103
移动床计算
实验得到的平衡关系如右图
假定X2＝0，从图得（X1）最大＝0.1147
( LS
/
GS
)最小
0.03 0.1147
0.00155 0.0000
0.284
(LS / GS )实际 1.5(LS / GS )最小 1.5 0.284 0.372
固定床吸附计算
吸附床长度
L0
WA
L WE (1 f )WA
L0－吸附区长度 WA－穿透至耗竭的惰性气体通过量 WE－耗竭时的通过量 1-f－吸附区内的饱和度
吸附器的压力损失
1）图解计算
2）公式计算
Pg 3d p g D(1 )G '2
分离工程4-2 固定床吸附分离
一、固定床吸附流程
图9-9 固定床吸附干燥器流程图
• 优点：
– 结构简单 – 造价低 – 吸附剂磨损少
• 缺点：
– 间歇 – 需配有备用设备 – 总吸附剂用量很大
– 静止床层的传热性差，再生时要将床层加热 升温很不容易，而吸附时所产生的吸附热要 传出去也很不容易
二、吸附剂的活性、吸附负荷曲线与透 过曲线
3) 对相同吸附质，由于吸附剂不同，所得 的透过曲线亦不相同。（图9-18）
4) 随着吸附剂使用周期的增加，透过曲线 形状亦变异，到吸附剂已劣化，其透过 曲线逐渐延长。（图9-19）
三、吸附等温线对固定床传质区和吸附波 的影响
Z
u
C
1
1
f '(C)
一、移动床
1. 移动床吸附器的工作原理
整个吸附塔按不同物料的进出口位置, 分成四个作 用不同的区域
(1) ab段 (2) bc段 (3) cd段 (4) da段
A吸附区 B脱附区 A脱附区 D部分脱附区
2. 移动床吸附器
吸余液B+D
进料
A+B
吸取液
A+D
脱附剂
D
B+D
（进料A+B，A为主产物，脱附剂D）
3. 透过曲线
吸附负荷曲线可以反映出固定床层内的 吸附情况，但床层内吸附质的浓度比较难测 定，工程上一般采用固定床层出口处流出物 中吸附质的浓度来表示吸附过程的进行情况。 所 绘 得 的 曲 线 称 为 透 过 曲 线 (breakthrough curve)。
(1) 透过曲线的标绘
一般透过曲线是以流出物中吸附质的浓度 C为纵坐标，以时间（较多见）或流出物 的体积为横坐标标绘的。
吸附功计算公式
吸附功计算公式吸附功是一个在物理化学领域中比较重要的概念，特别是在研究表面现象和吸附过程时。
吸附功的计算公式能够帮助我们定量地了解和描述吸附过程中能量的变化。
咱先来说说吸附功到底是个啥。
想象一下，有一堆分子或者原子，它们就像一群调皮的孩子，想要跑到一个表面上去“玩耍”，这个过程就叫做吸附。
而吸附功呢，就是这些“孩子”在跑到表面上去“玩耍”时所需要的能量，或者说所付出的“代价”。
比如说，在一个实验室里，研究人员正在研究气体在固体表面的吸附。
他们把一种特定的气体通到一块经过精心处理的固体材料上，然后观察气体分子是怎么吸附在这个表面上的。
这时候，吸附功的计算就派上用场啦。
那吸附功的计算公式是咋来的呢？这就得从热力学的角度来考虑啦。
一般来说，吸附功可以通过以下这个公式来计算：$W = - \Delta G$ ，这里的$W$就是吸附功，$\Delta G$是自由能的变化。
自由能的变化又跟很多因素有关，比如说温度、压力、吸附质和吸附剂的性质等等。
这就好比你要做一道复杂的菜，需要考虑食材的种类、调料的用量、火候的大小，只有把这些都考虑周全了，才能做出美味的菜肴。
咱们再深入一点，比如说在研究活性炭对某种有机污染物的吸附时。
研究人员先测量了吸附前后溶液中污染物的浓度，然后根据一些实验数据和理论模型，来计算出自由能的变化，从而得到吸附功。
在这个过程中，每一个数据的测量都要非常精确，一点点的误差都可能导致最终结果的偏差。
我记得有一次，我和我的学生们一起做一个关于吸附的实验。
我们想要研究一种新型的纳米材料对某种气体的吸附性能。
实验一开始，大家都兴致勃勃，充满了期待。
我们小心地准备着实验器材，调试着各种仪器的参数。
当开始通入气体的时候，大家都紧紧地盯着仪器上的数据变化，眼睛都不敢眨一下。
可是，第一次实验的结果并不理想，计算出来的吸附功和预期的相差很大。
这可把大家急坏了，我们开始仔细地检查每一个步骤，是不是气体的纯度不够？是不是仪器的校准有问题？还是实验操作中有什么疏忽？经过一番排查，我们发现原来是在测量气体流量的时候出现了误差。
固定床吸附实验
折光率 nd25
含量 C (wt%)
备注 乙醇混合液：
比重1：
折光指数：
浓度 C1：
流出混合液： 质量： 体积： 折光指数：
浓度 C2：
C2 2
乙醇摩尔分率
0.000 0.031 0.059 0.112 0.158 0.240 0.278 0.306
表 2 乙醇—水溶液组成与折光率的关系
25℃的折光率
固定床吸附实验
一、实验目的
(1)通过本实验，使学生充分了解在固定床中液—固吸附的基本原理和实验 方法；
(2)掌握穿透曲线的绘制； (3)提高学生的实验操作技能，培养独立工作的能力。
二、基本原理
吸附是化工分离过程的单元操作之一，也是研究实验中分离气体混合物和液 体混合物的主要方法。吸附在工程上分为气—固吸附和液—固吸附两大类。本实 验是在装有活性炭的固定床吸附柱中吸附液体混合物中某一组分（乙醇），通过 测定不同时间下馏出物的浓度，从而可求出活性炭的吸附能力，并可绘出穿透曲 线。
六、数据处理
（1）接触时间的测定()
所谓的接触时间即液体混合物与吸附剂在吸附柱内的接触时间。亦即液体混
合物与炭层开始接触到离开所经过的时间。
（2）活性炭吸附能力的计算(W)
W
V(1C1 2C2 ) G
g 溶质/g 活性炭
V：流出液总体积
1、2：吸附前后液体混合物的密度 C1、C2：吸附前后液体混合物的浓度(wt%) G：吸附剂的量(g)
乙醇摩尔分率
1.3312
0.393
0.507
1.3465
0.607
1.3511
0.755
1.3559
0.870
1.3571
第三章第四节固定床吸附过程的计算
第四节固定床吸附过程的计算固定床吸附器结构简单，但由于气体吸附过程是气—固传质，对任一时间或任一颗粒来说都是不稳定过程，因此固定床吸附器的吸附操作是非稳态的，计算过程非常复杂，一般要涉及到物料衡算方程、吸附等温线方程和传热速率方程及热量衡算。
而在气态污染物的吸附净化设计中，由于所涉及到的物系是低浓度的气态混合物，且气量一般比较大，吸附热相对较小，因此可近似地按等温过程处理，可不考虑传热速率方程和热量方程（升温脱附除外）。
这样在设计过程中可采用简化了的方法进行近似计算，计算时往往提出如下假设：（1）气相中吸附质浓度低；（2）吸附操作在等温下进行；（3）传质区通过整个床层时长度保持不变；（4）床层长度比传质区长度大得多。
这些简化限制条件对目前工业上应用的吸附器来说，一般是符合的。
设计中较常采用的是希洛夫近似计算法和透过曲线计算法。
计算过程一般是在吸附剂的选择、吸附设备的选择和吸附效率确定之后进行的。
设计计算的任务是求出吸附器的床层直径和高度，吸附剂的用量，吸附器的一次循环工作时间，床层压降等。
下面首先介绍固定床吸附器的吸附过程。
一、固定床吸附器的吸附过程在固定床吸附器的吸附操作中，一般是混合气体从床层的一端进入，净化了的气体从床层的另一端排出。
因此，首先吸附饱和的应是靠近进气口一端的吸附剂床层。
随着吸附的进行，整个床层会逐渐被吸附质饱和，床层末端流出污染物，此时吸附应该停止，完成了一个吸附过程。
为了描述吸附过程，提出了以下概念。
（一）吸附负荷曲线与透过曲线1. 吸附负荷曲线在实际操作中，对于一个固定床吸附器，气体以等速进入床层，气体中的吸附质就会按某种规律被吸附剂所吸附。
吸附一定时间后，吸附质在吸附剂上就会有一定的浓度，我们把这一定的浓度称为该时刻的吸附负荷。
如果把这一瞬间床层内不同截面上的吸附负荷对床层的长度（高度）作一条曲线，即得吸附负荷曲线。
也就是说，吸附负荷曲线是吸附床层内吸附质浓度x随床层长度z变化的曲线。
固定床吸附实验
折光率 nd25
含量 C (wt%)
备注 乙醇混合液：
比重1：
折光指数：
浓度 C1：
流出混合液： 质量： 体积： 折光指数：
浓度 C2：
C2 2
乙醇摩尔分率
0.000 0.031 0.059 0.112 0.158 0.240 0.278 0.306
表 2 乙醇—水溶液组成与折光率的关系
25℃的折光率
六、数据处理
（1）接触时间的测定()
所谓的接触时间即液体混合物与吸附剂在吸附柱内的接触时间。亦即液体混
合物与炭层开始接触到离开所经过的时间。
（2）活性炭吸附能力的计算(W)
W
V(1C1 2C2 ) G
g 溶质/g 活性炭
V：流出液总体积
1、2：吸附前后液体混合物的密度 C1、C2：吸附前后液体混合物的浓度(wt%) G：吸附剂的量(g)
三、实验装置
1．混合液高位槽 2．进料阀 3．玻璃吸附柱 4．活性炭 5．取样阀
图 1 固定床吸附实验装置
四、实验药品
乙醇、蒸馏水、活性炭
五、实验步骤
（1）配制乙醇水溶液（乙醇：水=4：6 体积比），用比重计测比重，用阿 贝折光仪测折光指数，查图，得到混合液浓度。
（2）量取 300ml 乙醇水溶液倒入高位槽中。 （3）用天平称取活性炭 100 克，装入吸附柱中，把吸附柱固定在铁架上， 调垂直。 （4）开启进料阀 2，控制一定的流量(1 滴/秒左右)，同时开始计时。 （5）当吸附柱出口有流出液时，以上时间即为液体混合物与活性炭的接触 时间，同时开始取流出液分析组成。 （6）每隔 2 分钟取样分析一次，直至流出液的组成基本接近为止（即吸附 饱和），关闭阀门 2。 （7）收集所有流出液，测折光指数（组成）、质量和体积，做好记录，实 验老师签字后，方可离开。
吸附床 吸附过程穿透曲线 计算公式
吸附床吸附过程穿透曲线计算公式
吸附穿透曲线描述的是吸附剂对某种或多种吸附质的吸附量随时间的变化关系。
通常，穿透曲线可以分为三个阶段：
1.穿透阶段：在吸附剂开始接触吸附质时，吸附剂迅速吸附大量的
吸附质。
这一阶段的吸附量与时间成正比。
2.平衡阶段：在穿透阶段之后，吸附剂表面已经接近饱和，吸附速
度逐渐降低，达到一个相对稳定的平衡状态。
3.解吸阶段：当吸附剂表面已经完全被吸附质覆盖时，解吸过程开
始，吸附质从吸附剂表面释放出来。
在穿透曲线的绘制过程中，横坐标通常是时间，纵坐标通常是吸附量或者穿透浓度。
至于吸附穿透曲线的计算公式，可以根据具体的实验条件和吸附动力学模型来推导。
通常，这种公式会包含一些参数，如吸附剂的表面积、孔容、吸附质的扩散系数、吸附剂和吸附质的相互作用能等。
这些参数需要通过实验测定或者根据物质性质进行估算。
在理论研究中，常常会使用一些经验模型来描述吸附穿透曲线，如Langmuir模型、Freundlich模型等。
这些模型能够通过拟合实验数据来预测吸附行为，但并不能给出具体的计算公式。
因此，针对具体的吸附过程和实验条件，可能需要结合理论模型和实验数据来进行综合分析，以得出更准确的结论。
床类的吸附分离
一 固定床的吸附分离及计算
从上图看出随着吸附剂使用周期的增加，其透过曲线斜率逐渐变小，吸 附剂性能逐渐变坏。斜率小到一定程度要考虑换新的催化剂了。
一 固定床的吸附分离及计算
由上面讲的可以看出：透过曲线能清楚地反映出吸附床层的 变化，我们可以用它来鉴别吸附剂的性能及床层操作的优 劣。
一 固定床的吸附分离及计算
B透过曲线及其影响因素
定义：以操作时间为横坐标，以吸附器出口流出物中吸附质 浓度为纵坐标，所绘制的流出物中吸附质浓度随时间变化 的曲线称为透过曲线（上图中的g~l）。设物料中吸附质 的浓度为Ye，与床层吸附剂原有浓度X0成平衡的浓度为 Y0。从开始时间т0直到到达破点时间тb之间出口流出物 中吸附质的浓度始终是Y0， Тb以后浓度开始上升直到浓 度突然开始上升到Ye，也就是说，床中所有吸附剂已达 到饱和，流出物浓度将一直保持在Ye，在（l）图中也可 以看到一个S形曲线。
理想吸附波形：吸附过程的吸附速率为无限大，也就是吸附 剂完全没有传质阻力时，则透过曲线将是一条树立的直线。
一 固定床的吸附分离及计算
实际情况下吸附阻力时存在的，吸附速率也就不可能无限大。 就形成了S形波曲线。
S曲线分析：
吸附传质阻力越大，吸附速率越低，传质区越大，S形波幅 越大，反之亦然。除了吸附过程的快慢外，流体通过床层 的流速，进料中溶质的浓度，吸附剂床层的高度都会对波 形产生影响；一般随床层高度的减少，吸附剂颗粒的增大， 流体通过床层流速的增大以及进料中吸附质初始浓度的征 稿，都会使破点出现的时间提前。
4.吸附等温线对吸附波的影响
吸附波的宽度即传质区的大小。传质区越短表示床层操作状 况越好，吸附剂的性能越好。传质区（吸附区）的大小， 波形式固定床操作好坏的重要标志。
固定床吸附装置的工艺流程
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在进行固定床吸附装置的施工之前，需要进行充分的准备工作。
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[方案]9第三章第四节固定床吸附过程的计算第四节固定床吸附过程的计算固定床吸附器结构简单，但由于气体吸附过程是气—固传质，对任一时间或任一颗粒来说都是不稳定过程，因此固定床吸附器的吸附操作是非稳态的，计算过程非常复杂，一般要涉及到物料衡算方程、吸附等温线方程和传热速率方程及热量衡算。
而在气态污染物的吸附净化设计中，由于所涉及到的物系是低浓度的气态混合物，且气量一般比较大，吸附热相对较小，因此可近似地按等温过程处理，可不考虑传热速率方程和热量方程(升温脱附除外)。
这样在设计过程中可采用简化了的方法进行近似计算，计算时往往提出如下假设:(1)气相中吸附质浓度低;(2)吸附操作在等温下进行;(3)传质区通过整个床层时长度保持不变;(4)床层长度比传质区长度大得多。
这些简化限制条件对目前工业上应用的吸附器来说，一般是符合的。
设计中较常采用的是希洛夫近似计算法和透过曲线计算法。
计算过程一般是在吸附剂的选择、吸附设备的选择和吸附效率确定之后进行的。
设计计算的任务是求出吸附器的床层直径和高度，吸附剂的用量，吸附器的一次循环工作时间，床层压降等。
下面首先介绍固定床吸附器的吸附过程。
一、固定床吸附器的吸附过程在固定床吸附器的吸附操作中，一般是混合气体从床层的一端进入，净化了的气体从床层的另一端排出。
因此，首先吸附饱和的应是靠近进气口一端的吸附剂床层。
随着吸附的进行，整个床层会逐渐被吸附质饱和，床层末端流出污染物，此时吸附应该停止，完成了一个吸附过程。
为了描述吸附过程，提出了以下概念。
(一)吸附负荷曲线与透过曲线1. 吸附负荷曲线在实际操作中，对于一个固定床吸附器，气体以等速进入床层，气体中的吸附质就会按某种规律被吸附剂所吸附。
吸附一定时间后，吸附质在吸附剂上就会有一定的浓度，我们把这一定的浓度称为该时刻的吸附负荷。
如果把这一瞬间床层内不同截面上的吸附负荷对床层的长度(高度)作一条曲线，即得吸附负荷曲线。
也就是说，吸附负荷曲线是吸附床层内吸附质浓度x随床层长度z变化的曲线。
在理想状态下，若床层完全没有阻力，吸附会在瞬间达到平衡，即吸附速率无穷大，则在床层内所有断面上的吸附负荷均为一个相同的值，吸附负荷曲线将是一个直角形的折线，如图3-12所示。
但实际上是不可能的，在实际操作中由于床层中存在着阻力，在某一瞬间床层内各个截面上的吸附负荷会有差异，我们这时所绘制的曲线将是图3-13所示的吸附负荷曲线。
图中把曲线分成了三个区域:饱和区(所有吸附剂已经达到了饱和)、传质区(有一部分吸附剂还正在吸附)和未用区(所有吸附剂上均未有吸附质)。
如果经过一段时间的吸附，绘制另一时刻的吸附负荷曲线时，会发现曲线前进到了II线的位置，所以我们又形象地把吸附负荷曲线称为吸附波或吸附前沿。
当吸附波的下端到达床层未端时，说明已有吸附质漏出，这时床层被穿透，当床层被穿透的这个时刻，称为破点。
此时流出气体中吸附质的浓度称为破点浓度。
在实际工作中，由于吸附剂中吸附质的浓度(即吸附负荷)不易测定，故目前许多场合，曲线的纵坐标都以床层中混合气体的浓度c来表示。
因此，吸附负荷曲线又可定义为在稳定吸附状态下，床层中气相中吸附质的浓度随床层高度(长度)变化的曲线。
由于床层的阻力不同，吸附负荷曲线会有不同的形状。
床层阻力愈大，某一时刻床层内各截面上浓度差别越大，吸附负荷曲线也就变得越平缓，这当然是我们不希望出现的情况。
2. 透过曲线吸附负荷曲线表达了床层中浓度分布的情况，可直观地了解床层内操作的状况。
但要从床层中各部位采出吸附剂样品进行分析是相当困难的，这样易破坏床层的稳定。
因此通常改用在一定的时间间隔内。
分析床层流出物中吸附质浓度的变化，以流出物中吸附质浓度y为纵坐标。
时间τ为横坐标，则随时间的推移可画出一条τ-y曲线。
如图3-14所示，开始时流出物中吸附质浓度为y，它是与吸附剂中的x浓度相平衡的(x为破点时床层出口端的吸附负荷)。
BBB 流出物中吸附质浓度开始上升，到τ时升到y,即接近床层进口浓度，这时床EE层已完全没有吸附能力，吸附波的末端也离开床层了。
于是在τ-y图上，从τ到τ呈现一个S型曲线，这条曲线称“透过曲线”。
它的形状与吸附负荷BE曲线是完全相似的，只是方向相反。
由于它与吸附负荷曲线成镜面对称相似，所以也称吸附负荷曲线为“吸附波”或“传质前沿”。
由于透过曲线易于测定和标绘出来，因此也用它来反映床层内吸附负荷曲线的形状，而且也能准确地求出破点。
如果透过曲线比较陡，说明吸附过程比较快，反之则速度较慢。
如果透过曲线是一条竖直的直线，则说明吸附过程是飞快的，是理想的吸附波。
(二)保护作用时间保护作用时间是固定床吸附器的有效工作时间。
它定义为从吸附操作开始到床层被穿透所经历的时间称为保护作用时间，如图3-14所示的由τ到τ0B所经历的时间，到达τ时，床层内吸附剂还没有完全饱和。
图中的y>0，是BB根据排放标准规定出的一个值。
图3-14还出现一个点，即τ，时间到达τ时，吸附波整个移出床层，EE 说明床层内的吸附剂已完全饱和，完全失去了吸附能力，这一点称为耗竭点或称干点，到达干点时，床层内流出的气体中，吸附质浓度基本回复到进口浓度。
在实际操作中，一旦达到了破点，就应停止操作，切换到另一吸附床，穿透了的吸附床转入脱附再生。
(三)传质区高度把一个吸附波所占据的床层高度称为传质区高度，用Za表示。
从理论上讲，传质区高度应是流出气体中溶质浓度从0变到y这个区间内吸附波在Z0 轴上占据的长度，但实际上再生后的吸附剂中还残留一定量的吸附质(一般为初始浓度y的5%,10%)，而吸附剂完全达到饱和的时间又太长，所以一般0 把由破点时间τ对应的气体浓度y到干点时间τ对应的气体浓度y这段时BBEE间内吸附波在Z轴上所占据的长度称为传质区高度。
为了使吸附操作比较可靠，就必须使床层有足够的长度，起码要包含一个稳定的传质区。
而形成一个稳定的传质区需要一定时间。
如果吸附器床层长度比传质区长度还短，那就不能出现一个稳定的传质区，操作不稳定，出现破点的时间会比计算的来得快，为避免此点，吸附器床层长度一定要比传质区长度长。
例如实验室内所用吸附柱高度就规定应至少是传质区长度的两倍，而吸附柱直径最少应是最大吸附剂颗粒直径的10倍。
(四)传质区吸附饱和率(度)和剩余饱和能力分率这两个概念可用下式表示:Za内吸附剂实际的吸附量吸附饱和率，度，, Za内吸附剂达饱和时的吸附量Za内吸附剂仍具有吸附能力剩余饱和吸附能力分率, Za内吸附剂达到饱和时的吸附能力这也是量度固定吸附床操作性能的两个指标，吸附饱和率越大，剩余饱和吸附能力分率越小，说明吸附床的操作性能越好。
二、希洛夫近似计算法(一)希洛夫公式在理想状态下，在理想保护作用时间τˊ内通过吸附床的吸附质将全部被B 吸附，即通过床层的吸附质的量一定等于床层内所吸附的量，即:/G,Ac,ZA,xSBoBT(3-19) 2式中 G——气体通过床层的速率，kg/(m?s); S2 A——吸附床层截面积，m;x——吸附剂的静活性(平衡吸附量)，kg/kg; Tτˊ——理想保护作用时间，min; B3 c——气体中污染物初始浓度，kg/m;03 ρ——吸附剂堆积密度，kg/m; BZ——床层长度，m。
由上式可得:,x/BT,Z, (3-20)BGcS0对于一定的吸附系统和操作条件，ρ、x、G、co均已确定，因此可令BTs,xBT (3-21),KGcS0则(3-21)式可变成:τ ˊ=KZ (3-22)B但对一个实际的操作过程，由于床层存在阻力，因此实际上的保护作用时间τ要比理想保护作用时间τˊ短，我们把被缩短的这段时间称为保护作用BB 时间损失，用τ来表示。
阻力越大，τ越大。
三个时间的关系可表示如下:oo τ=τˊ—τ (3-23)BBo将(3-22)式代入上式，即得:(3-24),,KZ,,,K(Z,Z)B00(3-24)式即为具有实用价值的希洛夫公式，Z可以称为床层长度损失。
oτ和Z均可由实验求得。
oo(二)利用希洛夫公式的简化计算在吸附净化的设计中，常利用希洛夫公式进行简化计算。
简化计算还是以实验作基础，利用希洛夫公式求出K与τ，再根据生产要求的操作周期求出o 吸附床层长度，并根据气速，求出所需床层半径或截面积。
具体步骤简述如下:1. 选择吸附剂，确定操作条件，包括温度、压力和流速。
固定吸附床的气体流速一般掌握在0.2,0.6m/s之间;2. 规定出合适的破点浓度;3. 在一定气速u下，测不同床层长度Z的保护作用时间τ，作出τ-ZBB直线，求出K和τ; 04. 定出操作周期τ，化为min; B5. 将K、τ、τ代入希洛夫公式，求出Z，若Z过长可以分层。
0B6. 用下式计算床层直径:V4D (3-25),,u7、求吸附剂用量W:(3-26)W,AZ,B3式中ρ——吸附剂堆积密度，kg/m。
B为避免装填损失，可多取10%装填量。
[例3-1] 用活性炭固定床吸附器吸附净化废气。
常温常压下废气流量为331000m/h，废气中四氯化碳初始浓度为2000mg/m，选定空床气速为20m/min。
3活性炭平均粒径为3mm，堆积密度为450kg/m，操作周期为40小时。
在上述条件下，进行动态吸附实验取得如下数据:床层高度Z/m 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35透过时间τ/min 109 231 310 462 550 650B请计算固定床吸附器的直径、高度和吸附剂用量。
解:以Z为横坐标，τ为纵坐标将上述实验数据描绘在坐标图上得一直B 线(例3-1附图)。
依据图，求出直线的斜率即为K，截距即为-τ，得0K=2143(min/m)τ=95(min)0将K、τ、τ代入希洛夫公式得: 0B，,,40，60，95B0 Z,,,1.164(m)K2143取Z=1.20m。
采用立式园柱床进行吸附，计算出吸附床直径:4V4，1000 D,,,1.03(m),,u，20，60可取D=1m。
所需吸附剂量, 2W,AZ,1.2，，1，450,423.9(kg),B4考虑装填损失，所需吸附剂量W为:423.9×1.1=466kg三、透过曲线计算法透过曲线计算方法与希洛夫近似计算法相比要复杂一些，但还是要假定吸附体系是一个很简单的恒温体系，混合气体中只有一种可被吸附的吸附质，该体系得到的仅有一个吸附波或传质区。
此时固定床吸附器计算的主要内容为传质区高度Za,保护作用时间τ和全床饱和度S。
B(一)传质区高度的确定图3-15为一理想透过曲线。
气体的初始浓度为y(kg溶质/kg无溶质气体)，02气体流过床层的质量流速为G(kg/m ?h)，经过一段时间后流出物总量为Ws3(kg无溶质气体/m)。
透过曲线是比较陡的，流出物中溶质的浓度从基本上为零迅速上升到进口浓度。