变压吸附
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MTZ-传质区
LS： LF：
LS到LF之间的床层是传质区（MTZ）
六、固定床吸附
在t2到tb时间段内，S形曲线沿床层移动。在tb时刻，传质区 的断点到达床底，这一点即为突破点。突破点浓度取作能检 测到的最小吸附质浓度或出口流体中允许的最大吸附质浓度。 如图是出口与进口流体中吸附质浓度之比随时间的变化曲线。 图中的S形曲线称为透过曲线。在tb之前，出口流体中吸附质 浓度小于某个最大允许值，如cout＜0.05cF。在tb时达到允 许值，如果继续吸附操作（t＞tb），出口流体中吸附质浓度 将迅速增大，当出口流体中吸附质浓度接近进料浓度时（cout =0.95cF），认为床层饱和，对应的时间为te。
二、吸附类型
物理吸附与化学吸附的比较
理化指标 吸附作用力 吸附热 选择性 吸附层 吸附速率 可逆性 物理吸附 范德华力 接近于液化热 低 单或多分子层 快，活化能小 可逆 化学吸附 化学键 接近于化学反应热 高 单分子层 慢，活化能大 不可逆
三、沸石分子筛
吸附剂的选择
（1）较高的选择性以达到一定的分离要求；
四、吸附平衡
目前尚没有成熟的理论来估计流体－固体之间的吸附 平衡关系。 需要对特定的物系实验测定一定温度下的吸附平衡数 据，并绘制成吸附剂上吸附质的吸附量与流体中吸附质浓 度或分压的关系曲线，这种曲线称为吸附等温线。 在等压情况下，表示吸附量和温度的关系曲线称为吸 附等压线； 在等吸附容量情况下，表示温度和压力的关系曲线称 为吸附等容线。
三、沸石分子筛
吸附剂按其化学结构可以分为有机吸附剂和无机吸附剂。
常用的有机吸附剂：活性炭、碳化树脂、聚酰胺、大孔树脂 等。
常用的无机吸附剂：硅胶、氯化铝、硅藻土、分子筛等。
3A沸石分子筛
1Å=0.1nm
三、沸石分子筛
沸石分子筛是结晶铝硅酸金属盐的水合物，由硅氧四 面体或铝氧四面体通过氧桥键相连而形成分子尺寸大小 （通常为0.3~2 nm）的孔道和空腔体系。其化学通式为： Mx/m[(AlO2)x· (SiO2)y]· zH2O。 M——阳离子，保持晶体的电中性 M——表示其价态数 z——水合数 x、y——整数 沸石分子筛活化后，水分子被除去，余下的原子形成 笼形结构，孔径为3～10Å。分子筛晶体中有许多一定大小 的空穴，空穴之间有许多同直径的孔（也称“窗口”）相 连。由于分子筛能将比其孔径小的分子吸附到空穴内部， 而把比孔径大的分子排斥在其空穴外，起到筛分分子的作 用，故得名分子筛。
进料 出料
溶质浓度，c 饱和 吸附剂
t时刻浓度前沿
新鲜 吸附剂
吸附剂前沿 正在进行吸附的所在
L 床层长度，Z 理想固定床吸附器中的浓度分布
0
LB
六、固定床吸附
对于实际的固定床吸附器，内外扩散阻力往往不可忽 略。轴向扩散也可能很严重，特别是当床层较浅，流速较 低的时候。这些因素将导致浓度前沿（吸附前沿）变宽， 如图所示。
变压吸附
CONTENS CONTENTS
1吸附过程 2吸附类型 3沸石分子筛 4吸附平衡 5吸附机理 6固定床吸附 7变压吸附（PSA）
一、吸附过程
吸附是指流体（气体或液体）与固体多孔物质接触 时，流体中的一种或多种组分传递到多孔物质外表面和 微孔内表面并附着在这些表面上形成单分子层或多分子 层的过程。 由于吸附质和吸附剂的物理化学性质不同，吸附剂 对不同吸附质的吸附能力也不同，即吸附选择性不同， 从而实现物质的分离。 被吸附的流体称为吸附质 多孔固体颗粒称为吸附剂
四、吸附平衡
一定条件下，流体（气体或液体）与吸附剂接触，流 体中的吸附质被吸附剂吸附，经足够长时间后，吸附质在 两相中的含量不再改变，即吸附质在流体和吸附剂上的分 配达到一种动态平衡，称为吸附平衡。 吸附平衡的常用表示方法有两种： （1）吸附质在流体中的浓度（液体或分压（气体） （2）吸附剂上吸附的吸附质的量 g（/mol）吸附质／g（/㎡）吸附剂
五、吸附机理
吸附质在吸附剂多孔表面上被吸附的过程分为下列四步： 1)吸附质从流体主体通过分子与对流扩散穿过薄膜或 边界层传递到吸附剂的外表面，称之为外扩散过程； 2)吸附质通过孔扩散从吸附剂的外表面传递到微孔结 构的内表面，称为内扩散过程； 3)吸附质沿孔表面的表面扩散；
4)吸附质被吸附在孔表面上。
四、吸附平衡
假设 • 表面处处均一 (所有吸附位点在能量上完全相同)
• 单分子层吸附 (没有多层吸附)
• 被吸附到吸附剂上的分子之间没有相互作用 Langmuir吸附等温方程适用于描述Ⅰ型吸附等温线。尽管与 Langmuir方程完全吻合的物系相当少，但有大量的物系近似符 合。其被公认为定性或半定量研究变压吸附系统的基础。
3A
七、变压吸附（PSA）
变压吸附是以压力为热力学参数，在等温条件下借吸附量 随压力的变化特性而实现的吸附分离过程。
A
B
变压吸附操作原理
七、变压吸附（PSA）
最简单的变压吸附是在两个并联的固定床中实现的，如图 所示，与变温吸附不同，它不用加热变温方式，而是靠消 耗机械功提高压力或造成真空完成吸附分离循环。一个吸 附床在某压力下吸附，而另一个吸附床在较低压力下解吸。
1.0
cout/cF
透过曲线
突破点 0 tb 透过曲线 te
六、固定床吸附
透过曲线的斜率决定了吸附剂床层的可利用程度。因此， 曲线的形状对于确定床层长度非常重要。透过曲线越宽， 相应浓度曲线上的传质区越宽，可被利用的床层容量越 小。 透过曲线越窄→传质区越窄→可被利用的床层容量越大， 吸附剂性能越好
固定床内流体中溶质的吸附是非稳态传质过程，在此过程 中，床内吸附质的浓度分布随时间和沿床层位置不断变化， 流出物浓度也随时间而变化。 传质区、透过曲线
六、固定床吸附
理想的固定床吸附： 1外扩散和内扩散阻力很小； 2流体流动呈活塞流（即平推流，L/D较大） ； 3轴向扩散可忽略； 4初始吸附剂不含吸附质； 5吸附等温线开始于零点，且吸附平衡瞬时达到。
三、沸石分子筛
沸石的初级结构单元PBU
硅氧四面体和铝氧四面体相互联结时遵守如下规则： (a)四面体中的每个氧原子都是共用的
(b) 相邻的两个四面体之间只能共用一个氧原子
(c) 两个铝氧四面体不直接相联
三、沸石分子筛
沸石的次级结构单元 SBU
三、沸石分子筛
笼：三维空间的多面体，是构成沸石分子筛的主要结构单
三、沸石分子筛
（a）A 型
（b）X 型
两种常用沸石分子筛的结构
三、沸石分子筛
沸石分子筛的吸附作用有两个特点：（1）表面上的 路易斯中心极性很强；（ 2 ）沸石中的笼或通道的尺寸很 小，使得其中的引力场很强。 因此，其对吸附质分子的吸附能力远超过其他类型的 吸附剂。即使吸附质的分压（或浓度）很低，吸附量仍很 可观。沸石分子筛的吸附分离效果不仅与吸附质分子的尺 寸和形状有关，而且还与其极性有关，因此，沸石分子筛 也可用于尺寸相近的物质的分离。
四、吸附平衡
Brunauer的五种类型的纯气体物理吸附等温线
四、吸附平衡
Langumir吸附等温方程
文献中用的公式：
IP2 T IP e Pyi * 1 qi 1 IP3e IP4 T Pyi
IP1 5.90 105 mol kg 1 kPa 1 IP2 6636.6 K IP3 6.081 106 kPa 1 IP4 6622.5 K
七、变压吸附（PSA）
七、变压吸附（PSA）
充压 吸附 放压 吹扫
示例 实验 模拟 实验数据
模拟数据
10
谢谢！
进料
1
排气
2 冲洗
产品 变压吸附循环示意图
七、变压吸附（PSA）
Skarstrom循环 具有两个固定床的变压吸附循环如图所示，称为Skarstrom 循环。每个床在两个等时间间隔的半循环中交替操作：1充 压后吸附；2放压后吹扫。实际上分4步进行。
原料气用于充压，流出产品气的一部分用于吹扫。图中1床 进行吸附，离开1床的部分气体返至2床吹扫用，吹扫方向和 吸附方向相反。
吸附达到平衡时 吸附剂内的流体称为吸附相 剩余的流体本体相称为吸余相。
一、吸附过程
吸附质
吸附
吸附剂
脱附
二、吸附类型
根据吸附质和吸附剂表面之间相互作用力的不同，吸 附可分为
物理吸附（范德华吸附）
化学吸附（活化吸附）
一般而言，较低温度下有利于物理吸附，较高温度 （有时可超过200℃）下有利于化学吸附。
（2）较大的吸附容量以减小用量； （3）较好的动力学及传递性质以实现快速吸附； （4）较高的化学及热稳定性，不溶或极难溶于待处理流体以保证吸 附剂的数量和性质； （5）较高的硬度及机械强度以减小磨损和侵蚀； （6）较好的流动性以便于装卸；
（7）较高的抗污染能力以延长使用寿命；
（8）较好的惰性以避免发生不期望的化学反应； （9）易再生； （10）价格便宜。
元。
三、沸石分子筛
表1 几种沸石分子筛的性质
型号 3A 4A 5A 10X 13X Y 丝光沸石 阳离子 K+ Na+ Ca2+ Ca2+ Na+ Na+ Na+ 分子式 K12[(AlO2)12(SiO2)12] Na12[(AlO2)12(SiO2)12] Ca5Na2[(AlO2)12(SiO2)12] Ca43Na2[(AlO2)86(SiO2)106] Na86[(AlO2)86(SiO2)86] Na2[(AlO2)2(SiO2)5] Na2[(AlO2)2(SiO2)10] 孔径/ Å 2.9 3.8 4.4 8.0 8.4 9.5 5.0
化学吸附：4→控制步骤 物理吸附：4→瞬间完成，吸附速率受前三步控制，统称 扩散控制。 内扩散控制 多数情况 外扩散控制
五、吸附机理
吸附机理图
五、吸附机理
吸附
源自文库
解吸
多孔吸附剂中流体的浓度分布和温度分布
六、固定床吸附
常用的吸附分离设备有：吸附搅拌槽、固定床吸附器、移 动床、流化床。 固定床吸附器是填装颗粒状吸附剂的塔式设备，操作循环 由吸附和解吸两个阶段组成。
LS： LF：
LS到LF之间的床层是传质区（MTZ）
六、固定床吸附
在t2到tb时间段内，S形曲线沿床层移动。在tb时刻，传质区 的断点到达床底，这一点即为突破点。突破点浓度取作能检 测到的最小吸附质浓度或出口流体中允许的最大吸附质浓度。 如图是出口与进口流体中吸附质浓度之比随时间的变化曲线。 图中的S形曲线称为透过曲线。在tb之前，出口流体中吸附质 浓度小于某个最大允许值，如cout＜0.05cF。在tb时达到允 许值，如果继续吸附操作（t＞tb），出口流体中吸附质浓度 将迅速增大，当出口流体中吸附质浓度接近进料浓度时（cout =0.95cF），认为床层饱和，对应的时间为te。
二、吸附类型
物理吸附与化学吸附的比较
理化指标 吸附作用力 吸附热 选择性 吸附层 吸附速率 可逆性 物理吸附 范德华力 接近于液化热 低 单或多分子层 快，活化能小 可逆 化学吸附 化学键 接近于化学反应热 高 单分子层 慢，活化能大 不可逆
三、沸石分子筛
吸附剂的选择
（1）较高的选择性以达到一定的分离要求；
四、吸附平衡
目前尚没有成熟的理论来估计流体－固体之间的吸附 平衡关系。 需要对特定的物系实验测定一定温度下的吸附平衡数 据，并绘制成吸附剂上吸附质的吸附量与流体中吸附质浓 度或分压的关系曲线，这种曲线称为吸附等温线。 在等压情况下，表示吸附量和温度的关系曲线称为吸 附等压线； 在等吸附容量情况下，表示温度和压力的关系曲线称 为吸附等容线。
三、沸石分子筛
吸附剂按其化学结构可以分为有机吸附剂和无机吸附剂。
常用的有机吸附剂：活性炭、碳化树脂、聚酰胺、大孔树脂 等。
常用的无机吸附剂：硅胶、氯化铝、硅藻土、分子筛等。
3A沸石分子筛
1Å=0.1nm
三、沸石分子筛
沸石分子筛是结晶铝硅酸金属盐的水合物，由硅氧四 面体或铝氧四面体通过氧桥键相连而形成分子尺寸大小 （通常为0.3~2 nm）的孔道和空腔体系。其化学通式为： Mx/m[(AlO2)x· (SiO2)y]· zH2O。 M——阳离子，保持晶体的电中性 M——表示其价态数 z——水合数 x、y——整数 沸石分子筛活化后，水分子被除去，余下的原子形成 笼形结构，孔径为3～10Å。分子筛晶体中有许多一定大小 的空穴，空穴之间有许多同直径的孔（也称“窗口”）相 连。由于分子筛能将比其孔径小的分子吸附到空穴内部， 而把比孔径大的分子排斥在其空穴外，起到筛分分子的作 用，故得名分子筛。
进料 出料
溶质浓度，c 饱和 吸附剂
t时刻浓度前沿
新鲜 吸附剂
吸附剂前沿 正在进行吸附的所在
L 床层长度，Z 理想固定床吸附器中的浓度分布
0
LB
六、固定床吸附
对于实际的固定床吸附器，内外扩散阻力往往不可忽 略。轴向扩散也可能很严重，特别是当床层较浅，流速较 低的时候。这些因素将导致浓度前沿（吸附前沿）变宽， 如图所示。
变压吸附
CONTENS CONTENTS
1吸附过程 2吸附类型 3沸石分子筛 4吸附平衡 5吸附机理 6固定床吸附 7变压吸附（PSA）
一、吸附过程
吸附是指流体（气体或液体）与固体多孔物质接触 时，流体中的一种或多种组分传递到多孔物质外表面和 微孔内表面并附着在这些表面上形成单分子层或多分子 层的过程。 由于吸附质和吸附剂的物理化学性质不同，吸附剂 对不同吸附质的吸附能力也不同，即吸附选择性不同， 从而实现物质的分离。 被吸附的流体称为吸附质 多孔固体颗粒称为吸附剂
四、吸附平衡
一定条件下，流体（气体或液体）与吸附剂接触，流 体中的吸附质被吸附剂吸附，经足够长时间后，吸附质在 两相中的含量不再改变，即吸附质在流体和吸附剂上的分 配达到一种动态平衡，称为吸附平衡。 吸附平衡的常用表示方法有两种： （1）吸附质在流体中的浓度（液体或分压（气体） （2）吸附剂上吸附的吸附质的量 g（/mol）吸附质／g（/㎡）吸附剂
五、吸附机理
吸附质在吸附剂多孔表面上被吸附的过程分为下列四步： 1)吸附质从流体主体通过分子与对流扩散穿过薄膜或 边界层传递到吸附剂的外表面，称之为外扩散过程； 2)吸附质通过孔扩散从吸附剂的外表面传递到微孔结 构的内表面，称为内扩散过程； 3)吸附质沿孔表面的表面扩散；
4)吸附质被吸附在孔表面上。
四、吸附平衡
假设 • 表面处处均一 (所有吸附位点在能量上完全相同)
• 单分子层吸附 (没有多层吸附)
• 被吸附到吸附剂上的分子之间没有相互作用 Langmuir吸附等温方程适用于描述Ⅰ型吸附等温线。尽管与 Langmuir方程完全吻合的物系相当少，但有大量的物系近似符 合。其被公认为定性或半定量研究变压吸附系统的基础。
3A
七、变压吸附（PSA）
变压吸附是以压力为热力学参数，在等温条件下借吸附量 随压力的变化特性而实现的吸附分离过程。
A
B
变压吸附操作原理
七、变压吸附（PSA）
最简单的变压吸附是在两个并联的固定床中实现的，如图 所示，与变温吸附不同，它不用加热变温方式，而是靠消 耗机械功提高压力或造成真空完成吸附分离循环。一个吸 附床在某压力下吸附，而另一个吸附床在较低压力下解吸。
1.0
cout/cF
透过曲线
突破点 0 tb 透过曲线 te
六、固定床吸附
透过曲线的斜率决定了吸附剂床层的可利用程度。因此， 曲线的形状对于确定床层长度非常重要。透过曲线越宽， 相应浓度曲线上的传质区越宽，可被利用的床层容量越 小。 透过曲线越窄→传质区越窄→可被利用的床层容量越大， 吸附剂性能越好
固定床内流体中溶质的吸附是非稳态传质过程，在此过程 中，床内吸附质的浓度分布随时间和沿床层位置不断变化， 流出物浓度也随时间而变化。 传质区、透过曲线
六、固定床吸附
理想的固定床吸附： 1外扩散和内扩散阻力很小； 2流体流动呈活塞流（即平推流，L/D较大） ； 3轴向扩散可忽略； 4初始吸附剂不含吸附质； 5吸附等温线开始于零点，且吸附平衡瞬时达到。
三、沸石分子筛
沸石的初级结构单元PBU
硅氧四面体和铝氧四面体相互联结时遵守如下规则： (a)四面体中的每个氧原子都是共用的
(b) 相邻的两个四面体之间只能共用一个氧原子
(c) 两个铝氧四面体不直接相联
三、沸石分子筛
沸石的次级结构单元 SBU
三、沸石分子筛
笼：三维空间的多面体，是构成沸石分子筛的主要结构单
三、沸石分子筛
（a）A 型
（b）X 型
两种常用沸石分子筛的结构
三、沸石分子筛
沸石分子筛的吸附作用有两个特点：（1）表面上的 路易斯中心极性很强；（ 2 ）沸石中的笼或通道的尺寸很 小，使得其中的引力场很强。 因此，其对吸附质分子的吸附能力远超过其他类型的 吸附剂。即使吸附质的分压（或浓度）很低，吸附量仍很 可观。沸石分子筛的吸附分离效果不仅与吸附质分子的尺 寸和形状有关，而且还与其极性有关，因此，沸石分子筛 也可用于尺寸相近的物质的分离。
四、吸附平衡
Brunauer的五种类型的纯气体物理吸附等温线
四、吸附平衡
Langumir吸附等温方程
文献中用的公式：
IP2 T IP e Pyi * 1 qi 1 IP3e IP4 T Pyi
IP1 5.90 105 mol kg 1 kPa 1 IP2 6636.6 K IP3 6.081 106 kPa 1 IP4 6622.5 K
七、变压吸附（PSA）
七、变压吸附（PSA）
充压 吸附 放压 吹扫
示例 实验 模拟 实验数据
模拟数据
10
谢谢！
进料
1
排气
2 冲洗
产品 变压吸附循环示意图
七、变压吸附（PSA）
Skarstrom循环 具有两个固定床的变压吸附循环如图所示，称为Skarstrom 循环。每个床在两个等时间间隔的半循环中交替操作：1充 压后吸附；2放压后吹扫。实际上分4步进行。
原料气用于充压，流出产品气的一部分用于吹扫。图中1床 进行吸附，离开1床的部分气体返至2床吹扫用，吹扫方向和 吸附方向相反。
吸附达到平衡时 吸附剂内的流体称为吸附相 剩余的流体本体相称为吸余相。
一、吸附过程
吸附质
吸附
吸附剂
脱附
二、吸附类型
根据吸附质和吸附剂表面之间相互作用力的不同，吸 附可分为
物理吸附（范德华吸附）
化学吸附（活化吸附）
一般而言，较低温度下有利于物理吸附，较高温度 （有时可超过200℃）下有利于化学吸附。
（2）较大的吸附容量以减小用量； （3）较好的动力学及传递性质以实现快速吸附； （4）较高的化学及热稳定性，不溶或极难溶于待处理流体以保证吸 附剂的数量和性质； （5）较高的硬度及机械强度以减小磨损和侵蚀； （6）较好的流动性以便于装卸；
（7）较高的抗污染能力以延长使用寿命；
（8）较好的惰性以避免发生不期望的化学反应； （9）易再生； （10）价格便宜。
元。
三、沸石分子筛
表1 几种沸石分子筛的性质
型号 3A 4A 5A 10X 13X Y 丝光沸石 阳离子 K+ Na+ Ca2+ Ca2+ Na+ Na+ Na+ 分子式 K12[(AlO2)12(SiO2)12] Na12[(AlO2)12(SiO2)12] Ca5Na2[(AlO2)12(SiO2)12] Ca43Na2[(AlO2)86(SiO2)106] Na86[(AlO2)86(SiO2)86] Na2[(AlO2)2(SiO2)5] Na2[(AlO2)2(SiO2)10] 孔径/ Å 2.9 3.8 4.4 8.0 8.4 9.5 5.0
化学吸附：4→控制步骤 物理吸附：4→瞬间完成，吸附速率受前三步控制，统称 扩散控制。 内扩散控制 多数情况 外扩散控制
五、吸附机理
吸附机理图
五、吸附机理
吸附
源自文库
解吸
多孔吸附剂中流体的浓度分布和温度分布
六、固定床吸附
常用的吸附分离设备有：吸附搅拌槽、固定床吸附器、移 动床、流化床。 固定床吸附器是填装颗粒状吸附剂的塔式设备，操作循环 由吸附和解吸两个阶段组成。