吸附动力学及动态学

剩余吸附能力 剩余吸附能力
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吸附过程及应用
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(6)固定床吸附动力学
4）透过曲线计算
1.3 吸附动力学及动态学
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： εbuAC0dτ=[(1-εb)qm+ εbC0]dZ
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。
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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
6) 浓度波的移动速度
1.3 吸附动力学及动态学
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。 恒定浓度c的浓度波移动速度uc为：
的方法，在不同吸附时间测得 吸附量，以吸附量为纵坐标， 时间为横坐标绘图，即可得到 吸附速率曲线。 右图为正己烷在5A分子筛上 的吸附速率曲线
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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吸附过程及应用 18

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(6)固定床吸附动力学
透过曲线

1.3 吸附动力学及动态学 1.3 吸附动力学及动态学
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

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。
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(6)固定床吸附动态学
2) 吸附的传质区、吸附前沿和流出曲线 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。 0<t<tb t>tb t=0 进料CF C-床层内吸 附质浓度
1.3 吸附动力学及动态学

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)固定床吸附动态学

1.3 吸附动力学及动态学
吸附传质区、吸附前沿。
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吸附过程及应用
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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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c0的初始浓度向气体流动力向推进，如图2—3(a)所示；

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：

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。 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。
内扩散 吸附主体外扩散 外表面 内表面吸附 内表面吸附
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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:
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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(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：
dc k (c y ) D F 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。 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：
第一章 吸附及吸附过程
1.1 吸附及吸附平衡
1.3 吸附动力学及动态学
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，
3
1.3 吸附动力学及动态学
(2) 吸附的传质过程

1.3 吸附动力学及动态学
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。
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6.固定床吸附动力学
4) 吸附饱和率
1.3 吸附动力学及动态学
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。

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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(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。
MTZ-传质区
LUB
Cout/CF=0.95
透过曲线
Cout 床层内吸 附质浓度 Cout/CF=1 Cout/CF=0
Cout/CF=0.05
0<Cout/CF<1
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(6) 固定床吸附动力学
2) 吸附的传质区、吸附前沿和流出曲线
1.3 吸附动力学及动态学
吸附前沿(或 传质前沿）

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(6)固定床吸附动力学
吸附前沿

1.3 吸附动力学及动态学

“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。 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。
bu dz 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
4）透过曲线计算
1.3 吸附动力学及动态学
bu dz d [(1 b )(qm /C 0 ) b ]


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(2)吸附的传质过程
达为：
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
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
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

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。
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 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。
dc G D F t 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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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
可用与测定吸附等温线相同
吸附量,kg/kg
0.16 0.14 0.12 0.10 0.08 0.06 0.04 0.02 0.00
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吸附过程及应用
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(4) 吸附动力学方程

1.3 吸附动力学及动态学
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；
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吸附过程及应用
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(6)固定床吸附动态学
3）吸附负荷曲线
1.3 吸附动力学及动态学
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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吸附过程及应用
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(6)固定床吸附动力学
1.3 吸Leabharlann Baidu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(MTZ)。