分离工程4-2 固定床吸附分离
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第三节 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。
透过时间
(破点时间)
图9-13 透过曲线
床层高为400mm，粒度为40-60目的木薯吸附剂，平 均气速在2.321g/min下水的透过曲线
(2) 影响透过曲线的因素
1) 溶液中吸附质浓度愈高，随之相应的透 过曲线向上凸度愈大。（图9-16）
2) 吸附剂是球形的颗粒，在其它条件相同时， 颗粒愈小则透过曲线愈陡。（图9-17）
固体颗粒流
a B
b
A
床
层
高
c
度
D
d
a
提升机 B+D+固体颗粒
0
液相组成, %
移动床吸附原理图
B 100
二、 模拟移动床
பைடு நூலகம்
三、变压吸附 (Pressure Swing Adsorption)
变压吸附法是在恒温但改变压力的情况下进行 吸附-脱附循环操作, 从而达到分离的目的。变压吸 附操作不需要加热和冷却设备, 只需改变操作压力即 可吸附-脱附。其循环周期短, 吸附剂利用率高, 设备 体积小, 操作范围较广, 气体处理量可从每小时几～ 几万立方米, 分离后可获得较高纯度的产品。
浆液吸附过程分为以下几步: 气体中吸附质(强 吸附组分)穿过气泡中的气膜; 吸附质在液相中扩散; 穿过包围在固体颗粒外面的液膜; 在固体颗粒内 孔扩散而后被吸附。
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
C
C0
1
2
3
4
床层长度
(3) 实际吸附负荷曲线（新鲜吸附剂）
C0
• 动活性——认为当床层出口处流体含有吸附 质时，床层便失效，所以，当床层出口处流体 含有吸附质时，计算床层吸附的吸附质的量， 所算出的活性称为动活性。
2. 吸附负荷曲线
(1) 吸附负荷曲线的定义
设流体以平均速度u通过床层，在不同时间i 时：
1) 检测床层各个位置流动相中吸附质的浓度; 或：
2) 检测吸附相中吸附质的浓度; 以浓度为纵坐标，床层长度为横坐标，可作
活 塞
上产品 Q
Q
吸附剂床
Q
Q
热(冷)载体 出(进)口
Q Q
Q Q
下产品
活 塞
加热半循环
冷却半循环
热参数泵示意图
Q 热量;
上行;
下行
五、浆液吸附法
假如固体吸附剂在干燥状态和湿润状态下的吸附 能力一样，则可以将固体吸附剂混悬于不被吸附的 中性(惰性)液体中, 形成流动性好的浆液。 这样, 就可 以采用象处理液体一样的那些连续操作方法。
传质区长度Za越来越小，吸附波幅发生了“缩
短”的现象，对吸附操作有利。
C C0
(2) 非优惠型
f’(C)随C增大而增大，吸
附波高浓度端的运动速度比低浓度端慢，Za越
来越大，吸附波幅发生了“延长”现象，对吸附
操作不利。
C
(3) 线性型
Za不变。
PVL mol sieve unit
第四节 其他吸附设备
吸附负荷曲线可以通过实验求得，若取流动相 中溶质浓度变化来表示吸附负荷曲线，则可以在某 一时间i时抽取沿床层高度上各个点的流动相的样品
进行分析，将结果绘于图中，得其中一条i 的曲线。
（但这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。
C
C0
1
2
3
4
(4) 实际吸附负荷曲线（有残余浓度的情况）
图9-10 传质前沿的形成和移动
(5) 床层的三个区
饱和区
传质区
未用区
床层长度
(6) 床层操作时间
床层的操作时间是固定床吸附操作的重 要设计指标。床层的操作时间是指保证吸附 质不溢出床层的最大操作时间。
(7) 吸附负荷曲线的求法（作法）
破点(break point)——床层流出物中吸附 质浓度明显上升的点。
透过时间——达到破点时所需的时间。
a 进料浓度C0
出口浓度Ca
b C0
饱和区 传质区 未用区
Cb
c C0
饱和区 传质区 未用区
Cc
b C0
饱和区
传质区
Cd
饱和区 传质区
C0
Cd
度
浓
透过曲线
物
出
流
Cc
Ca
Cb
破点
0
时间 (或流出物的体积)
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)。
(再生结束)
(加压吸附)
(减压解吸)
(a) 常压
(b) 加压
(c) 减压
变压吸附基本原理
(扩散解吸) 再 生 气
(d) 逆洗
变压吸附制氮系统
变压吸附制氢系统
变压吸附中试装置
变压吸附制氧系统
四、热参数泵法 (Thermal Parametric Pumping)
热(冷)载体 进(出)口
进料
夹套
(9-31)
式中： Z ——浓度为C时传质区内吸附波的移动速度；
C
u——流体流过吸附剂颗粒间的平均速度； ε——吸附剂的空隙率； f(C)——吸附等温方程。
(1) 优惠型吸附等温线
f’(C) 随 C 增 大 而 减
小，代入上式可看出，吸附波高浓度端的运动
速度要比低浓度端快，则随着吸附波的运动，
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。
透过时间
(破点时间)
图9-13 透过曲线
床层高为400mm，粒度为40-60目的木薯吸附剂，平 均气速在2.321g/min下水的透过曲线
(2) 影响透过曲线的因素
1) 溶液中吸附质浓度愈高，随之相应的透 过曲线向上凸度愈大。（图9-16）
2) 吸附剂是球形的颗粒，在其它条件相同时， 颗粒愈小则透过曲线愈陡。（图9-17）
固体颗粒流
a B
b
A
床
层
高
c
度
D
d
a
提升机 B+D+固体颗粒
0
液相组成, %
移动床吸附原理图
B 100
二、 模拟移动床
பைடு நூலகம்
三、变压吸附 (Pressure Swing Adsorption)
变压吸附法是在恒温但改变压力的情况下进行 吸附-脱附循环操作, 从而达到分离的目的。变压吸 附操作不需要加热和冷却设备, 只需改变操作压力即 可吸附-脱附。其循环周期短, 吸附剂利用率高, 设备 体积小, 操作范围较广, 气体处理量可从每小时几～ 几万立方米, 分离后可获得较高纯度的产品。
浆液吸附过程分为以下几步: 气体中吸附质(强 吸附组分)穿过气泡中的气膜; 吸附质在液相中扩散; 穿过包围在固体颗粒外面的液膜; 在固体颗粒内 孔扩散而后被吸附。
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
C
C0
1
2
3
4
床层长度
(3) 实际吸附负荷曲线（新鲜吸附剂）
C0
• 动活性——认为当床层出口处流体含有吸附 质时，床层便失效，所以，当床层出口处流体 含有吸附质时，计算床层吸附的吸附质的量， 所算出的活性称为动活性。
2. 吸附负荷曲线
(1) 吸附负荷曲线的定义
设流体以平均速度u通过床层，在不同时间i 时：
1) 检测床层各个位置流动相中吸附质的浓度; 或：
2) 检测吸附相中吸附质的浓度; 以浓度为纵坐标，床层长度为横坐标，可作
活 塞
上产品 Q
Q
吸附剂床
Q
Q
热(冷)载体 出(进)口
Q Q
Q Q
下产品
活 塞
加热半循环
冷却半循环
热参数泵示意图
Q 热量;
上行;
下行
五、浆液吸附法
假如固体吸附剂在干燥状态和湿润状态下的吸附 能力一样，则可以将固体吸附剂混悬于不被吸附的 中性(惰性)液体中, 形成流动性好的浆液。 这样, 就可 以采用象处理液体一样的那些连续操作方法。
传质区长度Za越来越小，吸附波幅发生了“缩
短”的现象，对吸附操作有利。
C C0
(2) 非优惠型
f’(C)随C增大而增大，吸
附波高浓度端的运动速度比低浓度端慢，Za越
来越大，吸附波幅发生了“延长”现象，对吸附
操作不利。
C
(3) 线性型
Za不变。
PVL mol sieve unit
第四节 其他吸附设备
吸附负荷曲线可以通过实验求得，若取流动相 中溶质浓度变化来表示吸附负荷曲线，则可以在某 一时间i时抽取沿床层高度上各个点的流动相的样品
进行分析，将结果绘于图中，得其中一条i 的曲线。
（但这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。
C
C0
1
2
3
4
(4) 实际吸附负荷曲线（有残余浓度的情况）
图9-10 传质前沿的形成和移动
(5) 床层的三个区
饱和区
传质区
未用区
床层长度
(6) 床层操作时间
床层的操作时间是固定床吸附操作的重 要设计指标。床层的操作时间是指保证吸附 质不溢出床层的最大操作时间。
(7) 吸附负荷曲线的求法（作法）
破点(break point)——床层流出物中吸附 质浓度明显上升的点。
透过时间——达到破点时所需的时间。
a 进料浓度C0
出口浓度Ca
b C0
饱和区 传质区 未用区
Cb
c C0
饱和区 传质区 未用区
Cc
b C0
饱和区
传质区
Cd
饱和区 传质区
C0
Cd
度
浓
透过曲线
物
出
流
Cc
Ca
Cb
破点
0
时间 (或流出物的体积)
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)。
(再生结束)
(加压吸附)
(减压解吸)
(a) 常压
(b) 加压
(c) 减压
变压吸附基本原理
(扩散解吸) 再 生 气
(d) 逆洗
变压吸附制氮系统
变压吸附制氢系统
变压吸附中试装置
变压吸附制氧系统
四、热参数泵法 (Thermal Parametric Pumping)
热(冷)载体 进(出)口
进料
夹套
(9-31)
式中： Z ——浓度为C时传质区内吸附波的移动速度；
C
u——流体流过吸附剂颗粒间的平均速度； ε——吸附剂的空隙率； f(C)——吸附等温方程。
(1) 优惠型吸附等温线
f’(C) 随 C 增 大 而 减
小，代入上式可看出，吸附波高浓度端的运动
速度要比低浓度端快，则随着吸附波的运动，