吸附分离技术

概
述
吸附分离是一门古老的学科。
人类对吸附的认识和应用可以追溯到2000年 以前远古时代, 在马王堆古墓出土文物中人 们就发现古人用木炭来防水吸潮。说明当时 人们已经了解到木炭具有很强的吸附作用。
50年代以前，吸附剂种类少（活性炭，硅藻 土和酸性白土），且吸附性能差，人们对吸 附的知识还停留在直接开发使用上，应用叶 只限于脱色，脱臭和防潮用，吸附分离技术 一直以辅助的作用出现在化工单元操作中。
吸附原理和吸附剂 吸附剂及其性能在吸附分离中起关键作用： 吸附剂条件： • 多孔，比表面积大，对吸附质有较高的吸附 能力，在这主要指内表面，外表面一般没有吸附 能力 • 有高的选择性，对不同吸附质要有选择性的 吸附作用 • 能再生和使用次数多 • 有足够的机械强度 • 化学性质稳定 • 价格合理
吸附原理和吸附剂
利用微孔扩散性质进行分离 : 气体在多孔固体中扩散速 率与气体性质，吸附剂性质，以及孔径大小有关，利用 扩散速率的差别可以将混合物进行分离，例如空气中氧 和氮在碳分子筛上的平衡吸附量大体相当，且两种分子 大小都小于碳分子筛的孔径，但氧分子的动力学直径要 小于氮分子的动力学直径，引而氧能以较快的速度进入 分子筛孔隙被吸附，氮的速率则相对较慢，两组分得到 分离。 微孔中的凝聚 : 多孔固体周围的可凝气体在与其孔径对 应压力下在附近吸附剂微孔中凝聚，利用活性炭吸附工 业中工业废气中有机物属于微孔凝聚。
吸附层数 可逆性
多层吸附 可逆
吸附原理和吸ห้องสมุดไป่ตู้剂
物理吸附、化学吸附判断： • 根据吸附热大小 化学吸附热大，H2(62.8 kJ/mol)， CO2(83.7 kJ/mol)；物 理吸附热小，H2(8.37 kJ/mol)， CO2(25.12 kJ/mol)； • 看吸附是不是有高度专属性，化学吸附有专属性和高 度选择性，只对特定气体吸附；物理吸附则没有，对 气体均有吸附性，只是吸附量大小问题。 • 看吸附速率和吸附量受温度影响规律，化学吸附速率 随温度升高而加快，而且吸附量增加；物理吸附速率 受温度影响小，吸附量随温度增加而降低。
吸附原理和吸附剂
吸附分类：物理吸附、化学吸附（作用力不同） • 物理吸附: 分子间力，作用力弱，可逆，可作为凝聚。 • 化学吸附:化学键力，作用力强，不可逆吸附。相当于 化学反应。 化学吸附在催化过程中起重要作用，在混合物吸附分离 过程中，多数的吸附分离过程属于物理吸附。 物理吸附和化学吸附的作用力不同，在吸附热，吸 附速率，吸附活化能、选择性等方面表现出明显的差异。
吸附原理和吸附剂
固体表面对气体和液体有吸附能力，具有吸附能力的 固体材料称为吸附剂，被吸附物质为吸附质，通常吸 附只发生在吸附剂表面局部位置，这样的位置称为吸 附中心或吸附位。
吸附平衡：吸附过程进行的速率和脱附过程进行速率 相等时，固体表面吸附质的浓度不再随时间而变化， 这种状态为吸附平衡状态 。吸附速率和吸附平衡的状 态与吸附温度和吸附压力有关，在恒定温度下进行的 吸附为等温吸附，恒定压力下进行的吸附为等压吸附。 描述它们的曲线称为吸附等温线和吸附等压线。
吸附原理和吸附剂
物理吸附和化学吸附
物理吸附 吸附热(kJ/mol) 吸附质 吸附速率 活化能 温度 选择性 4-40 处于临界温度以下所有 气体 不需活化，扩散控制， 速率快 约等于凝聚热 接近气体沸点 无选择性 化学吸附 40-200 化学活性蒸汽 须活化，克服能垒， 速率慢 化学反应热 高于气体沸点 有，与吸附质和吸 附剂特性有关 单层吸附 可逆或不可逆出现 新的特征吸收峰
吸附分离技术
内容
• 概述 • 吸附原理和吸附剂 • 吸附平衡和吸附速率
• 吸附分离过程和设备
• 变压吸附分离过程
• 变温吸附分离过程
• 参数泵吸附分离过程
主要参考书： 冯孝庭主编，《吸附分离技术》， 化学工业出版社 叶振华主编，《化工吸附分离过 程》，中国石化出版社 战树麟， 《石油化工分离工程》， 石油工业出版社 部分中外文文献
吸附原理和吸附剂
吸附分离:利用混合物中各个组分在吸附剂固体 表面吸附能力差异来进行分离的操作。
吸附分离原理： A 选择性吸附 B 分子筛效应 C 利用微孔扩散性质进行分离 D 微孔中的凝聚
吸附原理和吸附剂
选择性吸附，由于固体吸附剂表面和气体分子之间性质 的差异造成同一吸附剂对不同吸附质分子吸附能力的差 异，有的组分吸附能力强，有的组分吸附能力弱, 直接 利用吸附能力大小差异进行分离的吸附为选择性吸附。 工业上分离过程大都属于这种分离原理。 分子筛效应，固体吸附剂是多孔材料，如果吸附剂的孔 径大小均一，并且与吸附质分子尺寸大小相当，当分子 尺寸小于孔径时，分子可进入吸附剂被吸附，而比孔径 大的吸附质分子被排斥在外，利用分子大小进行的吸附 分离的原理为分子筛分。
吸附原理和吸附剂
吸附现象： 吸附是一个表面传递过程，当气体或液体分子 与多孔固体表面相接触时，由于固体表面与气体分 子或液体分子之间作用力大于分子之间作用力时， 气体或液体分子会积聚在固体表面，这种现象称为 吸附 。吸附的逆过程为脱附过程。
吸附过程：固体表面吸附质浓度随时间增大而增加 的过程 脱附过程：固体表面吸附质浓度随时间增大而减小 的过程 。
化工吸附分离成为大型工业的生产工艺和过 程和完整的单元操作过程，是在60年代迅速 发展起来的
概 述 60年代，合成固体吸附剂材料有了新的发展，新型吸 附剂的开发为吸附分离技术的进一步应用打下了基础。 首先 , 美国 Mobile 公司发明了合成沸石分子筛 , 它对空 气中的氮具有优先吸附的特征, 因此被用于开发、分离 空气制氧的工艺过程 活性炭吸附剂性能不断得到改善，制备了活性炭纤维 和炭分子筛，一些大孔吸附树脂也不断开发出来。 Skarstrom 发明吸附循环分离技术。使吸附分离成为一 种连续单元操作过程， 经过一系列的改进和完善, 变 压吸附技术用于大规模气体分离场合的成功开发, 在吸 附领域取得突破性的进展, 使吸附分离技术成为化学工 业和石油化学工业中重要的气体分离和净化过程, 奠定 了吸附分离技术在现代工业中的重要地位。