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四川大学现代分离技术04
* * * * * * * * * Langmuir吸附等温式 ②多组分吸附 当A和B两种粒子都被吸附时,A和B分子的吸附与解吸速率分别为: 达吸附平衡时,ra = rd Langmuir吸附等温式 两式联立解得qA,qB分别为: 对i种气体混合吸附的Langmuir吸附公式为: Langmuir吸附等温式 1.假设吸附是单分子层的,与事实不符。 2.假设表面是均匀的,其实大部分表面是不均匀的。 3.在覆盖度θ 较大时,Langmuir吸附等温式不适用。 Langmuir吸附等温式的缺点: 其它吸附方程 叶诺维奇(Elovich)方程 乔姆金方程式 适用于化学吸附,在处理一些工业上的催化过程如合成氨过程等常用到此方程, 适用于覆盖率中等的情况 Freundlich吸附等温式 Freundlich吸附等温式有两种表示形式: q:吸附量,cm3/g k,n是与温度、体系有关的常数。 x:吸附气体的质量 m:吸附剂质量 k’,n是与温度、体系有关的常数。 Freundlich吸附公式对q 的适用范围比Langmuir公式要宽。 Langmuir-Freundlich吸附等温方程: 单组分 混合物 BET方程(吸附层数没有限制) (1938) 为了使用方便,将二常数公式改写为: 如果吸附层不是无限的,而是有一定的限制,例如在吸附剂孔道内,至多只能吸附n层,则BET公式修正为三常数公式: 一般适用于比压在0.35~0.60之间的吸附 (b) 吸附等压线 (c) 吸附等量线 p1 p2 p3 V T p T V1 V2 V3 液相吸附等温线 吸附等温线形状的变化与吸附层分子和溶液中分子的相互作用有关。 液相吸附平衡 Langmuir方程和Freundlich方程对于低浓度溶液的吸附也适用。当用于液体时,压力P用浓度c代替: 吸附传质过程 吸附质在吸附剂的多孔表面上的吸附过程分四步: 1. 吸附质由流体主体通过分子扩散与对流扩散穿过薄膜或边界层传递到吸附剂外表面,称为外扩散过程。 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,称微内扩散过程。 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。 对于化学吸附:吸附质与吸附剂之间有健的 形成,第四步可能较慢,甚至是控制步骤。 对于物理吸附:由于吸附速率仅取决于吸附质分子与孔表面的碰撞频率和定向作用,几乎是瞬间完成的,吸附速率由前三步控制。统称为扩散控制。 吸附机理 (三步过程) 吸附速率方程 外扩散速率方程 内扩散速率方程 总速率方程 吸附过程总阻力是内、外阻力之和,若内扩散阻力远大于外扩散阻力,则过程为内扩散控制;否则为外扩散控制。 吸附 解吸 多孔吸附剂中流体的浓度分布和温度分布 吸附剂中的浓度分布 固定床吸附 吸附工艺:吸附器多数为圆柱形筒体,在筒内的多孔支撑板上均匀地堆放吸附剂,处理流体通过床层被吸附剂吸附,与其余的流体分离。吸附过程可以持续到吸附剂饱和为止,然后再用升温、减压或置换等方法解吸,使吸附剂再生,见下图 滤过液 料液 吸附 固定床 脱附 脱附物 流动相 循环固定床(间歇操作)示意图 吸附分离的工艺方法 吸附分离工艺介绍 ti—吸附质首先出现在床层出口端时间; tb—对应馏出物最大允许浓度时间,称破点时间、穿透时间; te—床层饱和时间。 (te-ti)——对应床层吸附区或传质区长度 一般习惯上将出口浓度达到入口浓度的5%~10%的时间称为穿透时间。 固定床吸附 吸附剂颗粒:吸附剂颗粒的形状和大小对扩散速率和床层压降的影响是相反的,为了使吸附更有效,一般使用小颗粒吸附剂。 吸附剂床层的深度:床层深度必须大于传质区长度;若干倍的最小床层深度可得到高于按比例增加的吸附能力,只要床层压降允许,尽可能增大床层长度。 气体流速的影响:主要影响传质区移动速度,同时也影响其长度;理论上讲,吸附对气体的流速没有限制,实际上,流速受吸附剂材料抗压程度的制约; 温度的影响:温度升高,吸附量降低,而扩散速率增大,传质区变短而移动速度变快。 吸附质浓度:增大吸附质浓度,将增加传质区移动速度,也缩短其长度。 压力的影响:一般,吸附剂的吸附能力随着压力的增大而增大;但高压下有吸附能力降低的现象,因为这时载气被更多地吸附。 影响传质区的因素 变温吸附(TSA) 在较低温度的固定床吸附,在较高温度下加热再生。 变温吸附的影响因素: a. 选择适宜的吸附剂,包括种类、形状、粒度等; b. 吸附周期:吸附周期长,则吸附剂用量大、利用率低、投资高;反之,则吸附剂用量少,但再生频繁,能耗大,吸附剂寿命短。 c. 再生温度:再生温度高,则提高吸附剂解吸的程度和利用率,但受吸附剂物化性质的限制。 变温吸附循环操作在两个平行的固定床吸附器
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