吸附分离技术.ppt

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。 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 吸附平衡: 一定条件下，当吸附剂和流体混合物相接触时，流体中吸附质被吸附剂吸附，经过足够长的时间，吸附质在两相中的含量达到恒定值，称为吸附平衡，此时吸附量为平衡吸附量。 描述平衡吸附量和吸附温度和压力的关系称为吸附曲线，吸附曲线主要有两种形式，吸附等温线和吸附等压线。 吸附等温线：一定温度下吸附量和压力的关系。 吸附等压线：一定压力下和吸附温度的关系。 吸附等温线最为常用，是描写吸附过程最常用的基础数据。 在平衡条件下，吸附物质的多少可用吸附量表示。气体在单位重量吸附剂表面上的吸附量V依赖于气体的性质、固体表面的性质、吸附平衡的温度T及吸附质平衡压力p等。当给定了吸附剂、吸附质及吸附平衡温度后，则吸附量V就只是吸附质平衡压力p的函数；或者给定吸附剂、吸附质及吸附平衡的压力时，则吸附量V就只是吸附平衡温度T的函数。表示吸附平衡的状态参数有吸附量、平衡温度和压力。平衡关系 可表示为等温条件下吸附量和压力间的关系(吸附等温线)；等压条件下吸附量和温度间的关系(吸附等压线或吸附等压方程)。通常用吸附等温线来表示吸附平衡关系。 1. 单组分气体在固体上的吸附平衡 (1) 朗缪尔(Langmuir)方程 此方程是最早提出的描述吸附现象的关系式。该方程是基于假设固体表面是均匀的，单分子 层吸附，且被吸附分子间无相互作用力而推导出来的。在这些假设条件下的吸附为理想吸附。以?表示每秒钟内碰撞在单位固体表面上的分子数；以?表示撞击的分子中被固体表面吸附的分数；?表示固体表面被分子覆盖的分数；则1-?代表未覆盖的分数。代表根据朗缪尔理论，只有碰撞在固体表面上的分子才被吸附，而碰撞在已经吸附的分子上时，则不被吸附。这样每秒内吸附的分子为??(1-?)。脱附速率与被覆盖表面的比率?成正比，所以脱附速率为??(?为?= 1时的脱附速率)。在吸附平衡时，吸附速率=脱附速率，即 ??(1-?)= ?? 故： 由玻尔兹曼(Boltzmann)理论可知： 式中，m为相对分子质量；k为玻尔兹曼常量； T为热力学温度；p为气体压力。 令： 带入式(1)得 如以Vm表示表面覆盖满时(?=1)的吸附量，V表示气体压力为p时的吸附量，则表面覆盖分数为： 故 即： 上式即为朗缪尔吸附等温线方程式。当温度恒定时，以V对相对压力p/ p0作曲线(p0为该温度下，吸附质的饱和蒸汽压)即为吸附等温线。该方程形式简单，物理意义明确，应用最广泛。 (2) 弗罗因德利希(Freundlich)方程 等温吸附的表达式为： 式中，V为吸附量;p为吸附平衡压力;n,k为常数 对式(4)两边取对数得： 因而在对数坐标上以V和p作图，便可得一条直线。直线斜率为1/n。该方程系纯经验方程，没有明确的物理意义。但由于形式简单，使用方便，因而得到较多的应用。 (3) BET方程 该方程由布鲁楞勒 (Brunaner)、埃麦特(Emmett)和泰勒(Teller)三人提出。他们假设：固体表面是均匀的，被吸附分子见无相互作用力， 可以有多层分子吸附而层间作用力为范德华力，第一层的吸附热为物理吸附热，第二层以上的为液化热，总吸附量为各层吸附量的总和。依据此原理导出的BET吸附等温线方程为BET二常数吸附等温线方程，即： 式中： p为平衡压力;V为在p下的吸附量;Vm为第一层覆盖满时所吸附的量;C为与吸附热有关的常数； P0为实验温度下的饱和蒸汽压。 BET二常数方程的适用条件为固体表面是平滑的，吸附层数可以是无穷多的。当固体表面为多孔、吸附层数限制到n层时，则方程变为： 上式为三常数BET方程。式中x=p/p0，称为相对压力。当n=1时，此式就变为朗缪尔方程；当n??时，即成为二常数BET方程。BET方程的适用范围较朗缪尔方程广。 吸附速率 吸附平衡表达了吸附过程进行的极限。但要达到平衡往往要经过相当长时间的接触，在实际吸附