第十三章吸附1要点课件.ppt
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1、第十三章第十三章 吸附分离吸附分离第一节第一节 概述概述n1.吸附与解吸:吸附与解吸:n吸附吸附n利用多孔固体颗粒选择性地吸附流体中的一个或几个组分,利用多孔固体颗粒选择性地吸附流体中的一个或几个组分,从而使流体混合物得以分离的方法称为吸附操作。从而使流体混合物得以分离的方法称为吸附操作。物质(气体或蒸气)在固体表面上或微孔容积内的物质(气体或蒸气)在固体表面上或微孔容积内的积聚现象称为吸附。积聚现象称为吸附。n通常称被吸附物质为吸附质,用作吸附的多孔固体颗粒称为吸通常称被吸附物质为吸附质,用作吸附的多孔固体颗粒称为吸附剂。附剂。n吸附是从气体或液体中脱除全部杂质的一种通用方法。在现代化吸附是
2、从气体或液体中脱除全部杂质的一种通用方法。在现代化学工业、石油加工工业中,学工业、石油加工工业中,如溶剂的回收,水溶液或有机溶液的脱色、如溶剂的回收,水溶液或有机溶液的脱色、脱臭,有机烷烃的分离,芳烃的精制等。脱臭,有机烷烃的分离,芳烃的精制等。吸附法广泛用于工艺气体或吸附法广泛用于工艺气体或液体的深度净化和干燥、环境保护。液体的深度净化和干燥、环境保护。n工业上广泛使用的吸附剂有硅胶、铝凝胶、活性炭等具有发达内工业上广泛使用的吸附剂有硅胶、铝凝胶、活性炭等具有发达内表面的各种吸附剂。表面的各种吸附剂。 解吸解吸2 2. .吸附方法的发展史吸附方法的发展史工业吸附方法的发展是后来成为俄国科学院
3、院士的一位药剂工业吸附方法的发展是后来成为俄国科学院院士的一位药剂师洛维茨开创的,师洛维茨开创的,17851785年洛维茨发现:烧炭放在酒石酸溶液内,年洛维茨发现:烧炭放在酒石酸溶液内,会吸附有机杂质,使酒石酸脱色。后来他发现了炭作为吸附剂的会吸附有机杂质,使酒石酸脱色。后来他发现了炭作为吸附剂的万能作用,即溶液用木炭净化,能脱除其中的各种杂质。九年以万能作用,即溶液用木炭净化,能脱除其中的各种杂质。九年以后,在食品工业上,炭开始被用来净化糖汁,在酿酒工业上,炭后,在食品工业上,炭开始被用来净化糖汁,在酿酒工业上,炭用来除去酒精中的杂醇油,在俄国舰队上,炭被用来净化饮用水。用来除去酒精中的杂醇
4、油,在俄国舰队上,炭被用来净化饮用水。与吸附相反,组分脱离固体吸附剂表面的现象称为解吸与吸附相反,组分脱离固体吸附剂表面的现象称为解吸(或脱附)。吸附与解吸的循环操作构成一个完整的工业吸附(或脱附)。吸附与解吸的循环操作构成一个完整的工业吸附过程。过程。在洛维茨逝世(在洛维茨逝世(1804年)以后,他所提出的一些过程也已年)以后,他所提出的一些过程也已开始在西欧采用,开始在西欧采用,1808年法国糖厂开始投产,这些工厂采用木年法国糖厂开始投产,这些工厂采用木炭净化甜菜糖汁。炭净化甜菜糖汁。1811年菲古尔实验证明了骨炭优于木炭。年菲古尔实验证明了骨炭优于木炭。 18791879年,斯密特把气体
5、吸附性进行了排队,得出了年,斯密特把气体吸附性进行了排队,得出了不同气体的吸附值。不同气体的吸附值。二十世纪初,批准了用气体和化学活化制造活性炭的二十世纪初,批准了用气体和化学活化制造活性炭的方法专利。并于方法专利。并于19111911年在荷兰和年在荷兰和19131913年在德国建立了活性年在德国建立了活性炭工厂。同时通过实验研究建立了活性炭在气体分离和净炭工厂。同时通过实验研究建立了活性炭在气体分离和净化方面的使用条件。化方面的使用条件。18741874年,俄国梅里森年,俄国梅里森认认为木炭能吸附等量的氯,而为木炭能吸附等量的氯,而且在吸附过程中吸附剂的温度升高且在吸附过程中吸附剂的温度升高
6、3030。同时他还证明,。同时他还证明,炭对硫化氢、二氧化硫、氨、溴化氢、氯乙烷和氢氰酸炭对硫化氢、二氧化硫、氨、溴化氢、氯乙烷和氢氰酸之类的气体有吸附能力。一些挥发性液体(酒精)被吸之类的气体有吸附能力。一些挥发性液体(酒精)被吸收后,在这些液体的沸点温度下不会从炭中析出。由此收后,在这些液体的沸点温度下不会从炭中析出。由此产生了关于解吸使吸附剂恢复能力的概念。产生了关于解吸使吸附剂恢复能力的概念。 3 3. .吸附机理的分类:吸附机理的分类:根据吸附质和吸附剂之间吸附力的不同,吸附操作根据吸附质和吸附剂之间吸附力的不同,吸附操作分为物理吸附与化学吸附两大类。分为物理吸附与化学吸附两大类。
7、n 物理吸附或称范德华吸附:物理吸附或称范德华吸附:n吸附作用起因于固体颗粒的表面力。此表面力主要吸附作用起因于固体颗粒的表面力。此表面力主要是由于范德华力的作用使吸附分子单层或多层地覆盖于吸是由于范德华力的作用使吸附分子单层或多层地覆盖于吸附剂的表面,这种吸附属于物理吸附,吸附时放出的热量附剂的表面,这种吸附属于物理吸附,吸附时放出的热量为吸附热。数值上与被吸附组分的冷凝热相当,这与微孔为吸附热。数值上与被吸附组分的冷凝热相当,这与微孔充填理论相符。充填理论相符。它是吸附剂分子与吸附质分子间吸引力作用的结果,它是吸附剂分子与吸附质分子间吸引力作用的结果,因其分子间结合力较弱,故容易脱附因其分
8、子间结合力较弱,故容易脱附. .如固体和气体之如固体和气体之间的分子引力大于气体内部分子之间的引力,气体就会间的分子引力大于气体内部分子之间的引力,气体就会凝结在固体表面上,吸附过程达到平衡时,吸附在吸附凝结在固体表面上,吸附过程达到平衡时,吸附在吸附剂上的吸附质的蒸汽压应等于其在气相中的分压。剂上的吸附质的蒸汽压应等于其在气相中的分压。 化学吸附化学吸附n工业上应用的多为物理吸附,军事上应用的多为化工业上应用的多为物理吸附,军事上应用的多为化学吸附。学吸附。n本章主要讨论物理吸附。本章主要讨论物理吸附。n 是由吸附质与吸附剂分子间化学健的作用所引起,是由吸附质与吸附剂分子间化学健的作用所引起
9、,其间结合力比物理吸附大得多,放出的热量也大得多,其间结合力比物理吸附大得多,放出的热量也大得多,与化学反应热数量级相当,过程往往不可逆。化学吸附与化学反应热数量级相当,过程往往不可逆。化学吸附在催化反应中起重要作用。在催化反应中起重要作用。n4 4. . 吸附机理的判断依据:吸附机理的判断依据: 化学吸附热与化学反应热相近,比物理吸附热大得多。化学吸附热与化学反应热相近,比物理吸附热大得多。如二氧化碳和氢在各种吸附剂上的化学吸附热为如二氧化碳和氢在各种吸附剂上的化学吸附热为8374083740J Jmolmol和和6280062800J Jmolmol,而这两种气体的物理吸附热约为而这两种气
10、体的物理吸附热约为2512025120J Jmolmol和和83748374J Jmolmol。n 化学吸附有较高的选择性。化学吸附有较高的选择性。如氯可以被钨或镍化学吸如氯可以被钨或镍化学吸附。物理吸附则没有很高的选择性,它主要取决于气体或附。物理吸附则没有很高的选择性,它主要取决于气体或液体的物理性质及吸附剂的特性。液体的物理性质及吸附剂的特性。n 化学吸附时,温度对吸附速率的影响较显著,温度化学吸附时,温度对吸附速率的影响较显著,温度升高则吸附速率加快,因其是一个活化过程,故又称活升高则吸附速率加快,因其是一个活化过程,故又称活化吸附。而物理吸附即使在低温下,吸附速率也可能较化吸附。而物
11、理吸附即使在低温下,吸附速率也可能较大,因它不属于活化吸附。大,因它不属于活化吸附。 n 化学吸附总是单分子层或单原子层,而物理吸附则化学吸附总是单分子层或单原子层,而物理吸附则不同,低压时,一般是单分子层,但随着吸附质分压不同,低压时,一般是单分子层,但随着吸附质分压增大,吸附层可能转变成多分子层。增大,吸附层可能转变成多分子层。n5 5. .吸附剂的再生及方法:吸附剂的再生及方法:n 吸附剂的再生,即吸附剂脱附,对吸附吸附剂的再生,即吸附剂脱附,对吸附过程是非常重要的。过程是非常重要的。n通常采用的方法:通常采用的方法:n提高温度或降低吸附质在气相中的分压。提高温度或降低吸附质在气相中的分
12、压。n这样的结果:这样的结果:n 吸附质将以原来的形态从吸附剂上回到气相吸附质将以原来的形态从吸附剂上回到气相或液相,这种现象称为或液相,这种现象称为“脱附脱附”,所以物理吸,所以物理吸附过程是可逆的。附过程是可逆的。n 吸附分离过程正是利用物理吸附的这种可吸附分离过程正是利用物理吸附的这种可逆性来实现混合物的分离。逆性来实现混合物的分离。n6.吸附分离过程的分类:吸附分离过程的分类:n 目前工业生产中吸附过程主要有如下几种:目前工业生产中吸附过程主要有如下几种: n 变温吸附变温吸附 nG HTS (9-1) n 式中式中H为焓变,为焓变,S为熵变。为熵变。 n 当吸附达到平衡时,系统的自由
13、能,熵值都降低故式当吸附达到平衡时,系统的自由能,熵值都降低故式(9-1)中焓变中焓变H为负值,表明吸附过程是放热过程,可见若降低操作温为负值,表明吸附过程是放热过程,可见若降低操作温度,可增加吸附量,反之亦然。度,可增加吸附量,反之亦然。n在一定压力下吸附的自由能变化在一定压力下吸附的自由能变化G有如下关系有如下关系: n 因此,吸附操作通常是在低温下进行,然后提高操作温度使因此,吸附操作通常是在低温下进行,然后提高操作温度使被吸附组分脱附。被吸附组分脱附。 n 通常用水蒸汽直接加热吸附剂使其升温解吸,解吸物与水蒸通常用水蒸汽直接加热吸附剂使其升温解吸,解吸物与水蒸汽冷凝后分离。吸附剂则经间
14、接加热升温干燥和冷却等阶段组成汽冷凝后分离。吸附剂则经间接加热升温干燥和冷却等阶段组成变温吸附过程,吸附剂循环使用。变温吸附过程,吸附剂循环使用。混合气混合气干燥冷却用空气干燥冷却用空气解 吸 用 水 蒸解 吸 用 水 蒸气气1放空放空234苯苯水水1,2装有活性炭的吸附器;装有活性炭的吸附器;3冷凝器;冷凝器;4分层器分层器n 变压吸附变压吸附 n也称为无热源吸附。也称为无热源吸附。 恒温下,升高系统的压力,床层吸附容量增多,反恒温下,升高系统的压力,床层吸附容量增多,反之系统压力下降,其吸附容量相应减少,此时吸附剂之系统压力下降,其吸附容量相应减少,此时吸附剂解吸、再生,得到气体产物的过程
15、称为变压吸附。解吸、再生,得到气体产物的过程称为变压吸附。n根据系统操作压力变化不同,变压吸附循环可以是常根据系统操作压力变化不同,变压吸附循环可以是常压吸附、真空解吸,加压吸附、常压解吸,加压吸附、压吸附、真空解吸,加压吸附、常压解吸,加压吸附、真空解吸等几种方法。对一定的吸附剂而言,压力变真空解吸等几种方法。对一定的吸附剂而言,压力变化愈大,吸附质脱除得越多。化愈大,吸附质脱除得越多。 n 溶剂置换溶剂置换 n 在恒温恒压下,已吸附饱和的吸附剂可用溶剂将在恒温恒压下,已吸附饱和的吸附剂可用溶剂将床层中已吸附的吸附质冲洗出来,同时使吸附剂解吸床层中已吸附的吸附质冲洗出来,同时使吸附剂解吸再生
16、。常用的溶剂有水、有机溶剂等各种极性或非极再生。常用的溶剂有水、有机溶剂等各种极性或非极性物质。性物质。 n7 7. .吸附分离过程的适用范围:吸附分离过程的适用范围:n 吸附分离是利用混合物中各组分与吸附剂吸附分离是利用混合物中各组分与吸附剂间结合力强弱的差别,即各组分在固相(吸附间结合力强弱的差别,即各组分在固相(吸附剂)与流体间分配不同的性质使混合物中难吸剂)与流体间分配不同的性质使混合物中难吸附与易吸附组分分离。附与易吸附组分分离。n 适宜的吸附剂对各组分的吸附可以有很高适宜的吸附剂对各组分的吸附可以有很高的选择性,故特别适用于用精馏等方法难以分的选择性,故特别适用于用精馏等方法难以分
17、离的混合物的分离,以及气体与液体中微量杂离的混合物的分离,以及气体与液体中微量杂质的去除。此外,吸附操作条件比较容易实现。质的去除。此外,吸附操作条件比较容易实现。 常用吸附剂常用吸附剂n1 1. .工业吸附剂的定义:工业吸附剂的定义: n 通常固体都具有一定的吸附能力,但只有具有很高选择性通常固体都具有一定的吸附能力,但只有具有很高选择性和很大吸附容量的固体才能作为工业吸附剂。和很大吸附容量的固体才能作为工业吸附剂。 n2.吸附剂的选择原则:吸附剂的选择原则:n 吸附剂的性能对吸附分离操作的技术经济指标起着决定性吸附剂的性能对吸附分离操作的技术经济指标起着决定性的作用,吸附剂的选择是非常重要
18、的一环,一般选择原则为:的作用,吸附剂的选择是非常重要的一环,一般选择原则为:n 具有较大的平衡吸附量。一般比表面积大的吸附剂,其吸具有较大的平衡吸附量。一般比表面积大的吸附剂,其吸附能力强;附能力强;n 具有良好的吸附选择性;具有良好的吸附选择性;n 容易解吸,即平衡吸附量与温度或压力具有较敏感的关系;容易解吸,即平衡吸附量与温度或压力具有较敏感的关系; n 有一定的机械强度和耐磨性,性能稳定,较低的床层压有一定的机械强度和耐磨性,性能稳定,较低的床层压降,价格便宜等。降,价格便宜等。n 具有良好的化学稳定性,价廉易得。具有良好的化学稳定性,价廉易得。n3 3. .吸附剂的种类:吸附剂的种类
19、:n 目前工业上常用的吸附剂主要有活性炭,活性氧化铝,硅目前工业上常用的吸附剂主要有活性炭,活性氧化铝,硅胶,分子筛等。胶,分子筛等。n 活性炭活性炭n 活性炭的结构特点:是具有非极性表面,是一种疏水性活性炭的结构特点:是具有非极性表面,是一种疏水性和亲有机物的吸附剂,故又称为非极性吸附剂。和亲有机物的吸附剂,故又称为非极性吸附剂。n 活性炭的优点:是吸附容量大,抗酸耐碱、化学稳定性活性炭的优点:是吸附容量大,抗酸耐碱、化学稳定性好,解吸容易,在高温下进行解吸再生时其晶体结构不发生变好,解吸容易,在高温下进行解吸再生时其晶体结构不发生变化,热稳定性高,经多次吸附和解吸操作,仍能保持原有的吸化,
20、热稳定性高,经多次吸附和解吸操作,仍能保持原有的吸附性能。附性能。n 活性炭常用于溶剂回收、溶液脱色、除臭、精制等过程。活性炭常用于溶剂回收、溶液脱色、除臭、精制等过程。是当前应用最普遍的吸附剂。是当前应用最普遍的吸附剂。n 活性炭的制备:活性炭的制备:n通常所有含碳的物料,如木材,果壳,褐煤等都可以加工成通常所有含碳的物料,如木材,果壳,褐煤等都可以加工成黑炭,经活化制成活性炭。活化方法主要有两种:即药品活化黑炭,经活化制成活性炭。活化方法主要有两种:即药品活化和气体活化。药品活化是在原料中加入药品,如和气体活化。药品活化是在原料中加入药品,如ZnClZnCl2 2、H H3 3POPO4
21、4等,在非活性气体中加热,进行干馏和活化。气体活化是通入等,在非活性气体中加热,进行干馏和活化。气体活化是通入水蒸汽、水蒸汽、COCO2 2、空气等在空气等在70070011001100下反应,使之活化。炭中下反应,使之活化。炭中含水会降低其活性。一般活性炭的活化表面约含水会降低其活性。一般活性炭的活化表面约60060017001700m m2 2/g/g。 n 硅胶硅胶n 硅胶是一种坚硬无定形链状和网状结构的硅酸聚合硅胶是一种坚硬无定形链状和网状结构的硅酸聚合物颗粒,是一种亲水性极性吸附剂。因其是多孔结物颗粒,是一种亲水性极性吸附剂。因其是多孔结构比表面积可达构比表面积可达350350m m
22、2 2g g左右。工业上用的硅胶有球左右。工业上用的硅胶有球型、无定型、加工成型及粉末状四种。主要用于气体的型、无定型、加工成型及粉末状四种。主要用于气体的干燥脱水,催化剂载体及烃类分离等过程。干燥脱水,催化剂载体及烃类分离等过程。n 活性氧化铝活性氧化铝n 活性氧化铝为无定形的多孔结构物质,一般由氧化活性氧化铝为无定形的多孔结构物质,一般由氧化铝的水合物铝的水合物( (以三水合物为主以三水合物为主) )加热,脱水和活化制得,加热,脱水和活化制得,其活化温度随氧化铝水合物种类不同而不同,一般为其活化温度随氧化铝水合物种类不同而不同,一般为250250500500。孔径约从。孔径约从2020 到
23、到5050 。典型的比表面积为典型的比表面积为200200500500m m2 2/g/g。活性氧化铝具有良好的机械强度,可在活性氧化铝具有良好的机械强度,可在移动床中使用。对水具有很强的吸附能力,故主要用于移动床中使用。对水具有很强的吸附能力,故主要用于液体和气体的干燥。液体和气体的干燥。n 分子筛分子筛n 沸石吸附剂是具有特定而且均匀一致孔径的多孔吸附剂,它沸石吸附剂是具有特定而且均匀一致孔径的多孔吸附剂,它只能允许比其微孔孔径小的分子吸附上去,比其大的分子则不能只能允许比其微孔孔径小的分子吸附上去,比其大的分子则不能进入,有分子筛的作用,故称为分子筛。进入,有分子筛的作用,故称为分子筛。
24、n 分子筛分子筛( (合成沸石合成沸石) )一般可用一般可用 M M2/n2/nOalOal2 2O O3 3ySiOySiO2 2wHwH2 2O O式表示的含式表示的含水硅酸盐。其中水硅酸盐。其中M M表示金属离子,多数为钠、钾、钙,也可以是有表示金属离子,多数为钠、钾、钙,也可以是有机胺或复合离子。机胺或复合离子。n n表示复合离子的价数,表示复合离子的价数,y y和和w w分别表示分别表示SiOSiO4 4和和H H2 2O O的分子数,的分子数,y y又称为硅铝比,硅铝比为又称为硅铝比,硅铝比为2 2左右的称为左右的称为A A型分子筛,型分子筛,3 3左右的称为左右的称为X X型分子
25、筛,型分子筛,3 3以上称为以上称为Y Y型分子筛。型分子筛。n 根据原料配比、组成和制造方法不同,可以制成不同孔径根据原料配比、组成和制造方法不同,可以制成不同孔径( (一一般从般从3 3 到到8 8)和形状和形状( (圆形、椭圆形圆形、椭圆形) )的分子筛。分子筛是极性吸附的分子筛。分子筛是极性吸附剂,对极性分子,尤其对水具有很大的亲和力。由于分子筛突出剂,对极性分子,尤其对水具有很大的亲和力。由于分子筛突出的吸附性能,使得它在吸附分离中有着广泛的应用,主要用于各的吸附性能,使得它在吸附分离中有着广泛的应用,主要用于各种气体和液体的干燥,芳烃或烷烃的分离及用作催化剂及催化剂种气体和液体的干
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