第九章吸附分离
第一节概述
9.1.1、吸附现象及其工业应用：
1、吸附分离应用背景：
吸附操作在化工、轻工、炼油、冶金和环保等领域都有着广泛的应用。如气体中水分的脱除，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。
2、吸附的定义及概念：
固体物质表面对气体或液体分子的吸着现象称为吸附。其中被吸附的物质称为吸附质，固体物质称为吸附剂。
3、吸附机理的分类：
根据吸附质和吸附剂之间吸附力的不同，吸附操作分为物理吸附与化学吸附两大类。
⑴、物理吸附或称范德华吸附：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，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。
⑵、化学吸附：是由吸附质与吸附剂分子间化学健的作用所引起，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。化学吸附在催化反应中起重要作用。本章主要讨论物理吸附。
4、吸附机理的判断依据：
⑴、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83740J／mol和62800J／mol，而这两种气体的物理吸附热约为25120J／mol 和8374J／mol。
⑵、化学吸附有较高的选择性。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液体的物理性质及吸附剂的特性。
⑶、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，故又称活化吸附。而物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。
⑷、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，但随着吸附质分压增大，吸附层可能转变成多分子层。
5、吸附剂的再生及方法：
吸附剂的再生，即吸附剂脱附，对吸附过程是非常重要的，通常采用的方法：提高温度或降低吸附质在气相中的分压，这样的结果：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“脱附”，所以物理吸附过程是可逆的。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。
6、吸附分离过程的分类：
目前工业生产中吸附过程主要有如下几种：
①、变温吸附在一定压力下吸附的自由能变化ΔG有如下关系:
ΔG＝ΔH－TΔS （9-1）
式中ΔH为焓变，ΔS为熵变。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ΔH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。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。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。
②、变压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称为变压吸附。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、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。
③、溶剂置换在恒温恒压下，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，同时使吸附剂解吸再生。常用的溶剂有水、有机溶剂等各种极性或非极性物质。
7、吸附分离过程的适用范围：
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。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。
9.1.2、常用吸附剂
1、工业吸附剂的定义：
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。
2、吸附剂的选择原则：
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的一环，一般选择原则为：
①、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；
②、具有良好的吸附选择性；
③、容易解吸，即平衡吸附量与温度或压力具有较敏感的关系；
④、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。
3、吸附剂的种类：
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。
⑴、活性炭
①、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。
②、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化，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。
③、活性炭常用于溶剂回收，溶液脱色、除臭、净制等过程。是当前应用最普遍的吸附剂。
④、活性炭的制备：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：即药品活化和气体活化。药品活化是在原料中加入药品，如ZnCl2、H3PO4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、CO2、空气等在700～1100℃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600～1700m2/g。
⑵、硅胶
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。因其是多孔结构．比表面积可达350m2／g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。主要用于气体的干燥脱水，催化剂载体及烃类分离等过程。
⑶、活性氧化铝
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(以三水合物为主)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250～500℃。孔径约从20?到50?。典型的比表面积为200～500m2/g。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，故主要用于液体和气体的干燥。
⑷、分子筛
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进入，有分子筛的作用，故称为分子筛。
分子筛(合成沸石)一般可用式表示的含水硅酸盐。其中M表
示金属离子，多数为钠、钾、钙，也可以是有机胺或复合离子。n表示复合离子的价数，y和w分别表示SiO4和H2O的分子数，y又称为硅铝比，硅铝比为2左右的称为A型分子筛，3左右的称为X型分子筛，3以上称为Y型分子筛。
根据原料配比、组成和制造方法不同，可以制成不同孔径(一般从3?到8?)和形状(圆形、椭圆形)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载体等。表9-1所示为分子筛的特性与应用。
第二节吸附平衡
§9.2.1 、概念
1、吸附平衡：在一定温度和压力下，当流体(气体或液体)与固体吸附剂经长时间充分接触后，吸附质在流体相和固体相中的浓度达到平衡状态，称为吸附平衡。
2、吸附过程的方向和极限：吸附平衡关系决定了吸附过程的方向和极限，是吸附过程的基本依据。若流体中吸附质浓度高于平衡浓度，则吸附质将被吸附，若流体中吸附质浓度低于平衡浓度，则吸附质将被解吸，最终达吸附平衡，过程停止。
3、吸附平衡的影响因素：单位质量吸附剂的平衡吸附量受到许多因素的影响，如吸附剂的物理结构(尤其是表面结构)和化学组成，吸附质在流体相中的浓度，操作温度等。
§9.2.2 、吸附等温线
与；流体相中
1、吸附平衡关系表示方法，通常用等温下单位质量吸附剂的吸附容量
吸附质的分压
(或浓度C)间的关系表示，称为吸附等温线。由于吸附剂和吸附
质分子间作用力的不同，形成了不同形状的吸附等温线。
对相对压力作图(为该温度下吸附质的饱和蒸汽压)，所得曲线为等
2、以
温线。
3、Brunsucr等将典型的吸附等温线归纳成五类，如书p347图9—1所示。其中Ⅰ、Ⅱ、Ⅳ型对吸附量坐标方向凸出的吸附等温线，称为优惠等温线，它有利于吸附的完全分离，因为当吸附质的分压很低时，吸附剂的吸附量仍保持在较高水平，从而保证痕量吸附质的脱除。Ⅲ、V型曲线在开始一段曲线向吸附量坐标方向下凹，属非优惠吸附等温线。
4、经验方程：吸附作用是固体表面力作用的结果，但这种表面力的性质至今未被充分了解。为了说明吸附作用，许多学者提出了多种假设或理论，但只能解释有限的吸附现象，可靠的吸附等温线只能依靠实验测定。至今，尚未得到一个通用的半经验方程。下面介绍几种常用的经验方程。
⑴、Langmuir方程
a）、朗格缪尔吸附模型假定条件为：
①、吸附是单分子层的，即一个吸附位置只吸附一个分子；
②、被吸附分子之间没有相互作用力；
③、吸附剂表面是均匀的。
上述假定条件下的吸附称为理想吸附。
b）、Langmuir方程的推导过程：
吸附速率与吸附质气体分压和吸附剂表面上吸附位置数成正比。若用"表示吸附剂表面上已被吸附的位置的分率，则吸附速率为：kp(1-θ)。已被吸附的分子会从固体表面逸出，称
为脱附。显然脱附速率与已被吸附的位置数"也成正比，即脱附速率为：k’θ。吸附平衡时，吸附速率与脱附速率相等，即达到了动态吸附平衡，可表示为：
令：则上式变为：
（9-2）
若以表示气体分压为下的吸附量，表示所有的吸附位置被占满时的饱和吸附
量，则：，式(9—2)经整理可得：
（9-3）
式(9—3)称为朗格缪尔吸附等温线方程。
式中——吸附剂的的最大吸附量；
——实际吸附量，
——吸附质在气体混合物中的分压；
——朗格缪尔常数。
c）、Langmuir方程的应用：计算吸附剂的比表面积
式(9—3)还可写成：
(9-4)
如以为纵坐标，为横坐标作图，可得一直线，从该直线斜率可以求出形成单分子层的吸附量，进而可计算吸附剂的比表面积。
d)、朗格缪尔方程适用范围：仅适用于I型等温线，如用活性炭吸附N2 ，Ar，CH4等气体。
⑵、BET方程(Brunauer、Emmett、Teller)
a)、BET模型假定条件
①、吸附剂表面上可扩展到多分子层吸附；
②、被吸附组分之间无相互作用力，而吸附层之间的分子力为范德华力；
③、吸附剂表面均匀；
④、第一层的吸附热为物理吸附热，第二层以上为液化热；
⑤、总吸附量为各层吸附量的总和；
每一层都符合Langmuir公式。
b)、BET模型方程
在以上假设的基础上推导出BET二参数方程为
（9-5）
式中——达到吸附平衡时的平衡吸附量；
——第一层单分子层的饱和吸附量；
——吸附质的平衡分压；
——吸附温度下吸附质气体的饱和蒸汽压；
——与吸附热有关的常数。
c)、BET模型方程的适用范围
式(9—5)的适用范围为＝0.05～0.35，
d）、BET模型方程与Langmuir方程的联系
BET吸附模型是在Langmuir模型基础上建立起来的。Langmuir模型的前提条件是假设在吸附剂表面上只形成单分子层，而BET模型吸附剂表面上可扩展到多分子层吸附；若吸附
质的平衡分压远小于其饱和蒸汽压，即远远小于则:
（9-6）
令，则式(9—6)即为Langmuir方程，所以BET方程是广泛的Langmuir方程
可适用于I、Ⅱ、Ⅲ型等温线。
⑶、Freundlich方程
a）、表达式为：
（9-7）
式中——与吸附剂的种类、特性、温度等有关的常数
——与温度有关的常数，且>1。和都由实验测定。
b)、参数的计算：
将式(9—7)两边取对数得
（9-8）
在对数坐标系中，以为纵坐标，为横坐标作图可得一直线，该直线截距为，斜
率为。若＝0.1～0.5之间，表示吸附容易进行，超过2时，则表示吸附很难进行。式(9—7)在中压部分与实验数据符合得很好，但在低压和高压部分则有较大偏差。对液相吸附，式(9—7)常能给出较满意的结果。
§9.2.3、单一气体(或蒸汽)的吸附平衡
1、吸附平衡的差异：
从上图可以看出：不同的气体(或蒸汽)在相同条件下吸附程度差异较大，如在100℃和相同气体平衡分压下，苯的平衡吸附量比丙酮平衡吸附量大得多。一般规律是
⑴、分子量较大而临界温度较低的气体(或蒸汽)较容易被吸附。
⑵、化学性质的差异，如分子的不饱和程度也影响吸附的难易。
⑶、对于所谓“永久性气体”，通常其吸附量很小，如图中甲烷吸附等温线所示；
⑷、同种气体在不同吸附剂上的平衡吸附量不同，即使是同类吸附剂，若所用原料组成，配比及制备方法不同，其平衡吸附量也会有较大差别。
2、吸附剂两种再生方法的依据：
⑴、升温再生：在某些方面气体在固体吸附剂上的吸附平衡与气体在液相中的溶解度相类似，图9—2表示活性炭上三种物质在不同温度下的吸附等温线，由图可知，对于同一种物质，如丙酮，在同一平衡分压下，平衡吸附量随着温度降低而增加，因为吸附是一个放热过程，所以工业生产中常用升温的方法使吸附剂脱附再生。
⑵、压力再生：同样，在一定温度下，随着气体压力的升高，活性炭上三种物质的平衡吸附量增加。如丙酮在100℃下气相压力为190mmHg时的平衡吸附量为0.2kg丙酮/kg活性炭
(图中点所示)。提高丙酮气体分压可使更多的丙酮被吸附。反之，则将已吸附在活性炭上的丙酮解吸。这也是工业生产中用改变压力的方法使吸附剂脱附再生所依据的基本原理。
3.吸附的滞留现象：
⑴、定义：吸附剂在使用过程中经反复吸附解吸，其微孔和表面结构会发生变化，随之其吸附性能也将发生变化，有时会出现吸附得到的吸附等温线与脱附得到的解吸等温线在一定区间内不能重合的现象，如图9—3所示。这一现象称为吸附的滞留现象。
⑵、特点：在相同的平衡吸附量下，吸附平衡压力一定高于脱附的平衡压力。
§9.2.4、液相吸附平衡
1、溶剂的种类对吸附平衡的影响：
液相吸附的机理比气相吸附复杂，对于同种吸附剂，溶剂的种类对溶质的吸附亦有影响。因为吸附质在溶剂中的溶解度不同，吸附质在不同溶剂中的分子大小不同以及溶剂本身的吸附均对吸附质的吸附有影响。一般说溶质被吸附量随温度升高而降低，溶质的溶解度越大，被吸附量亦越大。
2、溶质的相对吸附量或表观吸附量：
液相吸附时，溶质和溶剂都可能被吸附。因为总吸附量难以测量，所以只能以溶质的相对吸附量或表观吸附量来表示。用已知质量的吸附剂来处理已知体积的溶液，以表示单位
质量吸附剂处理的溶液体积溶液kg吸附剂，由于溶质优先被吸附，溶液中溶质浓度由初
始值降到平衡浓度被吸附溶质溶液，若忽略溶液体积变化，则溶质的表观吸
附量为被吸附质吸附剂。对于稀溶液，溶剂被吸附的分数很小，用这种方法表示吸附量是可行的。
3、液相吸附平衡的表示：
对于稀溶液，在较小温度范围内，吸附等温线可用Freundlich经验方程式表示：
(9-9)
式中和为体系的特性常数。以为纵坐标，为横坐标，在双对数坐标
上作图，式(9—9)表示斜率为，截距为的一条直线。图9—4表示不同溶剂对硅胶吸附苯甲酸的吸附等温线的影响(图中(a)、(b)两线)，(c)线则表示在高浓度范围时，直线有所偏差。可见应用Freundlich式有适宜的浓度范围。
第三节吸附机理和吸附速率
§9.3.1、吸附机理：
1、吸附质被吸附剂吸附的过程可分为三步：
①、外扩散：吸附质从流体主体通过扩散(分子扩散与对流扩散)传递到吸附剂颗粒的外表面。因为流体与固体接触时，在紧贴固体表面处有一层滞流膜，所以这一步的速率主要取决于吸附质以分子扩散通过这一滞流膜的传递速率。
②、内扩散：吸附质从吸附剂颗粒的外表面通过颗粒上微孔扩散进入颗粒内部，到达颗粒的内部表面。
③、吸附：吸附质被吸附剂吸附在内表面上。
2、吸附机理的分类：
对于物理吸附，第三步通常是瞬间完成的，所以吸附过程的速率通常由前二步决定，据内、外扩散速率的相对大小分为：外扩散控制、内扩散控制和内外扩散联合控制三种。
§9.3.2、吸附速率：
1、定义：
当含有吸附质的流体与吸附剂接触时，吸附质将被吸附剂吸附，吸附质在单位时间内被吸附的量称为吸附速率。吸附速率是吸附过程设计与生产操作的重要参量。
2、影响因素：
吸附速率与体系性质(吸附剂、吸附质及其混合物的物理化学性质)、操作条件(温度、压力、两相接触状况)以及两相组成等因素有关。
3、吸附过程不同阶段的吸附速率大小：
对于一定体系，在一定的操作条件下，两相接触、吸附质被吸附剂吸附的过程如下：
⑴开始时，吸附质在流体相中浓度较高，在吸附剂上的含量较低，远离平衡状态，传质推动力大，故吸附速率高。
⑵过程中期，随着过程的进行，流体相中吸附质浓度降低，吸附剂上吸附质含量增高，传质推动力降低吸附速率逐渐下降，
⑶末期平衡时，经过很长时间，吸附质在两相间接近平衡，吸附速率趋近于零。
4、吸附过程为非定态过程，其吸附速率可以表示为吸附剂上吸附质的含量、流体相中吸附质的浓度、接触状况和时间等的函数。
§9.3.3、吸附的传质速率方程：
根据上述机理，对于某一瞬间，按拟稳态处理，吸附速率可分别用外扩散、内扩散或总传质速率方程表示。
1)、外扩散传质速率方程：
吸附质从流体主体扩散到固体吸附剂外表面的传质速率方程为
（9-10）
式中——吸附剂上吸附质的含量，吸附质吸附剂；
——时间，s；
——每千克吸附剂的吸附速率，；
——吸附剂的比外表面，；
——流体相中吸附质的平均浓度，；
——吸附剂外表面上流体相中吸附质的浓度，；
——流体相侧的传质系数，。
与流体物性，颗粒几何形状，两相接触的流动状况以及温度、压力等操作条件有关。有些关联式可供使用，具体可参阅有关专著。
2)、内扩散传质速率方程：
内扩散过程比外扩散过程要复杂得多。按照内扩散机理进行内扩散计算非常困难，把内扩散过程简单地处理成从外表面向颗粒内的传质过程，内扩散传质速率方程为
（9-11）
式中——吸附剂固相侧的传质系数，；
——吸附剂外表面上的吸附质含量，，此处与吸附质在流体相中的浓度C呈平衡；
——吸附剂上吸附质的平均含量，。
与吸附剂的微孔结构性质、吸附质的物性以及吸附过程持续时间等多种因素有
关。值由实验测定。
3)、总传质速率方程：
由于吸附剂外表面处的浓度与无法测定，因此通常按拟稳态处理，将吸附速率用总传质方程表示为
(9-12)
式中——与吸附质含量为的吸附剂呈平衡的流体中吸附质的浓度，；
——与吸附质浓度为C的流体呈平衡的吸附剂占吸附质的含量，；
——以表示推动力的总传质系数，；
——以表示推动力的总传质系数，。
对于稳态传质过程，存在
(9—13) 如果在操作的浓度范围内吸附平衡为直线，
即：
(9—14)
则根据式(9—13)和(9—14)整理可得：
(9—15a)
(9—15b)
式(9—15)表示吸附过程的总传质阻力为外扩散阻力与内扩散阻力之和。
若内扩散很快，过程为外扩散控制，接近，则。若外扩散很快，过程为
内扩散控制，接近于则。
第四节吸附设备与吸附过程计算
§9.4.1、固定床吸附器与固定床吸附过程计算：
1、固定床吸附器：
⑴、形式与结构：
工业上应用最多的吸附设备是固定床吸附器，主要有立式和卧式两种，都是圆柱形容器。图9—6为卧式圆柱形吸附器，两端为球形顶盖，靠近底部焊有横栅条8，其上面放置可拆式铸铁栅条9，栅条上再放金属网(也可用多孔板替代栅条)，若吸附剂颗粒细，可在金属网上先堆放粒度较大的砾石再放吸附剂。图9—7为立式吸附器示意图，基本结构与卧式相同。
⑵、吸附过程的操作方式：
a)、间隙过程：欲处理的流体通过固定床吸附器时，吸附质被吸附剂吸附，流体是由出口流出，操作时吸附和脱附交替进行。
b)、连续过程:通常流程中都装有两台以上吸附器，以便切换使用。图9—8为典型的有两个吸附器轮流切换操作流程的示意图。当A器在吸附时原料气由下方通人(通B器的阀门关闭)，吸附后的原料气从顶部出口排出。与此同时，吸附器B占处于脱附再生阶段，再生用气
体由加热器加热至要求的温度，从顶部进入B器(通A器的阀门关闭)，再生气进入吸附器的流向与原料气相反，再生气携带从吸附剂上脱附的组分从吸附器底部放出，经冷却器冷凝分离，再生气循环使用。如果所带组分不易冷凝，要采用其它方法使之分离。
⑶、优缺点：
a）、优点：结构简单、造价低，吸附剂磨损少。
b）、缺点:
ⅰ）操作麻烦，因是间歇操作，操作过程中两个吸附器需不断地周期性切换；
ⅱ) 单位吸附剂生产能力低，因备用设备虽然装有吸附剂，但处于非生产状态；
ⅲ) 固定床吸附剂床层尚存在传热性能较差，床层传热不均匀等缺点。
2、固定床吸附器的操作特性：
1)、非定态的传质过程
当流体通过固定床吸附剂颗粒层时，床层中吸附剂的吸附量随着操作过程的进行而逐渐增加，同时床层内各处浓度分布也随时间而变化。
(1)过程说明：
吸附器内床层浓度及流出物浓度在整个吸附操作过程中的变化，可结合图9—9来说明。
ⅰ）、未吸附区
吸附质浓度为的流体由吸附器上部加入，自上而下流经高度为的新鲜吸附剂床层。开始时，最上层新鲜吸附剂与含吸附质浓度较高的流体接触，吸附质迅速地被吸附，浓度降低很快，只要吸附剂床层足够，流体中吸附质浓度可以降为零。经过一段时间dl后,吸附器内吸附剂上吸附质含量变化情况如图9—9上部(a)图所示。水平线密度大小表示固定床内吸附剂上吸附质的浓度分布，顶端的吸附剂上吸附质含量高，由上而下吸附剂上吸附质含
量逐渐降低，到一定高度以下的吸附剂上吸附质含量均为零，即仍保持初始状态，称该区
为未吸附区。此时出口流体中吸附质组成近于零。吸附剂上吸附质的组成分布如图9—9(b)
中的线所示。
ⅱ)、吸附传质区、吸附传质区高度
继续操作至时，由于吸附剂不断吸附，吸附器上端有一段吸附剂上吸附质的含量已
经达到饱和，向下形成一段吸附质含量从大到小的形分布的区域，如图9—9(b)中从到
的线所示。这一区域为吸附传质区，其所占床层高度称为吸附传质区高度，此区以下仍是未吸附区。
ⅲ)、饱和区
在饱和区内，两相处于平衡状态，吸附过程停止；从高度处开始，两相又处于不平
衡状态，吸附质继续被吸附剂吸附，随之吸附质在流体中的浓度逐渐降低，至处接近于零，
此后，过程不再进行，如图9—9(c)中的线所示。
ⅳ)、吸附波
吸附传质只在吸附传质区内进行,再继续操作，吸附器上端的饱和区将不断扩大，吸附传质区尤如“波”一样向下移动，故称为吸附波，其移动的速度远低于流体流经床层的速度。
到时，吸附传质区的前端已移至吸附器的出口。
ⅴ）、穿透点与穿透曲线
说明吸附过程达到
从吸附器流出的流体中吸附质浓度突然升高到一定的最高允许值
所谓的“穿透点”。若再继续通人流体，吸附传质区将逐渐缩小，而出口流体中吸附质的浓度将迅速上升，直至吸附传质区几乎全部消失，吸附剂全部饱和，如图9—9上部(d)图所示，
这时出口流体中吸附质浓度接近起始浓度y。。图9—9(a)中流出物浓度曲线上从到段称为“穿透曲线”。实际上吸附操作只能进行到穿透点为止，从过程开始到穿透点所需时间称为穿透时间。
vi)、总吸附量与剩余吸附容量:
图9—9(b)中矩形的面积表示床高为吸附传质区高内的吸附剂的总吸附量，其中阴
影面积表示到穿透点时吸附器剩余的吸附容量。图9—9(a)中矩形的面积表示吸附传质区高的床层内吸附剂的总吸附容量，其中阴影面积表示到穿透点时吸附器剩余的吸附容量。
ⅶ)、吸附负荷曲线与穿透曲线的关系
吸附负荷曲线与穿透曲线成镜面相似，即从穿透曲线的形状可以推知吸附负荷曲线。对吸附速度高而吸附传质区短的吸附过程，其吸附荷曲线与穿透曲线均陡些。
不仅吸附负荷曲线、穿透曲线、吸附传质区高度和穿透时间互相密切相关，而且都与吸附平衡性质、吸附速率、流体流速、流体浓度以及床高等因素有关。一般穿透点随床高的减小，吸附剂颗粒增大，流体流速增大以及流体中吸附质浓度增大而提前出现。所以在一定条
六吸收 浓度换算 甲醇15%(质量)的水溶液, 其密度为970Kg/m3, 试计算该溶液中甲醇的: (1)摩尔分率; (2)摩尔比; (3)质量比; (4)质量浓度; (5)摩尔浓度。 分子扩散 估算1atm及293K下氯化氢气体(HCl)在(1)空气,(2)水(极稀盐酸)中的扩散系数。 一小管充以丙酮,液面距管口1.1cm,20℃空气以一定速度吹过管口,经5 小时后液面下降到离管口2.05cm,大气压为750[mmHg],丙酮的蒸汽压为180[mmHg] , 丙酮液密度为 7900[kg/m3],计算丙酮蒸汽在空气中的扩散系数。 浅盘内盛水。水深5mm,在1atm又298K下靠分子扩散逐渐蒸发到大气中。假定传质阻力相当于3mm厚的静止气层,气层外的水蒸压可忽略,求蒸发完所需的时间。 一填料塔在常压和295K下操作，用水除去含氨混合气体中的氨。在塔内某处，氨在气相中的组成y a=5%(摩尔百分率)。液相氨的平衡分压P=660Pa,物质通量N A = 10 - 4[kmol/m2·S],气相扩散系数D G=[cm2/s],求气膜的当量厚度。 相平衡与亨利定律 温度为10℃的常压空气与水接触，氧在空气中的体积百分率为21%，求达到平衡时氧在水中的最大浓度, （以[g/m3]、摩尔分率表示）及溶解度系数。以[g/m3·atm]及 [kmol/m3·Pa]表示。 当系统服从亨利定律时，对同一温度和液相浓度，如果总压增大一倍则与之平衡的气相浓度(或分压) (A)Y增大一倍; (B)P增大一倍;(C)Y减小一倍; (D)P减小一倍。 25℃及1atm下,含CO220%,空气80%(体积%)的气体1m3，与1m3的清水在容积2m3的密闭容器中接触进行传质,试问气液达到平衡后, (1)CO2在水中的最终浓度及剩余气体的总压为多少? (2)刚开始接触时的总传质推动力ΔP,Δx各为多少？气液达到平衡时的总传质推动力又为多少？
吸附分离技术的应用 陈健古共伟郜豫川 四川天一科技 股份有限公司 610225 吸附分离的应用丰富多彩，广泛应用于石油化工、化工、医药、冶金和电子等工业部门，用于气体分离、干燥及空气净化、废水处理等环保领域。吸附分离技术可以实现常温空气分离氧氮，酸性气体脱除，从各种气体中分离回收氢气、、CO、甲烷、乙烯等。 CO 2 一、吸附分离在空气净化上的应用 吸附分离在空气净化领域有广泛的应用。如空气干燥、臭气和酸气脱除及回收、清除挥发性有机物等。 空气干燥 空气中通常含有一定水分，而这种水分在很多场合是有害的，必须被除去。吸附法是除去空气中水分最常用的方法之一。 硅胶和活性氧化铝是通用的干燥剂，分子筛在某些场合也被用作干燥剂。在一些应用场合吸附剂不需要再生，但在另一些场合则需要再生重复使用。非再生（一次性使用）的吸附剂被用作包装干燥剂、双层(dual pane)窗户中的干燥剂、制冷和空调系统中的干燥剂等。硅胶是包装中最常用的作为干燥剂的吸附剂。吸附剂在很多场合上的应用是需要再生的，因为吸附剂的成本太高而不允许一次性使用。再生可以采用变温吸附（TSA）和变压吸附（PSA）两种方式。
为了防止热交换器在低温下冻结堵塞，作为深冷法空分装置原料的空气必须有是无水和无CO 2 的，空气必须进行干燥和净化，这里吸附剂作用的是13X分子筛。作为吸附法常温分离氧氮原料的空气也需干燥，干燥剂可用活性氧化铝等。 PSA最初的一个工业使用是气体干燥，采用两床Skarstrom循环工艺。该循环使用吸附、逆向放压、逆向冲洗和顺向升压过程，生产水分含量小于1ppm的干燥空气流。约一半的仪表空气干燥器使用类似的PSA循环。 ) 脱除无机污染物 工业生产中产生大量的CO 2、SO 2 和NO x 等酸性有害气体，它们会引起温室效 应、酸雨等现象，破坏地球和人们的生活环境。随着工业化发展，这些气体的危害程度越来越大，因此人们在致力于开发各种方法来治理这些有害气体。其中吸附分离的方法是有效的治理方法之一。 一些无机污染物可通过TSA过程除去。Sulfacid和Hitachi固定床工艺、Sumitomo和BF移动床工艺及Westvaco流化床工艺都使用活性碳吸附剂脱除SO 2 。 丝光分子筛、13X型分子筛、硅胶、泥煤和活性碳等是良好的NO x 吸附剂。在有 氧存在时，分子筛不仅能吸附NO x ，还能将NO氧化成NO 2 。通入热空气（或空气 与蒸汽的混合物）解吸，可回收HNO 3或NO 2 。硝酸尾气中的NO x 经过吸附处理可 控制在50ppm以下。吸附法还可用于其它低浓度NO x 废所的治理。从烟道气脱除 NO x 也可采用吸附方法。国内采用吸附法治理NO x 废气技术已由四川天一科技股份 有限完成工业性试验并在硝酸生产厂得到应用。 近年四川天一科技股份有限公司在该法的研究开发上取得较大进展，研制了对NO x 有强吸附能力的专用吸附剂并对工艺过程作出改进。与其它方法相比，变压吸附硝酸尾气治理技术有以下特点： ①尾气中的NO x 被分离和浓缩后返回吸收塔，可提高硝酸生产总收率2%－5%；
6-1 已知在101.3 kPa(绝对压力下)，100 g 水中含氨1 g 的溶液上方的平衡氨气分压为987 Pa 。试求： (1) 溶解度系数H (kmol ·m -3·Pa -1)； (2) 亨利系数E(Pa)； (3) 相平衡常数m ； (4) 总压提高到200 kPa(表压)时的H ，E ，m 值。 （假设：在上述范围内气液平衡关系服从亨利定律，氨水密度均为1000 3/m kg ） 解：（1）根据已知条件 Pa p NH 987*3= 3/5824.01000 /10117 /13m kmol c NH == 定义 333*NH NH NH H c p = () Pa m kmol p c H NH NH NH ??==-34/109.5333 （2）根据已知条件可知 0105.018 /10017/117 /13=+= NH x 根据定义式 333*NH NH NH x E p = 可得 Pa E NH 41042.93?= （3）根据已知条件可知
00974.0101325/987/* *33===p p y NH NH 于是得到 928.0333*==NH NH NH x y m （4）由于H 和E 仅是温度的函数，故3NH H 和3NH E 不变；而 p E px Ex px p x y m ====** ，与T 和p 相关，故309.0928.03 1' 3 =?=NH m 。 分析（1）注意一些近似处理并分析其误差。 （2）注意E ，H 和m 的影响因素，这是本题练习的主要内容之一。 6-2 在25℃下，CO 2分压为50 kPa 的混合气分别与下述溶液接触： (1) 含CO 2为0.01 mol/L 的水溶液； (2) 含CO 2为0.05 mol/L 的水溶液。 试求这两种情况下CO 2的传质方向与推动力。 解： 由亨利定律得到 * 2 250CO CO Ex kPa p == 根据《 化工原理》 教材中表 8-1 查出 ()kPa E CO 51066.1252?=℃ 所以可以得到 4 *1001.32 -?=CO x 又因为 ()()345 25/10347.318 1066.11000 22 2m kPa kmol EM H O H O H CO ??=??= ≈ -ρ℃ 所以得
第五章 吸收 相组成的换算 【5-1】 空气和2的混合气体中，2的体积分数为20%，求其摩尔分数y 和摩尔比Y 各为多少？ 解 因摩尔分数=体积分数，.02y =摩尔分数 摩尔比 ..020251102 y Y y = ==--． 【5-2】 20℃的l00g 水中溶解3, 3在溶液中的组成用摩尔分数x 、浓度c 及摩尔比X 表示时，各为多少？ 解 摩尔分数//117 =0．010*******／18 x = + 浓度c 的计算20℃，溶液的密度用水的密度./39982s kg m ρ=代替。 溶液中3的量为 /3 11017n kmol -=? 溶液的体积 /.3 3101109982 V m -=? 溶液中 3的浓度//.333 11017==0．581／101109982 n c kmol m V --?=? 或 . 39982 00105058218 s s c x kmol m M ρ= = ?=．．／ 3 与水的摩尔比的计算 //117 0010610018 X = =． 或 ..00105001061100105 x X x = ==--． 【5-3】进入吸收器的混合气体中，3的体积分数为10%，吸收率为90%，求离开吸收器时3的组成，以摩尔比Y 和摩尔分数y 表示。 吸收率的定义为
12 2 11 1Y Y Y Y Y η-= ==-被吸收的溶质量原料气中溶质量 解 原料气中3的摩尔分数0.1y = 摩尔比 (11) 101 01111101 y Y y = ==-- 吸收器出口混合气中3的摩尔比为 () (2) 1 1109011100111Y Y η=-=-?=（） 摩尔分数 (22) 200111 =0010981100111 Y y Y = =++ 气液相平衡 【5-4】 l00g 水中溶解lg 3 NH ，查得20℃时溶液上方3 NH 的平衡 分压为798。此稀溶液的气液相平衡关系服从亨利定律，试求亨利系数E(单位为kPa )、溶解度系数H[单位为/()3 kmol m kPa ?]和相平衡常数m 。 总压为100kPa 。 解 液相中3 NH 的摩尔分数/.//117 0010511710018 x = =+ 气相中3NH 的平衡分压 *.0798 P kPa ＝ 亨利系数 *./.0798*******E p x ===／ 液相中3NH 的浓度 /./.333 11017 0581 101109982 n c kmol m V --?===?／ 溶解度系数 /*./../()3 058107980728H c p kmol m kPa ===? 液相中3NH 的摩尔分数 //117 0010511710018 x = =+．／ 气相的平衡摩尔分数 **.0798100y p p ==／／ 相平衡常数 * (0798) 07610000105 y m x == =? 或 //.76100076m E p === 【5-5】空气中氧的体积分数为21%，试求总压为.101325kPa ，温度为10℃时，3 1m 水中最大可能溶解多少克氧？已知10℃时氧在水中的
6-1 已知在 kPa(绝对压力下)，100 g 水中含氨1 g 的溶液上方的平衡氨气分压为987 Pa 。试求： (1) 溶解度系数H (kmol ·m -3·Pa -1)； (2) 亨利系数E(Pa)； (3) 相平衡常数m ； (4) 总压提高到200 kPa(表压)时的H ，E ，m 值。 （假设：在上述范围内气液平衡关系服从亨利定律，氨水密度均为 10003/m kg ） 解：（1）根据已知条件 Pa p NH 987*3= 3/5824.01000 /10117 /13m kmol c NH == 定义 333*NH NH NH H c p = () Pa m kmol p c H NH NH NH ??==-34/109.5333 （2）根据已知条件可知 0105.018 /10017/117 /13=+= NH x 根据定义式 333*NH NH NH x E p = 可得 Pa E NH 41042.93?= （3）根据已知条件可知 00974.0101325/987/* *33===p p y NH NH 于是得到 928.0333*==NH NH NH x y m （4）由于H 和E 仅是温度的函数，故3NH H 和3NH E 不变；而 p E px Ex px p x y m ====** ，与T 和p 相关，故309.0928.03 1' 3 =?=NH m 。 分析（1）注意一些近似处理并分析其误差。 （2）注意E ，H 和m 的影响因素，这是本题练习的主要内容之一。
6-2 在25℃下，CO 2分压为50 kPa 的混合气分别与下述溶液接触： (1) 含CO 2为 mol/L 的水溶液； (2) 含CO 2为 mol/L 的水溶液。 试求这两种情况下CO 2的传质方向与推动力。 解： 由亨利定律得到 * 2 250CO CO Ex kPa p == 根据《 化工原理》 教材中表 8-1 查出 ()kPa E CO 51066.1252?=℃ 所以可以得到 4 *1001.32 -?=CO x 又因为 ()()3 45 25/10347.318 1066.1100022 2m kPa kmol EM H O H O H CO ??=??= ≈ -ρ℃ 所以得 3 4*/0167.05010347.32 22m kmol p H c CO CO CO =??==- 于是：（1）为吸收过程，3/0067.0m kmol c =?。 （2）为解吸过程，3/0333.0m kmol c =?。 分析 （1）推动力的表示方法可以有很多种，比如，用压力差表示时： ① kPa H c p CO CO CO 9.2910347.301 .04 * 2 22 =?= = - 推动力 kPa p 1.20=?（吸收）
第十四章色谱法分离原理 一．教学内容 1.色谱分离的基本原理和基本概念 2.色谱分离的理论基础 3.色谱定性和定量分析的方法 二．重点与难点 1.塔板理论，包括流出曲线方程、理论塔板数(n)及有效理论塔板数 (n e f f)和塔板高度(H)及有效塔板高度(H e f f)的计算 2.速率理论方程 3.分离度和基本分离方程 三．教学要求 1.熟练掌握色谱分离方法的原理 2.掌握色谱流出曲线（色谱峰）所代表的各种技术参数的准确含义 3.能够利用塔板理论和速率理论方程判断影响色谱分离各种实验因素 4.学会各种定性和定量的分析方法 四．学时安排4学时 第一节概述 色谱法早在1903年由俄国植物学家茨维特分离植物色素时采用。他在研究植物叶的色素成分时，将植物叶子的萃取物倒入填有碳酸钙的直立玻璃管内，然后加入石油醚使其自由流下，结果色素
中各组分互相分离形成各种不同颜色的谱带。这种方法因此得名为色谱法。以后此法逐渐应用于无色物质的分离，“色谱”二字虽已失去原来的含义.但仍被人们沿用至今。 在色谱法中，将填入玻璃管或不锈钢管内静止不动的一相（固体或液体）称为固定相；自上而下运动的一相（一般是气体或液体）称为流动相；装有固定相的管子（玻璃管或不锈钢管）称为色谱柱。当流动相中样品混合物经过固定相时，就会与固定相发生作用，由于各组分在性质和结构上的差异，与固定相相互作用的类型、强弱也有差异，因此在同一推动力的作用下，不同组分在固定相滞留时间长短不同，从而按先后不同的次序从固定相中流出。 从不同角度，可将色谱法分类如下： 1.按两相状态分类 气体为流动相的色谱称为气相色谱（G C） 根据固定相是固体吸附剂还是固定液（附着在惰性载体上的 一薄层有机化合物液体），又可分为气固色谱（G S C）和气液色谱（GL C）。液体为流动相的色谱称液相色谱（LC） 同理液相色谱亦可分为液固色谱（L SC）和液液色谱（L LC）。超临界流体为流动相的色谱为超临界流体色谱（SF C）。随着色谱工作的发展，通过化学反应将固定液键合到载体表面，这种化学键合固定相的色谱又称化学键合相色谱（CB PC）. 2.按分离机理分类 利用组分在吸附剂（固定相）上的吸附能力强弱不同而得以分离的方法，称为吸附色谱法。 利用组分在固定液（固定相）中溶解度不同而达到分离的方法称为分配色谱法。 利用组分在离子交换剂（固定相）上的亲和力大小不同而达到分离的方法，称为离子交换色谱法。 利用大小不同的分子在多孔固定相中的选择渗透而达到分离
第五章 吸收 相组成的换算 【5-1】 空气和CO 2的混合气体中，CO 2的体积分数为20%，求其摩尔分数y 和摩尔比Y 各为多少？ 解 因摩尔分数=体积分数，.02y =摩尔分数 摩尔比 ..02 0251102 y Y y = ==--． 【5-2】 20℃的l00g 水中溶解lgNH 3, NH 3在溶液中的组成用摩尔分数x 、浓度c 及摩尔比X 表示时，各为多少？ 解 摩尔分数//117 =0．010*******／18 x = + 浓度c 的计算20℃，溶液的密度用水的密度./39982s kg m ρ=代替。 溶液中NH 3的量为 /3 11017n k m o l -=? 溶液的体积 /.33101109982 V m -=? 溶液中NH 3的浓度//.333 11017==0．581／101109982 n c kmol m V --?=? 或 . 39982 00105058218 s s c x kmol m M ρ= = ?=．．／ NH 3与水的摩尔比的计算 或 ..00105001061100105 x X x = ==--． 【5-3】进入吸收器的混合气体中，NH 3的体积分数为10%，吸收率为90%，求离开吸收器时NH 3的组成，以摩尔比Y 和摩尔分数y 表示。 吸收率的定义为 解 原料气中NH 3的摩尔分数0.1y = 摩尔比 (11101) 01111101 y Y y = ==-- 吸收器出口混合气中NH 3的摩尔比为 摩尔分数 (22200111) =0010981100111 Y y Y = =++ 气液相平衡 【5-4】 l00g 水中溶解lg 3 NH ，查得20℃时溶液上方3NH 的平衡分压为798Pa 。此稀溶液的气液相平衡关系服从亨利定律，试求亨利系数E(单位为kPa )、溶解度系数H[单位为/()3kmol m kPa ?]和相平衡常数m 。总压为100kPa 。 解 液相中3NH 的摩尔分数/.//117 0010511710018 x = =+ 气相中3NH 的平衡分压 *.0798 P k P a ＝
1、列举一个给你日常生活带来很大益处，而且是得益于分离科学的事例。分析解决这个分离问题时可采用哪几种分离方法，这些分离方法分别依据分离物质的那些性质。 2、中国科学家屠呦呦因成功研制出新型抗疟疾药物青蒿素，获得2015年诺贝尔医学奖。青蒿素是从中医文献中得到的启发，用现代化学方法提取的，请通过查阅资料说明提取分离中药有效成分都有哪些具体的实施方法。 3、了解国内纯净水生产的主要分离技术是什么，该技术掉了原水中的哪些物质（写出详细工艺流程）。 4、活性炭和碳纳米管是否有可能用来做固相萃取的填料？如果可以，你认为它们对溶质的保留机理会是一样的吗？ 5、固体样品的溶剂萃取方法有哪几种，从原理、设备及复杂程度、适用物质对象和样品、萃取效果等方面总结各方法的特点。 1答：海水的淡化可采用膜分离技术 膜分离技术( Membrane Separation，MS) 是利用具有选择透过性的天然或人工合成的薄膜作为分离介质，以外界能量或化学位差为推动力，对双组分或多组分药材进行分离、分级、提纯或富集的技术。膜分离技术包括微滤、纳滤、超滤和反渗透等。 2答： 1．经典的提取分离方法传统中草药提取方法有：溶剂提取法、水蒸汽蒸馏法两种。溶剂提取法有浸渍法、渗源法、煎煮法、回流提取法、连续提取等。分离纯化方法有，系统溶剂分离法、两相溶剂举取法、沉淀法、盐析法、透析法、结晶法、分馏法等。 2．现代提取分离技术超临界流体萃取法、膜分离技术、超微粉碎技术、中药絮凝分离技术、半仿生提取法、超声提取法、旋流提取法、加压逆流提取法、酶法、大孔树脂吸附法、超滤法、分子蒸馏法。 超临界流体萃取法（SFE）：该技术是80年代引入中国的一项新型分离技术。其原理是以一种超临界流体在高于临界温度和压力下，从目标物中萃取有效成分，当恢复到常压常温时，溶解在流体中成分立即以溶于吸收液的
第六讲吸附与离子交换6学时 一、通过本章学习应掌握的问题 1、什么是吸附过程？ 2、吸附的类型有哪些？它们是如何划分的？ 3、常用的吸附剂种类有哪些？ 4、什么是吸附等温线？其意义何在？ 5、影响吸附过程的因素有哪些？ 6、什么是亲和吸附？其特点有哪些？ 7、常用的吸附单元操作有哪些方式？ 8、什么是离子交换？ 9、离子交换树脂的分类？其主要的理化性质有哪些？ 10、离子交换的机理是什么？ 11、什么是离子交换的选择性？其选择性受哪些因素影响？ 12、基本的离子交换操作是怎样的？ 13、如何利用离子交换法分离蛋白质？ 二、什么是吸附？（Adsorption） 1、吸附是利用吸附剂对液体或气体中某一组分具有选择性吸附的能力，使其富集在吸附剂表面的过程。 2、吸附过程通常包括：待分离料液与吸附剂混合、吸附质被吸附到吸附剂表面、料液流出、吸附质解吸回收等四个过程。 三、常见的吸附类型及其主要特点
1、物理吸附：吸附作用力为分子间引力、无选择性、无需高活化能、吸附层可以是单层，也可以是多层、吸附和解吸附速度通常较快。 2、化学吸附：吸附作用力为化学键合力，需要高活化能、只能以单分子层吸附，选择性强、吸附和解吸附速度较慢。 四、常用吸附剂种类 吸附剂通常应具备以下特征：对被分离的物质具有较强的吸附能力、有较高的吸附选择性、机械强度高、再生容易、性能稳定、价格低廉。 1、活性炭：是非极性吸附剂，因此在水中吸附能力大于有机溶剂中的吸附能力针对不同的物质，活性炭的吸附规律遵循以下规律： （1）对极性基团多的化合物的吸附力大于极性基团少的化合物 （2）对芳香族化合物的吸附能力大于脂肪族化合物; （3）对相对分子量大的化合物的吸附力大于相对分子量小的化合物; （4）pH值的影响碱性中性吸附酸性洗脱; 酸性中性吸附碱性洗脱; （5）温度未平衡前随温度升高而增加; 2、大孔网状吸附剂 特点：脱色去臭效果理想；对有机物具有良好的选择性；物化性质稳定；机械强度好；吸附速度快；解吸、再生容易。 但价格昂贵，吸附效果易受流速以及溶质浓度等因素的影响。 大孔网状吸附树脂的种类：
第五章 吸收 相组成的换算 【5-1】 空气和 CO 2 的混合气体中， CO 2的体积分数为 20%，求其摩尔分数 y 和摩尔比 Y 各为多少？ 解 因摩尔分数 =体积分数， y 0.2 摩尔分数 y 0 2 摩尔比 Y . 025． 1 y 1 0 2 . 【5-2】 20℃的 l00g 水中溶解 lgNH 3, NH 3 在溶液中的组成用摩尔分数 x 、浓度 c 及摩尔 比 X 表示时，各为多少？ 解 摩尔分数 x 1 / 17 =0．0105 1 / 17 100／18 浓度 c 的计算 20℃，溶液的密度用水的密度 s 998 .2kg / m 3 代替。 3 n 1 10 3 / 17kmol 溶液中 NH 的量为 溶液的体积 V 101 10 3 / 998.2 m 3 溶液中 NH 3 的浓度 n 1 10 3 /17 3 c = =0．581 ／ m V 101 10 3 998 2 kmol /. s 998 2 3 或 c x . 0 0105 0 582 M s 18 ． ． kmol ／m NH 3 与水的摩尔比的计算 1 /17 X 0．0106 100 / 18 x 0 0105 或 X . 0．0106 1 x 1 0 0105 . 【 5-3 】进入吸收器的混合气体中， NH 3 的体积分数为 10%，吸收率为 90%，求离开吸收器 时 NH 3 的组成，以摩尔比 Y 和摩尔分数 y 表示。 吸收率的定义为 被吸收的溶质量 Y 1 Y 2 1 Y 2 原料气中溶质量 1 1 Y Y 解 原料气中 NH 3 的摩尔分数 y 0.1 1 0 1 摩尔比 1 y . 0 111 1 1 0 1 Y 1 y . 吸收器出口混合气中 NH 3 的摩尔比为 Y 1 Y （1 09）0111 0 0111 2 ( ) 1 .. . 摩尔分数 Y 2 = 0 0111 0 01098 y 2 1 1 . Y 2 0 0111 . . 气液相平衡 【 5-4 】 l00g 水中溶解 lg NH 3 ，查得 20℃时溶液上方 NH 3 的平衡分压为 798Pa 。此稀
化工原理(下册)第六章吸收习题答案解析
6-1 已知在101.3 kPa(绝对压力下)，100 g 水中含氨1 g 的溶液上方的平衡氨气分压为987 Pa 。试求： (1) 溶解度系数H (kmol ·m -3·Pa -1)； (2) 亨利系数E(Pa)； (3) 相平衡常数m ； (4) 总压提高到200 kPa(表压)时的H ，E ，m 值。 （假设：在上述范围内气液平衡关系服从亨利定律，氨水密度均为10003/m kg ） 解：（1）根据已知条件 Pa p NH 987*3= 3/5824.01000 /10117 /13m kmol c NH == 定义 333*NH NH NH H c p = () Pa m kmol p c H NH NH NH ??==-34/109.5333 （2）根据已知条件可知 0105.018 /10017/117 /13=+= NH x 根据定义式 333*NH NH NH x E p = 可得 Pa E NH 41042.93?= （3）根据已知条件可知 00974.0101325/987/* *33===p p y NH NH 于是得到 928.0333*==NH NH NH x y m （4）由于H 和E 仅是温度的函数，故3NH H 和3NH E 不变；而 p E px Ex px p x y m ====** ，与T 和p 相关，故309.0928.03 1' 3 =?=NH m 。 分析（1）注意一些近似处理并分析其误差。 （2）注意E ，H 和m 的影响因素，这是本题练习的主要内容之一。
6-2 在25℃下，CO 2分压为50 kPa 的混合气分别与下述溶液接触： (1) 含CO 2为0.01 mol/L 的水溶液； (2) 含CO 2为0.05 mol/L 的水溶液。 试求这两种情况下CO 2的传质方向与推动力。 解： 由亨利定律得到 * 2 250CO CO Ex kPa p == 根据《 化工原理》 教材中表 8-1 查出 ()kPa E CO 51066.1252?=℃ 所以可以得到 4 *1001.32 -?=CO x 又因为 ()()3 45 25/10347.318 1066.1100022 2m kPa kmol EM H O H O H CO ??=??= ≈ -ρ℃ 所以得 3 4*/0167.05010347.32 22m kmol p H c CO CO CO =??==- 于是：（1）为吸收过程，3/0067.0m kmol c =?。 （2）为解吸过程，3/0333.0m kmol c =?。 分析 （1）推动力的表示方法可以有很多种，比如，用压力差表示时： ① kPa H c p CO CO CO 9.2910347.301 .04 * 2 22 =?= = - 推动力 kPa p 1.20=?（吸收）
浓度换算 2.1 甲醇15%(质量)的水溶液, 其密度为970Kg/m 3, 试计算该溶液中甲醇的 (1) 摩尔分率; (2)摩尔比; (3)质量比; (4)质量浓度; (5)摩尔浓度。 分子扩散 2.2估算1atm及293K下氯化氢气体(HCI)在⑴空气,(2)水(极稀盐酸)中的扩散系数。 2.3 一小管充以丙酮，液面距管口1.1cm,20 C空气以一定速度吹过管口，经5小时后液面下降到离管口 2.05cm,大气压为750[mmHg],丙酮的蒸汽压为180[mmHg],丙酮液密度为7900[kg/m 3], 计算丙酮蒸汽在空气中的扩散系数。 2.4浅盘内盛水。水深5mm,在1atm又298K下靠分子扩散逐渐蒸发到大气中。假定传质阻力相当于3mm 厚的静止气层,气层外的水蒸压可忽略,求蒸发完所需的时间。 2.5 一填料塔在常压和295K 下操作，用水除去含氨混合气体中的氨。在塔内某处，氨在气相中的组成y a=5%(摩尔百分率)。液相氨的平衡分压P=660Pa,物质通量N A = 10 - 4[kmol/m 2 S],气相扩散系数D G=0.24[cm2/s],求气膜的当量厚度。 相平衡与亨利定律 2.6温度为10C的常压空气与水接触，氧在空气中的体积百分率为21%,求达到平衡时氧在 水中的最大浓度，(以[g/m3]、摩尔分率表示)及溶解度系数。以[g/m3atm]及[kmol/m 3 Pa]表示。 2.7 当系统服从亨利定律时，对同一温度和液相浓度，如果总压增大一倍则与之平衡的气相浓度(或分压) (A)Y 增大一倍; (B)P 增大一倍;(C)Y 减小一倍; (D)P 减小一倍。 2.8 25 C及1atm下,含CO220%,空气80%(体积%)的气体1m3,与1m3的清水在容积2m3的密闭容器中接触进行传质,试问气液达到平衡后, (1) CO2在水中的最终浓度及剩余气体的总压为多少？ ⑵刚开始接触时的总传质推动力△ P, △各为多
一、单选题 1．用纯溶剂吸收混合气中的溶质。逆流操作，平衡关系满足亨利定律。当入塔气体浓度y 1 上升，而其它入 塔条件不变，则气体出塔浓度y 2 和吸收率?的变化为：（）。C （A）y 2上升，?下降（B）y 2 下降，?上升 （C）y 2上升，?不变（D）y 2 上升，?变化不确定 2．在填料塔中，低浓度难溶气体逆流吸收时，若其它条件不变，但入口气量增加，则气相总传质单元数（）。 B A 增加 B减少 C不变 D不定 3．在填料塔中，低浓度难溶气体逆流吸收时，若其它条件不变，但入口气量增加，则出口气体组成将（）。A A 增加 B减少 C不变 D不定 4．在填料塔中，低浓度难溶气体逆流吸收时，若其它条件不变，但入口气量增加，则出口液体组成（）。A A 增加 B减少 C不变 D不定 5．低浓度的气膜控制系统，在逆流吸收操作中，若其它条件不变，但入口液体组成增高时，则气相总传质单元数将（）。 C A 增加 B减少 C不变 D不定 6．低浓度的气膜控制系统，在逆流吸收操作中，若其它条件不变，但入口液体组成增高时，则气相总传质单元高度将（）。 C A 增加 B减少 C不变 D不定
7．低浓度的气膜控制系统，在逆流吸收操作中，若其它条件不变，但入口液体组成增高时，则气相出口组成将（）。 A A 增加 B减少 C不变 D不定 8．低浓度的气膜控制系统，在逆流吸收操作中，若其它条件不变，但入口液体组成增高时，则液相出口组成将（）。 A A 增加 B减少 C不变 D不定 9．正常操作下的逆流吸收塔，若因某种原因使液体量减少以至液气比小于原定的最小液气比时，下列哪些情况将发生？ C （A）出塔液体浓度增加，回收率增加 （B）出塔气体浓度增加，但出塔液体浓度不变 （C）出塔气体浓度与出塔液体浓度均增加 （D）在塔下部将发生解吸现象 10．最大吸收率与（）无关。 D A 液气比 B液体入塔浓度 C相平衡常数 D吸收塔型式 11．逆流填料吸收塔，当吸收因数A<1且填料为无穷高时，气液两相将在（）达到平衡。 B A 塔顶 B塔底 C塔中部 D塔外部 12．某吸收过程，已知k y = 4?10-1 kmol/m2.s，k x = 8?10-4 kmol/m2.s，由此可知该过程为（）。 A A 液膜控制 B气膜控制 C判断依据不足 D液膜阻力和气膜阻力相差不大 二、填空题
1 吸附分离技术和理论 4 吸附概述吸附法(adsorption method)：利用吸附剂对活性物质和杂质间吸附能力的差异，将样品中的生物活性物质或杂质吸附于适当的吸附剂上，达到浓缩和提纯目的的方法。 5 典型的吸附过程包括四个步骤： 6 吸附法特点优点：(1)设备简单、操作简便、价廉、安全。(2)少用或不用有机溶剂，吸附过程中pH变化小，较少引起生物活性物质的变性失活。缺点：(1) 选择性差，收率不高。(2)一些无机吸附剂性能不稳定 7常用的吸附剂大网格树脂聚合物吸附剂活性碳：助滤，脱色，去热原氧化铝硅胶羟基磷灰石（磷酸钙））沸石分子筛 8吸附法的发展吸附法在各种层析技术中应用最早一战期间发展起来的活性炭吸附后来使用的凝胶型离子交换树脂、分子筛和纤维素等近些年发展的大网格吸附剂 9吸附的基本原理 10吸附法基本原理界面上的分子同时受到不相等的两相分子的作用力，界面分子的力场不饱和，即存在一种固体的表面力，能从外界吸附分子、原子或离子，并在吸附剂表面附近形成多分子层或单分子层。 12吸附作用力:定向力,诱导力,色散力定向力:极性分子间产生的作用力,分子极性越大,定向力越大,与热力学温度成反比. 诱导力:极性分子和非极性分子之间的吸引力,与温度无关. 色散力:非极性分子之间的引力,随最外层电子数增多而增加,不取决于温度. 13吸附作用：物质从流体相（气体或液体）浓缩到固体表面从而达到分离的过程称为吸附作用吸附剂：在表面上能发生吸附作用的固体微粒称为吸附剂吸附物：被吸附的物质称为吸附物。 14 吸附的类型（1）物理吸附: 放热，可逆，单分子层或多分子层，选择性差（2）化学吸附: 放热量大，单分子，选择性（3）交换吸附: 吸附剂吸附后同时放出等当量的离子到溶液中正吸附：吸有效成分负吸附：吸杂质 15物理吸附与化学吸附的特点 16发酵工业常用的吸附剂可分为:疏水或非极性吸附剂:从极性溶媒(如水)内吸附溶质,典型吸附剂是活性炭.亲水或极性吸附剂:适用于非极性或极性较小的溶媒,如硅胶,氧化铝,活性土等.离子交换树脂吸附剂:属于极性吸附剂,因为是两性化合物,具有离子交换剂的性质. 17影响吸附的因素 1.吸附剂的特性吸附容量（吸附剂表面积越大，吸附量越多比表面积：每克吸附剂所具有的表面积粉碎、粉末吸附剂人工集合 活化可增加吸附剂的吸附容量活化：通过处理使其表面具有一定的吸附特性或增加表面积吸附速度：颗粒度、孔径机械强度（使用寿命） 18 2.吸附物的性质（1）能使表面张力降低的物质易为表面吸附（2）极性吸附剂易吸附极性物质，非极性吸附剂易吸附非极性物质（3）溶质从较易溶解的溶剂
第五章 吸收 相组成的换算 【5-1】 空气和CO 2的混合气体中，CO 2的体积分数为20%，求其摩尔分数y 和摩尔比Y 各为多少？ 解 因摩尔分数=体积分数，.02y =摩尔分数 摩尔比 ..020251102 y Y y = ==--． 【5-2】 20℃的l00g 水中溶解lgNH 3, NH 3在溶液中的组成用摩尔分数x 、浓度c 及摩尔比X 表示时，各为多少？ 解 摩尔分数//117 =0．010*******／18 x = + 浓度c 的计算20℃，溶液的密度用水的密度./39982s kg m ρ=代替。 溶液中NH 3的量为 /311017n kmol -=? 溶液的体积 /.33101109982 V m -=? 溶液中NH 3的浓度//.333 11017 ==0．581／101109982 n c kmol m V --?=? 或 . 39982 00105058218 s s c x kmol m M ρ= = ?=．．／ NH 3与水的摩尔比的计算 //117 0010610018 X = =． 或 ..00105001061100105 x X x = ==--． 【5-3】进入吸收器的混合气体中，NH 3的体积分数为10%，吸收率为90%，求离开吸收器时NH 3的组成，以摩尔比Y 和摩尔分数y 表示。 吸收率的定义为 12 211 1Y Y Y Y Y η-= ==-被吸收的溶质量原料气中溶质量 解 原料气中NH 3的摩尔分数0.1y = 摩尔比 (11101) 01111101 y Y y = ==-- 吸收器出口混合气中NH 3的摩尔比为 ()...211109011100111Y Y η=-=-?=（） 摩尔分数 (22200111) =0010981100111 Y y Y = =++ 气液相平衡
第六章吸收 § 1 概述 一、化学工业或食品工业中的传质过程 1、气体—液体系统 1）吸收：物质由气相转移到液相。 2）脱吸（解吸）：物质由液相转移到气相。 3）气体增湿；湿分由液相转移到气相。 4）气体减湿；湿分由气相转移到液相。 水果储藏温度为4o C，相对湿度为85%。 2、蒸汽—液体系统 精馏 3、液体—液体系统 液—液萃取：物质由某一液相转移到互不相溶的另一液相。 4、液体—固体系统 1）结晶：物质由液相向固相转移。 2）液—固萃取（浸取）：物质由液相向固相转移。 3）液体吸附：物质由液相转移到固相表面。 5、气体—固体系统 1）干燥：液体物质由固相表面或内部转移到气相。 2）气体吸附：物质由气相转移到固相表面。 二、相组成的表示方法 1、质量分率a与摩尔分率x
1) 质量分率a ：某组分的质量占总质量的百分率。 2) 摩尔分率x ：某组分的摩尔量占总摩尔量的百分率。 3）质量分率a 与摩尔分率x 的换算 B B A A A A A M x M x M x a ?+??= B B A A A A A M a M a M a x += 2、质量比a 和摩尔比X Y 1）质量比a ： B A m m a = 2）摩尔比X ；Y ： B A n n X = 3、质量浓度与摩尔浓度 1）质量浓度：单位体积均相混合物中某组分的质量。 单位：kg / m 3 2) 摩尔浓度：单位体积均相混合物中某组分的摩尔量。 单位：kmol / m 3 三、吸收概念 吸收尾气 混合气体
吸收液A+S 吸收质或溶质A：混合气体中能够溶解的组分。 惰性组分或载体B：混合气体中不能被溶解的组分。 四、吸收操作的分类 1、单组分吸收与多组分吸收 2、物理吸收与化学吸收 3、等温吸收与非等温吸收 五、吸收剂的选择 1、溶解度 2、易脱吸 3、选择性 4、粘性 5、挥发性 6、其他 §2 扩散现象 一、概念 1、扩散：当系统内部存在浓度差时，物质总要由高浓度区向低浓 度区转移，这种现象称为扩散。 2、分子扩散和涡流扩散 分子扩散：只依靠微观的分子运动，而无宏观的混合作用。 涡流扩散：流体有宏观流动，依靠流体质点的不规则运动（湍动）
化工原理吸收课后习题 及答案 文件排版存档编号：[UYTR-OUPT28-KBNTL98-UYNN208]
第五章 吸收 相组成的换算 【5-1】 空气和CO 2的混合气体中，CO 2的体积分数为20%，求其摩尔分数y 和摩尔比Y 各为多少 解 因摩尔分数=体积分数，.02y =摩尔分数 摩尔比 ..020251102 y Y y = ==--． 【5-2】 20℃的l00g 水中溶解lgNH 3, NH 3在溶液中的组成用摩尔分数x 、浓度c 及摩尔比X 表示时，各为多少 解 摩尔分数//117 =0．010*******／18 x = + 浓度c 的计算20℃，溶液的密度用水的密度./39982s kg m ρ=代替。 溶液中NH 3的量为 /311017n kmol -=? 溶液的体积 /.33101109982 V m -=? 溶液中 NH 3的浓度//.333 11017 ==0．581／101109982 n c kmol m V --?=? 或 . 39982 00105058218 s s c x kmol m M ρ= = ?=．．／ NH 3与水的摩尔比的计算 或 ..00105001061100105 x X x = ==--． 【5-3】进入吸收器的混合气体中，NH 3的体积分数为10%，吸收率为90%，求离开吸收器时NH 3的组成，以摩尔比Y 和摩尔分数y 表示。 吸收率的定义为 解 原料气中NH 3的摩尔分数0.1y = 摩尔比 (11101) 01111101 y Y y = ==-- 吸收器出口混合气中NH 3的摩尔比为
摩尔分数 (22200111) =0010981100111 Y y Y = =++ 气液相平衡 【5-4】 l00g 水中溶解lg 3 NH ，查得20℃时溶液上方3NH 的平衡分压为798Pa 。此稀溶液的气液相平衡关系服从亨利定律，试求亨利系数E(单位为 kPa )、溶解度系数 H[单位为/()3kmol m kPa ?]和相平衡常数m 。总压为100kPa 。 解 液相中3NH 的摩尔分数/.//117 0010511710018 x ==+ 气相中3NH 的平衡分压 *.0798 P kPa ＝ 亨利系数 *./.0798*******E p x ===／ 液相中3NH 的浓度 /./.333 11017 0581 101109982 n c kmol m V --?===?／ 溶解度系数 /*./../()3058107980728H c p kmol m kPa ===? 液相中3NH 的摩尔分数 //117 0010511710018 x = =+．／ 气相的平衡摩尔分数 **.0798100y p p ==／／ 相平衡常数 * (079807610000105) y m x = ==? 或 //.76100076m E p === 【5-5】空气中氧的体积分数为21%，试求总压为.101325kPa ，温度为10℃时，31m 水中最大可能溶解多少克氧已知10℃时氧在水中的溶解度表达式为 *.6331310p x =?，式中*p 为氧在气相中的平衡分压，单位为kPa x ；为溶液中氧的摩 尔分数。 解 总压.101325 p kPa = 空气中2O 的压力分数 .021A p p ==／体积分数 空气中2O 的分压 *..021101325 A p kPa =? 亨利系数 .6331310E kPa =?
《空气分离流程工艺》 课程：过程装备成套技术 姓名：刘小菲 学号: 08180224 学院：石油化工学院 班级：基地一班
一．空气分离简介及基本原理 空气分离简称空分，利用空气中各组分物理性质不同（见表），采用深度冷冻、吸附、膜分离等方法从空气中分离出氧气、氮气，或同时提取氦气、氩气等稀有气体的过程。 空气分离最常用的方法是深度冷冻法（如图示）。此方法可制得氧、氮与稀有气体,所得气体产品的纯度可达98.0％～99.9％。此外,还采用分子筛吸附法分离空气(见变压吸附),后者用于制取含氧70％～80％的富氧空气。近年来，有些国家还开发了固体膜分离空气的技术。氧气、氮气及氩气、氦气等稀有气体用途很广，所以空气分离装置广泛用于冶金、化工、石油、机械、采矿、食品、军事等工业部门。 空气分离的基本原理是利用低温精馏法，将空气冷凝成液体，按照各组分蒸发温度的不同将空气分离。双级精馏塔在上塔顶部和底部同时获得纯氮气和纯氧气；也可以在主冷的蒸发侧和冷凝侧分别取出液氧和液氮。
精馏塔中空气分离分为两级，空气在下塔进行第一次分离，获得液氮，同时得到富氧液空；富氧液空被送向上塔进行精馏，获得纯氧和纯氮。上塔又分为两段:以液空进料口为界，上部为精馏段，精馏上升气体，回收氧组分，提纯氮气纯度，下段为提馏段，将液体中的氮组分分离出来，提高液体的氧纯度。 二．空气设备 简史 到50年代，由于吹氧炼钢和高炉鼓风工艺的推广应用以及氮肥工业的迅速发展，空气分离设备向大型化发展，并应用了近代的科研成果，如采用透平压缩机、透平膨胀机、板翅式换热器、微型计算机和分子筛吸附器等设备之后，空气分离设备不断得到改进和完善，设备中的空气压力从高压（20兆帕）降到低压（小于1兆帕）,单位产品的电耗也逐渐下降（每立方米氧的电耗从1.5降至0.6千瓦·小时）。现代空气分离设备能生产各种容量、不同纯度的气态或液态产品，也能制造超高纯度的氧和氮（如含氧99.998％和含氮99.9995％）空气分离设备还能根据用户的需要，通过电子计算机的控制，随时增减产品的数量，达到经济用氧的目的。到80年代，大型空气分离设备的氧气生产能力已达到70000米(／时；空气压力下降到0.36兆帕；连续运转周期可达2年以上。 分类 空气分离设备是由多种机械和设备组成的成套设备，常按空气压力来分类。常用的有高压、中压和低压3种． 低压设备由于电耗低、连续运转周期长、经济效益高，被广泛采用。 低压空气分离设备。整个设备由空气压缩系统、杂质净化和换热系统、制冷系统和液化精馏 4个主要系统组成。相应的机械设备有空气透平压缩机、空气冷却塔、透平膨胀机和分馏塔等。低压空气分离设备的工作原理建立在液化循环和精馏理论基础上进入的空气先经空气过滤器,而后由透平压缩机空气冷却塔压缩和冷却到压力为0.5兆帕、温度为303K 左右,再进入切换式换热器(E1、E2)两换热器能清除空气中的水和二氧