氣體吸附分離知識(shí)

1、吸附分離應(yīng)用背景：

    吸附操作在化工、輕工、煉油、冶金和環(huán)保等領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用。如氣體中水分的脫除，溶劑的回收，水溶液或有機(jī)溶液的脫色、脫臭，有機(jī)烷烴的分離，芳烴的精制等。

2、吸附的定義及概念：

    固體物質(zhì)表面對(duì)氣體或液體分子的吸著現(xiàn)象稱為吸附。其中被吸附的物質(zhì)稱為吸附質(zhì)，固體物質(zhì)稱為吸附劑。

3、吸附機(jī)理的分類：

    根據(jù)吸附質(zhì)和吸附劑之間吸附力的不同，吸附操作分為物理吸附與化學(xué)吸附兩大類。

⑴、物理吸附或稱范德華吸附：它是吸附劑分子與吸附質(zhì)分子間吸引力作用的結(jié)果，因其分子間結(jié)合力較弱，故容易脫附，如固體和氣體之間的分子引力大于氣體內(nèi)部分子之間的引力，氣體就會(huì)凝結(jié)在固體表面上，吸附過(guò)程達(dá)到平衡時(shí)，吸附在吸附劑上的吸附質(zhì)的蒸汽壓應(yīng)等于其在氣相中的分壓。

⑵、化學(xué)吸附：是由吸附質(zhì)與吸附劑分子間化學(xué)健的作用所引起，其間結(jié)合力比物理吸附大得多，放出的熱量也大得多，與化學(xué)反應(yīng)熱數(shù)量級(jí)相當(dāng)，過(guò)程往往不可逆?；瘜W(xué)吸附在催化反應(yīng)中起重要作用。本章主要討論物理吸附。

4、吸附機(jī)理的判斷依據(jù)：

⑴、化學(xué)吸附熱與化學(xué)反應(yīng)熱相近，比物理吸附熱大得多。如二氧化碳和氫在各種吸附劑上的化學(xué)吸附熱為83740J／mol和62800J／mol，而這兩種氣體的物理吸附熱約為25120J／mol和8374J／mol。

⑵、化學(xué)吸附有較高的選擇性。如氯可以被鎢或鎳化學(xué)吸附。物理吸附則沒(méi)有很高的選擇性，它主要取決于氣體或液體的物理性質(zhì)及吸附劑的特性。

⑶、化學(xué)吸附時(shí)，溫度對(duì)吸附速率的影響較顯著，溫度升高則吸附速率加快，因其是一個(gè)活化過(guò)程，故又稱活化吸附。而物理吸附即使在低溫下，吸附速率也可能較大，因它不屬于活化吸附。

⑷、化學(xué)吸附總是單分子層或單原子層，而物理吸附則不同，低壓時(shí)，一般是單分子層，但隨著吸附質(zhì)分壓增大，吸附層可能轉(zhuǎn)變成多分子層。

5、吸附劑的再生及方法：

    吸附劑的再生，即吸附劑脫附，對(duì)吸附過(guò)程是非常重要的，通常采用的方法：提高溫度或降低吸附質(zhì)在氣相中的分壓，這樣的結(jié)果：吸附質(zhì)將以原來(lái)的形態(tài)從吸附劑上回到氣相或液相，這種現(xiàn)象稱為“脫附”，所以物理吸附過(guò)程是可逆的。吸附分離過(guò)程正是利用物理吸附的這種可逆性來(lái)實(shí)現(xiàn)混合物的分離。

6、吸附分離過(guò)程的分類：

    目前工業(yè)生產(chǎn)中吸附過(guò)程主要有如下幾種：

    ①、變溫吸附 在一定壓力下吸附的自由能變化ΔG有如下關(guān)系:

                    ΔG＝ΔH－TΔS                （9-1）

    式中ΔH為焓變，ΔS為熵變。當(dāng)吸附達(dá)到平衡時(shí)，系統(tǒng)的自由能，熵值都降低．故式(9-1)中焓變?chǔ)為負(fù)值，表明吸附過(guò)程是放熱過(guò)程，可見(jiàn)若降低操作溫度，可增加吸附量，反之亦然。因此，吸附操作通常是在低溫下進(jìn)行，然后提高操作溫度使被吸附組分脫附。通常用水蒸汽直接加熱吸附劑使其升溫解吸，解吸物與水蒸汽冷凝后分離。吸附劑則經(jīng)間接加熱升溫干燥和冷卻等階段組成變溫吸附過(guò)程，吸附劑循環(huán)使用。

    ②、變壓吸附 也稱為無(wú)熱源吸附。恒溫下，升高系統(tǒng)的壓力，床層吸附容量增多，反之系統(tǒng)壓力下降，其吸附容量相應(yīng)減少，此時(shí)吸附劑解吸、再生，得到氣體產(chǎn)物的過(guò)程稱為變壓吸附。根據(jù)系統(tǒng)操作壓力變化不同，變壓吸附循環(huán)可以是常壓吸附、真空解吸，加壓吸附、常壓解吸，加壓吸附、真空解吸等幾種方法。對(duì)一定的吸附劑而言，壓力變化愈大，吸附質(zhì)脫除得越多。

    ③、溶劑置換 在恒溫恒壓下，已吸附飽和的吸附劑可用溶劑將床層中已吸附的吸附質(zhì)沖洗出來(lái)，同時(shí)使吸附劑解吸再生。常用的溶劑有水、有機(jī)溶劑等各種極性或非極性物質(zhì)。

7、吸附分離過(guò)程的適用范圍：

    吸附分離是利用混合物中各組分與吸附劑間結(jié)合力強(qiáng)弱的差別，即各組分在固相（吸附劑）與流體間分配不同的性質(zhì)使混合物中難吸附與易吸附組分分離。適宜的吸附劑對(duì)各組分的吸附可以有很高的選擇性，故特別適用于用精餾等方法難以分離的混合物的分離，以及氣體與液體中微量雜質(zhì)的去除。此外，吸附操作條件比較容易實(shí)現(xiàn)。

9.1.2、常用吸附劑

1、工業(yè)吸附劑的定義：

    通常固體都具有一定的吸附能力，但只有具有很高選擇性和很大吸附容量的固體才能作為工業(yè)吸附劑。

2、吸附劑的選擇原則：

    吸附劑的性能對(duì)吸附分離操作的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)起著決定性的作用，吸附劑的選擇是非常重要的一環(huán)，一般選擇原則為：

    ①、具有較大的平衡吸附量。一般比表面積大的吸附劑，其吸附能力強(qiáng)；

    ②、具有良好的吸附選擇性；

    ③、容易解吸，即平衡吸附量與溫度或壓力具有較敏感的關(guān)系；

    ④、有一定的機(jī)械強(qiáng)度和耐磨性，性能穩(wěn)定，較低的床層壓降，價(jià)格便宜等。

3、吸附劑的種類：

    目前工業(yè)上常用的吸附劑主要有活性炭，活性氧化鋁，硅膠，分子篩等。

⑴、活性炭

    ①、活性炭的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：是具有非極性表面，是一種疏水性和親有機(jī)物的吸附劑，故又稱為非極性吸附劑。

    ②、活性炭的優(yōu)點(diǎn)：是吸附容量大，抗酸耐堿、化學(xué)穩(wěn)定性好，解吸容易，在高溫下進(jìn)行解吸再生時(shí)其晶體結(jié)構(gòu)不發(fā)生變化，熱穩(wěn)定性高，經(jīng)多次吸附和解吸操作，仍能保持原有的吸附性能。

    ③、活性炭常用于溶劑回收，溶液脫色、除臭、凈制等過(guò)程。是當(dāng)前應(yīng)用最普遍的吸附劑。

    ④、活性炭的制備：通常所有含碳的物料，如木材，果殼，褐煤等都可以加工成黑炭，經(jīng)活化制成活性炭?；罨椒ㄖ饕袃煞N：即藥品活化和氣體活化。藥品活化是在原料中加入藥品，如ZnCl2、H3PO4等，在非活性氣體中加熱，進(jìn)行干餾和活化。氣體活化是通入水蒸汽、CO2、空氣等在700～1100℃下反應(yīng)，使之活化。炭中含水會(huì)降低其活性。一般活性炭的活化表面約600～1700m2/g。

⑵、硅膠

    硅膠是一種堅(jiān)硬無(wú)定形鏈狀和網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的硅酸聚合物顆粒，是一種親水性極性吸附劑。因其是多孔結(jié)構(gòu)．比表面積可達(dá)350m2／g左右。工業(yè)上用的硅膠有球型、無(wú)定型、加工成型及粉末狀四種。主要用于氣體的干燥脫水，催化劑載體及烴類分離等過(guò)程。

⑶、活性氧化鋁

    活性氧化鋁為無(wú)定形的多孔結(jié)構(gòu)物質(zhì)，一般由氧化鋁的水合物(以三水合物為主)加熱，脫水和活化制得，其活化溫度隨氧化鋁水合物種類不同而不同，一般為250～500℃?？讖郊s從20Å到50Å。典型的比表面積為200～500m2/g。活性氧化鋁具有良好的機(jī)械強(qiáng)度，可在移動(dòng)床中使用。對(duì)水具有很強(qiáng)的吸附能力，故主要用于液體和氣體的干燥。

⑷、分子篩

    沸石吸附劑是具有特定而且均勻一致孔徑的多孔吸附劑，它只能允許比其微孔孔徑小的分子吸附上去，比其大的分子則不能進(jìn)入，有分子篩的作用，故稱為分子篩。

    分子篩(合成沸石)一般可用  式表示的含水硅酸鹽。其中M表示金屬離子，多數(shù)為鈉、鉀、鈣，也可以是有機(jī)胺或復(fù)合離子。n表示復(fù)合離子的價(jià)數(shù)，y和w分別表示SiO4和H2O的分子數(shù)，y又稱為硅鋁比，硅鋁比為2左右的稱為A型分子篩，3左右的稱為X型分子篩，3以上稱為Y型分子篩。

    根據(jù)原料配比、組成和制造方法不同，可以制成不同孔徑(一般從3Å到8Å)和形狀(圓形、橢圓形)的分子篩。分子篩是極性吸附劑，對(duì)極性分子，尤其對(duì)水具有很大的親和力。由于分子篩突出的吸附性能，使得它在吸附分離中有著廣泛的應(yīng)用，主要用于各種氣體和液體的干燥，芳烴或烷烴的分離及用作催化劑及催化劑載體等。表9-1所示為分子篩的特性與應(yīng)用。