吸附动力学及动态学

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,吸附过程及应用,*,1.3,吸附动力学及动态学,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,吸附过程及应用,*,第一章 吸附及吸附,过程,1.,1,吸附及吸附平衡,吸附作用，物理吸附，化学吸附，吸附势能曲线，吸附平衡，平衡吸附量。,1.2,吸附热力学,吸附等温线、吸附等（温）压线、等量线，吸附等温方程，吸附热及其测定。,1.3,吸附动力学及动态学,吸附速率，吸附传质过程、吸附动力学方程，流出曲线及其测定，吸附传质区、吸附前沿。,2024/10/8,吸附过程及应用,1,吸附动力学,主要研究吸附质在,吸附剂颗粒内的扩散性,能，通过测定吸附速率，计算,微孔扩散系数,，进而推算吸附,活化能,。,吸附动态学,（或称动态吸附）,主要研究,吸附剂床层,内的,传质层性能,及其,影响因素,。,1.3,吸附动力学及动态学,2024/10/8,吸附过程及应用,2,1.3,吸附动力学及动态学,(1),吸附速度,吸附速率曲线,可用与测定吸附等温线相同的方法，在不同吸附时间测得吸附量，以吸附量为纵坐标，时间为横坐标绘图，即可得到吸附速率曲线。,正己烷在不同生产厂的,5A,分子筛上的吸附速率曲线（,30,）,右图为正己烷在,5A,分子筛上的吸附速率曲线,在单位时间内被单位体积,(,或质量,),吸附剂所吸附的物质量称为,吸附速度,。,2024/10/8,吸附过程及应用,3,1.3,吸附动力学及,动态学,(2),吸附的传质过程,吸附剂都是内部拥有许多孔的多孔物质。以气相吸附质在吸附剂上的吸附过程为例，吸附质从气体主流到吸附剂颗粒内部的传递过程分为,两个阶段,：,第一阶段是从气体主流通过吸附剂颗粒周围的,气膜,到颗粒的表面，称为,外部传递过程,或,外扩散,。,第二阶段是从吸附剂颗粒表面传向颗粒,孔隙内部,，称为,孔内部传递过程,或,内扩散,.,2024/10/8,吸附过程及应用,4,(2),吸附的传质过程,这两个阶段是按先后顺序进行的，在吸附时气体先通过气膜到达颗粒表面，然后才能向颗粒内扩散，脱附时则逆向进行。,内扩散过程有几种不同情况,，参见右图。,气体分子到达颗粒外表面时，一部分会被外表面所吸附。而被吸附的分子有可能沿着颗粒内的,孔壁,向深入扩散，称为,表面扩散。,一部分气体分子还可能在颗粒内的,孔中,向深入扩散，称为,孔扩散。,在孔扩散的途中气体分子又可能与孔壁表面碰撞而被,吸附,。,2024/10/8,吸附过程及应用,5,(2),吸附的传质过程,内扩散,是既有,平行,又有,顺序,的吸附过程，它的过程模式可表达为：,吸附传递过程,由三部分组成，即,外扩散、内扩散,和,表面吸附,。吸附过程的,总速率,取决于,最慢阶段,的速率。,2024/10/8,吸附过程及应用,6,(3),扩散系数,式中,D,为扩散系数,，,负号,表示扩散是,向浓度低的方向,进行。,扩散系数,随,扩散物质的性质,而异，通常以,实验方法测定,，从有关,手册中,也,可查得,。,扩散过程,在吸附中占有重要地位。由于分子热运动，在没有外力作用下扩散过程能,自发地,产生。,按照,费克定律,，,时间,t,内扩散穿过,表面,F,的物质,数量,G,与,浓度,(,c),梯度,成正比,(,n,扩散距离,),。,浓度梯度,决定了过程的,推动力。,2024/10/8,吸附过程及应用,7,按吸附动力学原理，吸附速度可用下式表示：,dq/dt,吸附速度,，在,单位时间,内被单位体积,(,或质量,),吸附剂所吸附的物质量；,c,吸附质在,气体,中的,含量,；,y,与吸附剂所吸附的,物质量,成,平衡,的气体浓度,；,k,从气流到吸附剂表面的,质量传递系数,，也称,总传质系数,。,(4),吸附动力学方程,2024/10/8,吸附过程及应用,8,(5),传质系数,以,扩散方式,到达,吸附剂表面,的,物质量,由费克定律确定，该物质量应,等于,按,吸附动力学方程,所求得的,吸附质的量,：,对于物理吸附,，由于表面吸附的速度,极快,，几乎是,瞬间完成,，故,吸附对,吸附动力学过程的影响可以忽略不计；,吸附传递的动力学过程,是由,外扩散,和,内扩散,所决定。,k,1,表示,外扩散过程的传质系数,，,k,2,表示,内扩散过程的传质系数,，则,总传质系数,与外、内扩散系数有下列关系：,传质系数,与许多变量，如，,吸附剂种类、被吸附的气体组成,以及,吸附工况,等性质,有关,。,2024/10/8,吸附过程及应用,9,作业,查文献、综述吸附过程,扩散系数测定和计算方法。,2024/10/8,吸附过程及应用,10,(6),固定床吸附动态学,吸附动态学,（或称动态吸附）是研究固定床层中的吸附动态行为，即研究吸附床层中的工作层（或称,传质层,）（,Mess Transfer Zone,）,MTZ,的,动态行为,。,2024/10/8,吸附过程及应用,11,(6),固定床吸附动态学,恒温固定床吸附柱的连续性方程,恒温低浓度单组份,流体通过体颗粒填充的,圆柱固定床层,时，床层内流动相的流速分布因,颗粒大小,的不同，吸附,床层的膨胀,变化，吸附时产生的,吸附热,使床层,温度改变,，都会,影响传质的机理,和,流速的分布。,为简便计，假设理想情况下为：,恒温下固定相和流动相在流动方向连续互相接触，密度恒定不变，,流动相,在床层内占有,恒定的容积分率,。,流动相的流速分布在整个床层的横,截面一定,，,溶质浓度分布,曲线为,连续,的曲线，不因填充的吸附剂颗粒的大小，影响其连续性。,2024/10/8,吸附过程及应用,12,(6),固定床吸附动态学,1,）低浓度单组分的连续性方程,从物料衡算，得出固定床连续性方程为：,式中，,D,Aa,D,Am,+E,a,组分,A,在流动相流动方向的轴向扩散系数；,D,Am,流动相中组分,A,的有效扩散系数；,E,a,弥散系数。,弥散效应是由于：,(a),床层内固定颗粒之间流体混和，,(b),沟流，使流动相通过床层的横截面时流速不均匀，,(,c)Taylor,扩散，由于局部径向速度梯度和轴向浓度梯度共同引起的效果，因而产生弥散和返混的现象。,在没有返混，呈活塞流的理想情况下，固定床连续性方程改为：,2024/10/8,吸附过程及应用,13,进料,C,F,C,out,床层内吸附质浓度,C,out,/C,F,=0,C,out,/C,F,=1,0C,out,/C,F,1,t=0,0tt,b,C-,床层内吸附质浓度,透过曲线,MTZ-,传质区,C,out,/C,F,=0.05,C,out,/C,F,=0.95,LUB,(6),固定床吸附动态学,2),吸附的传质区、吸附前沿和流出曲线,在吸附床中，随着气体混合物不断流入，,吸附前沿,不断向床的,出口端推进,，绘出吸附床,出口处吸附质浓度,随,时间的变化,，便得到,流出曲线,。,2024/10/8,吸附过程及应用,14,2),吸附的传质区、吸附前沿和流出曲线,吸附前沿,(,或传质前沿）,(6),固定床吸附动力学,2024/10/8,吸附过程及应用,15,以吸附床长度（,z),为横坐标，吸附量,(q),为纵坐标，作图即为,吸附负荷曲线,。,3,）吸附负荷曲线,(6),固定床吸附动态学,2024/10/8,吸附过程及应用,16,传质区形成后，只要,气流速度不变,，,其长度也不变,，并随着气流的不断进入，逐渐沿气流向前推进。,在动态吸附过程中，吸附床可分为三个区段：,a,.,吸附饱和区,，在此区吸附剂不再吸附，达到动平衡状态。,b.,吸附传质区,，,传质区愈短，表示传质阻力愈小,(,即传质系数大,),，床层中,吸附剂的利用率越高。,c.,吸附床的未吸附区,，在此区吸附剂为“新鲜”吸附剂。,(6),固定床吸附动力学,吸附的传质区,S,形曲线所占的床层长度称为吸附的传质区,(MTZ),。,2024/10/8,吸附过程及应用,17,“吸附前沿”,常应用于吸附过程的,工程概念,中，它表示在传质区与未吸附区之间存在着吸附前沿。,(6),固定床吸附动力学,吸附前沿,实际上,吸附前沿,和,流出曲线,是,成镜面的对称相似，,和吸附前沿一样，,传质阻力大，传质区愈大，流出曲线的波幅愈大,，反之，传质阻力愈小，流出曲线的波幅也愈小。,在,极端理想,的情况下，即,吸附速度无限大、无传质阻力,的时候，吸附前沿曲线和流出曲线成了,垂直线,，床内吸附剂,都,可能被,有效利用,。,2024/10/8,吸附过程及应用,18,(6),固定床吸附动力学,透过曲线,把颗粒大小均一的同种吸附剂装填在固定吸附床中，含有一定浓度,(c,0,),吸附质的气体混合物以恒定的流速通过吸附床层，假设床层内的吸附剂,完全没有传质阻力,，即,吸附速度无限大,的情况下，吸附质一直是以,c,0,的初始浓度向气体流动力向推进，如图,23(a),所示；,实际上由于,传质阻力存在,，流体的速度、吸附相平衡以及吸附机理等各方面的影响。吸附质浓度为,c,0,的气体混合物通过吸附床时，首先是在吸附床入口处形成,s,形曲线,图,23(b),，此,曲线,便称为,吸附前沿,(,或传质前沿,),。,1.3,吸附动力学及动态学,2024/10/8,吸附过程及应用,19,6.,固定床吸附动力学,在,qz,曲线,中，面积,abcdef,代表传质区的总吸附容量，传质波上方面积,agdef,是传质区床层仍具有吸附能力的容量，故传质区,(MTZ),吸附饱和率为,agdcb/abcdef,，传质区剩余吸附能力分率为,agdef/abcdef,。,对于,C,一,曲线,，则和上述传质波的状态相对应，吸附饱和率为,agdcb/abcdef,，剩余吸附能力分率为,agdef/abcdef,，吸附饱和率愈大，表示床层的利用效率越大，透过曲线,S,形部分成,垂直,的,直线,时，,传质阻力最小,，,床层利用率最大,。,4),吸附饱和率,剩余吸附能力,剩余吸附能力,2024/10/8,吸附过程及应用,20,(6),固定床吸附动力学,4,）透过曲线计算,在固定床吸附，如果浓度波形成后，波形保持固定不变，并以恒定的速度向前移动。,依照物料衡算,在,d,时间内，送入床层中溶液内,溶质变化值,b,uAC,0,d,，应等于在此段,dz,床层中吸附剂的吸附量和床层吸附剂颗粒,空隙,b,内溶液浓度的变化量：,b,uA,C,0,d,=(1-,b,)q,m,+,b,C,0,d,Z,u-,流体流经床层空隙的速度，,b,-,吸附剂床层,空隙，,2024/10/8,吸附过程及应用,21,(6),固定床吸附动力学,4,）透过曲线计算,2024/10/8,吸附过程及应用,22,5,）吸附等温线类型对浓度波的影响,(6),固定床吸附动力学,2024/10/8,吸附过程及应用,23,6),浓度波的移动速度,(6),固定床吸附动力学,假设：流体以,活塞流,通过床层，流经床层空隙的实际,流速,是常数,u,；,流体主体中溶质与吸附剂上的吸附质,瞬时达到平衡,；,无轴向弥散,；,等温操作,。,恒定浓度,c,的浓度波移动速度,u,c,为：,该方程说明,浓度波移动速度,取决于流体在,床层空隙,b,中的,流速,和,吸附等温线的斜率,。,一般说来，浓度波在床层中移动的速度,u,c,比流体流经床层空隙的速度,u,小得多。,例如假设,b,0.5,，吸附平衡关系,q,5000c,则,dq,/dc,5000,，,从式,(7-43),计算出,u,c/,u,0.0002,。,如果,u,0.914m/s,，则,u,c,0.000183m/s,。若床层高度,1.83m,，那么浓度波穿过床层需,2.78h,。,2024/10/8,吸附过程及应用,24,影响,流出曲线形状,或,传质区,的因素有,:,吸附剂的性质、颗粒的形状和大小,气体混合物的组成和性质、流体速度、,吸附平衡和机理以及吸附床的温度和压力。,因此通过流出曲线的研究，可以评价,吸附剂的性能,，测取,传质系数,和,了解吸附床,的操作状况。,7),影响流出曲线形状的因