第6章 气固、液固传质分离过程
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传质分离过程
传质分离过程1.分离过程可以定义为借助于物理、化学、电学推动力实现从混合物中选择性的分离某些成分的过程。
2.分离过程可分为机械分离和传质分离两大类。
机械分离的对象是两相以上的混合物。
传质分离过程用于各种均相混合物的分离。
特点是有能量传递现象发生。
3.传质分离过程分为平衡分离过程和速率分离过程。
4.相平衡的准则为各相的温度、压力相同，各组分的逸度也相等。
5.相平衡的表示方法有相图、相平衡常数、分离因子。
6.维里方程用来计算气相逸度系数。
7.闪蒸是连续单级蒸馏过程。
8.指定浓度的组分成为关键组分，其中易挥发的成为轻关键组分，难挥发的成为重关键组分。
9.若溜出液中除了重关键组分外没有其他重组分，而釜液重除了轻关键组分外没有其他轻组分，这种情况称为清晰分割。
10.多组分精馏与二组分精馏在浓度分布上的区别可以归纳为：在多组分精馏中，关键组分的浓度分布有极大值；非关键组分通常是非分配的，即重组分通常仅出现在釜液中，轻组分仅出现在溜出液中；重、轻非关键组分分别在进料板下、上形成接近恒浓的区域；全部组分均存在于进料板上，但进料板浓度不等于进料浓度。
塔内各组分的浓度分布曲线在进料板处是不连续的。
11.最小回流比是在无穷多塔板数的条件下达到关键组分预期分离所需要的回流比。
12.特殊精馏分为萃取精馏（加入的组分称为溶剂）、共沸精馏、加盐精馏。
13.气体吸收是气体混合物一种或多种溶质组分从气相转移到液相的过程。
解吸为吸收的逆过程，即溶质从液相中分离出来转移到气相的过程。
14.吸收过程按溶质数可以分为单组分吸收和多组分吸收；按溶质与液体之间的作用性质可以分为物理吸收和化学吸收；按吸收温度状况可以分为等温吸收和非等温吸收。
15.吸收的推动力是气相中溶质的实际分压与溶液中溶质的平衡蒸气压力之差。
16.难溶组分即轻组分一般只在靠近塔顶的几级被吸收，而在其余级上变化很小。
易溶组分即重组分主要在塔底附近的若干级上被吸收，而关键组分才在全塔范围内被吸收。
传质分离重点2
第一章：1，平衡分离：根据两相状态不同 , 传统平衡分离过程可分为如下几类：汽液传质过程 : 如液体的蒸馏和精馏。
液液传质过程 : 如萃取。
气液传质过程 : 如吸收、气体的增湿和减湿。
液固传质过程 : 如结晶、浸取、吸附、离子交换、色层分离、区域熔炼等。
气固传质过程 : 如固体干燥、吸附等。
,2，速率分离:膜分离、场分离在某种推动力（浓度差、压力差、温度差、电位差等）的作用下，有时在选择性膜的配合下，利用各组分扩散速率的差异实现组分的分离。
膜分离又包括超滤、反渗透、渗析、电渗析等。
速率分离过程特点：节能 环保第二章： 相平衡准则（条件）：相平衡关系的表示方法1 相图2 相平衡常数K3 分离因子即相对挥发度相平衡常数的计算方法：一、状态方程：范德华方程 1维里方程 2 RK 方程 3 SRK 方程 4 PR 方程 5 BWRS 方程6 列线图法 3 4对RK 的修正，精度显著改善，简单方便，但对H 2 H 2S 等物系精度差；5 特别适用于H 2 H 2S 等气体混合物；6 轻烃类组分，仅考虑T P 对K 的影响，忽略了组成。
二、活度系数法：1 Vanlaar(范拉尔)方程、2 Margules(玛古斯)方程、3 Wilson(威尔逊)方程、4 NRTL(有轨双液)方程、5 UNIQUAC(通用拟化学活度系数)方程、S-H 方程1 2 数学表达式简单，容易从活度系数数据估计参数；适应性强，对于非理想性强的物系，包括部分互溶物系结果计算结果也能很满意。
多元物系需要多元的相互作用参数，如果没有，不能用于多元物系计算；都没有考虑T 、P 对模型的影响3 不能直接应用于液液平衡，但修正的T-K- Wilson 可以。
4 能很好地表示二元和多元系统的气液和液液平衡；特别对于含水系统，模型效果好；模型参数多，对每个二元物系都有三个参数。
5 所有表达式中，最复杂的；特别适用于分子大小相差悬殊的混合物。
气液平衡常数的各种简化：（1）汽相为理想气体，液相为理想溶液 适用物系：P<200kPa ，分子结构十分相近的组分溶液可按此类物系处理，如苯-甲苯二元混合物。
第六章气固流态化基础(2024)
流化床反应器利用气体流过固体颗粒床层时使固体颗粒悬浮并呈流态化状态，以实现气固 相反应。其特点包括良好的传热传质性能、均匀的温度分布和易于控制反应过程。
类型与结构
根据反应类型和需求，流化床反应器可分为多种类型，如固定床反应器、移动床反应器和 循环流化床反应器等。其结构通常包括反应器主体、气体分布器、固体颗粒循环系统和控 制系统等。
通过气体或液体以一定速度穿过 固体颗粒层，使颗粒之间产生相 互作用和能量传递，从而实现流 态化。
2024/1/29
5
气固流态化的重要性
与传统的间歇式生产方式相比， 气固流态化技术可降低能耗和生 产成本。
气固流态化技术不仅应用于化工 、冶金等领域，还可拓展到环保 、新能源等领域。
2024/1/29
提高生产效率 降低能耗
在气固流态化系统中，通过设置合适的分离 装置，可实现气体和固体颗粒的有效分离， 以满足不同工艺需求。
2024/1/29
催化剂再生
在石油化工等领域中，催化剂的再生是一个重要环 节。利用流态化技术可实现催化剂的高效再生和循 环利用。
粉体输送
利用气固流态化的原理，可实现粉体物料的 高效输送和分配，广泛应用于化工、冶金等 领域。
颗粒粘结
某些物料在流化床内可能发生粘结现象，形 成团聚体或结块。粘结可能导致床层塌落、 沟流以及传热和传质效率下降等问题。
2024/1/29
26
气体分布不均与沟流现象
气体分布不均
在气固流态化过程中，气体的不均匀分布是 一个常见问题。气体分布不均可能导致床层 内的温度和浓度梯度增大，从而影响产品质 量和收率。
强化传质方法
强化传质的方法包括增加气体流速、减小固体颗粒粒径、提高床层温度和压力等。此外 ，采用催化剂或添加反应促进剂等方法也可以提高传质效率。同时，优化流化床结构和
类型与结构
根据反应类型和需求，流化床反应器可分为多种类型，如固定床反应器、移动床反应器和 循环流化床反应器等。其结构通常包括反应器主体、气体分布器、固体颗粒循环系统和控 制系统等。
通过气体或液体以一定速度穿过 固体颗粒层，使颗粒之间产生相 互作用和能量传递，从而实现流 态化。
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气固流态化的重要性
与传统的间歇式生产方式相比， 气固流态化技术可降低能耗和生 产成本。
气固流态化技术不仅应用于化工 、冶金等领域，还可拓展到环保 、新能源等领域。
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提高生产效率 降低能耗
在气固流态化系统中，通过设置合适的分离 装置，可实现气体和固体颗粒的有效分离， 以满足不同工艺需求。
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催化剂再生
在石油化工等领域中，催化剂的再生是一个重要环 节。利用流态化技术可实现催化剂的高效再生和循 环利用。
粉体输送
利用气固流态化的原理，可实现粉体物料的 高效输送和分配，广泛应用于化工、冶金等 领域。
颗粒粘结
某些物料在流化床内可能发生粘结现象，形 成团聚体或结块。粘结可能导致床层塌落、 沟流以及传热和传质效率下降等问题。
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气体分布不均与沟流现象
气体分布不均
在气固流态化过程中，气体的不均匀分布是 一个常见问题。气体分布不均可能导致床层 内的温度和浓度梯度增大，从而影响产品质 量和收率。
强化传质方法
强化传质的方法包括增加气体流速、减小固体颗粒粒径、提高床层温度和压力等。此外 ，采用催化剂或添加反应促进剂等方法也可以提高传质效率。同时，优化流化床结构和
第6章 气固、液固传质分离过程
建模原则： 建模原则： MESH方程 方程 M ——物料衡算； 物料衡算； 物料衡算 E ——相平衡关系； 相平衡关系； 相平衡关系 S ——组分摩尔分率加和式； 组分摩尔分率加和式； 组分摩尔分率加和式 H ——热量衡算。 热量衡算。 热量衡算
配对收敛方法的特点： 配对收敛方法的特点： 将两个校验方程（ 将两个校验方程（S-eq.和H-eq.）与两 和 ） 个迭代变量分别配对。 个迭代变量分别配对。 根据不同的配对方案形成两种不同的 算法:泡点法( 法 和流率加和法( 法 算法:泡点法(BP法)和流率加和法(SR法)。
G SY j = Σ y i , j − 1 .0 = 0
c i =1
四、Vj的计算
通过物料衡算和热量衡算得到二对角线矩阵方程： 通过物料衡算和热量衡算得到二对角线矩阵方程：
β 2 α 3 β 3 ⋅⋅⋅ ⋅⋅⋅ α N −2 β N −1 V3 V4 ⋅ = V N −1 V N γ 2 − α 2V2 γ3 ⋅ γ N −2 γ N −1
规定： 规定： 进料：Fj,zi,j,TFj,PFj 进料： 压力： 压力：pj 侧采： 侧采：Uj,Wj 热负荷： 热负荷：Qj（除Q1和QN） 级数： 级数：N 回流量： 回流量：L1 气相馏出量： 气相馏出量：V1
no 是否满足迭代收敛准则 yes 结 束
法计算框图＊ ＊SR法计算框图＊ 法计算框图
β N −2 α N −1
α j = h j −1 − H j β j = H j +1 − h j
j −1 γ j = (Fm − W m − U m ) − V1 h j − h j −1 m =1 + F j h j − H F, j +W j H j − h j + Q j
配对收敛方法的特点： 配对收敛方法的特点： 将两个校验方程（ 将两个校验方程（S-eq.和H-eq.）与两 和 ） 个迭代变量分别配对。 个迭代变量分别配对。 根据不同的配对方案形成两种不同的 算法:泡点法( 法 和流率加和法( 法 算法:泡点法(BP法)和流率加和法(SR法)。
G SY j = Σ y i , j − 1 .0 = 0
c i =1
四、Vj的计算
通过物料衡算和热量衡算得到二对角线矩阵方程： 通过物料衡算和热量衡算得到二对角线矩阵方程：
β 2 α 3 β 3 ⋅⋅⋅ ⋅⋅⋅ α N −2 β N −1 V3 V4 ⋅ = V N −1 V N γ 2 − α 2V2 γ3 ⋅ γ N −2 γ N −1
规定： 规定： 进料：Fj,zi,j,TFj,PFj 进料： 压力： 压力：pj 侧采： 侧采：Uj,Wj 热负荷： 热负荷：Qj（除Q1和QN） 级数： 级数：N 回流量： 回流量：L1 气相馏出量： 气相馏出量：V1
no 是否满足迭代收敛准则 yes 结 束
法计算框图＊ ＊SR法计算框图＊ 法计算框图
β N −2 α N −1
α j = h j −1 − H j β j = H j +1 − h j
j −1 γ j = (Fm − W m − U m ) − V1 h j − h j −1 m =1 + F j h j − H F, j +W j H j − h j + Q j
化工工艺中的气固分离技术
废气处理：去 除工业废气中 的颗粒物，减
少环境污染
烟气脱硫：去 除烟气中的二 氧化硫，减少
酸雨形成
粉尘收集：收 集工业生产过 程中的粉尘， 防止粉尘扩散
固废处理：处 理工业固体废 物，减少对环
境的影响
煤炭燃烧：用于去除烟气中的颗粒物，减少环境污染
石油炼化：用于分离原油中的气体和固体杂质，提高石油品质
气固分离技术：利用气体和固体之 间的物理或化学性质差异进行分离
比较：气固分离技术具有高效、节 能、环保等优点，但需要特定的设 备和工艺条件
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其他分离技术：如液液分离、液固 分离、气液分离等
结合应用：气固分离技术与其他分 离技术可以结合使用，以提高分离 效率和降低能耗
气固分离技术的实 际案例分析
原理：利用气体和固体之间的密度差异，通过重力、离心力、静电力等作用，实现气体和固体 的分离。
特点：高效、节能、环保，适用于各种气体和固体的分离。
应用：广泛应用于化工、冶金、环保等领域。
发展趋势：随着科技的发展，气固分离技术不断改进和创新，以满足不同行业的需求。
气固分离技术的常 见应用场景
提高生产效率：气固分离技术可以 快速有效地分离气体和固体，提高 生产效率。
提高产品质量：气固分离技术可以 保证产品质量，提高产品竞争力。
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降低能耗：气固分离技术可以减少 能源消耗，降低生产成本。
减少环境污染：气固分离技术可以 减少废气、废渣等污染物的排放， 降低对环境的影响。
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实际效果：经过气固分离技术的处理，废气中的有害物 质去除率达到90%以上，大大减少了对环境的污染
3.传质分离过程
精馏
气-液相通过一块塔板, 同时发生一次部分气 化和部分冷凝过程。当它们经过 多块塔板后, 即同时进行了多次部分气化和 部分冷凝的过程, 最后在塔顶气相中获得较 纯的易挥发组分, 在塔底液相中可获得较纯 的难挥发组分, 使混合液达到所要求的分离 程度
(二) 精馏装置及流程
原料液经预热到指定 温度后, 加入精馏塔内 某一块塔板上, 该塔板 称为加料板。加料板 将塔分成两部分: 上部 进行着蒸气中易挥发 组分的增浓, 称为精馏 段; 下部( 包括加料板) 进行着液体中难挥发 组分的提浓, 称为提馏 段。操作时, 连续地从 再沸器取出部分液体 作为塔底产品( 见釜残 液) , 部分液体气化, 产 生上升蒸气, 依次通过 各层塔板。塔顶蒸气 进入冷凝器中后被全 部冷凝, 并将部分冷凝 液送回塔顶作为回流 液, 其余部分经冷却器 后被送出作为塔顶产 品(馏出液) 。
传质分离过程
Mass transfer and separation process
Dr.潘传艺
Mass transfer and separation process
化工生产过程中的原料、中间产物、粗产品几乎都是多组分混合物, 这些物 料都需要通过一定的处理过程进行分离和纯化。 (1 ) 分离过程的种类 均相homogeneous phase物系的分离, 必须使某种组分形成新相或迁移到 另一相。根据涉及的相态主要可分为气-液相的如吸收和蒸馏, 液-液相的如萃 取, 气-固相的如吸附, 固-液相的如结晶等等。蒸馏过程又可分为简单蒸馏和 精馏等。非均相物系的分离主要包括沉降、过滤和固体的干燥等单元操作。 随着生产的发展, 对分离技术的要求越来越高, 出现了一些新型特殊分离方法, 如膜分离membrane separation technique 、超临界萃取supercritical extraction technique等, 分离技术的开发和应用有了长足的发展。,. (2 ) 传质分离过程 物质以扩散的方式迁移叫做物质传递过程或称传质过程。所有均相物系分离 过程和一些非均相物系分离(如干燥) 都涉及到相间传质, 因此又称为传质分 离过程。除此之外, 反应器中的混合和非均相反应过程中都存在传质问题, 因 此传质过程也是化学反应工程学的基础。
第6章气固、液固传质分离过程
II型 和 IV型 等温线
nad
II
B p/p0
IV
B p/p0
多层吸附 (从点 B开始) 对无孔材料比较适用
在低压下类似于 II 型 在高压下发生孔内冷凝
第6章气固、液固传质分离过程
nad
III型 和 V型 等温线
nad
III p/p0
V p/p0
吸附质之间具有强相互 作用, 比如当水分子吸附 到疏水性活性炭上时
(2) Langmuir-Freundlich方程的扩展式
Langmuir方程扩展式和Langmuir-Freundlich方程 的扩展式缺乏热力学一致性，故理论依据不充分， 只具有半经验性质，但应用起来比较简便。
第6章气固、液固传质分离过程
吸附过程的传质
一、 吸附机理
吸附质在吸附剂的多孔表面上的吸附过程分四步：
第六章 气固、液固传质分离过程
主要内容及要求：
1.学习并掌握吸附的基本原理、吸附平衡、吸 附动力学、吸附过程及设备。
2.结晶过程的热力学和动力学基础，吸附、结 晶设备及流程。
3.了解膜分离的基本原理、过程分类、膜和膜 组件的类型以及膜分离技术的应用。
第6章气固、液固传质分离过程
6.1 吸附分离过程 6.1.1 吸附过程基础 6.1.2 吸附分离过程与技术
（3）物理吸附的吸附质分子可通过降低压力的方法 解吸，而化学吸附的吸附质分子的解吸要困难得多， 往往是不可逆的；
（4）物理吸附可以是单分子层吸附也可以是多分子 层吸附，而化学吸附通常只是单分子层吸附，某些情 况下，化学吸附单分子层上还可能发生物理吸附；
（5）物理吸附瞬时发生，而化学吸附一般需要达到 一定的活化能后才发生。
吸附平衡关系通常用等温下吸附剂上吸 附质的含量与流体相中吸附质的浓度或分压 间的关系表示（吸附等温线）。
(化工原理)第6章：质量传递过程基础
从浓度高处向浓度低处传递从微观上看分子作随机热运动从宏观上看相内浓度均衡是自发的62均相混合物内的质量传递621传质的基本方式依靠分子热运动的质量传递方式称为分子扩散621传质的基本方式在理论上化学势表象为浓度大量质点的脉动和漩涡的扰动混合这种依靠质点脉动混合的质量传递方式称为涡流扩散湍流流动也伴随着分子扩散对于固体静止的流体和作层流流动的流体内部分子扩散涡流扩散同时存在以涡流扩散为主对于湍流流动的流体内分子扩散单独存在扩散存在的前提条件
D z
c0 cBm
cA1 cA2
对于理想气体
cBm
cB2 cB1
ln
cB2 cB1
cB1 c0 cA1 cB2 c0 cA2
NA
D RTz
p pBm
pA1 pA2
p pBm
pBm
pB2 pB1
ln
pB2 pB1
pB1 p pA1 pB2 p pA2
c cBm
称为漂流因子 反应总体流动对传质通量的影响
NA ky y yi
NA kx xi x
NA kG pA pAi
NA kL cAi cA
传质系数 k=f (D,η,ρ,u,d )
经验关联式很多，但普遍偏差较大 主要通过实验获得
JA
DAB
dcA dz
yi Ki xi
NA
D z
c0 cBm
cA1 cA2
NA
D RTz
主体中高度湍流传质阻力为零，即无浓度
O
距离 z
相际传质双膜模型
梯度。 ④ 相界面上气液处于平衡状态，无传质阻
力存在。
（2）总传质速率方程
① 气膜和液膜传质速率方程 对气相：
NA kG pA pAi
D z
c0 cBm
cA1 cA2
对于理想气体
cBm
cB2 cB1
ln
cB2 cB1
cB1 c0 cA1 cB2 c0 cA2
NA
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p pBm
pA1 pA2
p pBm
pBm
pB2 pB1
ln
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pB1 p pA1 pB2 p pA2
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称为漂流因子 反应总体流动对传质通量的影响
NA ky y yi
NA kx xi x
NA kG pA pAi
NA kL cAi cA
传质系数 k=f (D,η,ρ,u,d )
经验关联式很多，但普遍偏差较大 主要通过实验获得
JA
DAB
dcA dz
yi Ki xi
NA
D z
c0 cBm
cA1 cA2
NA
D RTz
主体中高度湍流传质阻力为零，即无浓度
O
距离 z
相际传质双膜模型
梯度。 ④ 相界面上气液处于平衡状态，无传质阻
力存在。
（2）总传质速率方程
① 气膜和液膜传质速率方程 对气相：
NA kG pA pAi
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平均粒度为相当于筛下累计质量比为50% 处的筛孔尺寸值。
6.3 膜分离
6.3.1 膜
6.3.2 膜组件 6.3.3 膜分离过程
6.3.1 膜
膜分离：以天然或合成薄膜为质量分离剂，以 压力差、化学位差等为推动力，根据液体或气 体混合物的不同组分通过膜的渗透率的差异实 现组分的分离、分级、提纯或富集的过程。
硅藻土是由硅藻类植物死亡后的硅酸盐遗骸 形成的，基本质是含水的无定形SiO2，并含有 少量Fe2O3、CaO、MgO、Al2O3及有机杂质， 外观一般呈浅黄色或浅灰色，优质的呈白色， 质软，多孔而轻。硅藻土的多孔结构使它成为 一种良好吸附剂，在食品、化工生产中常用来 作助滤剂及脱色剂。
沸石分子筛是结晶铝硅酸金属盐的水合物， 其 化 学 通 式 为 ： Mx/m[(AlO2)x· 2)y]· 2O 。 (SiO zH M代表阳离子，m表示其价态数，z表示水合数 ，x和y是整数。沸石分子筛活化后，水分子被 除去，余下的原子形成笼形结构，孔径为3～ 10Å。分子筛晶体中有许多一定大小的空穴， 空穴之间有许多同直径的孔（也称“窗口”） 相连。由于分子筛能将比其孔径小的分子吸附 到空穴内部，而把比孔径大的分子排斥在其空 穴外，起到筛分分子的作用，故得名分子筛。
吸附
解吸
多孔吸附剂中流体的浓度分布和温度分布
(2)外扩散传质过程
吸附质从流体主体对流扩散到吸附剂颗粒外表面 的传质速率方程为：
相应的传热方程为：
(3)内扩散传质过程
吸附质在微孔中的扩散有两种形式-沿孔截面的扩 散和沿孔表面的表面扩散。前者根据孔径和吸附分 子平均自由程之间大小的关系又有三种情况：分子 扩散、纽特逊扩散和介于这两种情况之间的扩散。 当微孔表面吸附有吸附质时，沿孔口向里的表面上 存在着吸附质的浓度梯度，吸附质可以沿孔表面向 颗粒内部扩散，称为表面扩散。 在吸附剂颗粒的微孔中进行传质的数学模型很 类似于在多孔催化剂颗粒中的催化反应，一般应 用Fick第一定律来进行描述
二、常用吸附剂
吸附剂按其化学结构可分为有机吸附 剂和无机吸附剂。
常用的有机吸附剂有活性炭、球性炭 化树脂、聚酰胺、纤维素、大孔树脂 等； 常用的无机吸附剂有硅胶、活性氧化 铝、硅藻土、分子筛等。
1.活性碳——非极性吸附剂
活性碳是碳质吸附剂的总称。各种含碳有机 物均可以制造活性碳，活性碳的制造主要有 两步： 1碳化；2 活化。 活性炭具有非极性表面。为疏水亲有机物的 吸附剂，特别适合于吸附非极性或弱极性有 机物；它性能稳定、抗腐蚀、吸附容量大。 广泛用于：脱除水中有机物；水溶液中的色 素等。
超 过 滤 膜
反 渗 透 膜
渗 透 汽 化 膜
气 体 渗 透 膜
无机材料膜
有机高分子膜
膜材料选择
选择依据：膜材料本身的物理化学性质，以 及膜材料与分离体系中组分间的相互作用。 选择方法：溶解度参数选择法、 Lansdale 膜 材料选择法、高效液相色谱法、膜材料含水率 法、分子模拟法等。 常用有机膜材料： 纤维素衍生物、聚砜类、 乙烯类高分子、含硅高分子、聚烯烃（聚乙烯、 聚丙烯等）、聚酰胺类及杂环含氮高聚物（最 常用的是聚酰亚胺、含氟高分子（聚四氟乙烯 等）。
nad
在高压下发生孔内冷凝
III型 和 V型
III
等温线
p/p0
吸附质之间具有强相互 作用, 比如当水分子吸附 到疏水性活性炭上时
nad V nad
在低压下类似于 III 型 在高压下发生孔内冷凝
p/Байду номын сангаас0
单组份吸附平衡关系
（1）亨利定律
在足够低的浓度范围，吸附平衡关系可用亨利定律表述： 或
亨利常数
2.活性氧化铝——极性吸附剂
活性氧化率的化学通式为：Al2O3· 2O nH 氢氧化铝胶体经过灼烧脱水而制得一种多孔大表 面吸附剂。
活性氧化铝的表面活性中心是羟基和路易斯酸中
心，极性强，对水具有很高的亲和作用。
广泛用于脱除气体中的水分，也常用作色谱柱填
充材料。
3.硅胶－极性吸附剂
膜应具备下述两个特性：
第一：膜必须具有两个界面，分别与上游 侧与下游侧的流体物质互相接触。 第二：膜应具有选择透过性。
膜的种类
根据 膜的 材质
根据 材料 来源
根据 膜的 结构
根据 膜的 功能
固 体 膜
液 体 膜
天 然 膜
合 成 膜
多 孔 膜
致 密 膜
离 子 交 换 膜
渗 析 膜
微 孔 过 滤 膜
五类实验吸附等温线:
I 吸 附 量
Ⅱ 吸 附 量
吸 附 量
Ⅲ
相对压力P/P0 Ⅳ 吸 附 量
相对压力P/P0 Ⅴ 吸 附 量
相对压力P/P0
相对压力P/P0
相对压力P/P0
II型 和 IV型 等温线
II nad
多层吸附 (从点 B开始)
B p/p0
对无孔材料比较适用
IV
在低压下类似于 II 型
B p /p 0
吸附剂的再生方法主要有变温法、变压法、惰性气 体吹扫法和置换再生法
一、固定床吸附
ti—吸附质首先出现在床层出口端时间； tb—对应馏出物最大允许浓度时间，称破点时间； te—床层饱和时间。 （te-ti）——对应床层吸附区或传质区长度
二、变温吸附（TSA）
变温吸附原理：利用吸附量随温度变化的特性而实现的
吸附过程的传质
一、 吸附机理
吸附质在吸附剂的多孔表面上的吸附过程分四步：
1、吸附质从流体主体通过分子扩散与对流扩散穿过薄膜或边 界层传递到吸附剂外表面，称为外扩散过程。 2、吸附质通过孔扩散从吸附剂的外表面传递到微孔结构的 内表面，称为内扩散过程。 3、吸附质沿内孔表面的表面扩散。 4、吸附质被吸附在孔表面上。 对于化学吸附：吸附质与吸附剂之间有键的形成，第四步 可能较慢，甚至是控制步骤。 对于物理吸附：由于吸附速率仅取决于吸附质分子与孔表 面的碰撞频率和定向作用，第四步几乎是瞬间完成的，吸 附速率由前三步控制，统称为扩散控制。
硅胶的化学通式为：SiO2· H2O。 n 用硅酸钠与无机酸反应生成硅酸，其聚合物在适 宜的条件下聚合、缩合而成为硅氧四面体的多聚 物，经聚集、洗盐、脱水而成为硅胶。 硅胶的表面保留着大约5wt.％的羟基，是硅胶的 吸附活性中心。在200℃以上羟基会脱去，所以 硅胶的活化温度应低于200℃。 硅胶常作为干燥剂用于气体或液体的干燥脱水， 也可用于分离烷烃与烯烃、烷烃与芳烃，同时硅 胶也是常用的色谱柱填充材料。
6.1.2 吸附分离过程与技术
6.1.1 吸附过程基础
一、吸附过程
吸附是指流体（气体或液体）与 固体多孔物质接触时，流体中的 一种或多种组分传递到多孔物质 外表面和微孔内表面并附着在这 些表面上形成单分子层或多分子 层的过程。
被吸附的流体称为吸附质，多孔固体颗 粒称为吸附剂。吸附达到平衡时，吸附 剂内的流体称为吸附相，剩余的流体本 体相称为吸余相。 由于吸附质和吸附剂的物理化学性质不 同，吸附剂对不同吸附质的吸附能力也 不同，因此当流体与吸附剂接触时，吸 附剂对流体中的某个或某些组分相对其 他组分具有较高的吸附选择性，从而实 现物质的分离。
物理吸附与化学吸附的比较
理化指标 物理吸附 化学吸附
吸附作用力 吸附热 选择性 吸附层 吸附速率 可逆性 发生吸附温度
范德华力 接近于液化热 低 单或多分子层 快，活化能小 可逆 低于吸附质临界温度
化学键 接近于化学反应热 高 单分子层 慢，活化能大 不可逆 远高于吸附质沸点
吸附类型的判断
（1）物理吸附热与冷凝热在一个数量级上，而化学 吸附热与其反应热在一个数量级上； （2）适宜温度和压力条件下，所有的气体－固体体 系中都将发生物理吸附，而化学吸附只有当气体分子 与吸附剂表面能形成化学键时才发生； （3）物理吸附的吸附质分子可通过降低压力的方法 解吸，而化学吸附的吸附质分子的解吸要困难得多， 往往是不可逆的；
（a）A 型
（b）X 型
两种常用沸石分子筛的结构
沸石分子筛的吸附作用有两个特点：（1）表 面上的路易斯中心极性很强；（2）沸石中的笼 或通道的尺寸很小，使得其中的引力场很强。 因此，其对吸附质分子的吸附能力远超过其他 类型的吸附剂。即使吸附质的分压（或浓度） 很低，吸附量仍很可观。沸石分子筛的吸附分 离效果不仅与吸附质分子的尺寸和形状有关， 而且还与其极性有关，因此，沸石分子筛也可 用于尺寸相近的物质的分离。
Langmuir-Freundlich吸附等温方程：
纯经验方程
多组分吸附平衡关系 (1) Langmuir方程扩展式
忽略各吸附组分之间的相互作用，其他组分的吸附 仅仅减小了吸附表面上的空位:
纯组分吸附时的对应值
例 6-1
(2) Langmuir-Freundlich方程的扩展式
Langmuir方程扩展式和Langmuir-Freundlich方程 的扩展式缺乏热力学一致性，故理论依据不充分， 只具有半经验性质，但应用起来比较简便。
6.1.2 吸附分离过程与技术
根据待分离物系中各组分的性质和过程的分离要 求(如纯度、回收率、能耗等)，在选择适当的吸附 剂和解吸剂基础上，采用相应的工艺过程和设备。 常用的吸附分离设备有：
吸附搅拌槽
固定床吸附器 移动床 流化床
吸附方法分类
分离组分的多少 分离组分浓度的高低 床层温度的变化 进料方式 单组份吸附 痕量组分脱除 不等温操作 连续进料 多组分吸附 主体分离 恒温操作 分批进料
（4）物理吸附可以是单分子层吸附也可以是多分子 层吸附，而化学吸附通常只是单分子层吸附，某些情 况下，化学吸附单分子层上还可能发生物理吸附； （5）物理吸附瞬时发生，而化学吸附一般需要达到 一定的活化能后才发生。
6.3 膜分离
6.3.1 膜
6.3.2 膜组件 6.3.3 膜分离过程
6.3.1 膜
膜分离：以天然或合成薄膜为质量分离剂，以 压力差、化学位差等为推动力，根据液体或气 体混合物的不同组分通过膜的渗透率的差异实 现组分的分离、分级、提纯或富集的过程。
硅藻土是由硅藻类植物死亡后的硅酸盐遗骸 形成的，基本质是含水的无定形SiO2，并含有 少量Fe2O3、CaO、MgO、Al2O3及有机杂质， 外观一般呈浅黄色或浅灰色，优质的呈白色， 质软，多孔而轻。硅藻土的多孔结构使它成为 一种良好吸附剂，在食品、化工生产中常用来 作助滤剂及脱色剂。
沸石分子筛是结晶铝硅酸金属盐的水合物， 其 化 学 通 式 为 ： Mx/m[(AlO2)x· 2)y]· 2O 。 (SiO zH M代表阳离子，m表示其价态数，z表示水合数 ，x和y是整数。沸石分子筛活化后，水分子被 除去，余下的原子形成笼形结构，孔径为3～ 10Å。分子筛晶体中有许多一定大小的空穴， 空穴之间有许多同直径的孔（也称“窗口”） 相连。由于分子筛能将比其孔径小的分子吸附 到空穴内部，而把比孔径大的分子排斥在其空 穴外，起到筛分分子的作用，故得名分子筛。
吸附
解吸
多孔吸附剂中流体的浓度分布和温度分布
(2)外扩散传质过程
吸附质从流体主体对流扩散到吸附剂颗粒外表面 的传质速率方程为：
相应的传热方程为：
(3)内扩散传质过程
吸附质在微孔中的扩散有两种形式-沿孔截面的扩 散和沿孔表面的表面扩散。前者根据孔径和吸附分 子平均自由程之间大小的关系又有三种情况：分子 扩散、纽特逊扩散和介于这两种情况之间的扩散。 当微孔表面吸附有吸附质时，沿孔口向里的表面上 存在着吸附质的浓度梯度，吸附质可以沿孔表面向 颗粒内部扩散，称为表面扩散。 在吸附剂颗粒的微孔中进行传质的数学模型很 类似于在多孔催化剂颗粒中的催化反应，一般应 用Fick第一定律来进行描述
二、常用吸附剂
吸附剂按其化学结构可分为有机吸附 剂和无机吸附剂。
常用的有机吸附剂有活性炭、球性炭 化树脂、聚酰胺、纤维素、大孔树脂 等； 常用的无机吸附剂有硅胶、活性氧化 铝、硅藻土、分子筛等。
1.活性碳——非极性吸附剂
活性碳是碳质吸附剂的总称。各种含碳有机 物均可以制造活性碳，活性碳的制造主要有 两步： 1碳化；2 活化。 活性炭具有非极性表面。为疏水亲有机物的 吸附剂，特别适合于吸附非极性或弱极性有 机物；它性能稳定、抗腐蚀、吸附容量大。 广泛用于：脱除水中有机物；水溶液中的色 素等。
超 过 滤 膜
反 渗 透 膜
渗 透 汽 化 膜
气 体 渗 透 膜
无机材料膜
有机高分子膜
膜材料选择
选择依据：膜材料本身的物理化学性质，以 及膜材料与分离体系中组分间的相互作用。 选择方法：溶解度参数选择法、 Lansdale 膜 材料选择法、高效液相色谱法、膜材料含水率 法、分子模拟法等。 常用有机膜材料： 纤维素衍生物、聚砜类、 乙烯类高分子、含硅高分子、聚烯烃（聚乙烯、 聚丙烯等）、聚酰胺类及杂环含氮高聚物（最 常用的是聚酰亚胺、含氟高分子（聚四氟乙烯 等）。
nad
在高压下发生孔内冷凝
III型 和 V型
III
等温线
p/p0
吸附质之间具有强相互 作用, 比如当水分子吸附 到疏水性活性炭上时
nad V nad
在低压下类似于 III 型 在高压下发生孔内冷凝
p/Байду номын сангаас0
单组份吸附平衡关系
（1）亨利定律
在足够低的浓度范围，吸附平衡关系可用亨利定律表述： 或
亨利常数
2.活性氧化铝——极性吸附剂
活性氧化率的化学通式为：Al2O3· 2O nH 氢氧化铝胶体经过灼烧脱水而制得一种多孔大表 面吸附剂。
活性氧化铝的表面活性中心是羟基和路易斯酸中
心，极性强，对水具有很高的亲和作用。
广泛用于脱除气体中的水分，也常用作色谱柱填
充材料。
3.硅胶－极性吸附剂
膜应具备下述两个特性：
第一：膜必须具有两个界面，分别与上游 侧与下游侧的流体物质互相接触。 第二：膜应具有选择透过性。
膜的种类
根据 膜的 材质
根据 材料 来源
根据 膜的 结构
根据 膜的 功能
固 体 膜
液 体 膜
天 然 膜
合 成 膜
多 孔 膜
致 密 膜
离 子 交 换 膜
渗 析 膜
微 孔 过 滤 膜
五类实验吸附等温线:
I 吸 附 量
Ⅱ 吸 附 量
吸 附 量
Ⅲ
相对压力P/P0 Ⅳ 吸 附 量
相对压力P/P0 Ⅴ 吸 附 量
相对压力P/P0
相对压力P/P0
相对压力P/P0
II型 和 IV型 等温线
II nad
多层吸附 (从点 B开始)
B p/p0
对无孔材料比较适用
IV
在低压下类似于 II 型
B p /p 0
吸附剂的再生方法主要有变温法、变压法、惰性气 体吹扫法和置换再生法
一、固定床吸附
ti—吸附质首先出现在床层出口端时间； tb—对应馏出物最大允许浓度时间，称破点时间； te—床层饱和时间。 （te-ti）——对应床层吸附区或传质区长度
二、变温吸附（TSA）
变温吸附原理：利用吸附量随温度变化的特性而实现的
吸附过程的传质
一、 吸附机理
吸附质在吸附剂的多孔表面上的吸附过程分四步：
1、吸附质从流体主体通过分子扩散与对流扩散穿过薄膜或边 界层传递到吸附剂外表面，称为外扩散过程。 2、吸附质通过孔扩散从吸附剂的外表面传递到微孔结构的 内表面，称为内扩散过程。 3、吸附质沿内孔表面的表面扩散。 4、吸附质被吸附在孔表面上。 对于化学吸附：吸附质与吸附剂之间有键的形成，第四步 可能较慢，甚至是控制步骤。 对于物理吸附：由于吸附速率仅取决于吸附质分子与孔表 面的碰撞频率和定向作用，第四步几乎是瞬间完成的，吸 附速率由前三步控制，统称为扩散控制。
硅胶的化学通式为：SiO2· H2O。 n 用硅酸钠与无机酸反应生成硅酸，其聚合物在适 宜的条件下聚合、缩合而成为硅氧四面体的多聚 物，经聚集、洗盐、脱水而成为硅胶。 硅胶的表面保留着大约5wt.％的羟基，是硅胶的 吸附活性中心。在200℃以上羟基会脱去，所以 硅胶的活化温度应低于200℃。 硅胶常作为干燥剂用于气体或液体的干燥脱水， 也可用于分离烷烃与烯烃、烷烃与芳烃，同时硅 胶也是常用的色谱柱填充材料。
6.1.2 吸附分离过程与技术
6.1.1 吸附过程基础
一、吸附过程
吸附是指流体（气体或液体）与 固体多孔物质接触时，流体中的 一种或多种组分传递到多孔物质 外表面和微孔内表面并附着在这 些表面上形成单分子层或多分子 层的过程。
被吸附的流体称为吸附质，多孔固体颗 粒称为吸附剂。吸附达到平衡时，吸附 剂内的流体称为吸附相，剩余的流体本 体相称为吸余相。 由于吸附质和吸附剂的物理化学性质不 同，吸附剂对不同吸附质的吸附能力也 不同，因此当流体与吸附剂接触时，吸 附剂对流体中的某个或某些组分相对其 他组分具有较高的吸附选择性，从而实 现物质的分离。
物理吸附与化学吸附的比较
理化指标 物理吸附 化学吸附
吸附作用力 吸附热 选择性 吸附层 吸附速率 可逆性 发生吸附温度
范德华力 接近于液化热 低 单或多分子层 快，活化能小 可逆 低于吸附质临界温度
化学键 接近于化学反应热 高 单分子层 慢，活化能大 不可逆 远高于吸附质沸点
吸附类型的判断
（1）物理吸附热与冷凝热在一个数量级上，而化学 吸附热与其反应热在一个数量级上； （2）适宜温度和压力条件下，所有的气体－固体体 系中都将发生物理吸附，而化学吸附只有当气体分子 与吸附剂表面能形成化学键时才发生； （3）物理吸附的吸附质分子可通过降低压力的方法 解吸，而化学吸附的吸附质分子的解吸要困难得多， 往往是不可逆的；
（a）A 型
（b）X 型
两种常用沸石分子筛的结构
沸石分子筛的吸附作用有两个特点：（1）表 面上的路易斯中心极性很强；（2）沸石中的笼 或通道的尺寸很小，使得其中的引力场很强。 因此，其对吸附质分子的吸附能力远超过其他 类型的吸附剂。即使吸附质的分压（或浓度） 很低，吸附量仍很可观。沸石分子筛的吸附分 离效果不仅与吸附质分子的尺寸和形状有关， 而且还与其极性有关，因此，沸石分子筛也可 用于尺寸相近的物质的分离。
Langmuir-Freundlich吸附等温方程：
纯经验方程
多组分吸附平衡关系 (1) Langmuir方程扩展式
忽略各吸附组分之间的相互作用，其他组分的吸附 仅仅减小了吸附表面上的空位:
纯组分吸附时的对应值
例 6-1
(2) Langmuir-Freundlich方程的扩展式
Langmuir方程扩展式和Langmuir-Freundlich方程 的扩展式缺乏热力学一致性，故理论依据不充分， 只具有半经验性质，但应用起来比较简便。
6.1.2 吸附分离过程与技术
根据待分离物系中各组分的性质和过程的分离要 求(如纯度、回收率、能耗等)，在选择适当的吸附 剂和解吸剂基础上，采用相应的工艺过程和设备。 常用的吸附分离设备有：
吸附搅拌槽
固定床吸附器 移动床 流化床
吸附方法分类
分离组分的多少 分离组分浓度的高低 床层温度的变化 进料方式 单组份吸附 痕量组分脱除 不等温操作 连续进料 多组分吸附 主体分离 恒温操作 分批进料
（4）物理吸附可以是单分子层吸附也可以是多分子 层吸附，而化学吸附通常只是单分子层吸附，某些情 况下，化学吸附单分子层上还可能发生物理吸附； （5）物理吸附瞬时发生，而化学吸附一般需要达到 一定的活化能后才发生。