吸附剂的类型与选择(标准版)

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吸附剂的类型与选择(标准版) Technical safety means that the pursuit of technology should also include ensuring that people make mistakes 实用文本 | DOCUMENT TEMPLATE 化工安全

第 2 页 吸附剂的类型与选择(标准版)

吸附是指气体或液体与多孔的固体颗粒表面接触，气体或液体分子与固体表面分子之间相互作用而停留在固体表面上，使气体或液体分子在固体表面上浓度增大的现象。被吸附的气体或液体称为吸附质，吸附气体或液体的固体称为吸附剂。当吸附质是水蒸气或水时，此固体吸附剂又称为固体干燥剂，也简称干燥剂。 根据气体或液体与固体表面之间的作用不同，可将吸附分为物理吸附和化学吸附两类。 物理吸附是由流体中吸附质分子与吸附剂表面之间的范德华力引起的，吸附过程类似气体液化和蒸气冷凝的物理过程。其特征是吸附质与吸附剂不发生化学反应，吸附速度很快，瞬间即可达到相平衡。物理吸附放出的热量较少，通常与液体气化热和蒸气冷凝热相当。气体在吸附剂表面可形成单层或多层分子吸附，当体系压力

备注：传统安全中认为技术只要能在人不犯错误时保证人安全就达到了技术的根本要求，但更进一步的技术安全观对技术的追求还应该包括保证防止人犯错，乃至在一定范围内缓冲、包容人的错误。 实用文本 | DOCUMENT TEMPLATE 化工安全

第 3 页 降低或温度升高时，被吸附的气体可很容易地从固体表面脱附，而不改变气体原来的性状，故吸附和脱附是可逆过程。工业上利用这种可逆性，通过改变操作条件使吸附质脱附，达到使吸附剂再生并回收或分离吸附质的目的。 吸附法脱水就是采用吸附剂脱除气体混合物中水蒸气或液体中溶解水的工艺过程。 通过使吸附剂升温达到再生的方法称为变温吸附(TSA)。通常，采用某加热后的气体通过吸附剂使其升温再生，再生完毕后再用冷气体使吸附剂冷却降温，然后又开始下一个循环。由于加热、冷却时间较长，故TSA多用于处理气体混合物中吸附质含量较少或气体流量很小的场合。通过使体系压力降低使吸附剂再生的方法称为变压吸附(PSA)。由于循环快速完成，通常只需几分钟甚至几秒钟，因此处理量较高。天然气吸附法脱水通常采用变温吸附进行再生。 化学吸附是流体中吸附质分子与吸附剂表面的分子起化学反应，生成表面络合物的结果。这种吸附所需的活化能大，故吸附热也大，接近化学反应热，比物理吸附太得多。化学吸附具有选择性，实用文本 | DOCUMENT TEMPLATE 化工安全

第 4 页 而且吸附速度较陵，需要较长时间才能达到平衡。化学吸附是单分子吸附，而且多是不可逆的，或需要很高温度才能脱附，脱附出来的吸附质分子又往往已发生化学变化，不复具有原来的性状。 固体吸附剂的吸附容量(当吸附质是水蒸气时，又称为湿容量)与被吸附气体(即吸附质)}的特性和分压、固体吸附剂的特性、比表面积、空隙率以及吸附温度等有关，故吸附容量(通常用kg吸附质/1OOkg吸附剂表示)可因吸附质和吸附剂体系不同而有很大差别。所以，尽管某种吸附剂可以吸附多种不同气体，但不同吸附剂对不同气体的吸附容量往往有很大差别，亦即具有选择性吸附作用。因此，可利用吸附过程这种特点，选择合适的吸附剂，使气体混合物中吸附容量较大的一种或几种组分被选择性地吸附到吸附剂表面上，从而达到与气体混合物中其他组分分离的目的。 在天然气凝液回收、天然气液化装置和汽车用压缩天然气(CNG)加气站中，为保证低温或高压系统的气体有较低的水露点，大多采用吸附法脱水。此外，在天然气脱硫过程中有时也采用吸附法脱硫。由于这些吸附法脱水、脱硫均为物理吸附，故下面仅讨论物理吸附，实用文本 | DOCUMENT TEMPLATE 化工安全

第 5 页 并以介绍天然气吸附法脱水为主。 吸附法脱水装置的投资和操作费用比甘醇脱水装置要高，故其仅用于以下场合：①高含硫天然气；②要求的水露点很低；③同时控制水、烃露点；④天然气中含氧。如果低温法中的温度很低，就应选用吸附法脱水而不采用注甲醇的方法。 虽然许多固体表面对于气体或液体或多或少具有吸附作用，但用于天然气脱水的干燥剂应具有下列物理性质：①必须是多微孔性的，具有足够大的比表面积(其比表面积一般都在500～800m2 /g)，比表面积愈大，其吸附容量愈大；②对天然气中不同组分具有选择性吸附能力，即对所要脱除的水蒸气具有较高的吸附容量，这样才能达到对其分离(即脱除)的目的；③具有较高的吸附传质速度，可在瞬间达到相平衡；④可经济而简便地进行再生，且在使用过程中能保持较高的吸附容量，使用寿命长；⑤颗粒大小均匀，堆积密度大，具有较高的强度和耐磨性；⑥具有良好的化学稳定性、热稳定性，价格便宜，原料充足等。 (一)吸附剂的类型 实用文本 | DOCUMENT TEMPLATE 化工安全

第 6 页 目前，常用的天然气干燥剂有活性氧化铝、硅胶和分子筛三类。一些干燥剂的物理性质见表3-6。 表3-6一些干燥剂的物理性质① 干燥剂 硅胶Davison03 活性氧化铝Alcoa(F-200) H、R型硅胶Kali-chemie 分子筛Zeoehcm 孔径/10-1 nm 10～90 15 20～25 3，4，5，8，10 堆积密度/(kg/m3 ) 实用文本 | DOCUMENT TEMPLATE 化工安全

第 7 页 720 705～770 640～785 690～750 比热容/[kJ/(kg·K)] 0.921 1.005 1.047 0.963 最低露点/℃ -50～-96 -50～-96 -50～-96 -73～-185 设计吸附容量/% 4～20 实用文本 | DOCUMENT TEMPLATE 化工安全

第 8 页 11～15 12～15 8～16 再生温度/℃ 150～260 175～260 150～230 220～290 吸附热/(kJ/kg) 2980 2890 2790 4190(最大) ①表中数据仅供参考，设计所需数据应由制造厂商提供 1.活性氧化铝 活性氧化铝是一种极性吸附剂，以部分水合与多孔的无定形Al2 实用文本 | DOCUMENT TEMPLATE 化工安全

第 9 页 O3 为主，并含有少量其他金属化合物，其比表面积可达250m2 /g以上。例如，F-200活性氧化铝的组成为：Al2 O3 94%、H2 O5.5%、Na2 O0.3%及Fe2 O3 0.02%。 由于活性氧化铝的湿容量大，故常用于水含量高的气体脱水。但是，因其呈碱性，可与无机酸发生反应，故不宜用于酸性天然气脱水。此外，因其微孔孔径极不均匀(见图3-13)，没有明显的吸附选择性，所以在脱水时还能吸附重烃且在再生时不易脱除。通常，采用活性氧化铝干燥后的气体露点可达-70℃。 2.硅胶 硅胶是一种晶粒状无定形氧化硅，分子式为SiO2 实用文本 | DOCUMENT TEMPLATE 化工安全

第 10 页 ·nH2 O，其比表面积可达300m2 /g。Davison03型硅胶的化学组成见表3-7。 表3-7硅胶化学组成(干基) 名称 SiO2 Al2 O3 TiO2 Fe2 O3 Na2 O CaO ZrO2 其他 实用文本 | DOCUMENT TEMPLATE 化工安全

第 11 页 组成/% 99.71 0.10 0.09 0.03 0.02 0.01 0.01 0.03 硅胶为极性吸附剂，它在吸附气体中的水蒸气时，其量可达自身质量的50%，即使在相对湿度为60%的空气流中，微孔硅胶的湿容量也达24%，故常用于水含量高的气体脱水。硅胶在吸附水分时会放出大量的吸附热，易使其破裂产生粉尘。此外，它的微孔孔径也极不均匀，没有明显的吸附选择性。采用硅胶干燥后的气体露点可达-60℃。 3.分子筛 实用文本 | DOCUMENT TEMPLATE 化工安全

第 12 页 目前常用的分子筛系人工合成沸石，是强极性吸附剂，对极性、不饱和化合物和易极化分子特别是水有很大的亲和力，故可按照气体分子极性、不饱和度和空间结构不同对其进行分离。 分子筛的热稳定性和化学稳定性高，又具有许多孔径均匀的微孔孔道和排列整齐的空腔，故其比表面积大(800～1000m2 /g)，且只允许直径比其孔径小的分子进入微孔，从而使大小和形状不同的分子分开，起到了筛分分子的选择性吸附作用，因而称之为分子筛。 人工合成沸石是结晶硅铝酸盐的多水化合物，其化学通式为 Mex/n [(AlO2 )x (SiO2 )y ]·mH2 O