1.2 1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 0.0 0 50
Z2 Z1 AC1 AC2 AC3 AC4 AC5
压力P/kPa
100
150
200
250
300
350
压力P/kPa
298K下5种活性炭和2种沸石分 子筛对CH4的吸附等温线
298K下5种活性炭和2种沸石分 子筛对N2的吸附等温线
39
吸附剂
态与固体内部分子（或原子）所处的状态不同 界面
固体表面分子(或原子)处于 特殊的状态。固体内部分 子所受的力是对称的，故 彼此处于平衡。但在界面 分子的力场是不饱和的， 即存在一种固体的表面力， 它能从外界吸附分子、原 子、或离子，使表面自由 能下降，并在吸附表面上 形成多分子层或单分子层。 而且不同的部位吸附和催 化的活性不同。
吸附量测量
p
体积法（容积法），它是通过测定在一个体积固 定的密闭容器中吸附前后压力变化来计算吸附量 重量法，它是通过直接测定吸附前后吸附剂重量 改变而得到吸附量 ； 流动法，通过测定流入吸附塔和流出吸附塔的吸 附质的差值计算得出
p
p
吸附量测量-容积法
n
容积法的基本依据是克拉贝龙方程计算，He用于膨 胀测量容器内体积
17
吸附概念
影响气-固界面吸附的主要因素
影响气-固界面吸附的主要因素有：温度、压力以及吸附剂 和吸附质的性质。 无论物理吸附还是化学吸附，温度升高时吸附量减少，压 力增加，吸附量和吸附速率皆增大。 极性吸附质更易于被吸附。 吸附质分子的结构越复杂，沸点越高，被吸附的能力越强。 酸性吸附剂易吸附碱性吸附质，反之亦然。
0.09 0.08
0.08
吸附量/(mol/kg)
吸附量/(mol/kg)
0.07 0.06 0.05 0.04 0.03 0.02 0.01 0.00 0 200 400 600 800 10001200140016001800
0.06 0.04 0.02 0.00
氮气 甲烷
氧气 氮气
0
1000 2000 3000 4000 5000 6000
296
吸附
n
温度 /K
294 吸附热使吸附剂 和气流的温度升高，而使吸附剂的效能降 292 低。所以在 设计吸附器时特别当吸附质 降压 浓度大、吸附量多 升压 考虑在内。 时，必须把 吸附热的影响 290 288
反吹
286 284 6.0 6.1 6.2 6.3 6.4 6.5 6.6 6.7 6.8 6.9 7.0
强
各 气 体 组 分 在 沸 石 吸 附 剂 上 的 吸 附 力 减 弱 排 列 顺 序 示 意
13
吸附概念 — 吸附平衡
在一定温度和压力或浓度下，当气体或液体 与固体吸附剂经长时间充分接触后，吸附质在流 体相和固体相中的含量不再变化，此时吸附量为 平衡吸附量。
解吸速度
吸附速度
14
吸附概念
吸附量的表示 吸附剂吸附能力用吸附量q表示。 吸附量通常有两种表示方法： (1)单位质量的吸附剂所吸附气体的体积
吸附速率：指单位时间内单位质量吸附剂吸附的量。 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。 吸附过程为非稳态过程，但对于某一瞬间，可按拟 稳态处理。
34
吸附概念 — 吸附动力学
总传质速率
吸附剂表面
气(液)膜 吸附剂内
吸 附 量 /(mol/kg)
吸附
等量吸附热
31
吸附概念 — 吸附动力学
吸附机理： 吸附质被吸附剂 吸附的过程一般 分为三步： （1）外扩散
吸附剂周围的流体相中组分A扩散穿过 流体膜到达 （固体吸附剂表面。 2）内扩散 因为流体 与固体接触时，在紧贴固体表面处有一 组分A从固体表面进入其微 层滞流膜，所以这一步的速率主要取决 孔道，在微孔道的吸附流体 于吸附质以 分子 扩散通过这一滞流膜的 （ 3 ）吸附 相中 扩散 到微孔表面。 传递速率。 扩散到微孔表面的组分A分子被固体所 吸附，完成吸附。 32
第6个循环
30
吸附概念 —吸附热
-19.4 -19.6 -19.8
Ø 吸附热随吸附量的增加 而减少 Ø 吸附剂表面不同位置的 吸附势能不一样，吸附 势能大的位置先将气体
0.4 0.6 0.8 1.0 1.2
△H/(kJ/mol)
-20.0 -20.2 -20.4 -20.6 -20.8 -21.0
时间/s
时间/s
36
吸附概念 — 吸附动力学
碳分子筛CMS5对 CH4、N2和O2的吸附平衡时间比较
0.09 0.08
0.08
吸附量/(mol/kg)
吸附量/(mol/kg)
0.07 0.06 0.05 0.04 0.03 0.02 0.01 0.00 0 200 400 600 800 10001200140016001800
37
本章主要内容
吸附概念 吸附剂
变压吸附原理
吸附分离设备
变压吸附流程
吸附剂
1.8 1.6 1.4 1.2 1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 0.0 0 50 100 150 200 250 300 350
吸附量q/(mol/kg)
吸附量q/(mol/kg)
Z2 Z1 AC1 AC2 AC3 AC4 AC5
0.06 0.04 0.02 0.00
氮气 甲烷
氧气 氮气
0
1000 2000 3000 4000 5000 6000
时间/s
时间/s
碳分子筛主要依靠动力学效应来分离混合气体，它对CH4、N2和O2的吸 附速率是不同的，通过实验发现，碳分子筛对O2的吸附速率最大，其次 是N2，对CH4的吸附速率最小。
q* cb qs cs
dq = Kf (cb -c*) = Ks (q* -q) dq
q c*
外扩散
内扩散
式中 c*为与q成平衡的流体相中吸附质的浓度，q*为与cb成平 衡的吸附相浓度，Kf和Ks分别为以流体相总浓度差和吸附相总浓 度差为推动力的总传质系数。
35
吸附概念 — 吸附动力学
传质系数反映了吸附质在吸附剂上吸附速率的大小
气体资源学
吸附法气体分离
主讲教师: 杨 雄 E-mail：yangx@ Tel：62332730 办公室：机电楼1218A
吸附法气体分离
2000多年前吸附知识开始应用，如马王堆的汉代干尸 2
吸附法气体分离
3
吸附法气体分离
煤化工领域变压吸附制氧最大达到了40700Nm3/h 4
吸附概念 — 吸附动力学
脱附（解吸）过程与吸附相反
组分A分子从外表面反扩散穿 过流体膜，进入外界周围的 流体中，从而完成脱附。 脱附的组分A分子从孔道内吸附 （3）外反扩散 流体相扩散到吸附剂外表面。
（2）内反扩散 （ 1） 脱 附
已被吸附的组分A分子，部分 脱附，离开微孔道表面。 33
吸附概念 — 吸附动力学
q m bc q = 1 + bc
c=吸附质在液相中的摩尔浓度; qm=吸附剂的的最大吸附量； b=朗格缪尔常数（吸附平衡常数或吸附系数），它的 大小代表了固体表面吸附气体能力的强弱程度。
25
吸附概念 — 吸附等温线方程
朗格缪尔方程是具有一定理论基础的吸附等温线方程， 其主要假设是单分子层吸附，其常数qm具有明确的物理 意义。 ①当压力（或浓度）很低时， bp <<1, q≈ qm bp ，即q与p呈 qm 直线关系(Henry定律)； ②当压力（或浓度）很高时， bp >>1, q ≈ qm ，q不再随压力 变化，表示吸附达到饱和。
qm2b2 p2 q2 = 1+ b1 p1 + b2 p2
参数qm1 、 qm2、 b1 、b2 可通过实验数据的回 归求得。
28
吸附概念 — 吸附等温线方程
由于组分间的相互竞争，多组分 吸附时每一组分的吸附量比单一组分 时的吸附量少。
29
吸附概念 — 吸附热
n
流体分子被吸附到吸附剂表面时所放出的热量称为吸附热。 一般由实验测定。物理吸附是一种凝聚现象，因此吸附过 程总是放热的。物理吸附热相当于液化热或者凝固热
活性炭>1000 m2/g。
(2) 较高的选择性
选择性愈高，一次吸附的分离愈完全。例如木炭对
SO2和NH3的吸附能力远远大于对空气的吸附能力，故能从空气中吸附 分离SO2和NH3，使空气净化。
(3) 一定的机械强度 一定的机械强度和耐磨性可防止在运输和操作过
程中过多破碎，造成操作中流体通道的阻塞或流体污染。
吸附质 吸附剂 adsorbent
具有多孔表面的固体为吸附剂
吸附 adsorption
吸着 sorption
adsorbate
固体
被吸附的物质为吸附质
吸附概念
吸附剂一般为多孔颗粒（也有粉末状、纤维状），其主要特点是 具有很大的内孔表面积。
活性炭
分子筛
树脂
9
吸附概念 — 吸附机理
固体的表面性质——固体表面分子（或原子）所处的状
5种碳分子筛在298K下对O2的吸附等温线
0.7 0.6
吸附量q/(mol/kg)
0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0.0 0 50
CMS1 CMS2 CMS3 CMS4 CMS5
100
150
200
250
300
350
压 力 p/kPa
40
吸附剂
吸附剂要求？
(1) 巨大的吸附面积 表面积越大，吸附能力越强。例如硅胶为500 m2/g，
PV = mRg T