发布时间 : 星期日 文章PSA制氢装置培训教材 - 图文更新完毕开始阅读1fe5173331b765ce0408143b
被吸附在固体吸附剂的表面。被吸附在固体吸附剂表面的气体分子又被称为吸附相，其分子密度远大于气相，一般可接近于液态的密度。
固体吸附剂表面分子对吸附相中气体分子的吸引力可由以下公式来描述：
分子引力F=C1/rm-C2/rn (m>n)
其中：C1表示引力常数，与分子的大小、结构有关
C2表示电磁力常数，主要与分子的极性和瞬时偶极矩有关 r表示分子间距离
因而对于不同的气体组分，由于其分子的大小、结构、极性等性质各不相同，吸附剂对其吸附的能力就各不相同。
组分 吸附能力
氦气 ☆ 弱 氢气 ☆ 氧气 ☆☆ 氩气 ☆☆ 氮气 ☆☆☆ 一氧化碳 ☆☆☆ 甲烷 ☆☆☆☆ 二氧化碳 ☆☆☆☆☆☆ 乙烷 ☆☆☆☆☆☆ 乙烯 ☆☆☆☆☆☆☆ 丙烷 ☆☆☆☆☆☆☆ 异丁烷 ☆☆☆☆☆☆☆☆ 丙烯 ☆☆☆☆☆☆☆☆ 戊烷 ☆☆☆☆☆☆☆☆ 丁烯 ☆☆☆☆☆☆☆☆☆
硫化氢 ☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆ 硫醇 ☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆ 戊烯 ☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆
苯 ☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆ 甲苯 ☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆ 乙基苯 ☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆
苯乙烯 ☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆
水 ☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆ 强
图1 为不同组分在分子筛上的吸附强弱顺序示意图
二、吸附平衡
1．吸附平衡
吸附平衡是指在一定的温度和压力下，吸附剂与吸附质充分接触，最后吸附质在两相中的分布达到平衡的过程。
在实际的吸附过程中，吸附包括两个过程：吸附质分子会不断地碰撞吸
附剂表面并被吸附剂表面的分子引力束缚在吸附相中（吸附）；同时吸附相中的吸附质分子又会不断地从吸附剂分子或其它吸附质分子得到能量，从而克服分子引力离开吸附相（解吸）；随着吸附质在吸附剂表面数量的增加，解吸速度逐渐加快，当吸附和解吸速度相当，一定时间内进入吸附相的吸附质分子数和离开吸附相的吸附质分子数相等，从宏观上看，吸附量不再增加时，吸附过程就达到了平衡。
对于物理吸附而言，动态吸附平衡很快就能完成。 2．平衡吸附量
吸附过程达到吸附平衡时，吸附剂对吸附质的吸附量称为平衡吸附量。 平衡吸附量的大小与吸附剂的物化性能——比表面积、孔结构、粒度、化学成分有关，也与吸附质的物化性能、压力（或浓度）、温度等因素有关。在吸附剂和吸附质一定时，平衡吸附量就是吸附质的分压（或浓度）和温度的函数。
3．吸附等温线（物理吸附的两个性质）
在实际中，经常用吸附等温线来描述吸附过程中平衡吸附量与吸附质分压（或浓度）的关系，吸附等温线就是在一定的温度下，测定出不同压力下，吸附质组份在吸附剂上的平衡吸附量，将不同压力下得到的平衡吸附量连接而成的曲线。
（1）温度和压力对平衡吸附量的影响
当固定温度（或压力）时，平衡吸附量就是压力（或温度）的单值函数，从而得到吸附等温函数（或吸附等压函数）。对于确定的吸附剂和吸附质（吸附体系），在一定的温度和压力下，平衡吸附量是一个定值。图2给出了不同温度下的吸附等温线示意图。
C P1 P2 吸 变压吸附 ⊿Qp 附 ⊿Qt 量 ⊿Qtp B 变温吸附 D A T1 T2 温度 T2＞T1 分压 P2＞P1 组分分压 图2 不同温度下的吸附等温线示意图
从上图的B→C和A→D可以看出：在压力一定时，随着温度的升高吸附剂的吸附容量逐渐减小。从上图的B→A可以看出：在温度一定时，随着吸附质分压的升高吸附剂的吸附容量逐渐增大。从微观上解释，出现这种现象的主要原因是：由于压力越高单位时间内撞击到吸附剂表面的气体分子
数越多，因此压力越高平衡吸附容量也就越大；而温度越高气体分子的动能越大，能被吸附剂表面分子引力束缚的分子就越少，因此温度越高平衡吸附容量就越小。
吸附剂的这一特性也可以用Langmuir吸附等温方程来描述： Ai?K1?Xi?P （Ai：吸附质i的平衡吸附量，K1、K2： 吸附常数 ，
1?K2?Xi?PP：吸附压力，Xi：吸附质i的摩尔组成）。
在通常的工业变压吸附过程中，由于吸附--解吸循环的周期短（一般只有数分钟），吸附热来不及散失，恰好可供解吸之用，所以吸附热和解吸热引起的吸附床温度变化一般不大，吸附过程可近似看做等温过程，其特性基本符合Langmuir吸附等温方程。
（2）吸附剂对不同组分的吸附能力不同（即具有选择性）
对于同一种吸附剂，不同的吸附质，在相同的温度和压力下，由于吸附质各组分分子的结构、大小、极性各不相同，吸附剂对吸附质的吸附能力不同，吸附剂的平衡吸附量是不同的，即具有选择性。下面给出的是某种吸附剂对不同的气体组分在38℃下的吸附等温曲线。
Adsorption Isthern (STATIC SORB AT 38C)Volume AdsorptionH2ArO2N2COCH4CO2C2C310100200300400500600700800吸附分压P/P0(KPa)图3 不同气体组分38℃下在活性炭类吸附剂上的吸附等温线
气体吸附分离工艺过程之所以得以实现是由于吸附剂在物理吸附中具有的上述两个基本性质：一是对不同组分的吸附能力不同（即具有选择性），二是吸附质在吸附剂上的吸附容量随吸附质的分压和温度而变化，分压上升而增加，随吸附温度的上升而下降。利用吸附剂的第一个性质，可实现对混合气体中某些组分的优先吸附而使其它组分得以提纯；利用吸附剂的第二个性质，可实现吸附剂在低温、高压下吸附而在高温、低压下解吸再生，从而构成吸附剂的吸附与再生循环，达到连续分离气体的目的。
三、吸附传质过程 1．吸附的传质过程
吸附剂都是内部具有很多小孔的多孔性物质，吸附质在吸附剂上的吸附过程十分复杂。
以气体吸附质在固体吸附剂上的吸附过程为例，吸附质从气体主流至吸附剂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达到吸附剂的表面，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。 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，脱附则逆向进行。吸附质在吸附剂上的扩散过程示意图见图4。
图4 吸附质在吸附剂上扩散的示意图 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内深入扩散，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，所以内扩散是既有平行又有顺序的吸附过程，可以表示为
表面吸附 表面扩散
外扩散 孔扩散 孔扩散直到中心
内表面吸附 表面扩散
可见吸附传递过程由三部分：外扩散、内扩散和表面吸附三部分组成，吸附过程的总速度取决于最慢阶段的速度。
2．吸附的传质区、吸附前沿、流出曲线及穿透点 （1）吸附前沿
将颗粒大小均一的吸附剂装填在固定吸附床中，含有一定浓度（分压）