发布时间 : 星期四 文章PSA制氢装置培训教材 - 图文更新完毕开始阅读1fe5173331b765ce0408143b
吸附质的混合气体以恒定的流速通过吸附床层，床层内不同位置上的吸附质浓度随时间而变化。
理想状况下，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，则吸附质一直是以初始浓度向气体流动方向推进，类似于活塞在气缸内推进。如图5所示。
图5 理想状态下吸附剂床层内吸附质浓度的变化 实际吸附过程中，由于传质阻力的存在，流体的速度、吸附相平衡以及吸附机理等各方面的影响，吸附质浓度恒定的混合气体通过吸附床层时，首先是在吸附床层的进口处形成 S形曲线，如图6所示，此曲线称为吸附前沿（或传质前沿）。
图6 实际吸附过程中吸附质浓度随时间的变化 （2）吸附的传质区
随着气体混合物的不断流入，吸附前沿将不断向前移动，经过一段时间后，吸附前沿的前端将到达吸附床的出口端。S形曲线所占的床层长度称为吸附的传质区（MTZ）。传质区形成后，只要气流速度不变，入口气体混合物中吸附质浓度不变，其长度将不改变，随着气流的进入，沿气流方向向前推进。因此在吸附过程中，如图7所示，吸附床内可以分为三个区域：
吸附饱和区：在此区域内的吸附剂不再吸附，达到动态平衡状态；
吸附传质区：在此区域内的吸附剂已经吸附了部分吸附质，但未达到动态
平衡，还在继续进行吸附；
未吸附区：此区域内的吸附剂为“新鲜”吸附剂，吸附剂还未开始吸附；
图7 吸附过程中吸附床层内的区域分布
上图中，曲线与坐标所形成的面积，称为吸附剂的吸附负荷。在吸附饱和区部分，是吸附剂在吸附质初始浓度Co下的饱和吸附量。如将图中的纵坐标由吸附质浓度改为吸附剂对吸附质的吸附量，即可得到吸附负荷曲线（如图9所示）。
“吸附前沿”常应用于吸附过程的工程概念中，它表示在吸附床的传质区与未吸附区之间存在着吸附前沿。吸附前沿的高低，决定了吸附分离所能得到的极限纯度，是在工程过程控制中，吸附分离制取纯气体中所允许杂质含量的极限控制的重要参数。 （3）流出曲线
在吸附床中，随着气体混合物的不断流入，吸附前沿不断向床层出口推进，经过一段时间，吸附质出现在吸附床出口处，并随时间推移，吸附质浓度不断上升，最终达到进入吸附床的吸附质初始浓度。测定吸附床出口处吸附质浓度随时间的变化，便可绘出如图8所示曲线，此曲线称为流出曲线。
图8 固定吸附床的流出曲线 实际上吸附前沿（吸附负荷曲线）与流出曲线是成镜面对称相似的。如图9所示，与吸附前沿一样，传质阻力大，传质区愈大，流出曲线的波幅就愈大，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，吸附前沿曲线和流出曲线成了垂直线，床层内的吸附都可能被有效利用。
图9（a）中，横坐标z为吸附床长度，纵坐标q为吸附量，曲线为吸附负荷曲线；图9（b）中，横坐标t为吸附时间，纵坐标c为吸附质浓度，曲线为吸附流出曲线。图中面积abcdefa为传质区的总吸附容量（U+V），吸附前沿（负荷）曲线上方（或流出曲线下方）的面积agdefa是传质区仍具有吸附能力的容量（U），吸附前沿（负荷）曲线的下方（或流出曲线的上方）的面积abcdga是传质区中被吸附部分（V），面积abfk为吸附饱和区。
影响流出曲线形状的因素由吸附剂的性质、颗粒的形状和大小、气体
混合物的组成和性质、混合气体的流速、吸附平衡和机理以及吸附床的温度和压力等。通过对流出曲线的研究，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。
图9 吸附负荷曲线和流出曲线 （4）穿透点
从吸附床气体进口端流进吸附质初始浓度恒定的气体混合物，气体中的吸附质就从入口端开始依次被吸附在吸附剂床层上，在床层的气体流动方向上形成一个浓度梯度（即传质区）。吸附过程只是在传质区为一定形状的浓度分布范围内进行，在吸附工况处于稳定状态下，浓度梯度的分布形状和长度基本不变，以一定的速度在吸附床层上移动。随着吸附过程的持续进行，吸附床内的吸附饱和区逐渐扩大，而尚未吸附区逐渐缩小。当传质区到达吸附床出口端时，流出气体中的吸附质浓度开始突然上升的位置，即所谓的穿透点（图8中的c点），与其相对应的吸附质浓度、吸附时间分别称为穿透浓度和穿透时间。
工程上为了设计固定吸附床，必须进行传质区长度和流出曲线的计算，由于已有的计算方法都是在很多假设的条件下进行的，因此通常用实验手段测定传质区长度和流出曲线，然后在此基础上建立计算机模拟软件来进行吸附系统的技术开发设计。 四、吸附剂
吸附剂是吸附分离过程得以实现的基础，一般固体的表面都会有一定的吸附作用，但没有实际应用意义。能够在工业上使用的吸附剂最主要的特征为固体内部具有多孔的结构，类似于海绵体状态，具有极大的内表面积，而一般固体的外表面积是微不足道的。吸附剂都是多孔性物质，具有较大的比表面积，从而具有较大的比表面自由能。自由能产生是由于固体表面原子所受的力处于不平衡状态，总是产生一个向着固体内部方向的合力，这个力会延伸到固体以外的空间，有从外界捕获其它原子以降低这种额外力的趋向，因此表面具有吸附各种分子的能力。当气体或液体分子被吸附在固体表面时，就会使力场达到平衡，固体表面自由能降低。自由能转变为热能，也就是吸附过程中放热的原因。
1、 工业吸附的性能要求
实际工业应用中，由于不同的混合气（液）体系及不同的净化度要求，而采用不同的吸附剂，但作为吸附剂一般都有如下的性能要求。 （1）具有大的比表面积
在吸附过程中，吸附质在固体颗粒上的吸附多为物理吸附，由于这种吸附通常只发生在固体表面几个分子直径的厚度区域，单位面积固体表面所吸附的吸附质量非常小，作为工业吸附剂，需要有较大的吸附容量，因此必须有足够大的比表面积以弥补这一不足。表1列出了常用吸附剂的比表面积。
吸附剂 比表面积m2/g 表1 常用吸附剂比表面积 硅胶 活性氧化铝 活性炭 300～800 100～400 500～1500 分子筛 450～750 吸附剂之所以具有如此大的比表面积，是因为它具有发达的微孔结构。 （2）具有较高的机械强度和耐磨性 由于在吸附分离工艺过程中，吸附剂颗粒要经受气（液）体的反复冲刷，压力变化频繁，有时还会涉及较高的温差变化，工作条件极其苛刻，如果吸附剂没有足够的机械强度和耐磨性，在实际应用中就会产生破碎粉化现象，破坏吸附床层的均匀性，使分离效果下降，而且产生的粉末还会堵塞管道和阀门，导致系统阻力增大，使整个分离装置的生产能力大幅度下降。因此对于工业吸附剂，均要求具有良好的物理机械性能。 （3）具有一定的吸附分离能力
使用吸附剂的目的是实现混合气（液）体的分离净化，因此吸附剂均应具有在某一特定条件下对气（液）体混合物的分离净化能力。即对要吸附的物质（组分）吸附速度快、吸附容量大，对不需要吸附的组分吸附速度慢、吸附容量小，具有较好的选择性。 （4）颗粒大小均匀，流动阻力系数小
吸附剂的外形通常为球形和短柱形，也有其他如无定形颗粒的，颗粒大小均匀可以使流体通过床层时分布均匀，避免产生短路、偏流及返混现象，提高吸附剂的利用率和吸附分离效果。
吸附剂的颗粒大小和形状对吸附剂床层的压力将影响很大，颗粒大小均匀可以减小流动阻力系数，实际应用中应根据工艺要求适当选择。 2、工业上常用的吸附剂
各种吸附剂具有各自的特定性能，用途各不相同。在工业吸附分离装置中，针对不同的混合物系及不同的净化度要求，将采用不同的吸附剂或组合。目前吸附分离过程中常用的吸附剂有分子筛、活性炭、活性氧化铝、硅胶等。 （1） 分子筛
分子筛是一种微孔型具有立方晶格的硅铝酸盐的多水化合物，有人工