移動床吸附裝置的作用

① 吸附的原理

當液體或氣體混合物與吸附劑長時間充分接觸後，系統達到平衡，吸附質的平衡吸附量（單位質量吸附劑在達到吸附平衡時所吸附的吸附質量），首先取決於吸附劑的化學組成和物理結構，同時與系統的溫度和壓力以及該組分和其他組分的濃度或分壓有關。

對於只含一種吸附質的混合物，在一定溫度下吸附質的平衡吸附量與其濃度或分壓間的函數關系的圖線，稱為吸附等溫線。對於壓力不太高的氣體混合物，惰性組分對吸附等溫線基本無影響；而液體混合物的溶劑通常對吸附等溫線有影響。

同一體系的吸附等溫線隨溫度而改變。溫度愈高，平衡吸附量愈小。當混合物中含有幾種吸附質時，各組分的平衡吸附量不同，被吸附的各組分濃度之比，一般不同於原混合物組成，即分離因子不等於1。吸附劑的選擇性愈好,愈有利於吸附分離。

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吸附分離實例：

1、氣體或液體的脫水及深度乾燥，如將乙烯氣體中的水分脫到痕量，再聚合。

2、氣體或溶液的脫臭、脫色及溶劑蒸氣的回收，如在噴漆工業中，常有大量的有機溶劑逸出，採用活性炭處理排放的氣體，既減少環境的污染，又可回收有價值的溶劑。

3、氣體中痕量物質的吸附分離，如純氮、純氧的製取。

4、分離某些精餾難以分離的物系，如烷烴、烯烴、芳香烴餾分的分離。

5、廢氣和廢水的處理，如從高爐廢氣中回收一氧化碳和二氧化碳，從煉廠廢水中脫除酚等有害物質。

② 用熱水淋洗吸附柱的作用

分離凈化。吸附柱用於吸附中的移動床傳質設備，曾用於分離烯烴的中間工廠，在層析柱中用淋洗劑淋洗，達到分離凈化的目殲告的漏桐，在吸附現象中具有較大吸附能力的固體物質稱為吸附劑，被氏搜明吸附的物質稱為吸附質。

③ 求固定床吸附器的資料

固定床吸附器：

⑴ 形式與結構：

工業上應用最多的吸附設備是固定床吸附器，主要有立式和卧式兩種，都是圓柱形容器。卧式圓柱形吸附器，兩端為球形頂蓋，靠近底部焊有橫柵條，其上面放置可拆式鑄鐵柵條，柵條上再放金屬網(也可用多孔板替代柵條)，若吸附劑顆粒細，可在金屬網上先堆放粒度較大的礫石再放吸附劑。立式吸附器基本結構與卧式相同。

⑵ 吸附過程的操作方式：

a)、間隙過程：欲處理的流體通過固定床吸附器時，吸附質被吸附劑吸附，流體是由出口流出，操作時吸附和脫附交替進行。

b)、連續過程:通常流程中都裝有兩台以上吸附器，以便切換使用。在吸附時原料氣由下方通人，吸附後的原料氣從頂部出口排出。與此同時，吸附器處於脫附再生階段，再生用氣體由加熱器加熱至要求的溫度，再生氣進入吸附器的流向與原料氣相反，再生氣攜帶從吸附劑上脫附的組分從吸附器底部放出，經冷卻器冷凝分離，再生氣循環使用。如果所帶組分不易冷凝，要採用其它方法使之分離。

⑶ 優缺點：

a）優點：結構簡單、造價低，吸附劑磨損少。

b）缺點:

ⅰ）操作麻煩，因是間歇操作，操作過程中兩個吸附器需不斷地周期性切換；

ⅱ) 單位吸附劑生產能力低，因備用設備雖然裝有吸附劑，但處於非生產狀態；

ⅲ)固定床吸附劑床層尚存在傳熱性能較差，床層傳熱不均勻等缺點。

2 固定床吸附器的操作特性：

1)非定態的傳質過程

當流體通過固定床吸附劑顆粒層時，床層中吸附劑的吸附量隨著操作過程的進行而逐漸增加，同時床層內各處濃度分布也隨時間而變化。

ⅰ）未吸附區

吸附質濃度為 的流體由吸附器上部加入，自上而下流經高度為 的新鮮吸附劑床層。開始時，最上層新鮮吸附劑與含吸附質濃度較高的流體接觸，吸附質迅速地被吸附，濃度降低很快，只要吸附劑床層足夠，流體中吸附質濃度可以降為零。經過一段時間dl後,水平線密度大小表示固定床內吸附劑上吸附質的濃度分布，頂端的吸附劑上吸附質含量高，由上而下吸附劑上吸附質含量逐漸降低，到一定高度 以下的吸附劑上吸附質含量均為零，即仍保持初始狀態，稱該區為未吸附區。此時出口流體中吸附質組成 近於零。

ⅱ) 吸附傳質區、吸附傳質區高度

繼續操作至 時，由於吸附劑不斷吸附，吸附器上端有一段吸附劑上吸附質的含量已經達到飽和，向下形成一段吸附質含量從大到小的 形分布的區域，從 到 的 線所示。這一區域為吸附傳質區，其所佔床層高度稱為吸附傳質區高度，此區以下仍是未吸附區。

ⅲ) 飽和區

在飽和區內，兩相處於平衡狀態，吸附過程停止；從高度 處開始，兩相又處於不平衡狀態，吸附質繼續被吸附劑吸附，隨之吸附質在流體中的濃度逐漸降低，至 處接近於零，此後，過程不再進行。

ⅳ) 吸附波

吸附傳質只在吸附傳質區內進行,再繼續操作，吸附器上端的飽和區將不斷擴大，吸附傳質區尤如「波」一樣向下移動，故稱為吸附波，其移動的速度遠低於流體流經床層的速度。到 時，吸附傳質區的前端已移至吸附器的出口。

ⅴ）穿透點與穿透曲線

從吸附器流出的流體中吸附質濃度突然升高到一定的最高允許值 說明吸附過程達到所謂的「穿透點」。若再繼續通人流體，吸附傳質區將逐漸縮小，而出口流體中吸附質的濃度將迅速上升，直至吸附傳質區幾乎全部消失，吸附劑全部飽和，這時出口流體中吸附質濃度接近起始濃度y。實際上吸附操作只能進行到穿透點為止，從過程開始到穿透點所需時間稱為穿透時間。

vi) 吸附負荷曲線與穿透曲線的關系

吸附負荷曲線與穿透曲線成鏡面相似，即從穿透曲線的形狀可以推知吸附負荷曲線。對吸附速度高而吸附傳質區短的吸附過程，其吸附荷曲線與穿透曲線均陡些。

不僅吸附負荷曲線、穿透曲線、吸附傳質區高度和穿透時間互相密切相關，而且都與吸附平衡性質、吸附速率、流體流速、流體濃度以及床高等因素有關。一般穿透點隨床高的減小，吸附劑顆粒增大，流體流速增大以及流體中吸附質濃度增大而提前出現。所以在一定條件下，吸附劑的床層高度不宜太小。因為床高太小，穿透時間短，吸附操作循環周期短，使吸附劑的吸附容量不能得到充分的利用。

2) 作用：固定床吸附器的操作特性是設計固定床吸附器的基本依據，通常在設計固定床吸附器時，需要用到通過實驗確定的穿透點與穿透曲線，因此實驗條件應盡可能與實際操作情況相同。

3 固定床吸附器的設計計算

⑴ 固定床吸附器設計計算的主要內容

固定床吸附器設計計算的主要內容是根據給定體系，分離要求和操作條件，計算穿透時間為某一定值(吸附器循環操作周期)時所需床層高度，或一定床高所需的穿透時間。

對優惠型等溫線系統，在吸附過程中吸附傳質區的濃度分布(吸附負荷曲線)很快達到一定的形狀與高度，隨著吸附過程不斷進行，吸附傳質區不斷向前平移，但吸附負荷曲線的形狀幾乎不再發生變化。因此應用不同床高的固定床吸附器將得到相同形狀的穿透曲線。當操作到達穿透點時，在從床人口到吸附傳質區的起始點 處的一段床層中吸附劑全部飽和在吸附傳質區(從 到 )中吸附劑上的吸附質含量從幾乎飽和到幾乎不含吸附質，其中吸附質的總吸附量可等於床層高為 的床層的飽和吸附量。所以整個床層高 中相當於床高為 的床層飽和，而有 的床高還沒有吸附，這段高度稱為未用床層高 。對於一定吸附符合曲線， 為一定值。根據小型實驗結果進行放大設計的原則是未用床高 不因總床高不同而不同，所以，只要求出未用床高 ，即可進行固定床吸附器的設計，即 。

⑵ 確定未用床高 有兩種方法：

① 根據完整的穿透曲線求 。當達到穿透點時，相當於吸附傳質區前沿到達床的出口。 時相當於吸附傳質區移出床層，即床層中的吸附劑已全部飽和。圖中陰影面積E對應於到達穿透點時床層中吸附質的總吸附量；陰影面積F對應於穿透點時床層尚能吸附的吸附量，因此到達穿透點時的未用床高為：

(9—16)

② 根據穿透點與吸附劑的飽和吸附量求 。因為到達穿透點時被吸附的吸附質總量為:

(9—17)

式中 ——流體流量， 惰性流體／s；

——穿透時間，s；

——流體中吸附質初始組成， 吸附質／ 惰性流體；

——與初始吸附劑呈平衡的流體相中的平衡組成， 吸附質／ 惰性流體。

吸附W 的吸附質相當於有 ，高的吸附劑層已飽和，故

(9—18)

式中 ——床層截面積，m2；

——吸附劑床層視密度，kg／m3；

——與流體相初始組成y。呈平衡的吸附劑上吸附質含量，kg吸附質／kg吸附劑；

——吸附劑上初始吸附質含量，kg吸附質／kg吸附劑。

所以床中的未用床高為：

(9—19)

③ 動態平衡吸附量和靜態平衡吸附量：

(ⅰ)、所謂動態平衡吸附量是指在一定壓力、溫度條件下，流體通過固定床吸附劑，經過較長時間接觸達到穩定的吸附量。它不僅與體系性質、溫度和壓力有關，還與流動狀態和吸附劑顆粒等影響吸附過程的動態因素有關。其值通常小於靜態平衡吸附量。如：式(9—19)中的平衡吸附量是指動態平衡吸附量。

(ⅱ)、所謂靜態平衡吸附量是指一定溫度和壓力條件下，流體兩相經過長時間充分接觸，吸附質在兩相中達到平衡時的吸附量。

9.4.2 移動床吸附器與移動床吸附過程計算：

1 移動床吸附器：

流體或固體可以連續而均勻地在移動床吸附器中移動，穩定地輸入和輸出。同時使流體與固體兩相接觸良好，不致發生局部不均勻的現象。

移動床吸附器又稱「超吸附器」，特別適用於輕烴類氣體混合物的提純。圖9—12所示，是從甲烷氫混合氣體中提取乙烯的移動床吸附器。從吸附器底部出來的吸附劑由氣力輸送的升降管(9)送往吸附器頂部的料斗(3)中加入器內。吸附劑以一定的速度向下移動，在向下移動過程中，依次經歷冷卻，吸附、精餾和脫附各過程。由吸附器底部排出的吸附劑已經過再生，並供循環使用。待處理的原料氣經分配板(4)分配後導人吸附器中，與吸附劑進行逆流接觸，在吸附段(5)中活性炭將乙烯和其它重組分吸附，未被吸附的甲烷和氫成為輕餾分從塔頂放出。已吸附乙烯等組分的活性炭繼續向下移動，經分配器進入精餾段(b)，在此段內較難吸附的組分(乙烯等)被較易吸附的組分(重烴)從活性炭中置換出來。各烴類組分經反復吸附和脫附，重組分沿吸附器高從上至下濃度不斷增大，與精餾塔中的精餾段類似。經過精製的餾分分別以側線中間餾分(主要是乙烯，含少量丙烷)和塔底重餾分(主要是丙烷和脫附引入的直接蒸汽)的形式被采出。最後吸附了重烴組分的活性炭進人解吸段，解吸出來的重組分以迴流形式流人精餾段。

移動床吸附過程可實現逆流連續操作，吸附劑用量少，但吸附劑磨損嚴重。可見能否降低吸附劑的磨損消耗，減少吸附裝置的運轉費用，是移動床吸附器能否大規模用於工業生產的關鍵。由於高級烯烴的聚合使活性炭的性能惡化，則需將其送往活化器中用高溫蒸汽(400～500℃)進行處理，以使其活性恢復後再繼續使用。

2 移動床吸附過程計算

移動床吸附器中，流體與固體均以恆定的速度連續通過吸附器，在吸附器內任一截面上的組成均不隨時間而變化。因此可認為移動床中吸附過程是穩定吸附過程。對單組分吸附過程而言，其計算過程與二元氣體混合物吸收過程類似，應用的基本關系式也是物料衡算(操作線方程)、相平衡關系和傳質速率方程。為簡化討論，現以單組分等溫吸附過程為例，論其計算原理。

連續逆流吸附裝置如圖9—13所示，對裝置上部作吸附質的物料衡算，可得出連續、逆流操作吸附過程的操作線方程

(9—20)

式中 ——不包括吸附質的氣相質量流速， ；

——不包括吸附質的吸附劑質量流速， ；

——吸附質與溶劑的質量比；

——吸附質與吸附劑的質量比。

顯然，吸附操作線方程為一直線方程，如圖9—14所示。

見圖9—13，取吸附裝置的微元段d 作物料衡算，

得：

(9—21)

根據總傳質速率方程式(9—12)，d 段內傳質速率

可表示為：

(9—22)

式中 ——以 表示推動力的總傳質系數， ；

——單位體積床層內吸附劑的外表面， 床層；

——與吸附劑組成X呈平衡的氣相組成， 吸附質／ 惰性氣。

若 可取常數，則式(9—22)積分可得吸附劑層的高度為：

(9—23)

式中 由下式確定：

(9—24)

其中 與 為氣相側與固相側的傳質分系數，陰為平衡線的斜率。因為在吸附劑通過吸附器的過程中，吸附質逐步滲入吸附劑內部，應用以平均濃度差推動力為基礎的固相側傳質分系數 不是常數，所以式(9—23)和(9—24)在使用時只有當氣相阻力控制時才可靠。然而，對實際吸附過程來說，常常是固體顆粒內的擴散阻力佔主導地位，有關這方面的內容可參閱Perry手冊。