吸附原理和常用吸附剂（pdf页面）

©1994-2010，中国学术期刊电子出版社. 版权所有. 收稿日期: 2001-01-10作者简介: 李申（1944-），男，高级工程师工业吸附器原理，1967年毕业于浙江大学，1989年成立杭州佳美公司，现任杭州超滤净化设备总经理Co.，Ltd.文章ID: 100622971（2002）0120025205吸附干燥机系列讲座第一部分: 吸附原理和常用吸附剂第二部分吸附干燥机的工作流程和结构参数第三部分吸附干燥机露点研究第四部分吸附干燥机再生能耗第五讲吸附干燥机的控制与节能操作第六讲吸附干燥机的选择，使用与维护吸附原理及常见吸附剂李申（杭州超滤净化设备，浙江杭州310013）分类号: TQ05118 + 6文件识别码: E吸附式干燥机是用于干燥和干燥压缩空气的常用设备. 在工业上，当制备压力露点低于零的干燥压缩空气时，吸附干燥器几乎是唯一的选择. 在深入研究或正确使用吸附干燥机之前，有必要先了解吸附原理和吸附剂.

1吸附原理吸附，也称为吸附，是一种自然现象，其中物质分子的浓度在两相之间的界面处自动改变. 研究表明，吸附现象不仅发生在固-气界面，而且发生在液-气界面和固-液界面. 吸附系统由吸附剂和被吸附物组成. 我们将具有一定吸附能力的材料称为吸附剂，并将被吸附物质称为被吸附物. 在压缩空气干燥器中，常用的吸附剂是硅胶，活性氧化铝和分子筛，在压缩空气中均匀混合的水蒸气是被吸附物. 111发生吸附的原因吸附剂具有吸附能力，因为其表有多余的能量，称为“表面自由能”（表面自由力场或表面重力场）. 对象表层的性质和分子性质内部分子的性质不同（也称为“表不同”. 在图1中，xy是液-气界面，A是液体中的某个分子，并且B是表面层上的某个分子，可以看出A受以下分子的影响: 周围的分子被吸引，并且在各个方向上的力相等，并且合力为零；而分子B则不然. 一方面，它被液体中的分子吸引；另一方面，它被液体中的气体分子吸引.

由于气体密度远小于液体密度，因此可以忽略其对分子B的吸引，因此可以认为表面层分子仅被液体内部的分子吸引，合力方向为垂直于液体表面并指向液体内部的液体，因此液体具有使表面积最小化并降低势能的趋势. 该趋势不能持续的原因是因为液体表有抵抗其表面积收缩的力，这称为“表面张力”. 表面张力的存在使表面层分子比内部分子具有更多的能量. 这种多余的能量称为“表面自由能”. 图1分子力·52·2002年第1号（总第171号）压缩机技术©1994-2010中国学术学报电子出版社. 版权所有. 实际上，不仅液-气界面处的表面张力，但是，任何可以形成界面的系统（如固-气界面和固-液界面）都具有相同的“界面张力”.

表面张力的降低是吸附的热力学原因. 112吸附特性一旦吸附剂和被吸附物接触，吸附现象就会自发发生，这是重要的吸附特性. 根据热力学定律，所有在自然界中可以减少自己的能量的行为都可以自发进行. 例如，水从高处流到低处，并且自动执行从高温端到低温端的热传递，这是因为其结果是减少了最初本身拥有的能量. 吸附剂的表面吸附其他介质的分子. 该过程的结果是减少了吸附剂本身最初拥有的“表面自由能”，因此吸附可以自发进行. 在压缩空气干燥器中，水蒸气被吸附的过程是自发过程，不需要任何内. 物理吸附具有以下特征: （1）吸附力小，被吸附的气体分子更容易返回气相，即更易于“解吸”（也称为“解吸”）； （2）一般而言，物理吸附过程是可逆的，几乎不需要活化能（即使很小），吸附和解吸的速度也非常快，即吸附在吸附后立即发生. 吸附剂与被吸附物接触； （3）全部吸附过程是放热反应，物理吸附释放的“吸附热”远小于化学吸附，其热接近于被吸附物处于液态时的汽化热或热. 处于气体状态的冷凝； （4）物理吸附无选择的性质，即任何固体都能吸附任何气体，仅是由于吸附量的差异（吸附量的吸附效果太小，没有实际应用价值）； （5）物理吸附与凝结有关，因此必须仅在吸附物质以下. 沸点只能进行.

114吸附能力吸附剂的吸附能力是评估和选择吸附剂的重要基本参数. 吸附容量有两种: 静态吸附容量（平衡吸附容量）和动态吸附容量. 静态吸附容量是指当吸附剂和被吸附的气体（被吸附物）达到足够的平衡（即吸附速度和解吸速度在单位时间内相等时）时，每单位质量吸附剂吸附的气体量，单位: 摩尔/ g（或g / g）. 动态吸附是指当两种元素（两种气体成分）或两种以上的混合气体通过吸附剂床时，当吸附气体在吸附塔出口处达到去除精度时，塔中的吸附剂将吸附吸附剂. 吸附气体的平均值. 在吸附式干燥机中，压缩空气可以看作是干燥空气和水蒸气的二元混合物. 当干燥机出口处的空气达到预定的“露点”值时，吸附的水蒸气量占填充在塔中的吸附剂的重量. 该百分比定义为吸附剂的动态吸附量. 动态吸附量是吸附干燥机设计中的重要基本参数，它直接关系到干燥机的几何体积和压缩空气产物气的露点. 115吸附热当吸附剂与气体或液体混合物接触时，伴随吸附过程的热效应称为“吸附热”，它是表征吸附现象的特征参数之一. 对于大多数吸附系统而言，吸附过程是放热过程，而解吸过程是吸热过程.

吸附热可以准确地表示吸附剂的活性和吸附能力的强度，这对吸附剂的选择，吸附设备的能量平衡以及吸附过程的控制非常有帮助. 物理吸附的吸附热通常接近其被吸附物的液化热（除湿热外，但量很小）. 它首先由被吸附物的性质决定，其次由吸附剂的性质决定. 表1显示了压缩空气干燥器中常用的几种吸附剂对水蒸气的吸附热. 表1水蒸气的吸附热硅胶活性氧化铝分子筛的吸附热kJ / mol531651197513116吸附热力学-等温吸附曲线和等压吸附曲线吸附热力学主要研究平衡吸附量q0和吸附系统参数温度t，压力p两者之间的关系. 在给定的吸附系统中，固体对气体的吸附量可以用以下公式表示: q0 = f（p，t）气体. 当温度和压力固定时，平衡吸附量就是压力和压缩机技术. 第一阶段©1994-2010，中国学术期刊电子出版社. 版权所有. 温度的单值函数获得等温吸附曲线和等压吸附曲线，见图2a，b.

从等温线吸附曲线（图2a）可以看出，当压力很小时，平衡吸附量q0与压力p（OA段）成正比. 当压力很大时，平衡吸附量q0几乎与压力p（BC段）无关. 此时，吸附容量基本达到饱和. 在中等压力下，平衡吸附容量q0和压力p形成一定曲线（AB）. 压缩空气无热再生干燥机根据曲线AB运行. （a）等温吸附曲线（b）等压吸附曲线图2吸附曲线必须指出，上述压力p是指被吸附气体的分压，在干燥机中是水蒸气的分压，而不是压缩空气总压力. 当吸附压力恒定时，吸附量随吸附温度的变化而变化，可以获得等压吸附线（图2b）. 可以看出，吸附剂的量随着温度的升高而降低，因为吸附是放热过程，并且温度的升高不利于吸附. 117吸附天平在干燥塔中. 吸附剂对水蒸气的吸附纯粹是物理吸附，在整个过程中不会发生化学反应. 在吸附的同时，就像液体的蒸发一样，由于自身的热运动和外部气体分子的碰撞（即解吸），部分吸附的水分子将离开固体表面并返回到气相.

当吸附开始时，进入固体表面的气体分子的速度比返回气相的速度快得多，但是随着吸附的继续，吸附在固体表面上的分子数目逐渐增加，并且吸附表面逐渐被吸附物分子覆盖. 表面自由能逐渐下降并最终失去其吸附能力，这时它达到“吸附平衡”. 在吸附平衡时，从宏观的观点来看，不再存在吸附效果，但是从微观的观点来看，吸附和解吸仍在进行中，但是速率已经相等. 118吸附剂再生法-变压吸附和变温吸附从吸附曲线可以看出，在相同温度下，吸附剂上吸附的被吸附物的量随着被吸附物的分压的增加而增加. 在相同吸附量分数下，在压力下，吸附剂在吸附剂上的吸附量随吸附温度的升高而降低. 这意味着加压和降温有利于吸附，而减压和增温有利于被吸附物的解吸或再生. 因此，根据吸附剂的再生方法，吸附循环可以分为两种: 变温吸附（TSA）和变压吸附（PSA）. 图3显示了这两种方法的概念. 在图中，横坐标是被吸附物的分压，纵坐标是每单位吸附剂的吸附量. 图3变压和变温吸附原理的. 变温吸附是常温下的吸附，被吸附的气体在较高温度下会从吸附剂中解吸.

从图3可以看出，可变温度吸附在两条等温曲线之间上下移动，吸附和解吸的温度不同. 由于常用吸附剂的比热容大且导热系数小，加热和冷却所需的热量和冷却量很大，并且处理时间很长（通常需要几个小时），并且相应的加热和冷却也很耗时. 所需的设施，能源消耗和投资都比较高；另外，温度的大周期变化也将影响吸附剂的寿命. 由于上述原因，热再生吸附干燥器属于温度可变吸附，并且其实际使用越来越少. 变压吸附是在较高的被吸附物分压下吸附并在较低的分压下解吸（即使在真空状态下）的过程. 由于较短的吸附周期（几分钟），可以在热量散失之前将吸附热用于解吸. 吸附床的温度变化很小，可以认为是等温过程. 无热再生干燥机是变压吸附，它利用自身制备的低空气分压干燥空气来完成水蒸气的解吸过程. 尽管消耗了一部分风量，但其综合能耗却远低于基于变温吸附的热再生干燥机，因此，它是目前广泛使用的压缩空气干燥设备. 2常用吸附剂吸附剂是气体吸附分离过程的基础. 在工业设备中，不同的吸附剂用于不同的吸附目标. 在压缩空气干燥机中，常用的吸附剂是硅胶，活性氧化铝和分子筛，活性炭通常用于吸附空气中的残留油蒸气和各种化学气味气体杂质.

211吸附剂应具有的条件，尽管几乎任何固体表面都比任何气体分子都多. 72·第1期，李申: 第1讲: 吸附原理和常见吸附剂©1994-2010中国学术期刊电子出版社. 版权所有. 吸附较少，但没有任何固体可用作吸附剂. 具有应用价值的吸附剂应具备以下条件: （1）吸附能力强，即比表面积大； （2）与被吸附物和与之接触的其他介质没有化学反应； （3）良好的机械强度和热强度； （4）易再生，不易变质； （5）具有商业生产规模和相对较低的价格. 大的比表面积是吸附剂最重要的性能指标. 气体吸附过程是纯物理吸附，即所谓的范德华吸附. 由于这种吸附通常仅发生在固体表面上几个分子直径的厚度区域中，因此固体表面上每单位面积吸附的气体量很小，因此作为工业吸附剂，必须有一种足够大的比表面积可以弥补这种不足. 表2列出了常用吸附剂的比表面积. 表2常用吸附剂比表面积吸附剂类型二氧化硅活性氧化铝活性炭分子筛比表面积m2 / g 500〜600 250〜300 500〜1500 800〜1000注: 由于文献数据不一致，本表中所列数据为本文仅供参考.

吸附剂之所以具有如此大的比表面积的原因在于其具有发达的微孔结构. 212硅胶硅胶是理想的吸附剂. 有机硅是天然和合成的. 天然的多孔SiO2通常称为硅藻土，俗称硅胶，由水玻璃制成. 用于气体干燥分离的硅胶是全合成的多孔SiO2，杂质少，化学稳定性高，耐热性和耐磨性好. 硅胶可以吸收50％（质量）的水分. 吸水后，大量的吸附热量可以释放出来，使温度升至100℃. 在实际应用中，硅胶吸收的水分不应超过其自身重量的6-8％. 硅胶的缺点是，当吸附的水蒸气冷凝成水滴或遇到液态水时，颗粒很容易破碎，特别是在有压力的情况下. 因此，硅胶在压缩空气干燥器中很少用作吸附剂. 213活性氧化铝活性氧化铝是通过加热三水合铝[Al（OH）3]或铝土矿三水合脱水制得的. 用于压缩空气吸附干燥的是活化形式为γ的氧化铝，其活化温度低于600℃. 活性氧化铝对水具有很强的亲和力. 在某些操作条件下，其干燥精度可达到70℃或更低的露点. 而且其再生温度远低于分子筛. 活性氧化铝具有很高的表面硬度和抗压强度. 在静压力作用下不易断裂，在交变压力作用下不易磨损. 非常适合作为压缩空气吸附干燥剂.

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