580食品工程原理 吸附操作中，吸附只在床层的一部分区域内进行，其余部分或已达到平衡，或 尚未开始吸附。吸附正在进行的区域称为吸附区（或吸附带），它在床层内是逐渐 移动的。吸附区内溶液的浓度和吸附剂的吸附量都是随位置而变化的，其前端吸 附刚刚开始，而其后端已达饱和。严格的说吸附操作过程是一种非定态过程，但从 溶液流动角度看仍具有稳定操作的特点，故有半连续操作之称，在计算上仍可按连 续操作来处理。 1.3.3.3移动床吸附操作装置 所谓移动床吸附操作是指吸附过程中吸附剂和含有吸附质的流动相均处于动 态，吸附剂可连续再生循环输送进出吸附设备，以达连续吸附操作的目的。吸附剂 和流动相可作同向运动亦可作逆向运动。 理论上移动床吸附法具有生产率高，劳动强度低等优点，但实际上要使固体颗 粒均速运动、连续进出和循环输送，技术上存在很大困难。 解决固体颗粒输送困难的方法之一是采用流态化技术，一般使流态化后的颗 粒自上而下流动，在下部安排吸附剂再生室，然后将再生后的吸附剂再送回吸附塔 上部循环使用。已有厂家将此技术用于生产，但实践中发现吸附剂粒子在流动过 程中易磨损和破碎，造成成本大幅增加，所以该技术尚未被广泛采用。 近年又有一些公司如美国UOP公司和AST公司等开发了一种模拟流动床装 置。他们将吸附剂仍做成固定床层，并将其分成若干段，每段设接口与旋转阀或分 配头相连，当吸附时输入料液，吸附剂饱和后输入再生剂，进行再生过程，以达到连 续操作的目的。 1.4吸附计算 吸附有单组分吸附，亦有多组分吸附，本书以介绍单组分吸附为主，根据操作 流程可将吸附分为分级接触式吸附（间歇式吸附）和连续逆流吸附（连续吸附）两 类。 1.4.1分级接触式吸附 分级接触式吸附是一种间歇式吸附方法。即使得吸附剂和吸附质接触一段时 间，吸附质在固液两相中的分配达到平衡后，再将固液两相分开的吸附方法。此法 可分为单级吸附法和多级吸附法两种。单级吸附法是在吸附过程中将所需的吸附
第8章液体吸附与离子交换581 剂一次性加入液相中，直至达吸附平衡后分离。多级吸附法是在吸附过程中将所 需求的吸附剂分批分次加入液相溶液中，根据吸附剂添加顺序的不同，又可将多级 吸附分为平流式和错流式（逆流式）。 (1)单级式将体积为V(m3),质量浓度为co(kgm3)的溶液与质量为m (kg)的吸附剂混合。经一段时间后，吸附质在液固两相中达到平衡，此时溶液浓度 为c,吸附量由o0变为o(一般⊙0=0)，对吸附质进行物料衡算得： m(w-wo)=V(co-c) (8-15a) (8-15b) 该方程即为操作线方程，由方程可见，四 与c之间呈直线关系，其斜率为-Y, ,于0- 平衡线 c坐标图上作图，得操作线，如图8-5所示。 由Freundlich方程，又可在U一c坐标图上作 出平衡线，如图8-5所示。操作线与平衡线交 点即为吸附终点，此时吸附剂达最大吸附量 amx=u1,液相中吸附质达最低浓度为cmn= c1,吸附质在两相中分配达到平衡。 Co 溶液浓度c 若a0=0,o=kc 图85单级接触吸附图解 则：（后片-(S) km (8-16) 该方程可用于计算吸附达到平衡后溶液的浓度，也可在同等条件下改变吸附 剂的用量，得出一组试验数据，用于求取n值。 (2)多级式在吸附率要求固定后，采用多级吸附操作可节省吸附剂用量， 以三级为例，分别对各级吸附质进行物料衡算得： ①平流式：吸附剂按液相浓度由高到低的顺序依次与液相接触，称为平流式。 m1(w1-wo)=V(c0-c1) (8-17a) m2(w2-wo)=V(c1-c2） (8-17b) m3(u3-w0)=V(c2-c3) (8-17c) 操作线方程为：
582食品工程原理 mi(wi-wo)=V(ci-1-ci) (8-17) 若u0=0,w=kch %=0 (8-18a) 则受-919 (8-18b) 0=2 (8-18c) 根据操作线方程和Freundnlich方程在o一c坐标图上做曲线，如图&6所示。 吸附剂的总用量为： m1+m+m,=(0+12+2) (8-19) ②逆流式：吸附剂按液相浓度由低到高的顺序依次与液相接触，称为逆 流式。逆流式较顺流式更能节省吸附剂用量，同理经物料衡算可得操作线方 程： m(:-w:-1）=V(c:-1-c:) (8-20) 在。一c坐标图土做出操作线和平衡线，如图8-7所示： ↑m↑ō↑o 口包包异 第一级操作线 第三级 C3 Co 0 溶液浓度c 溶液浓度c 图86多级平流式吸附图解 图8-7多级逆流式接触吸附图解
第8幸液体吸附与离子交换583 1.4.2连续式吸附 (1)连续逆流吸附连续逆流吸附属于连续式定态 溶液吸附剂 操作。将吸附剂置于带筛网的栅条支撑上，形成吸附颗 粒床层。操作中使吸附颗粒床层移动与液相流动呈逆向 运动，即形成了连续逆流式操作。如图8-8所示。若溶液 量为qL(m3s)吸附剂流量为qs(kg/s),溶液人塔时的 溶液质量浓度为co(kgm3),离开塔时的溶液质量浓度 为c1(kgm3),吸附剂入塔时的吸附量为0(kgkg)。 离开塔时的吸附量为1(kgkg),塔任一截面处溶液浓 度为c,吸附剂吸附量为“，取任一微元高度对吸附质作 物料衡算得： gidc=gsdw (8-21) 若设吸附塔内截面积为A,则微元时间内吸附剂的 量为： gsdt=pAdz (8-22) 图8-8连续逆流吸 附图示 式中：dZ为微元高度，m;pa为吸附剂的松密度，kg m3;dt为微元时间，s。 将式(8-13)和式(8-21)代人式(8-22)整理得： qLdc=KLa(c-c*)Adz (8-23) 在全塔范围内积分则得： a2-Ke (8-24a) qL「codc Z=KLaA.cc -c" (8-24b) 式中：K的单位为：[m需品m=[m] [m3/s] m是高度的单位，参考吸收过程可将其理解为由操作条件决定的一种单元高
584食品工程原理 度，称为传质单元高度以NoL表示，即： NoL-KLaA (8-25) 式中积分号内的分子分母单位相同，整个积分应得到一个无因次的数值，可 理解它为所需填料层高度Z相当于汽相总传质单元高度Ho的倍数，可称其为 传质单元数，以NoL表示，即 Nac (8-26) 则： -HauNon (8-27) 此计算方法称为传质单元法。 若将塔顶至任意截面（溶液浓度为c,吸附剂的吸附量为）间的床层列为 衡算范围，对吸附质进行物料衡算得： gL(co-c)=gs(w-wo) (8-28) 此方程即为连续逆流吸附操作线方程 操作线及平衡线见图89。 (2)固定床吸附固定床吸附是一种吸 初 附剂床层固定，液相在一定压力下以一定速 度流过吸附剂床层达到吸附目的的方法。液 平衡线 操作线 相在吸附床层中流动时，吸附只在床层的一 部分区域进行，其余部分，或已达到平衡， 或尚未开始吸附。其中，正在进行吸附的区 域称为吸附区（或吸附带）。 用固定床吸附时，吸附区在床层中是逐 溶液浓度c 渐移动的，其移动速度类似于逆流吸附中的 图8-9连续逆流吸附填充床 吸附剂移动速度，不同之处在于，吸附区每 操作线图示 4 向下移动一段距离，其后就会出现一段饱和 层，而这段饱和层并不立即排出，因此物料衡算中应计入这段饱和层空隙中溶液 将被吸附的量。 尽管理论分析固定床吸附是非定态过程，但从吸附区移动的角度看，它又具