中國(guó)農(nóng)大食品工程原理第8章(6)液體吸附與離子交換

中國(guó)農(nóng)大食品工程原理第8章(6)液體吸附與離子交換

第8章液體吸附與離子交換吸附與離子交換都是相間傳質(zhì)過(guò)程，物質(zhì)傳遞方向是由液相到固相。1液體吸附1.1吸附作用和吸附劑1.1.1吸附作用利用多孔固體顆粒選擇性地吸附流體中的一個(gè)或幾個(gè)組分，從而使流體混合物得以分離的單元操作。分離的依據(jù)：各組分的吸附力不同。吸附劑：具有吸附作用的物質(zhì)；吸附質(zhì)：被吸附的組分。固相具有吸附能力的根本原因是固體表面分子處在一個(gè)不平衡力場(chǎng)中，也既是表面力在起作用。物理吸附：吸附劑與吸附質(zhì)之間的作用力僅為分子間引力的吸附；化學(xué)吸附：吸附劑與吸附質(zhì)之間的作用力為化學(xué)鍵力的吸附。物理吸附的特點(diǎn)：①放熱過(guò)程；②吸附無(wú)選擇性；③吸附速度快，易達(dá)平衡；④可以是多分子層吸附；⑤可逆過(guò)程，解吸容易?；瘜W(xué)吸附的特點(diǎn)：①放熱過(guò)程；②吸附有選擇性；③吸附速度慢，不易達(dá)平衡；④單分子層吸附；⑤解吸困難。1．1．2吸附劑及其性能吸附劑的來(lái)源：①天然礦產(chǎn)：活性白土、漂白土、硅藻土、凹凸棒等；②人工制品：活性炭、硅膠、活性氧化鋁、分子篩、吸附樹(shù)脂等。食品工業(yè)中常用的吸附劑有：(1)活性炭包括粉末活性炭和顆粒活性炭?jī)煞N。(2)活性白土(3)硅膠包括球形、無(wú)定形、粉末狀及加工成型四種。(4)膨潤(rùn)土(5)分子篩(6)吸附樹(shù)脂食品工業(yè)對(duì)吸附劑的要求主要有：①吸附量大；②選擇性好。一些常用吸附劑的性能見(jiàn)表8-1。1．2吸附理論1．2．1吸附平衡(1)單組分吸附吸附劑只選擇性的吸附一個(gè)組分（溶質(zhì)）?？捎玫葴匚椒匠蹋ǜナ戏匠蹋┍硎荆簄kC1*=ω式中：ω-吸附質(zhì)在固相中的濃度，kg吸附質(zhì)/kg吸附劑；C*-吸附質(zhì)與固相濃度成平衡的液相質(zhì)量濃度，kg吸附質(zhì)/m3。k，n-與吸附劑（質(zhì)）性質(zhì)、溫度有關(guān)的常數(shù)。一般n在2～10之間易吸附，小于0.5時(shí)，吸附困難。吸附濃度較低時(shí)，可用線性方程表示：*kC=ω參見(jiàn)下圖，活性炭對(duì)醋酸（水容液）和苯甲酸（苯溶液）的吸附：從圖中可以看出，吸附質(zhì)不同，吸附平衡濃度不同；另外，濃度低時(shí)ω～C*基本為線性關(guān)系。吸附平衡后，對(duì)吸附質(zhì)作物料衡算，得：mCCV)(*0-=ω式中：m-吸附劑的質(zhì)量，kg；V-液相體積，m3；C0，C*-平衡前、后的溶液濃度，kg吸附質(zhì)/m3。(2)雙組分吸附既吸附溶質(zhì)又吸附溶劑。設(shè)x-液體中溶質(zhì)的體積分?jǐn)?shù)；y-固體中溶質(zhì)的體積分?jǐn)?shù)。則以x～y曲線表示的平衡關(guān)系如下圖所示：分離系數(shù)α：)1()1(11yxxyxxyy--=--=α若吸附劑對(duì)兩組分的吸附力相同，即x=y，則α=1，稱為恒比吸附。(3)吸附機(jī)理吸附過(guò)程可以分為3步：①外擴(kuò)散過(guò)程：即吸附質(zhì)從液相向吸附劑外表面擴(kuò)散；②內(nèi)擴(kuò)散過(guò)程：吸附質(zhì)經(jīng)固體內(nèi)部細(xì)孔擴(kuò)散到吸附劑的內(nèi)表面；③吸附過(guò)程：吸附質(zhì)在吸附劑內(nèi)表面被吸附。1．2．2吸附速率單位時(shí)間、單位體積吸附劑吸附的吸附質(zhì)的量，即：dtduaωρ=式中：ρa(bǔ)-吸附劑松密度，kg/m3；u-吸附速率，kg/(m3〃s)。(1)外擴(kuò)散速率u0)(0iLCCaku-=式中：kL-液相傳質(zhì)系數(shù)，m/s；a-單位體積吸附劑的表面積，m2/m3；C-液相中吸附質(zhì)濃度，kg/m3；Ci-液固界面上液體吸附質(zhì)濃度，kg/m3。(2)內(nèi)擴(kuò)散速率)(ωω-=iSiaku式中：kS-吸附劑內(nèi)擴(kuò)散傳質(zhì)系數(shù)kg/(m2〃s)；ωi-液固相界面上的吸附量，kg/kg；ω-吸附劑內(nèi)部的吸附量，kg/kg。(3)總傳質(zhì)速率稀溶液中，若忽略界面上的吸附阻力，因吸附傳質(zhì)過(guò)程為串聯(lián)過(guò)程，則：)()(ωωωρ-=-==iSiLaakCCakdtdu若固、液相間的平衡關(guān)系為線性ω=kC*，則：)()(*CCakkCCakdtduiSiLa-=-==ωρ或)(11**CCaKakkCCakCCdtdLSiLia-=-=-=ωρkkkKSLL111+=∴式中：KL-總傳質(zhì)系數(shù)，m/s。令akakkakkakrLSSL===11內(nèi)擴(kuò)散阻力外擴(kuò)散阻力當(dāng)r＜0.01時(shí)，內(nèi)擴(kuò)散控制；r＞10，外擴(kuò)散控制。一般，kL，kS由實(shí)驗(yàn)測(cè)定。1．3吸附操作1．3．1吸附操作步驟包括三步：①使溶液與吸附劑接觸,完成吸附；②分離吸附劑和吸附后的溶液；③吸附劑再生或更換吸附劑。1.3.2吸附操作裝置類型1)接觸式吸附接觸式吸附操作裝置如圖下所示：吸附在攪抖混合桶中進(jìn)行，吸附完畢后，過(guò)濾分離固、液。2）固定床吸附固定床吸附操作裝置如下圖所示：主要由吸附柱和過(guò)濾器兩部分組成，吸附柱內(nèi)裝滿吸附劑。吸附操作中，吸附區(qū)（吸附帶）逐漸下移。3）移動(dòng)床吸附吸附過(guò)程中吸附劑和溶液均處于動(dòng)態(tài)，為連續(xù)穩(wěn)定過(guò)程。吸附劑和溶液可作同向運(yùn)動(dòng)亦可作逆向運(yùn)動(dòng)。1．4吸附計(jì)算1.4.1分級(jí)接觸式吸附分級(jí)接觸式吸附是一種間歇式吸附方法。注意，在以下計(jì)算中，均假定吸附完成后，達(dá)到了吸附平衡。(1)單級(jí)式參見(jiàn)下圖：對(duì)吸附前后的吸附質(zhì)進(jìn)行物料衡算得：)()(1001CCVm-=-ωω或)(0011ωω++-=CmVCmV此即操作線方程,為一直線方程,斜率為-V/m,截距為ω0+VC0/m。式中：V-料液體積，m3；m-吸附劑質(zhì)量，kg；ω0,ω1吸附前后吸附質(zhì)在固相中的濃度,kg/kg吸附劑；C0,C1-吸附前后的溶液濃度,kg/m3。若nkC1110,0==ωω代入物料衡算式整理可得:)()(010110101CCCkmVCCCnn-=-上式的用途:①工藝計(jì)算中求m或C1；②實(shí)驗(yàn)中求取1/n。(2)多級(jí)式吸附①平流式，參見(jiàn)下圖:對(duì)吸附質(zhì)進(jìn)行物料衡算，得：第一級(jí)：)()(10011CCVm-=-ωω第i級(jí)：)()(10iiiiCCVm-=--ωω操作線方程為：)(01ωω++-=-iiiiiCmVCmV對(duì)兩級(jí)平流式吸附，若平衡關(guān)系滿足弗氏方程，且ω0=0，則nnTkCCCkCCCVmmVm1221111021-+-=+=C0，C2一定時(shí)，mT存在極小值，當(dāng)C1滿足下式時(shí)，mT最小。nCCnCCn11)(1)(101121-=--②逆流式，如圖所示：吸附劑和液相均貫穿各級(jí)，并以逆流的形式接觸吸附。在第一級(jí)至第i級(jí)間作吸附質(zhì)的衡算，有：)()(011iiCCVm-=-+ωω或)(011CmVCmVii-+=+ωω此即逆流吸附的操作線方程，為一直線方程，斜率為V/m，截距為ω1-VC0/m，且方程過(guò)點(diǎn)H(C0，ω1)和L(Cn，ω0)。畫出的梯級(jí)數(shù)即為理論級(jí)數(shù)。1.4.2連續(xù)式吸附(1)連續(xù)逆流吸附在移動(dòng)床內(nèi)進(jìn)行，為連續(xù)穩(wěn)定過(guò)程。下列符號(hào)的意義：qL-溶液的流量，m3/s；qS-吸附劑流量，kg/s；C1，C2-吸附前后溶液濃度，kg/m3；ω2，ω1吸附劑吸附前后的吸附量，kg/kg；Ω-塔的截面積，m2。注意：塔的濃端用“1”表示，稀端用“2”表示，且C1=C0，ω2=ω0。取任一微元高度對(duì)吸附質(zhì)作物料衡算得：ωdqdCqdGSLA==傳質(zhì)速率關(guān)系:dzCCaKdGLAΩ-=)(*dzCCaKdCqLLΩ-=∴)(*積分可得:OLOLCCLLNHCCdCaKqz=-Ω=?12*全塔吸附質(zhì)的衡算:)()(2121ωω-=-SLqCCq在塔頂至塔任一截面作吸附質(zhì)的衡算,得:)()(11ωω-=-SLqCCq或)(11CqqCqqSLSL-+=ωω此即逆流吸附塔的操作線方程,直線的斜率為qL/qS,過(guò)點(diǎn)H(C1,ω1),L(C2,ω2)。一般，C2=0，ω2=0。移動(dòng)床中吸附劑的移動(dòng)速度：Ω=aSGquρ111111)0()0(ωρωρρωaLaLaSGSLCuCqquqCq=Ω=Ω=∴-=-若吸附平衡關(guān)系為線性ω=kC，則：aLGkuuρ=(2)固定床吸附解決方法：將移動(dòng)床轉(zhuǎn)化成固定床。吸附區(qū)不斷下移，則飽和區(qū)內(nèi)的空隙中持有吸附質(zhì)，這時(shí)的物料衡算為：)(111CuCqaGLεωρ+Ω=或)(111CuCuaGLεωρ+=ερεωρ+=+=∴aLaLGkuCCuu111吸附區(qū)的高度為：OLOLCaLLNHCCdCkaKqz=-+Ω=?10*)1(ρε一般，ε<OLOLCLLNHCCdCaKqz=-Ω=∴?10*［例8-1］欲用活性炭對(duì)某糖液進(jìn)行脫色。首先進(jìn)行兩組脫色實(shí)