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第十章 离子交换分离原理与设备 讲授内容： 第一节 离子交换树脂 第二节 离子交换分离原理 第三节 离子交换设备 第四节 离子交换设备计算 o目的与要求：了解常用的离子交换树脂， 掌握离子交换的原理、设备及设备计算方 法。 o重点与难点：离子交换设备及计算 思考题 1、解释概念：树脂的含水量、交换罐负荷 交联度 空塔 流速 2、动态交换设备的分类？ 3、交换设备放大的原则 ? 4、按设备的结构离子交换设备的种类？ 5、计算题：用弱酸型树脂吸附某发酵液，q1=2m3/h，树脂 床高H1=1.2m，D1=1m。树脂的最大粒径dm=0.8mm，最小 粒径dx=0.4mm，平均粒径dp=0.5mm，静止时的空隙率 0.3，湿树脂密度s=1140kg/m3，溶液密度 =1000kg/m3 ，黏度=0.002Pa.s。若将流量放大2倍 ，m=2，计算放大后的交换罐中树脂床的高度及直径， 正吸附时发酵液通过树脂床的压力降（按交换负荷相等 的原则放大） 第一节 离子交换树脂 o离子交换方法：以离子交换树脂作为吸附 剂，吸附溶液中需要分离的离子，进行等 当量交换。 o特点：树脂无毒性、可反复再生使用，成 本低,但操作周期长，pH变化范围大，有时 会影响产品质量。 一、离子交换树脂结构： o多孔网状结构高分子化合物组成，不溶于水、酸 、碱、有机溶剂。 o由两部分组成： 1.立体结构的网络骨架 2.可移动的活性离子 二、分类：有四种分类方法 o骨架结构主要成分：聚苯乙烯型、聚苯烯 酸型、酚醛树脂。 o合成的聚合反应：共聚型、缩聚型树脂。 o骨架的物理结构：凝胶型树脂（微孔）、 大网络结构树脂（大孔）、均孔树脂。 o活性离子： 阳离子交换树脂（强酸性、弱酸性） 阴离子交换树脂（强碱性、弱碱性） 强酸性阳离子交换树脂： o活性基团是-SO3H和 -CH2SO3H，强酸性， 在pH114范围交换，交换反应： RSO3H+NaCl RSO3Na+HCl 对金属离子亲和力： Fe+3Al+3Ca+2Mg+2K+NH4+Na+H+ o再生不易，耗酸量大。 中等强度 -PO（OH）2和-PO（OH）活性基团 弱酸性阳离子交换树脂： o以羧基-COOH、酚羟基-OH 等弱酸性，在碱性 条件操作。 pH7 opH越高交换能力越强。电离度弱，再生容易， 耗酸量小。 对金属离子亲和力： H+ Fe+3Al+3Ca+2Mg+2K+NH4+Na+ 强碱性阴离子交换树脂： o 强碱型：含三甲胺基团； 强碱型：二甲基-羟基-乙基胺基团。 o活性基团电离度高、pH114 。氯型比羟型 稳定。 o商品氯型，使用时需先再生。再生耗碱量大 。 RN(CH3)3Cl +NaOH RN(CH3)3OH+NaCl 弱碱性阴离子交换树脂： o伯胺基-NH2、=NH、N和吡啶基。 o电离度小，再生成羟型容易，耗碱量小。在 pH7使用。pH越小，交换能力越大。 树脂的编号 编号 强酸性阳 弱酸性阳 强碱性阴 弱碱性阴 统一 1100 101200 201300 301400 上海 731740 721730 711720 701710 三、树脂合成 o1 .加聚法 o主要成分构成树脂分子链 ： 单烯键单体：苯乙烯、丙烯酸、丙烯腈 o常用交联剂：双烯键单体 二乙烯苯 o交联度：构成树脂的交联剂在树脂中所占的比例 。 o特点：树脂结构稳定，性能好。 o2.缩聚法： o 由2个或2个以上带有功能基的单体通过功能 基之间的相互作用反应。伴有低分子的产生。 o引入活性基团方法：单体本身有功能团； 合成共聚后通过化学反应引入 常用品种：聚苯乙烯系、丙烯酸系 o特点：稳定性较差，结构不十分确定，为多功能 团 四、树脂的理化性能 o1、颗粒度：大多数球型，直径0.21.2微米7016目 。 o2、交换容量：交换能力参数。 质量交换容量mol/g干树脂 体积交换容量mmol/mL树脂。 工作交换容量：在一定应用条件下表现出的交换容 量。（0.30.9）再生交换容量 再生交换容量：在指定的再生剂用量条件下再生后 的交换容量。（0.51）交换容量. 树脂的利用率：工作交换容量与再生交换容量之比 3、机械强度：要求大于90%。 4、膨胀度：膨胀前后树脂的体积比。 5、含水量和密度 含水量：指每克干树脂吸收水分数。 0.30.7g 密度：湿堆积密度600850kg/m3 湿真密度11001400kg/m3 6、孔结构： 孔径的大小与合成方法、原料性质等有关。 第二节 离子交换分离原理 反应过程可分5步： 1.A+由溶液到树脂表面； 2.A+从表面扩散到树脂内部 的活性中心； 3. A+在活性中心交换； 4 H+自内部活性中心扩散到 树脂表面； 5. H+ 从表面扩散到溶液中。 一、交换机理：按等当量、可逆多相化学反应。 A+RH RA+H+ H+ 外扩散、内扩散、离子交换 二、交换速度方程 o外扩散控制：交换方程 ln（1-F）=K.t K 外扩散速度常数 F 时间t时，树脂的饱和度 De液相扩散系数 ro树脂颗粒半径 吸附常数，平衡时固相浓度与液相浓度的比。 o内扩散控制： Di树脂内扩散系数 三、影响交换速度因素 o1.颗粒大小 o2.交联度 o3.离子化合价 o4.离子、分子大小 第三节 离子交换设备 o根据操作方式：静态、动态 动态交换设备 固定床 流动床 单床 多床 复床 间歇操作 连续操作 o一、常用离子交换设备 o二、反吸附离子交换设备 o三、混合床 o四、连续离子交换设备 o设备材料： o 大： 多采用钢板 内衬橡胶 o 小： 有机玻璃或硬聚氯乙烯 o实验室：玻璃筒 o管道：硬聚氯乙烯 o阀门：塑料 不锈钢或橡皮隔膜阀 o装有观察玻璃短管 常 用 离 子 交 换 设 备 反吸附离子交换罐 1底 2.液体分布器 3.底部液体进出管 4.填充层 5.壳体 6.离子交换树脂层 7.扩大沉降段 8.回流管 9.循环室 10.液体出口管 11.顶盖 12液体加入管 13喷头 扩口式反吸附离子交换罐 混合床 连续离子交换设备 第四节 离子交换设备的计算 o1、树脂用量和罐体积： 交换罐树脂吸附量Q1 （单位）： Q1 =Vq106 V交换罐树脂的体积m3 q单位树脂体积对产品吸附量，单位/mL 溶液中产品被树脂的吸附量Q2（单位）： Q2=V(c1-c2)106=Ft(c1-c2)106 V1 每批处理的溶液量m3 F 进入离交柱的溶液流量m3/h c1、c2 进、出口溶液的产品浓度，单位/mol t 溶液通过交换罐的操作时间，h Q1=Q2 所以 干树脂的重量：m=V103/V2 V 交换罐中干树脂的用量，kg V2 每g干树脂相当于湿树脂体积，mL湿/g干 吸附、水洗、解吸或再生所需时间： t吸附、水洗、解吸或再生所需溶液时间h V1吸附、水洗、解吸或再生所需溶液体积m3 F所需溶液流量m3/h f交换罐负荷 m3溶液/m3树脂.h H树脂床高度m 溶液空塔流速 m3溶液/(m2树脂床面积 .h) o交换罐体积： Vt=V/ Vt交换罐体积m3 树脂装填系数，正吸附0.50.7 树脂罐高径比：H/D=23 o2.交换设备的放大 放大原则有两种： 交换罐负荷相同的原则 交换罐溶液的空塔流速相同的原则 根据交换罐负荷相等的原则放大 交换罐负荷是指单位时间单位湿树脂体积 中所通过的溶液的体积。P256 或者是单位湿树脂体积中所通过的溶液的 体积流量。 以f 表示 m3溶液/(m3湿树脂.h)或L/h f的倒数是溶液与树脂的接触时间。f相 等即大小设备溶液与树脂的接触时间相等。 设：q1、 q2 、V1、 V2分别为小、大设备的溶液 体积流量和树脂体积： f1=q1/V1 f2=q2/V2 令 ： f1=f2 即 q2/q1 =V2 /V1=m V2=mV1 设备放大按几何相似原则即H/D相等 H1/D1=H2/D2 D2/D1=H2/H1 按空塔流速相等的原则放大 交换罐中空塔流速是单位时间单 位树脂床面积上通过的溶液体积。 以表示 m3溶液/m2床面积.h 或m/h. 这种方法放大，维持大小设备的 树脂床高度不变，仅放大直径。 保持 线速度不变。即接触时间不变。 以1、2、A1、A2表示小大设备的空塔流速和树脂 床面积， 2=q2/A2 1=q1/A1 令：2= 1 q2/q1=A2/A1=D22/D12=m 结果可以看出：两种放大方法，树脂的体积相同，按 交换罐负荷相同原则，树脂床高度增加，解析液浓度 比较高，一般采用，但线速度增加，流体阻力增大。 3.溶液通过床层的压力降P ，Pa： 溶液黏度，Pa.s； 床层空隙率； H 床层高度，m； dp树脂平均直径，m； 空塔流速，m/s。 反吸附时的压力降P，Pa： Hb 沸腾时的树脂床高度，m；b 树脂成沸腾状时的空隙率；s 树脂的密度，kg/m3； 溶液的密度， kg/m3 。 dp为最大颗粒直径，m 反吸附时，树脂成沸腾状时溶液的最低流速 临界流速 反吸附时，溶液的最大流速（颗粒的自由沉 降速 度）为： dp为最小颗粒直径，m。 应注意单位！ 例：用弱酸型树脂吸附某发酵液，q1=2.8m3/h ，树脂床高H1=1.2m，D1=1m。测得树脂的 最大粒径dm=0.86mm，最小粒径 dx=0.42mm，平均粒径dp=0.56mm，静止 时的空隙率0.32，湿树脂密度 s= 1140kg/m3 ，溶液密度=1000 kg/m3 ，黏 度=0.002Pa.s。若将流量放大3倍，m=3 ，计算放大后的交换罐中树脂床的高度及直 径，正吸附时发酵液通过树脂床的压力降及 反吸附的压力降、临界流化速度和最大速度 。（按交换负荷相等的原则放大） 解：设放大后的树脂罐为2，则树脂床直 径和高度为： 溶液通过树脂床的流速 D2=m 1/3 D1=3 1/31=1.44m 正吸附的压力降