《化工分离工程》PPT课件

1、新型分离技术,新型分离技术,第一节 膜分离技术 第二节 吸附分离 第三节 反应精馏,膜的作用： 选择渗透 适用： 1.热敏性物质 可常温操作 2.特殊溶液 可用于大分子、无机盐、蛋白质溶液等,第一节 膜分离技术,第一节 膜分离技术,7.1.1 分离用膜和膜分离设备 7.1.2 反渗透 7.1.3 超滤与微滤 7.1.4 电渗析 7.1.5 其它膜分离,一、膜种类 天然膜 生物膜 天然物质改性膜 人工膜 无机膜 金属膜 非金属膜 有机膜 均质膜 微孔膜 非对称性膜 复合膜 离子交换膜,二、设备 板框式 卷式 管式,7.1.1 分离用膜和膜分离设备,膜性能： 1.分离透过性 a. 透过通量 单位时

2、间通过单位膜面积的物理量。 b. 分离效率 用截留率表示： （R） 截留率：表示膜对溶质的截留能力，可用小数或百分数表示,c. 分离系数： （,a,d. 通量率减系数 膜渗透通量随时间减少,2. 物化稳定性 强度、耐温、耐压性等 二、分离设备 （1）板框式膜具,2）卷式膜具 由四层组成,3）管式膜具,7.1.2 反渗透,透过：溶剂 截留：水中无机离子、胶体物质、大分子溶液 应用： 海水、苦咸水淡化； 废水处理； 锅炉用水软化； 乳品、果汁浓缩； 生产产品、生物制剂的分离、浓缩,P1P2 且：P2P1,一、基本原理 盐水溶液,a. P1=P2,讨论： 盐水溶液,溶液中水反渗透，使溶液增浓。 对于

3、实际反渗透过程： 溶剂渗透时，少量溶质也渗透，两边都有溶质，溶质与水之间各有渗透压，对于正常操作,二、过程机理与传质方程 1.过程机理 1）是否筛分机理 反渗透采用膜孔径：2nm 不通过离子： 无机离子直径：0.10.3nm 水合离子直径：0.30.6nm,不存在筛分机理,水优先吸附膜表面，形成纯水层厚度t=1nm ）无机离子受排斥，不能进入纯水层，价数越高，斥力越强。 ）当膜孔径2t时，透过的是纯水，孔径增大，溶质开始透过，越大，透过溶质越多。 孔径为2t时称临界孔径,2）选择吸附毛细孔流动模型,2.传质方程 通过膜的水渗透通量,三、浓差极化,这种现象为浓差极化,溶质在膜表面附近积累,传质方

4、向,浓差极化对过程的不利影响： 1）使 2）使截留率下降 3）XAi高于溶解度时，会出现沉淀，使膜阻力增加,减轻浓差极化的有效途径： 提高传质系数 方法：增加料液流速；增加湍流速度；提高温度；清洗膜面,反渗透过程通量与下列因素有关： (1)操作压差 ：P P ,使 JW=A（ P ) 但能耗大。应选择适当的 P (2)操作温度:T T ,使纯水的透过系数A ,J 但受膜耐温所限。 (3)料液流速 流速大,传质系数大。 但溶质的渗透通量JA大,p,4）料液的浓缩程度 浓缩程度高，水回收率高。 但： 有效压差小； 污染膜。 （5）膜材料与结构 （主要研究方向,四、反渗透过程工艺流程与计算 1. 一

5、级一段连续式,2闭路循环,料液不返回到原料槽，而是返回到膜组件 特点：目标产物浓度的增加比开路循环快，透过通量小于开路循环,五、应用举例 1. 反渗透（RO）技术在果蔬汁浓缩中应用,2.反渗透法浓缩茶液,2.反渗透法浓缩茶液,7.1.3 超滤与微滤,一、过程原理 1.超滤过程 膜: 非对称性膜,表面活性层孔径10-200微孔, 能截留分子量500以上大分子或胶体微粒. 压差: 0.1-0.5MPa 原理: 原料液在压差作用下,小分子物质与小分子量 物质透过膜上微孔,流到低压侧. 机理: 筛分机理,超滤,应用：1. 纯水制造 电子工业：超纯水；医药工业：注射剂、眼药水。 2. 废水处理 回收有用

6、的物质 3. 产品加工 各种大分子物质分离，浓缩,2.微滤过程(微孔过滤) 膜: 微孔,均质的多孔膜,孔径0.02-10m微孔, 能截留直径为0.05-10 m 的微粒或分子量大于 的高分子 压差: 0.01-0.2MPa 原理: 原料液在压差作用下,小分子物质与小分子量 物质透过膜上微孔,流到低压侧. 机理: 筛分机理,6,10,二、过程与操作 1.透过通量 溶剂: 溶质,2.影响因素 (1) 操作压差(推动力) 压差大, 通量大, 能耗大 一般取一较好值(接近于凝界渗透通量时压差,2)料液流速 采用错流装置,使料液与膜面平行流动. 流速高,传质系数大,有利于提高渗透通量; 但:膜面压降大,

7、能耗大. 因此:可采用湍流促进器,脉冲流动等提高流速. (3)温度 温度高,料液粘度小,扩散系数大,有利于提高渗透通量. (4)截留液浓度 浓度增加,浓度边界层增厚,易形成凝胶层,使渗透通量减小,三、工艺流程和应用 1.超、微滤流程,2.超滤应用 (1)食品、饮料工业,2,失,另外： a.对生物活性物质： 酶、病毒、核酸、特殊蛋白等的分离提纯； b.从植物或动物中提取药物： 如生物碱、荷尔蒙等； c.血液过滤 除去有害成分或进行血清分离。 （5）工业废水处理 造纸工业废水：回收有用成分、水重新使用； 食品工业废水：回收有用的高分子物质； 纺织工业废水：含聚乙烯醇水处理、回收,3.微滤应用 同于

8、超滤，例,电渗析：在直流电场的作用下，利用离子交换膜的选择渗透性，产生阴阳离子的定向迁移,7.1.4 电渗析,一、电渗析的基本原理 1.采用的膜 由高分子材料制成，具有粒子交换基团的薄膜。 分： 阳离子交换膜阳膜 阴离子交换膜阴膜 阳膜： 例：磺酸型，R-SO3H -SO3H为活性基因 在水中离解，产生 ， 进入水溶液。 阴膜： 例：季胺型， 为活性基团， 在水中离解，产生 ， 进入水中,操作中： 阳膜中带负电荷的基团“ ”吸引溶液中带正电荷的离子，排斥带负电荷的离子； 阴膜中带正电荷的基团“ ” 吸引带负电荷的离子，排斥带正电荷的离子 这种现象称：反粒子迁移 即：与膜所带电荷相反的离子穿过膜

9、的现象称反粒子迁移,2.电渗析过程,过程： 1. 两电极间交替放置阴阳离子膜； 2. 在二膜形成的隔室中充入含离子水溶液； 3. 接上电源后，溶液中带正点荷离子在电场作用下，向阴极方向运动，易穿过阳膜，被阴膜挡住，带负电荷离子反之。 4. 结果 2、4隔室中离子浓度增加，3室离子浓度下降,电渗析的条件： 1.直流电场 使溶液中的阳、阴离子作定向运动 2.离子交换膜的选择透过 使溶液中离子作反离子迁移,二、电渗析中传递过程 （1）反粒子迁移； （2）同名离子迁移； （3）电解质离子迁移； （4）水的渗透； （5）渗漏； （6）水的电渗析。 三、电极反应和电极电位 浓、淡隔室及膜中导电：离子型 电

10、极上导电：电子型,例：食盐水溶液 四种离子： 电极反应： 在阳极： （氧化反应,特点,在阴极： （还原反应,一般操作中； 要按一定时间调换电极；并排除或加入水,四、离子交换膜的选择透过 实用膜应具备： 1.选择透过性良好； 2.膜阻小； 3.较好的化学稳定性； 4.较高的化学强度，良好的尺寸稳定性，较低的扩散性能； 5.便宜。 评价膜好坏的方法： 1.反粒子迁移数； 2.膜的通过性,五、工艺流程 1.循环操作流程,2.三级连续操作,六、应用 1.水的纯化 海水、苦咸水、普通自然水纯化生产：饮用水，初级水（锅炉或医用）或纯水。 方法特点： （1）与其他方法比较,电渗析不适用于含盐高的海水淡化；

11、适用与含盐低的苦咸水,优点：操作方便，设备简单。 一般地，海岛、鱼船上仍有实用价值,2)当原水盐浓度过低时，溶液电阻大，耗电大，不经济。若要制纯水，可与离子交换法联合使用,2.海水、盐泉卤水浓缩制盐 传统法：盐田法 电渗析：占地小，投资省，劳动力省，不受地理条件的限制。 例：我国西南地区盐卤泉，冬浓、夏淡。 采用电渗析制盐，使盐浓度提高到120g/l。 2.医药、食品工业中应用 几种类型： （1）脱出有机物 有机物：在电场中不为离子，不能通过膜,2)有机物中酸的脱出和中和 ：在阴极生成H2排除； 酸根：渗析出去后排除。 例：除去果汁中过量的柠檬酸 将原料通入两侧都为阴膜的脱酸室,4.废水处理

12、含有酸、碱、盐废水处理 （1）从金属酸洗液中回收酸与金属； （2）电镀废水中回收铜、镍、铬等金属； （3）从合成纤维废水中回收ZnSO4，Na2SO4； （4）造纸废水中回收碱等； （5）放射性废水处理。 5.离子膜电解 电解食盐制造NaOH,A：阴膜 C：阳膜,AX+BY AY+BX,7.1.5 其它膜分离1.气膜分离,利用气体混合物中各组分在致密膜中渗透速率的不同使各组分分离的过程。 基本原理： 溶解扩散模型 (1) 在膜高压侧，气体混合物中的渗透组分溶解 在膜的表面上； (2) 从膜的高压侧通过分子扩散传递到膜低压侧； (3) 在低压侧解吸到气相,2. 液膜分离,将第三种液体展成膜状分隔

13、两个液相，由三液相所形成的两个相界面上的传质分离过程。 传质机理： 二步萃取过程： 从原料液到膜液； 再从膜液到接受液,一、问题的引出 精馏过程为多次部分气化、部分冷凝过程，塔顶有冷凝器，塔釜有再沸器，大量的能量损失于塔顶冷凝器中。 如何寻找节能方法？ 1.吸着分离过程（吸附、离子交换、色谱分离）； 2.超临界萃取； 3.膜分离,第二节 吸附分离,二、吸附操作 利用某些固体能从流体中有选择地凝聚一定组分在其表面上的能力，来实现流体混合物的分离。 固体：吸附剂 流体：被分离物，气体或液体中的分子、原子或离子。 解吸：吸附的逆过程,第二节 吸附分离,7.2.1 吸附原理和吸附剂 7.2.2 吸附平

14、衡 7.2.3 吸附速率 7.2.4 吸附分离工艺介绍,7.2.1吸附原理和吸附剂 一、吸附原理 由吸附质单个原子、离子和分子与固体表面之间存在有相互作用力，气体和液体有着吸着于固体的趋势，通常形成单分子层，有时也形成多分子层。 吸附现象 选择性吸附继而再生是分离气体或液体混合物的基础。大多数情况下，吸附剂对吸附质的亲和力比原子之间的共价键要弱，所以吸附是可逆的。随温度的升高或被吸附质分压的降低，吸附质被解吸。 由吸附质与吸附剂分子间化学键的作用所引起的吸附称化学吸附,吸附的键能,吸附剂/ 吸附质之间的亲和力可用于选择性分离（如右图），吸附过程需要一个适合的键能范围。如果键强度太弱，则几乎没有

15、物质被吸附，如果键能太强，则解吸困难,化学吸附： 由吸附剂与吸附质分子间化学键的作用所引起的吸附称为化学吸附，该过程的特点是吸附过程放出的热量与化学反应热相当；过程往往不可逆。化学吸附多涉及一些表面催化反应（加氢催化剂中镍催化剂对氢的吸附,二、吸附剂,活性碳 沸石分子筛 吸附剂 硅胶 活性氧化铝,吸附剂的主要特征： 1. 多孔结构 ； 2. 较大的比表面积 选择性吸附是吸附剂的关键性质。根据吸附剂表面的选择性，吸附剂又分为： 1. 疏水吸附剂； 2. 亲水吸附剂 影响吸附剂性能的主要因素： 1. 化学组成； 2. 制造方法,1.硅胶极性吸附剂 硅胶的化学通式为：SiO2nH2O。用硅酸钠与无机

16、酸反应生成硅酸，其聚合物在适宜的条件下聚合、缩合而成为硅氧四面体的多聚物，经聚集、洗盐、脱水而成为硅胶。在制造过程中通过控制胶团的尺寸和堆积的配位数，可以控制硅胶的孔容、孔径和比表面积。 硅胶处于高亲水和高疏水的中间状态，常用于各种气体脱水，也用于烃类分离,4.活性氧化铝极性吸附剂,活性氧化率的化学通式为：Al2O3nH2O 用无机酸的铝盐与碱反应生成氢氧化铝的溶胶，然后转变为凝胶，经过灼烧脱水而得。 活性氧化铝的表面活性中心是羟基和路易斯酸中心，极性强，对水具有很高的亲和作用，广泛用于脱除气体中的水分,3.活性碳非极性吸附剂 活性碳是碳质吸附剂的总称。各种含碳有机物均可以制造活性碳，活性碳的

17、制造主要有两步： 1碳化；2 活化。 活性炭具有非极性表面。为疏水亲有机物的吸附剂；它具有性能稳定、抗腐蚀、吸附容量大、解吸容易及再生性能好的优点。 广泛用于：脱除水中有机物；水溶液中的色素等,4.分子筛： 分子筛有天然和合成分子筛。 每一种沸石分子筛都具有特定的均一孔径，它因原料的配比、组成和制造方法不同而不同，通过改变这些因素可以制造出各种孔径和形状的沸石分子筛,不同吸附剂的脱水性能,一般：脱气体中微量水份分子筛 脱气体中大量水份硅胶、活性氧化铝,7.2.2 吸附平衡,吸附平衡： 在一定条件下，当流体（气体或液体）与固体吸附剂接触时，流体中的吸附质将被吸附，经过足够长的时间，吸附质在两相中

18、的浓度不再变化，达到吸附平衡。 吸附平衡关系决定了吸附过程的方向和极限，是吸附过程的基本依据。 吸附平衡关系通常用等温下吸附剂中吸附质的含量与流体相中吸附质的浓度或分压间的关系表示（等温曲线,一、 气体吸附平衡,一、单组分气体吸附平衡 吸附等温线： 吸附平衡时的吸附容量q： q=f（T，P） 若T不变，q=f（P） 吸附等温线 五类实验吸附等温线,类：简单，适应单分子层吸附，常用于处于临界温度以上的气体； 类：复杂，与多分子层吸附有关，气体温度低于临界温度，压力较低，但接近饱和蒸汽压。第一吸附层的吸附热大于后继吸附层的吸附热，后者等于冷凝。 显示出强吸附能力 类： 只有在高压下才变的易吸附，相

19、应于多层吸附，少见。 Brunauer提出：微孔尺寸可限制吸附层数由于发生毛细管冷凝现象，在达到饱和蒸汽压之前，显示出很大吸附程度。 类：是 类因毛细管冷凝现象而演变。在多分子吸附区域出现滞后现象,类： 滞后圈的上行吸附的分支表示多层吸附和毛细管冷凝同时发生，而在曲线的下行解析分支，则仅有毛细管冷凝现象。 不同类型的吸附等温线反映了吸附剂吸附过程的不同机理，因此提出了多种吸附理论和表达吸附平衡关系的吸附等温关系式。 然而对于实际固体吸附剂，由于复杂的表面和孔结构，很难符合理论的吸附平衡关系，因此提出了很多经验的、使用的吸附等温关系式,二、 液相吸附平衡,液相吸附的机理比气相复杂，除了温度和溶质

20、浓度外，吸附剂对溶剂和溶质的吸附、溶质的溶解度和离子化、各种溶质之间的相互作用以及共吸附现象都会对吸附产生不同程度的影响,7.2.3 吸附速率,当含有吸附质的流体与吸附剂接触时，将进行吸附过程。 吸附速率： 单位时间内被吸附的 吸附质的量. 是吸附过程设计和操作的重要参数,一、 吸附机理,吸附质在吸附剂的多孔表面上的 吸附过程分四步： 1. 吸附质由流体主体通过分子扩散与对流扩散穿过薄膜或边界层传递到吸附剂外表面，称为外扩散过程。 2. 吸附质通过孔扩散从吸附剂的外表面传递到微孔结构的 内表面，称微内扩散过程。 3. 吸附质沿孔表面的表面扩散。 4. 吸附质被吸附在孔表面上。 对于化学吸附：吸

21、附质与吸附剂之间有键的形成，第四步可能较慢，甚至是控制步骤。 对于物理吸附：由于吸附速率仅取决于吸附质分子与孔表面的碰撞频率和定向作用，几乎是瞬间完成的，吸附速率由前三步控制。统称为扩散控制,吸附机理,7.2.4吸附分离工艺介绍,ti吸附质首先出现在床层出口端时间； tb对应馏出物最大允许浓度时间，称破点时间； te床层饱和时间。 （te-ti）对应床层吸附区或传质区长度,一、固定床吸附,二、双器流程,A：吸附；B：再生 达到破点时： B ：吸附； A：再生,2）串级流程 二塔串级吸附； 一塔再生。 （3）并级流程 二塔并级吸附； 一塔再生,2.模拟移动床 固定床操作缺点： 效率低；吸附剂、脱

22、附剂用量大。 不适用于大规模生产、广泛性应用。 若改用移动床： 固体吸附剂移动困难。 解决办法： 采用模拟移动床。 模拟移动床吸附原理： 例：A+B混合液，用固体吸附剂和脱附剂C分离。 方法：吸附剂不动，不断改变流体进出口位置，达到流体与吸附剂相对运动的目的,目的： 1.提高分离效率而将反应与分离结合的一种分离操作。 2.提高反应收率而借助于精馏分离手段的一种反应过程,第三节 反应精馏,7.3.1 反应精馏的应用 7.3.2 反应精馏过程,第三节 反应精馏,7.3.1 反应精馏的应用 两种类型：一种利用精馏促进反应 二种通过反应促进精馏分离 一、利用精馏促进反应的反应精馏 例：酯化 酸醋与乙醇生成酸醋乙酯 酯交换 醋醋丁酯与乙醇反应 皂化 氯丙醇皂化生成环氧丙烷,适用于：可逆反应 反应产物相对挥发度大于或小于反应物时，由于精馏原因，产物一生成立刻离开反应区。 连串反应：ARS 两种类型：1.S为目的产物 将生成R和生成S二个反应器合并在一起，利用精馏提供不同的条件，缩短反应时间，提高收率和产品纯度。 2.R为目的产物 利用精馏把产物R尽快移出反应区，避免副反应进行,二、利用反应促进精馏的反应精馏 例：分离近沸点的混合物,1+2组分,产物1,产物2,反应添加剂3,