化工原理-第十三章-其他分离过程.ppt

*,西,安,交,大,化,工,原,理,电,子,课,件,返回主题,后页,前页,第十三章 其他分离过程,13.1 吸附,13.2 膜分离,1,13.1 吸附,13.1.1概述,13.1.2 吸附平衡,13.1.3吸附设备及计算,2,13.1.1概述,吸附,多孔性固体表面的分子或原子因受力不均而具有剩余的表面能，当流体中的某些物质碰撞固体表面时，受到这些不平衡力的作用就会停留在固体表面上。,具有吸附作用的物质，称为,吸附剂,，被吸附的物质称为,吸附质,。常见的吸附剂有活性炭、磺化煤、焦碳、木炭、白土、炉渣及大孔径吸附树脂等。,吸附的分类,按照吸附作用力性质的不同，吸附可以分为,物理吸附,、,化学吸附,和,离子交换吸附,。,按照吸附条件是否发生变化，又可把吸附分为,变温吸附,，,变压吸附,以及,变浓度吸附,。,3,13.1.1概述,吸附分离应用主要包括：,（1）气体和液体的深度干燥；,（2）食品、药品和有机石油产品的脱色、除臭；,（3）有机烷烃的分离和精制；,（4）气体的分离和精制；,（5）从废水或废气中除去有害的物质。,4,13.1.2 吸附平衡,吸附平衡,是指在一定温度和压力下，气固或液固两相充分接触，最后吸附质在两相中达到动态平衡；也可以是含有一定量的吸附质的惰性流体通过吸附剂固定床层，吸附质流动相和固定相中反复分配，最后在动态下达到稳定的动态平衡。,1.,单组分气相在固体上的吸附平衡,实验表明，当流体为气相时，对于一个给定的物系（即一定的吸附剂和一定的吸附质），达到吸附平衡时，吸附量与温度及压力有关，可表示为,q,e,=f(T,p),当,T,为常熟，,q,e,=f(p),它表明了平衡吸附量与压力之间的关系，反映这一关系的曲线称为吸附等温线。,5,13.1.2 吸附平衡,根据实验，吸附等温线归纳为如图131所示的五种类型,I,类 吸附出现饱和值。这种吸附相当于在吸附剂表面上形成单分子层吸附，接近,Langmuir,型吸附等温线。,II,类 其特点是不出现饱和值，随对比压力增加，平衡吸附量急剧上升，曲线上凸，属于多分子层物理吸附。,III,类 曲线下凹，吸附气体量随组分分压增加而上升。,6,13.1.2 吸附平衡,IV,类 能形成有限的多层吸附。开始吸附量随着气体中组分分压的增加迅速增大，曲线凸起，吸附剂表面形成易于移动的单分子层吸附；而后一段凸起的曲线表示由于吸附剂表面建立了类似液膜层的多层分子吸附；两线段间的突变，说明有毛细孔的凝结现象。,V,类 曲线一开始就下凹，吸附质较难被吸附，吸附量随气体中组分浓度增加而缓慢上升，当接近饱和压力时，曲线趋于饱和，形成多层吸附，有滞后效应。,2.,液相在固体上的吸附平衡和吸附等温曲线,7,13.1.2 吸附平衡,（1）同族序列的有机化合物相对分子质量愈大，吸附量愈高；,（2）溶解度小，疏水程度高，则易吸附；,（3）一般芳香族化合物比脂肪族化合物更易吸附；,（4）知链化合物比侧链化合物更易吸附。,液相吸附的机理比气相吸附要复杂，对大量有机化合物吸附性能的研究表明：,3.吸附等温方程,用来描述等温吸附平衡的数学式，称为,吸附等温方程,8,13.1.2 吸附平衡,1.,Langmuir,等温式,朗格缪尔单分子层吸附等温式：,q,e,=,aq,m,p,e,/(1+ap,e,),式中,，,q,m,表面上吸满单分子层吸附质得吸附量，,kg(,吸附质)/,kg(,吸附剂)；,p,e,吸附质得平衡分压，,Pa,;,a,吸附系数。,格缪尔公式也常用于液相吸附，故又写成下述形式：,q,e,=,aq,m,y,e,/(1+a,y,e,),式中,，,a,吸附系数；,y,e,吸附质在液相中得平衡浓度，摩尔分率。,9,13.1.2 吸附平衡,朗格缪尔关系式是一个理想得吸附公式，它代表了在均匀表面上吸附分子间彼此没有相互作用得情况下，单分子层吸附达到平衡时得规律。,2.,Freundlich,等温式,对于在等温情况下，吸附热随着覆盖率（即吸附量）得增加，呈对数下降得吸附平衡，,Freundlich,提出下列公式：,q,e,=kp,e,1/n,q,e,=ky,e,1/n,或,式中，,k,k,Freundlich,吸附系数,n,和温度有关得常数，一般认为,n=210,时为易吸收过程；,n0.5,时为难吸附过程。,Freundlich,等稳式是经验公式，适用于低浓度气体或的浓度溶液未知组成物得吸附。,10,13.1.3吸附设备及计算,1.接触式吸附设备及计算,：,常见的接触式吸附装置为接触式过滤吸附器，如图132所示,它属于分级接触，适用于处理液态溶液。其特点是结构简单，操作容易。,按照原料、吸附细致的不同，操作方式可分为,单级吸附,和,多级吸附,，,多级吸附,又分为,多级错流,和,多级逆流吸附,。,11,13.1.3吸附设备及计算,单级吸附,对吸附质进行物 料衡算,式中,，,W,溶液中溶剂的质量，,kg;,L,吸附剂的质量，,kg;,Y,0,、Y,1,吸附质再吸附槽进、出扣溶液中的质量必，,kg(,吸附质)/,kg（,溶剂）；,X,0,X,1,吸附质再吸附槽进、出口吸附剂中的质量比，,kg(,吸附质)/,kg(,吸附剂)；,多级错流吸附,12,13.1.3吸附设备及计算,若吸附等温式满足,Freundlich,公式，对低浓度的溶液，吸附平衡关系可写成：,X=KY,1/N,，,且，代入式（135），得,常称固液比,多级错流吸附,其特点式溶液经过多级搅拌槽，而且各槽都补充新鲜吸附剂，下面讨论两级错流吸附。,13,13.1.3吸附设备及计算,对吸附质进行物料衡算,第一级,W(Y,0,Y,1,)=L,1,(X,1,X,0,),第二级,W(Y,1,Y,2,)=L,2,(X,2,X,0,),14,13.1.3吸附设备及计算,若平衡关系满足,Freundlich,公式，且,X,0,=0，,则,欲使吸附剂用量最小，必须使,(,对于一定的体系和分离要求，,K，n，Y,0,和,Y,2,均为常数，结合上两式得,15,13.1.3吸附设备及计算,多级逆流吸附,对吸附质进行无聊衡算（设共有,N,级）：,第,m,级,全范围,16,13.1.3吸附设备及计算,若平衡关系满足,Frenundlich,方程：，则对二级逆流吸附情形，若,X,3,=0，,有,第一，二级,第二级,消去 ，得,17,13.1.3吸附设备及计算,2.固定床吸附设备,固定床式最常用得吸附分离设备，属间歇操作。,优点：,它结构简单、造价低、吸附剂磨损少、操作易掌握、操作弹性大，可用于气相、液相吸附，分离效果好,缺点：,吸附剂用量较大，容易出现局部过热地现象，影响吸附。,18,13.1.3吸附设备及计算,吸附负荷曲线与穿透曲线,19,13.1.3吸附设备及计算,吸附负荷曲线与穿透曲线,的关系,20,13.1.3吸附设备及计算,固定床吸附分离计算,5个假设,（1）传质区高度,Z,a,与未饱和吸附容量,f,的确定,（,2,）传质区传质单元数的确定,21,13.1.3吸附设备及计算,移动床吸附器又称“超吸附塔”，移动床吸附器又称“超吸附塔”，对原水与处理要求较低，操作管理方便。,22,13.2膜分离,13.2.1概述,13.2.2分离膜与膜组件,13.2.3反渗透与纳滤,13.2.4超滤与微滤,13.2.5渗透气化与蒸汽渗透,13.2.6气体分离,13.2.7膜接触器,13.2.8电渗析,13.2.9膜组件特性及膜污染防治,23,13.2.1概述,膜分离,是以对组分具有选择性透过功能的膜为分离截至，通过在膜两侧施加（或存在）一种或多种推动力，使原料中的膜组分选择性地优先透过膜，从而达到混合物分离，并视线产物地提取、浓缩、纯化等目的的一种新型分离过程。,推动力,压力差（也称跨膜压差）、浓度差、电位差、温度差等 。,概念,如微滤（,MF）、,超滤（,UF）、,纳滤（,NF）,与反渗透（,RO）,都是以压力差微推动力的膜分离过程。,24,13.2.2分离膜与膜组件,1.膜的种类及型式,按材料的来源可分为,天然生物膜,与,人工合成膜,；按膜分离过程的推动力可分为,压力差,、,电位差,、,浓度差,、,温度差等,膜；按膜的结构可分,为,对称,和,非对称膜,两,大类，其中非对称膜,还可细分为,多孔膜,、,叠合膜,以及,复合膜,等。,25,13.2.2分离膜与膜组件,2.膜材料及制膜方法,膜过程,膜材料,微滤,聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯、聚丙稀、聚乙烯,聚碳酸酯、聚（醚）砜、聚（醚）酰亚胺、聚醚醚酮等,氧化铝、氧化锆、氧化钛、碳化硅,超滤,聚（醚）砜、磺化聚砜、聚偏二氟乙烯、聚丙稀腈、聚（醚）酰亚胺、聚脂肪酰胺、醚酮、纤维素类等,氧化铝、氧化锆,纳滤,聚酰（亚）胺,反渗透,二醋酸纤维素、三醋酸纤维素、聚芬香酰胺类、聚合苯并咪唑（酮）聚酰（亚）胺、聚酰胺酰阱、聚醚脲等,电渗析,膜电解,含有离子基团的聚电解质：磺酸型、季胺型等,四氟乙烯和含磺酸或羧酸的全氟单体共聚物,渗透气化,弹性态或玻璃态聚合物;聚丙稀腈、聚乙烯醇、聚丙稀酰胺,气体分离,弹性态聚合物：聚二甲硅氧烷、聚甲基戊烯,玻璃态聚合物：聚酰亚胺、聚砜,膜接触器,疏水聚合物：聚四氟乙烯、聚丙稀、聚乙烯、聚偏氟乙烯,渗析,亲水聚合物：再生纤维素、醋酸纤维素、乙烯乙烯醇共聚物、乙烯醋酸乙烯酯共聚物,26,13.2.2分离膜与膜组件,3.各种膜组件,27,13.2.3反渗透与纳滤,1.溶液渗透压,反渗透借助半透膜对溶液中溶质的截流作用，以压差为推动力，使溶剂透过半透膜，从而达到溶液脱溶质的目的。,28,13.2.3反渗透与纳滤,在反渗透过程的设计中，溶液的渗透压数据是必不可少的。对于多组分体系得稀溶液，可用扩展的范特霍夫渗透压公式计算溶液的渗透压,式中，,c,i,溶质物质的量浓度，,kmol,/m,3,;,n,溶液中的组分数。,对电解质水溶液，常引入渗透压系数来校正偏离程度，对水溶液中溶质,i,组分，其渗透压可用下式计算,在实际应用中，常用以下简化方程计算,29,13.2.3反渗透与纳滤,2.反渗透基本机理,30,13.2.3反渗透与纳滤,3.反渗透膜通量,基于,Sourirajan,的优先吸附毛细孔流动机理，溶剂和溶质通量可用,Kimura-,Sourirajan,模型求算,溶剂通量,溶质通量,31,13.2.3反渗透与纳滤,4.反渗透与纳滤膜的截流率,在反渗透过程中，膜的分离性质一般用截流率,R,表示,式中，,c,0,、,c,P,分别为原料液和透过液的浓度，,kmol,/m,3,。,在纳滤过程中，则常用脱盐率,T,来表示：,32,13.2.3反渗透与纳滤,5膜过程设计,过程回收率,定义透过夜体积与原料液体积之比,称为回收率，即,截流液和透过夜浓度、回收率和截流率的函数关系如下,溶质的损失率与膜的截留率和回收率有关，可用下式表示,33,13.2.3反渗透与纳滤,过程脱除率,对纳滤过程，由于一次脱盐率通常较低，一般需经多次脱除，因此还取决于过程的总脱盐率。在恒容脱盐过程中，假定料液体积,V,0,为常数，则料液中盐的浓度由,c,0-,降到,c,1,，,透过夜的总体积为,V,P,，,若过程对盐的脱盐率,T,恒定不变，则有,设,则有,34,13.2.4超滤与微滤,1.超滤的基本原理,超滤是通过莫德筛分作用将溶液中大于膜孔的大分子溶质截留，使这些溶质与小分子溶剂分离的膜过程。,35,13.2.4超滤与微滤,2.浓差极化与凝胶层阻力模型,图1325 超滤过程中的浓差极化和凝胶层形成现象,(,a),浓差极化；(,b),凝胶层现象,式中，称为浓差极化比，,其值越大，浓差极化现象越严重。,超滤过程的透过率为,通量与过率时间的0.5次方衰减的关联式,36,13.2.4超滤与微滤,3.超滤过程工艺流程,37,13.2.5渗透气化与蒸汽渗透,1.渗透汽化及蒸汽渗透原理,渗透汽化,是指液体混合物在膜两侧压差得作用，利用膜对被分离混合物中某组分有优先选择性透过膜得特点，使料液侧优先渗透组分渗透通过膜，在膜得下游侧汽化去除，从而达到混合物分离提纯得一种新型膜分离技术。,蒸汽渗透,过程与渗透汽化过程不同之处是，蒸汽渗透为气相进料，相变过程通常发生在,进装置前，在过程中蒸汽相,渗透通过膜，达到混合物的,分离与纯化。,38,13.2.5渗透气化与蒸汽渗透,2.渗透通量和分离因子,根据渗透气化传递过程的基本原理，组分,A，B,通过膜的渗透速率可用下式表示,式(13-1)、（13-2,）,括号中的第二项可略，式（13-1,）,除以式（132,），,并简化后可得,（131）,（132）,39,13.2.6气体分离,1.气体在膜内的传递机理,40,13.2.6气体分离,2.气体的选择性和渗透性,对于理想气体在多孔膜中的传递，如果膜两侧的气体总压力、温度相等，则可用气体的分压差作为推动力来表示。若忽略主体流动，则气体的渗透通量可用费克定律来计算：,为有效扩散系数,的计算与气体在膜孔内的流动状态有关，一般根据努森（,Knudsen）,数的大小来区分，努森数,Kn,可用下式计算,41,13.2.6气体分离,当,Kn,0.01,时，黏性流流动，可用,Hagen-,Poiseuille,定律描述。在这种黏性流动范围内，气体混合物不能被膜分离。,当,kn,1.0，,尤其当,Kn,10,时，气体分子平均自由成远大于膜孔径，此类扩散现象称为努森扩散，气体以努森扩散机理通过膜。,当,Kn,数介于以上值之间，尤其当,Kn,数在1附近时扩散为过渡区扩散。,已知分子扩散和努森扩散系数，则过渡区的扩散系数可近似用下式计算：,42,13.2.6气体分离,3.非多孔膜内的扩散,气体在致密膜中通过溶解与扩散传递，其传递过程由三步组成：气体在膜上游表面吸着（,Sorption）；,吸着在膜上游表面的气体在浓度差为推动力下扩散透过膜；气体在膜下游表面的解吸或蒸发。,43,13.2.7膜接触器,1.膜接触器得种类,膜接触器是以多孔得疏水或亲水膜做为传递介质，并与气体吸收、液体萃取、气提、蒸馏等过程相结合得一种新型得膜分离级数。,按气液传递方式有：气液型、液气型、液液型等三种。,按作用机理可分为：膜基吸收、膜基萃取、膜基气体、膜蒸馏等。,44,13.2.7膜接触器,45,13.2.7膜接触器,2.膜接触器的传递原理,料液组分在膜接触器的传递分三步：从进料相到膜面的传递、在膜内微孔中的扩散传递、以及膜下游侧的渗透物的传递。,膜的传质系数与膜孔润湿物有关，若膜孔被吸收液体润湿，则膜的传质系数可表示为,式中，为物质,i,在吸收液体中的扩散系数,如果膜孔被气体充满，属,Knudsen,流动，传质系数,46,13.2.7膜接触器,3.膜接触器的温差极化,由于膜面及冷、热侧流体主体间存在传热阻力，使热侧膜面的温度低于其主体流温度，冷侧膜面的温度高于其主体流温度，膜的这一温差极化，可以膜两侧的温差来度量：,式中，为两流体主题流的温差；,J,为体积通量；为膜的导热系数；为热焓；,K,为总传热系数。,47,13.2.8电渗析,1.电渗析过程原理,48,13.2.8电渗析,2.膜的唐南平衡,3.电渗析过程中的传递现象,49,13.2.8电渗析,4.电渗析器工艺参数计算,（1）水流线速度,（2）极限电流与操作电流密度,（3）电流效率的计算式,（4）脱盐率,（5）膜对电压,50,13.2.8电渗析,5.电渗析器及其脱盐流程设计,（1）电渗析器及,其脱盐流程,51,13.2.8电渗析,（2）脱盐级数的确定,（3）实际操作电流密度确定,单台一级多段或多级多段连续式流程,部分循环式流程,电流密度求法同多级多段连续式相同,间歇循环式流程,52,13.2.8电渗析,（4）膜对数（面积）计算,a,对连续式流程，假定电流效率恒定，第,n,级的膜对数,总膜对数为,b,对部分循环连续式，只要将有关式中的,Q、c,用进入各级的实际流量,Q,R,和浓度,c,R,来代替，即可求出各级膜对数。,对间歇循环式，假定电流效率不便，则可采用对数平均电流密度,作为一个批量的操作电流，取代式（133）中的,i,n,即可。,（133）,53,13.2.9膜组件特性及膜污染防治,1.膜组件传质特性比较,组件类型,水力直径,雷诺数,传质系数,中空纤维,0.04,1000,11,管式,1.0,20000,14,平板,0.1,2000,9,卷式,0.1,500,16,搅拌池,2.0,10000,5,转动式,0.1,4000,20,六种膜组件的传质特性参数比较,54,13.2.9膜组件特性及膜污染防治,2.膜污染防治,（1）减轻膜污染的方法,原料液预处理及溶液特性控制,膜材料与膜的选取,膜组件及膜器运行条件选择,55,13.2.9膜组件特性及膜污染防治,（）膜的清洗与保存,清洗方法,膜的恢复,膜的灭菌保护,灭菌的目的在于膜存放或组件维护期间杀灭微生物或防止微生物在膜上生长。,56,