化工原理 第十三章 其他分離過程

1、1,第十三章 其他分離過程,13.1 吸附 13.2 膜分離,2,13.1 吸附,13.1.1概述13.1.2 吸附平衡13.1.3吸附設(shè)備及計算,3,13.1.1概述,吸附,多孔性固體表面的分子或原子因受力不均而具有剩余的表面能，當流體中的某些物質(zhì)碰撞固體表面時，受到這些不平衡力的作用就會停留在固體表面上。,具有吸附作用的物質(zhì)，稱為吸附劑，被吸附的物質(zhì)稱為吸附質(zhì)。常見的吸附劑有活性炭、磺化煤、焦碳、木炭、白土、爐渣及大孔徑

2、吸附樹脂等。,吸附的分類,按照吸附作用力性質(zhì)的不同，吸附可以分為物理吸附、化學吸附和離子交換吸附。,按照吸附條件是否發(fā)生變化，又可把吸附分為變溫吸附，變壓吸附以及變濃度吸附。,,4,13.1.1概述,吸附分離應用主要包括：,（1）氣體和液體的深度干燥； （2）食品、藥品和有機石油產(chǎn)品的脫色、除臭； （3）有機烷烴的分離和精制； （4）氣體的分離和精制； （5）從廢水或廢氣中除去有害的物質(zhì)。,5,13.1.2 吸附平衡,吸附平衡是

3、指在一定溫度和壓力下，氣固或液固兩相充分接觸，最后吸附質(zhì)在兩相中達到動態(tài)平衡；也可以是含有一定量的吸附質(zhì)的惰性流體通過吸附劑固定床層，吸附質(zhì)流動相和固定相中反復分配，最后在動態(tài)下達到穩(wěn)定的動態(tài)平衡。,1.單組分氣相在固體上的吸附平衡,實驗表明，當流體為氣相時，對于一個給定的物系（即一定的吸附劑和一定的吸附質(zhì)），達到吸附平衡時，吸附量與溫度及壓力有關(guān)，可表示為,qe =f(T,p),當T為常熟，qe =f(p),它表明了平衡吸附量與壓力之

4、間的關(guān)系，反映這一關(guān)系的曲線稱為吸附等溫線。,6,13.1.2 吸附平衡,根據(jù)實驗，吸附等溫線歸納為如圖13—1所示的五種類型,,I類 吸附出現(xiàn)飽和值。這種吸附相當于在吸附劑表面上形成單分子層吸附，接近Langmuir型吸附等溫線。,II類 其特點是不出現(xiàn)飽和值，隨對比壓力增加，平衡吸附量急劇上升，曲線上凸，屬于多分子層物理吸附 。,III類 曲線下凹，吸附氣體量隨組分分壓增加而上升。,7,13.1.2 吸附平衡,IV類 能形成有

5、限的多層吸附。開始吸附量隨著氣體中組分分壓的增加迅速增大，曲線凸起，吸附劑表面形成易于移動的單分子層吸附；而后一段凸起的曲線表示由于吸附劑表面建立了類似液膜層的多層分子吸附；兩線段間的突變，說明有毛細孔的凝結(jié)現(xiàn)象。,V類 曲線一開始就下凹，吸附質(zhì)較難被吸附，吸附量隨氣體中組分濃度增加而緩慢上升，當接近飽和壓力時，曲線趨于飽和，形成多層吸附，有滯后效應。,2.液相在固體上的吸附平衡和吸附等溫曲線,8,13.1.2 吸附平衡,（1）同族序

6、列的有機化合物相對分子質(zhì)量愈大， 吸附量愈高；（2）溶解度小，疏水程度高，則易吸附；（3）一般芳香族化合物比脂肪族化合物更易吸附；（4）知鏈化合物比側(cè)鏈化合物更易吸附。,液相吸附的機理比氣相吸附要復雜，對大量有機化合物吸附性能的研究表明 ：,3.吸附等溫方程,用來描述等溫吸附平衡的數(shù)學式，稱為吸附等溫方程,9,13.1.2 吸附平衡,1.Langmuir等溫式,朗格繆爾單分子層吸附等溫式：,qe=aqmpe/(1+ape),式中，

7、qm—表面上吸滿單分子層吸附質(zhì)得吸附量，kg(吸附質(zhì))/kg(吸附劑)；pe—吸附質(zhì)得平衡分壓，Pa ;a—吸附系數(shù)。,格繆爾公式也常用于液相吸附，故又寫成下述形式：,qe=aqmye/(1+a’ye),式中，a’ —吸附系數(shù)；ye—吸附質(zhì)在液相中得平衡濃度，摩爾分率。,10,13.1.2 吸附平衡,朗格繆爾關(guān)系式是一個理想得吸附公式，它代表了在均勻表面上吸附分子間彼此沒有相互作用得情況下，單分子層吸附達到平衡時得規(guī)律。,2.Fr

8、eundlich等溫式,對于在等溫情況下，吸附熱隨著覆蓋率（即吸附量）得增加，呈對數(shù)下降得吸附平衡，F(xiàn)reundlich提出下列公式：,qe=kpe1/ n,qe=k’ye1/ n,或,——式中，k,k’—Freundlich吸附系數(shù),n—和溫度有關(guān)得常數(shù)，一般認為n=2~10時為易吸收過程；n<0.5時為難吸附過程。,Freundlich等穩(wěn)式是經(jīng)驗公式，適用于低濃度氣體或的濃度溶液未知組成物得吸附。,11,13.1.3吸附設(shè)備

9、及計算,1.接觸式吸附設(shè)備及計算,：,常見的接觸式吸附裝置為接觸式過濾吸附器，如圖13—2所示,它屬于分級接觸，適用于處理液態(tài)溶液。其特點是結(jié)構(gòu)簡單，操作容易。,按照原料、吸附細致的不同，操作方式可分為單級吸附和多級吸附，多級吸附又分為多級錯流和多級逆流吸附。,12,13.1.3吸附設(shè)備及計算,①單級吸附,,對吸附質(zhì)進行物 料衡算,,式中，W—溶液中溶劑的質(zhì)量，kg; L—吸附劑的質(zhì)量，kg; Y

10、0、Y1—吸附質(zhì)再吸附槽進、出扣溶液中的質(zhì)量必，kg(吸附質(zhì))/kg（溶劑）； X0,X1— 吸附質(zhì)再吸附槽進、出口吸附劑中的質(zhì)量比，kg(吸附質(zhì))/kg(吸附劑)；,②多級錯流吸附,13,13.1.3吸附設(shè)備及計算,若吸附等溫式滿足Freundlich公式，對低濃度的溶液，吸附平衡關(guān)系可寫成：X=KY1/N，且，代入式（13—5），得,,常稱固液比,②多級錯流吸附,其特點式溶液經(jīng)過多級攪拌槽，而且各槽都補充新鮮吸附

11、劑，下面討論兩級錯流吸附。,14,13.1.3吸附設(shè)備及計算,對吸附質(zhì)進行物料衡算,,第一級 W(Y0—Y1)=L1(X1—X0),第二級 W(Y1—Y2)=L2(X2—X0),15,13.1.3吸附設(shè)備及計算,若平衡關(guān)系滿足Freundlich公式， ，且X0=0，則,,,欲使吸附劑用量最小，必須使,(,,對于一定的體系和分離要求，K，n，Y0和Y2均為常數(shù)，結(jié)合上兩式得

12、,16,13.1.3吸附設(shè)備及計算,③多級逆流吸附,,對吸附質(zhì)進行無聊衡算（設(shè)共有N級）：,第m級,全范圍,17,13.1.3吸附設(shè)備及計算,若平衡關(guān)系滿足Frenundlich方程： ，則對二級逆流吸附情形，若X3=0，有,,第一，二級,,,第二級,,,消去 ，得,,18,13.1.3吸附設(shè)備及計算,2.固定床吸附設(shè)備,,固定床式最常用得吸附分離設(shè)備，屬間歇操作。,優(yōu)點：它結(jié)構(gòu)簡單、造價低、吸附劑磨損

13、少、操作易掌握、操作彈性大，可用于氣相、液相吸附，分離效果好,缺點：吸附劑用量較大，容易出現(xiàn)局部過熱地現(xiàn)象，影響吸附 。,19,13.1.3吸附設(shè)備及計算,吸附負荷曲線與穿透曲線,,,20,13.1.3吸附設(shè)備及計算,,吸附負荷曲線與穿透曲線的關(guān)系,21,13.1.3吸附設(shè)備及計算,固定床吸附分離計算,5個假設(shè),（1）傳質(zhì)區(qū)高度Za與未飽和吸附容量f的確定,（2）傳質(zhì)區(qū)傳質(zhì)單元數(shù)的確定,22,13.1.3吸附設(shè)備及計算,移動床吸附器又稱

14、“超吸附塔”，移動床吸附器又稱“超吸附塔”，對原水與處理要求較低，操作管理方便。,,,23,13.2膜分離,13.2.1概述13.2.2分離膜與膜組件13.2.3反滲透與納濾13.2.4超濾與微濾13.2.5滲透氣化與蒸汽滲透13.2.6氣體分離13.2.7膜接觸器13.2.8電滲析13.2.9膜組件特性及膜污染防治,24,13.2.1概述,膜分離是以對組分具有選擇性透過功能的膜為分離截至，通過在膜兩側(cè)施加（或存在）一種

15、或多種推動力，使原料中的膜組分選擇性地優(yōu)先透過膜，從而達到混合物分離，并視線產(chǎn)物地提取、濃縮、純化等目的的一種新型分離過程。,推動力,壓力差（也稱跨膜壓差）、濃度差、電位差、溫度差等 。,概念,如微濾（MF）、超濾（UF）、納濾（NF）與反滲透（RO）都是以壓力差微推動力的膜分離過程。,25,13.2.2分離膜與膜組件,1.膜的種類及型式,按材料的來源可分為天然生物膜與人工合成膜；按膜分離過程的推動力可分為壓力差、電位差、濃度差、溫度

16、差等膜；按膜的結(jié)構(gòu)可分為對稱和非對稱膜兩大類，其中非對稱膜還可細分為多孔膜、疊合膜以及復合膜等。,,26,13.2.2分離膜與膜組件,2.膜材料及制膜方法,27,13.2.2分離膜與膜組件,3.各種膜組件,,28,13.2.3反滲透與納濾,1.溶液滲透壓,,反滲透借助半透膜對溶液中溶質(zhì)的截流作用，以壓差為推動力，使溶劑透過半透膜，從而達到溶液脫溶質(zhì)的目的。,29,13.2.3反滲透與納濾,在反滲透過程的設(shè)計中，溶液的滲透壓數(shù)據(jù)是

17、必不可少的。對于多組分體系得稀溶液，可用擴展的范特霍夫滲透壓公式計算溶液的滲透壓,,式中，ci—溶質(zhì)物質(zhì)的量濃度，kmol/m3; n—溶液中的組分數(shù)。,,對電解質(zhì)水溶液，常引入滲透壓系數(shù)來校正偏離程度，對水溶液中溶質(zhì)i組分，其滲透壓可用下式計算,,在實際應用中，常用以下簡化方程計算,,30,13.2.3反滲透與納濾,2.反滲透基本機理,,31,13.2.3反滲透與納濾,3.反滲透膜通量,基于Sourirajan的優(yōu)先吸附

18、—毛細孔流動機理，溶劑和溶質(zhì)通量可用Kimura-Sourirajan模型求算,溶劑通量,溶質(zhì)通量,,32,13.2.3反滲透與納濾,4.反滲透與納濾膜的截流率,在反滲透過程中，膜的分離性質(zhì)一般用截流率R表示,,式中，c0、cP分別為原料液和透過液的濃度，kmol/m3。,在納濾過程中，則常用脫鹽率T來表示：,,33,13.2.3反滲透與納濾,5．膜過程設(shè)計,①  過程回收率,定義透過夜體積與原料液體積之比η 稱為回收率，即,

19、截流液和透過夜?jié)舛取⒒厥章屎徒亓髀实暮瘮?shù)關(guān)系如下,溶質(zhì)的損失率與膜的截留率和回收率有關(guān)，可用下式表示,34,13.2.3反滲透與納濾,② 過程脫除率,對納濾過程，由于一次脫鹽率通常較低，一般需經(jīng)多次脫除，因此還取決于過程的總脫鹽率。在恒容脫鹽過程中，假定料液體積V0為常數(shù)，則料液中鹽的濃度由c0-降到c1?，透過夜的總體積為VP，若過程對鹽的脫鹽率T恒定不變，則有,,,設(shè),則有,,,35,13.2.4超濾與微濾,1.超濾的基本原理,超濾

20、是通過莫德篩分作用將溶液中大于膜孔的大分子溶質(zhì)截留，使這些溶質(zhì)與小分子溶劑分離的膜過程。,,36,13.2.4超濾與微濾,2.濃差極化與凝膠層阻力模型,,圖13－25 超濾過程中的濃差極化和凝膠層形成現(xiàn)象(a)濃差極化；(b)凝膠層現(xiàn)象,式中， 稱為濃差極化比，其值越大，濃差極化現(xiàn)象越嚴重。,,超濾過程的透過率為,通量與過率時間的0.5次方衰減的關(guān)聯(lián)式,37,13.2.4超濾與微濾,3.超濾過程工藝流程,,3

21、8,13.2.5滲透氣化與蒸汽滲透,1.滲透汽化及蒸汽滲透原理,滲透汽化是指液體混合物在膜兩側(cè)壓差得作用，利用膜對被分離混合物中某組分有優(yōu)先選擇性透過膜得特點，使料液側(cè)優(yōu)先滲透組分滲透通過膜，在膜得下游側(cè)汽化去除，從而達到混合物分離提純得一種新型膜分離技術(shù)。,蒸汽滲透過程與滲透汽化過程不同之處是，蒸汽滲透為氣相進料，相變過程通常發(fā)生在 進裝置前，在過程中蒸汽相 滲透通過膜，達到混合物的 分離與純化。,,39,13.2.5滲透氣化與

22、蒸汽滲透,2. 滲透通量和分離因子,根據(jù)滲透氣化傳遞過程的基本原理，組分A，B通過膜的滲透速率可用下式表示,,,式(13-1)、（13-2）括號中的第二項可略，式（13-1）除以式（13—2），并簡化后可得,（13—1）,（13—2）,40,13.2.6氣體分離,1.氣體在膜內(nèi)的傳遞機理,,41,13.2.6氣體分離,2.氣體的選擇性和滲透性,對于理想氣體在多孔膜中的傳遞，如果膜兩側(cè)的氣體總壓力、溫度相等，則可用氣體的分壓差作為推動力來

23、表示。若忽略主體流動，則氣體的滲透通量可用費克定律來計算：,,為有效擴散系數(shù),,的計算與氣體在膜孔內(nèi)的流動狀態(tài)有關(guān)，一般根據(jù)努森（Knudsen）數(shù)的大小來區(qū)分，努森數(shù)Kn可用下式計算,,,,42,13.2.6氣體分離,當Kn≥0.01時，黏性流流動，可用Hagen-Poiseuille定律描述。在這種黏性流動范圍內(nèi)，氣體混合物不能被膜分離。,當kn≥1.0，尤其當Kn≥10時，氣體分子平均自由成遠大于膜孔徑，此類擴散現(xiàn)象稱為努森擴散，

24、氣體以努森擴散機理通過膜。,當Kn數(shù)介于以上值之間，尤其當Kn數(shù)在1附近時擴散為過渡區(qū)擴散。已知分子擴散和努森擴散系數(shù)，則過渡區(qū)的擴散系數(shù)可近似用下式計算：,,43,13.2.6氣體分離,3.非多孔膜內(nèi)的擴散,氣體在致密膜中通過溶解與擴散傳遞，其傳遞過程由三步組成：氣體在膜上游表面吸著（Sorption）；吸著在膜上游表面的氣體在濃度差為推動力下擴散透過膜；氣體在膜下游表面的解吸或蒸發(fā)。,,44,13.2.7膜接觸器,1.膜接觸器得種

25、類,膜接觸器是以多孔得疏水或親水膜做為傳遞介質(zhì)，并與氣體吸收、液體萃取、氣提、蒸餾等過程相結(jié)合得一種新型得膜分離級數(shù)。,按氣液傳遞方式有：氣液型、液氣型、液液型等三種 。,按作用機理可分為：膜基吸收、膜基萃取、膜基氣體、膜蒸餾等 。,45,13.2.7膜接觸器,,,,46,13.2.7膜接觸器,2.膜接觸器的傳遞原理,料液組分在膜接觸器的傳遞分三步：從進料相到膜面的傳遞、在膜內(nèi)微孔中的擴散傳遞、以及膜下游側(cè)的滲透物的傳遞。,膜的傳質(zhì)系數(shù)

26、與膜孔潤濕物有關(guān)，若膜孔被吸收液體潤濕，則膜的傳質(zhì)系數(shù)可表示為,——式中， 為物質(zhì)i在吸收液體中的擴散系數(shù),,如果膜孔被氣體充滿，屬Knudsen流動，傳質(zhì)系數(shù),,47,13.2.7膜接觸器,3.膜接觸器的溫差極化,,由于膜面及冷、熱側(cè)流體主體間存在傳熱阻力，使熱側(cè)膜面的溫度低于其主體流溫度，冷側(cè)膜面的溫度高于其主體流溫度，膜的這一溫差極化，可以膜兩側(cè)的溫差來度量：,,式中， 為兩流體主題流的溫差；J為體積通量； 為膜的導

27、熱系數(shù)； 為熱焓；K為總傳熱系數(shù)。,,,,48,13.2.8電滲析,1.電滲析過程原理,,49,13.2.8電滲析,2.膜的唐南平衡,3. 電滲析過程中的傳遞現(xiàn)象,,50,13.2.8電滲析,4.電滲析器工藝參數(shù)計算,（1）水流線速度,（2）極限電流與操作電流密度,（3）電流效率的計算式,（4）脫鹽率,（5）膜對電壓,51,13.2.8電滲析,5.電滲析器及其脫鹽流程設(shè)計,（1）電滲析器及其脫鹽流程,,,52,13.2

28、.8電滲析,（2）脫鹽級數(shù)的確定,,（3）實際操作電流密度確定,ａ．單臺一級多段或多級多段連續(xù)式流程,,ｂ．部分循環(huán)式流程,電流密度求法同多級多段連續(xù)式相同,ｃ．間歇循環(huán)式流程,,53,13.2.8電滲析,（4）膜對數(shù)（面積）計算,a．對連續(xù)式流程，假定電流效率恒定，第n級的膜對數(shù),,總膜對數(shù)為,b．對部分循環(huán)連續(xù)式，只要將有關(guān)式中的Q、c用進入各級的實際流量QR和濃度cR來代替，即可求出各級膜對數(shù)。,ｃ．對間歇循環(huán)式，假定電流效率不便

29、，則可采用對數(shù)平均電流密度 作為一個批量的操作電流，取代式（13—3）中的in即可。,（13—3）,54,13.2.9膜組件特性及膜污染防治,1. 膜組件傳質(zhì)特性比較,六種膜組件的傳質(zhì)特性參數(shù)比較,55,13.2.9膜組件特性及膜污染防治,2.膜污染防治,（1）減輕膜污染的方法,ａ．原料液預處理及溶液特性控制,ｂ．膜材料與膜的選取,ｃ．膜組件及膜器運行條件選擇,56,13.2.9膜組件特性及膜污染防治,（２）膜的清洗與保存,ａ．清洗方法