化工分离工程07[1]

第七章其它分离技术简介教师：马杰第七章其它分离技术简介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其它膜分离返回一、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。%100)1(%100FPFPFCCCCCR原料浓度透过物浓度原料浓度c.分离系数：（）AAAAx1y1xyAA原料中其它组分浓度透过物其它组分浓度浓度原料浓度透过物d.通量率减系数膜渗透通量随时间减少率减系数（小数）—时的渗透通量时间—使用时间—mhmkgJJJm20/2.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膜盐水中心管多孔支撑材料进料液隔网淡化水流（3）管式膜具纤维束管中心分布管透过液浓缩液料液返回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。P1P2C.P2﹣P1∏P1P2b.P1P2且：P2﹣P1=∏一、基本原理盐水溶液：膜纯水P1溶液P2a.P1=P2讨论：盐水溶液）图盐水渗透方向：水）（，即一般活度溶液中水的化学位：设纯水的化学位：膜（（（（（（aaRTaaRTPTPTPTPTPTPT(0ln1ln1.0),0),),0),),0),122221为水的渗透压。）。；水达到动态平衡（图时开始升高，若由于水的渗透，（（ppbPPPPTPT0),),12212.2）图水渗透方向：盐水增高，在溶液端加压，使膜（（CPPPPTPT(3.0),),12212p溶液中水反渗透，使溶液增浓。对于实际反渗透过程：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：MPappppp102)(012121221—）为一般：（通过液侧渗透压原料侧、—、设：pppp二、过程机理与传质方程1.过程机理（不成熟）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：0.1—0.3nm水合离子直径：0.3—0.6nm小于孔径所以：不存在筛分机理ⅰ）水优先吸附膜表面，形成纯水层厚度t=1nmⅱ）无机离子受排斥，不能进入纯水层，价数越高，斥力越强。ⅲ）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——毛细孔流动模型多孔膜多孔膜界面上的脱盐水2.传质方程通过膜的水渗透通量：221212[()()]/:/WJAPPKmolmsAKmolmsPapp纯水渗透系数的有效扩散系数膜中—渗透液侧表面膜中—料液侧表面膜中—（通量：通过膜的少量溶质渗透ADMMxcxcDJMAMAMAMMAA212211)溶质—摩尔分率—总摩尔数—Axc膜厚度—1AAixx这种现象为浓差极化xA1XMAiXAiXMA2XA2溶质在膜表面附近积累传质方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。不变，传质通量低；若p,p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数有关：（1）操作压差：△P△P↑,使JW=A（△P—△)↑但有能耗大。∴选择适当的△P(2)操作温度:TT↑,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：①有效压差小；②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1.一级一段连续式产水原水膜组件储槽2闭路循环产水原水膜组件储槽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超滤反渗透2.反渗透法浓缩茶液2.反渗透法浓缩茶液返回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10-200Å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：进料溶剂、水胶体大分子应用：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0.02-10μ微孔,能截留直径为0.05-10μ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.610二、过程与操作1.透过通量溶剂:溶质:)/(23smmPAJV%100)1(FPFFVVSCCCRCRJCpJJ2.影响因数(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,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、微滤流程透过液原料膜组件储槽2.超滤应用(1)食品、饮料工业超滤反渗透(2)失。（3）配制葡萄酒中酒的澄清（4）在药物制剂中的应用另外：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.微滤应用同于超滤，例：。返回电渗析：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。HHOHOHCHN33)(OHCHNR33)(OH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因“”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的现象称反粒子迁移。3SOR33)(CHNR2.电渗析过程阳膜阴膜阴膜阳膜+++++++++++----------阳级阴级+—12345浓缩室浓缩室淡化室NaNaNaNaClClClClClNaNaCl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）OHHClNa,,,][222OOHeOHHClClH221Cl][CleCl221O特点：腐蚀设备。；另外，产生减少，极水呈酸性；HClClOOH22.2.1在阴极：（还原反应）NaOHOHNaHeH222气体排除。有生成水垢；等离子时，、当极水中有减少，极水呈碱性；2.3.2.1HMgCaH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.循环操作流程原水储槽DD间歇式+-ACAC浓盐水A：阴膜C：阳膜2.三级连续操作DDDCCDDDCCDDDCC脱盐水原水六、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）与其他方法比较费用元/立方米电渗析多效蒸发反渗透料液浓度电渗析不适用于含盐高的海水淡化；适用与含盐低的苦咸水。优点：操作方便，设备简单。一般，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。原水机械过滤精密过滤电渗析阳离子交换拄阴离子交换拄紫外灯灭菌阴阳离子混合床微孔过滤器高纯水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HH酸根HO-+H酸酸根结果：HOHHOH24.废水处理含有酸、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NaOH6.A：阴膜C：阳膜AX+BYAY+BX返回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。返回一、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？开发出：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吸附平衡7.2.3吸附速率7.2.4吸附分离工艺介绍返回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