化工原理第十三章_其他分离过程

返回主题后页前页1第十三章其他分离过程•13.1吸附•13.2膜分离返回主题后页前页213.1吸附•13.1.1概述•13.1.2吸附平衡•13.1.3吸附设备及计算返回主题后页前页313.1.1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。返回主题后页前页413.1.1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。返回主题后页前页513.1.2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qe=f(T,p)当T为常熟，qe=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。返回主题后页前页613.1.2吸附平衡•根据实验，吸附等温线归纳为如图13—1所示的五种类型IIIIIIIVVp/p0图13－1五种物理吸附等温线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。返回主题后页前页713.1.2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返回主题后页前页813.1.2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，称为吸附等温方程返回主题后页前页913.1.2吸附平衡•1.Langmuir等温式朗格缪尔单分子层吸附等温式：qe=aqmpe/(1+ape)式中，qm—表面上吸满单分子层吸附质得吸附量，kg(吸附质)/kg(吸附剂)；pe—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：qe=aqmye/(1+a’ye)式中，a’—吸附系数；ye—吸附质在液相中得平衡浓度，摩尔分率。返回主题后页前页1013.1.2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：qe=kpe1/nqe=k’ye1/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=2~10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。返回主题后页前页1113.1.3吸附设备及计算•1.接触式吸附设备及计算：搅拌吸附槽蒸汽过滤机滤液贮槽空气蒸汽图13－2接触过滤式吸附装置常见的接触式吸附装置为接触式过滤吸附器，如图13—2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。返回主题后页前页1213.1.3吸附设备及计算①单级吸附X0X1BAY0Y1YX－L/WX0Y1X1Y0W图13－3单级吸附操作流程对吸附质进行物料衡算0110()()WYYLXX式中，W—溶液中溶剂的质量，kg;L—吸附剂的质量，kg;Y0、Y1—吸附质再吸附槽进、出扣溶液中的质量必，kg(吸附质)/kg（溶剂）；X0,X1—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)；②多级错流吸附返回主题后页前页1313.1.3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=KY1/N，且，代入式（13—5），得0111nYYLWKY常称固液比LW②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。返回主题后页前页1413.1.3吸附设备及计算•对吸附质进行物料衡算X0Y0WY1L1X1X0Y2L2X2平衡曲线X0X2X1Y2Y1Y0－L1/W图13－4二级错流吸附一级二级第一级W(Y0—Y1)=L1(X1—X0)第二级W(Y1—Y2)=L2(X2—X0)返回主题后页前页1513.1.3吸附设备及计算若平衡关系满足Freundlich公式，，且X0=0，则1niiXKY01121211121()nnYYLLYYWKYY欲使吸附剂用量最小，必须使(121[()/]0dLLWdY011121()1nYYYYnn对于一定的体系和分离要求，K，n，Y0和Y2均为常数，结合上两式得返回主题后页前页1613.1.3吸附设备及计算③多级逆流吸附1级2级N级W,Y0X1Y1X2Y2X3YmXmYm-1Xm+1YNXN+1m级操作线Y0Y1Y2YNXN+1X2X1图13－5多级逆流吸附平衡曲线对吸附质进行无聊衡算（设共有N级）：11()()mmmmWYYLXX第m级全范围011()()NNWYYLXX返回主题后页前页1713.1.3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X3=0，有11niXKY第一，二级1302()()LXXWYY0211nYYLWKY第二级2312()()LXXWYY1212nYYLWKY消去，得LW10112221()(1)nYYYYYY返回主题后页前页1813.1.3吸附设备及计算•2.固定床吸附设备表面冲洗炭床表面冲洗水炭出口及进口出水过滤器砌层砂砾图13－7固定床吸附结构示意图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。返回主题后页前页1913.1.3吸附设备及计算•吸附负荷曲线与穿透曲线饱和区传质区未用区床层长度z0Y0图13－9固定床操作的三个区YY0YbYcwbwebeaw(tn)(tc)(t)Y0Y0Y0Y0Y0zazazadc图例：饱和部分吸附部分未吸附部分返回主题后页前页2013.1.3吸附设备及计算W1-ffcdab(b)(a)z1-fbcadY0YYY0图13－11（a）吸附负荷曲线；（b）穿透曲线c2p2c2p2c1p1•吸附负荷曲线与穿透曲线的关系返回主题后页前页2113.1.3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Za与未饱和吸附容量f的确定（2）传质区传质单元数的确定返回主题后页前页2213.1.3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。返回主题后页前页2313.2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返回主题后页前页2413.2.1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。返回主题后页前页2513.2.2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。返回主题后页前页2613.2.2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－醋酸乙烯酯共聚物返回主题后页前页2713.2.2分离膜与膜组件•3.各种膜组件返回主题后页前页2813.2.3反渗透与纳滤•1.溶液渗透压渗透压压力渗透压半透膜c2p2c1p1c2p2c1p1c2p2c1p1c2p2c1p1半透膜半透膜半透膜(a)平衡1212,1212,ccpp(b)渗透1212,ccpp1212,（c）渗透平衡1212,ccpp1212,p（d）反渗透1212,ccpp12p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。返回主题后页前页2913.2.3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1iniRTc式中，ci—溶质物质的量浓度，kmol/m3;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1icRT在实际应用中，常用以下简化方程计算sBx返回主题后页前页3013.2.3反渗透与纳滤•2.反渗透基本机理界面区膜表面本体溶液相临界孔高压多孔膜大气压H2OH2OH2OH2OH2OH2OH2OH2OH2OH2OH2OH2OH2OH2OH2OH2OH2OH2OH2OH2OH2OH2OH2OH2OH2OH2OH2OH2OH2OH2OH2OH2OH2OH2OH2OH2O2tH2OH2OH2OH2OH2OH2OH2OH2OH2OH2OH2OH