其它传质分离方法综述.docx

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其它传质分离方法综述

原理，实施方法，工业应用

12其它传质分离方法

12.1结晶

12.1.1概述

一、结晶

结晶：

由蒸汽、溶液或熔融物中析出固态晶体的操作。

溶液结晶：

采用降温或浓缩的方法使溶液达到过饱和状态，析出溶质，以大规模制取固体产品。

过饱和度的产生过程的推动力

蒸发（c-c*）--过饱和度

冷却（t*-t）--过冷度

反应

二、特点

1能从杂质含量较多的混和液中分离出高纯度的晶体；

2高熔点混合物、相对挥发度小的物系、共沸物、热敏性物质等物质的分离；

③结晶热一般为汽化热的1/3~1/7，过程的能耗较低。

三、产品的质量要求

纯度（一般99%）

粒度：

大小，分布

晶形：

针形，片状，棒状

12.1.2溶解度与溶液的过饱和

溶解度曲线：

表示溶质在溶剂中的溶解度随温度而变化的关系。

曲线a是溶解度曲线

曲线b是超溶解度曲线

超溶解度曲线：

表示溶液产生晶核的极限浓度。

形成过饱和度状态的基本方法：

①降低溶液温度—冷却结晶eg线

②蒸发除去溶剂—蒸发结晶ef线

陡峭的曲线—选用冷却结晶有利；

平坦的曲线—选用蒸发结晶有利。

12.1.3结晶机理与动力学

结晶速率：

包括成核速率和结晶成长速率。

影响结晶速率的因素：

1过饱和度的影响，②黏度的影响

③密度的影响，④位置的影响

⑤搅拌的影响

12.1.4物料衡算和热量衡算

一、物料衡算

w2:

晶体中溶质质量分数，

若晶体为非水合物，w2=1;若为水合物时，w2=溶质分子量/晶体分子量。

如：

Na2CO3相对分子质量106，Na2CO3·10H2O为286，w2=106/286=0.371

二、热量衡算

Fi1+Q=WI+mi2+（F-W-m）i3

Wr=mr结晶+Fcp（t1-t3）+Q

汽化潜热溶液结晶放热溶液降温放热外界加热

12.1.5结晶设备

结晶蒸发器

12.2吸附

12.2.1概述

一、原理：

利用固体颗粒选择性地吸附流体中的一个或几个组分，从而使流体混合物分离。

物理吸附：

由于固体颗粒表面力（范德华力）作用使吸附质分子单层或多层地覆盖于吸附剂表面。

化学吸附：

由于吸附质与吸附剂表面原子间的化学键合作用，使吸附质分子覆盖于吸附剂表面。

二、分类（按解吸方法）：

①变温吸附，蒸汽加热解吸

②变压吸附，降压解吸

③变浓度吸附，用惰性溶剂冲洗

④置换吸附，用其它吸附质置换

三、常用吸附剂

①活性炭

如：

果核炭化,活性炭纤维,炭分子筛

疏水性、亲有机物，如：

脱水中的有机物。

分子筛——晶格结构一定、有许多孔径大小均一微孔，起筛选分子作用，选择性强。

②硅胶

无定形水合二氧化硅，亲水性

如：

气体脱水

③活性氧化铝

极性吸附剂，用于液体脱水等

④各种活性土（漂白土、铁矾土、酸性白土）价廉易得，一次性使用

如：

润滑油脱色、脱硫

⑤合成沸石和天然沸石分子筛

硅铝酸金属盐,化学稳定性高，微孔尺寸大小均一，强极性吸附剂。

如：

废水脱除重金属离子及海水提钾。

⑥吸附树脂

高分子物质经反应引进官能团。

有非极性、中极性、极性和强极性。

如：

维生素的分离、过氧化氢的精制。

四、吸附剂的基本特性

①吸附剂的比表面a

例：

活性炭微孔比表面占95%

②吸附容量xm

吸附表面每个空位都单层吸满吸附质分子时的吸附量:

kg吸附质/kg吸附剂。

与温度、吸附剂结构、性质有关。

③吸附剂密度

a.装填密度

与空隙率

b.颗粒密度

（表观密度）：

c.真密度

（扣除颗粒内孔腔体积）和内孔隙率

：

五、工业吸附对吸附剂的要求

1有较大的内表面

②活性高

③选择性高

④具有一定的机械强度

⑤具有良好的化学稳定性

12.2.2吸附相平衡

吸附等温线：

在一定温度下，气体（液体）与固体吸附剂长时间接触，达平衡时吸附剂的吸附量x（kg/kg）与气相（液相）中的吸附质组分分压p（或浓度c）的关系曲线。

低浓度时，x=Hc

或x=H’p

当浓度较高时，可用不同的模型来拟合x~p（c）的相平衡关系。

单分子层吸附——朗格缪尔方程

吸附表面遮盖率θ（=x/xm）

吸附速率kap（1-θ）

解吸速率kdθ

得

12.2.3传质及吸附速率

一、传质机理

吸附传质分外扩散、内扩散及吸附三步。

吸附过程为内扩散控制。

二、吸附速率

外扩散：

NA=kf（c-ci）

内扩散：

NA=ks（xi-x）

用总传质系数表示：

NA=Kf（c-ce）=Ks（xe-x）

对于内扩散控制的吸附过程，总传质系数Ks≈ks

12.2.4固定床吸附过程分析

（1）理想吸附过程

简化假定：

①单组分吸附，有利的吸附等温线。

②床层吸附剂均匀，吸附剂初始浓度、温度均一。

③流体定态加料，浓度、温度、流量不变。

④吸附热可忽略，流体与吸附剂等温。

（2）吸附相的负荷曲线

（3）流体相的浓度波与透过曲线

浓度波—c~z变化曲线

浓度波速度uc

透过曲线—c出~τ变化曲线

透过点:

cB~0.05c1,透过时间τB

饱和点:

cS~0.95c1,饱和时间τS

透过曲线~浓度波:

镜面对称

实验测定c出~τ，可确定浓度波，L0，KS。

12.2.5吸附分离设备

（1）实施方法

（2）工业应用

目的入口浓度出口

氢气的干燥去湿~0.4%5mg/kg

去CO20.5%10mg/kg

天然气脱硫10004mg/kg

血脂分离术—肝素诱导体外低密度脂蛋白沉淀术

治疗：

高血脂引起的脑梗塞，冠心病。

低密度脂蛋白（LDL），脂蛋白（LP（a）），纤维蛋白与肝素形成不溶于水的颗粒物进入吸附器除血浆中的颗粒物。

12.3膜分离

12.3.1概述

一、膜分离

原理：

利用固体膜对流体混合物中的各组分的选择性渗透从而分离各个组分的方法。

推动力：

膜两侧的压差或电位差。

膜分离分类：

微孔过滤、超滤、反渗透、电渗析、混合气体的分离、渗透汽化。

膜分离过程的特点：

①组分不发生相变化，所以能耗低；

②在常温下进行，对食品及生物药品的加工特别适合；

③不仅可除去病毒、细菌等微粒，而且也可除去溶液中大分子和无机盐，还可分离共沸物或沸点相近的组分；

④由于以压差及电位差为推动力，因此装置简单，操作方便。

三、膜材料及对膜的要求

*分为无机膜及有机膜两类

有机膜无机膜

*对膜的基本要求：

1、截留率R

c1,c2:

物料主体和透过液中被分离物质的浓度。

2、透过速率Jkmol/（m2.s）

J将随时间的推移而衰减

3、截留物的分子量

由于多孔膜的孔径大小不一，因而一般取截留率为90%的物质的分子量为膜的截留分子量。

足够的机械强度和化学稳定性。

12.3.2反渗透

一、原理

水和盐水用固体膜隔开时，

渗透达平衡，盐水液位升高h，将П=ρgh称为渗透压。

渗透压П的大小是溶液的物性，且与溶质的浓度有关，见表12-4。

当在盐水一侧施加压力，使盐水与水的压差达Δp>Π时，水将从盐水一侧向纯水侧作反向移动，此称为反渗透。

二、工业应用

1①海水脱盐制饮用水

通常饮用水的盐含量为0.05%（质量分数），海水的盐含量在3.5%，其相应的渗透压为2.5MPa，反渗透操作压力为5MPa。

目前，全球海水淡化日产量约3500万立方米左右，其中80％用于饮用水，解决了1亿多人的供水问题，即世界上1／50的人口靠海水淡化提供饮用水。

全球有海水淡化厂1．3万多座，海水淡化作为淡水资源的替代与增量技术，愈来愈受到世界上许多沿海国家的重视；全球直接利用海水作为工业冷却水总量每年约6000亿立方米左右替代了大量宝贵的淡水资源；全世界每年从海洋中提盐5000万吨、镁及氧化镁260多万吨、溴20万吨等。

海水淡化需要大量能量，所以在不富裕的国家经济效益并不高。

沙特阿拉伯的海水淡化厂占全球海水淡化能力的24%。

阿拉伯联合酋长国的杰贝勒阿里海水淡化厂第二期是全球最大的海水淡化厂，每年可产生3亿立方米淡水。

国际海水淡化的售水价格已从20世纪60年代、70年代的2美元以上降到目前不足0.7美元的水平，接近或低于国际上一些城市的自来水价格。

反渗透消耗的能量（3kWh/m3）只是精馏方法的1/40，电渗析法的1/2。

②工业废水处理

12.3.3超滤

一、

原理：

以压差为推动力、用固体多孔膜截留混和物中的微粒和大分子溶质而使溶剂透过膜孔的分离操作。

二、工业应用

①在食品工业中用于果汁、牛奶的浓缩和其它乳制品加工；

刚刚从苹果中榨取的果汁，由于含有丹宁、果胶和苯酚等化合物而呈现出混浊状。

传统方法采用酶、皂土和明胶使其沉淀，然后取上层清液过滤而获得澄清的果汁。

通过超滤或微滤来澄清果汁，只需先部分脱除果胶，可减少酶的用量，省去皂土和明胶。

同时果汁的回收率也有所提高，达98%~99%。

另外经超滤处理的果汁质量也有所提高，浊度仅0.4~0.6NTU（传统工艺为1.5~3NTU）。

又因超滤可除去菌体，因而使其获得了更长的保质期。

②高纯水的制备

电子工业：

相邻元件之间只有0.002mm左右的距离，要求的纯水无离子，无可溶性有机物，无菌体和大于0.5μm的离子。

12.3.4电渗析

原理：

以电位差为推动力、利用离子交换膜的选择透过特性使溶液中的离子作定向移动以达到脱除或富集电解质的操作。

离子交换膜被誉为电渗析的“心脏”，是一种膜状的离子交换树脂。

12.3.5气体混合物的分离

一、原理

在压差的作用下，不同种类气体的分子在通过膜时有不同的传递速率，从而使气体混合物中的各组分得以分离或富集。

二、工业应用

①从合成氨尾气中回收氢；

1从油田气中回收CO2。

2天然气的净化

天然气的主要成分是CH4和CO2,少量水汽，H2S。

对天然气的处理主要除去CO2,水汽，H2S，目的是防止在输送过程中管道的腐蚀和冻结堵塞。

通常用胺吸收法，其缺点：

①投资费用高；②再生问题；③环境污染。

膜法优点：

①利用井下天然气13.8MPa的高压进行膜分离；

②无环境污染的防火问题；

③投资费用低。

12.3.6膜分离设备

（1）平板式膜分离器

优点:

不易堵塞，压降较小，60～500m2/m3，容易换膜。

缺点：

安装、密封要求高。

（2）管式膜分离器

优点：

结构简单，安装、操作方便，

缺点：

膜面积少,33~330m2/m3

毛细管膜分离器

人工肾

管式膜分离器

陶瓷膜

不锈钢膜

（3）螺旋卷式膜分离器

优点：

结构紧凑，650~1600m2/m3

缺点：

成本高，膜清洗困难

（4）中空纤维式膜分离器

中空纤维外径约40~250μm，

优点：

结构紧凑，1.6~3万m2/m3。

缺点：

透过液流动阻力大，清洗、更换组件困难。