134章新型分离技术64.docx

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134章新型分离技术64

第一章

1、分离技术系：

指利用物理、化学或物理化学等基本原理与方法将某种混合物分成两个或多个组成彼此不同的产物的一种手段。

2、分离剂：

为加到分离装置中使得过程得以实现的物质或能量，或者两者并用。

3、分离过程：

指的是一股或多股物流作为原料进入分离装置，利用混合物各组分的某种物性差异，在分离装置中对其施加能量或特定分离剂，使混合物分离过程得以进行，病产生两个或两个以上产物的过程。

4、分离装置：

是分离过程得以实施的必要物质设备，它可以是某个特定的装置，也可指从原料到产品之间的整个流程。

5、按分离过程原理分可分为机械分离、传质分离和反应分离。

6、机械分离是利用机械力简单地将两相混合物互相分离

7、几种典型的机械分离过程（选择应用实例类型）

名称

应用实例

过滤

浆状颗粒回收

沉降

浑浊液澄清

离心分离

结晶物分离

旋风分离

催化剂微粒收集

电除尘

合成氨原料气初陈

8、传质分离可以在均相或非均相混合物中进行，又可分为平衡分离和速率控制分离。

9、几种典型的平衡分离过程P4

10、平衡分离：

是依据被分离混合物各组分在互不溶的两相平衡分配组成不等的原理进行分离的过程。

11、速率控制分离：

是依据被分离组分在均相中的传递速率差异而进行分离的。

P5

12、几种典型的速率控制分离过程

13、几种典型的反应分离技术

14、几种工业化膜技术及基本特征P8

过程

微滤

超滤

反渗透

渗透

电渗析

膜电解

气体分离

渗透蒸发

膜蒸馏

推动力

压力

差约0.1MPa

压力差0.1～1.0MPa

压力差0.1～10MPa

浓

度

差

电

位

差

电位差电化学反应

压力差0.1～10MPa

压

力

差

温

度

差

第三章

1、膜分离具有选择透过性能的膜在外推动力下进行膜分离。

2、反渗透借助于半透膜对溶液中溶质的截留作用，在高于溶液渗透压的压差的推动力下，使溶剂渗透通过半透膜，达到溶液脱盐的目的。

3、渗透通量：

用单位时间内通过单位膜面积的透过物量。

4、膜分离透过物特征包括分离效率、渗透通量、通量衰减系数（渗透通量随时间衰减）

5、级数是指进料经过加压的次数，即二级则是料液在过程中经过二次加压，在同一级一并联排列的组件组成一段，多个组件以前后串联连接组成多段。

（选择级数和段数）

6、阴离子的脱除率

、

、

、

、

顺序递增；阳离子的脱除率

、

、

、

、

、

顺序递增。

7、超滤是通过膜的筛分作用将溶液中大于莫孔的大分子溶质截留，使这些溶质与溶剂及小分子组分分离的膜过程。

8、微滤是利用微孔膜孔径的大小，在压差为推动力下，将滤液中大于膜孔径的微粒、细菌及悬浮物质等截留下了，达到除去滤液中微粒与澄清溶液的目的。

9、可将微滤分为表面过滤和深层过滤两种。

10、微滤过程有两种操作方法：

终端微滤和错流微滤。

（判断）

（a）终端微滤（b）错流微滤

第四章

1、气体分离是利用混合气体中不同气体组分在膜内溶解、扩散性质不同，二导致其渗透速率不同来实现其分离的一种膜分离技术。

2、膜对气体的选择性和透过性是评价气体分离膜性能的两个主要指标，其与膜材料性能、膜孔结构等因素有关。

3、影响气体渗透性能的因素

（1）气体分子的动力学直径和体积（气体性质）

（2）膜材料对分离性能的影响（膜性质）（3）操作压力与温度的影响（操作参数）（4）溶剂型气体分子的影响

4、气体膜分离流型为全混流、逆流、并流和错流。

（判断流型）

（a）全混流（b）逆流（c）并流（d）错流

5、渗透汽化是指利用复合膜对待分离混合物中某组分有优先选择透过性的特点。

在膜下游测负压为推动力下，使料液侧优先渗透组分溶解-渗透扩散-汽化通过膜，从而达到混合物分离的一种新型分离技术。

6、渗透汽化和蒸汽渗透的区别

第五、六章

24.电渗析和膜电解是以电位差为推动力的膜过程

25.荷电膜分为：

带负电荷的阳离子交换膜和带正电荷的阴离子交换膜

26.电渗析是指在直流电场作用下，溶液中的荷电离子选择性地定向迁移透过离子交换膜并得以去除的一种膜分离技术

27.电渗析与反渗透的区别：

1）蒸汽渗透为气相进料，相变过程发生在进装置前或在膜上游蒸发汽化2）在过程中以蒸汽相渗透通过膜3）渗透汽化过程的进料为液相

28.电渗析过程的原理：

采用电渗析过程脱除溶液中的离子基于两个基本条件:

1）直流电场的作用,使溶液中正、负离子分别向阴极和阳极作定向迁移2）离子交换膜的选择透过性，使溶液中的荷电离子在膜上实现反离子迁移（P117）

29.反离子迁移：

溶液中带正电荷的阳离子在电场力作用下向阴极方向迁移，穿过带负电荷的阳离子交换膜，而被带正电荷的阴离子交换膜所挡住，这种与膜所带电荷相反的离子透过膜的现象称为反离子迁移

30.电渗析的应用：

由阳离子交换膜组成的电渗析器，就能使Na+连续地取代硬水中的Ca2+，达到水的软化；由阴离子交换膜的电渗析器，可用OH-取代柠檬汁中的柠檬酸根离子，达到柠檬汁增甜

31.电渗析过程中的传递现象：

1）反离子迁移2）同名离子迁移3）电解质渗析4）水的渗透5）水的分解6）水的电渗析7）压差渗

32.膜对：

一张阳离子交换膜,一块浓（淡）水室隔板、一张阴离子交换膜、一块淡（浓）水室隔板所组成的一个淡水室和一个浓水室是电渗析器中最基本的脱盐单元，称为一对膜（膜对）；一系列这样的单元组装在一起，称为膜堆。

33.级;一对电级之间的膜堆称为级，一台电渗析器内的电极对数就是它的级数

34.特种精馏：

包括萃取精馏、恒沸精馏、加盐精馏、分子蒸馏

35.剩余曲线:

在三角相图上表达简单蒸馏过程中液相组成随时间变化关系的曲线成为剩余曲线

36.纯组分的顶点、二元或三元混合物的共沸点被称为特殊点，按其附近剩余曲线的形状和趋向不同可分为稳定节点、不稳定节点和鞍形点`三类：

稳定节点是指所有剩余曲线均汇聚的点；不稳定节点是指剩余曲线的发散点；鞍形点是指其附近的剩余曲线为双曲线型。

在同一蒸馏区域中，剩余曲线簇仅有一个稳定节点和一个不稳定节点

37.共沸精馏（恒沸精馏）：

组分能与原溶液中的一个或两个组分形成最低恒沸物，从而形成恒沸物-纯组分的精馏体系，使恒沸物从塔顶蒸出，纯组分从塔底排出的蒸馏过程称为恒沸精馏。

在恒沸蒸馏中所添加的第三组分称为恒沸剂或夹带剂。

38.恒沸精馏和萃取精馏的相同之处：

需在待分离混合物中加入第三组分，以提高组分间的相对挥发度，但二者之间有一定的差异：

恒沸剂必须要与待分离体系中的至少一个组分形成恒沸物，而萃取剂无此要求，因而萃取剂的选择范围较宽；恒沸剂通常在塔顶蒸出，而萃取剂从塔釜排出；一般情况下，萃取精馏的热量消耗比较低；恒沸精馏的操作温度比萃取精馏低，更适合热敏性组分的分离，萃取剂一般从塔上部不断加入，不适宜间歇精馏，而恒沸剂可与料液一起从塔釜加入，可用于大规模的连续生产和实验室的间歇精馏。

39.共沸剂的选择必须满足：

所选共沸剂能形成比原共沸物更低的共沸点，或所选共沸剂比原共沸物更高的共沸点。

要满足所述条件，对于二元最低共沸物系，共沸剂应该是一个低沸点组分或能形成新的二元或三元最低共沸物的组分；对于二元最高共沸物系，共沸剂应该是一个高沸点组分或能形成新的二元或三元最高共沸物的组分

40.无论是萃取还是共沸剂，均应具备以下特性：

能显著影响关键组分的汽液平衡关系；化学稳定性好，不分解或自聚，易于分离与再生利用；能与原料组分互溶，不生成二相，也不发生化学反应；溶剂无毒、无腐蚀、廉价易得。

41.溶剂选择的方法：

①尤厄尔分类法②同系物或结构相似性③分子结构相似

42.反应蒸馏：

将化学反应和蒸馏结合起来同时进行的操作过程称为反应蒸馏。

通常，若化学反应在液相进行的称为反应蒸馏

43.催化蒸馏：

若化学反应在固体催化剂与液相的接触表面上进行，称为催化蒸馏

44.分子蒸馏（短程蒸馏）：

是在高真空（一般为10^-4Pa数量级）下进行的一种蒸馏过程

第七、八、九章

10、超临界流体萃取：

是利用超临界条件下的流体作为萃取剂，从液体或固体中萃取出特定成分，以达到某种分离目的的一种化工新技术

11、超临界流体萃取特点：

1）萃取剂在常压和室温下为气体，萃取后易与萃余相和萃取组分分离。

2）在较低温度下操作，特别适合于天然物质的分离。

3）可通过调节压力温度和引入夹带剂等调整超临界流体萃取的溶解能力，并可通过逐渐改变温度和压力把萃取组分引入到希望的产品中去

12、超临界流体：

当流体的温度和压力处于它的临界温度和临界压力以上时

13、特征：

1）气体特征：

粘度小，接近于普通气体扩散系数比液体大100倍

2）液体特征：

密度小，接近于普通液体，溶解度较大

14、夹带剂：

分为极性和非极性作用力是色散力与分子的极化率有关

15、由表非极性夹带剂对溶质溶解度影响得：

1）夹带剂碳原子数增加，溶解度比增大

2）同种夹带剂浓度增加。

溶解度比也增大

16、在超临界流体中加入N2,Ar等惰性气体，溶解度降低

17、超临界流体萃取分离方法：

1）变压萃取分离

2）变温萃取分离

3）吸附萃取法

18、用途：

前两种主要用于萃取相中的溶质为需要的精制产品，第三种流程常用于萃取产物中的杂质或者有害成分

19、吸附剂:

对气体或液体混合物中某一组分具有选择性吸附且吸附能力较大的物质

20、吸附剂种类：

活性炭，沸石分子筛，离子交换树脂，活性氧化铝

21、离子交换树脂分类，阳离子交换功能；磺酸基，羧基。

阳离子交换功能；伯仲叔胺型以及季铵型。

合型离子交换树脂；氨基羧酸，聚胺，葡萄糖型

22、吸附剂选择原则:

1）要有尽可能大的比表面积，以增强其吸附能力

2）对待分离组分要有足够的选择性，以提高被分离组分的分离程度，必要时需通过小样实验来确定

3）适合的粒度及其粒径分布4）重复使用寿命长

23、液膜：

是一萃取与反萃取同时进行，并自相耦合的分离过程，其分离原理除了利用组分在膜内的溶解，扩散性质之外，还可在液膜内加入载体，利用组分与载体间的可逆络合反应的选择性来促进传质过程。

24、原理：

液膜内的扩散系数比固膜大，但其厚度通常大于固膜，组分透过有载体的促进传递液膜的扩散速率和分离因子都较一般的固膜大很多。

25、液膜组成；溶剂，表面活性剂，添加剂

26、形状：

乳化液膜和支撑液膜，支撑液膜或称固定液膜，是由溶解了载体的液膜相含浸在惰性多孔固膜的微孔中所形成，

27、组成分类：

乳化型液膜分为油包水型（油膜），水包油型（水膜）

28、促进传递：

是利用膜中的载体与待分离组分间的可逆化学或络合反应，来促进膜内的传质分离过程，因为这些络合反应快速而具有很高的选择性，可显著提高分离组分通过膜的传递速率及选择性，提高膜的分离性能

29、载体可分为移动载体和固定载体固定载体的选择是每一个载体选择性的积累，因此分离的选择性更好

30、载体的选择原则；1）载体的活性2）载体在膜相中的溶解性和稳定性

3）移动载体的挥发度

31、较为理想的液膜用表面活性剂应具备以下性质（简答题）

1制成的液膜应有一定的稳定性，有较大的温度适应范围，耐酸碱且溶胀小

2能与多种载体配合使用

3易破乳，膜相可反复使用4无毒或低毒，保存期长

32、膜溶剂

33、溶剂因不溶于膜内想和外相，以减少溶剂的损失。

对烃类分离，宜选用以水为膜溶剂的水膜，水溶液中重金属离子分离中用的油膜则大多采用中性油，煤油，磺化煤油，及柴油为溶剂。

为了增加液膜的稳定性，可以适当添加膜增强剂，如水膜可加甘油作增强剂，油膜可以石蜡油和其他矿物油作增强剂

34、为什么处理酚废水用油包水型液膜

35、内向试剂为氢氧化钠溶液，酚在油膜中有较大的溶解度，选择性透过膜，渗透到膜内相与氢氧化钠反应生成酚钠，它不溶于膜相所以不能返回废水相去，从而使酚在液膜相富集起来

36、脱除废水中的重金属用有载体的液膜

37、重金属废水中所含的重金属离子，大多对人体有很大毒性，但又是贵重的工业原料，所以应该很好的处理和回收。

重金属离子一般不会穿过油膜，因此必须使用有载体输送的液膜，载体与金属离子生成配合物，以增加其在油膜中的溶解度和渗透率

69超临界流体萃取：

是利用超临界条件下的流体作为萃取剂，从液体或固体中萃取出特定成分，以达到某种分离目的的一种化工新技术。

70超临界流体萃取的特点是：

萃取剂在常压和室温下为气体，萃取后易与萃余相和萃取组分分离；在较低温度下操作，特别适合于天然物质的分离；可通过调节压力、温度和引入夹带剂等调整超临界流体的溶解能力，并可通过逐渐改变温度和压力把萃取组分引入到希望的产品中去。

71夹带剂可分为极性和非极性二类。

72可以把超临界萃取流程分为等温、等压、吸附法三种基本流程。

以上前两种流程主要用于萃取相中的溶剂为需要的精制产品，第三种流程则用于萃取产品中的杂质或有害成分。

73吸附剂：

带队气体或液体混合物中某一组分具有选择性吸附且吸附能力较大的物质称为吸附剂。

74常用的吸附剂有活性炭、沸石分子筛、离子交换树脂。

75吸附可分为物理吸附（范德瓦尔斯力吸附）和化学吸附（活性炭吸附）

76具有阳离子交换功能的基团有磺酸基（—SO3H）、羧基（—COOH），具有阴离子交换功能的有伯、仲、叔胺型（—NH2、—NHR、—NR2）以及季铵型（—NR3OH）

77吸附剂的选择原则：

（1）要有尽可能大得比表面积，以增强其吸附能力

（2）对待分离组分要有足够的选择性，以提高被分离组分的分离程度，必要时需通过小样实验来确定（3）合适的粒度及粒径分布（4）重复使用寿命长

78液膜是一萃取与反萃取同时进行，并自相耦合的分离过程，其分离原理除了利用组分在膜内的溶解、扩散性质差之外，还可在液膜内加入载体，利用组分与载体间的可逆络合反应的选择性来促进传质过程。

79液膜通常通常由溶剂（水或有机溶剂）、表面活性剂（乳化剂）和添加剂（如载体）制成。

80已有工业应用的液膜主要是乳化液膜及支撑液膜。

81乳化液膜可分为油包水型（W/O）和水包油型（O/W）两种。

所谓油包水型，就是内相和外相是水溶液，膜为油质，整个体系称W/O/W型；而水包油型，就是内相和外相是油相，而膜相为水质，整个体系称O/W/O型。

82促进传递机理：

促进传递是利用膜中的载体与待分离组分间的可逆化学络合反应，来促进膜内的传质分离过程，因为这些络合反应快速而具有很高的选择性，可显著提高待分离组分通过膜的传递速率及选择性，提高膜的分离性能。

83有载体液膜有简单促进传质和偶合促进传质之分。

84载体的选择应遵循以下原则：

（1）载体的活性

（2）载体在膜相中的溶解性和稳定性

（3）移动载体的挥发度

较为理想的液膜表面活性剂具备的性质

（1）制成的液膜应有一定的稳定性，有较大的温度适应范围，耐酸、碱，且溶胀小

（2）能与多种载体配合使用（3）易破乳，膜相可反复使用（4）无毒或低毒，保存期长

85对烃类分离，宜选用以水为膜溶剂的水膜；水溶液中重金属离子分离中用的油膜则大多采用中性油、煤油、磺化煤油柴油为溶剂

86乳化液膜处理含酚废水：

酚在油膜中油较大的溶解度，选择性透过膜，渗透到膜内相与NaOH反应生成酚钠，它不溶于膜相所以不能返回废水相去，从而使酚在液膜内相富集起来

87金属离子一般不会穿过油膜，因此必须使用有载体输送的液膜，载体与金属离子生成配合物，以增加其在油膜中的溶解度和渗透率。

计算（最后记得要答！

）

例3-2利用卷式反渗透膜组件进行脱盐，操作温度为25℃，进料侧水中NaCl质量分数为1.8％，操作压力为6.896MPa，在渗透侧的水中含NaCl为0.05％（质量分数），操作压力为0.345MPa所采用的特种膜，其对水和盐的渗透系数分别为1.0859×10-4g/（cm2.s.MPa）和16×10-6cm/s。

假设膜两侧的传质阻力可忽略，不考虑过程的浓差极化，对水的渗透压可用π＝RT∑mi计算，mi为水中溶解离子或非离子物质的摩尔体积，请分别计算出水和盐的通量。

解：

进料盐浓度为1.8×1000/58.5×98.2＝0.313mol/L

透过侧盐浓度为0.05×1000/58.5×99.95＝0.00855mol/L

若不考虑过程的浓差极化，则

π进料侧＝8.314×298×2×0.313/1000=1.55MPa

π透过侧＝8.314×298×2×0.00855/1000=0.042MPa

△p—△π＝6.551－（1.55-0.042）＝5.043MPa

所以水的通量：

JH2O=A（△p—△π）=1.0859×10-4×5.043＝0.000548g/（cm2.s）

△c=0.313-0.00855=0.304mol/L

盐的通量：

JNaCl=（DAMK/δ）×△c＝16×10-6×0.304×10-3＝4.86×10-9mol/（cm2.s）

3-1含盐量为10000mg（NaCl）/L的苦咸水,在压力6.0MPa下进行反渗透试验。

实验装置内装一张有效面积为10cm2的醋酸纤维素膜，在水温25℃时，制成水流量为0.01cm3／s时，其溶质浓度为400mg/L，试计算水力渗透系数Lp，溶质透过系数ω以及脱盐率。

解：

进料盐浓度为：

10000/（58.5×1000）＝0.171mol/L

透过侧盐浓度为400/（58.5×1000）＝0.00684mol/L

渗透压：

△π＝8.314×298×2×（0.171－.00684）=0.813MPa

△p—△π＝6.0－0.813＝5.187MPa

水力渗透系数：

LP=JA/（△p—△π）=QP/S（△p—△π）

=0.01/（10×5.187）＝1.93×10-4（g/cm2.s.MPa）

溶质渗透系数：

w=D.K/δ=JS/ΔcS= QP.c2/S（10000-400）

=10-5×400/10×（10000-400）=4.17×10-8L/（cm2.s）

脱盐率：

R=（1-Cp/Cf）×100%=（1-400/10000））×100%=96%

3-8采用反渗透法脱盐，将水中的含盐量从5000ppm（以NaCl计）降低到300ppm。

已知膜的水渗透系数为3.0L/（m2·h·MPa）。

设水的流量为25m3/h，t=25℃。

分别计算操作压强为△P=1.5MPa和△P=3.0MPa下过程所需膜面积。

解：

进料盐浓度：

5000×10-3/58.5＝8.547×10-2mol/L

透过侧盐浓度：

300×10-3/58.5＝5.128×10-3mol/L

若不考虑过程的浓差极化，则

π进料侧＝8.314×298×2×8.547×10-2/1000=0.4235MPa

π透过侧＝8.314×298×2×5.128×10-3/1000=0.0254MPa

（1）△p=1.5MPa时：

△p—△π＝1.5－（0.4235-0.0254）＝1.1019MPa

水的通量：

JA=A（△p—△π）=3.0×1.1019＝3.3057L/（m2.h）

所需膜面积S1=QS/Jw=25/3.3057=7.563×103m2

（2）△p=3.0MPa时：

△p—△π＝3.0－（0.4235-0.0254）＝2.6019MPa

水的通量：

JA=A（△p—△π）=3.0×2.6019＝7.806L/（m2.h）

所需膜面积S2=QS/Jw=25/7.806=3.203×103m2

思考题:

某中空纤维外径为0.1mm的反渗透膜，其水渗透系数为1.6×10-8m/（s.atm）。

用于海水脱盐含量为3％（质量分率）（以NaCl计），在6.0MPa和298K下膜组件通量为Q=5m3/d。

问长度为1m的膜组件中应有多少根中空纤维？

已知膜面积S=nπdL，其中，n为纤维数；d为纤维直径；L为膜组件长度。

解：

3%NaCl溶液的渗透压：

π＝RT∑Ci=8.314×298×2×30×103/58.45

=2.54×106N/m2=2.54MPa

渗透通量：

J=A（△p—△π）＝1.6×10-8×（6.0－2.54）×10＝5.54×10-7m3/（m2.s）

=5.54×10-7×103×3600×24＝47.87L/（m2.d）

膜面积S＝Q/J＝5×103/47.87=104.4m2

所以中空纤维数：

n=S/πdL=104.4/3.14×0.1×10-3×1.0＝3.325×105根

答：

长度为1m的膜组件中应有3.325×105根中空纤维。