其它傳質分離方法

1、原理，實施方法，工業(yè)應用12 其它傳質分離方法 12.1 結晶12.1.1 概述一、結晶結晶：由蒸汽、溶液或熔融物中析出固態(tài)晶體的操作。溶液結晶：采用降溫或濃縮的方法使溶液達到過飽和狀態(tài)，析出溶質，以大規(guī)模制取固體產品。過飽和度的產生過程的推動力 蒸發(fā) (c-c*)-過飽和度 冷卻 （t*-t）-過冷度 反應二、特點 能從雜質含量較多的混和液中分離出高純度的晶體； 高熔點混合物、相對揮發(fā)度小的物系、共沸物、熱敏性物質等物質的分離；結晶熱一般為汽化熱的1/31/7，過程的能耗較低。三、產品的質量要求 純度 （一般99%） 粒度：大小，分布晶形：針形，片狀，棒狀12.1.2 溶解度與溶液的過飽和溶

2、解度曲線：表示溶質在溶劑中的溶解度隨溫度而變化的關系。曲線a是溶解度曲線曲線b是超溶解度曲線超溶解度曲線：表示溶液產生晶核的極限濃度。形成過飽和度狀態(tài)的基本方法：降低溶液溫度冷卻結晶 eg線蒸發(fā)除去溶劑蒸發(fā)結晶 ef線陡峭的曲線選用冷卻結晶有利；平坦的曲線選用蒸發(fā)結晶有利。12.1.3結晶機理與動力學結晶速率：包括成核速率和結晶成長速率。影響結晶速率的因素： 過飽和度的影響，黏度的影響密度的影響，位置的影響攪拌的影響12.1.4物料衡算和熱量衡算一、 物料衡算w2:晶體中溶質質量分數，若晶體為非水合物，w2=1;若為水合物時，w2=溶質分子量/晶體分子量。如：Na2CO3相對分子質量106，N

3、a2CO3·10H2O為286，w2=106/286=0.371二、熱量衡算 Fi1+Q=WI+mi2+(F-W-m)i3Wr = mr結晶 + Fcp(t1-t3) + Q汽化潛熱 溶液結晶放熱 溶液降溫放熱 外界加熱12.1.5 結晶設備結晶蒸發(fā)器12.2 吸附12.2.1概述一、原理：利用固體顆粒選擇性地吸附流體中的一個或幾個組分，從而使流體混合物分離。物理吸附：由于固體顆粒表面力（范德華力）作用使吸附質分子單層或多層地覆蓋于吸附劑表面?；瘜W吸附：由于吸附質與吸附劑表面原子間的化學鍵合作用，使吸附質分子覆蓋于吸附劑表面。二、分類(按解吸方法)：變溫吸附，蒸汽加熱解吸變壓吸附，降

4、壓解吸變濃度吸附，用惰性溶劑沖洗置換吸附，用其它吸附質置換三、常用吸附劑活性炭如：果核炭化, 活性炭纖維, 炭分子篩疏水性、親有機物，如：脫水中的有機物。分子篩晶格結構一定、有許多孔徑大小均一微孔，起篩選分子作用，選擇性強。硅膠 無定形水合二氧化硅，親水性如：氣體脫水活性氧化鋁極性吸附劑，用于液體脫水等各種活性土(漂白土、鐵礬土、酸性白土) 價廉易得，一次性使用如：潤滑油脫色、脫硫合成沸石和天然沸石分子篩硅鋁酸金屬鹽, 化學穩(wěn)定性高，微孔尺寸大小均一，強極性吸附劑。如：廢水脫除重金屬離子及海水提鉀。吸附樹脂高分子物質經反應引進官能團。有非極性、中極性、極性和強極性。如：維生素的分離、過氧化氫的

5、精制。四、吸附劑的基本特性吸附劑的比表面a例：活性炭微孔比表面占95%吸附容量xm 吸附表面每個空位都單層吸滿吸附質分子時的吸附量: kg吸附質/kg吸附劑。 與溫度、吸附劑結構、性質有關。吸附劑密度a.裝填密度與空隙率b.顆粒密度(表觀密度)：c.真密度(扣除顆粒內孔腔體積)和內孔隙率：五、工業(yè)吸附對吸附劑的要求 有較大的內表面活性高選擇性高具有一定的機械強度具有良好的化學穩(wěn)定性12.2.2吸附相平衡吸附等溫線：在一定溫度下，氣體（液體）與固體吸附劑長時間接觸，達平衡時吸附劑的吸附量x(kg/kg)與氣相（液相）中的吸附質組分分壓p（或濃度c）的關系曲線。低濃度時，x=Hc或 x=Hp 當濃

6、度較高時，可用不同的模型來擬合xp(c)的相平衡關系。單分子層吸附朗格繆爾方程吸附表面遮蓋率 (=x/xm)吸附速率 kap(1-)解吸速率 kd得 12.2.3傳質及吸附速率一、 傳質機理吸附傳質分外擴散、內擴散及吸附三步。 吸附過程為內擴散控制。二、吸附速率外擴散：NA=kf(c-ci)內擴散：NA=ks(xi-x)用總傳質系數表示：NA=Kf(c-ce)=Ks(xe-x) 對于內擴散控制的吸附過程，總傳質系數Ksks12.2.4 固定床吸附過程分析（1）理想吸附過程簡化假定：單組分吸附，有利的吸附等溫線。床層吸附劑均勻，吸附劑初始濃度、溫度均一。流體定態(tài)加料，濃度、溫度、流量不變。吸附熱

7、可忽略，流體與吸附劑等溫。（2）吸附相的負荷曲線（3）流體相的濃度波與透過曲線濃度波cz 變化曲線濃度波速度uc透過曲線c出變化曲線透過點: cB0.05c1, 透過時間B飽和點: cS0.95c1, 飽和時間S透過曲線濃度波: 鏡面對稱實驗測定c出，可確定濃度波，L0，KS 。12.2.5 吸附分離設備（1）實施方法（2）工業(yè)應用目的入口濃度出口氫氣的干燥去濕0.4%5mg/kg 去CO20.5%10 mg/kg天然氣脫硫10004 mg/kg血脂分離術肝素誘導體外低密度脂蛋白沉淀術治療：高血脂引起的腦梗塞，冠心病。低密度脂蛋白（LDL），脂蛋白（LP(a)），纖維蛋白與肝素形成不溶于水的顆

8、粒物進入吸附器除血漿中的顆粒物。12.3 膜分離12.3.1 概述一、 膜分離原理：利用固體膜對流體混合物中的各組分的選擇性滲透從而分離各個組分的方法。推動力：膜兩側的壓差或電位差。膜分離分類：微孔過濾、超濾、反滲透、電滲析、混合氣體的分離、滲透汽化。膜分離過程的特點：組分不發(fā)生相變化，所以能耗低；在常溫下進行，對食品及生物藥品的加工特別適合；不僅可除去病毒、細菌等微粒，而且也可除去溶液中大分子和無機鹽，還可分離共沸物或沸點相近的組分；由于以壓差及電位差為推動力，因此裝置簡單，操作方便。三、膜材料及對膜的要求* 分為無機膜及有機膜兩類 有機膜 無機膜* 對膜的基本要求：1、截留率Rc1,c2:

9、物料主體和透過液中被分離物質的濃度。2、透過速率J kmol/(m2.s)J將隨時間的推移而衰減3、截留物的分子量 由于多孔膜的孔徑大小不一，因而一般取截留率為90%的物質的分子量為膜的截留分子量。足夠的機械強度和化學穩(wěn)定性。12.3.2 反滲透一、原理水和鹽水用固體膜隔開時，滲透達平衡，鹽水液位升高h，將=gh稱為滲透壓。滲透壓的大小是溶液的物性，且與溶質的濃度有關，見表12-4。當在鹽水一側施加壓力，使鹽水與水的壓差達p>時，水將從鹽水一側向純水側作反向移動，此稱為反滲透。二、工業(yè)應用 海水脫鹽制飲用水通常飲用水的鹽含量為0.05%（質量分數），海水的鹽含量在3.5%，其相應的滲透壓

10、為2.5MPa，反滲透操作壓力為5MPa。目前，全球海水淡化日產量約3500萬立方米左右，其中80用于飲用水，解決了1億多人的供水問題，即世界上150的人口靠海水淡化提供飲用水。全球有海水淡化廠13萬多座，海水淡化作為淡水資源的替代與增量技術，愈來愈受到世界上許多沿海國家的重視；全球直接利用海水作為工業(yè)冷卻水總量每年約6000億立方米左右替代了大量寶貴的淡水資源；全世界每年從海洋中提鹽5000萬噸、鎂及氧化鎂260多萬噸、溴20萬噸等。海水淡化需要大量能量，所以在不富裕的國家經濟效益并不高。沙特阿拉伯的海水淡化廠占全球海水淡化能力的24%。阿拉伯聯合酋長國的杰貝勒阿里海水淡化廠第二期是全球最大

11、的海水淡化廠，每年可產生3億立方米淡水。國際海水淡化的售水價格已從20世紀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，接近或低于國際上一些城市的自來水價格。反滲透消耗的能量（3kWh/m3）只是精餾方法的1/40，電滲析法的1/2。工業(yè)廢水處理12.3.3 超濾一、 原理：以壓差為推動力、用固體多孔膜截留混和物中的微粒和大分子溶質而使溶劑透過膜孔的分離操作。二、工業(yè)應用在食品工業(yè)中用于果汁、牛奶的濃縮和其它乳制品加工；剛剛從蘋果中榨取的果汁，由于含有丹寧、果膠和苯酚等化合物而呈現出混濁狀。傳統方法采用酶、皂土和明膠使其沉淀，然后取上層清液過濾而獲得澄清的果汁。通過超濾或微濾來

12、澄清果汁，只需先部分脫除果膠，可減少酶的用量，省去皂土和明膠。同時果汁的回收率也有所提高，達98%99%。另外經超濾處理的果汁質量也有所提高，濁度僅0.40.6NTU（傳統工藝為1.53NTU）。又因超濾可除去菌體，因而使其獲得了更長的保質期。高純水的制備 電子工業(yè)：相鄰元件之間只有0.002mm左右的距離，要求的純水無離子，無可溶性有機物，無菌體和大于0.5m的離子。 12.3.4電滲析原理：以電位差為推動力、利用離子交換膜的選擇透過特性使溶液中的離子作定向移動以達到脫除或富集電解質的操作。離子交換膜被譽為電滲析的“心臟”，是一種膜狀的離子交換樹脂。12.3.5 氣體混合物的分離一、原理 在壓差的作用下，不同種類氣體的分子在通過膜時有不同的傳遞速率，從而使氣體混合物中的各組分得以分離或富集。二、工業(yè)應用從合成氨尾氣中回收氫； 從油田氣中回收CO2。 天然氣的凈化 天然氣的主要成分是CH4和CO2,少量水汽，H2S。對天然氣的處理主要除去CO2,水汽，H2S，目的是防止在輸送過程中管道的腐蝕和凍結堵塞。通常用胺吸收法，其缺點：投資費用高；再生問題；環(huán)境污染。膜法優(yōu)點：利用井下天然氣13.8MPa的高壓進行膜分離；無環(huán)境污染的防火問題；投資費用低。12.3.6膜分離設備（1）平板式膜分離器優(yōu)點:不易堵塞，壓降較小，60500m2