其它传质分离方法综述

1、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 能从杂质含量较多的混和液中分离 出高纯度的晶体； 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； 结晶热一般为汽化热的1/31/7,过程的能耗较低。、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

2、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 溶解度曲线胆度超溶解度曲线：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： 降低溶液温度一冷却结晶eg线 蒸发除去溶剂一蒸发结晶ef线 陡峭的曲线一选用冷却结晶有利； 平坦的曲线一选用蒸发结晶有利。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影响结晶速率的因素： 过饱和度的影响，黏度的影响 密度的影响，位置的影响搅拌的影响水蒸气W kg加料F kg丄工 焙h温度1I II I |力序*量Q=翩(呼呵 厂A 4?3 i晶体m kg 质量分数旳 恰hFw厂 mw2(F W m )w3W2

3、：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 IOH2O 为 286, W2=106/286=0.371二、热量衡算Fi 1+Q=WI+ mi2+(F -W-m)i3Q外界加热Wr = mr 结晶 + Fcp(t1-t3) +汽化潜热 溶液结晶放热 溶液降温放热12.1.5结晶设备蒸汽出口结晶蒸发器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

4、。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）： 变温吸附，蒸汽加热解吸 变压吸附，降压解吸 变浓度吸附，用惰性溶剂冲洗 置换吸附，用其它吸附质置换三、常用吸附剂 活性炭如：果核炭化，活性炭纤维，炭分子筛 疏水性、亲有机物，女口：脱水中的有机物。 分子筛一一晶格结构一定、有许多孔径大 小均一微孔，起筛选分子作用，选择性强。 硅胶 无定形水合二氧化硅，亲水性 如：气体脱水 活性氧化铝 极性吸附剂，用于液体脱水等 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 合成沸石和天然沸石分子筛 硅铝酸

5、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。 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 吸附剂的比表面 a微孔（孔径2nm）, 中孔（2nm2 OOnm）, 大孔（孔径200嗣例：活性炭微孔比表面占95% 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。 吸附剂密度a装填密度b与空隙率bb颗粒密度? p（表观密度）:PpO 八 Bc真密度h（扣除颗粒内孔腔体积）和内孔 隙率p:tW p）p

6、五、工业吸附对吸附剂的要求 有较大的内表面 活性高 选择性高 具有一定的机械强度 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xp（c）的相平衡关系。单分子层吸附一一朗格缪尔方程吸附表面遮盖率 e （=x/xm）吸附速率kap（i- e）解吸速率kd ekLXm1 kLP112.2.3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。 吸附过稈为内扩

7、散控制。二、吸附速率外扩散：NA=kf(c-G)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 ks12.2.4固定床吸附过程分析(1)理想吸附过程简化假定： 单组分吸附，有利的吸附等温线。 床层吸附剂均匀，吸附剂初始浓度、温 度均一。 流体定态加料，浓度、温度、流量不变。 吸附热可忽略，流体与吸附剂等温。(2)吸附相的负荷曲线C1X1兀2饱由段未扁段(3)流体相的浓度波与透过曲线 浓度波一cz变化曲线XXe(CA)C2Ce(X2)Z浓度波速度Uc透过点：Cb0.05C1,透过时间T饱和点：Cs0.95ci,

8、饱和时间t透过曲线浓度波：镜面对称实验测定c出T可确定浓度波，Lo, Ks 。12.2.5吸附分离设备(1)实施方法加料产品吸 附再 生鼓风机入口浓度 出口0 4%5mg/kg0.5%10 mg/kg10004 mg/kg(2)工业应用 目的 氢气的干燥去湿去CO2天然气脱硫血脂分离术一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

9、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。2010压差，MPa 1微粒或分子大小膜分离过程的特点： 组分不发生相变化，所以能耗低; 在常温下进行，对食品及生物药品的加 工特别适合； 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； 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Rr = Cj_C2 100%C1,C2：物料主体和透过液中被分离物质的浓2、 透过速率 Jkmol/(m2.s)J将随时间的推

10、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，上盐7卜:水半透膜图1223dL* -二八 - - -:-盐.:水; S r汗1 水1”1:I 1j 1 d11b平衡纯匕盐：: 水P水二C反渗透渗透初反滲透示意图渗透达平衡，盐水液位升高h,将n =p gh称为渗透压。渗透压n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 p n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 海水脱盐

11、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

12、，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。 工业废水处理12.3.3超滤、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。-受压的 A. B溶液浓缩的AB溶液图12-25超滤操作原理示意图二、工业

13、应用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0.40.6NTU （传统工艺为1.53NTU ） 又因超滤可除去菌体，因而使其获得了更长的保质 期。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0.5卩

14、m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。丄斋由涯III12.3.5 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 从合成氨尾气中回收氢； 从油田气中回收 CO2。 天然气的净化天然气的主要成分是CH4和C02,少量 水汽，H2S。对天然气的处理主要除去 C02, 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，

15、其缺点：投资费用高；再生问题；环境污染。 膜法优点： 利用井下天然气 13.8MPa 的高压进行膜 分离； 无环境污染的防火问题； 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，60500m2/ m3，容易换膜。缺点：安装、密封要求高。I透逑夜宿液咅詮0:;:-:|:異：:-:-:;-;妥.萇口!$殳口:;1:-:-:;!:-:=:&:-:.:-:=:蚩：:-:-!$:-!-:-:!1:=:廿 : : .: . . . . . . . . . . .I:.ml:*l:-l:.l:-l:-.l:-l:.l:-l:-.l:-l:-l:,l:-l:l:-l:Al:-.l:l:-.l=:-Jl:.l:-l:-.l:-l:-.l:-|:-.|:-|:-|:|:-.|:-.|:-|:-|:-:.|:.* :-I : :1(2