新型分离技术和过程集成

1、第7章新型分离技术和过程集成7.1 膜分离第7章 新型分离技术和过程集成7.1.1 概述7.1.1.1 膜分离过程分类7.1 膜分离第7章 新型分离技术和过程集成7.1.1 概述7.1.1.1 膜分离过程分类7.1 膜分离第7章 新型分离技术和过程集成7.1.1 概述7.1.1.1 膜分离过程分类7.1 膜分离第7章 新型分离技术和过程集成7.1.1 概述7.1.1.1 膜分离过程分类 各种膜分离过程尽管具有不同的机理和适用范围，但有许多共同的特点: 多数膜分离过程无相变发生，能耗通常较低。 膜分离过程一般无需从外界加入其他物质，可节约资源和保护环境。 膜分离过程可使分离与浓缩、分离与反应同时

2、实现，大大提高了分离效率。 膜分离过程通常在温和条件下进行，因而特别适用于热敏性物质的分离、分级、浓缩与富集。 膜分离过程应用范围广。 膜分离过程的规模和处理能力可在很大范围内变化，而它的效率、设备单价、运行费用等都变化不大。 膜组件结构紧凑，操作方便，可在频繁的启停下工作，易自控和维修。而且膜分离可以直接插入已有的生产工艺流程。7.1 膜分离第7章 新型分离技术和过程集成7.1.1 概述7.1.1.2 材料和膜的结构形态表7-2列出了常用的高分子膜材料、性能和应用。（1）分离膜材料7.1 膜分离第7章 新型分离技术和过程集成7.1.1 概述7.1.1.2 材料和膜的结构形态表7-2列出了常用

3、的高分子膜材料、性能和应用。（1）分离膜材料7.1 膜分离第7章 新型分离技术和过程集成7.1.1 概述7.1.1.2 材料和膜的结构形态表7-2列出了常用的高分子膜材料、性能和应用。（1）分离膜材料7.1 膜分离第7章 新型分离技术和过程集成7.1.1 概述7.1.1.2 材料和膜的结构形态聚合物膜按结构与作用特点分有如下三类:均质膜或对称膜（2）分离膜材料的结构形态7.1 膜分离第7章 新型分离技术和过程集成7.1.1 概述7.1.1.2 材料和膜的结构形态非对称膜（2）分离膜材料的结构形态7.1 膜分离第7章 新型分离技术和过程集成7.1.1 概述7.1.1.2 材料和膜的结构形态复合膜

4、（2）分离膜材料的结构形态7.1 膜分离第7章 新型分离技术和过程集成7.1.1 概述7.1.1.3 膜组件和膜系统板框式膜组件螺旋卷式膜组件管式膜组件中空纤维膜组件（1）膜组件分类7.1 膜分离第7章 新型分离技术和过程集成7.1.1 概述7.1.1.3 膜组件和膜系统板框式膜组件（1）膜组件分类7.1 膜分离第7章 新型分离技术和过程集成7.1.1 概述7.1.1.3 膜组件和膜系统螺旋卷式膜组件（1）膜组件分类7.1 膜分离第7章 新型分离技术和过程集成7.1.1 概述7.1.1.3 膜组件和膜系统螺旋卷式膜组件（1）膜组件分类7.1 膜分离第7章 新型分离技术和过程集成7.1.1 概述

5、7.1.1.3 膜组件和膜系统螺旋卷式膜组件（1）膜组件分类7.1 膜分离第7章 新型分离技术和过程集成7.1.1 概述7.1.1.3 膜组件和膜系统管式膜组件（1）膜组件分类7.1 膜分离第7章 新型分离技术和过程集成7.1.1 概述7.1.1.3 膜组件和膜系统中空纤维膜组件（1）膜组件分类7.1 膜分离第7章 新型分离技术和过程集成7.1.1 概述7.1.1.3 膜组件和膜系统表7-3 比较了四种常用膜组件的性能（2）膜组件的选择7.1 膜分离第7章 新型分离技术和过程集成7.1.1 概述7.1.1.3 膜组件和膜系统表7-3 比较了四种常用膜组件的性能（2）膜组件的选择7.1 膜分离第

6、7章 新型分离技术和过程集成7.1.1 概述7.1.1.3 膜组件和膜系统表7-4 四种常用膜组件优缺点比较（2）膜组件的选择7.1 膜分离第7章 新型分离技术和过程集成7.1.1 概述7.1.1.3 膜组件和膜系统膜的操作方式可以分为死端操作和错流操作，见图7-6。（3）膜系统7.1 膜分离第7章 新型分离技术和过程集成7.1.1 概述7.1.1.3 膜组件和膜系统错流操作可以进一步分为并流、逆流、渗透物全混和完全混合四种方式，见图7-7。（3）膜系统7.1 膜分离第7章 新型分离技术和过程集成7.1.1 概述7.1.1.3 膜组件和膜系统膜的操作方式还分单程系统和循环系统，如图7-8所示。

7、（3）膜系统7.1 膜分离第7章 新型分离技术和过程集成7.1.1 概述7.1.1.3 膜组件和膜系统图7-9膜分离器的单级和多级构型。（3）膜系统7.1 膜分离第7章 新型分离技术和过程集成7.1.1 概述7.1.1.3 膜组件和膜系统表7-5给出了单级气体膜分离的两个实例，它们应用的是工业使用的膜。（3）膜系统7.1 膜分离第7章 新型分离技术和过程集成7.1.1 概述7.1.1.3 膜组件和膜系统表7-6 膜分离系统典型计算结果。（3）膜系统7.1 膜分离第7章 新型分离技术和过程集成7.1.1 概述7.1.1.3 膜组件和膜系统图7-10 膜分离的级联（3）膜系统7.1 膜分离第7章

8、新型分离技术和过程集成7.1.1 概述7.1.1.4 膜性能表示法（1）分离效率7.1 膜分离第7章 新型分离技术和过程集成7.1.1 概述7.1.1.4 膜性能表示法表观分离率定义为（1）分离效率7.1 膜分离第7章 新型分离技术和过程集成7.1.1 概述7.1.1.4 膜性能表示法更通用的表示方法（1）分离效率7.1 膜分离第7章 新型分离技术和过程集成7.1.1 概述7.1.1.4 膜性能表示法（2）渗透通量7.1 膜分离第7章 新型分离技术和过程集成7.1.1 概述7.1.1.4 膜性能表示法（3）通量衰减系数7.1 膜分离第7章 新型分离技术和过程集成7.1.2 微滤、超滤、纳滤和反

9、渗透7.1.2.1 超滤和微滤1) 超滤膜及其性质2) 超滤的传质模型（1）超滤7.1 膜分离第7章 新型分离技术和过程集成7.1.2 微滤、超滤、纳滤和反渗透7.1.2.1 超滤和微滤溶剂透过通量Jv和溶质透过通量Js可分别用下列公式表示:（1）超滤7.1 膜分离第7章 新型分离技术和过程集成7.1.2 微滤、超滤、纳滤和反渗透7.1.2.1 超滤和微滤膜的真实截留率（1）超滤7.1 膜分离第7章 新型分离技术和过程集成7.1.2 微滤、超滤、纳滤和反渗透7.1.2.1 超滤和微滤3）浓差极化浓差极化与凝胶极化概念（1）超滤7.1 膜分离第7章 新型分离技术和过程集成7.1.2 微滤、超滤、

10、纳滤和反渗透7.1.2.1 超滤和微滤3）浓差极化浓差极化关系式（1）超滤7.1 膜分离第7章 新型分离技术和过程集成7.1.2 微滤、超滤、纳滤和反渗透7.1.2.1 超滤和微滤3）浓差极化最后得到：（1）超滤7.1 膜分离第7章 新型分离技术和过程集成7.1.2 微滤、超滤、纳滤和反渗透7.1.2.1 超滤和微滤溶质传质系数的计算（1）超滤7.1 膜分离第7章 新型分离技术和过程集成7.1.2 微滤、超滤、纳滤和反渗透7.1.2.1 超滤和微滤浓差极化的控制a.增大料液流速b.尽可能采用较高的操作温度c.选择合适的膜组件结构（1）超滤7.1 膜分离第7章 新型分离技术和过程集成7.1.2

11、微滤、超滤、纳滤和反渗透7.1.2.1 超滤和微滤1) 微滤膜及其性质2) 分离机理3) 微滤的应用（2）微滤7.1 膜分离第7章 新型分离技术和过程集成7.1.2 微滤、超滤、纳滤和反渗透7.1.2.2 反渗透和纳滤1) 基本原理（1）反渗透7.1 膜分离第7章 新型分离技术和过程集成7.1.2 微滤、超滤、纳滤和反渗透7.1.2.2 反渗透和纳滤2) 反渗透膜目前主要的反渗透膜材料有:醋酸纤维素类芳香族聚酞胺类聚呱凑酞胺类（1）反渗透7.1 膜分离第7章 新型分离技术和过程集成7.1.2 微滤、超滤、纳滤和反渗透7.1.2.2 反渗透和纳滤3) 渗透通量溶剂(水)的通量Jw（1）反渗透7.

12、1 膜分离第7章 新型分离技术和过程集成7.1.2 微滤、超滤、纳滤和反渗透7.1.2.2 反渗透和纳滤3) 渗透通量通过膜孔的溶质通量JS（1）反渗透7.1 膜分离第7章 新型分离技术和过程集成7.1.2 微滤、超滤、纳滤和反渗透7.1.2.2 反渗透和纳滤3) 渗透通量通过膜孔的溶质通量JS最后求得：（1）反渗透7.1 膜分离第7章 新型分离技术和过程集成7.1.2 微滤、超滤、纳滤和反渗透7.1.2.2 反渗透和纳滤4) 浓差极化图7-14 反渗透过程浓差极化示意图（1）反渗透7.1 膜分离第7章 新型分离技术和过程集成7.1.2 微滤、超滤、纳滤和反渗透7.1.2.2 反渗透和纳滤4)

13、 浓差极化浓差极化比，此值越大，说明浓差极化越严重。（1）反渗透7.1 膜分离第7章 新型分离技术和过程集成7.1.2 微滤、超滤、纳滤和反渗透7.1.2.2 反渗透和纳滤纳滤过程的代表性应用包括:水的软化(脱除钙、镁离子);离子交换或电渗析之前的水预处理;脱除水中重金属，使水再利用;食物的浓缩;食物的脱盐等。（2）纳滤7.1 膜分离第7章 新型分离技术和过程集成7.1.3 气体分离高分子膜材料有:聚酸亚胺有机硅（1）材料7.1 膜分离第7章 新型分离技术和过程集成7.1.3 气体分离图7-15 气体分离的各种机理（2）气体分离原理7.1 膜分离第7章 新型分离技术和过程集成7.1.3 气体分

14、离假设气体透过膜的传质过程由下列三步组成:（2）气体分离原理7.1 膜分离第7章 新型分离技术和过程集成7.1.3 气体分离组分i透过膜的渗透通量Ji:（2）气体分离原理7.1 膜分离第7章 新型分离技术和过程集成7.1.4 渗透汽化和蒸汽渗透 渗透汽化(pervaporation，简称PV)是分离液体混合物的一种新型膜分离技术。当液体混合物与选择性渗透膜的一侧相接触，而膜的另一侧抽真空或通以惰性气流把渗透组分的蒸气压减至很低时，以膜两侧的分压差作为传质推动力，利用膜对液体混合物中组分的溶解与扩散性能不同实现组分的渗透分离，这类膜过程称为渗透汽化过程。（1）过程原理7.1 膜分离第7章 新型分

15、离技术和过程集成7.1.4 渗透汽化和蒸汽渗透 按照产生膜两侧蒸气压差的方法不同，渗透汽化分为多种类型(见图7-16 )（1）过程原理7.1 膜分离第7章 新型分离技术和过程集成7.1.4 渗透汽化和蒸汽渗透蒸汽渗透的原则流程如图7-17 所示。（1）过程原理7.1 膜分离第7章 新型分离技术和过程集成7.1.4 渗透汽化和蒸汽渗透1) 优先透过组分的性质2) 膜材料的化学和热稳定性3) 膜的改进（2）膜材料的筛选原则7.1 膜分离第7章 新型分离技术和过程集成7.1.4 渗透汽化和蒸汽渗透有机溶剂脱水，特别是乙醇、异丙醇的脱水，目前已有大规模的工业应用;水中少量有机物脱除的应用有溶剂回收、环

16、境保护、有机物溶液提浓、特殊有机物还原等;有机/有机混合物的分离，已研究开发的物系有:苯/己烷、异辛烷/正己烷、戊烯/戊烷、二甲苯混合物、氯仿/己烷等。（3）应用7.1 膜分离第7章 新型分离技术和过程集成7.1.5 电渗析图7-18所示为除去水中NaCl的电渗析过程示意图。（1）电渗析的基本原理7.1 膜分离第7章 新型分离技术和过程集成7.1.5 电渗析图7-19 汇总了所有的迁移过程:（1）电渗析的基本原理7.1 膜分离第7章 新型分离技术和过程集成7.1.5 电渗析 离子交换膜的选择透过性是实现电渗析过程的基本条件。离子交换膜是高分子电解质，它具有三维空间的网状骨架结构，在网状的高分子

17、链上分布着可解离的活性基团，它们在水溶液中可解离成两个带电荷部分:固定在高分子骨架上的带电荷部分称固定离子;与固定离子所带电荷相反的可移动的离子称为反离子。膜的选择透过性就是由膜上的固定离子吸引反离子和排斥同性离子而产生的。（2）离子交换膜7.1 膜分离第7章 新型分离技术和过程集成7.1.5 电渗析图7-20所示为板框式电渗析器组装排列方式。（3）电渗析器的基本构造7.1 膜分离第7章 新型分离技术和过程集成7.1.5 电渗析 电渗析过程是溶液中离子与水分离的一种有效手段，并且也可利用这一特性实现某些化学反应，因此它的应用范围十分广泛。包括原料与产品的分离精制、废水废液处理和回收有用的物质等

18、;海水、盐泉卤水浓缩制盐;医药工业脱除含盐有机物溶液中的盐分等。（4）电渗析的应用7.1 膜分离第7章 新型分离技术和过程集成7.1.6 其他膜分离过程 渗析是最旱被发现和研究的一种膜分离过程，它是以浓度差为推动力，利用溶液中不同溶质透过膜的扩散速率的差异达到分离的过程。（1）渗析7.1 膜分离第7章 新型分离技术和过程集成7.1.6 其他膜分离过程 液膜过程于1968年首次用于碳氢化合物的分离，主要分为乳状液膜、支撑液膜与反萃支撑液膜三种。当两个互不相溶的液相组成的稳定乳液分散于连续的外部相中时，即形成了乳状液膜。外部相中的目标物质穿过液膜进入内部相，遵循两种传质机理:物质在膜中的扩散，以及

19、依靠载体转运的载体促进运输。（2）液膜分离7.1 膜分离第7章 新型分离技术和过程集成7.1.6 其他膜分离过程 膜蒸馏过程在非等温条件下进行。当一张微孔疏水膜把温度不同的水溶液分开时，由于膜的疏水性，液态的水不会进入微孔，但高温侧水溶液在膜表面产生的蒸汽，在膜两侧蒸汽压差的推动下透过微孔进入低温侧，实现物质的分离。这要求膜材料应具有热稳定性、高疏水性、多孔性等性质，目前膜蒸馏常用的膜材料有聚丙烯、聚偏氟乙烯及聚四氟乙烯。膜蒸馏主要分为直接接触式膜蒸馏、气体吹扫膜蒸馏、空气间隙式膜蒸馏及真空膜蒸馏。（3）膜蒸馏和渗透蒸馏7.2 超临界流体萃取第7章 新型分离技术和过程集成图7-21所示为二氧化

20、碳的P -T相图（1）超临界流体的性质7.2 超临界流体萃取第7章 新型分离技术和过程集成表7-7是超临界流体与普通气体和液体基本性质的比较。（1）超临界流体的性质7.2 超临界流体萃取第7章 新型分离技术和过程集成图7-22蔡在超临界流体CO2中的溶解度。（1）超临界流体的性质7.2 超临界流体萃取第7章 新型分离技术和过程集成图7-23表示CO2的对比密度、对比温度与对比压力之间的关系。（1）超临界流体的性质7.2 超临界流体萃取第7章 新型分离技术和过程集成 临界流体与液体所组成的物系的相平衡要比与固体所组成的物系的相平衡复杂，因为超临界流体在固体中的溶解度可以略去，而在液体中的溶解度却

21、可以很大。这就增加了液相中溶质逸度计算的复杂性。（2）液体一超临界流体的相平衡7.2 超临界流体萃取第7章 新型分离技术和过程集成作为萃取溶剂的超临界流体必须具备以下条件:萃取剂应具有化学稳定性，对设备无腐蚀性;临界温度不能太高或太低，最好在室温附近;操作温度应低于被萃取溶质的变性温度;为减小能耗，临界压力不能太高;选择性好，容易得到高纯产品;溶解度要高，可减少溶剂的循环量;萃取溶剂易得，价格便宜。（3）超临界流体萃取过程7.2 超临界流体萃取第7章 新型分离技术和过程集成表7-8 常见超临界流体的物理性质（3）超临界流体萃取过程7.2 超临界流体萃取第7章 新型分离技术和过程集成典型的萃取流

22、程（3）超临界流体萃取过程7.2 超临界流体萃取第7章 新型分离技术和过程集成超临界萃取过程分为三类（3）超临界流体萃取过程等温法1等压法2吸附法37.2 超临界流体萃取第7章 新型分离技术和过程集成图7-25逆流超临界流体萃取塔（3）超临界流体萃取过程7.2 超临界流体萃取第7章 新型分离技术和过程集成影响超临界流体萃取的因索（3）超临界流体萃取过程品种多1更新快2批量小3增值高4超纯5超净67.2 超临界流体萃取第7章 新型分离技术和过程集成影响超临界流体萃取的因索（4）超临界流体萃取的应用中药有效成分的提取1天然植物香料的提取2食品功能成分的提取3环境样品分析的预处理47.3 其他新型分

23、离技术简介第7章 新型分离技术和过程集成（1）膜乳化技术（2）双水相萃取（3）凝胶萃取（4）分子蒸馏（5）泡沫分离7.3 其他新型分离技术简介第7章 新型分离技术和过程集成图7-2 6分子蒸馏分离原理示意图7.3 其他新型分离技术简介第7章 新型分离技术和过程集成分子运动的平均自由程可以用下式计算:7.3 其他新型分离技术简介第7章 新型分离技术和过程集成分子蒸馏中的相对挥发度一般用下式表示7.4 分离过程的集成第7章 新型分离技术和过程集成7.4.1 传统分离过程的集成（1）共沸精馏和萃取过程的集成1) 不加共沸剂的过程集成7.4 分离过程的集成第7章 新型分离技术和过程集成7.4.1 传统

24、分离过程的集成（1）共沸精馏和萃取过程的集成图7-27 二异丙基醚分离流程7.4 分离过程的集成第7章 新型分离技术和过程集成7.4.1 传统分离过程的集成（1）共沸精馏和萃取过程的集成2) 加入共沸剂的共沸精馏和萃取的集成分离流程如图7-2 8所示。7.4 分离过程的集成第7章 新型分离技术和过程集成7.4.1 传统分离过程的集成（1）共沸精馏和萃取过程的集成2) 加入共沸剂的共沸精馏和萃取的集成图7-2 9分离甲苯一烷烃的共沸精馏流程7.4 分离过程的集成第7章 新型分离技术和过程集成7.4.1 传统分离过程的集成（2）共沸精馏与萃取精馏的集成图7-30共沸精馏和萃取精馏集成流程7.4 分离过程的集成第7章 新型分离技术和过程集成7.4.1