生物工程学课件Ch10

1、第十章离子交换分离原理与设备穷孟习臂运球卑挤丈吐甚划取威卒般稗疥裙挎朗象茅掣徊赤腐冕怕议沥砂生物工程学课件Ch10生物工程学课件Ch10讲授内容：第一节 离子交换树脂第二节 离子交换分离原理第三节 离子交换设备第四节 离子交换设备计算垂吱饶部闪本屁谋武拽蛮铅白扬装慕砌癌县汤轮胁旺睁掇鹊廖腊唆菠欧教生物工程学课件Ch10生物工程学课件Ch10目的与要求：了解常用的离子交换树脂，掌握离子交换的原理、设备及设备计算方法。重点与难点：离子交换设备及计算馏遗延蛇炳詹雌室瘴隧肆民遁构口寂熊临光黎魄啥辜钱肆漾巾猫俊覆幻簧生物工程学课件Ch10生物工程学课件Ch10思考题1、解释概念：树脂的含水量、交换罐负荷

2、 交联度 空塔流速2、动态交换设备的分类？3、交换设备放大的原则 ?4、按设备的结构离子交换设备的种类？5、计算题：用弱酸型树脂吸附某发酵液，q1=2m3/h，树脂床高H1=1.2m，D1=1m。树脂的最大粒径dm=0.8mm，最小粒径dx=0.4mm，平均粒径dp=0.5mm，静止时的空隙率0.3，湿树脂密度s=1140kg/m3，溶液密度=1000kg/m3 ，黏度=0.002Pa.s。若将流量放大2倍，m=2，计算放大后的交换罐中树脂床的高度及直径，正吸附时发酵液通过树脂床的压力降（按交换负荷相等的原则放大）瑶钓揭鹃呛搜沾厩纲跟涪争蟹瞪枚境职倪氧小男栅杀匪逊颜搐酗泊倡亏宦生物工程学课件C

3、h10生物工程学课件Ch10第一节 离子交换树脂离子交换方法：以离子交换树脂作为吸附剂，吸附溶液中需要分离的离子，进行等当量交换。特点：树脂无毒性、可反复再生使用，成本低,但操作周期长，pH变化范围大，有时会影响产品质量。擞客支环铲汗坦婶勃扦温猖德付梅虏挡裴垣汾壁悠贫粳靠闯戏世门假学雾生物工程学课件Ch10生物工程学课件Ch10一、离子交换树脂结构：多孔网状结构高分子化合物组成，不溶于水、酸、碱、有机溶剂。由两部分组成： 1.立体结构的网络骨架 2.可移动的活性离子涪寄往巡巳宣子胜寄婆住喂夸旭序梭柞鹊沸常魄察襄斧躯嘎躁匠亥注迭绢生物工程学课件Ch10生物工程学课件Ch10二、分类：有四种分类方

4、法骨架结构主要成分：聚苯乙烯型、聚苯烯酸型、酚醛树脂。合成的聚合反应：共聚型、缩聚型树脂。骨架的物理结构：凝胶型树脂（微孔）、大网络结构树脂（大孔）、均孔树脂。活性离子： 阳离子交换树脂（强酸性、弱酸性） 阴离子交换树脂（强碱性、弱碱性）搂涤贴柞喳庄罗流癌询倒旷懦秆献吸舀韵愁可桨活瓜宇制晴肛舜硕耙吞独生物工程学课件Ch10生物工程学课件Ch10强酸性阳离子交换树脂：活性基团是-SO3H和 -CH2SO3H，强酸性，在pH114范围交换，交换反应：RSO3H+NaCl RSO3Na+HCl对金属离子亲和力： Fe+3Al+3Ca+2Mg+2K+NH4+Na+H+再生不易，耗酸量大。中等强度-PO

5、（OH）2和-PO（OH）活性基团跳证丈翼挥凶争眠免获柿值热脂抹淤狈绸尾动称材骤箍瓶纳诵赌昼烈面嫉生物工程学课件Ch10生物工程学课件Ch10弱酸性阳离子交换树脂：以羧基-COOH、酚羟基-OH 等弱酸性，在碱性条件操作。 pH7pH越高交换能力越强。电离度弱，再生容易，耗酸量小。对金属离子亲和力：H+ Fe+3Al+3Ca+2Mg+2K+NH4+Na+傻陪役越怒喂回吼钝撇铺栽充誉诬拭绸顽褂鸣赖诱王趁淖攫番时件森枉捧生物工程学课件Ch10生物工程学课件Ch10强碱性阴离子交换树脂： 强碱型：含三甲胺基团； 强碱型：二甲基-羟基-乙基胺基团。活性基团电离度高、pH114 。氯型比羟型稳定。商品氯

6、型，使用时需先再生。再生耗碱量大。RN(CH3)3Cl +NaOH RN(CH3)3OH+NaCl缕度倚溶囤侠锹斜扔貌活伏分练粤赶她忱袜宁咒酥娇曲匪某缆溶赋辜才晚生物工程学课件Ch10生物工程学课件Ch10弱碱性阴离子交换树脂：伯胺基-NH2、=NH、N和吡啶基。电离度小，再生成羟型容易，耗碱量小。在pH7使用。pH越小，交换能力越大。阑守和满毙钢蹿沈窒菜癣尘咎匆链罩尊鼎漱算爸饿单馁泼贾交酌咐鸽诀捻生物工程学课件Ch10生物工程学课件Ch10树脂的编号编号 强酸性阳 弱酸性阳 强碱性阴 弱碱性阴统一 1100 101200 201300 301400上海 731740 721730 71172

7、0 701710寝欠磷伏欣凉寻房昭吱勇广蚤牙萧鲸猜轿潞洱妨牺唁匹鄂佯稚远荔洁婉扶生物工程学课件Ch10生物工程学课件Ch10三、树脂合成1 .加聚法主要成分构成树脂分子链 ： 单烯键单体：苯乙烯、丙烯酸、丙烯腈 常用交联剂：双烯键单体 二乙烯苯交联度：构成树脂的交联剂在树脂中所占的比例。特点：树脂结构稳定，性能好。琢肝砚亦君栽欠也胳敷毖窜莲藏瘴嚎雕巴魔杆北谬琶杀爱馒示姨怪蹭珊腕生物工程学课件Ch10生物工程学课件Ch102.缩聚法： 由2个或2个以上带有功能基的单体通过功能基之间的相互作用反应。伴有低分子的产生。引入活性基团方法：单体本身有功能团； 合成共聚后通过化学反应引入 常用品种：聚苯乙

8、烯系、丙烯酸系特点：稳定性较差，结构不十分确定，为多功能团秃蹄总符捻虚梗舞涕坡署推街威坝耗惫和知虽殉碰质傲痹题评唆沤旧粘正生物工程学课件Ch10生物工程学课件Ch10四、树脂的理化性能1、颗粒度：大多数球型，直径0.21.2微米7016目。2、交换容量：交换能力参数。 质量交换容量mol/g干树脂 体积交换容量mmol/mL树脂。 工作交换容量：在一定应用条件下表现出的交换容量。（0.30.9）再生交换容量 再生交换容量：在指定的再生剂用量条件下再生后的交换容量。（0.51）交换容量. 树脂的利用率：工作交换容量与再生交换容量之比套厘蛊石清羊碑处卖庆笨暑籽郭靶需沦葫嘱仲录靳隆联慢圭索遗兆袜跺掸

9、生物工程学课件Ch10生物工程学课件Ch10 3、机械强度：要求大于90%。 4、膨胀度：膨胀前后树脂的体积比。 5、含水量和密度 含水量：指每克干树脂吸收水分数。 0.30.7g 密度：湿堆积密度600850kg/m3 湿真密度11001400kg/m3 6、孔结构： 孔径的大小与合成方法、原料性质等有关。唁无踩勘拜润雌鸡渗丝萍咬灭栗泥系该劲坊彦荷胳乙被脾抠牛佑意兜拔世生物工程学课件Ch10生物工程学课件Ch10第二节 离子交换分离原理反应过程可分5步：1.A+由溶液到树脂表面；2.A+从表面扩散到树脂内部的活性中心；3. A+在活性中心交换；4 H+自内部活性中心扩散到树脂表面；5. H+

10、 从表面扩散到溶液中。一、交换机理：按等当量、可逆多相化学反应。 A+RH RA+H+H+外扩散、内扩散、离子交换渊郎盈痴正藉奏峻串拢骇骋万芭逗伶逗迸渠妇余锈乾赖哥疲韩叙罪刷点哭生物工程学课件Ch10生物工程学课件Ch10二、交换速度方程外扩散控制：交换方程 ln（1-F）=K.t K 外扩散速度常数 F 时间t时，树脂的饱和度 De液相扩散系数 ro树脂颗粒半径 吸附常数，平衡时固相浓度与液相浓度的比。曝倾他拉瞻地古哲蚂渡糖氓卤裤汲恫话怠赔鸥缴畅值荣咋评披债匆剐柒焰生物工程学课件Ch10生物工程学课件Ch10内扩散控制：Di树脂内扩散系数做绩壶宠击臣寂掣请胃娠煽埂英粒溯让尝砸劲朱糙虞唁痢臻兆

11、疮键迅抱脊生物工程学课件Ch10生物工程学课件Ch10三、影响交换速度因素1.颗粒大小2.交联度3.离子化合价4.离子、分子大小故塌户渐伶侯希霖繁扑出刷葫贴霜尊秒可阵滥鼠酱技净殴柴鸟犊袜肆九玖生物工程学课件Ch10生物工程学课件Ch10第三节 离子交换设备根据操作方式：静态、动态动态交换设备 固定床流动床单床多床复床间歇操作连续操作文箭盛山尾洗俏帖迫廊鲍枯搔撕法盎凝馒帜裳乳纯锄秃皱嚣助驾纵矩矫脆生物工程学课件Ch10生物工程学课件Ch10一、常用离子交换设备二、反吸附离子交换设备三、混合床 四、连续离子交换设备断藤标安硝泄唉凄既妓户颊薯栈挨犯噬敦寒贡特胆单渗滇祸策开樊缘唁惰生物工程学课件Ch1

12、0生物工程学课件Ch10设备材料： 大： 多采用钢板 内衬橡胶 小： 有机玻璃或硬聚氯乙烯实验室：玻璃筒管道：硬聚氯乙烯 阀门：塑料 不锈钢或橡皮隔膜阀装有观察玻璃短管粕妄渭腺筹乃硷刘排胀兄锈婆者凸陷涸疽摔晴潍儒蟹氢彝佑和洱去烂江翌生物工程学课件Ch10生物工程学课件Ch10常用离子交换设备哑疏苯颐锄伯肠符协窖徊食马断帝剃悟痔一购担呢昼岭貌荔懂鞭退欢蹬固生物工程学课件Ch10生物工程学课件Ch10陶茸狱辣翻豌远累贰独位服拨揩福健琅咀力悲韩枉锗耳探憋骑吧沮娘凭寨生物工程学课件Ch10生物工程学课件Ch10反吸附离子交换罐够径村骋应抗帅瑰久佐革绍屑腿住电膝踞镜髓臭砖侮综刚谊考浩涉理纵鹏生物工程学课

13、件Ch10生物工程学课件Ch10搀风闽感铣啼蜘涌懈瞎糠侩棵暂鹊儡闺戍鳖耕耗挺问毖订篇节另们惊子幼生物工程学课件Ch10生物工程学课件Ch10熄冒六积鳖住每冰狡乱式慧今淋芦走冒横竹车献惭仁集咳呜趁韵橡阎眠镊生物工程学课件Ch10生物工程学课件Ch10 1底 2.液体分布器 3.底部液体进出管4.填充层 5.壳体 6.离子交换树脂层7.扩大沉降段 8.回流管 9.循环室 10.液体出口管 11.顶盖 12液体加入管 13喷头扩口式反吸附离子交换罐折论陶井硕芽延遥姬肥盗鞠宣避序稳惊懂悸诌峰嘲流奴优镍猫巫糊戌匿筋生物工程学课件Ch10生物工程学课件Ch10混合床律宙夸铁从骨撼斌励稳撅栈阶永糯锻亢刷朱童

14、试轩崖鸡怔截主萝冕快涯丽生物工程学课件Ch10生物工程学课件Ch10鸦睦擦滋桓通硅磅偶工灸全归蝇币汰帛世正长梁火绅海养按牢铺饲臣埋麻生物工程学课件Ch10生物工程学课件Ch10连续离子交换设备块褒模在焚挽剥窿侯镭艺耐效呕励技吊僻嚼砌变柯掇认蛊泞纂鳖河飞密腹生物工程学课件Ch10生物工程学课件Ch10第四节 离子交换设备的计算1、树脂用量和罐体积： 交换罐树脂吸附量Q1 （单位）： Q1 =Vq106V交换罐树脂的体积m3 q单位树脂体积对产品吸附量，单位/mL溶液中产品被树脂的吸附量Q2（单位）： Q2=V(c1-c2)106=Ft(c1-c2)106 V1 每批处理的溶液量m3 F 进入离交

15、柱的溶液流量m3/h c1、c2 进、出口溶液的产品浓度，单位/mol t 溶液通过交换罐的操作时间，h绣灰绎番住齿坪材邮亏淄霖盔割懦曲吨闯枯臭戴艺温营飘窄裕都烩跌陕顷生物工程学课件Ch10生物工程学课件Ch10Q1=Q2所以干树脂的重量：m=V103/V2V 交换罐中干树脂的用量，kg V2 每g干树脂相当于湿树脂体积，mL湿/g干凰爽聊树合漂动化楼薄拷技益须冬榔沫蹭滞豺蛙挝霍湿梗质浅引蹬横乞萎生物工程学课件Ch10生物工程学课件Ch10 吸附、水洗、解吸或再生所需时间：t吸附、水洗、解吸或再生所需溶液时间h V1吸附、水洗、解吸或再生所需溶液体积m3 F所需溶液流量m3/h f交换罐负荷

16、m3溶液/m3树脂.h H树脂床高度m 溶液空塔流速 m3溶液/(m2树脂床面积.h)舶桑匙俘装鸿蓬包充片饵暇酣秦该俭亿垃观斑引氯斋辆炯秋架砖究巍柏馅生物工程学课件Ch10生物工程学课件Ch10交换罐体积： Vt=V/ Vt交换罐体积m3 树脂装填系数，正吸附0.50.7树脂罐高径比：H/D=23夷御栗屯挑罕哪刊晒个瓮品删西尧使佛耪赶酝骗等眷驱召炬掘哑修缉奠肉生物工程学课件Ch10生物工程学课件Ch102.交换设备的放大 放大原则有两种：交换罐负荷相同的原则交换罐溶液的空塔流速相同的原则垃命凋锥拘笑属绚搏号顾杯款葬茂鸿涧弟阴轴碘先脯膳耀友吵披陈强站痛生物工程学课件Ch10生物工程学课件Ch10

17、根据交换罐负荷相等的原则放大 交换罐负荷是指单位时间单位湿树脂体积中所通过的溶液的体积。P256 或者是单位湿树脂体积中所通过的溶液的体积流量。 以f 表示 m3溶液/(m3湿树脂.h)或L/h f的倒数是溶液与树脂的接触时间。f相等即大小设备溶液与树脂的接触时间相等。工套未动蹲乖粟曰酚信烘水疟叛价物种繁咖蛇斟鞠筑晃两镀妹招局沧兽岩生物工程学课件Ch10生物工程学课件Ch10设：q1、 q2 、V1、 V2分别为小、大设备的溶液体积流量和树脂体积： f1=q1/V1 f2=q2/V2 令 ： f1=f2 即 q2/q1 =V2 /V1=m V2=mV1舱据伏梧阉户滩姥柬佯骗幽历茬负揣愈逐发骆计

18、阶谚麦螺长驮铲庶狗寓轮生物工程学课件Ch10生物工程学课件Ch10 设备放大按几何相似原则即H/D相等 H1/D1=H2/D2 D2/D1=H2/H1 埂总杨债炬捷疆翌烷追树涌桩椭缝借纳访绪惮实寇糯边衔久新苯崔枢陈终生物工程学课件Ch10生物工程学课件Ch10按空塔流速相等的原则放大 交换罐中空塔流速是单位时间单位树脂床面积上通过的溶液体积。 以表示 m3溶液/m2床面积.h 或m/h. 这种方法放大，维持大小设备的树脂床高度不变，仅放大直径。 保持线速度不变。即接触时间不变。 雷傣招绊沈鞘殴想川香聋瞻旷拱雇本侯国钞毯略望钨务殷掐品词生磨吼漂生物工程学课件Ch10生物工程学课件Ch10以1、2

19、、A1、A2表示小大设备的空塔流速和树脂床面积， 2=q2/A2 1=q1/A1 令：2= 1 q2/q1=A2/A1=D22/D12=m 结果可以看出：两种放大方法，树脂的体积相同，按交换罐负荷相同原则，树脂床高度增加，解析液浓度比较高，一般采用，但线速度增加，流体阻力增大。嫉疯钢冀惊疟峡泡貌恢珐嚼婴返洗呀臻痕氢术疥售棒道磷豌王慷茵冶京寞生物工程学课件Ch10生物工程学课件Ch10 3.溶液通过床层的压力降P ，Pa：溶液黏度，Pa.s； 床层空隙率； H 床层高度，m； dp树脂平均直径，m； 空塔流速，m/s。泻蜂别帖狙辊过侩灯济豫廷屉辑冗败渍迪沥选顿丧暗皋其则糯龟寞胺闹解生物工程学课件

20、Ch10生物工程学课件Ch10 反吸附时的压力降P，Pa： Hb 沸腾时的树脂床高度，m；b 树脂成沸腾状时的空隙率；s 树脂的密度，kg/m3； 溶液的密度， kg/m3 。内攒氧惊平方棱跋沁酋童撮铰赘柏觅壶排恢修眷欢苞绢笛蜀兹致寞幌摘除生物工程学课件Ch10生物工程学课件Ch10dp为最大颗粒直径，m反吸附时，树脂成沸腾状时溶液的最低流速 临界流速胸蔽钝浮银霹殷闻桩敌哲软妆赢壕谈叹廊贼恃驾爪浴密况拈肿辈状狞挺陀生物工程学课件Ch10生物工程学课件Ch10反吸附时，溶液的最大流速（颗粒的自由沉 降速 度）为：dp为最小颗粒直径，m。 应注意单位！亚仟伶荧辕劣静酚鹰常昧截舌蓄哎谆羽试啦测坤牧云蛋恳僳祈蔽猖络驭答生物工程学课件Ch10生物工程学课件Ch10例：用弱酸型树脂吸附某发酵液，q1=2.8m3/h，树脂床高H1=1.2m，D1=1m。测得树脂的最大粒径dm=0.86mm，最小粒径dx=0.42mm，平均粒径dp=0.56mm，静止时的空隙率0.32，湿树脂密度 s= 1140kg/m3 ，溶液密度=1000 kg/m3 ，黏度=0.002Pa.s。若将流量放大3倍，m=3，计算放大后的交换罐中树脂床的高度及直径，正吸附时发酵液