簡(jiǎn)介:1,第十三章其他分離過(guò)程,131吸附132膜分離,2,131吸附,1311概述1312吸附平衡1313吸附設(shè)備及計(jì)算,3,1311概述,吸附,多孔性固體表面的分子或原子因受力不均而具有剩余的表面能,當(dāng)流體中的某些物質(zhì)碰撞固體表面時(shí),受到這些不平衡力的作用就會(huì)停留在固體表面上。,具有吸附作用的物質(zhì),稱(chēng)為吸附劑,被吸附的物質(zhì)稱(chēng)為吸附質(zhì)。常見(jiàn)的吸附劑有活性炭、磺化煤、焦碳、木炭、白土、爐渣及大孔徑吸附樹(shù)脂等。,吸附的分類(lèi),按照吸附作用力性質(zhì)的不同,吸附可以分為物理吸附、化學(xué)吸附和離子交換吸附。,按照吸附條件是否發(fā)生變化,又可把吸附分為變溫吸附,變壓吸附以及變濃度吸附。,,4,1311概述,吸附分離應(yīng)用主要包括,(1)氣體和液體的深度干燥;(2)食品、藥品和有機(jī)石油產(chǎn)品的脫色、除臭;(3)有機(jī)烷烴的分離和精制;(4)氣體的分離和精制;(5)從廢水或廢氣中除去有害的物質(zhì)。,5,1312吸附平衡,吸附平衡是指在一定溫度和壓力下,氣固或液固兩相充分接觸,最后吸附質(zhì)在兩相中達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡;也可以是含有一定量的吸附質(zhì)的惰性流體通過(guò)吸附劑固定床層,吸附質(zhì)流動(dòng)相和固定相中反復(fù)分配,最后在動(dòng)態(tài)下達(dá)到穩(wěn)定的動(dòng)態(tài)平衡。,1單組分氣相在固體上的吸附平衡,實(shí)驗(yàn)表明,當(dāng)流體為氣相時(shí),對(duì)于一個(gè)給定的物系(即一定的吸附劑和一定的吸附質(zhì)),達(dá)到吸附平衡時(shí),吸附量與溫度及壓力有關(guān),可表示為,QEFT,P,當(dāng)T為常熟,QEFP,它表明了平衡吸附量與壓力之間的關(guān)系,反映這一關(guān)系的曲線(xiàn)稱(chēng)為吸附等溫線(xiàn)。,6,1312吸附平衡,根據(jù)實(shí)驗(yàn),吸附等溫線(xiàn)歸納為如圖131所示的五種類(lèi)型,,I類(lèi)吸附出現(xiàn)飽和值。這種吸附相當(dāng)于在吸附劑表面上形成單分子層吸附,接近LANGMUIR型吸附等溫線(xiàn)。,II類(lèi)其特點(diǎn)是不出現(xiàn)飽和值,隨對(duì)比壓力增加,平衡吸附量急劇上升,曲線(xiàn)上凸,屬于多分子層物理吸附。,III類(lèi)曲線(xiàn)下凹,吸附氣體量隨組分分壓增加而上升。,7,1312吸附平衡,IV類(lèi)能形成有限的多層吸附。開(kāi)始吸附量隨著氣體中組分分壓的增加迅速增大,曲線(xiàn)凸起,吸附劑表面形成易于移動(dòng)的單分子層吸附;而后一段凸起的曲線(xiàn)表示由于吸附劑表面建立了類(lèi)似液膜層的多層分子吸附;兩線(xiàn)段間的突變,說(shuō)明有毛細(xì)孔的凝結(jié)現(xiàn)象。,V類(lèi)曲線(xiàn)一開(kāi)始就下凹,吸附質(zhì)較難被吸附,吸附量隨氣體中組分濃度增加而緩慢上升,當(dāng)接近飽和壓力時(shí),曲線(xiàn)趨于飽和,形成多層吸附,有滯后效應(yīng)。,2液相在固體上的吸附平衡和吸附等溫曲線(xiàn),8,1312吸附平衡,(1)同族序列的有機(jī)化合物相對(duì)分子質(zhì)量愈大,吸附量愈高;(2)溶解度小,疏水程度高,則易吸附;(3)一般芳香族化合物比脂肪族化合物更易吸附;(4)知鏈化合物比側(cè)鏈化合物更易吸附。,液相吸附的機(jī)理比氣相吸附要復(fù)雜,對(duì)大量有機(jī)化合物吸附性能的研究表明,3吸附等溫方程,用來(lái)描述等溫吸附平衡的數(shù)學(xué)式,稱(chēng)為吸附等溫方程,9,1312吸附平衡,1LANGMUIR等溫式,朗格繆爾單分子層吸附等溫式,QEAQMPE/1APE,式中,QM表面上吸滿(mǎn)單分子層吸附質(zhì)得吸附量,KG吸附質(zhì)/KG吸附劑;PE吸附質(zhì)得平衡分壓,PAA吸附系數(shù)。,格繆爾公式也常用于液相吸附,故又寫(xiě)成下述形式,QEAQMYE/1A’YE,式中,A’吸附系數(shù);YE吸附質(zhì)在液相中得平衡濃度,摩爾分率。,10,1312吸附平衡,朗格繆爾關(guān)系式是一個(gè)理想得吸附公式,它代表了在均勻表面上吸附分子間彼此沒(méi)有相互作用得情況下,單分子層吸附達(dá)到平衡時(shí)得規(guī)律。,2FREUNDLICH等溫式,對(duì)于在等溫情況下,吸附熱隨著覆蓋率(即吸附量)得增加,呈對(duì)數(shù)下降得吸附平衡,F(xiàn)REUNDLICH提出下列公式,QEKPE1/N,QEK’YE1/N,或,式中,K,K’FREUNDLICH吸附系數(shù),N和溫度有關(guān)得常數(shù),一般認(rèn)為N210時(shí)為易吸收過(guò)程;N05時(shí)為難吸附過(guò)程。,FREUNDLICH等穩(wěn)式是經(jīng)驗(yàn)公式,適用于低濃度氣體或的濃度溶液未知組成物得吸附。,11,1313吸附設(shè)備及計(jì)算,1接觸式吸附設(shè)備及計(jì)算,,常見(jiàn)的接觸式吸附裝置為接觸式過(guò)濾吸附器,如圖132所示,它屬于分級(jí)接觸,適用于處理液態(tài)溶液。其特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,操作容易。,按照原料、吸附細(xì)致的不同,操作方式可分為單級(jí)吸附和多級(jí)吸附,多級(jí)吸附又分為多級(jí)錯(cuò)流和多級(jí)逆流吸附。,12,1313吸附設(shè)備及計(jì)算,①單級(jí)吸附,,對(duì)吸附質(zhì)進(jìn)行物料衡算,,式中,W溶液中溶劑的質(zhì)量,KGL吸附劑的質(zhì)量,KGY0、Y1吸附質(zhì)再吸附槽進(jìn)、出扣溶液中的質(zhì)量必,KG吸附質(zhì)/KG(溶劑);X0,X1吸附質(zhì)再吸附槽進(jìn)、出口吸附劑中的質(zhì)量比,KG吸附質(zhì)/KG吸附劑;,②多級(jí)錯(cuò)流吸附,13,1313吸附設(shè)備及計(jì)算,若吸附等溫式滿(mǎn)足FREUNDLICH公式,對(duì)低濃度的溶液,吸附平衡關(guān)系可寫(xiě)成XKY1/N,且,代入式(135),得,,常稱(chēng)固液比,②多級(jí)錯(cuò)流吸附,其特點(diǎn)式溶液經(jīng)過(guò)多級(jí)攪拌槽,而且各槽都補(bǔ)充新鮮吸附劑,下面討論兩級(jí)錯(cuò)流吸附。,14,1313吸附設(shè)備及計(jì)算,對(duì)吸附質(zhì)進(jìn)行物料衡算,,第一級(jí)WY0Y1L1X1X0,第二級(jí)WY1Y2L2X2X0,15,1313吸附設(shè)備及計(jì)算,若平衡關(guān)系滿(mǎn)足FREUNDLICH公式,,且X00,則,,,欲使吸附劑用量最小,必須使,,,對(duì)于一定的體系和分離要求,K,N,Y0和Y2均為常數(shù),結(jié)合上兩式得,16,1313吸附設(shè)備及計(jì)算,③多級(jí)逆流吸附,,對(duì)吸附質(zhì)進(jìn)行無(wú)聊衡算(設(shè)共有N級(jí)),第M級(jí),全范圍,17,1313吸附設(shè)備及計(jì)算,若平衡關(guān)系滿(mǎn)足FRENUNDLICH方程,則對(duì)二級(jí)逆流吸附情形,若X30,有,,第一,二級(jí),,,第二級(jí),,,消去,得,,18,1313吸附設(shè)備及計(jì)算,2固定床吸附設(shè)備,,固定床式最常用得吸附分離設(shè)備,屬間歇操作。,優(yōu)點(diǎn)它結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、造價(jià)低、吸附劑磨損少、操作易掌握、操作彈性大,可用于氣相、液相吸附,分離效果好,缺點(diǎn)吸附劑用量較大,容易出現(xiàn)局部過(guò)熱地現(xiàn)象,影響吸附。,19,1313吸附設(shè)備及計(jì)算,吸附負(fù)荷曲線(xiàn)與穿透曲線(xiàn),,,20,1313吸附設(shè)備及計(jì)算,,吸附負(fù)荷曲線(xiàn)與穿透曲線(xiàn)的關(guān)系,21,1313吸附設(shè)備及計(jì)算,固定床吸附分離計(jì)算,5個(gè)假設(shè),(1)傳質(zhì)區(qū)高度ZA與未飽和吸附容量F的確定,(2)傳質(zhì)區(qū)傳質(zhì)單元數(shù)的確定,22,1313吸附設(shè)備及計(jì)算,移動(dòng)床吸附器又稱(chēng)“超吸附塔”,移動(dòng)床吸附器又稱(chēng)“超吸附塔”,對(duì)原水與處理要求較低,操作管理方便。,,,23,132膜分離,1321概述1322分離膜與膜組件1323反滲透與納濾1324超濾與微濾1325滲透氣化與蒸汽滲透1326氣體分離1327膜接觸器1328電滲析1329膜組件特性及膜污染防治,24,1321概述,膜分離是以對(duì)組分具有選擇性透過(guò)功能的膜為分離截至,通過(guò)在膜兩側(cè)施加(或存在)一種或多種推動(dòng)力,使原料中的膜組分選擇性地優(yōu)先透過(guò)膜,從而達(dá)到混合物分離,并視線(xiàn)產(chǎn)物地提取、濃縮、純化等目的的一種新型分離過(guò)程。,推動(dòng)力,壓力差(也稱(chēng)跨膜壓差)、濃度差、電位差、溫度差等。,概念,如微濾(MF)、超濾(UF)、納濾(NF)與反滲透(RO)都是以壓力差微推動(dòng)力的膜分離過(guò)程。,25,1322分離膜與膜組件,1膜的種類(lèi)及型式,按材料的來(lái)源可分為天然生物膜與人工合成膜;按膜分離過(guò)程的推動(dòng)力可分為壓力差、電位差、濃度差、溫度差等膜;按膜的結(jié)構(gòu)可分為對(duì)稱(chēng)和非對(duì)稱(chēng)膜兩大類(lèi),其中非對(duì)稱(chēng)膜還可細(xì)分為多孔膜、疊合膜以及復(fù)合膜等。,,26,1322分離膜與膜組件,2膜材料及制膜方法,27,1322分離膜與膜組件,3各種膜組件,,28,1323反滲透與納濾,1溶液滲透壓,,反滲透借助半透膜對(duì)溶液中溶質(zhì)的截流作用,以壓差為推動(dòng)力,使溶劑透過(guò)半透膜,從而達(dá)到溶液脫溶質(zhì)的目的。,29,1323反滲透與納濾,在反滲透過(guò)程的設(shè)計(jì)中,溶液的滲透壓數(shù)據(jù)是必不可少的。對(duì)于多組分體系得稀溶液,可用擴(kuò)展的范特霍夫滲透壓公式計(jì)算溶液的滲透壓,,式中,CI溶質(zhì)物質(zhì)的量濃度,KMOL/M3N溶液中的組分?jǐn)?shù)。,,對(duì)電解質(zhì)水溶液,常引入滲透壓系數(shù)來(lái)校正偏離程度,對(duì)水溶液中溶質(zhì)I組分,其滲透壓可用下式計(jì)算,,在實(shí)際應(yīng)用中,常用以下簡(jiǎn)化方程計(jì)算,,30,1323反滲透與納濾,2反滲透基本機(jī)理,,31,1323反滲透與納濾,3反滲透膜通量,基于SOURIRAJAN的優(yōu)先吸附毛細(xì)孔流動(dòng)機(jī)理,溶劑和溶質(zhì)通量可用KIMURASOURIRAJAN模型求算,溶劑通量,溶質(zhì)通量,,32,1323反滲透與納濾,4反滲透與納濾膜的截流率,在反滲透過(guò)程中,膜的分離性質(zhì)一般用截流率R表示,,式中,C0、CP分別為原料液和透過(guò)液的濃度,KMOL/M3。,在納濾過(guò)程中,則常用脫鹽率T來(lái)表示,,33,1323反滲透與納濾,5.膜過(guò)程設(shè)計(jì),①過(guò)程回收率,定義透過(guò)夜體積與原料液體積之比Η稱(chēng)為回收率,即,截流液和透過(guò)夜?jié)舛?、回收率和截流率的函?shù)關(guān)系如下,溶質(zhì)的損失率與膜的截留率和回收率有關(guān),可用下式表示,34,1323反滲透與納濾,②過(guò)程脫除率,對(duì)納濾過(guò)程,由于一次脫鹽率通常較低,一般需經(jīng)多次脫除,因此還取決于過(guò)程的總脫鹽率。在恒容脫鹽過(guò)程中,假定料液體積V0為常數(shù),則料液中鹽的濃度由C0降到C1?,透過(guò)夜的總體積為VP,若過(guò)程對(duì)鹽的脫鹽率T恒定不變,則有,,,設(shè),則有,,,35,1324超濾與微濾,1超濾的基本原理,超濾是通過(guò)莫德篩分作用將溶液中大于膜孔的大分子溶質(zhì)截留,使這些溶質(zhì)與小分子溶劑分離的膜過(guò)程。,,36,1324超濾與微濾,2濃差極化與凝膠層阻力模型,,圖13-25超濾過(guò)程中的濃差極化和凝膠層形成現(xiàn)象A濃差極化;B凝膠層現(xiàn)象,式中,稱(chēng)為濃差極化比,其值越大,濃差極化現(xiàn)象越嚴(yán)重。,,超濾過(guò)程的透過(guò)率為,通量與過(guò)率時(shí)間的05次方衰減的關(guān)聯(lián)式,37,1324超濾與微濾,3超濾過(guò)程工藝流程,,38,1325滲透氣化與蒸汽滲透,1滲透汽化及蒸汽滲透原理,滲透汽化是指液體混合物在膜兩側(cè)壓差得作用,利用膜對(duì)被分離混合物中某組分有優(yōu)先選擇性透過(guò)膜得特點(diǎn),使料液側(cè)優(yōu)先滲透組分滲透通過(guò)膜,在膜得下游側(cè)汽化去除,從而達(dá)到混合物分離提純得一種新型膜分離技術(shù)。,蒸汽滲透過(guò)程與滲透汽化過(guò)程不同之處是,蒸汽滲透為氣相進(jìn)料,相變過(guò)程通常發(fā)生在進(jìn)裝置前,在過(guò)程中蒸汽相滲透通過(guò)膜,達(dá)到混合物的分離與純化。,,39,1325滲透氣化與蒸汽滲透,2滲透通量和分離因子,根據(jù)滲透氣化傳遞過(guò)程的基本原理,組分A,B通過(guò)膜的滲透速率可用下式表示,,,式131、(132)括號(hào)中的第二項(xiàng)可略,式(131)除以式(132),并簡(jiǎn)化后可得,(131),(132),40,1326氣體分離,1氣體在膜內(nèi)的傳遞機(jī)理,,41,1326氣體分離,2氣體的選擇性和滲透性,對(duì)于理想氣體在多孔膜中的傳遞,如果膜兩側(cè)的氣體總壓力、溫度相等,則可用氣體的分壓差作為推動(dòng)力來(lái)表示。若忽略主體流動(dòng),則氣體的滲透通量可用費(fèi)克定律來(lái)計(jì)算,,為有效擴(kuò)散系數(shù),,的計(jì)算與氣體在膜孔內(nèi)的流動(dòng)狀態(tài)有關(guān),一般根據(jù)努森(KNUDSEN)數(shù)的大小來(lái)區(qū)分,努森數(shù)KN可用下式計(jì)算,,,,42,1326氣體分離,當(dāng)KN≥001時(shí),黏性流流動(dòng),可用HAGENPOISEUILLE定律描述。在這種黏性流動(dòng)范圍內(nèi),氣體混合物不能被膜分離。,當(dāng)KN≥10,尤其當(dāng)KN≥10時(shí),氣體分子平均自由成遠(yuǎn)大于膜孔徑,此類(lèi)擴(kuò)散現(xiàn)象稱(chēng)為努森擴(kuò)散,氣體以努森擴(kuò)散機(jī)理通過(guò)膜。,當(dāng)KN數(shù)介于以上值之間,尤其當(dāng)KN數(shù)在1附近時(shí)擴(kuò)散為過(guò)渡區(qū)擴(kuò)散。已知分子擴(kuò)散和努森擴(kuò)散系數(shù),則過(guò)渡區(qū)的擴(kuò)散系數(shù)可近似用下式計(jì)算,,43,1326氣體分離,3非多孔膜內(nèi)的擴(kuò)散,氣體在致密膜中通過(guò)溶解與擴(kuò)散傳遞,其傳遞過(guò)程由三步組成氣體在膜上游表面吸著(SORPTION);吸著在膜上游表面的氣體在濃度差為推動(dòng)力下擴(kuò)散透過(guò)膜;氣體在膜下游表面的解吸或蒸發(fā)。,,44,1327膜接觸器,1膜接觸器得種類(lèi),膜接觸器是以多孔得疏水或親水膜做為傳遞介質(zhì),并與氣體吸收、液體萃取、氣提、蒸餾等過(guò)程相結(jié)合得一種新型得膜分離級(jí)數(shù)。,按氣液傳遞方式有氣液型、液氣型、液液型等三種。,按作用機(jī)理可分為膜基吸收、膜基萃取、膜基氣體、膜蒸餾等。,45,1327膜接觸器,,,,46,1327膜接觸器,2膜接觸器的傳遞原理,料液組分在膜接觸器的傳遞分三步從進(jìn)料相到膜面的傳遞、在膜內(nèi)微孔中的擴(kuò)散傳遞、以及膜下游側(cè)的滲透物的傳遞。,膜的傳質(zhì)系數(shù)與膜孔潤(rùn)濕物有關(guān),若膜孔被吸收液體潤(rùn)濕,則膜的傳質(zhì)系數(shù)可表示為,式中,為物質(zhì)I在吸收液體中的擴(kuò)散系數(shù),,如果膜孔被氣體充滿(mǎn),屬KNUDSEN流動(dòng),傳質(zhì)系數(shù),,47,1327膜接觸器,3膜接觸器的溫差極化,,由于膜面及冷、熱側(cè)流體主體間存在傳熱阻力,使熱側(cè)膜面的溫度低于其主體流溫度,冷側(cè)膜面的溫度高于其主體流溫度,膜的這一溫差極化,可以膜兩側(cè)的溫差來(lái)度量,,式中,為兩流體主題流的溫差;J為體積通量;為膜的導(dǎo)熱系數(shù);為熱焓;K為總傳熱系數(shù)。,,,,48,1328電滲析,1電滲析過(guò)程原理,,49,1328電滲析,2膜的唐南平衡,3電滲析過(guò)程中的傳遞現(xiàn)象,,50,1328電滲析,4電滲析器工藝參數(shù)計(jì)算,(1)水流線(xiàn)速度,(2)極限電流與操作電流密度,(3)電流效率的計(jì)算式,(4)脫鹽率,(5)膜對(duì)電壓,51,1328電滲析,5電滲析器及其脫鹽流程設(shè)計(jì),(1)電滲析器及其脫鹽流程,,,52,1328電滲析,(2)脫鹽級(jí)數(shù)的確定,,(3)實(shí)際操作電流密度確定,A.單臺(tái)一級(jí)多段或多級(jí)多段連續(xù)式流程,,B.部分循環(huán)式流程,電流密度求法同多級(jí)多段連續(xù)式相同,C.間歇循環(huán)式流程,,53,1328電滲析,(4)膜對(duì)數(shù)(面積)計(jì)算,A.對(duì)連續(xù)式流程,假定電流效率恒定,第N級(jí)的膜對(duì)數(shù),,總膜對(duì)數(shù)為,B.對(duì)部分循環(huán)連續(xù)式,只要將有關(guān)式中的Q、C用進(jìn)入各級(jí)的實(shí)際流量QR和濃度CR來(lái)代替,即可求出各級(jí)膜對(duì)數(shù)。,C.對(duì)間歇循環(huán)式,假定電流效率不便,則可采用對(duì)數(shù)平均電流密度作為一個(gè)批量的操作電流,取代式(133)中的IN即可。,(133),54,1329膜組件特性及膜污染防治,1膜組件傳質(zhì)特性比較,六種膜組件的傳質(zhì)特性參數(shù)比較,55,1329膜組件特性及膜污染防治,2膜污染防治,(1)減輕膜污染的方法,A.原料液預(yù)處理及溶液特性控制,B.膜材料與膜的選取,C.膜組件及膜器運(yùn)行條件選擇,56,1329膜組件特性及膜污染防治,(2)膜的清洗與保存,A.清洗方法,B.膜的恢復(fù),C.膜的滅菌保護(hù)滅菌的目的在于膜存放或組件維護(hù)期間殺滅微生物或防止微生物在膜上生長(zhǎng)。,
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