其它傳質(zhì)分離方法

1、原理，實(shí)施方法，工業(yè)應(yīng)用12 其它傳質(zhì)分離方法 12.1 結(jié)晶12.1.1 概述一、結(jié)晶結(jié)晶：由蒸汽、溶液或熔融物中析出固態(tài)晶體的操作。溶液結(jié)晶：采用降溫或濃縮的方法使溶液達(dá)到過飽和狀態(tài)，析出溶質(zhì)，以大規(guī)模制取固體產(chǎn)品。過飽和度的產(chǎn)生過程的推動(dòng)力 蒸發(fā) (c-c*)-過飽和度 冷卻 （t*-t）-過冷度 反應(yīng)二、特點(diǎn) 能從雜質(zhì)含量較多的混和液中分離出高純度的晶體； 高熔點(diǎn)混合物、相對(duì)揮發(fā)度小的物系、共沸物、熱敏性物質(zhì)等物質(zhì)的分離；結(jié)晶熱一般為汽化熱的1/31/7，過程的能耗較低。三、產(chǎn)品的質(zhì)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(zhì)在溶劑中的溶解度隨溫度而變化的關(guān)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(chǎn)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(jié)晶 eg線蒸發(fā)除去溶劑蒸發(fā)結(jié)晶 ef線陡峭的曲線選用冷卻結(jié)晶有利；平坦的曲線選用蒸發(fā)結(jié)晶有利。12.1.3結(jié)晶機(jī)理與動(dòng)力學(xué)結(jié)晶速率：包括成核速率和結(jié)晶成長速率。影響結(jié)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(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)，若晶體為非水合物，w2=1;若為水合物時(shí)，w2=溶質(zhì)分子量/晶體分子量。如：Na2CO3相對(duì)分子質(zhì)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(jié)晶 + Fcp(t1-t3) + Q汽化潛熱 溶液結(jié)晶放熱 溶液降溫放熱 外界加熱12.1.5 結(jié)晶設(shè)備結(jié)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(gè)或幾個(gè)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(zhì)分子單層或多層地覆蓋于吸附劑表面。化學(xué)吸附：由于吸附質(zhì)與吸附劑表面原子間的化學(xué)鍵合作用，使吸附質(zhì)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(zhì)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(jī)物，如：脫水中的有機(jī)物。分子篩晶格結(jié)構(gòu)一定、有許多孔徑大小均一微孔，起篩選分子作用，選擇性強(qiáng)。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(jià)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(xué)穩(wěn)定性高，微孔尺寸大小均一，強(qiáng)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(zhì)經(jīng)反應(yīng)引進(jìn)官能團(tuán)。有非極性、中極性、極性和強(qiáng)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(gè)空位都單層吸滿吸附質(zhì)分子時(shí)的吸附量: kg吸附質(zhì)/kg吸附劑。 與溫度、吸附劑結(jié)構(gòu)、性質(zhì)有關(guān)。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(nèi)孔腔體積)和內(nèi)孔隙率：五、工業(yè)吸附對(duì)吸附劑的要求 有較大的內(nèi)表面活性高選擇性高具有一定的機(jī)械強(qiáng)度具有良好的化學(xué)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(shí)間接觸，達(dá)平衡時(shí)吸附劑的吸附量x(kg/kg)與氣相（液相）中的吸附質(zhì)組分分壓p（或濃度c）的關(guān)系曲線。低濃度時(shí)，x=Hc或 x=Hp 當(dāng)濃

6、度較高時(shí)，可用不同的模型來擬合xp(c)的相平衡關(guān)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(zhì)及吸附速率一、 傳質(zhì)機(jī)理吸附傳質(zhì)分外擴(kuò)散、內(nèi)擴(kuò)散及吸附三步。 吸附過程為內(nèi)擴(kuò)散控制。二、吸附速率外擴(kuò)散：NA=kf(c-ci)內(nèi)擴(kuò)散：NA=ks(xi-x)用總傳質(zhì)系數(shù)表示：NA=Kf(c-ce)=Ks(xe-x) 對(duì)于內(nèi)擴(kuò)散控制的吸附過程，總傳質(zhì)系數(shù)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(fù)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(diǎn): cB0.05c1, 透過時(shí)間B飽和點(diǎn): cS0.95c1, 飽和時(shí)間S透過曲線濃度波: 鏡面對(duì)稱實(shí)驗(yàn)測(cè)定c出，可確定濃度波，L0，KS 。12.2.5 吸附分離設(shè)備（1）實(shí)施方法（2）工業(yè)應(yīng)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(shù)肝素誘導(dǎo)體外低密度脂蛋白沉淀術(shù)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(jìn)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(duì)流體混合物中的各組分的選擇性滲透從而分離各個(gè)組分的方法。推動(dòng)力：膜兩側(cè)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(diǎn)：組分不發(fā)生相變化，所以能耗低；在常溫下進(jìn)行，對(duì)食品及生物藥品的加工特別適合；不僅可除去病毒、細(xì)菌等微粒，而且也可除去溶液中大分子和無機(jī)鹽，還可分離共沸物或沸點(diǎn)相近的組分；由于以壓差及電位差為推動(dòng)力，因此裝置簡單，操作方便。三、膜材料及對(duì)膜的要求* 分為無機(jī)膜及有機(jī)膜兩類 有機(jī)膜 無機(jī)膜* 對(duì)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(zhì)的濃度。2、透過速率J kmol/(m2.s)J將隨時(shí)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(zhì)的分子量為膜的截留分子量。足夠的機(jī)械強(qiáng)度和化學(xué)穩(wěn)定性。12.3.2 反滲透一、原理水和鹽水用固體膜隔開時(shí)，滲透達(dá)平衡，鹽水液位升高h(yuǎn)，將=gh稱為滲透壓。滲透壓的大小是溶液的物性，且與溶質(zhì)的濃度有關(guān)，見表12-4。當(dāng)在鹽水一側(cè)施加壓力，使鹽水與水的壓差達(dá)p>時(shí)，水將從鹽水一側(cè)向純水側(cè)作反向移動(dòng)，此稱為反滲透。二、工業(yè)應(yīng)用 海水脫鹽制飲用水通常飲用水的鹽含量為0.05%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)），海水的鹽含量在3.5%，其相應(yīng)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(chǎn)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(shù)，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(jīng)濟(jì)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(lián)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(chǎn)生3億立方米淡水。國際海水淡化的售水價(jià)格已從20世紀(jì)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(jià)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(dòng)力、用固體多孔膜截留混和物中的微粒和大分子溶質(zhì)而使溶劑透過膜孔的分離操作。二、工業(yè)應(yīng)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(xiàn)出混濁狀。傳統(tǒng)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(shí)果汁的回收率也有所提高，達(dá)98%99%。另外經(jīng)超濾處理的果汁質(zhì)量也有所提高，濁度僅0.40.6NTU（傳統(tǒng)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(zhì)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(jī)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(dòng)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(dòng)以達(dá)到脫除或富集電解質(zhì)的操作。離子交換膜被譽(yù)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(shí)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(yīng)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(duì)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(jié)堵塞。通常用胺吸收法，其缺點(diǎn)：投資費(fèi)用高；再生問題；環(huán)境污染。膜法優(yōu)點(diǎn)：利用井下天然氣13.8MPa的高壓進(jìn)行膜分離；無環(huán)境污染的防火問題；投資費(fèi)用低。12.3.6膜分離設(shè)備（1）平板式膜分離器優(yōu)點(diǎn):不易堵塞，壓降較小，60500m2