第七讲-其它分离技术和分离过程与选择课件.ppt
- 【下载声明】
1. 本站全部试题类文档,若标题没写含答案,则无答案;标题注明含答案的文档,主观题也可能无答案。请谨慎下单,一旦售出,不予退换。
2. 本站全部PPT文档均不含视频和音频,PPT中出现的音频或视频标识(或文字)仅表示流程,实际无音频或视频文件。请谨慎下单,一旦售出,不予退换。
3. 本页资料《第七讲-其它分离技术和分离过程与选择课件.ppt》由用户(晟晟文业)主动上传,其收益全归该用户。163文库仅提供信息存储空间,仅对该用户上传内容的表现方式做保护处理,对上传内容本身不做任何修改或编辑。 若此文所含内容侵犯了您的版权或隐私,请立即通知163文库(点击联系客服),我们立即给予删除!
4. 请根据预览情况,自愿下载本文。本站不保证下载资源的准确性、安全性和完整性, 同时也不承担用户因使用这些下载资源对自己和他人造成任何形式的伤害或损失。
5. 本站所有资源如无特殊说明,都需要本地电脑安装OFFICE2007及以上版本和PDF阅读器,压缩文件请下载最新的WinRAR软件解压。
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 第七 其它 分离 技术 过程 选择 课件
- 资源描述:
-
1、第七章第七章 其它分离技术和分离过程的选择其它分离技术和分离过程的选择 7.1 7.1 膜分离技术膜分离技术7.2 7.2 吸附分离吸附分离7.3 7.3 反应精馏反应精馏7.4 7.4 分离过程的选择分离过程的选择7.1 膜分离技术膜分离技术1、膜分离的概念:、膜分离的概念:利用膜的选择性(孔径大小),以膜的两侧存在的能量差作为推动力,因溶液中各组分透过膜的迁移速率不同而实现分离的一种技术。2、膜分离技术的类型和定义 膜分离过程的实质是物质透过或被截留于膜的过程,近似于筛分过程,依据滤膜孔径大小而达到物质分离的目的,故而可以按分离粒子大小进行分类:(1)微滤:)微滤:以多孔细小薄膜为过滤介质
2、,压力为推动力,使不溶性物质得以分离的操作,孔径分布范围在0.02514m之间;(2)超滤:)超滤:分离介质同上,但孔径更小,为0.0010.02 m,分离推动力仍为压力差,适合于分离酶、蛋白质等生物大分子物质;(3)反渗透)反渗透:是一种以压力差为推动力,从溶液中分离出溶剂的膜分离操作,孔径范围在0.00010.001 m之间;(由于分离的溶剂分子往往很小,不能忽略渗透压的作用,故而成为反渗透);(4)纳滤:)纳滤:以压力差为推动力,从溶液中分离3001000小分子量的膜分离过程,孔径分布在平均2nm(5)电渗析)电渗析:以电位差为推动力,利用离子交换膜的选择透过性,从溶液中脱除或富集电解质
3、的膜分离操作;膜分离具有分离温度低,无相变,能耗低等特点。常见膜分离过程见P205表7-17.1.1分离用膜和膜分离设备一、膜的种类1、膜的定义、膜的定义 在一种流体相内或两个流体相之间有一薄层凝聚相物质,把流体相分隔开来成为两部分,这一薄层物质称为膜。u膜本身是均一的一相或由两相以上凝聚物构成的复合体u被膜分开的流体相物质是液体或气体u膜的厚度应在0.5mm以下,否则不能称其为膜。2、膜的分类 按孔径大小:微滤膜、超滤膜、反渗透膜、按孔径大小:微滤膜、超滤膜、反渗透膜、纳滤膜纳滤膜 按膜结构:对称性膜、不对称膜、复合膜按膜结构:对称性膜、不对称膜、复合膜 按材料分:合成有机聚合物膜、无机材料
4、膜按材料分:合成有机聚合物膜、无机材料膜分离系数分离系数AAAAxxyy11通量衰减系数mmJJ0截留率截留率R%100FPFcccR3、对膜材料的特性的要求 对于不同种类的膜都有一个基本要求对于不同种类的膜都有一个基本要求:(1)耐压:膜孔径小,要保持高通量就必须施加较耐压:膜孔径小,要保持高通量就必须施加较高的压力,一般膜分离操作的压力范围在高的压力,一般膜分离操作的压力范围在0.10.5MPa反渗透膜的压力更高反渗透膜的压力更高,约为,约为110MPa(2)耐高温耐高温:高通量带来的温度升高和清洗的需要高通量带来的温度升高和清洗的需要(3)耐酸碱:防止分离过程中,以及清洗过程中的耐酸碱:
5、防止分离过程中,以及清洗过程中的水解;水解;(4)化学相容性:保持膜的稳定性;化学相容性:保持膜的稳定性;(5)生物相容性:防止生物大分子的变性;生物相容性:防止生物大分子的变性;(6)成本低;成本低;4、各种膜材料 有机高分子膜:有机高分子膜:纤维素酯膜、缩合系聚合物(聚砜类)、纤维素酯膜、缩合系聚合物(聚砜类)、聚烯烃及其共聚物、脂肪族或芳香族聚聚烯烃及其共聚物、脂肪族或芳香族聚酰胺类聚合物、全氟磺酸共聚物和全氟酰胺类聚合物、全氟磺酸共聚物和全氟羧酸共聚物、聚碳酸酯;羧酸共聚物、聚碳酸酯;无机多孔膜:陶瓷膜无机多孔膜:陶瓷膜二、膜分离设备共同的特点共同的特点尽可能大的膜表面积可靠的支撑装置
6、可引出透过液膜表面浓度差极化达到最小1、板框式膜器特点:过滤板相对独立、过滤面积大、结构紧凑、便于清洗,检修和换膜。但耐受压力低,适于超滤单元操作2、卷式膜器、卷式膜器特点:膜面积大、湍流情况良好、适用于反渗透3、管式膜器、管式膜器特点:无需支撑物,可耐受高压,设备结构得到简化可用于反渗透、超滤、微滤7.1.2 反渗透(RO)一、基本原理 反渗透是利用反渗透膜选择性地只能透过溶剂而截留离子物质的的性质,对溶液施加压力克服溶剂渗透压,使溶剂从溶液中透过反渗透膜而分离出来的过程。1、渗透 渗透是由于化学位存在梯度而引起的自发扩散现象。溶液中水的化学势纯水的化学势1,PTaRTPTPTln11,纯水
7、的 a 1,溶液中 水的活度a 1,即RTlna2t时,溶质将透过膜。膜上毛细孔径2t时得到最大的纯水渗透量,此孔径称为临界孔径。膜表面的物理化学性质和合适的孔径为实现反渗透的必要条件。通过膜的渗透量:PAJW溶质渗透量22MAMMAiMiWAAxcxcDJ 若xMAi和xMA2分别与溶液浓度xAi和xA2呈线性平衡关系。MAMAxKccx 222AAiMAAAiiMAAccKDxcxcKDJ三、浓差极化 在反渗透过程中,因膜的选择性透过,溶剂从高压侧透过膜到低压侧,溶质则大部分被拦截积累在膜高压侧表面上溶质的“聚集浓缩作用”造成由膜表面到主体溶液之间的浓度梯度,引起溶质从膜表面通过边界层向主
8、体溶液的扩散,这种现象称为浓差极化。1、浓差极化定义xMAixAi边界层膜xA1xMA2xA2JxA1xAcZ=0Z=1JA xA2dZdxcDAWA稳态过程,在截面、间对溶质A作物料衡算021AAWAAJxdZdxcDJx从Z=0(xA=xA1)到Zl(xA=xAi)积分AiAxxAAAlWAxxdxcDJdZ120ckJcDJlxxxxWAAAAAi212lnckJxxxxAAAAiexp212反渗透过程截留率高xAixA1xA2,则ckJxxAAiexp1xAixA1叫作浓差极化比,比值大,浓差极化严重。2、浓差极化对过程的不利影响(1)因膜表面渗透压的升高将导致溶剂通量下降;(2)溶质
9、通过膜的通量上升;(3)溶质在膜表面的浓度超过其溶度积而形成沉淀并堵塞膜孔和减少容积通量(4)导致膜分离性能改变(5)出现膜污染,严重时导致反渗透膜透水性大大下降,甚至消失。3、减小浓差极化危害的措施有效途径是提高传质系数,常用措施有:提高料液流速;增强料液湍动程度;提高操作温度;对膜面进行定期清洗。4、渗透通量的影响因素(1)操作压差(2)温度(3)料液流速(4)料液的浓缩程度(5)膜材料与结构四、反渗透过程工艺流程 分为一级一段循环式、一级一段连续式和一级多段连续式多种。P211图7-97.1.3 超滤(UF)所用膜为聚砜、聚酰胺、聚丙所用膜为聚砜、聚酰胺、聚丙烯腈、聚碳酸酯、聚偏氟乙烯和
10、醋酸纤维烯腈、聚碳酸酯、聚偏氟乙烯和醋酸纤维素等制成的不对称膜。表面活性层孔径素等制成的不对称膜。表面活性层孔径120nm,截留分子量,截留分子量500的大分子和的大分子和胶体微粒,操作压差胶体微粒,操作压差0.10.5MPa。超滤常用于纯水制造、工业排放超滤常用于纯水制造、工业排放废水的处理、和产品加工,在化工、医药、废水的处理、和产品加工,在化工、医药、食品、轻工、机械和电子工业广泛应用。食品、轻工、机械和电子工业广泛应用。一、超滤的通量和浓差极化1、通量PAJV超滤xS小,小可忽略,溶剂通量溶质随溶剂透过膜的通量FVPVScRJcJJ12、浓差极化 与反渗透类似,溶质被膜截留在膜前造成积
11、累,出现溶质向料液主体扩散。对稳态过程,在截面、间对溶质作物料衡算dxdcDcJcJPVVJV,cPcmdxdcDcbJVc自边界层边缘(x=0)到膜表面(x=)积分kJDJccccccdcDdxJccdcDdxJVVPbPmccpVpVmbexpexp0 浓差极化使膜表面处溶质浓度提高,导致R和JV降低。超滤中,因溶质分子大,D小,浓差极化比较严重,cmcb,以致达饱和而形成凝胶层,此时R增大而JV大大降低。二、影响渗透量的因素1、操作压差为超滤的推动力,对JV起决定性作用。VJP纯水Rm小Rm大Cb增加 不同Rm下溶剂通量与压差关系见图。临界通量,JV不随压差增加而增加。料液浓度cb关系,
12、cb增大,临界通量减小。超滤操作压力常控制在接近临界通量的压差。2、料液速度 超滤多错流操作,流速高,传质系数大,浓差极化减轻渗通量增加。但压差大能耗高。3、温度 T高,液体粘度小,D大,传质系数高,JV大,在膜及料液允许时尽量采用较高的温度。4、截留液浓度 浓度大,粘度大,边界层厚度大,易形成凝胶JV降低。因此对固体浓度有一最大允许值。三、超滤流程 所用膜组件由板框式、螺旋卷式、管式和中空纤维等。流程分为间歇式和连续式两类。膜组件渗透液循环液料液(1)间歇操作开式回路(3)多级连续操作循环液渗透液膜组件料液(2)间歇操作闭式回路7.1.4 电渗析 电渗析技术是在直流电场的作用下,产电渗析技术
13、是在直流电场的作用下,产生阴阳离子的定向迁移,由于离子交换生阴阳离子的定向迁移,由于离子交换膜的阻隔作用,实现溶液的淡化和浓缩,膜的阻隔作用,实现溶液的淡化和浓缩,分离推动力是静电引力。分离推动力是静电引力。一、电渗析的基本原理一、电渗析的基本原理 离子交换膜为由高分子材料制成的具有离子交换团的薄膜。阳膜带负电荷的固定基团吸引溶液中带正电荷的粒子,;阴膜带正电荷的固定基团吸引溶液中带负电荷的粒子,而排斥溶液中带负电荷的粒子。膜具有选择性。电渗析的基本条件(1)直流电场使溶液中阳、阴离子作定向运动,阳离子移向阴极,阴离子移向阳极;(2)离子交换膜的选择性透过,溶液中离子作反离子迁移。二、电渗析过
14、程中的传递过程(1)反离子迁移(2)同名离子迁移(3)电介质的浓差扩散(4)水的渗透(5)渗漏(6)水的电渗析三、电极反应和电极电位四、离子交换膜的选择透过度 电极反应是指溶液中离子在电极表面上得到或失去电子而产生氧化还原反应。电极单位是电极与电解质溶液间的电位差。离子迁移数某一种离子在膜内迁移量与全部离子在膜内迁移量的的比值。如阴膜-NaCl溶液体系中同名离子迁移数ClNaNaClNaNaNaQQQCCCt反离子迁移数ClNaClClNaClClQQQCCCt 膜的选择透过度P为反离子在膜内迁移数世纪增值与理想增值之比。%1001%100gggggggtttttttP 通常要求使用的离子交换
15、透过膜选择透过度大于85。反离子迁移数大于0.9。五、浓差极化和极限电流密度五、浓差极化和极限电流密度六、电渗析器流程 多采用板框式电渗析器,流程可分为连续式和间歇式,连续流程又有二级电渗析器和三级电渗析器,见书P218。7.1.5 气体膜分离一、基本原理u 是指利用气体混合物中各组分在致密膜中渗透速率是指利用气体混合物中各组分在致密膜中渗透速率的不同而使各组分分离的过程的不同而使各组分分离的过程 气体膜分离的机理由多种,按溶解-扩散模型过程分三步:(1)在膜高压侧,气体混合物中的渗透组分溶解在膜表面上;(2)溶解在膜表面的组分从膜高压侧通过分子扩散传递到膜的低压侧;(3)在膜低压侧表面的组分
16、解吸到气相。二、影响渗透通量与分离系数的因素1、膜材料2、膜厚度 活性厚度小,渗透通量大。通常制成具有极薄(小于500埃)致密活性层的非对称性膜和复合膜。,3、温度 T上升,渗透通量增加。4、压力 P上升,渗透通量增加。四、气体膜分离的应用1、工业气体中氢的回收2、氧氮分离3、天然气中氦的提取4、二氧化碳的分离四、气体分离膜与设备1、气体分离膜(1)阻力复合膜(2)起分离作用的超薄膜与多孔性及膜形成的复合膜2、气体膜分离设备(1)中空纤维管式膜器(2)卷式膜器五、气体膜分离流程 当分离要求高时,需采用多个膜分离器串联使用。常见组合方式有:1、简单级联2、精馏级联3、提馏级联4、完全级联7.1.
17、6 液膜分离液膜分离是将第三种液体粘成膜状以分离两个液相,由于液膜的选择性透过性,原料液的某些组分透过膜进入接收液,实现三组分的分离。7.2 吸附分离吸附分离7.3 反应精馏 反应精馏一方面成为提高分离效率而将反应与精馏相结合的一种分离操作,另一方面则成为提高反应收率而借助于精馏分离手段的一种反应过程。反应精馏是在进行反应的同时,用精馏方法分离产物的过程。反应精馏概念1921年提出;20世纪3060年代针对某些特定体系的工艺进行研究;60年代开始对反应精馏的一般规律进行研究。反应精馏的优点:反应精馏的优点:(1)可增加反应的转化率和选择性;(2)提高反应速度,增大生产能力;(3)利用反应热,节
18、省能量;(4)节省设备投资;(5)对某些难分离物系,可利用反应精馏获得较纯产品。7.3.1 反应精馏的应用一、利用精馏促进反应的反应精馏1、对于可逆反应、对于可逆反应 醋 酸 甲醋 酸 甲酯酯醋酸醋酸硫酸硫酸不纯物不纯物自不纯物回自不纯物回收塔返回收塔返回甲醇甲醇水水 应用反应精馏可在一定应用反应精馏可在一定程度上变可逆反应为不可逆程度上变可逆反应为不可逆反应,且可到很纯的产物。反应,且可到很纯的产物。如如1983年开发的反应精馏生年开发的反应精馏生产醋酸甲酯的工艺产醋酸甲酯的工艺。OHCOOCHCHOHCHCOOHCHSOH2333342 2、对于连串反应对于连串反应ARSRS当S为目的产物
19、 原料首先生成中间产物R,在进一步得到目的产物S,两步反应条件一般不同,传统工艺需在两个反应器中进行,有时尚需中间产物的精馏。反应精馏可使反应在同一塔设备的两个反应区进行,同时利用精馏作用提供合适的浓度和温度分布,缩短反应时间,提高收率和产品纯度。当R为目的产物,可利用反应精馏的分离作用,把R尽快移出反应区,避免副反应进行。二、利用反应促进精馏的反应精馏 如分离沸点相近的同分异构体,可利用其与反应添加剂反应能力的差异,通过反应精馏而实现异构体的分离。此时往往需要双塔,在1塔加入第三组分,使其与异构体之一优先发生可逆反应生成难挥发的化合物,不反应的异构体自塔顶馏出反应添加剂和反应产物从塔釜出料进
20、入2塔,该塔中反应产物发生可逆反应,通过精馏作用塔顶采出异构体,塔釜出料为反应添加剂再循环至1塔。同分异构体A+B第三组分异构体A异构体B该类反应精馏的基本条件该类反应精馏的基本条件:1)反应是快速可逆的,反应产物仅存于塔内,不污染产品;2)添加剂必须选择性地与异构体之一反应;3)添加剂、异构体和反应产物沸点间关系符合精馏要求。三、三、催化精馏催化精馏 实质是非均相催化反应精馏,即将催化剂填充于精馏塔中,它既起加速反应的催化作用,又作为填料起分离作用。其具有反应精馏的全部特点,既适用于可逆反应,又适用于连串反应。MTBE(甲基叔丁基醚)催化精馏流程,反应放热用于产物分离上,有明显节能效果,水电
展开阅读全文