化工原理第十三章其他分离过程

13.1.3吸附设备及计算
• 移动床吸附器又称“超 吸附塔”，移动床吸附 器又称“超吸附塔”， 对原水与处理要求较低 ，操作管理方便。
13.2膜分离
• 13.2.1概述 • 13.2.2分离膜与膜组件 • 13.2.3反渗透与纳滤 • 13.2.4超滤与微滤 • 13.2.5渗透气化与蒸汽渗透 • 13.2.6气体分离 • 13.2.7膜接触器 • 13.2.8电渗析 • 13.2.9膜组件特性及膜污染防治
化工原理第十三章其他分离 过程
13.1 吸附
• 13.1.1概述 • 13.1.2 吸附平衡 • 13.1.3吸附设备及计算
13.1.1概述
• 吸附
• 多孔性固体表面的分子或原子因受力不均而具有剩余的 表面能，当流体中的某些物质碰撞固体表面时，受到这 些不平衡力的作用就会停留在固体表面上。
• 具有吸附作用的物质，称为吸附剂，被吸附的物质称为 吸附质。常见的吸附剂有活性炭、磺化煤、焦碳、木炭
•聚酰（亚）胺
•二醋酸纤维素、三醋酸纤维素、聚芬香酰胺类、聚合苯并咪唑（酮） 聚酰（亚）胺、聚酰 胺酰阱、聚醚脲等
•含有离子基团的聚电解质：磺酸型、季胺型等 •四氟乙烯和含磺酸或羧酸的全氟单体共聚物
•弹性态或玻璃态聚合物;聚丙稀腈、聚乙烯醇、聚丙稀酰胺
•弹性态聚合物：聚二甲硅氧烷、聚甲基戊烯 •玻璃态聚合物：聚酰亚胺、聚砜
• 常见的接触式吸附装置为接触式过滤吸附器，如图13— 2所示
• 它属于分级接触，适用 于处理液态溶液。其特点 是结构简单，操作容易。
• 按照原料、吸附细致的不 同，操作方式可分为单级 吸附和多级吸附，多级吸 附又分为多级错流和多级 逆流吸附。
13.1.3吸附设备及计算
①单级吸附
• 对吸附质进行物 料衡算
• 在实际应用中，常用以下简化方程计算
13.2.3反渗透与纳滤
• 2.反渗透基本机理
13.2.3反渗透与纳滤
• 3.反渗透膜通量
• 基于Sourirajan的优先吸附—毛细孔流动机理，溶剂和 溶质通量可用Kimura-Sourirajan模型求算
•
• 溶剂通量
• 溶质通量
13.2.3反渗透与纳滤
• 4.反渗透与纳滤膜的截流率
• 在反渗透过程中，膜的分离性质一般用截流率R表示
•
• 式中，c0、cP分别为原料液和透过液的浓度，kmol/m3 。
• 在纳滤过程中，则常用脱盐率T来表示：
13.2.3反渗透与纳滤
• 5．膜过程设计
• ① 过程回收率 • 定义透过夜体积与原料液体积之比η 称为回收率，即
• 通量与过率时间的0.5次方衰减的关联式
13.2.4超滤与微滤
• 3.超滤过程工艺流程
•
13.2.5渗透气化与蒸汽渗透
• 1.渗透汽化及蒸汽渗透原理
• 渗透汽化是指液体混合物在膜两侧压差得作用，利用膜对被
分离混合物中某组分有优先选择性透过膜得特点，使料液侧 优先渗透组分渗透通过膜，在膜得下游侧汽化去除，从而达 到混合物分离提纯得一种新型膜分离技术。
• V类 曲线一开始就下凹，吸附质较难被吸附，吸附量随气体中组 分浓度增加而缓慢上升，当接近饱和压力时，曲线趋于饱和，形 成多层吸附，有滞后效应。
• 2.液相在固体上的吸附平衡和吸附等温曲线
13.1.2 吸附平衡
• 液相吸附的机理比气相吸附要复杂，对大量有机化 合物吸附性能的研究表明 ：
（1）同族序列的有机化合物相对分子质量愈大， 吸附量愈 高；
• 如微滤（MF）、超滤（UF）、纳滤（NF）与反渗透 （RO）都是以压力差微推动力的膜分离过程。
13.2.2分离膜与膜组件
• 1.膜的种类及型式
• 按材料的来源可分为天然生物膜与人工合成膜；按膜分离 过程的推动力可分为压力差、电位差、浓度差、温度差等 膜；按膜的结构可分
• 为对称和非对称膜两 • 大类，其中非对称膜 • 还可细分为多孔膜、 • 叠合膜以及复合膜等。
•
q =k’y 1/ n ee
• ——式中，k,k’—Freundlich吸附系数
•
n—和温度有关得常数，一般认为n=2~10时为易吸收 过程；n<0.5时为难吸附过程。
•
Freundlich等稳式是经验公式，适用于低浓度气体或的浓度溶液 未知组成物得吸附。
13.1.3吸附设备及计算
• 1• .接： 触式吸附设备及计算
13.2.1概述
• 概念
• 膜分离是以对组分具有选择性透过功能的膜为分离截 至，通过在膜两侧施加（或存在）一种或多种推动力 ，使原料中的膜组分选择性地优先透过膜，从而达到 混合物分离，并视线产物地提取、浓缩、纯化等目的 的一种新型分离过程。
• 推动力
• 压力差（也称跨膜压差）、浓度 差、电位差、温度差等 。
13.1.2 吸附平衡
朗格缪尔关系式是一个理想得吸附公式，它代表了在均匀表面上吸 附分子间彼此没有相互作用得情况下，单分子层吸附达到平衡时 得规律。
• 2.Freundlich等温式
• 对于在等温情况下，吸附热随着覆盖率（即吸附量）得增加，
呈对数下降得吸附平衡，Freundlich提出下列公式：
• qe=kpe1/ n • 或
（2）溶解度小，疏水程度高，则易吸附； （3）一般芳香族化合物比脂肪族化合物更易吸附； （4）知链化合物比侧链化合物更易吸附。
•3.吸附等温方程
•用来描述等温吸附平衡的数学式，称为吸附等温方 程
13.1.2 吸附平衡
• ngmuir等温式
• 朗格缪尔单分子层吸附等温•式q：e=aqmpe/(1+ape)
13.1.3吸附设备及计算
• 若平衡关系满足Frenundlich方程： 逆流吸附情形，若X3=0，有
• 第一，二级
，则对二级
• 第二级
•消去
，得
13.1.3吸附设备及计算
• 2.固定床吸附设备
• 固定床式最常用得吸附分离设 备，属间歇操作。
• 优点：它结构简单、造价低、吸附剂 磨损少、操作易掌握、操作弹性大， 可用于气相、液相吸附，分离效果好
•疏水聚合物：聚四氟乙烯、聚丙稀、聚乙烯、聚偏氟乙烯
•亲水聚合物：再生纤维素、醋酸纤维素、乙烯－乙烯醇共聚物、乙烯－醋酸乙烯酯共聚物
13.2.2分离膜与膜组件
• 3.各种膜组件
13.2.3反渗透与纳滤
• 1.溶液渗透压
• 反渗透借助半透膜对溶液中溶质的截流作用，以压差 为推动力，使溶剂透过半透膜，从而达到溶液脱溶质 的目的。
•设
• 则有
13.2.4超滤与微滤
• 1.超滤的基本原理
• 超滤是通过莫德筛分作用将溶液中大于膜孔的大分子溶 质截留，使这些溶质与小分子溶剂分离的膜过程。
13.2.4超滤与微滤
• 2.浓差极化与凝胶层阻力模型
• 式中，
称
为浓差极化比，
• 超滤过程的•透其极过值化率越现为象大越，浓严差重
。
•
图13－25 超滤过程中的浓差极化和凝胶层形成现象 • (a)浓差极化；(b)凝胶层现象
13.2.3反渗透与纳滤
• 在反渗透过程的设计中，溶液的渗透压数据是必不可 少的。对于多组分体系得稀溶液，可用扩展的范特霍 夫渗透压公式计算溶液的渗透压
••
• 式中，ci—溶质物质的量浓度， kmol/m3;
• n—溶液中的组分数。 • 对电解质水溶液，常引入渗透压系数来
校正偏离程度，对水溶液中溶质i组分 ，其渗透压可用下式计算
13.1.3吸附设备及计算
若平衡关系满足Freundlich公式， ，且X0=0，则
•(
• 欲使吸附剂用量最小，必•须使
• 对于一定的体系和分离要求，K，n，Y0和Y2均为常数，结合 上两式得
13.1.3吸附设备及计算
③多级逆流吸附
• 对吸附质进行无聊衡算（设共有N级） • ：第m 级 • 全范 围
• III类 曲线下凹，吸附气体量随组分分压增加 而上升。
13.1.2 吸附平衡
IV类 能形成有限的多层吸附。开始吸附量随着气体中组分分压的增 加迅速增大，曲线凸起，吸附剂表面形成易于移动的单分子层吸 附；而后一段凸起的曲线表示由于吸附剂表面建立了类似液膜层 的多层分子吸附；两线段间的突变，说明有毛细孔的凝结现象。
系可写成：X=KY1/N，且，代入式（13—5），得
•
• 常称固液比
• ②多级错流吸 •附其特点式溶液经过多级搅拌槽，而且各槽都补充
新鲜吸附剂，下面讨论两级错流吸附。
13.1.3吸附设备及计算
• 对吸附质进行物料衡算
• 第一级 • 第二级
W(Y0—Y1)=L1(X1—X0) W(Y1—Y2)=L2(X2—X0)
• 缺点：吸附剂用量较大，容易出现局 部过热地现象，影响吸附 。
13.1.3吸附设备及计算
• 吸附负荷曲线与穿透曲线
13.1.3吸附设备及计算
• 吸附负荷曲线与穿透曲线的关系
13.1.3吸附设备及计算
• 固定床吸附分离计算 • 5个假设
• （1）传质区高度Za与未饱和吸附容量f 的确定
• （2）传质区传质单元数的确定
• 式中，W—溶液中溶剂的质量，kg;
•
L—吸附剂的质量，kg;
•
Y0、Y1—吸附质再吸附槽进、出扣溶液中的质量必，
kg(吸附质)/kg（出口吸附剂中的质量比
，kg(吸附质)/kg(吸附剂)；
• ②多级错流吸附
13.1.3吸附设备及计算
• 若吸附等温式满足Freundlich公式，对低浓度的溶液，吸附平衡关
、白土、炉渣及大孔径吸附树脂等。
• 吸附的分 类
• 按照吸附作用力性质的不同，吸附 可以分为物理吸附、化学吸附和离 子交换吸附。