新型分離技術(shù)和過程集成

1、第7章新型分離技術(shù)和過程集成7.1 膜分離第7章 新型分離技術(shù)和過程集成7.1.1 概述7.1.1.1 膜分離過程分類7.1 膜分離第7章 新型分離技術(shù)和過程集成7.1.1 概述7.1.1.1 膜分離過程分類7.1 膜分離第7章 新型分離技術(shù)和過程集成7.1.1 概述7.1.1.1 膜分離過程分類7.1 膜分離第7章 新型分離技術(shù)和過程集成7.1.1 概述7.1.1.1 膜分離過程分類 各種膜分離過程盡管具有不同的機(jī)理和適用范圍，但有許多共同的特點(diǎn): 多數(shù)膜分離過程無相變發(fā)生，能耗通常較低。 膜分離過程一般無需從外界加入其他物質(zhì)，可節(jié)約資源和保護(hù)環(huán)境。 膜分離過程可使分離與濃縮、分離與反應(yīng)同時(shí)

2、實(shí)現(xiàn)，大大提高了分離效率。 膜分離過程通常在溫和條件下進(jìn)行，因而特別適用于熱敏性物質(zhì)的分離、分級、濃縮與富集。 膜分離過程應(yīng)用范圍廣。 膜分離過程的規(guī)模和處理能力可在很大范圍內(nèi)變化，而它的效率、設(shè)備單價(jià)、運(yùn)行費(fèi)用等都變化不大。 膜組件結(jié)構(gòu)緊湊，操作方便，可在頻繁的啟停下工作，易自控和維修。而且膜分離可以直接插入已有的生產(chǎn)工藝流程。7.1 膜分離第7章 新型分離技術(shù)和過程集成7.1.1 概述7.1.1.2 材料和膜的結(jié)構(gòu)形態(tài)表7-2列出了常用的高分子膜材料、性能和應(yīng)用。（1）分離膜材料7.1 膜分離第7章 新型分離技術(shù)和過程集成7.1.1 概述7.1.1.2 材料和膜的結(jié)構(gòu)形態(tài)表7-2列出了常用

3、的高分子膜材料、性能和應(yīng)用。（1）分離膜材料7.1 膜分離第7章 新型分離技術(shù)和過程集成7.1.1 概述7.1.1.2 材料和膜的結(jié)構(gòu)形態(tài)表7-2列出了常用的高分子膜材料、性能和應(yīng)用。（1）分離膜材料7.1 膜分離第7章 新型分離技術(shù)和過程集成7.1.1 概述7.1.1.2 材料和膜的結(jié)構(gòu)形態(tài)聚合物膜按結(jié)構(gòu)與作用特點(diǎn)分有如下三類:均質(zhì)膜或?qū)ΨQ膜（2）分離膜材料的結(jié)構(gòu)形態(tài)7.1 膜分離第7章 新型分離技術(shù)和過程集成7.1.1 概述7.1.1.2 材料和膜的結(jié)構(gòu)形態(tài)非對稱膜（2）分離膜材料的結(jié)構(gòu)形態(tài)7.1 膜分離第7章 新型分離技術(shù)和過程集成7.1.1 概述7.1.1.2 材料和膜的結(jié)構(gòu)形態(tài)復(fù)合膜

4、（2）分離膜材料的結(jié)構(gòu)形態(tài)7.1 膜分離第7章 新型分離技術(shù)和過程集成7.1.1 概述7.1.1.3 膜組件和膜系統(tǒng)板框式膜組件螺旋卷式膜組件管式膜組件中空纖維膜組件（1）膜組件分類7.1 膜分離第7章 新型分離技術(shù)和過程集成7.1.1 概述7.1.1.3 膜組件和膜系統(tǒng)板框式膜組件（1）膜組件分類7.1 膜分離第7章 新型分離技術(shù)和過程集成7.1.1 概述7.1.1.3 膜組件和膜系統(tǒng)螺旋卷式膜組件（1）膜組件分類7.1 膜分離第7章 新型分離技術(shù)和過程集成7.1.1 概述7.1.1.3 膜組件和膜系統(tǒng)螺旋卷式膜組件（1）膜組件分類7.1 膜分離第7章 新型分離技術(shù)和過程集成7.1.1 概述

5、7.1.1.3 膜組件和膜系統(tǒng)螺旋卷式膜組件（1）膜組件分類7.1 膜分離第7章 新型分離技術(shù)和過程集成7.1.1 概述7.1.1.3 膜組件和膜系統(tǒng)管式膜組件（1）膜組件分類7.1 膜分離第7章 新型分離技術(shù)和過程集成7.1.1 概述7.1.1.3 膜組件和膜系統(tǒng)中空纖維膜組件（1）膜組件分類7.1 膜分離第7章 新型分離技術(shù)和過程集成7.1.1 概述7.1.1.3 膜組件和膜系統(tǒng)表7-3 比較了四種常用膜組件的性能（2）膜組件的選擇7.1 膜分離第7章 新型分離技術(shù)和過程集成7.1.1 概述7.1.1.3 膜組件和膜系統(tǒng)表7-3 比較了四種常用膜組件的性能（2）膜組件的選擇7.1 膜分離第

6、7章 新型分離技術(shù)和過程集成7.1.1 概述7.1.1.3 膜組件和膜系統(tǒng)表7-4 四種常用膜組件優(yōu)缺點(diǎn)比較（2）膜組件的選擇7.1 膜分離第7章 新型分離技術(shù)和過程集成7.1.1 概述7.1.1.3 膜組件和膜系統(tǒng)膜的操作方式可以分為死端操作和錯(cuò)流操作，見圖7-6。（3）膜系統(tǒng)7.1 膜分離第7章 新型分離技術(shù)和過程集成7.1.1 概述7.1.1.3 膜組件和膜系統(tǒng)錯(cuò)流操作可以進(jìn)一步分為并流、逆流、滲透物全混和完全混合四種方式，見圖7-7。（3）膜系統(tǒng)7.1 膜分離第7章 新型分離技術(shù)和過程集成7.1.1 概述7.1.1.3 膜組件和膜系統(tǒng)膜的操作方式還分單程系統(tǒng)和循環(huán)系統(tǒng)，如圖7-8所示。

7、（3）膜系統(tǒng)7.1 膜分離第7章 新型分離技術(shù)和過程集成7.1.1 概述7.1.1.3 膜組件和膜系統(tǒng)圖7-9膜分離器的單級和多級構(gòu)型。（3）膜系統(tǒng)7.1 膜分離第7章 新型分離技術(shù)和過程集成7.1.1 概述7.1.1.3 膜組件和膜系統(tǒng)表7-5給出了單級氣體膜分離的兩個(gè)實(shí)例，它們應(yīng)用的是工業(yè)使用的膜。（3）膜系統(tǒng)7.1 膜分離第7章 新型分離技術(shù)和過程集成7.1.1 概述7.1.1.3 膜組件和膜系統(tǒng)表7-6 膜分離系統(tǒng)典型計(jì)算結(jié)果。（3）膜系統(tǒng)7.1 膜分離第7章 新型分離技術(shù)和過程集成7.1.1 概述7.1.1.3 膜組件和膜系統(tǒng)圖7-10 膜分離的級聯(lián)（3）膜系統(tǒng)7.1 膜分離第7章

8、新型分離技術(shù)和過程集成7.1.1 概述7.1.1.4 膜性能表示法（1）分離效率7.1 膜分離第7章 新型分離技術(shù)和過程集成7.1.1 概述7.1.1.4 膜性能表示法表觀分離率定義為（1）分離效率7.1 膜分離第7章 新型分離技術(shù)和過程集成7.1.1 概述7.1.1.4 膜性能表示法更通用的表示方法（1）分離效率7.1 膜分離第7章 新型分離技術(shù)和過程集成7.1.1 概述7.1.1.4 膜性能表示法（2）滲透通量7.1 膜分離第7章 新型分離技術(shù)和過程集成7.1.1 概述7.1.1.4 膜性能表示法（3）通量衰減系數(shù)7.1 膜分離第7章 新型分離技術(shù)和過程集成7.1.2 微濾、超濾、納濾和反

9、滲透7.1.2.1 超濾和微濾1) 超濾膜及其性質(zhì)2) 超濾的傳質(zhì)模型（1）超濾7.1 膜分離第7章 新型分離技術(shù)和過程集成7.1.2 微濾、超濾、納濾和反滲透7.1.2.1 超濾和微濾溶劑透過通量Jv和溶質(zhì)透過通量Js可分別用下列公式表示:（1）超濾7.1 膜分離第7章 新型分離技術(shù)和過程集成7.1.2 微濾、超濾、納濾和反滲透7.1.2.1 超濾和微濾膜的真實(shí)截留率（1）超濾7.1 膜分離第7章 新型分離技術(shù)和過程集成7.1.2 微濾、超濾、納濾和反滲透7.1.2.1 超濾和微濾3）濃差極化濃差極化與凝膠極化概念（1）超濾7.1 膜分離第7章 新型分離技術(shù)和過程集成7.1.2 微濾、超濾、

10、納濾和反滲透7.1.2.1 超濾和微濾3）濃差極化濃差極化關(guān)系式（1）超濾7.1 膜分離第7章 新型分離技術(shù)和過程集成7.1.2 微濾、超濾、納濾和反滲透7.1.2.1 超濾和微濾3）濃差極化最后得到：（1）超濾7.1 膜分離第7章 新型分離技術(shù)和過程集成7.1.2 微濾、超濾、納濾和反滲透7.1.2.1 超濾和微濾溶質(zhì)傳質(zhì)系數(shù)的計(jì)算（1）超濾7.1 膜分離第7章 新型分離技術(shù)和過程集成7.1.2 微濾、超濾、納濾和反滲透7.1.2.1 超濾和微濾濃差極化的控制a.增大料液流速b.盡可能采用較高的操作溫度c.選擇合適的膜組件結(jié)構(gòu)（1）超濾7.1 膜分離第7章 新型分離技術(shù)和過程集成7.1.2

11、微濾、超濾、納濾和反滲透7.1.2.1 超濾和微濾1) 微濾膜及其性質(zhì)2) 分離機(jī)理3) 微濾的應(yīng)用（2）微濾7.1 膜分離第7章 新型分離技術(shù)和過程集成7.1.2 微濾、超濾、納濾和反滲透7.1.2.2 反滲透和納濾1) 基本原理（1）反滲透7.1 膜分離第7章 新型分離技術(shù)和過程集成7.1.2 微濾、超濾、納濾和反滲透7.1.2.2 反滲透和納濾2) 反滲透膜目前主要的反滲透膜材料有:醋酸纖維素類芳香族聚酞胺類聚呱湊酞胺類（1）反滲透7.1 膜分離第7章 新型分離技術(shù)和過程集成7.1.2 微濾、超濾、納濾和反滲透7.1.2.2 反滲透和納濾3) 滲透通量溶劑(水)的通量Jw（1）反滲透7.

12、1 膜分離第7章 新型分離技術(shù)和過程集成7.1.2 微濾、超濾、納濾和反滲透7.1.2.2 反滲透和納濾3) 滲透通量通過膜孔的溶質(zhì)通量JS（1）反滲透7.1 膜分離第7章 新型分離技術(shù)和過程集成7.1.2 微濾、超濾、納濾和反滲透7.1.2.2 反滲透和納濾3) 滲透通量通過膜孔的溶質(zhì)通量JS最后求得：（1）反滲透7.1 膜分離第7章 新型分離技術(shù)和過程集成7.1.2 微濾、超濾、納濾和反滲透7.1.2.2 反滲透和納濾4) 濃差極化圖7-14 反滲透過程濃差極化示意圖（1）反滲透7.1 膜分離第7章 新型分離技術(shù)和過程集成7.1.2 微濾、超濾、納濾和反滲透7.1.2.2 反滲透和納濾4)

13、 濃差極化濃差極化比，此值越大，說明濃差極化越嚴(yán)重。（1）反滲透7.1 膜分離第7章 新型分離技術(shù)和過程集成7.1.2 微濾、超濾、納濾和反滲透7.1.2.2 反滲透和納濾納濾過程的代表性應(yīng)用包括:水的軟化(脫除鈣、鎂離子);離子交換或電滲析之前的水預(yù)處理;脫除水中重金屬，使水再利用;食物的濃縮;食物的脫鹽等。（2）納濾7.1 膜分離第7章 新型分離技術(shù)和過程集成7.1.3 氣體分離高分子膜材料有:聚酸亞胺有機(jī)硅（1）材料7.1 膜分離第7章 新型分離技術(shù)和過程集成7.1.3 氣體分離圖7-15 氣體分離的各種機(jī)理（2）氣體分離原理7.1 膜分離第7章 新型分離技術(shù)和過程集成7.1.3 氣體分

14、離假設(shè)氣體透過膜的傳質(zhì)過程由下列三步組成:（2）氣體分離原理7.1 膜分離第7章 新型分離技術(shù)和過程集成7.1.3 氣體分離組分i透過膜的滲透通量Ji:（2）氣體分離原理7.1 膜分離第7章 新型分離技術(shù)和過程集成7.1.4 滲透汽化和蒸汽滲透 滲透汽化(pervaporation，簡稱PV)是分離液體混合物的一種新型膜分離技術(shù)。當(dāng)液體混合物與選擇性滲透膜的一側(cè)相接觸，而膜的另一側(cè)抽真空或通以惰性氣流把滲透組分的蒸氣壓減至很低時(shí)，以膜兩側(cè)的分壓差作為傳質(zhì)推動力，利用膜對液體混合物中組分的溶解與擴(kuò)散性能不同實(shí)現(xiàn)組分的滲透分離，這類膜過程稱為滲透汽化過程。（1）過程原理7.1 膜分離第7章 新型分

15、離技術(shù)和過程集成7.1.4 滲透汽化和蒸汽滲透 按照產(chǎn)生膜兩側(cè)蒸氣壓差的方法不同，滲透汽化分為多種類型(見圖7-16 )（1）過程原理7.1 膜分離第7章 新型分離技術(shù)和過程集成7.1.4 滲透汽化和蒸汽滲透蒸汽滲透的原則流程如圖7-17 所示。（1）過程原理7.1 膜分離第7章 新型分離技術(shù)和過程集成7.1.4 滲透汽化和蒸汽滲透1) 優(yōu)先透過組分的性質(zhì)2) 膜材料的化學(xué)和熱穩(wěn)定性3) 膜的改進(jìn)（2）膜材料的篩選原則7.1 膜分離第7章 新型分離技術(shù)和過程集成7.1.4 滲透汽化和蒸汽滲透有機(jī)溶劑脫水，特別是乙醇、異丙醇的脫水，目前已有大規(guī)模的工業(yè)應(yīng)用;水中少量有機(jī)物脫除的應(yīng)用有溶劑回收、環(huán)

16、境保護(hù)、有機(jī)物溶液提濃、特殊有機(jī)物還原等;有機(jī)/有機(jī)混合物的分離，已研究開發(fā)的物系有:苯/己烷、異辛烷/正己烷、戊烯/戊烷、二甲苯混合物、氯仿/己烷等。（3）應(yīng)用7.1 膜分離第7章 新型分離技術(shù)和過程集成7.1.5 電滲析圖7-18所示為除去水中NaCl的電滲析過程示意圖。（1）電滲析的基本原理7.1 膜分離第7章 新型分離技術(shù)和過程集成7.1.5 電滲析圖7-19 匯總了所有的遷移過程:（1）電滲析的基本原理7.1 膜分離第7章 新型分離技術(shù)和過程集成7.1.5 電滲析 離子交換膜的選擇透過性是實(shí)現(xiàn)電滲析過程的基本條件。離子交換膜是高分子電解質(zhì)，它具有三維空間的網(wǎng)狀骨架結(jié)構(gòu)，在網(wǎng)狀的高分子

17、鏈上分布著可解離的活性基團(tuán)，它們在水溶液中可解離成兩個(gè)帶電荷部分:固定在高分子骨架上的帶電荷部分稱固定離子;與固定離子所帶電荷相反的可移動的離子稱為反離子。膜的選擇透過性就是由膜上的固定離子吸引反離子和排斥同性離子而產(chǎn)生的。（2）離子交換膜7.1 膜分離第7章 新型分離技術(shù)和過程集成7.1.5 電滲析圖7-20所示為板框式電滲析器組裝排列方式。（3）電滲析器的基本構(gòu)造7.1 膜分離第7章 新型分離技術(shù)和過程集成7.1.5 電滲析 電滲析過程是溶液中離子與水分離的一種有效手段，并且也可利用這一特性實(shí)現(xiàn)某些化學(xué)反應(yīng)，因此它的應(yīng)用范圍十分廣泛。包括原料與產(chǎn)品的分離精制、廢水廢液處理和回收有用的物質(zhì)等

18、;海水、鹽泉鹵水濃縮制鹽;醫(yī)藥工業(yè)脫除含鹽有機(jī)物溶液中的鹽分等。（4）電滲析的應(yīng)用7.1 膜分離第7章 新型分離技術(shù)和過程集成7.1.6 其他膜分離過程 滲析是最旱被發(fā)現(xiàn)和研究的一種膜分離過程，它是以濃度差為推動力，利用溶液中不同溶質(zhì)透過膜的擴(kuò)散速率的差異達(dá)到分離的過程。（1）滲析7.1 膜分離第7章 新型分離技術(shù)和過程集成7.1.6 其他膜分離過程 液膜過程于1968年首次用于碳?xì)浠衔锏姆蛛x，主要分為乳狀液膜、支撐液膜與反萃支撐液膜三種。當(dāng)兩個(gè)互不相溶的液相組成的穩(wěn)定乳液分散于連續(xù)的外部相中時(shí)，即形成了乳狀液膜。外部相中的目標(biāo)物質(zhì)穿過液膜進(jìn)入內(nèi)部相，遵循兩種傳質(zhì)機(jī)理:物質(zhì)在膜中的擴(kuò)散，以及

19、依靠載體轉(zhuǎn)運(yùn)的載體促進(jìn)運(yùn)輸。（2）液膜分離7.1 膜分離第7章 新型分離技術(shù)和過程集成7.1.6 其他膜分離過程 膜蒸餾過程在非等溫條件下進(jìn)行。當(dāng)一張微孔疏水膜把溫度不同的水溶液分開時(shí)，由于膜的疏水性，液態(tài)的水不會進(jìn)入微孔，但高溫側(cè)水溶液在膜表面產(chǎn)生的蒸汽，在膜兩側(cè)蒸汽壓差的推動下透過微孔進(jìn)入低溫側(cè)，實(shí)現(xiàn)物質(zhì)的分離。這要求膜材料應(yīng)具有熱穩(wěn)定性、高疏水性、多孔性等性質(zhì)，目前膜蒸餾常用的膜材料有聚丙烯、聚偏氟乙烯及聚四氟乙烯。膜蒸餾主要分為直接接觸式膜蒸餾、氣體吹掃膜蒸餾、空氣間隙式膜蒸餾及真空膜蒸餾。（3）膜蒸餾和滲透蒸餾7.2 超臨界流體萃取第7章 新型分離技術(shù)和過程集成圖7-21所示為二氧化

20、碳的P -T相圖（1）超臨界流體的性質(zhì)7.2 超臨界流體萃取第7章 新型分離技術(shù)和過程集成表7-7是超臨界流體與普通氣體和液體基本性質(zhì)的比較。（1）超臨界流體的性質(zhì)7.2 超臨界流體萃取第7章 新型分離技術(shù)和過程集成圖7-22蔡在超臨界流體CO2中的溶解度。（1）超臨界流體的性質(zhì)7.2 超臨界流體萃取第7章 新型分離技術(shù)和過程集成圖7-23表示CO2的對比密度、對比溫度與對比壓力之間的關(guān)系。（1）超臨界流體的性質(zhì)7.2 超臨界流體萃取第7章 新型分離技術(shù)和過程集成 臨界流體與液體所組成的物系的相平衡要比與固體所組成的物系的相平衡復(fù)雜，因?yàn)槌R界流體在固體中的溶解度可以略去，而在液體中的溶解度卻

21、可以很大。這就增加了液相中溶質(zhì)逸度計(jì)算的復(fù)雜性。（2）液體一超臨界流體的相平衡7.2 超臨界流體萃取第7章 新型分離技術(shù)和過程集成作為萃取溶劑的超臨界流體必須具備以下條件:萃取劑應(yīng)具有化學(xué)穩(wěn)定性，對設(shè)備無腐蝕性;臨界溫度不能太高或太低，最好在室溫附近;操作溫度應(yīng)低于被萃取溶質(zhì)的變性溫度;為減小能耗，臨界壓力不能太高;選擇性好，容易得到高純產(chǎn)品;溶解度要高，可減少溶劑的循環(huán)量;萃取溶劑易得，價(jià)格便宜。（3）超臨界流體萃取過程7.2 超臨界流體萃取第7章 新型分離技術(shù)和過程集成表7-8 常見超臨界流體的物理性質(zhì)（3）超臨界流體萃取過程7.2 超臨界流體萃取第7章 新型分離技術(shù)和過程集成典型的萃取流

22、程（3）超臨界流體萃取過程7.2 超臨界流體萃取第7章 新型分離技術(shù)和過程集成超臨界萃取過程分為三類（3）超臨界流體萃取過程等溫法1等壓法2吸附法37.2 超臨界流體萃取第7章 新型分離技術(shù)和過程集成圖7-25逆流超臨界流體萃取塔（3）超臨界流體萃取過程7.2 超臨界流體萃取第7章 新型分離技術(shù)和過程集成影響超臨界流體萃取的因索（3）超臨界流體萃取過程品種多1更新快2批量小3增值高4超純5超凈67.2 超臨界流體萃取第7章 新型分離技術(shù)和過程集成影響超臨界流體萃取的因索（4）超臨界流體萃取的應(yīng)用中藥有效成分的提取1天然植物香料的提取2食品功能成分的提取3環(huán)境樣品分析的預(yù)處理47.3 其他新型分

23、離技術(shù)簡介第7章 新型分離技術(shù)和過程集成（1）膜乳化技術(shù)（2）雙水相萃?。?）凝膠萃?。?）分子蒸餾（5）泡沫分離7.3 其他新型分離技術(shù)簡介第7章 新型分離技術(shù)和過程集成圖7-2 6分子蒸餾分離原理示意圖7.3 其他新型分離技術(shù)簡介第7章 新型分離技術(shù)和過程集成分子運(yùn)動的平均自由程可以用下式計(jì)算:7.3 其他新型分離技術(shù)簡介第7章 新型分離技術(shù)和過程集成分子蒸餾中的相對揮發(fā)度一般用下式表示7.4 分離過程的集成第7章 新型分離技術(shù)和過程集成7.4.1 傳統(tǒng)分離過程的集成（1）共沸精餾和萃取過程的集成1) 不加共沸劑的過程集成7.4 分離過程的集成第7章 新型分離技術(shù)和過程集成7.4.1 傳統(tǒng)

24、分離過程的集成（1）共沸精餾和萃取過程的集成圖7-27 二異丙基醚分離流程7.4 分離過程的集成第7章 新型分離技術(shù)和過程集成7.4.1 傳統(tǒng)分離過程的集成（1）共沸精餾和萃取過程的集成2) 加入共沸劑的共沸精餾和萃取的集成分離流程如圖7-2 8所示。7.4 分離過程的集成第7章 新型分離技術(shù)和過程集成7.4.1 傳統(tǒng)分離過程的集成（1）共沸精餾和萃取過程的集成2) 加入共沸劑的共沸精餾和萃取的集成圖7-2 9分離甲苯一烷烴的共沸精餾流程7.4 分離過程的集成第7章 新型分離技術(shù)和過程集成7.4.1 傳統(tǒng)分離過程的集成（2）共沸精餾與萃取精餾的集成圖7-30共沸精餾和萃取精餾集成流程7.4 分離過程的集成第7章 新型分離技術(shù)和過程集成7.4.1