其它傳質(zhì)分離方法

第12章其它傳質(zhì)分別方法主講：李梅11/29/2023112.1結(jié)晶一、結(jié)晶1.定義：固體物質(zhì)以晶體狀態(tài)從蒸汽、溶液或熔融物中析出的過程。2.特點：A.能從雜質(zhì)含量相當(dāng)多的溶液或多組分的熔融混合物中產(chǎn)生純潔的晶體。B.能量消耗少，操作溫度低，對設(shè)備材質(zhì)要求不高，一般很少有“三廢”排放，有利于環(huán)保。C.結(jié)晶產(chǎn)品包裝，運輸，儲存，使用都很便利。11/29/20232二、晶系和晶習(xí)1.構(gòu)成晶體的微觀粒子〔分子、原子或離子〕按肯定的幾何規(guī)章排列，由此形成的最小單元稱為晶格。2.晶體可按晶格空間構(gòu)造的區(qū)分分為不同的晶系。同一種物質(zhì)在不同的條件下可形成不同的晶系，或為兩種晶系的混合物。3.微觀粒子的規(guī)章排列可以按不同方向進展，即各晶面以不同的速率生長，從而形成不同外形的晶體，這種習(xí)性以及最終形成的晶體外形稱為晶習(xí)。同一晶系的晶體在不同結(jié)晶條件下的晶習(xí)不同，轉(zhuǎn)變結(jié)晶溫度，溶劑種類，PH值以及少量雜質(zhì)或添加劑的存在往往因轉(zhuǎn)變晶習(xí)而得到不同的晶體外形。11/29/20233三、結(jié)晶過程溶質(zhì)從溶液中結(jié)晶出來，要經(jīng)受兩個階段：晶核的生成，晶體的成長。晶體形成的推動力：濃度差〔溶液的過飽和度〕溶液在結(jié)晶器中出來的晶體和剩余的溶液所構(gòu)成的混懸物稱為晶漿，去除懸浮于其中的晶體后剩下的溶液稱為母液。11/29/2023412.1.2溶解度與溶液的過飽和一、溶解度曲線及溶液狀態(tài)溶解度曲線：溶質(zhì)在溶劑中的溶解度隨溫度而變化的關(guān)系。溶解度的單位常承受單位質(zhì)量溶劑中所含溶質(zhì)的量表示。多數(shù)物質(zhì)的溶解度隨溫度上升而增大，少數(shù)相反。或在不同的溫度區(qū)域有不同的變化趨向。11/29/20235濃度﹦溶解度的溶液，稱為飽和溶液。濃度＜溶解度的溶液，稱為不飽和溶液。濃度＞溶解度的溶液，稱為過飽和溶液，這時，溶液濃度與溶解度之差為過飽和度。假設(shè)將完全純潔的溶液緩慢冷卻，當(dāng)過飽和度到達肯定限度后，澄清的過飽和溶液就開頭析出晶核。表示開頭產(chǎn)生晶核的極限濃度曲線稱為超溶解度曲線。當(dāng)濃度低于溶解度時，不行能發(fā)生結(jié)晶，處于穩(wěn)定區(qū)。當(dāng)濃度大于超溶解度曲線時，會馬上自發(fā)的發(fā)生結(jié)晶作用，為不穩(wěn)區(qū)。上述兩線之間為介穩(wěn)區(qū)。11/29/20236介穩(wěn)區(qū)：第一介穩(wěn)區(qū)：溶液不會自發(fā)成核，參加晶種，會使晶體在其上生長。其次介穩(wěn)區(qū)：溶液可自發(fā)成核，但不像不穩(wěn)區(qū)那樣馬上析出結(jié)晶，需要肯定的時間間隔，這一間隔稱為延滯期，過飽和度越大，延滯期越短。11/29/20237二、過飽和度的表示方法1.過飽和度：指過飽和溶液的濃度超過該條件下飽和濃度的程度。2.過飽和度：ΔC=C-C*3.過飽和度比：δ=C/C*4.相對過飽和度：δ=ΔC/C*11/29/20238三、形成溶液過飽和狀態(tài)的方法1.直接降溫，到達過飽和狀態(tài)，溶質(zhì)結(jié)晶析出，此為冷卻結(jié)晶。2.使溶液濃縮，通常承受蒸發(fā)以出去局部溶劑。通常兩種方法混合使用。具有陡峭的溶解度曲線的物系，用冷卻結(jié)晶有利；而溶解度與溫度關(guān)系不大的體系則適宜承受濃縮法。11/29/2023912.1.3結(jié)晶機理與動力學(xué)一、晶核生成與晶體成長成核機理：1.初級均相成核：在較高過飽和度下自發(fā)成核。2.初級非均相成核：在外來物的誘導(dǎo)下成核〔較低的過飽和度下〕。3.二次成核：含有晶體的溶液在晶體相互碰撞或晶體與攪拌槳碰撞時產(chǎn)生的微小晶體的誘導(dǎo)下發(fā)生的。11/29/202310晶核形成后，溶質(zhì)質(zhì)點會在晶核上連續(xù)一層層排列上去形成晶粒，并使晶粒不斷增大，這就是晶體的成長。傳質(zhì)過程：1.溶質(zhì)從溶液主體向晶體外表集中傳遞，以濃度差為推動力。2.溶質(zhì)在晶體外表上附著并沿外表移動至適宜位置，按某種幾何規(guī)律構(gòu)成晶格，并放出結(jié)晶熱。11/29/202311二、再結(jié)晶現(xiàn)象小晶體因外表能較大而有被溶解的趨向。當(dāng)溶液的過飽和度較低時，小晶體被溶解，大晶體則不斷成長并使晶體外形更加完好。這就是晶體的再結(jié)晶現(xiàn)象。11/29/202312三、影響結(jié)晶速率的因素1.過飽和度的影響：溫度和濃度都直接影響到溶液的過飽和度。在低過飽和度的溶液中，晶體生長速率與晶核生成速率之比值較大，因而所得晶體較大，晶形也較完整，但結(jié)晶速率很慢。過飽和度影響晶體的成長速率，也影響晶習(xí)、粒度、晶粒數(shù)量、粒度分布等。2.粘度的影響：粘度大，流淌性差，傳遞主要靠分子集中。晶體棱角長的快，晶面長的慢。3.密度的影響4.位置的影響：當(dāng)晶體的某些晶面遇到其他晶體或容器壁面時，就會形成歪晶。5.攪拌的影響：攪拌強度大會使介穩(wěn)區(qū)變窄，二次成核速率增加，晶體粒度變細。11/29/202313其它結(jié)晶方法一、熔融結(jié)晶：是依據(jù)待分別物之間的凝固點不同而實現(xiàn)物質(zhì)結(jié)晶分別的過程。二、反響沉淀：是液相中因化學(xué)反響生成的產(chǎn)物以結(jié)晶或無定形物析出的過程。三、鹽析：在混合物中參加鹽類或其它物質(zhì)以降低溶質(zhì)的溶解度，從而析出溶質(zhì)的方法。四、升華結(jié)晶：蒸汽的驟冷直接結(jié)成固體晶體。11/29/202314根本要求：1.把握的內(nèi)容：物理吸附、化學(xué)吸附概念，吸附劑的特性，吸附平衡的概念，氣相單分子層物理吸附等溫線。2.生疏的內(nèi)容：吸附劑的分類，吸附過程與吸附過程速率掌握。3.了解的內(nèi)容：氣相雙組分吸附等溫線，液相中的吸附平衡，各種吸附操作及強化吸附過程的途徑。12.2吸附分別11/29/20231512.2吸附分別概述一、吸附與分別利用多孔固體顆粒選擇性的吸附流體中的一個或幾個組分，從而使流體混合物得以分別的方法稱為：吸附操作。通常稱被吸附的物質(zhì)為吸附質(zhì)；用作吸附的多孔固體顆粒稱為吸附劑。11/29/202316固體常能或多或少的把四周介質(zhì)內(nèi)的分子、原子或離子吸附到自己的外表上，這是由于處在固體外表的質(zhì)點，受到相內(nèi)質(zhì)點的拉力，所處的力場是不平衡的，具有過剩的能量，即外表自由焓。這些不平衡力場由于吸附作用可得到某種程度的補償，從而使固體的外表自由焓降低。所以，在肯定的溫度和壓力下，固體外表可自動的吸附到那些能降低其外表自由焓的物質(zhì)。比外表大的物質(zhì)，才是良好的吸附劑。11/29/202317與吸附相反，組分脫離固體吸附劑外表的現(xiàn)象為解吸。常承受的吸附劑解吸再生循環(huán)操作的方法有：1.變溫吸附分別：溫度升，吸附量削減。2.變壓吸附分別：加壓-吸附，減壓-解吸。3.變濃度吸附分別4.其它：〔色譜吸附分別、循環(huán)吸附分別等〕11/29/202318二、吸附分別的分類物理吸附：也稱為范德華吸附，它是吸附質(zhì)和吸附劑以分子間作用力為主的吸附?；瘜W(xué)吸附：是吸附質(zhì)和吸附劑以分子間的化學(xué)鍵為主的吸附。11/29/202319三、常用吸附劑吸附分別常利用吸附力脫除痕量物質(zhì)，把構(gòu)造類似和物化性質(zhì)接近的物質(zhì)分開，要求吸附劑有良好的選擇性和吸附容量，這就需要吸附劑具有很大的比外表和多孔構(gòu)造。另外為了適應(yīng)工藝需要，還要求吸附劑具有較高的機械強度?；ぶ谐Ｓ玫奈絼椋鹤匀缓腿斯ぶ谱鲀深?。11/29/202320四、吸附劑的根本特性：吸附劑具有良好的吸附特性，主要是由于它有多孔構(gòu)造和較大的比外表積，下面介紹與孔構(gòu)造和比外表積有關(guān)的根底性能。〔1〕密度①填充密度B〔又稱體積密度〕：是指單位填充體積的吸附劑質(zhì)量。通常將烘干的吸附劑裝入量筒中，搖實至體積不變，此時吸附劑的質(zhì)量與該吸附劑所占的體積比稱為填充密度。②表觀密度P〔又稱顆粒密度〕：定義為單位體積吸附劑顆粒本身的質(zhì)量。③真實密度t：是指扣除顆粒內(nèi)細孔體積后單位體積吸附劑的質(zhì)量。11/29/202321〔2〕吸附劑的比外表積吸附劑的比外表積是指單位質(zhì)量的吸附劑所具有的吸附外表積，㎡／g。吸附劑孔隙的孔徑大小直接影響吸附劑的比外表積，孔徑的大小可分三類：大孔、過渡孔、微孔。吸附劑的比外表積以微孔供給的外表積為主，常承受氣相吸附法測定。〔3〕吸附容量吸附容量是指吸附劑吸滿吸附質(zhì)時的吸附量〔單位質(zhì)量的吸附劑所吸附吸附質(zhì)的質(zhì)量〕，它反映了吸附劑吸附力量的大小。吸附量可以通過觀看吸附前后吸附質(zhì)體積或質(zhì)量的變化測得。也可用電子顯微鏡等觀看吸附劑固體外表的變化測得。11/29/20232212.2.2吸附相平衡一、吸附等溫線平衡吸附量：當(dāng)溫度、壓強肯定時，吸附劑與流體長時間接觸，吸附量不再增加，吸附相〔吸附劑和已吸附的吸附質(zhì)〕與流體到達平衡，此時的吸附量為平衡吸附量。吸附等溫線：吸附平衡關(guān)系常用不同溫度下的平衡吸附量與吸附質(zhì)分壓或濃度的關(guān)系表示，其關(guān)系曲線稱為吸附等溫線。11/29/2023231、氣相單組分吸附平衡〔1〕單分子層物理吸附假設(shè)吸附劑外表均勻，被吸附的分子間無作用，吸附質(zhì)在吸附劑的外表只形成均勻的單分子層，則吸附量隨吸附質(zhì)分壓的增加平緩接近平衡吸附量。如在－193℃下，氮在活性炭上的吸附，其吸附等溫線如圖12-10中Ⅰ所示。2〕多分子層吸附假設(shè)吸附分子在吸附劑上按層次排列，已吸附的分子之間作用力無視不計，吸附的分子可以累疊，而每一層的吸附聽從朗格謬爾吸附機理，此吸附為多分子層吸附。如在30℃下水蒸汽在活性炭上的吸附。11/29/2023242、氣相雙組分吸附當(dāng)吸附劑對混合氣體中的兩個組分吸附性能相近時，可認(rèn)為是雙組分的吸附。此狀況下吸附劑對某一組分的吸附量不僅與溫度、壓強有關(guān)，還隨混合物組成的變化而變化。通常溫度上升、壓力下降會使吸附量下降，圖12-13反映了用石墨炭吸附CFCl3－C6H6混合氣體，氣相組成對吸附量的影響?？梢钥闯?，某組分在吸附相和氣相中摩爾分?jǐn)?shù)的關(guān)系與精餾中某組分在氣液兩相摩爾分?jǐn)?shù)的關(guān)系特別相像。所以，有人使用吸附分別系數(shù)描述吸附平衡，11/29/202325定義為：吸附相中兩組成之比除以氣相中兩組成之比，即為分別系數(shù)?？梢娢椒謩e系數(shù)偏離1的程度愈大，愈有利于吸附分別。11/29/2023262、液固吸附平衡與氣固吸附相比，液固吸附平衡的影響因素比較多。溶液中吸附質(zhì)是否為電解質(zhì)，PH值大小，都會影響吸附機理。溫度、濃度和吸附劑的構(gòu)造性能，以及吸附質(zhì)的溶解度和溶劑的性質(zhì)對吸附機理、吸附等溫線的外形都有影響。11/29/20232712.2.3傳質(zhì)及吸附速率一、吸附傳質(zhì)機理吸附速率與物系、操作條件及濃度有關(guān)，當(dāng)物系及操作條件肯定時，吸附過程包括以下三個步驟：〔1〕吸附質(zhì)從流體主體以對流集中的形式傳遞到固體吸附劑的外外表，此過程稱為外集中。〔2〕吸附質(zhì)從吸附劑的外外表進入吸附劑的微孔內(nèi)，然后集中到固體的內(nèi)外表，此過程為內(nèi)集中?！?〕吸附質(zhì)在固體內(nèi)外表上被吸附劑所吸附，稱為外表吸附過程。11/29/202328二、吸附速率吸附速率：是指當(dāng)流體與吸附劑接觸時，單位時間、單位吸附劑外外表所傳遞吸附質(zhì)的質(zhì)量，kg/(s·m2)。11/29/202329通常吸附為物理吸附，外表吸附速率很快，故總吸附速率主要取決于內(nèi)外集中速率的大小。外集中掌握的吸附：當(dāng)外集中速率小于內(nèi)集中速率時，總吸附速率由外集中速率打算，此吸附為外集中掌握的吸附。內(nèi)集中掌握的吸附：當(dāng)內(nèi)集中速率小于外集中速率時，此吸附為內(nèi)集中掌握的吸附，總吸附速率由內(nèi)集中速率打算。11/29/202330吸附操作吸附分別過程包括吸附過程和解吸過程。由于需處理的流體濃度、性質(zhì)及要求吸附的程度不同，故吸附操作有多種形式。1．接觸過濾式操作該操作是把要處理的液體和吸附劑一起參加到帶有攪拌器的吸附槽中，使吸附劑與溶液充分接觸，溶液中的吸附質(zhì)被吸附劑吸附，經(jīng)過一段時間，吸附劑到達飽和，將料漿送到過濾機中，吸附劑從液相中濾出，假設(shè)吸附劑可用，經(jīng)適當(dāng)?shù)慕馕厥绽弥?。因在接觸式吸附操作時，使用攪拌使溶液呈湍流狀態(tài)，顆粒外外表的膜阻力削減，故該操作適用于外集中掌握的傳質(zhì)過程。接觸過濾吸附操作所用設(shè)備主要有釜式或槽式，設(shè)備構(gòu)造簡潔，操作簡潔。廣泛用于活性炭脫除糖液中的顏色等方面。11/29/2023312．固定床吸附操作固定床吸附操作是把吸附劑均勻堆放在吸附塔中的多孔支承板上，含吸附質(zhì)的流體可以自上而下流淌，也可自下而上流過吸附劑。在吸附過程中，吸附劑不動。通常固定床的吸附過程與再生過程在兩個塔式設(shè)備中交替進展，如圖12-19所示，吸附在吸附塔1中進展，當(dāng)出塔流體中吸附質(zhì)的濃度高于規(guī)定值時，物料切換到吸附塔2，與此同時吸附塔1承受變溫或減壓等方法進展吸附劑再生，然后再在塔1中進展吸附，塔2中進展再生，如此循環(huán)操作。固定床吸附塔構(gòu)造簡潔，加工簡潔，操作便利敏捷，吸附劑不易磨損，物料的返混少，分別效率高，回收效果好，故固定床吸附操作廣泛用于氣體中溶劑的回收、氣體枯燥和溶劑脫水等方面。但固定床吸附操作的傳熱性能差，且當(dāng)吸附劑顆粒較小時，流體通過床層的壓降較大，因吸附、再生及冷卻等操作需要肯定的時間，故生產(chǎn)效率較低。11/29/2023323．移動床吸附操作移動床吸附操作是指待處理的流體在塔內(nèi)自上而下流淌，在與吸附劑接觸時，吸附質(zhì)被吸附，已達飽和的吸附劑從塔下連續(xù)或間歇排出，同時在塔的上部補充新穎的或再生后的吸附劑。與固定床相比，移動床吸附操作因吸附和再生過程在同一個塔中進展，所以設(shè)備投資費用少。11/29/2023334．流化床吸附操作及流化床－移動床聯(lián)合吸附操作流化床吸附操作是使流體自下而上流淌，流體的流速掌握在肯定的范圍，保證吸附劑顆粒被托起，但不被帶出，處于流態(tài)化狀態(tài)進展的吸附操作。該操作的生產(chǎn)力量大，但吸附劑顆粒磨損程度嚴(yán)峻，且由于流態(tài)化的限制，使操作范圍變窄。流化床－移動床聯(lián)合吸附操作將吸附再生集一塔，如圖12-21所示。塔的上部為多層流化床，在此原料與流態(tài)化的吸附劑充分接觸，吸附后的吸附劑進入塔中部帶有加熱裝置的移動床層，升溫后進入塔下部的再生段。在再生段中吸附劑與通入的惰性氣體逆流接觸得以再生。最終靠氣力輸送至塔頂重新進入吸附段，再生后的流體可通過冷卻器回收吸附質(zhì)。流化床—移動床聯(lián)合吸附床常用于混合氣中溶劑的回收、脫除CO2和水蒸汽等場合。該操作具有連續(xù)、吸附效果好的特點。因吸附在流化床中進展，再生前需加熱，所以此操作存在吸附劑磨損嚴(yán)峻、吸附劑易老化變性的問題。11/29/20233412.3膜分別12.3.1概述一、膜分別的種類和特點膜分別：利用固體膜對流體混合物中的各組分的選擇性滲透從而分別各組分的方法。它與傳統(tǒng)過濾的不同在于，膜可以在分子范圍內(nèi)進展分別，并且這過程是一種物理過程，不需發(fā)生相的變化和添加助劑。膜分別過程的推動力：膜兩側(cè)的壓差或點位差。11/29/202335膜的孔徑一般為微米級，依據(jù)其孔徑的不同〔或稱為截留分子量〕，可將膜分為微濾膜、超濾膜、納濾膜和反滲透膜(見表12-3)，依據(jù)材料的不同，可分為無機膜和有機膜，無機膜主要還只有微濾級別的膜，主要是陶瓷膜和金屬膜。有機膜是由高分子材料做成的，如醋酸纖維素、芳香族聚酰胺、聚醚砜、聚氟聚合物等等。11/29/202336特點：1.多數(shù)膜分別過程中組分不發(fā)生相變化，所以能耗較低；2.膜分別過程在常溫下進展，對食品及生物藥品的加工特殊適合；3.膜分別過程不僅可除去病毒、細菌等微粒，而且可除去溶液中大分子和無機鹽，還可以分別共沸物或沸點相近的組分。4.裝置簡潔，操作便利。11/29/202337對膜的根本要求首先要求膜的分別透過特性好，通常用膜的截留率、透過通量、截留分子量等參數(shù)表示。