化工原理

1. 化工原理 Principles of Chemical Engineering www.hncj.edu.cn 河南城建学院 化学与化学工程系

2. 第十四章 其他传质分离过程 • 第一节 超临界萃取 第二节 吸 附 • 第三节 膜分离

3. 第一节 概 述 常规分离技术：机械分离、蒸发、吸收、精馏、萃取、 干燥、吸附、结晶等 新型分离技术：超临界萃取、液膜萃取、双水相萃取、 色谱分离技术，反渗透、超过滤、气 体分离，膜分离、膜蒸馏、泡沫分离等。

4. 分离装置 第一节 概述 无论是常规分离，还是新型分离过程都是在分离装置中，对原料施加能量或分离剂（在利用化学能时使用），对混合物各组分所持有的性质差产生作用，使分离得以进行，产生两个以上的产品。 能量或分离剂 原料物流 （一个或数个） 两个以上的产品物流（浓度不同）

5. 第一节 概 述 分离方法的选择 由混合物组分间的性质差、产品规模、产品纯度和回收率、环保、经济性等条件决定。 例如：对空气的分离， 大规模生产用深冷蒸馏法 中等规模可用膜分离法 小规模可用吸附法。

6. 第二节 超临界流体萃取 一、什么是超临界萃取？ 超临界流体： 当气体处于临界温度之上，无论压力多高也不能液化，仍为气体，称此时的气体为～。 超临界流体性质介于气体和液体之间。既有气体黏度小、扩散系数大（见下表）的特点，又有液体密度大、溶解能力大的特点。

7. 超临界萃取： 利用超临界流体的特异溶解力，高压下选择性地溶解溶质，然后升温、降压将萃取剂与溶质分离的方法。 临界温度不高； 无毒； 价廉； 化学惰性。 常用的超临界流体： CO2------临界温度31.06℃，临界压力7.39MPa

8. 二、超临界萃取流程 等温法：应用最方便 • 萃取相从萃取槽抽出； • 经膨胀阀压力降低使萃取剂与溶质在分离槽分离； • 气相萃取剂经压缩机压缩回到萃取槽循环使用

9. 二、超临界萃取流程 等压法： • 萃取相从萃取槽抽出； • 经加热器加热使萃取剂与溶质在分离槽分离； • 气相萃取剂经冷却压缩后回到萃取槽循环使用

10. 二、超临界萃取流程 吸附法： • 萃取相从萃取槽抽出； • 经装有吸附剂（只吸附溶质）的分离槽使萃取剂与溶质分离； • 气相萃取剂经压缩后回到萃取槽循环使用

11. 三、应用 ----适用于小规模、回收或提纯高价值的产品 • 中药有效成分的提取； • 天然香料的提取； • 食品业：如从咖啡中脱除咖啡因，从奶油中脱胆固醇等； • 化学工业：如渣油中脱沥青和润滑油等。

12. 第三节 吸 附 一、什么是吸附？ 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，这种现象称为～。 吸附质 吸附剂（固体）

13. 二、常用的吸附剂 • 要求： • 表面积大； • 选择性高； • 机械强度好； • 化学稳定性、热稳定性好，价廉易得。

14. 二、常用的吸附剂 活性炭 分子筛 吸附剂 活性土 硅胶 活性氧化铝

15. 按吸附作用力的不同分 离子交换吸附 三、吸附分类 吸附力：范德华力 特点：被吸附的分子不是附着在吸附剂表面的特定位置上，而是稍能在介质表面上作自由移动，常常为多层吸附。 物理吸附 化学吸附 吸附力：化学键力 特点：需要在较高温度下进行，选择性较强，为单分子层吸附。 吸附力：静电力。 特点：每吸附一个吸附质的离子， 同时吸附剂放出一个等当量的离子， 离子带电荷越多，它在吸附剂表面吸附力越强。

16. 按吸附条件的不同分 三、吸附分类 特点： 低温吸附，高温脱附 变温吸附 变压吸附 特点： 高压吸附，低压脱附

17. 四、吸附应用 食品、药品和有机石油产品的脱色、除臭 气体和液体的深度干燥 吸附应用 有机烷烃和芳烃的分离和精制 从废水或废气中除去有害的物质 气体的分离和精制

18. 五、吸附过程 • 吸附过程分为三步： • 吸附质扩散至吸附剂颗粒表面----外扩散 • 经孔隙扩散至内表面----内扩散 • 吸附质被吸附----这一过程通常很快。

19. 第四节 膜分离 被公认为是20-21世纪中期最有发展前途得高新技术之一 一、概述 1、什么是膜分离？ 以膜为分离介质，在压力差（或浓度差、电位差、温度差等）推动下，利用体系中各组分对膜的渗透速率的差异来实现分离、提纯或浓缩的新型分离技术。 分离膜（固膜、液膜）： 具有选择透过性

20. 2、膜分离种类 微滤 超滤 纳滤 反渗透 电渗析 气体分离 渗透汽化和蒸气渗透 等等

21. 3、特点及适用场合 • 优点： • 在常温下即可进行，能耗低， • 设备很少需要维护，操作十分简便， • 分离效率高，设备体积较小， • 不污染产品和环境。 • 缺点： • 膜强度通常较差，寿命不长； • 膜易污染

22. 4、特点及适用场合 适用场合： 常规分离方法不能经济、合理地进行分离的时候。 （1）化学性质及物理性质相似的组分； （2）结构的或取代基位置相似的异构物混合物。 （3）含有热敏性组分的混合物。 （4）浓度极稀溶液，如饮用水净化、工业用水处理，食品、饮料用水净化、除菌，生物活性物质回收、精制等。

23. 5、应用 广泛用于水处理、医药、食品、化工、环保等行业。

24. 6、分离膜和膜组件 膜的种类： 固膜----目前工业上应用多为固膜 按膜的物态分 液膜----目前主要用在废水处理的中试规模 气膜----目前处于研究阶段

25. 固膜的种类： 按膜的材质分： 天然膜 固膜 无机膜 合成膜 有机高分子膜 目前工业上以此为主

26. 固膜的种类： 按膜的结构分： 对称膜 -----又称均质膜，指膜截面上孔径与孔径分布基本一 致的膜。主要用于研究，工业实用价值不大。 固膜 不对称膜 -----表面为极薄的致密层，下面是多孔支撑层。 复合膜 -----表面致密层和多孔支撑层分别用两种不同材料制成 ，目前应用以此为主。

27. 固膜的种类： 按膜的结构分： 多孔膜 -----分离机理是筛分原理，体现在超滤、微滤、渗析 或不对称膜及复合膜中的支撑层中。 固膜 致密膜 -----分离机理是溶解-扩散原理，体现在反渗透、气体 分离、渗透汽化中。

28. 膜组件： 将膜制成一定的形状的元件，并提供进料、出料的通道（如图），称为～。 为在单位体积内获得尽可能大的膜面积，一般膜元件形式有板框式、中空纤维式、管式、卷式四种。

29. 板框式 是最早商品化的膜组件。 板式膜组件的膜单元由刚性的支撑板、膜片及置于支撑板与膜片之间的透过液隔网组成。

30. 管式 进料 不透过物 渗透物 渗透物 管式膜内径通常在12.5～25mm，长度0.6～6.4m

31. 卷式

32. 微滤（MF）是世界上开发应用最早的膜分离技术。微滤（MF）是世界上开发应用最早的膜分离技术。 微滤（MF）、超滤（UF）、纳滤（NF）、反渗透（RO）四者共同点和异同点： 共同点： 推动力均为压差 异同点： • 膜的孔径分布范围不同，如下页图； • 分离机理不同： 微滤、超滤属筛分原理 纳滤、反渗透属溶解-扩散原理

33. 离 子 分 子 大分子 大颗粒 小微粒 含水盐溶液 炭黑 颜 料 白蛋白 细 菌 合成 色素 海沙 烟 草 灰 酵 母 菌 金属离子 病 毒 靛 蓝 红血球 活性灰 内毒素/热精 糖 明 胶 花粉粒 胶 乳 / 乳 浊 液 原子半径 石 棉 谷物-面粉 反 渗 透 纳 滤 超 滤 微 滤 普 通 过 滤

34. 盐溶液 半透膜 纯水 反渗透基本原理： 外压 依靠外界压力使溶剂从高浓度侧向低浓度侧渗透的过程称为～。 反渗透是渗透的一种反向的迁移运动。反渗透膜的膜孔径非常小，仅为10A0左右，因此能够有效地去除水中的溶解盐类、胶体、微生物、有机物等，去除率高达97-98%。 渗透压

35. 浓差极化现象： 被截留的组分在膜的表面富积，而主体区的浓度较小，这种现象称为～。 • 浓差极化现象不可避免； • 浓差极化现象的存在不利于传质： 被截留的组分膜表面附近形成凝胶层，使传质阻力大大增加；

36. 应用： 微滤：制药行业的过滤除菌、电子工业用的高纯度水的制 备是其最大应用领域； 超滤：食品工业和乳清处理是其最大应用领域； 纳滤：饮用水制备，废水处理，果汁浓缩、抗生素浓缩等 方面。 反渗透：海水制淡水、乳品加工等

37. 二、电渗析及浓差极化现象 电渗析技术是20世纪50年代发展起来的。 电渗析过程原理 电渗析是利用离子交换膜在电位差推动力的作用下，从水溶液中脱除离子的一种分离技术。 阳膜----只允许阳离子通过 阴膜----只允许阴离子通过

38. 浓差极化现象： 当电流增大到某一数值时，膜界面附近的离子迅速进入浓缩室，而溶液中的相应离子来不及扩散补充过来，出现膜的一侧该离子浓度趋于零，这一现象称为～。 阴离子极化区 阴离子富积区

39. 浓差极化现象的不利影响： • 在膜表面上形成沉淀和结构，使传质阻力大大增加； • 产生H＋、OH－以弥补迁移离子的不足，这相当于水的分解，使电能效率下降。 阴离子极化区 阴离子富积区

40. 应用： 海水淡化、废水处理等

41. 三、气体（膜）分离 原理：根据混合原料气中各组分在压力的作用下，通过半透膜的相对传递速率不同而得以分离的原理。 应用举例： 气体分离技术出现时间晚但发展迅速。 由合成氨弛放气中回收氢气（1979）； 制取富氧空气； 由天然气中回收浓缩氦气； 以金属钯膜制取超纯氢； 水果保鲜系统； 医用富氧器 优点：能耗低、占地小、投资少、无污染，成为低温精馏、 吸收、变压吸附等气体分离方法的有力竞争者。

42. 四、渗透汽化和蒸气渗透 1、渗透汽化（PV） 早在一百多年前，人们就发现了渗透蒸发现象，但直到上世纪50~60年代，以Kammermyer，Binning，Michaels和Long，Neel为代表的学者才开始了对渗透蒸发的系统研究。而该技术得到广泛重视是在能源危机后的70年代至80年代初。迄今为止，在世界各地已建成140余套工业装置。

43. 渗透汽化原理： 液体混合物在膜两侧压差的作用下，利用膜对被分离混合物中某组分有优先选择性透过的特点，使该组分渗透通过膜并在膜的下游侧气化去除，从而达到混合物的分离提纯的一种膜分离技术。 过程属溶解-扩散机理。 膜 扩散渗透 吸附 汽化 溶液

44. 渗透汽化的应用： 大量的研究表明，在某些特殊场合下，它具有极大的应用价值， 如在沸点相近或恒沸物的分离（苯-环己烷、苯乙烯-乙苯、二甲苯异构体等)； 有机溶剂脱水和水中有机物脱除（异丙醇的脱水浓缩、无水乙醇的生产、有机物中微量水分的脱除等） 渗透气化的操作简单，不需加入其他分离剂等物质，不存在产品和环境的污染问题。

45. 六、膜污染及防治 膜污染：是指料液中的微粒、胶体等吸附或沉积在膜表面或膜孔内，造成膜孔变小或堵塞的不可逆现象。 防治： • 原料液预处理-----热处理、调节pH值、预微滤、预超滤等 • 运行条件的适当选择----采用错流、湍流强化器等 • 膜材料的适当选择-----通常认为强亲水性膜或强疏水性且膜表面电荷与溶质电荷相同的膜较耐污染。

46. 第十四章 小 结 • 重点掌握每种新型分离方法的原理、特点； • 浓差极化及其影响

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