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5速率分离过程.ppt

5速率分离过程

zhyj3043
2011-11-28 0人阅读 举报 0 0 暂无简介

简介:本文档为《5速率分离过程ppt》,可适用于高等教育领域

第五章速率分离过程概述图  场分离过程改进方向示意分离作的功:力×距离力与速度成正比力大速度高在速度差保障的前提下场面积或空间小。 重力场分离一直径为dp的球形颗粒在静止流体中因重力的作用以匀速沉降(如图所示)。其沉降速度vt为:(-)      (-)(-)曳力系数若从沉降槽a点进入的球形粒子要在其右端刚好沉降到室底则有:(-)设计中总是希望L越小越好在其它条件不变时手段之一是增大dp提高vt从而减薄场厚度。也可以减少处理量即降低v来适应。当dp很小时L会很大。但是dp总是有限的通常:液体中数十微米气体中几微米至十几微米。增大dp的常见方法是凝聚。微粒之间基于范德华力等粒子间力的作用有相互凝聚的倾向。(-)但是实际上主要因以下两个因素而很难凝集:电荷效应:粒子具有电荷可形成双电层它的相互作用使粒子间相互排斥如图所示吸附层效应:粒子表面吸附有高分子、表面活性剂此吸附层的相互作用也使粒子间相互排斥。两者之中前者的作用又更大一些。图粒子表面附近的电荷分布解决之道:中和粒子的电荷使之回复到原先不稳定的热力学状态粒子之间就变得容易凝集:价的钠盐与钾盐因其电中和力弱难以形成不溶性的氢氧化物。Al、Fe、Fe、Mg、Ca其离子价位高、电中和力也强容易形成不溶性的氢氧化物凝集效应大。例如:向泥水中加一点生石灰水立即就澄清了就是这种现象的结果。凝集的进行过程一般如图所示。随着凝聚体(亦称絮凝物)的增大其空隙率εi也增大使凝聚体密度下降。而较小的凝聚体会被较大的凝聚体吸引过去小凝聚体的尺寸越小越是容易进入大凝聚体的空隙并填充之。凝聚体通常只能长到一定程度最大成长直径在~mm。尽管粒径增大但凝聚体密度却减小沉降速度的增加往往小于期望值。 离心力场的分离重力场中往往是增大dp来减小场装置。但因处理量(流速)、装置大小、处理时间等条件的制约能被沉降分离的dp限度是数十微米左右。由可知某种尺寸以下的粒子就不能被分离。若要避开这些限制增大dp是前述手段。若再分析一下上式如果能增大重力加速度也可达到同样目的。手段之一就是采用离心力场。(-)在Re<时粒子移动速度将是重力场作用下的Zc倍。即:离心机的分离因数定义为:Zc=离心加速度重力加速度向心力离心力(-)n为转速(rmin)目前已有Zc为万的超高速离心机可分离粒径已达分子数量级。Zc是离心机的分离因数常见的离心力场分离装置(技术):旋风分离旋风分离器的圆筒是固定的是设法使流体沿圆周方向运动来获得离心力的。为达此目的还可以用使容器自身运动的方法来实现。以角速度ω旋转的容器中其内的流体因粘性作用也将随之转动而产生离心力从而实现分离的目的。沉降式离心分离《分离的科学与技术》(日)大矢图是沉降式离心机原理示意图其考虑问题的方法与重力沉降槽相同。常用:三足式离心沉降分离机Re<时在半径r处粒子的沉降速度有:在一定转速下的临界粒径dp,c可由上式积分得到:Re>时半径r处粒子的沉降速度为:而临界粒径: 电磁场的分离荷电粒子位于电场中就会沿其荷电符号相对应的方向移动。因此电场中的荷电粒子移动不仅有速度差还有移动方向的不同这对实现高效分离是有利的。在重力场和离心力场中一般能够分离的粒子不能小于~μm。就是旋风分离也不能小于μm左右。否则分离效果就极差。利用电磁场处理微小粒子是有效手段之一。 电除尘原理如图所示。放电极为负极平板为正极(集尘极)构成电场。对电场施加直流电(一般在万伏左右)。放电极周围气体被击穿即被等离子化气体发生离解生成正、负离子和电子。产生的正离子立即被放电极吸住而中和但负离子、电子向集尘极富集形成负离子屏障。当含尘气体通过时粒子立即被荷电为负电粒子在库仑力的作用下向集尘极移动而实现分离。粒子就应该能够全部被集尘极捕捉而分离除去。(-) 电泳(electrophoresis)生物体细胞、蛋白质、核酸等生物高分子都具有羧基、氨基、磺酸基、磷酸基等解离性固定基团。它们在pH不同的溶液中其荷电性不同。利用这一特性对含有大小(质量)不一、荷电性及荷电量不同的粒子构成的溶液施加电场粒子就会以不同的速度和方向移动这一现象就是电泳现象。利用这一性质进行分离的操作就称为电泳。蛋白质的分离:蛋白质基本上由氨基组成它具有羧基(COOH)和氨基(NH)所以它会依所在溶液的pH值不同或带正电或带负电。如图所示:电泳时由于通电后会产生焦耳热(IRt)使流体密度产生变化而伴生对流引起返混使已分离的组分又重新混合。为解决这一问题通常的方法有:使用载体来抑制对流。载体选择一般是根据对所分离物质的尺寸使其具有分子筛效应的细孔。将电泳溶液薄层化使散热充分。(~㎜严格层流状态)强制冷却。使在无重力场中进行。利用电泳来实现大量分离目前技术还很困难处于研发中的有:无载体区带电泳法原理如图所示。将保持同一pH和导电性的电解质溶液在稳定流速V下导入分离室并注入试样在电场作用下可连续获得产物。无载体等电聚焦电泳法原理如图所示。将两性担体溶液和试样注入分离室并使其均匀流动电泳开始后两性担体在电场作用下形成pH梯度各组分以各自pH相对应的移动速度泳动到达它的等电点(对应的pH值位置)停止泳动实现分离。两性担体主要是碳链在~的多氨基多羟基化合物利用其上的氨基(~数个)和羟基(~)数目的不同来形成pH梯度。操作中应先注入两性担体溶液预电泳使之形成pH梯度后再注入试样。 非均一场­筛效应前述各节的重力场、离心力场、电磁场都是处于真空、气体或液体那样的连续均匀空间。若能在这样的空间设置障碍把分离所需能量引导到它们上面使特定物质的移动受阻而实现分离以此提高分离效率。筛效应就是基于这种思想的场分离技术。筛分(滤)(略)筛网筛孔的堵塞问题有振动筛、倾斜筛等手段解决。利用的力场通常有重力、离心力、压力差等。为提高重力的位能、形成离心力场、或压力梯度需对流体作功因此机械能是分离所必须的能量。 非均一场膜分离膜在自然界的物料分离中一直都起着非常重要的作用至今仍强烈地吸引着工程技术人员的极大兴趣。膜分离与其它分离过程相比较它是一种相对简单的分离工艺。图膜分离工艺特性示意图就广泛的意义来说每种膜都是一类过滤单元。与通常的过滤分离一样要求被分离的混合物中至少有一种组分几乎可以无阻碍地通过膜而其它的组分则不同程度地受到阻滞。如图所示。 膜分离过程的基本特征因使用物质分离剂膜而命名。这是利用一类特定界面对混合物中不同组分的选择性透过而实现的速度差分离过程其推动力可以是压差、分压差、浓度差、电位差等这相应地决定了其能量分离剂有机械能、化学能、电能等。由于膜分离以膜的选择透过性为基础因此应注意选择透过性在不同膜过程中有不同的含义。尽管在不同的膜法中分离的机理是有区别的但都是以速度差来操作的。这是各种膜分离方法共同的基本特征。膜分离过程基础理论的研究分为两大类:传质机理不可逆热力学(或称非平衡热力学)属于统计热力学范畴。所有膜分离工艺都具有如下两个典型特征:膜分离工艺是纯物理性分离即要求被分离的组分既不会有热学性的变化也不会有化学性或生物性的变化。因此原则上可以回收并再利用混合物中的组分。膜分离工艺是以组件形式构成的因此可以适应不同生产能力的需要。不同于传统过滤的是膜可以在分子范围内进行分离因而可以与经典的化工基本单元操作(如精馏、吸收、吸附等)相竞争。图表示了膜工艺与其它分离过程的适用范围(按粒子大小和分离原理分类结合教材p)。 膜分离过程与过滤过程的区别.截留粒子大小的区别反渗透与超滤适用于含分子态物质的溶液的分离微粒过滤以μm以上的微粒为处理对象往往是非均相液固系统的分离。2.操作成本的区别过滤操作价格便宜以间歇操作为主膜过程很大程度上取决于膜的成本动力消耗也略大于过滤成本将高出过滤很多所以它们的应用范围常常是过滤不能达到有效分离范围的补充。3.对过滤介质和环境的影响过滤操作在很大程度上依靠在滤布上形成滤饼利用粒子的架桥作用所留下的空隙来实施液固分离的而膜过程则不然膜具有较窄的孔径分布具有较高的选择性。分离时不形成滤饼主要是依靠膜本身所具有的微孔大小来达到分离效果的。由于膜孔径十分小再加上本身易受环境影响。例如温度会使膜变形或膨胀使膜在结构上产生变化从而影响其选择性。另外分离溶液的酸碱性也会造成膜透过特性的变化而且还涉及到膜材料的稳定性。总之温度和pH值的变化对膜过程的影响较大。再有就是膜具有的薄且较脆的特点又在较高压力下操作粒子对膜的机械磨损及膜被击穿而影响选择性。这些因素对过滤来说影响都较小。 膜分离过程的基本概念选择性、通量、推动力膜以及在膜上和膜中发生的局部传递过程是所有膜过程的核心。对于膜组件来说还必须考虑场量(例如浓度等参数)沿工艺流程段的变化情况。在膜装置中要对膜组件进行组合连接。最后在总工艺过程的情况下就必须考虑膜装置与其他配套分离设施之间的最佳耦合浓度。从经济的观点来看以下两个特性对于所有的膜过程都是至关重要的:①膜的选择性即将混合物中的组分分离开来的能力例如将醇和水分离开来或者将盐离子和水分离开来②膜的效率(生产能力)即在一定的操作条件下可达到的渗透物通量。上述两个特征参数中相对而言效率是第二位的。因为在一定的范围内低的效率可以通过加大膜面积来平衡但如果选择性较低的话则会导致需要多级的过程。一般情况下这样处理与大多数现行的其他分离工艺相比较是没有竞争能力的。根据膜的选择性和分离任务的不同希望得到的产物既可以是滞留物的形式、也可以是渗透物的形式。通量和选择性都是局部参数。一般情况下这些参数在工程化装置(膜组件)中沿膜会有明显的变化。图表示了最常用的三端头膜组件的分离原理。在这里进料流体被分离成两股不同组成的物料一股为滞留物另一股为渗透物。浓度分布进料中难渗透(被截留)组分的浓度沿组件随膜面积的增大而增大。因此就会引起这样的结果:即使膜的局部选择性是恒定的难渗透组分在渗透边产生的局部浓度也会有相应的上升而在渗透出口处渗透物的浓度为平均浓度。与通常的分离技术一样选择性Sij的概念是根据“产物混合物”和“原料混合物”的组成定义的。对二元混合物选择性定义:或(质量浓度表示)   (-)(mol分率表示)    (-)值得指出的是除了用选择性外通常还采用另一种量度来表示膜的选择性能即对某个关键组分i的截留率:无论是通量、选择性还是截留率都是由膜中的质量传递过程所决定的。膜中的质量传递和渗透过程的两种不同的机理:通过微孔的传递在最简单的情况下是单纯的对流传递基于扩散的传递要传递的组分首先必须被溶解在膜相中。理想化的处理可以把膜看作为单纯的多孔膜或单纯的溶解扩散膜(致密膜)。在实际的膜过程中这两种基本的传递机理完全可以同时出现。在纯粹的对流流动(多孔膜)的情况下传质推动力是膜两边的压力差而对于“致密的”溶解扩散膜来说则发生单纯的扩散传递而且和所有受扩散控制的传质过程一样推动力归结为膜两边的势差。各种膜过程的主要区别在于如何实现这种势差。(p~)表不同的膜分离过程特点许多膜分离过程的推动力尽管是相同的但分离原理却可能不同。表以反渗透、超滤、微滤为例进行比较: 膜的分类一般的概念都把膜理解为两个不同浓度相之间具有选择性的栅栏。但是研究膜的传递过程需要有精确微观的描述这种宏观的定义就不再有效了因为这样的定义根本没有对膜的结构和功能作出说明。就工程意义来说更有用的描述应按照膜的一般特性(厚的薄的均质的不均质的)进行叙述并且根据来源、形态和结构进行分类(见图)。生物膜(原生质细胞膜)对于地球上的所有生物都是不可缺少的因为细胞与其周围机体的质量传递过程只能通过细胞膜来进行。然而不仅在结构和功能方面而且在传质机理方面生物膜都与可用于工程技术目的的合成固体膜有很大差别。下面的论述将只限于合成固体膜。合成的固体膜可以由有机的或无机的材料来制造其中有机聚合物膜受到的重视比无机材料制成的膜要大得多。无机材料的供应直到近年才有较大的增长。到目前为止多数还只限于多孔膜。膜在形态和结构方面的区别与膜的分离机理有密切的联系因此直接与膜的应用相关联。多孔膜主要用于超滤微滤和渗析过程电中性的无孔膜主要用于反渗透、渗透汽化和气体渗透过程荷电的无孔膜则用于纳滤和电渗析过程。所有这些膜都可以制成对称的也可以制成不对称的即在整个膜的厚度上具有相同的或者可变的特性(例如孔径大小变化)。不对称膜可以由一种聚合物制成整体不对称的也可以由不同的聚合物制成组合不对称的因此可以区分为转相膜和复合膜。对不对称聚合物膜来说可区分为整体不对称和组合不对称结构两大类(如图所示)。整体不对称膜通过转相法(即聚合物从某种均相的溶液中沉淀凝固)来制备而且活性层和下部的支撑结构是由同样的材料构成。组合不对称膜是将一层均质的尽可能薄的聚合物膜涂到微孔结构上这种复合膜可由不同的聚合物分别对有选择性的活性层和多孔支撑层进行优化。上述的膜分类不应掩盖这样的事实:必须就具体的工艺过程分别对所用的膜进行优化。这种讲法特别是针对于同样类型的膜用于不同工艺过程的情况例如对于以复合形式构造的溶解一扩散膜来说就必须根据过程的特点考虑体系的相态和需要推动力的情况来决定需要什么样的活性层和多孔支撑层。 膜组件所有膜装置的核心都是膜组件即按一定技术要求将膜组装在一起的组合结构件。在开发膜组件的过程中必须考虑以下几个要求:适量均匀的溢流具有良好的机械稳定性、化学稳定性和热稳定性装填密度大制造成本低易于清洗更换膜的成本尽可能低压力损失小在设计组件结构时还必须考虑传递阻力因素。膜组件的结构设计必须遵循上述要求。一般来说组件可按表分类膜各种膜组件对不同工艺的适用性如表: 膜中传质过程模拟的可能途径(如图所示) 膜分离的应用现状(如图所示)渗析微滤超滤反渗透电渗析控制释放气体分离渗透蒸发液膜膜电解双极性膜连用膜装置促进传递主动传递膜反应器膜能量转换系统其它 膜分离的应用实例.反渗透(reverseosmosis)-利用化学势梯度场的膜技术之一在海水和天然盐水的淡化领域中反渗透过程一再证明了它的可靠性和经济性。自从有了优良的膜品种以来反渗透技术在净化受到有机物或无机物污染的工业生产排放废水方面得到了日益增多的应用。这些膜品种不仅对盐分具有优良截留能力而且对有机溶剂也具有很高的选择性和稳定性。但就目前的技术状况而言几乎在所有的情况下水都是优先渗透的组分然而估计在不久的将来反渗透技术也可能会在纯有机化合物的分离领域中得到应用。反渗透原理图反渗透原理图反渗透的组件与工艺图 膜工艺流程示意图膜组件的排布方式之一图 膜组件布置方式示意图下表是部分商品化的反渗透膜反渗透过程除了膜的致密程度和推动力压差外还有另外两种现象可能对过程产生显著甚至是更大的制约作用:接近会导致膜堵塞的临界浓度(无机物的饱和浓度或有机物含水体系的相转变浓度)影响膜化学稳定性的临界浓度。图是对膜过程的制约影响的因素。建造一套反渗透装置应预先考虑的问题如图所示:评估反渗透技术应用可能性的程序:.超滤和微滤-利用压力梯度场的膜技术超滤和微滤属于压力推动的膜工艺系列。就分离范围(即要被分离的微粒或分子的大小)而言填补了反渗透、纳滤与普通过滤的空档(见图)。超滤操作的跨膜压差为~MPa微滤操作的跨膜压差为~MPa由于微粒的尺寸分子或胶体的结构形状以及膜和被截留组分之间的相互作用对上图所示的分类排列有着重要的影响而且划分膜的分离界限的明确程度也可能有所差异所以各种工艺过程的使用范围在很大程度上部分重叠明确的区别只是定性的一种示意。尽管按工艺过程的分类有一些保留意见但超滤和微滤各自仍具有某些典型的应用范围:微滤用于悬浮液的提浓超滤用于低分子溶解物与大分子的分离。此外对于超滤过程来说要达到良好的分离就要求被分馏物料的分子量至少要相差一个数量级。在超滤和微滤的情况下可分为静态和动态两种操作方式(图)。在静态操作(死端过滤)中所有的被截留微粒都沉积在膜上形成随时间而增厚的滤饼。在动态操作(横流过滤)中进料流体的溢流是与膜平行的。横流过滤通常也会有微粒在膜上沉积而形成覆盖层。但溢流过程却起到了控制膜上覆盖层生成的作用。由于有溢流的存在在膜的表面上就会产生剪切力和浮力并可以使已沉积的微粒覆盖层返回到体相流体这种作用的强弱程度取决于物料体系的状况。表列出了超滤和微滤过程的最重要的一些应用范围。.电渗析电渗析过程可使含水溶液中的荷电离子和分子得到浓缩。利用不同荷电粒子在直流电场中会向相反方向移动的原理:被溶解的阴离子在直流电场中会向阳极移动而阳离子会向阴极方向移动。可借助离子选择性膜来控制这种离子的移动:阴离子交换膜对于阴离子是可渗透的而阳离子则被截留阳离子交换膜则表现出相反的特性。传统的电渗析原理早在年就由Meyer和Strauβ论述过其过程原理如图所示:由图可见交替排布的阴阳离子膜将流入的盐溶液分成若干个单独的由液压隔开的小槽。如果此时在正交于膜的方向上施加一个直流电压阴离子就会移动渗透通过阴离子膜但会被下一个阳离子膜截留。同样阳离子会在相反方向移动的过程中渗透通过阳离子膜而被下一个阴离子膜所截留。其结果是在紧连着的分隔小槽中就会交替发生溶液可离子化成分的浓缩和稀释。将所有离子贫化槽和浓缩槽中的流体汇集起来最后就分别得到脱盐的稀溶液和浓缩液流体。离子交换膜在化学上和离子交换树脂很相象。它们都是由某种聚合物基质构成在这种基质中含有固定的正或负的荷电基团(也就是所谓的固定离子)。图就是以阳离子膜为例的原理示意。阳离子交换膜含有很高浓度的与聚合物基质固定结合的负荷电基团(如磺酸根)。这种负的带电载体(固定离子)由于电中性的原因会被流动的反离子所平衡。在含水电解液中由于静电排斥作用膜中的固定离子将阻止其它相同电荷的离子进入膜内。因此在膜内移动的同离子浓度明显低于溶液中的浓度。这种效应早在年就被Donnan论述过所以被称为道南排斥效应。对于实际应用来说离子交换膜应该具备下列特性:对某类离子有高的渗过选择性。膜对于反离子的渗透性应该非常好而对于同离子则应该尽量不渗透。低电阻。膜的导电率应该尽可能高即反离子在膜相中应该具有很高的移动性。高的机械稳定性(形态稳定性)。膜在溶胀状态下也必须是足够稳定的可以经受其正反两面的压力波动在较宽浓度范围内的电解液中其膨胀度应该是恒定的。高的化学稳定性。首先是对酸或碱的稳定性以及抗溶液中可能存在的氧化性物种的稳定性。电渗析的膜组件结构示意如图所示。电渗析的间歇与连续操作(分别见图和图) 膜分离过程的小结气体和液体混合物的膜分离过程是一个新兴的分离技术在s其应用有了很大的进展。膜分离过程的产物分为截留物和渗透物。影响膜分离过程效率和经济性的关键因素就是膜。它必须要有良好的透过性、高的选择性、高的稳定性、不堵塞和长寿命(一般在年以上)。商业化的膜分离过程包括透析、电渗析、反渗透、渗透汽化等。工程化的膜分离过程中的膜绝大多数是天然膜或合成膜。但对于高温(>℃)或有活性化学成分的混合物常用陶瓷膜、金属膜或碳膜。为达到高的透过性和选择性优先选用致密无孔膜。为保证膜的机械性能膜的厚度一般在~mm。为达到单位体积中高的膜面积膜常被纤维化加工成螺旋状或中空纤维。为克服单个膜组件分离能力组件常以串联或并联的方式组成级联。

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