1、新型分离技术新型分离技术漳州师范学院漳州师范学院 化学与环境工程教研室化学与环境工程教研室陈建华陈建华第一部分第一部分 分离基础分离基础1.1 分离技术在过程工程中的意义分离技术在过程工程中的意义v分离技术是指利用物理、化学或物理化学等基本分离技术是指利用物理、化学或物理化学等基本原理与方法将某种混合物分成两个或多个组成彼原理与方法将某种混合物分成两个或多个组成彼此不同的产物的一种手段。此不同的产物的一种手段。待分离待分离混合物混合物分离装置分离装置分离产物分离产物1分离产物分离产物2分离剂（物质或能量）分离剂（物质或能量）v分离技术通常贯穿在整个生产工艺过程中。分离技术通常贯穿在整个生产工艺
2、过程中。v举例举例（1）在化工生产过程中，分离方面的基建投资通）在化工生产过程中，分离方面的基建投资通常占常占50%-90%，所消耗能量也占绝大部分。，所消耗能量也占绝大部分。如聚乙烯生产，精制所消耗能量占如聚乙烯生产，精制所消耗能量占94%。v分离技术类型分离技术类型1.2 发展新型分离技术的必要性发展新型分离技术的必要性v对产品质量及物质纯度的要求提高对产品质量及物质纯度的要求提高 如，半导体工业要求高纯氩超过99.9999%；载人空间飞行器CO2去除和饮用水的制备等。v资源利用与节能降耗的需求资源利用与节能降耗的需求 如，生物质转为能源产品；能源危机促进工业过程能耗技术的改造；海水淡化缓
3、解水资源缺乏。v生态环境保护的需求生态环境保护的需求 三废的处理。v 多种需求，促使常规分离技术，如蒸馏、吸收、萃取等不多种需求，促使常规分离技术，如蒸馏、吸收、萃取等不断改进和发展；并出现特色明显的新型分离技术，如膜分断改进和发展；并出现特色明显的新型分离技术，如膜分离、泡沫分离、高梯度磁分离、印迹分离等技术。离、泡沫分离、高梯度磁分离、印迹分离等技术。1.3 新型分离技术的研究进展新型分离技术的研究进展（1）基于传统分离过程的改进技术）基于传统分离过程的改进技术 基于萃取的超临界萃取（1974年从咖啡豆提取咖啡因）、双水相萃取（1955年用于生物分子的分离）、液膜分离（1968年胶黏纤维工
4、业废水除锌）基于吸附的色谱分离（20世纪30年代叶绿素的分离）基于蒸馏的分子蒸馏（20世纪80年代进入广泛研究阶段）其它 泡沫分离（1957年金属离子分离）、高梯度磁分离（20世纪70年代高岭土磁选）（2）基于材料科学发展形成的分离技术）基于材料科学发展形成的分离技术（3）基于耦合与集成技术）基于耦合与集成技术 反应分离耦合集成：反应精馏（1981年甲基叔丁基醚生产装置）、催化膜反应（1966年钯银膜上乙烷脱氢）、渗透汽化反应（1992年丙酸丙酯合成）分离分离耦合集成：精馏渗透汽化（回收二甲基甲酰胺）、渗透汽化萃取、错流过滤蒸发、膜渗透变压吸附。v1.4 选择分离技术的一般规则选择分离技术的一
5、般规则 混合物物化性质的差异是选择分离方法的主要依据。如分子量、沸点、密度、溶解度、渗透压、分配系数、热敏性等。工艺可行性与设备可靠性。如膜分离需对进料体系进行预处理，防止膜污染。过程的经济性。考虑物质分离剂和能耗的使用。组合工艺排列次序思考题思考题v 厨房、卧室内有哪些现象可用分离方法来改善？厨房、卧室内有哪些现象可用分离方法来改善？v 举例说明哪些家用电器是基于分离概念进行设计的？举例说明哪些家用电器是基于分离概念进行设计的？v 自来水、纯净水和活性水的制备方法？自来水、纯净水和活性水的制备方法？自来水：沉淀、过滤、消毒 纯净水：离子交换、反渗透等技术进一步处理 活性水：饮用水再经砂滤、炭
6、滤、膜分离后，通过离子交换将酸性物质去除，获弱碱性饮用水。v 以精馏过程为例，说明何为平衡级分离？以精馏过程为例，说明何为平衡级分离？精馏是以能量（热能）为分离剂，使均相混合物系变成两相系统，再以混合物中各组分的相对挥发度差异为依据而实现分离。2.1 分离过程的热力学基础分离过程的热力学基础（1）热力学基本定义与函数）热力学基本定义与函数v对多组分组成的多变体系对多组分组成的多变体系（2）化学位与偏摩尔量）化学位与偏摩尔量v 在等温等压下，在大量的体系中，保持除在等温等压下，在大量的体系中，保持除i组分外的其他组分外的其他组分的量不变，加入一摩尔组分组分的量不变，加入一摩尔组分i时所引起的体系
7、容量性时所引起的体系容量性质的改变；或者是在有限量的体系中加入质的改变；或者是在有限量的体系中加入dni摩尔的摩尔的i后，后，体系容量性质改变了体系容量性质改变了dZ，dZ与与dni的比值就是偏摩尔量。的比值就是偏摩尔量。v偏摩尔自由能与化学位偏摩尔自由能与化学位（3）克拉贝龙方程和克克方程）克拉贝龙方程和克克方程v液体蒸汽压与温度的关系液体蒸汽压与温度的关系（4）渗透压与唐南平衡）渗透压与唐南平衡v渗透：当溶液与溶剂（水）之间被半透膜隔开后，渗透：当溶液与溶剂（水）之间被半透膜隔开后，由于溶液内溶剂化学位较纯溶剂的化学位小，会由于溶液内溶剂化学位较纯溶剂的化学位小，会使溶剂（水）透过膜扩散到
8、溶液一侧。使溶剂（水）透过膜扩散到溶液一侧。v渗透平衡：当膜两侧存在着一定的液位差或压力渗透平衡：当膜两侧存在着一定的液位差或压力差时，可使渗透达到平衡，维持平衡所需的压力差时，可使渗透达到平衡，维持平衡所需的压力差称为体系的差称为体系的渗透压渗透压。v反渗透：当外加的压力差大于渗透压时，溶液内反渗透：当外加的压力差大于渗透压时，溶液内的溶剂将向纯溶剂进行反渗透。的溶剂将向纯溶剂进行反渗透。v渗透压公式（由化学位推导，过程略）渗透压公式（由化学位推导，过程略）i 为渗透压系数，可查手册获得。为渗透压系数，可查手册获得。若若i不变，则不变，则Ci 与与i成正比。成正比。单组分：单组分：多组分：多
9、组分：唐南（唐南（Donnan）平衡）平衡v 假定一种分子或离子大得不能通过膜，而溶剂等小分子和假定一种分子或离子大得不能通过膜，而溶剂等小分子和普通离子能自由通过，这时若系统中有这类分子电解质存普通离子能自由通过，这时若系统中有这类分子电解质存在并达到平衡时，膜两侧电解质浓度并不相等，这种现象在并达到平衡时，膜两侧电解质浓度并不相等，这种现象称为唐南平衡。称为唐南平衡。Na+zc Na+cP z c Cl c 设在开始时情况如右图：左设在开始时情况如右图：左侧侧 NazP 水溶液浓度为水溶液浓度为 c，右侧，右侧 NaCl水溶液浓度为水溶液浓度为 c。由于由于Cl 可由右侧通过半透膜到达左侧
10、，而为了维持电中可由右侧通过半透膜到达左侧，而为了维持电中性，性，每通过一个每通过一个Cl 到左侧，同时必有一个到左侧，同时必有一个NaNa+透过半透膜到透过半透膜到左侧。左侧。设平衡时有浓度为设平衡时有浓度为 x 的的 NaCl 从右侧到达左侧。情况如右图。这从右侧到达左侧。情况如右图。这时，两侧溶液的时，两侧溶液的NaCl的化学势为：的化学势为：Na+zc+x Na+c-xCl x Cl c-x P z c ,Cl,NalnNaClNaCl,Cl,NalnNaClNaCl,200200cccRTcccRT/右右右右右右左左左左左左因为达到渗透平衡时，膜两侧化学势相等，所以有：因为达到渗透平
11、衡时，膜两侧化学势相等，所以有：右右右右左左左左,Cl,Na,Cl,Nacccc2)()(xcxxzc)(22zcccx 所以渗透压为：所以渗透压为：RTxc-czcRTcc)42()()B()B(右右左左RTzcccczccz22222代入代入 x 的解，得到：的解，得到：当当NaCl浓度远远小于浓度远远小于NaP的浓度时，即的浓度时，即 c c 时：时：RTcRTccc222cx 此时此时2.2 分离过程中的动力学基础分离过程中的动力学基础（1）费克第一定律）费克第一定律 由组分由组分A和组分和组分B组成的混合物，如不考虑主体流动的组成的混合物，如不考虑主体流动的影响，根据费克第一定律，由
12、浓度梯度引起的扩散通量影响，根据费克第一定律，由浓度梯度引起的扩散通量可表示为：可表示为：考虑主体流动的影响，费克第一定律可表示为：考虑主体流动的影响，费克第一定律可表示为：式中，式中，JA为为A的扩散摩尔通量；的扩散摩尔通量；DAB为为A在在B中的扩散系数；中的扩散系数；xA为为A的摩尔分率；的摩尔分率；NA为为A的主体流动通量。的主体流动通量。dzdcDJAABA)(BAAAABANNxdzdcDJ（2）费克第二定律）费克第二定律 对双组分体系，流体做多维流动，当在非稳态并伴有对双组分体系，流体做多维流动，当在非稳态并伴有化学反应的条件下进行传质时，采用传质微分方程对化学反应的条件下进行传
13、质时，采用传质微分方程对该情况下的传质过程进行全面描述：该情况下的传质过程进行全面描述：其中，其中，为，为cA的随体的随体导数，表示流体质点上的浓度随时间和空间的变化率。导数，表示流体质点上的浓度随时间和空间的变化率。速度的一阶导数：速度的一阶导数：；浓度的二阶导；浓度的二阶导 数：数：AAABAARcDucDtDc)()(2zcuycuxcutcDtDcAzAyAxAAzuyuxuuZyx2222222zcycxccAAAAv 对于不可压缩性流体，且混合物总摩尔浓度对于不可压缩性流体，且混合物总摩尔浓度c恒定，无化恒定，无化学反应时，由连续性方程学反应时，由连续性方程u=0,费克第一定律可简
14、化为：费克第一定律可简化为：v 若不考虑主体流动，无化学反应发生时，如固体或静止液若不考虑主体流动，无化学反应发生时，如固体或静止液体与流体组成的二元体系内的扩散，费克第二定律可简化体与流体组成的二元体系内的扩散，费克第二定律可简化为：为：AAABAARcDucDtDc)()(2)(2AABAcDtc)(2AABAcDDtDc2.3 分离过程中的物理力分离过程中的物理力（1）分子间和原子间的作用力）分子间和原子间的作用力（2）溶解度参数）溶解度参数 内聚能：溶剂之间、聚合物之间以及溶剂和聚内聚能：溶剂之间、聚合物之间以及溶剂和聚合物之间存在着一定的分子间力，称为内聚能。合物之间存在着一定的分子
15、间力，称为内聚能。对小分子来说，内聚能在数值上等于汽化能。对小分子来说，内聚能在数值上等于汽化能。式中，式中，E为恒容汽化摩尔蒸发能；为恒容汽化摩尔蒸发能；Uvap为摩尔蒸发为摩尔蒸发内能；内能；H为摩尔蒸发焓；为摩尔蒸发焓；Vg和和Vi分别为气、液体摩尔分别为气、液体摩尔体积；体积；E/Vi为内聚能密度；为内聚能密度；为溶解度参数。为溶解度参数。v近几年，近几年，Smolders将将i组分与膜材料或膜之间的矢组分与膜材料或膜之间的矢量差和模数量差和模数imim的大小来选择合适的膜：的大小来选择合适的膜：vd d,p p 和和h h分别为色散分量、偶极分量和氢键分别为色散分量、偶极分量和氢键分
16、量分量vi i组分和膜之间的亲和性随组分和膜之间的亲和性随imim减小而增大，极限减小而增大，极限为为im=0im=0。对于双组分，可用。对于双组分，可用jmjm/imim作为衡量作为衡量组分组分i i和和j j与膜组成的体系的相互作用的强弱程度，与膜组成的体系的相互作用的强弱程度，该比值越大，表示该比值越大，表示i i和和j j组分的分离因子越大。组分的分离因子越大。（3）溶解度系数）溶解度系数v温度对无相互作用气体在聚合物中的溶解度可用温度对无相互作用气体在聚合物中的溶解度可用阿伦尼乌斯方程表示：阿伦尼乌斯方程表示：（4）扩散系数）扩散系数v对简单的无相互作用气体，温度对气体在聚合物对简单
17、的无相互作用气体，温度对气体在聚合物中的扩散，其扩散系数也服从阿伦尼乌斯方程：中的扩散，其扩散系数也服从阿伦尼乌斯方程：（5）渗透系数）渗透系数v 对于无相互作用的小分子气体，溶解度随温度变对于无相互作用的小分子气体，溶解度随温度变化较大，而温度对渗透和扩散的相关性大致相同，化较大，而温度对渗透和扩散的相关性大致相同，可由下式确定：可由下式确定：2.4 分离因子分离因子v 分离因子是表征任一分离过程中混合物内各组分所能达到分离因子是表征任一分离过程中混合物内各组分所能达到的分离程度。实际分离因子可表示为：的分离程度。实际分离因子可表示为：v 讨论：讨论：，则，则i和和j组分没有分离作用。组分没
18、有分离作用。，则组，则组分分i在产物在产物1中比产物中比产物2中高，即组分中高，即组分i在产物在产物1中优先增浓，中优先增浓，j在产物在产物2中被提浓。中被提浓。1sij1sij（1 1）平衡分离过程）平衡分离过程v对于气液非理想体系，固有（理想）分离因子对于气液非理想体系，固有（理想）分离因子为：为：v对于液液平衡体系，若组分对于液液平衡体系，若组分i i和和j j的蒸气分压相的蒸气分压相等，饱和蒸气压也相等，则固有（理想）分离因等，饱和蒸气压也相等，则固有（理想）分离因子为：子为：（2 2）速率控制过程）速率控制过程v 气体混合物的膜分离，组分的平均分子自由程比膜的微孔气体混合物的膜分离，组分的平均分子自由程比膜的微孔大，则在压力差的作用下，组分在膜孔内呈努森流，其通大，则在压力差的作用下，组分在膜孔内呈努森流，其通量与组分分子量的关系为：量与组分分子量的关系为：v 假定气体扩散是在稳态条件下进行，且假定气体扩散是在稳态条件下进行，且p1p2，则固有分，则固有分离因子为：离因子为：式中，式中，Mi，Mj 分别为组分的分子量。分别为组分的分子量。
