其它传质分离方法

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,第12章 其它传质分别方法,主讲：李梅,11/16/2024,1,12.1 结晶,一、结晶,1.定义：固体物质以晶体状态从蒸汽、溶液或熔融物中析出的过程。,2.特点：,A.能从杂质含量相当多的溶液或多组分的熔融混合物中产生纯洁的晶体。,B.能量消耗少，操作温度低，对设备材质要求不高，一般很少有“三废”排放，有利于环保。,C.结晶产品包装，运输，储存，使用都很便利。,11/16/2024,2,二、晶系和晶习,1.构成晶体的微观粒子分子、原子或离子按肯定的几何规章排列，由此形成的最小单元称为晶格。,2.晶体可按晶格空间构造的区分分为不同的晶系。同一种物质在不同的条件下可形成不同的晶系，或为两种晶系的混合物。,3.微观粒子的规章排列可以按不同方向进展，即各晶面以不同的速率生长，从而形成不同外形的晶体，这种习性以及最终形成的晶体外形称为晶习。同一晶系的晶体在不同结晶条件下的晶习不同，转变结晶温度，溶剂种类，PH值以及少量杂质或添加剂的存在往往因转变晶习而得到不同的晶体外形。,11/16/2024,3,三、结晶过程,溶质从溶液中结晶出来，要经受两个阶段：晶核的生成，晶体的成长。,晶体形成的推动力：浓度差溶液的过饱和度,溶液在结晶器中出来的晶体和剩余的溶液所构成的混悬物称为晶浆，去除悬浮于其中的晶体后剩下的溶液称为母液。,11/16/2024,4,12.1.2 溶解度与溶液的过饱和,一、溶解度曲线及溶液状态,溶解度曲线：溶质在溶剂中的溶解度随温度而变化的关系。,溶解度的单位常承受单位质量溶剂中所含溶质的量表示。,多数物质的溶解度随温度上升而增大，少数相反。或在不同的温度区域有不同的变化趋向。,11/16/2024,5,浓度溶解度的溶液，称为饱和溶液。,浓度溶解度的溶液，称为不饱和溶液。,浓度溶解度的溶液，称为过饱和溶液，这时，溶液浓度与溶解度之差为过饱和度。,假设将完全纯洁的溶液缓慢冷却，当过饱和度到达肯定限度后，澄清的过饱和溶液就开头析出晶核。表示开头产生晶核的极限浓度曲线称为超溶解度曲线。,当浓度低于溶解度时，不行能发生结晶，处于稳定区。,当浓度大于超溶解度曲线时，会马上自发的发生结晶作用，为不稳区。,上述两线之间为介稳区。,11/16/2024,6,介稳区：,第一介稳区：溶液不会自发成核，参加晶种，会使晶体在其上生长。,其次介稳区：溶液可自发成核，但不像不稳区那样马上析出结晶，需要肯定的时间间隔，这一间隔称为延滞期，过饱和度越大，延滞期越短。,11/16/2024,7,二、过饱和度的表示方法,1.过饱和度：指过饱和溶液的浓度超过该条件下饱和浓度的程度。,2.过饱和度：C=C-C,*,3.过饱和度比：=C/C,*,4.相对过饱和度：=C/C,*,11/16/2024,8,三、形成溶液过饱和状态的方法,1.直接降温，到达过饱和状态，溶质结晶析出，此为冷却结晶。,2.使溶液浓缩，通常承受蒸发以出去局部溶剂。,通常两种方法混合使用。,具有陡峭的溶解度曲线的物系，用冷却结晶有利；而溶解度与温度关系不大的体系则适宜承受浓缩法。,11/16/2024,9,12.1.3 结晶机理与动力学,一、晶核生成与晶体成长,成核机理：,1.初级均相成核：在较高过饱和度下自发成核。,2.初级非均相成核：在外来物的诱导下成核较低的过饱和度下。,3.二次成核：含有晶体的溶液在晶体相互碰撞或晶体与搅拌桨碰撞时产生的微小晶体的诱导下发生的。,11/16/2024,10,晶核形成后，溶质质点会在晶核上连续一层层排列上去形成晶粒，并使晶粒不断增大，这就是晶体的成长。,传质过程：,1.溶质从溶液主体向晶体外表集中传递，以浓度差为推动力。,2.溶质在晶体外表上附着并沿外表移动至适宜位置，按某种几何规律构成晶格，并放出结晶热。,11/16/2024,11,二、再结晶现象,小晶体因外表能较大而有被溶解的趋向。当溶液的过饱和度较低时，小晶体被溶解，大晶体则不断成长并使晶体外形更加完好。这就是晶体的再结晶现象。,11/16/2024,12,三、影响结晶速率的因素,1.过饱和度的影响：温度和浓度都直接影响到溶液的过饱和度。在低过饱和度的溶液中，晶体生长速率与晶核生成速率之比值较大，因而所得晶体较大，晶形也较完整，但结晶速率很慢。过饱和度影响晶体的成长速率，也影响晶习、粒度、晶粒数量、粒度分布等。,2.粘度的影响：粘度大，流淌性差，传递主要靠分子集中。晶体棱角长的快，晶面长的慢。,3.密度的影响,4.位置的影响：当晶体的某些晶面遇到其他晶体或容器壁面时，就会形成歪晶。,5.搅拌的影响：搅拌强度大会使介稳区变窄，二次成核速率增加，晶体粒度变细。,11/16/2024,13,其它结晶方法,一、熔融结晶：是依据待分别物之间的凝固点不同而实现物质结晶分别的过程。,二、反响沉淀：是液相中因化学反响生成的产物以结晶或无定形物析出的过程。,三、盐析：在混合物中参加盐类或其它物质以降低溶质的溶解度，从而析出溶质的方法。,四、升华结晶：蒸汽的骤冷直接结成固体晶体。,11/16/2024,14,根本要求：,1.把握的内容：物理吸附、化学吸附概念，吸附剂的特性，吸附平衡的概念，气相单分子层物理吸附等温线。,2.生疏的内容：吸附剂的分类，吸附过程与吸附过程速率掌握。,3.了解的内容：气相双组分吸附等温线，液相中的吸附平衡，各种吸附操作及强化吸附过程的途径。,12.2吸附分别,11/16/2024,15,12.2吸附分别,概述,一、吸附与分别,利用多孔固体颗粒选择性的吸附流体中的一个或几个组分，从而使流体混合物得以分别的方法称为：吸附操作。,通常称被吸附的物质为吸附质；用作吸附的多孔固体颗粒称为吸附剂。,11/16/2024,16,固体常能或多或少的把四周介质内的分子、原子或离子吸附到自己的外表上，这是由于处在固体外表的质点，受到相内质点的拉力，所处的力场是不平衡的，具有过剩的能量，即外表自由焓。这些不平衡力场由于吸附作用可得到某种程度的补偿，从而使固体的外表自由焓降低。所以，在肯定的温度和压力下，固体外表可自动的吸附到那些能降低其外表自由焓的物质。,比外表大的物质，才是良好的吸附剂。,11/16/2024,17,与吸附相反，组分脱离固体吸附剂外表的现象为解吸。常承受的吸附剂解吸再生循环操作的方法有：,1.变温吸附分别：温度升，吸附量削减。,2.变压吸附分别：加压-吸附，减压-解吸。,3.变浓度吸附分别,4.其它：色谱吸附分别、循环吸附分别等,11/16/2024,18,二、吸附分别的分类,物理吸附：也称为范德华吸附，它是吸附质和吸附剂以分子间作用力为主的吸附。,化学吸附：是吸附质和吸附剂以分子间的化学键为主的吸附。,11/16/2024,19,三、常用吸附剂,吸附分别常利用吸附力脱除痕量物质，把构造类似和物化性质接近的物质分开，要求吸附剂有良好的选择性和吸附容量，这就需要吸附剂具有很大的比外表和多孔构造。另外为了适应工艺需要，还要求吸附剂具有较高的机械强度。,化工中常用的吸附剂为：自然和人工制作两类。,11/16/2024,20,四、吸附剂的根本特性：,吸附剂具有良好的吸附特性，主要是由于它有多孔构造和较大的比外表积，下面介绍与孔构造和比外表积有关的根底性能。,1密度,填充密度B又称体积密度：是指单位填充体积的吸附剂质量。通常将烘干的吸附剂装入量筒中，摇实至体积不变，此时吸附剂的质量与该吸附剂所占的体积比称为填充密度。,表观密度P又称颗粒密度：定义为单位体积吸附剂颗粒本身的质量。,真实密度t：是指扣除颗粒内细孔体积后单位体积吸附剂的质量。,11/16/2024,21,2吸附剂的比外表积,吸附剂的比外表积是指单位质量的吸附剂所具有的吸附外表积，g。吸附剂孔隙的孔径大小直接影响吸附剂的比外表积，孔径的大小可分三类：大孔、过渡孔、微孔。吸附剂的比外表积以微孔供给的外表积为主，常承受气相吸附法测定。,3吸附容量,吸附容量是指吸附剂吸满吸附质时的吸附量单位质量的吸附剂所吸附吸附质的质量，它反映了吸附剂吸附力量的大小。吸附量可以通过观看吸附前后吸附质体积或质量的变化测得。也可用电子显微镜等观看吸附剂固体外表的变化测得。,11/16/2024,22,12.2.2 吸附相平衡,一、吸附等温线,平衡吸附量：当温度、压强肯定时，吸附剂与流体长时间接触，吸附量不再增加，吸附相吸附剂和已吸附的吸附质与流体到达平衡，此时的吸附量为平衡吸附量。,吸附等温线：吸附平衡关系常用不同温度下的平衡吸附量与吸附质分压或浓度的关系表示，其关系曲线称为吸附等温线。,11/16/2024,23,1、气相单组分吸附平衡,1单分子层物理吸附,假设吸附剂外表均匀，被吸附的分子间无作用，吸附质在吸附剂的外表只形成均匀的单分子层，则吸附量随吸附质分压的增加平缓接近平衡吸附量。如在193下，氮在活性炭上的吸附，其吸附等温线如图12-10中所示。,2多分子层吸附,假设吸附分子在吸附剂上按层次排列，已吸附的分子之间作用力无视不计，吸附的分子可以累叠，而每一层的吸附听从朗格谬尔吸附机理，此吸附为多分子层吸附。如在30下水蒸汽在活性炭上的吸附。,11/16/2024,24,2、气相双组分吸附,当吸附剂对混合气体中的两个组分吸附性能相近时，可认为是双组分的吸附。此状况下吸附剂对某一组分的吸附量不仅与温度、压强有关，还随混合物组成的变化而变化。通常温度上升、压力下降会使吸附量下降，图12-13反映了用石墨炭吸附CFCl3C6H6混合气体，气相组成对吸附量的影响。可以看出，某组分在吸附相和气相中摩尔分数的关系与精馏中某组分在气液两相摩尔分数的关系特别相像。所以，有人使用吸附分别系数描述吸附平衡，,11/16/2024,25,定义为：吸附相中两组成之比除以气相中两组成之比，即为分别系数。,可见吸附分别系数偏离1的程度愈大，愈有利于吸附分别。,11/16/2024,26,2、液固吸附平衡,与气固吸附相比，液固吸附平衡的影响因素比较多。溶液中吸附质是否为电解质，PH值大小，都会影响吸附机理。温度、浓度和吸附剂的构造性能，以及吸附质的溶解度和溶剂的性质对吸附机理、吸附等温线的外形都有影响。,11/16/2024,27,12.2.3,传质及吸附速率,一、吸附传质机理,吸附速率与物系、操作条件及浓度有关，当物系及操作条件肯定时，吸附过程包括以下三个步骤：,1吸附质从流体主体以对流集中的形式传递到固体吸附剂的外外表，此过程称为外集中。,2吸附质从吸附剂的外外表进入吸附剂的微孔内，然后集中到固体的内外表，此过程为内集中。,3吸附质在固体内外表上被吸附剂所吸附，称为外表吸附过程。,11/16/2024,28,二、吸附速率,吸附速率：是指当流体与吸附剂接触时，单位时间、单位吸附剂外外表所传递吸附质的质量，kg/(sm2)。,11/16/2024,29,通常吸附为物理吸附，外表吸附速率很快，故总吸附速率主要取决于内外集中速率的大小。,外集中掌握的吸附：当外集中速率小于内集中速率时，总吸附速率由外集中速率打算，此吸附为外集中掌握的吸附。,内集中掌握的吸附：当内集中速率小于外集中速率时，此吸附为内集中掌握的吸附，总吸附速率由内集中速率打算。,11/16/2024,30,吸附操作,吸附分别过程包括吸附过程和解吸过程。由于需处理的流体浓度、性质及要求吸附的程度不同，故吸附操作有多种形式。,1接触过滤式操作,该操作是把要处理的液体和吸附剂一起参加到带有搅拌器的吸附槽中，使吸附剂与溶液充分接触，溶液中的吸附质被吸附剂吸附，经过一段时间，吸附剂到达饱和，将料浆送到过滤机中，吸附剂从液相中滤出，假设吸附剂可用，经适当的解吸，回收利用之。,因在接触式吸附操作时，使用搅拌使溶液呈湍流状态，颗粒外外表的膜阻力削减，故该操作适用于外集中掌握的传质过程。接触过滤吸附操作所用设备主要有釜式或槽式，设备构造简洁，操作简洁。广泛用于活性炭脱除糖液中的颜色等方面。,11/16/2024,31,2固定床吸附操作,固定床吸附操作是把