资源简介

(共42张PPT)
《化工单元操作》
项目十一 膜分离技术
知识目标：了解膜分离的过程原理、特点及影响因素。
技能目标：了解膜分离的工业应用；掌握其工艺流程及操作方法；熟悉设备的结构及作用。
素质目标：树立工程技术观念，养成理论联系实际的思维方式；培养追求知识、勤于钻研、一丝不苟、严谨求实、勇于创新的科学态度。
学习目标
三位一体
一、膜分离过程及其在化工生产中的应用
定义：以选择性透过膜为分离介质，在膜两侧一定推动力的作用下，使原料中的某组分选择性地透过膜，从而使混合物得以分离，以达到提纯、浓缩等目的的分离过程。
任务一 认知膜分离技术
膜类型：固相、液相、气相。
推动力：压力差、浓度差、电位差、温度差等。
膜分离与过滤有何联系和区别？
膜过程 缩写 工 业 应 用
反渗透 RO 海水或盐水脱盐；地表或地下水的处理；食品浓缩等
渗透 D 从废硫酸中分离硫酸镍；血液透析等
电渗析 ED 电化学工厂的废水处理；半导体工业用超纯水的制备等
微滤 MF 药物灭菌；饮料的澄清；抗生素的纯化；由液体中分离动物细菌等
超滤 UF 果汁的澄清；发酵液中疫苗和抗生菌的回收等
渗透汽化 PVAP 乙醇-水共沸物的脱水；有机溶剂脱水；从水中除去有机物
气体分离 GS 从烃类物中分离CO2或H2 ；合成气H2/CO比的调节；从空气中分离N2和O2
液膜分离 LM 从电化学工厂废液中回收镍；废水处理等
表11-2 膜分离的工业应用
膜的应用
膜
海水淡化
工业废水处理
城市废水资源化
天然气
生物质利用
能源
水资源
传统工业
生态环境
除尘
CO2 控制
制 药
食 品
化工与石化
电 子
冶 金
燃料电池
洁净燃烧
膜分离发展过程和趋势
纯净水的生产
苹果汁的生产
氮气的生产
表11-2 几种压力推动型膜分离过程的基本特性
找找规律
二、膜分离特点
与传统的分离操作相比，膜分离具有以下特点：
（1）为高效分离过程，可以实现高纯度的分离；
（2）大多数不发生相变化，因此能耗较低；
（3）通常在常温进行，特别适合处理热敏性物料；
（4）设备本身没有运动的部件，可靠性高，操作、
维护都十分方便。
妙哉
三、膜的性能
（一）透过性能
意义 ：能够使被分离的混合物有选择的透过的基本条件。
表征参数 ：透过速率，指单位时间、单位膜面积透过组分的通过量，对于水溶液体系，又称透水率或水通量。
与膜材料的化学特性和分离膜的形态结构有关，随操作推动力的增加而增大。此参数直接决定分离设备的大小。
（二）分离性能
意义：膜分离过程得以实现的前提。
表示方法 ：截留率、截留分子量、分离因数
与膜材料的化学特性和分离膜的形态结构有关，同时也与膜分离过程的一些操作条件有关。
四、膜材料及分类
1、按材料分：
高分子聚合物膜
纤维素类、聚砜类、聚酰胺类、聚酯类、含氟高聚物等。
无机分离膜
陶瓷膜、玻璃膜、金属膜和分子筛炭膜等。
2、按膜形态结构分：
对称膜
非对称膜
任务二 认知膜分离装置与工艺
一、膜组件
（一）板框式膜组件
（二）螺旋卷式膜组件
（三）管式膜组件
（四）中空纤维膜组件
各种膜组件的优缺点
二、膜分离装置的操作流程
下面是几种反渗透过程工艺流程
⑴一级一段连续式
料液一次通过膜组件即为浓缩液而排出。
⑵一级一段循环式
部分浓缩液返回进料贮槽与原有的进料液混合后，再次通过膜组件进行分离。
⑶一级多段连续式
将第一段浓缩液作为第二段进料液，再把第二段浓缩液作为下一段进料液，而各段透过液连续排出。该方式透过液回收率高，浓缩液量较少，但溶质浓度较高。
作业
思考题：P290页1
三、膜分离装置的操作工艺
（一）浓差极化及减弱措施
1、浓差极化现象
溶剂从高压侧透过膜到低压侧，溶质则大部分被膜截留，积累在膜高压侧表面，造成膜表面到主体溶液间的浓度梯度，促使溶质从膜表面通过边界层向主体溶液扩散，此种现象即为浓差极化。
是不是层流内层？
由于浓差极化的存在，将可能出现下列不良影响：
（1）膜表面渗透压的升高将导致溶剂通量的下降；
（2）溶质通过膜的通量上升；
（3）若溶质在膜表面的浓度超过其溶解度可形成沉淀并堵塞膜孔和减少溶剂的通量；
（4）出现膜污染，导致膜分离性能的改变；严重时，膜透水性能大幅度下降，甚至完全消失。
注意啦
2、浓差极化的减弱措施
（1）降低压力
（2）降低溶质在料液中的浓度
（3）在生产中控制回收率
（4）流体流型和流程的安排
（5）升温法
（6）搅拌法
（7）装设湍流促进器
（8）脉冲法
（9）流化床法和两相流法
（10）反冲法
综合应用
（二）膜污染与防止
膜污染：料液中的溶质分子由于与膜存在物理化学或机械作用而引起的在膜表面或孔内吸附、沉积而造成的膜孔径的变小及堵塞，从而引起膜分离特性不可逆变化的现象。
1、料液的预处理
（1）主要目的
① 去除超量的浊度和悬浮固体、胶体物质。
② 调节并控制进料液电导率、总含盐量、pH值和温度。
③ 抑制或控制化合物形成，防止它们沉淀堵塞水的通道或 在膜表面形成涂层。
④ 防止粒子物质和微生物对膜及组件的污染。
⑤ 去除乳化油和未乳化油以及类似的有机物质。
（2）预处理的方法
① 一般采用絮凝、沉淀、过滤生物处理法去除进料液中的浊度和悬浮固体
② 用氯、紫外线或臭氧杀菌，以防止微生物、细菌侵蚀。
③ 加六偏磷酸钠或酸，防止钙、镁离子结垢。
④ 严格控制pH值和余氯，以防止膜的水解。
⑤ 控制水温。
⑥ 注意控制进料流速和进水电导率，因为它们对脱盐率有影响。
2、膜的清洗
（1）物理方法
①水清洗
②反冲洗
③气洗
(2) 化学方法
①酸碱清洗
②表面活性剂
③氧化剂
④酶清洗
膜分离实训装置
任务三 典型膜分离过程及应用
一、反渗透
优点：过程无相变，不需加热，工艺过程简单，能耗低，操作和控制容易，应用范围广泛。
主要应用领域：海水和苦咸水的淡化，纯水和超纯水制备，工业用水处理，饮用水净化，医药、化工和食品等工业料液的处理和浓缩，以及废水处理等。
二、超滤与微滤
超滤：适用于大分子溶液的分离与浓缩，在食品、医药、工 业废水处理、超纯水制备及生物技术工业，包括牛奶的浓缩、果汁的澄清、各种酶的提取等广泛应用。
微滤：主要用于细菌、微粒的去除，在饮料和制药产品的除菌和净化，超纯水制备过程中颗粒的去除，生物技术领域发酵液中生物制品的浓缩与分离等广泛应用。
三、应用实例
（一）超纯水及纯净水的生产
（二）食品工业中的应用
该法与传统工艺比，可大量节约能量，乳清蛋白质量明显提高，而且同时还能获得多种乳制品。
（三）含油废水的处理
任务二 认知吸附技术
一、吸附在化工生产中的应用
吸附是利用某些固体能够从流体混合物中选择性地凝聚一定组分在其表面上的能力，使混合物中的组分彼此分离的单元操作过程。
目前吸附分离广泛应用于化工、医药、环保、冶金和食品等工业部门，如常温空气分离氧氮，酸性气体脱除，从废水中回收有用成分或除去有害成分，糖汁中杂质的去除，石化产品和化工产品的分离等液相分离。
二、吸附操作的特点及分类
1、固体物质表面对气体或液体分子的吸着现象称为吸附，其中具有一定吸附能力的固体材料称为吸附剂，被吸附的物质称为吸附质。
吸附过程所放出的热量称为吸附热。
2、吸附分离是利用混合物中各组分与吸附剂间结合力强弱的差别，即各组分在固相（吸附剂）与流体间分配不同的性质使混合物中难吸附与易吸附的组分分离。
3、根据吸附剂对吸附质之间吸附力的不同，可以分为物理吸附与化学吸附。
物理吸附是指当气体或液体分子与固体表面分子间的作用力为分子间力时产生的吸附，它是一种可逆过程。
在气体分离过程中绝大部分是物理吸附。
三、吸附剂
1．吸附剂的性能要求
① 有较大的比表面 是指单位质量吸附剂所具有的吸附表面积。吸附剂的比表面主要是由颗粒内的孔道内表面构成的，比表面越大吸附容量越大。
② 对吸附质有高的吸附能力和高选择性
③ 较高的强度和耐磨性
④ 颗粒大小均匀
⑤ 具有良好的化学稳定性、热稳定性以及价廉易得
⑥ 容易再生
2．常用吸附剂
① 活性炭
② 硅胶 ：SiO2
③ 活性氧化铝
④ 合成沸石和天然沸石（分子筛）：硅铝酸金属盐的晶体
② 硅胶
四、吸附速率
1、吸附平衡
吸附与脱附达到动态平衡。
2. 吸附速率
① 外扩散
即吸附质分子从流体主体以对流扩散方式和分子扩散方式传递到吸附剂固体表面的过程。
② 内扩散
即吸附质分子从吸附剂的外表面进入其微孔道，进而扩散到孔道的内部表面的过程。
③ 吸附
在吸附剂微孔道的内表面上，吸附质被吸附剂吸附。
结论：少数是外扩散控制，较多是内扩散控制。
3．影响吸附的因素
主要有体系性质（吸附剂、吸附质及其混合物的物理化学性质）、吸附过程的操作条件（温度、压力、两相接触状况）以及两相组成等。
五、吸附的分离过程及工艺
（一） 工业吸附过程
① 变温吸附循环
较低温度下进行吸附，在较高温度下脱附。
② 变压吸附循环
较高压力下进行吸附，在较低压力下脱附。
③ 变浓度吸附循环
利用惰性溶剂冲洗或萃取剂抽提而使吸附质脱附。
④ 置换吸附循环
用其他吸附质把原吸附质从吸附剂上置换下来。
（二） 吸附工艺简介
1．气体的净化
2．液体的净化

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