[工學(xué)]第5章--特種精餾技術(shù)課件
現(xiàn)代分離技術(shù),,,,,,,單擊此處編輯母版文本樣式,第二級,第三級,第四級,第五級,*,第5章 特種精餾技術(shù),*,,,,,,第5章 特種精餾技術(shù),5.1 混合物組分的相圖,5.2 萃取與恒沸精餾,5.3 反應(yīng)精餾,5.4 分子蒸餾,5.5 膜蒸餾及滲透蒸餾,11/30/2024,1,第5章 特種精餾技術(shù),第5章 特種精餾技術(shù)5.1 混合物組分的相圖5.2 萃,5.1.1 三組分相圖與蒸餾邊界,三組分,相圖,,等邊三角形相圖,直角三角形相圖,,,,,三元液相組分蒸餾曲線相圖,5.1 混合物組分的相圖,11/30/2024,2,第5章 特種精餾技術(shù),5.1.1 三組分相圖與蒸餾邊界三組分相圖等邊三角形相圖直角,二區(qū),雙塔,雙塔,典型的三元組分蒸餾曲線圖（1MPa）,每一條曲線表示在混合物蒸餾過程中可能的液相組分的平衡軌跡a),(b),(c),無恒沸點,一區(qū),一恒沸點,一區(qū),二恒沸點,A,64.7℃,C,97.2℃,B,78.5℃,A丙酮,56.2℃,乙醇,C,78.5℃,甲醇,B,64.7℃,A,125.8℃,C,136.2℃,B,135.1℃,55.7℃,5.1 混合物組分的相圖,11/30/2024,3,第5章 特種精餾技術(shù),二區(qū)雙塔雙塔典型的三元組分蒸餾曲線圖（1MPa）,,,,,簡單蒸餾,5.1.2 剩余曲線圖,生成的每一微分量氣體與釜中剩余液體呈汽液平衡，液相組成連續(xù)變化。
三元混合物蒸餾,釜中液體完全混合，泡點,,5.1 混合物組分的相圖,11/30/2024,4,第5章 特種精餾技術(shù),簡單蒸餾5.1.2 剩余曲線圖 生成的每,,,,,,初始條件：,,,,,7,方程,9,變量,,,,,,,5.1 混合物組分的相圖,11/30/2024,5,第5章 特種精餾技術(shù),初始條件：7方程9變量5.1 混合物組分的相圖9/12/2,在,給定,蒸餾的初始條件下，沿,?,增加或減小方向，可計算出,液相組成,的連續(xù)變化剩余曲線,：在三角相圖上表達(dá)蒸餾過程中,液相組成隨時間變化,關(guān)系的曲線同一條剩余曲線上不同點對應(yīng)著不同的蒸餾時間，箭頭指向時間增加的方向，也是溫度升高的方向5.1 混合物組分的相圖,11/30/2024,6,第5章 特種精餾技術(shù),在給定蒸餾的初始條件下，沿?增加或減小,,,,,,,,,,,,,純組分,雙組分,,,,,,,,,純組分和雙組分共沸物的剩余曲線圖,對于復(fù)雜的三元相圖，剩余曲線按簇分布，不同的剩余曲線具有不同的起點和終點，構(gòu)成不同的蒸餾區(qū)域5.1 混合物組分的相圖,11/30/2024,7,第5章 特種精餾技術(shù),純組分雙組分純組分和雙組分共沸物的剩余曲線圖,三組分共沸物的剩余曲線圖,5.1 混合物組分的相圖,11/30/2024,8,第5章 特種精餾技術(shù),三組分共沸物的剩余曲線圖5.1 混合物組分的相圖9/12/,5.1.3 蒸餾曲線圖,蒸餾曲線,：在全回流條件下的連續(xù)精餾過程，液體組成在精餾塔板內(nèi)的分布用三角形相圖表示。
用逐板計算法獲取精餾塔內(nèi)各板上的汽液平衡組成分布與操作關(guān)系操作關(guān)系,平衡關(guān)系,給定壓力下：,起始液相組成x,i,1,,y,i,1,,x,i,2,,y,i,2,,x,i,3,繪三角形相圖,……,5.1 混合物組分的相圖,11/30/2024,9,第5章 特種精餾技術(shù),5.1.3 蒸餾曲線圖 蒸餾曲線：在全回流條件下的連續(xù)精,從而可得全回流下精餾曲線5.1 混合物組分的相圖,精餾曲線邊界與剩余曲線邊界通常相接近剩余曲線不能穿越蒸餾邊界11/30/2024,10,第5章 特種精餾技術(shù),從而可得全回流下精餾曲線5.1 混合物組分的相圖精餾曲線,在全回流比下操作的精餾塔的組成分布也不能穿越蒸餾邊界在一定回流比下操作的精餾塔的組成分布也不能穿越蒸餾邊界為集成過程設(shè)計提供理論依據(jù),開發(fā)可行的精餾流程,精餾產(chǎn)物組成分析,評價分離方案和確定最適宜的分離流程,精餾曲線的用途,5.1 混合物組分的相圖,11/30/2024,11,第5章 特種精餾技術(shù),在全回流比下操作的精餾塔的組成分布也不能穿越蒸餾邊界5.1.4 在全回流下的產(chǎn)物組成區(qū),用剩余曲線圖和蒸餾曲線圖估算非理想三元混合物可能生成區(qū)域。
產(chǎn)物區(qū)域由添加塔物料平衡線在曲線圖上的位置決定5.1 混合物組分的相圖,等壓條件下非恒沸系統(tǒng),11/30/2024,12,第5章 特種精餾技術(shù),5.1.4 在全回流下的產(chǎn)物組成區(qū) 用剩,高回流比,連續(xù)精餾,,,,,F：進(jìn)料,D：塔頂產(chǎn)物,B：塔釜產(chǎn)物,對于給定物料平衡線，D和B組分點必在相同的蒸餾曲線上，則兩點上物料平衡線與蒸餾曲線相交產(chǎn)物組成圖,,,,,,,,,,,,物料平衡和蒸餾曲線圖,對恒沸系統(tǒng)，有蒸餾邊界線存在，則對每一個蒸餾區(qū)域內(nèi)必能找到可能的產(chǎn)物組成5.1 混合物組分的相圖,11/30/2024,13,第5章 特種精餾技術(shù),高回流比連續(xù)精餾F：進(jìn)料D：塔頂產(chǎn)物B：塔釜產(chǎn)物,,5.1 混合物組分的相圖,如書上P,152,圖6-9(a)所示，進(jìn)料F,2,在左邊的蒸餾區(qū)域內(nèi)，塔釜流出組分為B,2,，不能獲得純辛烷；若進(jìn)料在右邊蒸餾區(qū)域，則在塔釜不能獲得純乙基苯產(chǎn)物如書上P,152,圖6-9(b)所示，體系由兩個最小恒沸點和一個最大恒沸點的三個二元恒沸物、一個三元恒沸物組成具有四個蒸餾區(qū)域，體系更復(fù)雜，可能的產(chǎn)物區(qū)域受到限制11/30/2024,14,第5章 特種精餾技術(shù),5.1 混合物組分的相圖 如書上P1,5.2 萃取精餾與恒沸精餾,,萃取精餾,：在被分離的二元混合物中,加入第三組分,，該組分對原溶液中A、B兩組分的分子作用力不同，可選擇性地改變原溶液中的A、B兩組分的蒸氣壓，,增大,它們之間的,相對揮發(fā)度,，或改變乃至消除恒沸點，使精餾仍能進(jìn)行的蒸餾過程。
5.2.1 基本概念,要求萃取劑的沸點較原料液中各組分的沸點高得多，且不與組分形成共沸液，容易回收萃取精餾常用于分離各組分揮發(fā)度差別很小的溶液11/30/2024,15,第5章 特種精餾技術(shù),5.2 萃取精餾與恒沸精餾 萃取精餾：,,表5-1,,恒沸精餾,：在被分離的二元混合物中,加入,第三組分（,恒沸劑,或夾帶劑），該組分與原溶液中的一個或兩個組分形成最低恒沸物，從而形成恒沸物純組分的精餾體系，使恒沸物從塔頂蒸出，純組分從塔底排出的蒸餾過程5.2 萃取精餾與恒沸精餾,11/30/2024,16,第5章 特種精餾技術(shù),表5-1 恒沸精,,恒沸精餾,萃取精餾,共同點,都加入另一組分（即第三組分）,使相對揮發(fā)度增大,計算過程所用的基本關(guān)系式都是物料衡算、熱量衡算和相平衡關(guān)系,不同點,形成恒沸物,不形成恒沸物,從塔頂蒸出,從塔釜離開,恒沸精餾和萃取精餾的比較,5.2 萃取精餾與恒沸精餾,11/30/2024,17,第5章 特種精餾技術(shù),恒沸精餾萃取精餾共同點都加入另一組分（即第三組分）使相對揮發(fā),一般，恒沸精餾的操作溫度低于萃取精餾，適合于熱敏性組分的分離。
萃取劑從塔上部不斷加入，一般不與其它組分形成恒沸物，精餾時從塔底排出恒沸劑可與料液一起從塔釜加入，從塔頂蒸出5.2 萃取精餾與恒沸精餾,11/30/2024,18,第5章 特種精餾技術(shù),一般，恒沸精餾的操作溫度低于萃取精餾，,5.2.2 溶劑選擇原則,被選用溶劑對待分離物中A、B兩組分的選擇性大小使相對揮發(fā)度向所希望方向改變尤厄樂分類法選擇原則,同系物或結(jié)構(gòu)相似性選擇,萃取劑或共沸劑所需的一般特性,5.2 萃取精餾與恒沸精餾,11/30/2024,19,第5章 特種精餾技術(shù),5.2.2 溶劑選擇原則 被選用溶劑對,（1）尤厄樂分類法選擇原則,通常有機化合物極性強弱順序：,水>二醇>醇>酯>酮>醛>醚>烴,尤厄爾，據(jù)液體能否生成氫鍵的特性來推出各類有機物組成溶液時的偏差氫鍵強度取決于與氫原子配位的電負(fù)性原子的性質(zhì)要形成氫鍵，須有一個活性氫原子與一個能供給電子的原子結(jié)合5.2 萃取精餾與恒沸精餾,11/30/2024,20,第5章 特種精餾技術(shù),（1）尤厄樂分類法選擇原則通常有機化合物極性強弱順序：水>二,據(jù)液體中是否有活性氫原子與供電子原子，將有機液體分成五類。
I型：可形成三維強氫鍵網(wǎng)絡(luò),水、乙二醇、甘油、多酚、氨基化合物,II型：活性氫原子與其它供電子原子,醇、酸、酚、伯胺、伸胺、肟、氫氰酸,III型：供電子原子水溶性液體,醚、酮、醛、酯、叔胺、肟、腈化物,IV型：活性氫原子微溶于水，-C-Cl,CHCl,3,， CH,2,Cl,2,， CH,2,Cl-CHCl,2,V型：不形成氫鍵，不溶于水,烴類、CS,2,，硫醇、 鹵代烴（IV中無）,5.2 萃取精餾與恒沸精餾,11/30/2024,21,第5章 特種精餾技術(shù),據(jù)液體中是否有活性氫原子與供電子原子,各類液體混合時呈現(xiàn)的偏差與氫鍵情況,類型,偏差,氫鍵,I+V,II+V,總是,正偏差,，,II+V為部分互溶,僅有,氫鍵斷裂,III+V,總是,負(fù)偏差,僅有,氫鍵生成,I+IV,II+IV,總是正偏差，,II+V為部分互溶,氫鍵可生成，可斷裂，但I(xiàn)類或II類液體解離更重要,I+I,I+II,I+III,II+II,II+III,非常復(fù)雜的組合，通常為正偏差，有時為負(fù)偏差，形成某些最高共沸物氫鍵可生成，可斷裂,III+III III+IV IV+IV,理想溶液或接近理想溶液但具,正偏差,，有可能形成,最低共沸物。
無氫鍵,IV+V,V+V,最低共沸物（如形成共沸物）,5.2 萃取精餾與恒沸精餾,11/30/2024,22,第5章 特種精餾技術(shù),各類液體混合時呈現(xiàn)的偏差與氫鍵情況類型偏差氫鍵I+V總是正偏,（2）同系物或結(jié)構(gòu)相似性選擇,據(jù)兩組分同系物篩選溶劑,丙酮：56.4℃,甲醇：65.7℃,x,丙酮,=0.88，55.7℃,丙酮和甲醇的一些同系物,丙酮同系物,沸點/℃,甲醇同系物,沸點/℃,甲基乙基酮,甲基正丙基酮,甲基異丁基酮,甲基正戊基酮,79.6,102.0,115.9,150.6,乙醇,丙醇,水,丁醇,戊醇,乙二醇,78.3,97.2,100.0,117.8,137.8,197.2,,成恒沸物,,更易揮發(fā),5.2 萃取精餾與恒沸精餾,11/30/2024,23,第5章 特種精餾技術(shù),（2）同系物或結(jié)構(gòu)相似性選擇據(jù)兩組分同系物篩選溶劑丙酮：56,乙醇-水共沸物的分離，以乙二醇替代苯作為其中水的同系物進(jìn)行蒸餾，可獲得無水乙醇分子相似結(jié)構(gòu)可用來推測所選溶劑與關(guān)鍵組分間的相互作用篩選出的溶劑，通過計算其活度系數(shù)、汽液平衡關(guān)系等物性參數(shù)，來估算其對待分離體系的分離因子或經(jīng)實驗驗證5.2 萃取精餾與恒沸精餾,11/30/2024,24,第5章 特種精餾技術(shù),乙醇-水共沸物的分離，以乙二醇替代苯作,（3）萃取劑或共沸劑所需一般特性,,顯著影響關(guān)鍵組分的汽液平衡關(guān)系,化學(xué)穩(wěn)定性好，不分解或自聚，易于分離與再生利用,與原料組分互溶，不生成二相，不發(fā)生化學(xué)反應(yīng),無毒、無腐蝕、廉價易得,5.2 萃取精餾與恒沸精餾,11/30/2024,25,第5章 特種精餾技術(shù),（3）萃取劑或共沸劑所需一般特性顯著影響關(guān)鍵組分的汽液平衡關(guān),5.2.3 萃取精餾的分離因子,萃取劑的加入, 往往改變了原有組分的相互作用,因為溶液為非理想溶液,故組分的活度系數(shù)將會發(fā)生改變。
在這種情況下,原有組分間的相對揮發(fā)度也將發(fā)生改變了由此看出,相對揮發(fā)度不僅與物系的操作條件有關(guān),而且與物系性質(zhì)有關(guān),即活度系數(shù)有關(guān)5.2 萃取精餾與恒沸精餾,11/30/2024,26,第5章 特種精餾技術(shù),5.2.3 萃取精餾的分離因子 萃取劑的加入,盡管萃取精餾所處理的物料非理想性較強，汽液兩相流率變化較大，萃取過程中的塔溫變化較大，但仍可采用,普通精餾,過程的數(shù)學(xué)模型來算出,溶劑量,及其,加入位置,、,回流比,、,理論塔板數(shù),及適宜的,進(jìn)料位置,等操作參數(shù)5.2 萃取精餾與恒沸精餾,假定：,精餾段溶劑濃度x,s,為常數(shù),提餾段溶劑濃度x,s,為常數(shù),塔內(nèi)恒摩爾流,塔頂產(chǎn)品中溶劑濃度x,DS,=0,11/30/2024,27,第5章 特種精餾技術(shù),盡管萃取精餾所處理的物料非理想性較強，,同一段上各板溢流液中溶劑量相等,精餾段物料衡算,總物料衡算,溶劑S衡算,,,,,,,,5.2 萃取精餾與恒沸精餾,11/30/2024,28,第5章 特種精餾技術(shù),同一段上各板溢流液中溶劑量相等精餾段物料衡算總物料衡算溶劑S,,,,,,將非溶劑部分虛擬為一個組分n相平衡：,即：,溶劑平衡：,5.2 萃取精餾與恒沸精餾,11/30/2024,29,第5章 特種精餾技術(shù),將非溶劑部分虛擬為一個組分n。
相平衡：,,,,,,溶劑對非溶劑：,,,,5.2 萃取精餾與恒沸精餾,11/30/2024,30,第5章 特種精餾技術(shù),溶劑對非溶劑：5.2 萃取精餾與恒沸精餾9/12/2023,,,同理，對于提餾段：,5.2 萃取精餾與恒沸精餾,11/30/2024,31,第5章 特種精餾技術(shù),同理，對于提餾段：5.2 萃取精餾與恒沸精餾9/12/20,非溶劑部分僅為組分1和2,,,大,,小,0,則，無論是提餾段還是精餾段，有：,塔頂 x,2,≈0,,塔底 x,1,≈0,,5.2 萃取精餾與恒沸精餾,11/30/2024,32,第5章 特種精餾技術(shù),非溶劑部分僅為組分1和2大小0則，無論是提餾段還是精餾段，有,5.2.4 萃取精餾理論板數(shù)計算,精餾段和提餾段中溶劑濃度均為常數(shù)，溶劑只改變料液中兩個組分（或關(guān)鍵組分）的相對揮發(fā)度可將三組分的萃取精餾按擬二元萃取精餾計算假定恒摩爾流和相對揮發(fā)度,α,為常數(shù)，則可采用普通精餾的簡捷計算法5.2 萃取精餾與恒沸精餾,11/30/2024,33,第5章 特種精餾技術(shù),5.2.4 萃取精餾理論板數(shù)計算 精餾,5.2.5 恒沸精餾理論板數(shù)計算,物料衡算,確定塔操作線,精餾段,提餾,段,確定夾點,理論板數(shù),5.2 萃取精餾與恒沸精餾,11/30/2024,34,第5章 特種精餾技術(shù),5.2.5 恒沸精餾理論板數(shù)計算物料衡算確定塔操作線精餾段,乙醇-水溶液的恒沸精餾,5.2.6 應(yīng)用,5.2 萃取精餾與恒沸精餾,11/30/2024,35,第5章 特種精餾技術(shù),乙醇-水溶液的恒沸精餾5.2.6 應(yīng)用5.2 萃取精餾與,5.3 反應(yīng)精餾,,反應(yīng)精餾,：將化學(xué),反應(yīng),和,精餾,結(jié)合起來,同時,進(jìn)行的操作過程。
反應(yīng)精餾,催化精餾,化學(xué)反應(yīng)在液相進(jìn)行,化學(xué)反應(yīng)在固體催化劑與液相的接觸表面進(jìn)行,5.3.1 基本概念,與傳統(tǒng)方法相比：,產(chǎn)品收率高,節(jié)能,流程簡單,投資少、設(shè)備緊湊,11/30/2024,36,第5章 特種精餾技術(shù),5.3 反應(yīng)精餾 反應(yīng)精餾：將化學(xué)反應(yīng),5.3 反應(yīng)精餾,使用限制,,精餾法來分離反應(yīng)物和產(chǎn)物,化學(xué)反應(yīng)為液相反應(yīng),催化劑充分潤濕,反應(yīng)停留時間不能過長,反應(yīng)溫度和泡點溫度一致,反應(yīng)不能是強吸熱反應(yīng),催化劑壽命至少1～2 a,11/30/2024,37,第5章 特種精餾技術(shù),5.3 反應(yīng)精餾使用限制精餾法來分離反應(yīng)物和產(chǎn)物化學(xué)反應(yīng)為液,5.3.2 反應(yīng)精餾的基本特點,合成反應(yīng),沸點：a 在催化精餾模擬計算中，用UNIFAC法估算，獲得,相平衡數(shù)據(jù)反應(yīng),,,組分間未反應(yīng)的共沸物消失,產(chǎn)生,反應(yīng)共沸物（含理想體系）,11/30/2024,39,第5章 特種精餾技術(shù),在反應(yīng)精餾塔中，無未反應(yīng)物的循環(huán)放熱反應(yīng)的反應(yīng)熱可直接供精,Venimadhavan等提出了有關(guān)在化學(xué)平衡控制與相平衡控制這兩個極端之間的反應(yīng)精餾過程變化，對僅3組分的反應(yīng)進(jìn)行了分析A + B ? 2C,反應(yīng)平衡常數(shù),,Gibbs反應(yīng)自由能的比變化,若K已知，則任一組成會按照上式反應(yīng)一直進(jìn)行到其滿足化學(xué)平衡的那一點為止5.3 反應(yīng)精餾,11/30/2024,40,第5章 特種精餾技術(shù),Venimadhavan等提出了有關(guān)在,K值,,低,高,,反應(yīng)平衡線靠近A-B雙組分一側(cè),進(jìn)料混合物發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的少,,反應(yīng)平衡線靠近A-C、B-C雙組分線的角上,化學(xué)平衡有利于產(chǎn)物C的生成,對蒸餾過程的相平衡特性可用剩余曲線來表示5.3 反應(yīng)精餾,11/30/2024,41,第5章 特種精餾技術(shù),K值低高反應(yīng)平衡線靠近A-B雙組分一側(cè)進(jìn)料混合物發(fā)生化學(xué)反應(yīng),在組分A-B、A-C之間的低沸點二元恒沸物系統(tǒng)，剩余曲線圖的特征是標(biāo)明由微分方程算出的起始和終了的固定點，與純組分和恒沸物相關(guān)的固定點。 大多數(shù)反應(yīng)精餾系統(tǒng)的平衡特性是介于相平衡與反應(yīng)平衡之間，用Damk?hler數(shù)來表征這種變化5.3 反應(yīng)精餾,11/30/2024,42,第5章 特種精餾技術(shù),在組分A-B、A-C之間的低沸點二元恒,H,0,持液量，mol,k,1,擬一級速率常數(shù)，s,-1,υ,蒸汽速率，mol/s,Da < 0.5,t,反應(yīng),< t,停留,相平衡,Da > 10,t,反應(yīng),> t,停留,化學(xué)平衡,0.5 < Da < 10,速率模型,P,164,表 6-7、6-8,5.3 反應(yīng)精餾,11/30/2024,43,第5章 特種精餾技術(shù),H0 持液量，molk1 擬一級速率常數(shù)，s-1υ 蒸汽速率,Da,過程控制類型,過程平衡現(xiàn)象,過程設(shè)計要素,<0.5,相平衡,控制,在非反應(yīng)混合物中得恒沸物強烈影響反應(yīng)級,需要大的停留時間，相平衡模型不能估算產(chǎn)物時，需用速率模型設(shè)計塔,>10.0,化學(xué)平衡控制,可假定反應(yīng)為化學(xué)平衡，每級為具有氣液產(chǎn)物的平衡反應(yīng)器,已有幾種商用模擬元件用于此類反應(yīng)蒸餾級的設(shè)計,(0.5,10.0),速率,限制,動力學(xué)和相平衡有重要影響,為使競爭反應(yīng)最小化，常需調(diào)整反應(yīng)蒸餾條件,Da對過程控制和設(shè)計要素的影響,5.3 反應(yīng)精餾,11/30/2024,44,第5章 特種精餾技術(shù),Da過程控制類型過程平衡現(xiàn)象過程設(shè)計要素<0.5相平衡在非反,Da,K,反應(yīng)形式,過程特點,低,低,正反應(yīng)慢，逆反應(yīng)快，無產(chǎn)物生成，過程難以實現(xiàn),需要大的持液量，無反應(yīng)蒸餾特點,低,高,正反應(yīng)慢，逆反應(yīng)更慢，產(chǎn)物收率高,塔板持液量不是太大，有利于反應(yīng)蒸餾,高,低,產(chǎn)物生成速率快，逆反應(yīng)更快，僅少量產(chǎn)物生成,如果產(chǎn)物能成反應(yīng)區(qū)域及時取出，則反應(yīng)蒸餾特點明顯,高,高,正反應(yīng)快，逆反應(yīng)慢，屬不可逆反應(yīng)，可在簡單反應(yīng)器內(nèi)進(jìn)行,為使競爭反應(yīng)最小化，常需調(diào)整反應(yīng)蒸餾條件,Da和K值對反應(yīng)蒸餾的影響,5.3 反應(yīng)精餾,11/30/2024,45,第5章 特種精餾技術(shù),DaK反應(yīng)形式過程特點低低正反應(yīng)慢，逆反應(yīng)快，無產(chǎn)物生成，過,5.3.4 反應(yīng)精餾的動力學(xué),（1）反應(yīng)段的傳質(zhì)及流體力學(xué)特性,催化蒸餾塔的反應(yīng)段，非均相催化劑內(nèi)部存在化學(xué)反應(yīng)的質(zhì)量和能量傳遞，氣、液膜中存在非反應(yīng)傳遞過程。 5.3 反應(yīng)精餾,已工業(yè)化的催化精餾塔：,催化劑裝入玻璃布袋,用波紋絲網(wǎng)卷成捆束,催化劑床層中,11/30/2024,46,第5章 特種精餾技術(shù),5.3.4 反應(yīng)精餾的動力學(xué)（1）反應(yīng)段的傳質(zhì)及流體力學(xué)特,氣膜傳質(zhì)系數(shù),液膜,傳質(zhì)系數(shù),氣,液有效比表面積,,氣液有效相界面,,催化劑填料比表面積,5.3 反應(yīng)精餾,氣,液有效比表面積,,隨著氣速的增加，床層壓降和持液量均先緩慢增加，而后陡增11/30/2024,47,第5章 特種精餾技術(shù),氣膜傳質(zhì)系數(shù)液膜傳質(zhì)系數(shù)氣液有效比表面積氣液有效相界面催化劑,經(jīng)實驗擬合，單位床層高度壓降與汽液表面流速相關(guān)：,液速L,L=0，,L>0，低于泛點,υ，氣體表面流速；,L，液體表面流速,5.3 反應(yīng)精餾,隨液體噴淋密度及氣速的增加，塔內(nèi)氣液接觸狀態(tài)分別為膜狀流動態(tài)、鼓泡態(tài)和乳化態(tài)11/30/2024,48,第5章 特種精餾技術(shù),經(jīng)實驗擬合，單位床層高度壓降與汽液表,當(dāng)氣液接觸狀態(tài)為膜狀流動態(tài)時，壓降和動持液量有滯后現(xiàn)象2）反應(yīng)精餾的動力學(xué)限制特性,平衡級模型,費勁非平衡模型,,氣液相平衡,相間傳質(zhì)速率,反應(yīng)相內(nèi)（液相）傳質(zhì)速率,反應(yīng)速率,催化劑內(nèi)傳質(zhì)及其活性,產(chǎn)物在液體相內(nèi)的傳質(zhì),5.3 反應(yīng)精餾,11/30/2024,49,第5章 特種精餾技術(shù),當(dāng)氣液接觸狀態(tài)為膜狀流動態(tài)時，壓降和,氣液界面的雙膜吸收理論,Hatta數(shù),液膜,傳質(zhì)系數(shù),液相,傳質(zhì)系數(shù),Hatta數(shù)及其與傳質(zhì)系數(shù)的比較，如書P,165,表6-9所示，分為五種情況。 5.3 反應(yīng)精餾,11/30/2024,50,第5章 特種精餾技術(shù),氣液界面的雙膜吸收理論Hatta數(shù)液膜傳質(zhì)系數(shù)液相傳質(zhì)系數(shù),速率限制模型的現(xiàn)象與,設(shè)計要素,參數(shù)比較,動力學(xué)機制,反應(yīng)蒸餾過程現(xiàn)象,設(shè)計關(guān)鍵或要素,Ha,2,<<1,慢,,,k,1,< 11/30/2024,52,第5章 特種精餾技術(shù),（3）典型體系的反應(yīng)動力學(xué)方程 如書P1,物料平衡：,,反應(yīng)增加,總分子數(shù),,i組分,分子數(shù),精餾段操作線方程,提餾段操作線方程,5.3 反應(yīng)精餾,11/30/2024,53,第5章 特種精餾技術(shù),物料平衡：反應(yīng)增加i組分精餾段操作線方程提餾段操作線方程5.,5.3.6 反應(yīng)蒸餾塔形式的選用,,料液加入板,產(chǎn)品出口板,反應(yīng)熱影響較大時，需加中間加熱或冷卻，并保證液相停留時間5.3 反應(yīng)精餾,11/30/2024,54,第5章 特種精餾技術(shù),5.3.6 反應(yīng)蒸餾塔形式的選用料液加入板產(chǎn)品出口板,對某些體系無需外加其它輔助精餾過程可得合格產(chǎn)品：,反應(yīng)A ? R或A ? 2R,揮發(fā)度 R>A,,,,A和R形成高沸點恒沸物時，穩(wěn)態(tài)下，再沸器中R的摩爾分?jǐn)?shù)大于恒沸組成無提餾段,,,,,5.3 反應(yīng)精餾,11/30/2024,55,第5章 特種精餾技術(shù),對某些體系無需外加其它輔助精餾過程可,反應(yīng)A ? R或2A ?2R,A低沸點,R揮發(fā)度高,,,,無塔頂產(chǎn)品引出,測定反應(yīng)完成位置，防止逆反應(yīng)發(fā)生產(chǎn)品R從再沸器引出,無精餾段,,,,,5.3 反應(yīng)精餾,11/30/2024,56,第5章 特種精餾技術(shù),反應(yīng)A ? R或2A ?2RA低沸點無塔頂產(chǎn)品引出測定反應(yīng),反應(yīng)2A ? R + S 或 A + B ? R+S,A、B揮發(fā)度,在,R,、S之間,,,,B比A難揮發(fā),,,,,,,,,,,,,,5.3 反應(yīng)精餾,11/30/2024,57,第5章 特種精餾技術(shù),反應(yīng)2A ? R + S 或 A + B ? R+SA、B,5.3.7 催化蒸餾塔催化劑的裝填,關(guān)鍵：反應(yīng)段催化劑床層的結(jié)構(gòu)設(shè)計與安裝,催化劑,,催化作用,傳質(zhì)表面作用,較高催化效率,較好分離效率,管內(nèi)裝填時滿足：,,催化劑床層具足夠自由空間,催化劑具足夠表面積,催化劑顆粒可膨脹和收縮,5.3 反應(yīng)精餾,11/30/2024,58,第5章 特種精餾技術(shù),5.3.7 催化蒸餾塔催化劑的裝填關(guān)鍵：反應(yīng)段催化劑床層的,散放于塔內(nèi)某一區(qū)段，裝入板式塔降液管,,裝填方法,擬固定床式,擬規(guī)整填料式,散裝于塔板上二篩網(wǎng)間或塔板上多孔容器,與惰性粒子混合入塔,裝在金屬網(wǎng)板間隙,催化劑捆扎包,放入波紋板間,5.3 反應(yīng)精餾,11/30/2024,59,第5章 特種精餾技術(shù),散放于塔內(nèi)某一區(qū)段，裝入板式塔降液管裝填方法擬固定床式擬規(guī)整,5.3.8 反應(yīng)精餾的應(yīng)用,醋酸和乙醇酯化生成醋酸乙酯。 固體酸作催化劑的甲醛和甲醇反應(yīng)生成甲醛縮二甲醇硫酸作催化劑的醋酸和甲醛反應(yīng)生成醋酸甲酯固體強酸性離子交換樹脂作催化劑的異丁烯和甲醇反應(yīng)生成甲基叔丁基醚5.3 反應(yīng)精餾,11/30/2024,60,第5章 特種精餾技術(shù),5.3.8 反應(yīng)精餾的應(yīng)用醋酸和乙醇酯化生成醋酸乙酯固體,催化精餾MTBE流程簡圖,（1）醚化反應(yīng)精餾,1-預(yù)反應(yīng)器；2-催化精餾塔；3-水洗塔；4-甲醇回收塔,5.3 反應(yīng)精餾,11/30/2024,61,第5章 特種精餾技術(shù),催化精餾MTBE流程簡圖（1）醚化反應(yīng)精餾1-預(yù)反應(yīng)器；2-,5.4 分子蒸餾,5.4.1 基本概念,理論依據(jù)：液體的沸點隨外界壓力的變化而變化，如果借助于真空泵降低系統(tǒng)內(nèi)壓力，就可以降低液體的沸點普通真空蒸餾,液體的沸點：蒸氣壓等于外界壓力時的溫度,減壓蒸餾,在低于大氣壓力下進(jìn)行的蒸餾稱為減壓蒸餾（或普通真空蒸餾）<13.332 Pa,分離提純高沸點有機化合物11/30/2024,62,第5章 特種精餾技術(shù),5.4 分子蒸餾5.4.1 基本概念 理,,減壓蒸餾裝置,蒸餾部分,分離,抽提部分,產(chǎn)生低壓,油泵保護(hù)部分,保護(hù)油泵,正常工作,測壓部分,測量,系統(tǒng)壓力,5.4 分子蒸餾,11/30/2024,63,第5章 特種精餾技術(shù),減壓蒸餾裝置蒸餾部分分離抽提部分產(chǎn)生低壓油泵保護(hù)部分保護(hù)油泵,分子蒸餾又稱短程蒸餾，是在高真空下（一般為10,-4,Pa數(shù)量級），利用不同物質(zhì)分子運動平均自由程的差別實現(xiàn)物質(zhì)的分離。 分子蒸餾蒸發(fā)面和冷凝面,間距,小于或等于被分離的蒸汽,分子的平均自由程,，由蒸發(fā)而逸出的分子可無碰撞、無阻攔地傳遞擴散到冷凝面上冷凝，其蒸發(fā)傳質(zhì)速率可高達(dá)20～40g/(m,2,·s)5.4 分子蒸餾,11/30/2024,64,第5章 特種精餾技術(shù),分子蒸餾又稱短程蒸餾，是在高真空下（一,分子蒸餾與真空蒸餾的比較,原料名稱,操作條件,亞油酸,魚油乙酸,天然維生素（V,E,）,蒸發(fā)溫度,℃,分子蒸餾,真空蒸餾,140,200,130～140,220,160,260,真空度,分子蒸餾,真空蒸餾,1～3,20～30,1～3,20～30,<1,20～30,5.4 分子蒸餾,11/30/2024,65,第5章 特種精餾技術(shù),分子蒸餾與真空蒸餾的比較 原料名稱亞油酸魚,分子蒸餾,操作溫度及蒸餾壓強低,受熱時間短,分離程度及產(chǎn)品收率高,適合于：,熱敏性、易活化物質(zhì),高分子量、高沸點、高黏度物料,11/30/2024,66,第5章 特種精餾技術(shù),分子蒸餾操作溫度及蒸餾壓強低受熱時間短分離程度及產(chǎn)品收率高適,5.4.2 分子蒸餾原理,（1）分子蒸餾過程及特點,分子蒸餾過程示意,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,五步,熱量從加熱面?zhèn)鬟f到液膜，分子從,液相主體向蒸發(fā)面擴散,。 高真空度，溫度遠(yuǎn)低于沸點，分子從液膜表面自由蒸發(fā)基于真空抽力，蒸發(fā)分子向冷凝面飛射5.4 分子蒸餾,11/30/2024,67,第5章 特種精餾技術(shù),5.4.2 分子蒸餾原理（1）分子蒸餾過程及特點分子蒸餾過程,分子蒸餾過程示意,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,分子自由程與蒸發(fā)面-冷凝面間距相比：若大，則分子在冷凝面上冷凝；,若小，則分子不能到達(dá)冷凝面沒有蒸發(fā)的重組分和返回加熱面上的極少量的輕組分由于重力或離心作用落到加熱器底部5.4 分子蒸餾,11/30/2024,68,第5章 特種精餾技術(shù),分子蒸餾過程示意分子自由程與蒸發(fā)面-冷凝面間距相比：若大，則,分子蒸餾需滿足的條件,①輕、重分子的平均自由程必須要有差異，且差異越大越好；,蒸發(fā)面與冷凝面間距必須小于輕分子的平均自由程5.4 分子蒸餾,11/30/2024,69,第5章 特種精餾技術(shù),分子蒸餾需滿足的條件①輕、重分子的平均自由程必須要有差異，且,分子蒸餾與普通蒸餾的比較,比較內(nèi)容,分子蒸餾,普通蒸餾,溫度,任何溫度，與冷凝面存在足夠溫差,沸點溫度,蒸發(fā)-冷凝,不可逆過程,可逆過程,液體蒸發(fā),液膜表面上的自由蒸發(fā)，是不沸騰下蒸餾,沸騰、鼓泡,分離因子,與組分蒸氣壓和分子量之比有關(guān),與組分蒸氣壓有關(guān),5.4 分子蒸餾,11/30/2024,70,第5章 特種精餾技術(shù),分子蒸餾與普通蒸餾的比較比較內(nèi)容分子蒸餾普通蒸餾溫度任何溫度,（2）分子蒸餾的基本原理,分子平均自由程,分子在兩次連續(xù)的碰撞之間所走的路程。 純組分，只有一種分子 ：,兩種分子同時存在 ：,,5.4 分子蒸餾,11/30/2024,71,第5章 特種精餾技術(shù),（2）分子蒸餾的基本原理 分子平均自由程分子在兩次連續(xù)的碰撞,分子蒸餾分離不同分子量組分的原理示意,輕分子可到達(dá)冷凝面，重分子不可5.4 分子蒸餾,11/30/2024,72,第5章 特種精餾技術(shù),分子蒸餾分離不同分子量組分的原理示意輕分子可到達(dá)冷凝面，重分,分子蒸發(fā)速率,由物質(zhì)分子在蒸發(fā)面上的揮發(fā)速率決定，與汽液相平衡無關(guān)按Langmuir-Knudsen方程，多組分體系在理想情況下，每組分的蒸發(fā)速率J為：,對非理想物系或用于分子精餾的精確計算時，需據(jù)實際操作壓力適當(dāng)校正5.4 分子蒸餾,蒸發(fā)溫度,與被蒸餾的物質(zhì)的相對分子質(zhì)量大小相關(guān)，成線性增加關(guān)系11/30/2024,73,第5章 特種精餾技術(shù),分子蒸發(fā)速率 由物質(zhì)分子在蒸發(fā)面上的揮,分離因子,用相對揮發(fā)度,α表示分離二組分混合物的分離能力分子蒸餾,分離過程不可逆，可由蒸發(fā)速率直接求出：,,,,,普通蒸餾，氣液相間達(dá)動態(tài)平衡：,,,5.4 分子蒸餾,11/30/2024,74,第5章 特種精餾技術(shù),分離因子 用相對揮發(fā)度α表示分離二組分,5.4.3 分子蒸餾的傳熱與傳質(zhì),分子蒸餾的表面蒸發(fā)動力學(xué),分子通過蒸餾空間的行程,分子在冷凝面上的冷凝,蒸發(fā)與冷凝表面液膜內(nèi)及蒸餾間隙內(nèi)的傳熱、傳質(zhì),Anhdung等提出,刷膜式分子蒸發(fā)器,數(shù)學(xué)模型，論述了分子蒸發(fā)器內(nèi),液膜穩(wěn)態(tài)區(qū)（溫度恒定）內(nèi)濃度變化,，分子蒸餾過程的,分離能力,。 5.4 分子蒸餾,11/30/2024,75,第5章 特種精餾技術(shù),5.4.3 分子蒸餾的傳熱與傳質(zhì) 分子,,Anhdung等提出,刷膜式分子蒸發(fā)器,數(shù)學(xué)模型,假設(shè)：,蒸餾液為理想溶液分子蒸餾速率不高，膜內(nèi)無溫度變化液膜呈湍流，加熱面與蒸發(fā)面間濃度梯度可忽略5.4 分子蒸餾,11/30/2024,76,第5章 特種精餾技術(shù),Anhdung等提出刷膜式分子蒸發(fā)器數(shù)學(xué)模型假設(shè)：蒸餾液為理,,溶液流經(jīng)dz距離，組分i在蒸餾表面dF(=2,πr,dz)的蒸餾量為：,穩(wěn)態(tài)區(qū)內(nèi)蒸發(fā)，液膜溫度在z方向上不變5.4 分子蒸餾,11/30/2024,77,第5章 特種精餾技術(shù),溶液流經(jīng)dz距離，組分i在蒸餾表面dF,,液膜上組分i的摩爾分?jǐn)?shù)改變dx,i,，則液膜殘液流量改變?yōu)閐G=-∑dJi，物料衡算：,,從進(jìn)料和殘液流量差可得蒸餾液量，對組分i：,不能以一般方程求解5.4 分子蒸餾,11/30/2024,78,第5章 特種精餾技術(shù),液膜上組分i的摩爾分?jǐn)?shù)改變dxi，則液,,對二元體系，有可能得到數(shù)學(xué)解易揮發(fā)組分濃度x，另一組分濃度為1-x5.4 分子蒸餾,11/30/2024,79,第5章 特種精餾技術(shù),對二元體系，有可能得到數(shù)學(xué)解。 邊界條件：,F = 0, x = x,0,, G = G,0,,,,5.4 分子蒸餾,11/30/2024,80,第5章 特種精餾技術(shù),邊界條件：F = 0, x = x0 , G = G05,,,,,5.4 分子蒸餾,11/30/2024,81,第5章 特種精餾技術(shù),5.4 分子蒸餾9/12/202381第5章 特種精餾技術(shù),從而可得分子蒸發(fā)器內(nèi)加熱表面積與殘留液濃度間的關(guān)系：,蒸餾液組成摩爾分?jǐn)?shù)：,回收率：,5.4 分子蒸餾,11/30/2024,82,第5章 特種精餾技術(shù),從而可得分子蒸發(fā)器內(nèi)加熱表面積與殘留液,5.4.4 分子蒸餾裝置設(shè)計,降膜式分子蒸餾器中液膜厚度、向下流動速度與處理液性質(zhì)、處理量及蒸發(fā)表面尺寸滿足：,（1）分子蒸餾工藝設(shè)計,,蒸發(fā)面上的,液膜厚度,,蒸發(fā)面單位圓周,長度上的流速,減少液膜厚度，避免蒸餾液的霧沫飛濺5.4 分子蒸餾,11/30/2024,83,第5章 特種精餾技術(shù),5.4.4 分子蒸餾裝置設(shè)計 降膜式分子,（3）分子蒸餾器,靜止式,出現(xiàn)最早、結(jié)構(gòu)最簡單一個靜止不動的水平蒸發(fā)表面,,釜式,盤式,如P,181,圖6-37所示。 生產(chǎn)能力低、分離效果差、熱分解危險性大適用于實驗室及小規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)5.4 分子蒸餾,11/30/2024,84,第5章 特種精餾技術(shù),（3）分子蒸餾器靜止式出現(xiàn)最早、結(jié)構(gòu)最簡單一個靜止不動的水,降膜式,液膜厚度小，且沿蒸發(fā)面流動；,被加工物料在蒸餾溫度下停留時間短，熱分解危險性小，可連續(xù)生產(chǎn)生產(chǎn)能力大廣泛應(yīng)用于實驗室及工業(yè)生產(chǎn)液體分配裝置難以完善，難保證所有的蒸發(fā)表面都被液膜均勻覆蓋；,液體流動時發(fā)生翻滾現(xiàn)象，霧沫常濺到冷凝面上，降低分離效果如書P,181,圖6-38、6-39所示5.4 分子蒸餾,11/30/2024,85,第5章 特種精餾技術(shù),降膜式液膜厚度小，且沿蒸發(fā)面流動；廣泛應(yīng)用于實驗室及工業(yè)生產(chǎn),刷膜式分子蒸餾設(shè)備是降膜式一種特例釜中設(shè)置轉(zhuǎn)動刮板，強化傳質(zhì)、傳熱使液體均勻覆蓋蒸發(fā)表面、其下之流動液層獲得充分?jǐn)噭?.4 分子蒸餾,離心式,具旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)表面多用于工業(yè)生產(chǎn)11/30/2024,86,第5章 特種精餾技術(shù),刷膜式分子蒸餾設(shè)備是降膜式一種特例液膜分布有規(guī)律，霧沫飛濺現(xiàn)象減少，分離效果好液膜非常薄，流動情況好，生產(chǎn)能力大料液在蒸餾溫度下停留時間短，可加工熱穩(wěn)定性差的有機化合物。 結(jié)構(gòu)復(fù)雜，真空密封較難，設(shè)備成本較高5.4 分子蒸餾,11/30/2024,87,第5章 特種精餾技術(shù),液膜分布有規(guī)律，霧沫飛濺現(xiàn)象減少，分離效果好結(jié)構(gòu)復(fù)雜，真空,多級式,分離多組分液體混合物，獲取多種餾分或提高產(chǎn)物純度如書P,182,圖6-41所示，為工業(yè)用多級分子蒸餾設(shè)備的結(jié)構(gòu)5.4 分子蒸餾,11/30/2024,88,第5章 特種精餾技術(shù),多級式 分離多組分液體混合物，獲取多種餾,多級分子蒸餾設(shè)備中的流動情況,餾出液沿冷凝面向“塔頂”逐級傳遞，而“塔頂”槽內(nèi)的液體則經(jīng)溢流擋板向“塔底”逐級傳遞工藝流程簡單，無需級間輸送傳遞5.4 分子蒸餾,11/30/2024,89,第5章 特種精餾技術(shù),多級分子蒸餾設(shè)備中的流動情況 餾出液沿冷,5.4.5 應(yīng)用,,,適用于不同物質(zhì)分子量差別較大的液體混合物系的分離．特別是同系物的分離分子量必須要有一定差別也可用于分子量接近但性質(zhì)差別較大的物質(zhì)的分離，如沸點差較大、分子量接近的物系的分離特別適用于高沸點、熱敏性、易氧化(或易聚合)物質(zhì)的分離廣泛應(yīng)用于醫(yī)藥、化工、食品、香料、農(nóng)藥等行業(yè)5.4 分子蒸餾,11/30/2024,90,第5章 特種精餾技術(shù),5.4.5 應(yīng)用 適用于不同物質(zhì)分子量差別較大的液體混合物系,5.5 膜蒸餾及滲透蒸餾,5.5.1 膜,處理以水為溶劑的溶液,疏水性,較高的通量,多孔性,膜在熱溶液中穩(wěn)定運行,熱穩(wěn)定性,化學(xué)穩(wěn)定性,低導(dǎo)熱系數(shù),高分子,材料,,聚四氟乙烯（,PTFE,）,聚偏氟乙烯（,PVDF,）,聚丙烯（,PP,）,微濾膜,燒結(jié)法、拉伸法,溶劑致相轉(zhuǎn)化法,熔融紡絲-冷卻拉伸法,熱致相分離法,11/30/2024,91,第5章 特種精餾技術(shù),5.5 膜蒸餾及滲透蒸餾5.5.1 膜處理以水為溶劑的溶液,膜的制備,原料的合成,膜的制備,膜功能的形成,聚合物合成,聚合物溶液或熔體制備,膜成型,使用單體進(jìn)行原位聚合直接形成功能膜,溶液澆注成膜法,熔融拉伸成膜法,相轉(zhuǎn)化法,PTFE、 PVDF及PP,PTFE及PP,5.5 膜蒸餾及滲透蒸餾,11/30/2024,92,第5章 特種精餾技術(shù),膜的制備原料的合成膜的制備膜功能的形成聚合物合成膜成型使用單,親水微孔膜表面進(jìn)行疏水化改性,聚合物涂覆法,界面縮合和界面縮聚法,單體催化聚合法,等離子體聚合法,親水的醋酸纖維素微孔膜和硝酸纖維素微孔膜表面進(jìn)行疏水化改性，改性后膜的膜蒸餾性能不低于疏水材料制成的膜。 5.5 膜蒸餾及滲透蒸餾,11/30/2024,93,第5章 特種精餾技術(shù),親水微孔膜表面進(jìn)行疏水化改性聚合物涂覆法界面縮合和界面縮聚法,膜蒸餾用膜不被液體物料所浸潤浸潤程度可通過接觸角測定潤濕性取決于液體與膜材料之間的相互作用，在親和力低時，膜不會被潤濕液滴在固體（無孔）材料上的接觸角,Laplace方程,5.5 膜蒸餾及滲透蒸餾,θ <90℃ ，親和力高,θ,>90℃，親和力低,11/30/2024,94,第5章 特種精餾技術(shù),膜蒸餾用膜不被液體物料所浸潤 浸,Laplace方程,,,表面張力與分子間作用力相關(guān)乙烷類的烴類化合物表面張力很低水之類形成氫鍵的物質(zhì)，分子間有強作用力，表面張力高液體,表面張力,（γ,L,）/,10,3,M/m,液體,表面張力（γ,L,）/,10,3,M/m,水,72.8,甘油,63.4,甲醇,22.6,甲酰胺,58.2,乙醇,22.8,正己烷,18.4,液體的表面張力數(shù)據(jù),5.5 膜蒸餾及滲透蒸餾,11/30/2024,95,第5章 特種精餾技術(shù),Laplace方程 表面張力與分子間作用力,水中含有有機溶劑時，表面張力會減小。 5.5 膜蒸餾及滲透蒸餾,11/30/2024,96,第5章 特種精餾技術(shù),水中含有有機溶劑時，表面張力會減小5.5 膜蒸餾及滲透蒸餾,聚合物的表面能,聚合物,表面能（v,s,）/10,3,M/m,聚合物,表面能（v,s,）/10,3,M/m,聚四氟乙烯,19.1,聚乙烯,33.2,聚三氟乙烯,23.9,聚丙烯,30.0,聚偏氟乙烯,30.3,聚苯乙烯,42.0,聚氯乙烯,36.7,,,聚合物的表面能對于潤濕性也有著影響,固體聚合物表面能越高，越容易發(fā)生潤濕,5.5 膜蒸餾及滲透蒸餾,11/30/2024,97,第5章 特種精餾技術(shù),聚合物的表面能 聚合物表面能（vs）/103M/m聚合物表面,5.5.3 基本原理,,膜蒸餾,：用,多孔,膜,將兩種處于,不同溫度,的,液體,或,溶液,分開，由膜兩側(cè),溫度差,造成膜兩側(cè)蒸汽壓差，使易揮發(fā)組分的蒸汽分子通過膜孔從高溫側(cè)向低溫側(cè)擴散傳遞并冷凝的過程1）概念,熱量和質(zhì)量同時傳遞，有相變，傳質(zhì)的推動力為膜兩側(cè)透過組分的蒸汽壓差5.5 膜蒸餾及滲透蒸餾,11/30/2024,98,第5章 特種精餾技術(shù),5.5.3 基本原理 膜蒸餾：用多孔,實現(xiàn)膜蒸餾的兩個條件：,膜蒸餾須是疏水微孔膜（對分離水溶液而言）。 膜兩側(cè)要有一定的溫度差存在，以提供傳質(zhì)所需的推動力溫度差和水蒸汽壓差推動的膜蒸餾過程示意圖,5.5 膜蒸餾及滲透蒸餾,11/30/2024,99,第5章 特種精餾技術(shù),實現(xiàn)膜蒸餾的兩個條件：膜蒸餾須是疏水微孔膜（對分離水溶液而言,,滲透蒸餾,：用,微孔疏水,膜,將兩種處于,不同濃度,的,水溶液,分開的膜過程過程推動力：由膜兩側(cè),液相濃度差,造成的膜兩側(cè)滲透壓差2）過程及分類,,直接接觸式,氣隙式,減壓式,氣流吹掃式,膜蒸餾,5.5 膜蒸餾及滲透蒸餾,11/30/2024,100,第5章 特種精餾技術(shù),滲透蒸餾：用微孔疏水膜將兩種處于不同,直接接觸式膜蒸餾（DCMD）,在膜兩側(cè)溫差引起的水蒸汽壓差為過程推動力來進(jìn)行傳質(zhì)，透過的水蒸汽直接進(jìn)入低溫側(cè)的溶液中進(jìn)行冷凝因低溫側(cè)液體是在膜組件外冷凝的，又稱為,外冷式膜蒸餾,5.5 膜蒸餾及滲透蒸餾,11/30/2024,101,第5章 特種精餾技術(shù),直接接觸式膜蒸餾（DCMD） 在膜兩側(cè)溫差引起的水,直接接觸式膜蒸餾傳遞過程,傳遞過程分四步：,水從料液主體擴散到料液側(cè)膜表面水在料液側(cè)膜表面氣化氣化了的蒸汽分子擴散通過疏水膜進(jìn)行傳遞。 4 低溫側(cè)冷凝熱料液流動方向,冷凝液流動方向,5.5 膜蒸餾及滲透蒸餾,11/30/2024,102,第5章 特種精餾技術(shù),直接接觸式膜蒸餾傳遞過程 傳遞過程分四步： 水從料液主體擴,空氣隙膜蒸餾（,AGMD,）,又稱為,氣隙式,或,間歇式膜蒸餾,，透過側(cè)的冷卻介質(zhì)與膜不知接觸，二者之間有一冷板相隔，膜與冷板間存在氣隙，從膜孔透過氣隙的蒸汽在冷板上冷凝而不進(jìn)入冷卻介質(zhì)傳質(zhì)推動力大小與直接接觸式膜蒸餾相當(dāng)，均為水的飽和蒸汽壓因低溫側(cè)的冷源設(shè)在膜組件內(nèi)，也稱為內(nèi)冷式膜蒸餾5.5 膜蒸餾及滲透蒸餾,11/30/2024,103,第5章 特種精餾技術(shù),空氣隙膜蒸餾（AGMD） 又稱為氣隙,傳遞過程分五步：,水從料液主體擴散到料液側(cè)膜表面水在料液側(cè)膜表面氣化氣化了的蒸汽分子擴散通過疏水膜進(jìn)行傳遞疏水膜透過側(cè)表面擴散冷凝，通過空氣滯留層到冷壁表面在冷板壁面冷凝冷凝液流動方向,熱料液流動方向,,11/30/2024,104,第5章 特種精餾技術(shù),傳遞過程分五步：水從料液主體擴散到料液側(cè)膜表面水在料液側(cè)膜,真空膜蒸餾（VMD）,真空膜蒸餾是在產(chǎn)品側(cè)用抽真空形成低壓從而實現(xiàn)分離目的。 透過側(cè)用真空泵抽真空，以造成膜兩側(cè)更大的蒸汽壓差，類似真空滲透氣化透過膜的氣態(tài)物質(zhì)分子的平均分子自由程一般為1,μm,，遠(yuǎn)大于膜的平均孔徑，而且膜的下游側(cè)處于真空狀態(tài)，只有痕量氣體在膜中，所以膜內(nèi)的傳質(zhì)過程表現(xiàn)為努森擴散5.5 膜蒸餾及滲透蒸餾,11/30/2024,105,第5章 特種精餾技術(shù),真空膜蒸餾（VMD） 真空膜蒸餾是在產(chǎn),真空膜蒸餾（VMD）,水從料液主體擴散到料液側(cè)膜表面水在料液側(cè)膜表面氣化氣化了的蒸汽分子擴散通過疏水膜進(jìn)行傳遞透過蒸汽被抽走11/30/2024,106,第5章 特種精餾技術(shù),真空膜蒸餾（VMD） 水從料液主體擴散到料液側(cè)膜表面水在料,吹掃氣膜蒸餾（SGMD）,利用吹掃起帶走蒸汽的過程吹掃氣膜蒸餾（SGMD）,傳質(zhì)過程分四步：,水從料液主體擴散到料液側(cè)膜表面水在料液側(cè)膜表面氣化氣化了的蒸汽分子擴散通過疏水膜進(jìn)行傳遞透過蒸汽被吹掃或抽真空熱料液流動方向,,吹掃或真空,11/30/2024,107,第5章 特種精餾技術(shù),吹掃氣膜蒸餾（SGMD） 利用吹掃起帶走蒸汽的過程吹掃氣膜,滲透蒸餾,熱料液流動方向,冷凝液流動方向,,膜液體兩側(cè)溫度基本相同。 蒸汽壓差由兩側(cè)溶液的滲透壓差產(chǎn)生一側(cè)流動高滲透壓、高濃度鹽溶液適用于熱敏性物質(zhì)脫水5.5 膜蒸餾及滲透蒸餾,11/30/2024,108,第5章 特種精餾技術(shù),滲透蒸餾熱料液流動方向冷凝液流動方向膜液體兩側(cè)溫度基本相同3）濃度極化和溫度極化,隨著過程的進(jìn)行，待分離混合物中一部分物質(zhì)優(yōu)先通過膜；另一部分物質(zhì)被截留，在近膜表面邊界層中累積，透過組分在邊界層中的濃度則下降，這種現(xiàn)象稱為濃度極化5.5 膜蒸餾及滲透蒸餾,溫度極化使膜兩側(cè)溫度差小于冷、熱主體溫度差，從而使傳質(zhì)推動力下降隨著過程的進(jìn)行，某一組分在膜-液界面蒸發(fā)所需的蒸發(fā)熱取自溶液，從而在與膜相相鄰的液膜中形成溫度梯度，這種現(xiàn)象稱為溫度極化11/30/2024,109,第5章 特種精餾技術(shù),（3）濃度極化和溫度極化 隨著過程的進(jìn)行,5.5.3 傳熱和傳質(zhì),,膜蒸餾器進(jìn)出物料溫度示意,膜蒸餾中溫度和壓力分布,,,,,主體溫度：,5.5 膜蒸餾及滲透蒸餾,11/30/2024,110,第5章 特種精餾技術(shù),5.5.3 傳熱和傳質(zhì)膜蒸餾器進(jìn)出物料溫度示意膜蒸餾中溫度,（1）傳熱和傳質(zhì)方程,透過膜的水蒸氣,,擴散流,濃度梯度,熱擴散流,溫度梯度,對于氣體，熱擴散系數(shù)比濃度擴散系數(shù)小10,2,～10,3,，對通量影響很小。 膜兩側(cè)溫差不大時，膜通量和膜兩側(cè)蒸汽壓差為線性關(guān)系：,C，膜傳質(zhì)系數(shù)，決定于組分透過膜的傳質(zhì)機理5.5 膜蒸餾及滲透蒸餾,11/30/2024,111,第5章 特種精餾技術(shù),（1）傳熱和傳質(zhì)方程透過膜的水蒸氣擴散流濃度梯度熱擴散流溫度,膜孔中含不凝性氣體，蒸汽分子通過膜孔分子為分子擴散膜孔中被排出，蒸汽分子可能以對流方式通過膜孔，分子平均自由程小于孔徑，Poiseuille流動模型D 擴散系數(shù),Y,ln,膜孔中空氣摩爾分?jǐn)?shù)（對數(shù)均值）,x 曲折因子,5.5 膜蒸餾及滲透蒸餾,11/30/2024,112,第5章 特種精餾技術(shù),膜孔中含不凝性氣體，蒸汽分子通過膜孔分子為分子擴散膜孔中被,膜孔徑與蒸汽分子平均自由程在同一數(shù)量級，近似于努森擴散5.5 膜蒸餾及滲透蒸餾,一般，膜傳質(zhì)系數(shù)C通過實驗測定C受溫度影響不大對流傳質(zhì)時，C與膜孔的幾何結(jié)構(gòu)有很大關(guān)系，擴散控制時，膜孔內(nèi)所存在空氣的平均摩爾分?jǐn)?shù)將會成為控制因素11/30/2024,113,第5章 特種精餾技術(shù),膜孔徑與蒸汽分子平均自由程在同一數(shù)量級，近似于努森擴散5.,膜內(nèi)蒸汽壓不能直接測量，則：,,（T,m1,-T,m2,）< 10℃，稀溶液,5.5 膜蒸餾及滲透蒸餾,p可由Antoin方程估算：,,11/30/2024,114,第5章 特種精餾技術(shù),膜內(nèi)蒸汽壓不能直接測量，則：（Tm1-Tm2）< 10℃，稀,濃溶液,考慮溶解組分引起蒸汽壓的下降,,修正溫度,傳熱,,伴隨蒸汽通量產(chǎn)生的潛熱傳遞,通過膜的熱傳導(dǎo),5.5 膜蒸餾及滲透蒸餾,11/30/2024,115,第5章 特種精餾技術(shù),濃溶液考慮溶解組分引起蒸汽壓的下降修正溫度傳熱伴隨蒸汽通量產(chǎn),商品微濾膜k,m,0.04～0.06W/(M,·K),隨,ε增加而減少,稀溶液,,潛熱通量,熱傳導(dǎo)通量,k,g,膜孔內(nèi)氣相導(dǎo)熱率,k,s,膜孔內(nèi)固相導(dǎo)熱率,5.5 膜蒸餾及滲透蒸餾,11/30/2024,116,第5章 特種精餾技術(shù),商品微濾膜km0.04～0.06W/(M·K)隨ε增加而減少,通過膜的總熱量Q,,,H 膜有效傳熱系數(shù),（2）溫度極化,,,不同于可測的主體溫度T,b1,、T,b2,。 熱量衡算：,h,1,液膜附近熱液膜傳熱系數(shù)； h,2,液膜附近冷液膜傳熱系數(shù),5.5 膜蒸餾及滲透蒸餾,11/30/2024,117,第5章 特種精餾技術(shù),通過膜的總熱量QH 膜有效傳熱系數(shù)（2）溫度極化不同于可測的,,,5.5 膜蒸餾及滲透蒸餾。
