化工分离过程第七章其它分离技术和分离过程的选择.ppt

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1、化工分离过程 Chemical Separation Processes,第七章 其它分离技术和分离过程的选择,2,7.1 膜分离技术 7.1.1 分离用膜和膜分离设备 7.1.2 反渗透 7.1.3 超滤 7.1.4 电渗析 7.1.5 气体膜分离 7.1.6 液膜分离7.2 吸附分离7.3 反应精馏7.4 超临界流体萃取,第七章 其它分离技术和分离过程的选择,3,7.2 吸附分离（Adsorption Separation）,吸附是指流体（气体或液体）与固体多孔物质接触时，流体中的一种或多种组分传递到多孔物质外表面和微孔内表面并附着在这些表面上形成单分子层或多分子层的过程。,吸附分离,4,

2、7.2 吸附分离（Adsorption Separation）,吸附操作是通过多孔固体物质与某一混合组分体系（气体或液体）接触，有选择地使体系中的一种或多种组分附着于固体表面，从而实现特定组分分离的操作过程。被吸附到固体表面的组分称为吸附质吸附吸附质的多孔固体称为吸附剂吸附质附着到吸附剂表面的过程称为吸附吸附质从吸附剂表面逃逸到另一相的过程称为解吸吸附过程发生在“气固”或“液固”非均相界面,吸附分离操作的基本概念,5,7.2 吸附分离（Adsorption Separation）,吸附过程通常包括：待分离料液与吸附剂混合、吸附质被吸附到吸附剂表面、料液流出、吸附质解吸回收等四个过程。,吸附过程

3、,6,7.2 吸附分离（Adsorption Separation）,吸附分离操作,脱附：吸附的逆过程,吸附,7,7.2 吸附分离（Adsorption Separation）,按作用力性质分类：分物理吸附和化学吸附 物理吸附：吸附质分子与吸附剂表面分子间存在的范德华力所引起的，也称为范德华吸附。吸附热较小（放热过程，吸附热在数值上与冷凝热相当），可在低温下进行；过程是可逆的，易解吸；相对没有选择性，可吸附多种吸附质；分子量越大，分子引力越大，吸附量越大；可形成单分子吸附层或多分子吸附层。,吸附分离操作的分类,8,7.2 吸附分离（Adsorption Separation）,化学吸附：又称活

4、性吸附，是由吸附剂和吸附质之间发生化学反应而引起的，其强弱取决于两种分子之间化学键力的大小。如石灰吸附CO2 CaCO3 吸附热大，一般在较高温下进行；具有选择性，单分子层吸附；化学键力大时，吸附不可逆。,吸附分离操作的分类,9,7.2 吸附分离（Adsorption Separation）,物理吸附和化学吸附的比较,10,7.2 吸附分离（Adsorption Separation）,按作用力性质分类：分物理吸附和化学吸附按吸附剂再生方法分类：变温吸附和变压吸附按原料组成分类：大吸附量分离和杂质去除按分离机理分类：位阻效应、动力学效应和平衡效应,吸附分离操作的分类,11,7.2 吸附分离（A

5、dsorption Separation）,常用于从稀溶液中将溶质分离出来，由于受固体吸附剂的限制，处理能力较小；对溶质的作用较小，这一点在蛋白质分离中特别重要；可直接从发酵液中分离所需的产物，成为发酵与分离的耦合过程，从而可消除某些产物对微生物的抑制作用；溶质和吸附剂之间的相互作用及吸附平衡关系通常是非线性关系，故设计比较复杂，实验的工作量较大。,吸附法的特点,12,7.2 吸附分离（Adsorption Separation）,优点：pH变化小，适于稳定性差的物质 操作简便，安全，设备简单 有机溶剂掺入少,缺点：选择性差无机吸附剂性能不稳定收率低不能连续操作，劳动强度大碳粉等吸附剂有粉尘污

6、染,吸附法的特点,13,7.2 吸附分离（Adsorption Separation）,一般地，固体表面层的物质粒子受到指向内部的拉力，这种不平衡力场的存在导致表面Gibbs焓的产生。固体物质不能像液体那样可通过收缩表面来降低系统的表面Gibbs焓，但它可利用表面上的剩余力，从周围介质中捕获其它物质粒子，使其不平衡力场得到某种程度的补偿，从而导致表面Gibbs焓的降低。为提高吸附量，应尽可能的增加吸附剂的比表面，许多粉状或多孔性物质，往往都具有良好的吸附性能。,吸附产生的原因,14,7.2 吸附分离（Adsorption Separation）,吸附主要发生在吸附剂内孔表面,15,7.2 吸附

7、分离（Adsorption Separation）,吸附容量大：由于吸附过程发生在吸附剂表面，所以吸附容量取决于吸附剂表面积的大小。选择性高：对要分离的目的组分有较大的选择性。稳定性好：吸附剂应具有较好的热稳定性，在较高温度下解吸再生其结构不会发生太大的变化。同时，还应具有耐酸碱的良好化学稳定性。适当的物理特性：适当的堆积密度和强度，廉价易得。,具有一定吸附能力的多孔物质都可以作吸附剂,吸附剂的主要特性,16,7.2 吸附分离（Adsorption Separation）,吸附剂孔结构,17,7.2 吸附分离（Adsorption Separation）,（1）较高的选择性以达到一定的分离要求

8、；（2）较大的吸附容量以减小用量；（3）较好的动力学及传递性质以实现快速吸附；（4）较高的化学及热稳定性不溶或极难溶于待处理流体以保 证吸附剂的数量和性质；（5）较高的硬度及机械强度以减小磨损和侵蚀；（6）较好的流动性以便于装卸；,吸附剂主要特征,18,7.2 吸附分离（Adsorption Separation）,（7）较高的抗污染能力以延长使用寿命；（8）较好的惰性以避免发生不期望的化学反应；（9）易再生；（10）价格便宜。,吸附剂主要特征,19,7.2 吸附分离（Adsorption Separation）,多孔型：活性炭、硅胶、硅藻土；大网格吸附剂，有机高分子材料，如聚苯乙烯，聚酯。凝

9、胶型：纤维素凝胶，琼脂糖凝胶，匍聚糖凝胶等。,吸附分离介质,20,7.2 吸附分离（Adsorption Separation）,活性炭是应用最为广泛的吸附剂。是由煤或木质原料加工得到的产品，通常一切含碳的物料，如煤、木材、果核、秸秆等都可以加工成黑炭，经活化后制成活性炭。炭化：把原料热解成炭渣，温度：200600度。活化：形成发达的细孔，有两种办法:气体法：通入水蒸气，温度在8001000度；药剂法：加入氯化锌、硫酸、磷酸等比表面积：5001700 m2/g,活性炭,21,7.2 吸附分离（Adsorption Separation）,a.比表面积越大，吸附量越大。但应注意对一些大分子，微孔

10、所提供的比表面积基本上不起作用。活性炭细孔分布情况：微孔：2 nm，占总比表面95，主要支配吸附量 过渡孔：2-100nm，5，起通道和吸附作用 大孔：100-10000 nm，不足1，主要起通道作用，影响吸附速度。,活性炭,22,7.2 吸附分离（Adsorption Separation）,制造过程,一般来说，吸附量主要受小孔支配，但对于分子量（或分子直径）较大的吸附质，小孔几乎不起作用。所以，在实际应用中，应根据吸附质的直径大小和活性炭的孔径分布来选择合适的活性炭。,活性炭,1）组成结构：由木屑、兽骨、兽血或煤屑等原料高温（800）碳化而成的多孔网状结构。,23,7.2 吸附分离（Ads

11、orption Separation）,粉末活性炭,锦纶活性炭,2）种类：粉末活性炭、颗粒活性炭、锦纶活性炭吸附能力为粉末活性炭颗粒活性炭锦纶活性炭,24,7.2 吸附分离（Adsorption Separation）,b.表面化学特性：活性炭本身是非极性的，但由于表面共价健不饱和易与其它元素如氧、氢结合，生成各种含氧官能团。目前已证实的含氧官能团有：OH基、COOH基 由于这种微弱极性，使极性溶质竞争吸附加强。,活性炭,25,7.2 吸附分离（Adsorption Separation）,活性炭对物质的吸附规律,非极性吸附剂在极性介质中对非极性物质具有较强的吸附，因此在水中吸附能力大于有机溶

12、剂中的吸附能力。针对不同的物质，活性炭的吸附遵循以下规律：（1）对极性基团多的化合物的吸附力大于极性基团少的化合物；（2）对芳香族化合物的吸附能力大于脂肪族化合物；（3）对相对分子量大的化合物的吸附力大于分子量小的化合物；（4）pH 值的影响：碱性 中性吸附 酸性洗脱 酸性 中性吸附 碱性洗脱（5）温度：未平衡前，随温度升高而增加。,26,7.2 吸附分离（Adsorption Separation）,再生：指在吸附剂本身结构不发生或极少发生变化的情况下，用某种方法将被吸附的物质，从吸附剂的细孔中除去，以达到能够重复使用的目的。1）加热再生法：分为高温再生和低温再生；常采用高温再生；2）脱水（

13、活性炭与液体分离）干燥（100150）炭化（300700）活化（用蒸汽）冷却；3）药剂再生法：酸碱、有机溶剂；4）化学氧化法：湿式氧化、臭氧；5）生物再生法：利用微生物作用。,活性碳的再生,27,7.2 吸附分离（Adsorption Separation）,硅胶：是一种坚硬无定形链状或网状结构的硅酸聚合物颗粒硅胶的化学式：SiO2nH2O 用硫酸处理硅酸钠水溶液，生成凝胶。水洗除去硫酸钠后经干燥，便可得到玻璃状的硅胶。,硅胶,硅胶是极性吸附剂，难于吸附非极性物质，易于吸附极性物质（如水、甲醇等），如吸湿，高湿度气体的干燥。,28,7.2 吸附分离（Adsorption Separation）

14、,化学式：Al2O3nH2O含水氧化铝加热脱水制成的一种极性吸附剂；与硅胶相比，具有良好的机械强度。比表面积约为200300m2/g，对水分有极强的吸附能力。主要用于气体和液体的干燥、石油气的浓缩与脱硫；磷的吸附。,活性氧化铝,29,7.2 吸附分离（Adsorption Separation）,化学式：Mex/n(AlO2)x(SiO2)ymH2O其中Me阳离子，n为原子价数，m为结晶水分子数；沸石分子筛由高度规则的笼和孔组成；每一种分子筛都有相对均一的孔径，其大小随分子筛种类的不同而异；,强极性吸附剂，对极性分子如H2O、CO2、H2S等有很强的亲和力，对氨氮的吸附效果好，而对有机物的亲和

15、力较弱。,沸石分子筛,30,7.2 吸附分离（Adsorption Separation）,球形分子筛颗粒,31,7.2 吸附分离（Adsorption Separation）,常用沸石分子筛,32,7.2 吸附分离（Adsorption Separation）,沸石分子筛中的原子形成笼形结构，其空穴大小决定了所能吸附分子的大小。,A型分子筛,33,7.2 吸附分离（Adsorption Separation）,A型分子筛,34,7.2 吸附分离（Adsorption Separation）,X型分子筛,35,7.2 吸附分离（Adsorption Separation）,X型分子筛,36,7

16、.2 吸附分离（Adsorption Separation）,硅藻土是由硅藻类植物死亡后的硅酸盐遗骸形成的，基本质是含水的无定形SiO2，并含有少量Fe2O3、MgO、Al2O3及有机杂质，外观一般呈浅黄色或浅灰色，优质的呈白色，质软，多孔而轻。硅藻土的多孔结构使它成为一种良好吸附剂，在食品、化工生产中常用来作助滤剂及脱色剂。,硅藻土,37,7.2 吸附分离（Adsorption Separation）,1）组成结构：Ca3（PO4）2，多孔网状结构凝胶2）种类：磷酸钙 Ca3（PO4）2；磷酸氢钙 CaHPO4 2H2O；羟基磷酸钙Ca5（PO4）3OH 3）吸附性质：其中Ca2+与蛋白质负

17、电荷基团的静电吸 附作用。,磷酸钙凝胶,38,7.2 吸附分离（Adsorption Separation）,吸附树脂指的是一类高分子聚合物。常用的有聚苯乙烯树脂和聚丙烯酸酯树脂等。吸附树脂品种很多，单体的变化和单体上官能团的变化可赋予树脂以各种特殊的性能。吸附树脂可分为非极性、中极性、极性及强极性四类。吸附树脂可用于除去废水中的有机物，糖液脱色，天然产物和生物化学制品的分离与精制等。,吸附树脂,39,7.2 吸附分离（Adsorption Separation）,吸附树脂,1)组成结构：有机高分子聚合物的多孔网状结构。2)特点：选择性好；解吸容易；机械强度好；流体阻力较 小；价格高。3)类型

18、：非极性吸附剂芳香族（苯乙烯等）；中等极性吸附剂脂肪族（甲基丙烯酸酯等）；极性吸附剂含硫氧、酰氨、氮氧等基团。,40,7.2 吸附分离（Adsorption Separation）,吸附剂的选择,如何选择适宜的吸附剂？需要根据被分离对象、分离条件和吸附剂本身的特点确定；需要进行试验研究。,41,7.2 吸附分离（Adsorption Separation）,吸附平衡,在一定的条件下，当流体与吸附剂接触时，流体中的吸附质将被吸附剂所吸附，经过足够长的时间，吸附质在两相中的含量达到定值不再变化，此时称为吸附平衡，该平衡过程决定了吸附过程的方向和极限。吸附平衡关系可以用不同的方法表示，通常用吸附等温

19、线和吸附等温式表示。,42,7.2 吸附分离（Adsorption Separation）,气体的吸附平衡,Brunauer等将单组分气体的吸附等温线分为5种不同的类型，吸附等温线的差别是由于吸附剂与吸附质分子之间不同的作用造成的。,（）在2.5nm以下微孔吸附剂上的吸附等温线属于这种类型。例如78 K时N2在活性炭上的吸附及水和苯蒸汽在分子筛上的吸附。,43,7.2 吸附分离（Adsorption Separation）,吸附等温线的类型,（）常称为S型等温线。吸附剂孔径大小不一，发生多分子层吸附。在比压接近1时，发生毛细管孔凝现象。,44,7.2 吸附分离（Adsorption Separ

20、ation）,（）这种类型较少见。当吸附剂和吸附质相互作用很弱时会出现这种等温线。如 352K时，Br2在硅胶上的吸附属于这种类型。,吸附等温线的类型,45,7.2 吸附分离（Adsorption Separation）,（）多孔吸附剂发生多分子层吸附时会有这种等温线。在比压较高时，有毛细凝聚现象。例如在323K时，苯在氧化铁凝胶上的吸附属于这种类型。,吸附等温线的类型,46,7.2 吸附分离（Adsorption Separation）,（）发生多分子层吸附，有毛细凝聚现象。例如373K时，水汽在活性炭上的吸附属于这种类型。,吸附等温线的类型,47,7.2 吸附分离（Adsorption S

21、eparation）,等温吸附方程,亨利定律：在固体表面上的吸附层从热力学意义上可以认为是不同性质的相，它与气体之间的平衡遵循一般的热力学定律。在足够低的浓度范围内，平衡关系可用亨利定律来表述：,式中的亨利系数是吸附平衡常数，与温度的关系为：,48,7.2 吸附分离（Adsorption Separation）,等温吸附方程,Langmuir吸附等温方程:Langmuir假设在等温下，对于均匀的表面，被吸附的物质分子之间没有相互作用力，形成单分子层吸附时，吸附质在吸附剂上的吸附量可以用如下的公式表示：,49,7.2 吸附分离（Adsorption Separation）,1.假设吸附是单分子层

22、的，与事实不符。2.假设表面是均匀的，其实大部分表面是不均匀的。3.在覆盖度 较大时，Langmuir吸附等温式不适用。,Langmuir吸附等温式的缺点：,Langmuir吸附等温式,Langmuir吸附等温式适用于型等温线和型等温线的低压部分。,50,7.2 吸附分离（Adsorption Separation）,等温吸附方程,Freundlich等温吸附方程 对于等温吸附，还有一些等温吸附的经验表达式，如 Freundlich 的表达式：,该表达式说明吸附量与压力的指数分数成正比，压力增加，吸附量也增加。但压力增加到一定程度后，吸附量不再变化，也就是说，吸附达到了平衡。,51,7.2 吸

23、附分离（Adsorption Separation）,等温吸附方程,Freundlich等温吸附方程,n一般大于1，n值越大，其吸附等温线与线性偏离越大。当n10，吸附等温线几乎变成矩形，是不可逆吸附。,52,7.2 吸附分离（Adsorption Separation）,Langmuir 与 Freundlich方程的比较,53,7.2 吸附分离（Adsorption Separation）,等温吸附方程,Langmuir-Freundlich等温吸附方程 为了提高经验关系式的适用性，将Langmuir方程和 Freundlich方程结合，获得了Langmuir-Freundlich方程：,

24、该式含有三个常数，参数的具体数值由实验测定，所以该式仍属经验关系。,54,7.2 吸附分离（Adsorption Separation）,吸附等温方程,Toch方程：,Unilan 方程：,55,7.2 吸附分离（Adsorption Separation）,多组分吸附的等温方程,工业上吸附多为多组分吸附，如果气体混合物中只有一个吸附质A，其他组分的吸附都可以忽略不计，则仍适用单组分吸附平衡关系估算吸附质A的吸附量，只是用组分的分压表示。如果混合物中两个或多个组分都有相当的吸附量，情况就很复杂。,56,7.2 吸附分离（Adsorption Separation）,多组分吸附的等温方程,实验数

25、据表明：一个组分的吸附可增加，降低或不影响另外组分的吸附，这取决于被吸附分子间的相互作用。假设各组分互不影响，可将Langmuir方程修正用于含有n个组分的混合物，每个组分的吸附量可以表示：,类似的有：,57,7.2 吸附分离（Adsorption Separation）,液体的吸附平衡,液相中的吸附比气相中的吸附在机理上要复杂的多，除了温度和溶质浓度外，吸附剂对溶剂和溶质的吸附，溶质的溶解度和离子化，各种溶质之间的相互作用以及共吸附现象等都会对吸附产生不同的影响。,58,7.2 吸附分离（Adsorption Separation）,液相吸附的机理比气相复杂。在吸附质发生吸附时，溶剂也有可能

26、被吸附。影响因素包括：除温度和溶质浓度外，溶剂种类、吸附质的溶解度和离子化、各种溶质之间的相互作用等。在溶剂的吸附作用忽略不计时，可以认为是单组分吸附。,液相吸附的特点,59,7.2 吸附分离（Adsorption Separation）,液相吸附等温线分类,Giles等研究了有机溶剂组成的溶液，按吸附等温线离原点最近一段曲线的斜率变化，将液相吸附等温线分为四类:S曲线:吸附曲线离开原点的一段向浓度坐标轴方向凸出，与Langmuir等温吸附曲线类似。L曲线和H曲线：曲线离开原点后向吸附量坐标轴高度方向凸出。C曲线：吸附量与溶液浓度之间成线形关系。,60,7.2 吸附分离（Adsorption

27、Separation）,液相吸附等温方程,总之，液相吸附的机理比较复杂，相对气相吸附要复杂得多。对于低浓度溶液的吸附，可以用Langmuir和Freundlich来描述，注意将其中的压力换成液相浓度。对于含有两种或两种以上溶质的稀溶液，可用对应的扩展的Langmuir方程估算，同样注意将压力换为浓度。,61,7.2 吸附分离（Adsorption Separation）,吸附过程机理,吸附质在吸附剂多孔表面上的吸附的过程分四步：（1）吸附质由流体的主体通过扩散（分子扩散和对流扩 散）传递到吸附剂颗粒的外表面（外扩散过程）。扩散阻力是固体颗粒表面的滞留膜；（2）吸附质从吸附剂颗粒外表面通过颗粒上

28、的微孔扩散 进入颗粒内部表面（内扩散过程）；（3）吸附质沿孔内表面的表面扩散；（4）吸附剂被吸附在孔表面上。,62,7.2 吸附分离（Adsorption Separation）,吸附过程机理,对于化学吸附，吸附剂与吸附质之间有化学键的形成，第四步可能较慢，甚至是控制步骤。但对于物理吸附，由于吸附速率仅取决于吸附质分子与孔表面的碰撞频率和定向作用，吸附是瞬间完成的，吸附速率由前三步控制，统称扩散控制。,63,7.2 吸附分离（Adsorption Separation）,吸附过程机理,对于吸附的逆过程脱附过程，进行的是相反的过程，吸附质首先从吸附剂上脱附，经过内扩散传递到吸附剂表面，再从外表面

29、扩散到流体主体，完成脱附。对于物理吸附，在吸附剂表面上的吸附质的吸附过程往往进行很快，所以吸附过程的速率通常由前两步所决定。有的情况下，外扩散速率比内扩散速率慢，吸附速率由外扩散速率所控制，称为外扩散控制，较多的情况是内扩散的速率比外扩散慢，过程为内扩散控制。,64,7.2 吸附分离（Adsorption Separation）,吸附的传质速率方程,吸附过程中涉及的前三个步骤，对于不同的系统，各步骤所起的作用也不同，因此，在研究传质速度时的情况也不同。根据吸附过程机理，对于某一瞬间，特定的吸附过程，按拟稳态过程处理，吸附速率可以分别由外扩散、内扩散或总传质速率方程表示。,65,7.2 吸附分离

30、（Adsorption Separation）,式中时间；kf 气膜或液膜传质系数；ap吸附剂的比表面积；cb流体主体（膜外侧）吸附质的浓度；cs吸附剂外表面（膜内侧）吸附质的浓度。,外扩散传质速率（气膜或液膜传质速率）：吸附质从流体主体扩散到吸附剂外表面的速率。,66,7.2 吸附分离（Adsorption Separation）,内扩散传质速率（吸附相传质速率）：内扩散过程比外扩散过程要复杂得多，通常作简化处理，将传质速率表示为：,式中 ks 内扩散传质系数；q 吸附剂内吸附相的平均浓度（平均吸附量）；qs 吸附剂外表面上吸附相的浓度，一般假定qs 与 cs 成平衡。,67,7.2 吸附分

31、离（Adsorption Separation）,式中 c*与q成平衡的流体相中吸附质的浓度；q*与cb成平衡的吸附相浓度；Kf以流体相总浓度差为推动力的总传质系数；Ks以吸附相总浓度差为推动力的总传质系数。,（与吸收过程类似）,总传质速率,68,7.2 吸附分离（Adsorption Separation）,内扩散传质过程,吸附剂外表面通过微孔向内表面的扩散过程比外扩散过程要复杂得多，它与过程和颗粒的微孔结构有关，由于微孔贯穿颗粒内部，吸附质从外表面的孔口到内表面的吸附处的路径是不同的，因此，吸附质在微孔内的扩散又分为两种形式：沿孔截面的扩散和沿微孔表面的表面扩散。后者是由于微孔表面吸附了吸

32、附剂后，沿孔口向里表面上存在吸附剂的浓度梯度，使吸附质沿壁向里扩散。,69,7.2 吸附分离（Adsorption Separation）,外扩散传质过程,对厚度为r的球壳体积做单位的物料衡算，应用费克第一定律：,如果:,则有:,70,7.2 吸附分离（Adsorption Separation）,外扩散传质过程,孔内的分子扩散服从费克第一定律:,转变为通量的形式:,孔内的表面扩散服从修正的费克第一定律:,71,7.2 吸附分离（Adsorption Separation）,外扩散传质过程,假设为线性吸附：,对气体在孔中的扩散，有效扩散系数为:,总通量为:,72,7.2 吸附分离（Adsorp

33、tion Separation）,内扩散的传质方程,按内扩散的机理进行内扩散的扩散速率计算是很复杂和困难的，一般将内扩散过程简单地处理成从外表面向颗粒内的传质过程，传质方程可以表示为：,由内扩散的机理分析可见，ks与吸附剂的微孔结构性质、吸附质的物性以及吸附过程延续的时间等因素有关。需要通过实验测定。,73,7.2 吸附分离（Adsorption Separation）,总传质速率方程,实际上吸附剂的外表面处的浓度是无法测定的，因此，通常按照稳态处理，用总传质速率方程表示吸附速率：,74,7.2 吸附分离（Adsorption Separation）,总传质速率方程,如果在操作条件的范围内，吸

34、附平衡为线性关系，则有：,对内扩散控制：,对外扩散控制：,75,7.2 吸附分离（Adsorption Separation）,吸附分离操作的应用,吸附分离操作的应用范围很广，既可以对气体或液体混合物中的某些组分进行大吸附量分离，也可以去除混合物中的痕量杂质。日常生活：木炭吸湿、吸臭；防腐剂；吸湿剂（硅胶）,76,7.2 吸附分离（Adsorption Separation）,活性碳应用于工业废水，主要为有机物、氯气及微量不纯物之去除，其亦常与离子交换树脂组合以制造超纯水。用于废水处理，主要是去除一般难处理之有机化合物、卤化物、酚类、水银及一些无机金属离子，如：Sb、As、Bi、Cr及Sn等。

35、活性碳的选择依处理的水別及目的其也各不相同。,活性碳净水处理,77,7.2 吸附分离（Adsorption Separation）,（1）饮用水水源之净化，包括水内含色、臭、合成洗涤 剂及农药等的去除；（2）工业及产业用水之处理；（3）家庭废水之处理及再利用；（4）工业及产业废水之处理及再利用；（5）垃圾渗出水处理。,活性碳净水处理,78,7.2 吸附分离（Adsorption Separation）,化工领域：产品的分离提纯，如制糖品工业，用活性炭处理糖液，吸 附其中杂质，得到洁白的产品。环境领域 水：脱色脱臭，有害有机物的去除，金属离子，氮、磷；空气：脱湿，有害气体，脱臭。,特别适合于低浓

36、度混合物的分离,吸附分离操作的应用,79,7.2 吸附分离（Adsorption Separation）,工业吸附分离过程实例,80,7.2 吸附分离（Adsorption Separation）,工业吸附分离过程实例,81,7.3 反应精馏（Reactive Distillation）,反应精馏,反应精馏技术是精馏技术中的一个特殊的领域，在化工生产中将反应和精馏结合成一个过程的设想导致了反应精馏技术的出现。目前，反应精馏技术已经成为提高分离效率而将反应与精馏相结合的一种分离操作，也是为了提高反应的转化率而借助于精馏分离手段的一种反应过程。,82,7.3 反应精馏（Reactive Disti

37、llation）,反应精馏的原理,反应精馏就是在进行反应的同时用精馏方法分离出产物的过程。原理：对于可逆反应，当某一产物的挥发度大于反应物时，如果将该产物从液相中蒸出，则可破坏原有的平衡，使反应继续向生成物的方向进行，因而可提高单程转化率，在一定程度上变可逆反应为不可逆反应。,83,7.3 反应精馏（Reactive Distillation）,（1）化学反应必须在液相中进行；（2）在操作系统压力下，主反应的反应温度和目的产物的泡点温度接近，以使目的产物及时从反应体系中移出；（3）主反应不能是强吸热反应，否则精馏操作的传热和传质会受到严重影响，会使塔板分离效率减小，甚至使精馏操作无法顺利进行；

38、（4）主反应时间和精馏时间相比较，主反应时间不能过长，否则精馏塔的分离能力不能得到充分利用；（5）对于催化蒸馏，要求催化剂具有较长的使用寿命，因为频繁地更换催化剂需要停止反应精馏操作，从而影响到生产效率，同时增加了生产成本；（6）催化剂的装填结构不仅能使催化反应顺利进行，同时要保证精馏操作也能较好的进行。,使用反应精馏的基本要求,84,7.3 反应精馏（Reactive Distillation）,（1）根据使用催化剂形态的不同，反应精馏可以 分为均相反应精馏和催化精馏；（2）根据投料操作方式，反应精馏可分为连续反应精馏和间歇反应精馏；（3）根据化学反应速度的快慢，反应精馏分为瞬时、快速和慢速

39、反应精馏。,反应精馏的分类,85,7.3 反应精馏（Reactive Distillation）,利用精馏促进反应的反应精馏,可逆反应 如：醇与酸进行酯化反应 连串反应 ARS,86,7.3 反应精馏（Reactive Distillation）,利用反应促进精馏的反应精馏,利用异构体与反应添加剂之间反应能力的差异，通过反应精馏而实现分离是异构体分离技术之一。例如C8芳烃异构体。通常是在双塔中完成的。,87,7.3 反应精馏（Reactive Distillation）,反应精馏工艺流程和传统工艺流程的比较,88,7.3 反应精馏（Reactive Distillation）,反应精馏流程,8

40、9,7.3 反应精馏（Reactive Distillation）,反应精馏过程的特点,由于反应产物一旦生成就从反应区移走，因此，对于若干的可逆和复杂反应。可以提高反应的转化率，改善选择性。因为反应产物及时的移出反应区，因此反应区内反应物的浓度高，增加了反应速度，提高了装置的生产能力。由于利用了反应热，节省能源。将反应器和精馏塔结合为一个设备，节省了投资。对于某些难分离物系，可以利用反应精馏技术获得较纯的产品。,90,7.3 反应精馏（Reactive Distillation）,反应精馏的特点,反应精馏过程的主要优点：（1）选择性高；（2）转化率高；（3）生产能力高；（4）产品纯度高；（5）

41、能耗低；（6）投资省；（7）系统容易控制。,91,7.3 反应精馏（Reactive Distillation）,反应精馏的应用也有其局限性：（1）仅适用于那些反应和精馏分离可以在同一温度条件下进行的工艺过程；（2）对于所有产物的相对挥发度介于反应物的相对挥发度之间和反应物和产物的相对挥发度基本相同的两类情况不适用。,反应精馏的特点,92,7.3 反应精馏（Reactive Distillation）,反应精馏的应用,反应精馏技术的工艺研究和应用经历了近70年的发展，在工业上得到了广泛的应用，如：酯化、酯交换、皂化、胺化、水解、异构化等反应过程。目前，许多工艺已较成熟，且借助于计算机模拟手段，

42、研究范围得到了进一步的扩大。,93,7.3 反应精馏（Reactive Distillation）,反应精馏的应用,94,7.4 超临界流体萃取（Supercritical Fluid Extraction）,超临界流体萃取的几个基本概念,物质的临界状态：指物质气态和液态共存的一种边缘状态，在此状态下，液态的密度与其饱和蒸汽密度相同，因此气液两态界面消失。此状态只有在临界温度和临界压力下才能实现，如果气体处于临界温度之上，无论给予多大的压力，都不能将其液化。临界点：物质处于临界状态下所在的温度、压力点。超临界流体：指处于超过物质本身临界温度和临界压力状态时的流体。稳定的纯物质都有固定的临界点。

43、超临界流体萃取：是利用SCF作为萃取剂，从液体和固体中萃取出特定成分，以达到某种分离的目的。,95,7.4 超临界流体萃取（Supercritical Fluid Extraction）,PT相图上的超临界区,2：三相点4：临界点12：升华曲线23：熔化曲线24：汽化曲线,物质处于其临界温度和临界压力以上状态时，这种流体称为超临界流体（Supercritical Fluids，简称SCF）。,96,7.4 超临界流体萃取（Supercritical Fluid Extraction）,由以上特性可以看出，超临界流体兼有液体和气体的双重特性，密度与液体相当，具有液体对溶质有较大溶解度的特点，而它

44、的扩散系数大，粘度小，渗透性好，与液体溶剂相比，可以更快地完成传质，达到平衡，促进高效分离过程的实现。,超临界流体（SCF）的特性,97,7.4 超临界流体萃取（Supercritical Fluid Extraction）,超临界流体对溶质的溶解度取决于其密度，密度越高，溶解度越大，当改变压力或温度时，密度即发生变化，导致溶解度变化。在超临界区，溶剂从原料中萃取溶质，在临界温度和临界压力以下，溶解度急剧降低，使溶质和溶剂分离，从而达到分离的目的。,超临界流体萃取原理,98,7.4 超临界流体萃取（Supercritical Fluid Extraction）,超临界流体萃取的优点,1.提高S

45、CF的密度，可以将待分离成分溶出，降低SCF密度，又可使该成分从SCF中析出；同时，SCF保持了气体具有的传递特征，比液体渗透得更快，能更快到达平衡。因此，超临界流体萃取效率一般都高于液体溶剂萃取。2.在接近临界点附近，只要温度和压力有微小变化，SCF的密度和溶解度都会发生很大变化，比较容易控制工艺条件。3.SCF容易从分离成分中去除，不会对产品和食品造成污染。4.选用的SCF性质稳定、无腐蚀性，特别适合具有热敏性或易氧化性的成分分离纯化。,99,7.4 超临界流体萃取（Supercritical Fluid Extraction）,1.SCF临界温度要接近工艺中的操作温度（常温）；2.操作温

46、度应低于被萃取物质分解温度或变质温度；3.SCF化学性质要与待萃取成分的化学性质相似；4.SCF化学性质稳定，无毒性和无腐蚀性，不易爆易燃；5.临界温度和临界压力都尽量接近常规条件；6.对于待分离成分要有较高的选择性和较高的溶解度；7.来源广泛，价格便宜，以降低成本。常用的SCF：CO2、SO2、C2H4、C3H8、C4H10、CClF3,超临界流体的选择原则,100,7.4 超临界流体萃取（Supercritical Fluid Extraction）,常用的超临界溶剂及其临界参数,101,7.4 超临界流体萃取（Supercritical Fluid Extraction）,临界温度接近室

47、温（适用于热敏性物质），临界压力容易达到；化学性质稳定，不燃，不爆，无腐蚀；无色，无味，无毒；防氧化性，抑制微生物活动（适用于食品工业）；来源广泛，价格便宜，易得到纯度较高的二氧化碳。,二氧化碳作为超临界溶剂的优点,102,7.4 超临界流体萃取（Supercritical Fluid Extraction）,（1）对油溶性成分溶解能力较强而对水溶性成分溶解能力较低；（2）设备造价较高而导致产品成本中的设备折旧费比例过大；（3）更换产品时清洗设备较困难。,超临界二氧化碳的局限,103,7.4 超临界流体萃取（Supercritical Fluid Extraction）,超临界二氧化碳萃取技术

48、就是利用超临界的二氧化碳代替普通的有机溶剂来进行提取的一种技术。即是利用二氧化碳在超临界状态下的对溶质有很高的溶解能力而在非超临界状态下的对溶质的溶解能力又很低的这一特性，来实现对目标成分的提取和分离。,超临界二氧化碳萃取过程简介,104,7.4 超临界流体萃取（Supercritical Fluid Extraction）,105,7.4 超临界流体萃取（Supercritical Fluid Extraction）,超临界二氧化碳萃取过程受很多因素的影响，包括被萃取物质的性质和超临界二氧化碳所处的状态等。这些影响因素（如二氧化碳的温度、压力、流量、夹带剂；样品的物理形态、粒度、粘度等）交织

49、在一起使萃取过程变得较为复杂。,超临界二氧化碳萃取的影响因素,106,7.4 超临界流体萃取（Supercritical Fluid Extraction）,1.萃取压力的影响压力是超临界二氧化碳萃取过程最重要的参数之一。萃取温度一定时，压力增加，液体的密度增大，在临界压力附近，压力的微小变化会引起密度的急剧改变而密度的增加将引起溶解度的提高。对于不同的物质，其萃取压力有很大的不同。例如，对于碳氢化合物和酯等弱极性物质，萃取可在较低压力下进行，一般压力为710MPa；对于含有-OH，-COOH基这类强极性基因的物质以及苯环直接与-OH，-COOH基团相连的物质，萃取压力要求高一些，而对于强极性

50、的配糖体以及氨基酸类物质，萃取压力一般要求在50MPa以上。,107,7.4 超临界流体萃取（Supercritical Fluid Extraction）,108,7.4 超临界流体萃取（Supercritical Fluid Extraction）,2.萃取温度的影响萃取温度是超临界二氧化碳萃取过程的另一个重要因素。温度对提高超临界流体溶解度的影响存在有利和不利两种趋势。一方面，温度升高，超临界流体密度降低，其溶解能力相应下降，导致萃取数量的减少；但另一方面，温度升高使被萃取溶质的挥发性增加，这样就增加了被萃取物在超临界气相中的浓度，从而使萃取数量增大。而且温度对溶解度的影响还与压力有密切