第十章　其他分离过程 §1　离子交换 2017/2/26.

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1 第十章　其他分离过程 §1　离子交换 2017/2/26

2 第十章 其他分离过程 §2 萃取 一、萃取分离的特点 （一）萃取的基本概念 利用液体各组分在溶剂中的溶解度差异对液
第十章 其他分离过程 §2　萃取 一、萃取分离的特点 （一）萃取的基本概念 　 利用液体各组分在溶剂中的溶解度差异对液 体混合物进行分离的单元操作 　　原料液（F=A+B）：待分离的液体 　　 A组分：原溶液中被分离的组分 　　 B组分：原溶液中的溶剂 　　萃取剂（S）：用于分离原溶液的溶剂 2017/2/26

3 第十章 其他分离过程 如果S和B完全不溶，则E中只含S和A。 如果S和B部分互溶，则E中除含S和A外还 有少量B，R中除含B 和A外还有少
第十章 其他分离过程 原料液A+B 萃取剂S 萃取相E （大量S大量A） 萃余相R （大量B少量A） 混合器 分层器 如果S和B完全不溶，则E中只含S和A。 如果S和B部分互溶，则E中除含S和A外还 有少量B，R中除含B 和A外还有少 量S。 E和R都是均相混合物，要得到产品A或B并使S循环使用，还需进一步分离。 2017/2/26

4 第十章 其他分离过程 （三）萃取与蒸馏操作比较 萃 取 蒸 馏 原溶液很稀 原溶液较浓 B易挥发 B不易挥发 原溶液为恒沸物
第十章 其他分离过程 （三）萃取与蒸馏操作比较 萃　取 蒸　馏 原溶液很稀 原溶液较浓 B易挥发 B不易挥发 原溶液为恒沸物 原溶液不构成恒沸物 原溶液中有热敏组分 2017/2/26

5 原溶液从塔上部进入，S从塔下部进入，E从塔上部排出，R从塔下部排出；
第十章 其他分离过程 （四）萃取操作设备： 　　 连续微分萃取设备——塔式设备 　　 分级接触萃取设备——槽式设备 若　　　　　　 　　 原溶液从塔上部进入，S从塔下部进入，E从塔上部排出，R从塔下部排出； 　　 则正好相反。 　　 两相液体在塔内连续逆向流动，混合接触并 传质。 2017/2/26

6 若在操作范围内 B 和 S 部分互溶，则萃取相 E 和萃余相 R 都含三个组分，其相平衡关系通常用三角形相图表示。
第十章 其他分离过程 二、萃取的热力学基础——相平衡关系 萃取过程中至少涉及三个组分： 溶质A，原溶剂 B 和萃取剂 S。 若在操作范围内 B 和 S 几乎不溶，则萃取相 E 和萃余相 R 都只含两个组分，其相平衡关系类似于吸收中的溶解度曲线，可以在直角坐标上绘制。 若在操作范围内 B 和 S 部分互溶，则萃取相 E 和萃余相 R 都含三个组分，其相平衡关系通常用三角形相图表示。 2017/2/26

7 第十章 其他分离过程 （一）三角形相图 正三角形相图；直角三角形相图。 1．三元组成在三角形相图中的表示法 A A S% A% A% B S
第十章 其他分离过程 （一）三角形相图 　　 正三角形相图；直角三角形相图。 1．三元组成在三角形相图中的表示法 A A S% A% A% S B S B B% S% （质量百分率或质量分率） 2017/2/26

8 第十章 其他分离过程 A 100% - - 二元物系（B+A） K xS M E xA xB G B 100% S 100%
第十章 其他分离过程 A 100% - - 二元物系（B+A） K H xS M E xA xB G B 100% S 100% H：含A 70%，含 B 30%，不含 S。 M：代表一个三元混合物，其组成可从相图中读出。 E: xA=40% G: xB=30% K: xS=30% 2017/2/26

9 第十章 其他分离过程 A - H M E xA xS B S F E: xA=0.4 F: xS=0.3 H: xB=0.3
第十章 其他分离过程 A - H M E xA xS B S F E: xA=0.4 F: xS=0.3 H: xB=0.3 2017/2/26

10 第十章 其他分离过程 2．三角形相图中的杠杆规则（混合规则） 杠杆规则（混合规则）：
第十章 其他分离过程 2．三角形相图中的杠杆规则（混合规则） A 混合液U，V 的量，kg U Z 液体U的相对量越多， 点Z就越靠近图中代表 它的U点。 V B S 杠杆规则（混合规则）： 若在一个组成为U的液体中加入另一个组成为V的液体，则 （1）代表所得混合物组成的点Z必然落在直线UV上； （2）点Z的位置按以下比例式确定 。 2017/2/26

11 对于萃取操作，萃取相E、萃余相 R及混合物M 之间的关系符合杠杆规则。
第十章 其他分离过程 对于萃取操作，萃取相E、萃余相 R及混合物M 之间的关系符合杠杆规则。 A B S E M R 混合液（和点） 萃取相（差点） 萃余相 （差点） 2017/2/26

12 在一个仅由A B 构成的二元溶液（F）中加入溶 剂S，所得三元混合液的总组成一定沿线段F P S 变 化。P 的位置符合以下比例关系。
第十章 其他分离过程 在一个仅由A B 构成的二元溶液（F）中加入溶 剂S，所得三元混合液的总组成一定沿线段F P S 变 化。P 的位置符合以下比例关系。 A 逐渐增加 S 的量，点P将按上述比例沿 F S 朝顶点S 移动。而混合溶液中A与 B 的比例则不变。 F P B S 2017/2/26

13 第十章 其他分离过程 3．三角形相图中的相平衡关系 ① 溶解度曲线与联结线 设溶剂B和溶剂S部分 互溶，则平衡组成P和Q一 定在底边BS上。
第十章 其他分离过程 3．三角形相图中的相平衡关系 ① 溶解度曲线与联结线 设溶剂B和溶剂S部分 互溶，则平衡组成P和Q一 定在底边BS上。 单相区 A 临界混溶点 联结线 溶解度曲线 平衡混合物总组成M与P和Q的关系符合杠杆规则 J M3 E3 两相区 R3 M2 E2 R2 M1 E1 R1 若溶质A在B或S中都能 完全溶解，则在M中逐渐加 入A形成的混合物组成将沿 MA移动如M1，M2，M3等。 与之共轭平衡的两相分别为 R1E1，R2E2，R3E3等。 B S P M Q 联结线段长度PQ>R1E1>R2E2>……最终归结为一个点 —— J（临界混溶点）。 2017/2/26

14 溶解度是温度的函数，因此溶解度曲线随温度的变化是不同的。
第十章 其他分离过程 溶解度是温度的函数，因此溶解度曲线随温度的变化是不同的。 温度升高，溶解度增大，两相区降低，联结线斜率降低，不利于萃取操作； 温度降低，溶解度降低，两相区增大，联结线斜率增大，有利于萃取操作。 2017/2/26

15 第十章 其他分离过程 ②临界混溶点与辅助线 临界混溶点 两相组成重合， 溶液变成均相的点。 临界混溶点不一 定在溶解度曲线的顶 点。
第十章 其他分离过程 ②临界混溶点与辅助线 临界混溶点 　 两相组成重合， 溶液变成均相的点。 临界混溶点不一 定在溶解度曲线的顶 点。 三元物系中任意 一对平衡数据可利用 辅助线求出。 2017/2/26

16 第十章 其他分离过程 辅助线的作法 A 辅助线 J C3 C2 C1 B S P M Q E3 M3 R3 E2 M2 R2 M1 E1
第十章 其他分离过程 辅助线的作法 A 辅助线 J E3 M3 R3 C3 E2 M2 R2 C2 M1 E1 R1 C1 B S P M Q 2017/2/26

17 第十章 其他分离过程 辅助线的用法 已知R，通过辅助线求E。 A 辅助线 J E M R C B S P M Q 2017/2/26

18 kA= ——————————————————
第十章 其他分离过程 （二）分配系数与分配曲线 　 1. 分配系数 定义 　　　 溶质（A）在萃取相（E）中的浓度 　　　 溶质（A）在萃余相（R）中的浓度 显然，kA的值越大，分离效果越好。 kA= —————————————————— 2017/2/26

19 若S 和 B 互不相溶，分配系数 kA相当于溶解度 系数； 若S和B部分互溶， kA与联结线的斜率有关，
第十章 其他分离过程 　 若S 和 B 互不相溶，分配系数 kA相当于溶解度 系数； 　 若S和B部分互溶， kA与联结线的斜率有关， 　 y = x 则　kA = 1　联结线斜率为0； 　 y > x　则　kA > 1 联结线斜率 > 0； y < x 则 kA < 1 联结线斜率 < 0。 　联结线斜率越大， kA也越大，有利于萃取分离。 2017/2/26

20 直接以蒸馏法得到较完全的分离，可以选择最容 易得到的溶剂水先进行萃取，此物系在30℃下的 相平衡数据如下表所示。试在正三角形相图中作
第十章 其他分离过程 例： 　　丙酮和醋酸乙酯的混合液具有恒沸点，不能 直接以蒸馏法得到较完全的分离，可以选择最容 易得到的溶剂水先进行萃取，此物系在30℃下的 相平衡数据如下表所示。试在正三角形相图中作 出联结线和溶解度曲线，并求出各对平衡数据相 对应的分配系数，再求出酯相中丙酮 xA= 30% 时 的平衡数据。 2017/2/26

21 第十章 其他分离过程 序号 醋酸乙酯相％ 水 相％ kA xA xB xS yA yB yS 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
第十章 其他分离过程 序号 醋酸乙酯相％ 水　相％ kA xA xB xS yA yB yS 1 96.5 3.5 7.4 92.6 — 2 4.8 91.0 4.2 3.2 8.3 88.5 3 9.4 85.6 5.0 6.0 8.0 86.0 4 13.5 80.5 9.5 82.2 5 16.6 77.2 6.2 12.8 9.2 78.0 6 20.0 73.0 7.0 14.8 9.8 75.4 7 22.4 70.0 7.6 17.5 10.2 72.3 8 26.0 65.0 9.0 19.8 12.2 68.0 9 27.8 62.0 21.2 11.8 67.0 10 32.6 51.0 13.4 26.4 15.0 58.6 2017/2/26

22 第十章 其他分离过程 2. 分配曲线 将三角形相图中各组对应的共轭平衡液层（E和R）中溶质A的
第十章 其他分离过程 2. 分配曲线 将三角形相图中各组对应的共轭平衡液层（E和R）中溶质A的 组成转移到 x-y 相图上，所得的曲线称为分配曲线。 A S B yA y = x (A在E相的组成) 分配曲线 P yAP P E yAE N(E , R) 表示A组分在 萃取相（E） 和萃余相（R） 中的平衡组成 （分配）。 R yAE xAR O xAR xAP L K xA (A在R相的组成) 一对组分部分互溶时的分配曲线 2017/2/26

23 第十章 其他分离过程 三、萃取过程在三角形相图上的表达 1 单级萃取流程 混合器 分层器 原料液F=A+B 萃取剂S E R 萃取相 分离器
第十章 其他分离过程 三、萃取过程在三角形相图上的表达 1 单级萃取流程 混合器 分层器 原料液F=A+B 萃取剂S E R 萃取相 分离器 S 萃取液 E' 萃余相 萃余液 R' 2017/2/26

24 第十章 其他分离过程 2 单级萃取过程在三角形相图中的表达 ① 溶解度曲线和联结线 ② M点的位置和混合物中S, F的量 A F M E R
第十章 其他分离过程 2 单级萃取过程在三角形相图中的表达 ① 溶解度曲线和联结线 A 根据指定温度下的平衡 数据做出溶解度曲线和联 结线。 在原料液（F）中加入萃 取剂（S）。 F M E 混合物的总组成（M）在 两相区内并在线段FS上。 R B S ② M点的位置和混合物中S, F的量 2017/2/26

25 两相的组成可由通过点M 的联结线R、E 从图 上读出； 两相的量E 和R 可以由物料衡算和杠杆规则计 算。 R + E = F + S
第十章 其他分离过程 ③ 萃取相E、萃余相R的组成及E、R的量 　 两相的组成可由通过点M 的联结线R、E 从图 上读出； 　 两相的量E 和R 可以由物料衡算和杠杆规则计 算。 R + E = F + S 2017/2/26

26 第十章 其他分离过程 ④ 萃取液E ' 、萃余液R' 的组成和E' 、R'的量 E' 、R' 的组成可从相图中读出； E' 、R‘
第十章 其他分离过程 ④ 萃取液E ' 、萃余液R' 的组成和E' 、R'的量 　 E' 、R' 的组成可从相图中读出； E' 、R‘ 的量也可用总物料衡算和杠杆规则计算。 A 对应的 为该条件下萃取相的极限浓度。 E'max E' Emax F M E R R' B S 2017/2/26

27 第十章 其他分离过程 四、萃取剂的选择 （一）萃取剂的选择与选择性系数 称为选择性系数 A在E相中的质量分率／B在E相中的质量分率
第十章 其他分离过程 四、萃取剂的选择 （一）萃取剂的选择与选择性系数 A在E相中的质量分率／B在E相中的质量分率 A在R相中的质量分率／B在R相中的质量分率 分配系数 称为选择性系数 2017/2/26

28 第十章 其他分离过程 讨论： （1）一般 （2）β 与kA有关，凡是影响kA因素也影响 β； （3）β 的值越大，分离效果越好；
第十章 其他分离过程 　讨论： 　（1）一般　 （2）β 与kA有关，凡是影响kA因素也影响 β； 　（3）β 的值越大，分离效果越好； β =1则所选的萃取剂不适宜。 2017/2/26

29 要求S与其它组分的相对挥发度要大，特别是 不应有恒沸物形成。
第十章 其他分离过程 （二）影响分层的因素 　萃取剂与原溶剂的互溶性要小 　萃取剂与原溶剂有较大的密度差 　界面张力 　（三）溶剂回收的难易 　 要求S与其它组分的相对挥发度要大，特别是 不应有恒沸物形成。 2017/2/26

30 第十章 其他分离过程 例：在一定温度下测得A、B、S三元物系两平衡液相的平衡数据（质量百分数）如下表所示：
第十章 其他分离过程 例：在一定温度下测得A、B、S三元物系两平衡液相的平衡数据（质量百分数）如下表所示： 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 S相 yA 7.9 15 21 26.2 30 33.8 36.5 39 42.5 44.5 45 43 41.6 yS 90 82 74.2 67.5 61.1 55.8 50.3 45.7 41.4 33.9 27.5 21.7 16.5 B相 xA 2.5 7.5 12.5 15.0 17.5 20 25 35 40 xS 5.05 5.1 5.2 5.4 5.6 5.9 6.2 6.6 8.9 10.5 13.5 试求（1）溶解度曲线和辅助线；（2）临界混溶点的组成； （3）当萃余相中xA = 20%时的分配系数kA和选择性系数β； （4）在100kg含30%A的原料液中加入多少kg S 才能使混合液分层？（5）对第（4）项的原料液，欲得到含36%A的萃取相E，试确定萃余相的组成及混合液的总组成。 2017/2/26

31 膜可以是天然存在的，也可以是合成的；可以 是中性的，也可能带电。 根据膜的性质不同可将膜分为生物膜和合成膜。
第十章 其他分离过程 §3　膜分离 一、膜与膜技术 1. 膜 　　广义地说，膜是两相之间的选择性屏障。 膜可以固、液或气相存在。 　　膜可以是天然存在的，也可以是合成的；可以 是中性的，也可能带电。 　　根据膜的性质不同可将膜分为生物膜和合成膜。 2017/2/26

32 第十章 其他分离过程 膜的分类： 按性质分为： 生物膜和合成膜 按材质分为： 聚合物膜、无机膜和聚合物—无机杂合膜 按用途分为：
第十章 其他分离过程 膜的分类： 按性质分为： 生物膜和合成膜 按材质分为： 聚合物膜、无机膜和聚合物—无机杂合膜 按用途分为： 分离膜、反应膜 按分离机理分为： 筛分膜、溶解—扩散膜 按膜的结构分为： 多孔膜、致密膜、液膜、气膜和 离子交换膜 按膜的形状分为： 平板膜、卷式膜、管式膜和中空纤维膜 按膜的制备方法分为： 相转化膜、核径迹膜、拉伸膜、积压膜、 流涎膜和各种聚合物膜等 2017/2/26

33 相转化膜：制膜过程中成膜材料发生相转化。
第十章 其他分离过程 相转化膜：制膜过程中成膜材料发生相转化。 如：由高分子溶液转化成固相的高分子分离膜。聚砜铸膜液是以N,N-二甲基乙酰胺为连续相的高分子溶液，在平板玻璃上刮制成均匀的液膜后，立即浸入水中，二甲基乙酰胺溶入水里，使以溶剂为连续相的高分子溶液，转变成以聚砜为连续相的三维大分子网络式凝胶，形成聚砜分离膜。 核径迹膜：在膜材料上运用核辐射等方式对膜材料进行蚀刻使之具有过滤、筛分等功能 如：选用透明聚丙烯塑料薄膜为原材料，利用核反应堆的裂变碎片，辐照塑料薄膜，或利用高能离子加速器产生的重离子辐照塑料薄膜，再利用紫外线照射上述聚丙烯塑料薄膜，最后用化学试剂对塑料薄膜进行蚀刻，洗涤晾干，即成为聚丙烯核径迹膜。 2017/2/26

34 第十章 其他分离过程 2017/2/26

35 阻力由膜的厚度决定，降低膜的厚度将提高膜的渗 透速率。
第十章 其他分离过程 对称膜的厚度一般在 之间，传质 阻力由膜的厚度决定，降低膜的厚度将提高膜的渗 透速率。 不对称膜由厚度为 的很致密皮层和 厚的多孔亚层构成，它结合了致密膜的 高选择性和薄膜的高渗透速率的优点。 不对称膜的传质阻力主要由很薄的皮层决定。 复合膜中的皮层和亚层由不同的聚合物材料制 成，每一层均可独立地发挥最大的作用。通常复合 膜的亚层本身也是不对称膜，上层为薄的致密膜。 2017/2/26

36 第十章 其他分离过程 2．膜技术 Maxwell的“分类精灵” （a ） （b ） H H C A B C H C C H H C H H
第十章 其他分离过程 　2．膜技术 H （b ） H C A B C H C C H H C H H C H A B （a ） Maxwell的“分类精灵” 2017/2/26

37 （ΔG）小于两种纯物质的ΔG之和，则会自发混 合。因此从理论上说，实现完全分离所需消耗的 最小能量应大于或至少等于混合自由焓。
第十章 其他分离过程 实现膜分离所需能量 对于A 和B 两种物质，如果混合物的自由焓 （ΔG）小于两种纯物质的ΔG之和，则会自发混 合。因此从理论上说，实现完全分离所需消耗的 最小能量应大于或至少等于混合自由焓。 实际工作中实现分离所需的能量通常是最小 值的许多倍，不同的膜分离过程所需能量也不同。 2017/2/26

38 第十章 其他分离过程 在膜技术中，原料被分为两股流体——截留物（增浓物）和渗透物，两者中的任一种都可以成为产物，如果目的是浓缩，则截留物为产物；目的是提纯，则截留物和渗透物都可能是产物。 2017/2/26

39 第十章 其他分离过程 目前常用的膜技术主要有： 微滤、超滤、反渗透、电渗析、渗析、 气体膜分离和渗透汽化等。 2017/2/26

40 第十章 其他分离过程 已工业应用的膜技术（p. 368 表10.3.1） 常用于液体分离 （第一代膜技术） 微滤MF 电渗析 ED 超滤UF
第十章 其他分离过程 常用于液体分离 （第一代膜技术） 浓电解质 进料 微滤MF 产品（溶剂） ＋ 极 － 滤液（水） 电渗析 ED 滤液（水） 进料 浓缩液 超滤UF 进料 阴离子 交换膜 阳离子 交换膜 用于气体分离 （第二代膜技术） 溶剂（水） 进料 溶质（盐） 气体 分离 GS 渗透气 进气 渗余气 反渗透 RO 用于液体分离 （第三代膜技术） 接受液 进料 净化液 扩散液 渗透 蒸发 PVAP 溶剂或溶质 进料 溶质或溶剂 渗析 D 已工业应用的膜技术（p. 368 表10.3.1） 2017/2/26

41 以压力差为推动力，截留水中纳米级的微粒和细菌的膜分离技术。
第十章 其他分离过程 （1）微滤（微孔过滤） 以压力差为推动力，截留水中纳米级的微粒和细菌的膜分离技术。 微孔膜的孔径范围为 μm，膜厚 μm。 微滤技术常用于电子工业、半导体、大规模集成电路生产中使用的高纯水等的深度过滤。 2017/2/26

42 在加压的条件下，压力活性膜截留水中的胶体、颗粒和分子量相对较高的物质而使水和小分子物质通过膜的分离过程。
第十章 其他分离过程 （2）超滤（超过滤） 在加压的条件下，压力活性膜截留水中的胶体、颗粒和分子量相对较高的物质而使水和小分子物质通过膜的分离过程。 超滤膜的孔径范围为0.05μm -1nm。 超滤的问题： 在超滤过程中，由于被截留的杂质在膜表面上不断积累，会产生浓差极化现象。 2017/2/26

43 气体膜分离是指在压力差为推动力的作用下，利用气体混合物中各组分在气体分离膜中渗透速率的不同而使各组分分离的过程。
第十章 其他分离过程 （3）反渗透、（4）渗析、（5）电渗析 （6）气体分离 气体膜分离是指在压力差为推动力的作用下，利用气体混合物中各组分在气体分离膜中渗透速率的不同而使各组分分离的过程。 气体分离用膜通常可分为多孔质和非孔质（均质膜）两类。 2017/2/26

44 以均质膜为例，气体透过均质膜的过程包括溶解、扩散、脱附三个步骤。
第十章 其他分离过程 气体膜分离的原理：溶解—扩散模型。 以均质膜为例，气体透过均质膜的过程包括溶解、扩散、脱附三个步骤。 2017/2/26

45 渗透汽化是以混合物中组分的蒸汽压差为推动力，依靠各组分在膜中的溶解度与扩散速率不同的性质实现混合物分离的过程。
第十章 其他分离过程 （7）渗透汽化 渗透汽化是以混合物中组分的蒸汽压差为推动力，依靠各组分在膜中的溶解度与扩散速率不同的性质实现混合物分离的过程。 渗透汽化是有相变化的膜渗透过程。 渗透汽化使用的膜是致密膜、有致密皮层的复合膜或非对称膜。 2017/2/26

46 第十章 其他分离过程 渗透汽化的特点： 被分离组分在膜两侧有分压差（浓度差） 被分离组分在膜两侧有化学势差 在膜后（透过侧）用真空泵抽真空；
第十章 其他分离过程 渗透汽化的特点： 被分离组分在膜两侧有分压差（浓度差） 在膜后（透过侧）用真空泵抽真空； 对原料液加热或在膜透过侧冷凝； 用蒸汽（惰性气体）在膜后吹扫等。 被分离组分在膜两侧有化学势差 原料液中被分离组分在膜上游表面进行选择性吸附溶解。 2017/2/26

47 原料液进入膜组件，流过膜面，在膜后侧保持低压。
第十章 其他分离过程 渗透汽化的过程： 原料液进入膜组件，流过膜面，在膜后侧保持低压。 由于原料液侧与膜后侧组分的化学势不同，原料液侧组分的化学势高，膜后侧组分的化学势低，所以原料液中各组分将通过膜向膜后侧渗透。 因为膜后侧处于低压，组分通过膜后即汽化成蒸气，蒸气用真空泵抽走或用气体吹扫或冷凝等方法除去，使渗透过程不断进行。 2017/2/26

48 2）从混合物中分离出少量物质，如从有机物中分离少量水（脱水）；
第十章 其他分离过程 渗透汽化适合 1）具有一定挥发性的物质分离； 2）从混合物中分离出少量物质，如从有机物中分离少量水（脱水）； 3）恒沸物分离； 4）精馏难以分离的近沸物分离； 5）与化学反应过程结合，利用其分离系数高，单极分离效果好的特点，选择性的移走反应生成物，促进化学反应的进行。 2017/2/26

49 分离过程结合；可在温和条件下实现分离；易于 放大；膜的性能可以调节；不需要填加物。 主要缺点： 浓差极化和膜污染；膜寿命有限；选择性较
第十章 其他分离过程 3．膜技术的优缺点 主要优点： 可实现连续分离；能耗通常较低；易与其他 分离过程结合；可在温和条件下实现分离；易于 放大；膜的性能可以调节；不需要填加物。 主要缺点： 浓差极化和膜污染；膜寿命有限；选择性较 低等。 2017/2/26

50 第十章 其他分离过程 二、膜材料及物理化学性质 有机膜 合成膜 无机膜 多孔膜 微滤，超滤等 致密无孔膜 气体分离，全蒸发等
第十章 其他分离过程 二、膜材料及物理化学性质 有机膜 合成膜 无机膜 多孔膜 微滤，超滤等 （0.1~10μm）（ 2~100nm ） 致密无孔膜 气体分离，全蒸发等 2017/2/26

51 多孔膜具有固定的孔，一般用于微滤和超滤。 微滤膜的孔径为0.1~10μm；超滤膜的孔径为 2~100nm。 常用于微滤膜聚合材料有：
第十章 其他分离过程 　1．多孔膜 　 多孔膜具有固定的孔，一般用于微滤和超滤。 微滤膜的孔径为0.1~10μm；超滤膜的孔径为 2~100nm。 　常用于微滤膜聚合材料有： 　聚碳酸酯 聚偏二氟乙烯 聚四氟乙烯 聚丙烯 聚酰胺 纤维素酯 聚砜 聚醚酰亚胺 聚醚醚酮 2017/2/26

52 第十章 其他分离过程 几种用于制备微滤膜的疏水聚合物 疏水聚合物膜材料具有良好的化学和热稳定性，但用于水溶液分离时
第十章 其他分离过程 疏水聚合物膜材料具有良好的化学和热稳定性，但用于水溶液分离时 需进行预浸润处理，并且不易用水清洗。 几种用于制备微滤膜的疏水聚合物 2017/2/26

53 第十章 其他分离过程 纤维素及衍生物是一类重要的亲水型膜材料。纤维素及衍生物不仅可用于微滤和超滤，也可用于反渗透、气体分离和透析。但纤维素酯耐热性差且易于发生化学及生物降解，为避免降解，在室温下使用时pH值应在4-6.5之间，在碱性介质中纤维素会很快水解。 2017/2/26

54 第十章 其他分离过程 常用于制备超滤膜的材料： 聚砜、聚醚砜 （脂肪）聚酰胺 聚丙烯腈 聚偏氟乙烯 纤维素酯 聚醚醚酮 聚酰亚胺、聚醚酰胺
第十章 其他分离过程 常用于制备超滤膜的材料： 聚砜、聚醚砜 （脂肪）聚酰胺 聚丙烯腈 聚偏氟乙烯 纤维素酯 聚醚醚酮 聚酰亚胺、聚醚酰胺 由于孔径更小（纳米级）而无法用烧结、径迹蚀刻和拉伸的方法制得，绝大多数超滤膜采用用相转化法制备。 2017/2/26

55 第十章 其他分离过程 聚砜(PSF)和聚醚砜(PES)是一类重要的膜材料，有良好的化学和热稳定性，被广泛用于制备超滤膜及用于复合膜的支撑层。
第十章 其他分离过程 聚砜(PSF)和聚醚砜(PES)是一类重要的膜材料，有良好的化学和热稳定性，被广泛用于制备超滤膜及用于复合膜的支撑层。 聚砜和聚醚砜的化学结构 2017/2/26

56 第十章 其他分离过程 聚醚醚酮和聚醚酮的化学结构 在室温下只能溶于 浓硫酸或氯磺酸。
第十章 其他分离过程 在室温下只能溶于 浓硫酸或氯磺酸。 耐化学试剂、耐高温聚合物，但由于化学稳定性好而难于加工。 聚醚醚酮和聚醚酮的化学结构 2017/2/26

57 聚酰亚胺类膜材料具有非常好的热稳定性及良好的化学稳定性。
第十章 其他分离过程 聚酰亚胺类膜材料具有非常好的热稳定性及良好的化学稳定性。 聚酰亚胺和聚醚酰胺的化学结构

58 无孔膜用于气体和蒸气分离和全蒸发，是一些 复合膜或非对称膜，此类膜的性能由材料的固有特 性决定。 膜材料的选择取决于具体应用场合，所用聚合
第十章 其他分离过程 2．无孔膜 无孔膜用于气体和蒸气分离和全蒸发，是一些 复合膜或非对称膜，此类膜的性能由材料的固有特 性决定。 膜材料的选择取决于具体应用场合，所用聚合 物可能是弹性材料，也可能是玻璃态聚合物。气体 分离一般选择玻璃化温度（Tg）较高和选择性较好 的玻璃态聚合物，如聚噁二唑和聚三唑。 2017/2/26

59 兼具杂环和芳环，由于其稳定性好而加工困难。
第十章 其他分离过程 兼具杂环和芳环，由于其稳定性好而加工困难。 一些聚噁二唑和聚三唑的化学结构 2017/2/26

60 投入工业应用的主要是多孔陶瓷膜，用于微滤 和超滤。 常用的无机膜材料主要有：陶瓷膜、玻璃膜、 金属膜（含碳）和沸石膜。
第十章 其他分离过程 3．无机膜 相对聚合物而言，无机材料通常有非常好的 化学和热稳定性。 投入工业应用的主要是多孔陶瓷膜，用于微滤 和超滤。 常用的无机膜材料主要有：陶瓷膜、玻璃膜、 金属膜（含碳）和沸石膜。 2017/2/26

61 征是都具有脂双层结构即每个类脂分子都同时具 有疏水部分和亲水部分。
第十章 其他分离过程 4．生物膜 ①生物膜 生物膜（或称原生质膜或细胞膜）的结构特 征是都具有脂双层结构即每个类脂分子都同时具 有疏水部分和亲水部分。 脂双层结构示意图 这样的双层结构对许多分子的渗透性并不好，需要某些介质（载体）才能进行物质传递。如，细胞代谢和生长过程中糖和氨基酸分子的传递就要靠进入到脂双层中的蛋白质的载体作用来实现。 2017/2/26

62 由于生物膜的复杂性，其独特功能很难直接进 行研究，但可利用生物膜的一个组分即类脂来建造 与生物膜有关的模拟体系称为合成生物膜。
第十章 其他分离过程 ②合成生物膜 　 由于生物膜的复杂性，其独特功能很难直接进 行研究，但可利用生物膜的一个组分即类脂来建造 与生物膜有关的模拟体系称为合成生物膜。 如当类脂与电解质溶液相遇时，可以很快形成多层微囊（MLV）或脂质体，这些脂质体为脂双层的球状聚积物，通过超声波破碎降解，这些多层微囊可变成由单一的脂双层构成的单层微囊（ULV）。 2017/2/26

63 第十章 其他分离过程 三、膜过程简介 2017/2/26

64 混合物分离过程中膜将各组分分离开来的能力。
第十章 其他分离过程 表征膜性能或效率的参数主要有两个： 　 膜的选择性；流体的渗透性（流动性） 膜对混合物的选择性可用截留率 β 或分离因 子α 表示。 　 截留率β ： 被截留的溶质浓度与原料中溶质浓度之比。 膜的选择性： 混合物分离过程中膜将各组分分离开来的能力。 式中： ——原料液中溶质的浓度； ——渗透物中溶质的浓度。 2017/2/26

65 β = 0%表示溶质与溶剂一样可自由通过半透膜。
第十章 其他分离过程 β 为无因次量，与浓度的单位无关。 β 的数值在0% ~ 100%之间。 β = 100%表示溶质被完全截留，这样的膜为 理想半透膜； β = 0%表示溶质与溶剂一样可自由通过半透膜。 2017/2/26

66 膜对气体混合物和有机液体混合物的选择性。
第十章 其他分离过程 分离因子α： 膜对气体混合物和有机液体混合物的选择性。 　 对于只含A+B 两组分的混合物，分离因子αA/B 定义为： 当分离因子数值大于1时A 组分能通过膜分离， 记为αA/B；反之，记为αB/A。 　 如果αA/B = αB/A = 1，则不能实现分离。 组分A 和B 在 渗透物中的浓度 原料液中的浓度 2017/2/26

67 渗透性（流动性）又称渗透通量或渗透速率。 表示单位时间通过单位面积的体积流量 （ m3·m-2·s-1），也可以换算成质量通量或摩尔通量。
第十章 其他分离过程 渗透性（流动性）又称渗透通量或渗透速率。 　 表示单位时间通过单位面积的体积流量 （ m3·m-2·s-1），也可以换算成质量通量或摩尔通量。 2017/2/26

68 然后在外力推动下实现对混合物分离的器件。 膜组件又称为膜分离器。 在工业生产中可根据需要设置数个甚至数百 个膜组件。
第十章 其他分离过程 四、膜组件 将膜以某种形式组装在一个基本单元设备中 然后在外力推动下实现对混合物分离的器件。 膜组件又称为膜分离器。 在工业生产中可根据需要设置数个甚至数百 个膜组件。 2017/2/26

69 第十章 其他分离过程 1．板框式 渗透物 膜 间隔器 原料 截留物 膜 板式膜器示意图 2017/2/26

70 第十章 其他分离过程 2．圆管式 管状膜组件示意图 蜂窝陶瓷膜组件截面 截留物 原料 渗透物 原料流道 膜皮层 多孔支撑体
第十章 其他分离过程 2．圆管式 截留物 原料 渗透物 原料流道 管状膜组件示意图 膜皮层 多孔支撑体 蜂窝陶瓷膜组件截面 2017/2/26

71 第十章 其他分离过程 3．卷式膜 卷式膜器示意图 中央 渗透物管 膜原料侧 间隔器 原料 多孔渗透物侧 间隔器 膜组件外壳 渗透物 渗透物
第十章 其他分离过程 3．卷式膜 中央 渗透物管 膜原料侧 间隔器 原料 多孔渗透物侧 间隔器 膜组件外壳 渗透物 渗透物 截留物 膜 卷式膜器示意图 2017/2/26

72 第十章 其他分离过程 原料 渗透物 截留物 中央渗透物管 装有三个串联的卷式膜器的膜组件示意图 2017/2/26

73 第十章 其他分离过程 4．中空纤维式 原料 截留物 渗透物 从内向外流动式 从外向内流动式 中空纤维膜器示意图 2017/2/26

74 反渗透和纳滤用于将低分子量溶质从溶剂中分离出来，这些低分子量溶质，如无机盐或葡萄糖、蔗糖等小分子有机物。
第十章 其他分离过程 五、膜技术应用简介 1．反渗透(RO)和纳滤(NF) ①原理 反渗透和纳滤用于将低分子量溶质从溶剂中分离出来，这些低分子量溶质，如无机盐或葡萄糖、蔗糖等小分子有机物。 反渗透和纳滤可看作介于多孔膜（微滤/超滤）与致密无孔膜（全蒸发、气体分离）之间的过程，膜阻力较大，所以为使同样量的溶剂通过膜，就要使用较高的压力，而且需要克服渗透压。 2017/2/26

75 当使用膜分离低分子溶质时，膜两侧真实渗透压不是
第十章 其他分离过程 如，利用反渗透或纳滤方法进行水处理。 有效水通量： 若没有溶质通过膜可由下式表示 当使用膜分离低分子溶质时，膜两侧真实渗透压不是 ，其中 是膜对特定溶质的 截留系数，当截留率 时， 而是 。 于是上式变成： 推动力 2017/2/26

76 式中Kw为水渗透系数（流体渗透系数），对于给 定的膜，水渗透系数为常数（见p.382， 式10.3.17）
第十章 其他分离过程 式中Kw为水渗透系数（流体渗透系数），对于给 定的膜，水渗透系数为常数（见p.382， 式 ） Kw是分配系数和扩散系数的函数。 式中： 为水在膜内的扩散系数； 为水的物质的量浓度； 为水的偏摩尔体积； 为膜的厚度。 反渗透的Kw值约为 纳滤的Kw值约为 。 2017/2/26

77 KA为溶质渗透系数，截留性能好的膜 KA 值低。 如，以NaCl为溶质的反渗透过程，KA值的范围大约是 。
第十章 其他分离过程 溶质的通量，一定条件下可近似表达为： 式中 为膜两侧溶质浓度差， KA为溶质渗透系数，截留性能好的膜 KA 值低。 如，以NaCl为溶质的反渗透过程，KA值的范围大约是 。 比较 和 可知，随压力升高，有利于水通量增加，而溶质通量则几 乎不受压力影响，只取决于膜两侧的浓度差。 2017/2/26

78 第十章 其他分离过程 ②应用举例 反渗透脱盐原理示意图
第十章 其他分离过程 ②应用举例 海水的TDS>35000mg/L，苦咸水的TDS>1000mg/L；要求饮用水的TDS<500 ×10-6。 （TDS——总溶解固体含量） 反渗透脱盐原理示意图

79 第十章 其他分离过程 反渗透脱盐中的主要指标是脱盐率、膜的渗透通过量 和水的回收率。 脱盐率： 水的回收率：
第十章 其他分离过程 反渗透脱盐中的主要指标是脱盐率、膜的渗透通过量 和水的回收率。 分别为 产水和料液 的流率。 脱盐率： 水的回收率： 例题：p. 384 【例题10.3.1】 2017/2/26

80 微滤是与常规的粗滤十分相似的膜过程。微滤膜的孔径范围为10~0.05μm，主要适用于对悬浮液和乳状液进行截留。
第十章 其他分离过程 　2. 微滤(MF)和超滤(UF) 　①原理 微滤是与常规的粗滤十分相似的膜过程。微滤膜的孔径范围为10~0.05μm，主要适用于对悬浮液和乳状液进行截留。 微滤的机理属于筛分过程，过膜通量正比于所施加的压力： 渗透系数 2017/2/26

81 超滤是介于微滤和纳滤之间的一种膜过程，膜 孔径范围为0.05μm（接近微滤）至1nm接近（纳 滤）。 超滤的机理也可用筛分过程描述。
第十章 其他分离过程 超滤是介于微滤和纳滤之间的一种膜过程，膜 孔径范围为0.05μm（接近微滤）至1nm接近（纳 滤）。 超滤的机理也可用筛分过程描述。 超滤膜通量的表达式为： 渗透系数 2017/2/26

82 设原水中含有A、B两种溶质，通过设置有孔径 大于B而小于A的超滤膜的通道，在膜两侧施加一压 差则A被截留而B可通过，可分别得到与A浓度完全
第十章 其他分离过程 设原水中含有A、B两种溶质，通过设置有孔径 大于B而小于A的超滤膜的通道，在膜两侧施加一压 差则A被截留而B可通过，可分别得到与A浓度完全 不同的浓水cb和超滤水cp，对于A来说cp<<cb。 超滤膜 流道 压力水 含A和B A B A的浓度cb（浓水） ● ● B ● A的浓度cp（超滤水） ● 超滤示意图 2017/2/26

83 即，超滤过程中水的通量与膜两侧的压差成正比。
第十章 其他分离过程 膜通量可由下式表示： 式中： ——膜的开孔面积分数； ——孔的半径； ——水的动力黏度； ——孔的迂曲系数，表示 孔的长度可能比膜的 厚度 大； ——膜两侧的压差。 或 即，超滤过程中水的通量与膜两侧的压差成正比。 2017/2/26

84 子溶液以及大分子的稀溶液的情况，才符合上式 的关系式。当大分子的浓度加大后，压差的增长 所产生的通量增长会逐渐缓和，最后甚至不再增 长。
第十章 其他分离过程 　 实验证明，只有在纯水或不被膜截留的小分 子溶液以及大分子的稀溶液的情况，才符合上式 的关系式。当大分子的浓度加大后，压差的增长 所产生的通量增长会逐渐缓和，最后甚至不再增 长。 产生这种现象的原因是过滤过程中溶质不断地积累到膜的表面，使溶质在表面处的浓度高于主体浓度 而形成厚度为 的边界层。 这种现象叫浓差极化。 在边界层中，由于浓度梯度的推动，产生了溶质从膜表面向本体扩散的通量。 2017/2/26

85 稳态时，在厚度为 δ 的边界层内存在如下总的 扩散方程：
第十章 其他分离过程 　 上述扩散过程分析 稳态时，在厚度为 δ 的边界层内存在如下总的 扩散方程： 式中：Nw—— 水的通量； D—— 溶质在水中的扩散系数； c——溶质的浓度。 上式积分得： 式中：Nw c——向膜方向迁移的溶质通量； ——反向扩散的溶质通量； Ns——透过膜的溶质通量，稳态时为常数。 2017/2/26

86 第十章 其他分离过程 随着 而增长，膜表面处溶质浓度 ，但大分子浓度增加到某值 后产生沉淀，在膜表面出现凝胶附着物；而随着凝胶在膜表面的聚积，水的阻力会增加，使水的传递速度下降，则传递到凝胶表面的溶质会减少。 2017/2/26

87 两种相反过程达到平衡时，凝胶厚度基本不变，凝胶层浓度cg可固定下来。
第十章 其他分离过程 两种相反过程达到平衡时，凝胶厚度基本不变，凝胶层浓度cg可固定下来。 因此，在稳态条件下水的通量可表达为： 式中：km为传质系数， 为稳定条件下凝胶层浓度； 当km为常数时，水的通量不再变化，即不再 因压差的增长而增长。 2017/2/26

88 第十章 其他分离过程 练习： 例1. 用反渗透的方法处理溶质浓度为3%（质量）的蔗糖溶液，渗透液含溶质为150mg/L。计算截留率β 和选择性因子α，并说明这中情况下哪一个参数更合适。 2017/2/26

89 (1) 3% (质量) NaCl (MNaCl = 58.45g/mol)；
例2．分别计算25℃下，下列水溶液的渗透压： (1) 3% (质量) NaCl (MNaCl = 58.45g/mol)； (2) 3% (质量)白蛋白(M白蛋白 = 65000g/mol)； (3)固体含量为30g/L的悬浮液(其颗粒质量 为1ng=10-9g)。 2017/2/26

90 例3．在不同温度和0.5 ~ 7Pa的压力范围内测定甲 烷在某膜内渗透系数。结果表明渗透系数与压力 无关，不同温度下的p值如下：
第十章 其他分离过程 例3．在不同温度和0.5 ~ 7Pa的压力范围内测定甲 烷在某膜内渗透系数。结果表明渗透系数与压力 无关，不同温度下的p值如下： 　 T /℃　 10　 20　 30　　 40 　 p / Pa　 0.18　0.35　 0.63　 　问：①该材料是玻璃态还是橡胶态？ 　　　②计算活化能* 。 2017/2/26

91 问，长度为1m的膜元件中应有多少根纤维？每根纤维每天通量为多少？
第十章 其他分离过程 例4． 某RO中空纤维膜的水渗透系数为 m3/(m2·s·Pa)，外直径为0.1mm。制造商提出以海水为原料[ 3%（质量）NaCl ]。在6MPa和298K下，膜元件的通量为 m3/d。 问，长度为1m的膜元件中应有多少根纤维？每根纤维每天通量为多少？ 2017/2/26

92 第十一章 干燥 ①机械去湿 ——通过过滤、压榨、抽吸和离心分离等方法除 去水分。 ②物理化学方法 ——用吸湿性物料如石灰、无水氯化钙等吸水剂
第十一章　干燥 ①机械去湿 ——通过过滤、压榨、抽吸和离心分离等方法除 去水分。 ②物理化学方法 ——用吸湿性物料如石灰、无水氯化钙等吸水剂 吸收水分。 ③热能去湿法 ——借热能使溶剂从物料中气化，并排除所生成 的蒸气以除去水分。 2017/2/26

93 1．用加热的方法使固体物料中湿分气化的单元 操作。 2．干燥过程分类：
第十一章 干燥 固体的干燥： 1．用加热的方法使固体物料中湿分气化的单元 操作。 2．干燥过程分类： 按操作压强分 传导干燥 常压干燥 对流干燥 真空干燥 按传热方式分 辐射干燥 按操作方式分 连续式 介电加热干燥 间歇式 2017/2/26

94 第十一章 干燥 3. 干燥过程分析（以对流干燥为例） 2017/2/26

95 （1）干燥介质（空气）将热量→物料表面→物料 内部。 传热推动力：t > tv （2）物料内部水分→（气膜）表面→空气主体。
第十一章 干燥 　对流干燥： （1）干燥介质（空气）将热量→物料表面→物料 内部。 传热推动力：t > tv （2）物料内部水分→（气膜）表面→空气主体。 　 传质推动力：pv> p 2017/2/26

96 第十一章 干燥 干燥过程中 干燥介质（湿空气）将热量传给物料， 空气是载热体； 干燥介质（湿空气）又将水分带走， 空气是载湿体。
第十一章 干燥 干燥过程中 干燥介质（湿空气）将热量传给物料， 空气是载热体； 干燥介质（湿空气）又将水分带走， 空气是载湿体。 2017/2/26

97 第十一章 干燥 §1 湿空气的性质和湿焓图 （一）湿空气的性质 湿空气是干空气和水气的混合物。 湿空气
第十一章 干燥 §1 湿空气的性质和湿焓图 （一）湿空气的性质 湿空气是干空气和水气的混合物。 干空气——在干燥过程中不变，做基准； 湿空气 水 气——在干燥过程中是变化的。 干燥过程的操作压力低，空气可看作是理想 气体。 2017/2/26

98 第十一章 干燥 一、湿空气的压强和温度 ①总压（P）, Pa P = p水气+ p干气 且混合气体中各组分的摩尔之比＝分压比
第十一章 干燥 一、湿空气的压强和温度 　　①总压（P）, Pa 　　　 P = p水气+ p干气 　　且混合气体中各组分的摩尔之比＝分压比 ② t ——湿空气的温度，干球温度，℃。 2017/2/26

99 二、湿度（H）kg水气／kg干气（湿含量或绝对湿度）
第十一章 干燥 二、湿度（H）kg水气／kg干气（湿含量或绝对湿度） 　　　 　 湿空气中水气的质量 　　　　 湿空气中干空气的质量 式中: Hs－饱和湿度；ps－水的饱和蒸气压。 H= ——————————— 2017/2/26

100 第十一章 干燥 三、相对湿度百分数 φ 定义：T、P 一定时 相对湿度可以用来衡量湿空气的不饱和度同 时也可以反映湿空气吸收水气的能力。
第十一章 干燥 三、相对湿度百分数 φ 定义：T、P 一定时 相对湿度可以用来衡量湿空气的不饱和度同 时也可以反映湿空气吸收水气的能力。 H与φ 的关系 2017/2/26

101 四、湿空气的比容 (湿容积) vH m3湿气／kg干气
第十一章 干燥 四、湿空气的比容 (湿容积) vH m3湿气／kg干气 　 定义： 　 　 vH = m3湿空气／kg干空气 操作条件下，　 干空气的比容 (m3干空气／kg干空气) 水气的比容 (m3水气／kg水气) 湿空气的比容 (kg水气／kg干气) 2017/2/26

102 常压下1kg干空气和其所带有的 H kg水气升 高 1℃所需要的热量。
第十一章 干燥 五、比热 (湿热) cH kJ/kg干气℃ 常压下1kg干空气和其所带有的 H kg水气升 高 1℃所需要的热量。 kJ/kg干气℃ (干空气比热) 通常 kJ/kg水气℃ (水气比热) 于是　 2017/2/26

103 第十一章 干燥 六、焓 IH kJ/kg干空气 2017/2/26

104 第十一章 干燥 七、湿球温度 tw 将温度计的感温部分用湿纱布包住，在空气 中达到平衡时的温度。 机理： 大量温度为 t，水
第十一章 干燥 七、湿球温度　tw 　 将温度计的感温部分用湿纱布包住，在空气 中达到平衡时的温度。 　 机理： 大量温度为 t，水 气分压为 p，湿度 为H的不饱和空气。 2017/2/26

105 气化所需潜热取自湿纱布中水的显热，使水温下降。
第十一章 干燥 开始时： 　　　　 t湿空气 = t湿纱布 　　 水气　　　不饱和　　饱和 水分自湿纱布表面向空气扩散 气化所需潜热取自湿纱布中水的显热，使水温下降。 达到稳定时：湿纱布温度恒定 —— tw。 传热 湿空气 t , H 湿纱布 tw , Hs （水分气化）传质 2017/2/26

106 tw= f (t , H)，是空气的状态函数，不是空气的 真实温度。
第十一章 干燥 tw= f (t , H)，是空气的状态函数，不是空气的 真实温度。 一定时，若 ，表面汽化的水分 ↑，所需汽化热也↑，湿球温度 。 上述传热过程的速率： 传质过程的速率： 湿空气在tw下的 饱和湿度 2017/2/26

107 （空气向湿纱布表面传热的速率 = 水分气化所需要的热量）
第十一章 干燥 　达到平衡时 （空气向湿纱布表面传热的速率 = 水分气化所需要的热量） 即 整理得 2017/2/26

108 第十一章 干燥 八、绝热饱和温度 tas Has tas 达到稳定状态时 空气增湿塔（绝热饱和器） 大量循环水 空气 Has, tas
第十一章 干燥 八、绝热饱和温度 tas 空气增湿塔（绝热饱和器） 空气 Has, tas 大量循环水 一定量不饱和空气 (t, H) 补水 tas 水 Has tas 对应 达到稳定状态时 2017/2/26

109 第十一章 干燥 水分 空气 对应 过程分析： Has H ↑ t↓ tas 传热 传质 ②气化将热量以潜热带回空气 焓不变
第十一章 干燥 　过程分析： ②气化将热量以潜热带回空气 Has tas H ↑ t↓ 焓不变 水分　　　　　　空气　　　　　　对应 ①失去显热使温度降低 传热　　　　　　　　传质 2017/2/26

110 第十一章 干燥 因湿空气在绝热增湿过程中是等焓过程 　　　　　　 I1 = I2 即 整理得 即　 2017/2/26

111 第十一章 干燥 　九、露点　td 　 将不饱和的空气在湿含量 H 不变的情况 　下冷却至饱和状态时的温度。 2017/2/26

112 0.02403kg/kg绝干气，试计算湿空气的各种性质，即 （1）分压 p； （2）露点 td； （3）绝热饱和温度 tas；
第十一章 干燥 例：常压下湿空气的温度为30℃、湿度为 kg/kg绝干气，试计算湿空气的各种性质，即 （1）分压 p； （2）露点 td； （3）绝热饱和温度 tas； （4）湿球温度 tw。 2017/2/26

113 第十一章 干燥 湿空气的六个性质参数： P = p水气+ p干气 1. 湿空气的压强 2. 湿空气的湿度 3. 湿空气的相对湿度
第十一章 干燥 湿空气的六个性质参数： P = p水气+ p干气 1. 湿空气的压强 2. 湿空气的湿度 3. 湿空气的相对湿度 4. 湿空气的比容 5. 湿空气的比热 6. 湿空气的焓 2017/2/26

114 H-I 图关联了空气与水系统的蒸气分压、湿度、相对湿度、温度及焓等参数。
第十一章 干燥 　（二）湿空气的 H-I 图 　 H-I 图关联了空气与水系统的蒸气分压、湿度、相对湿度、温度及焓等参数。 　一、湿焓图的构造 　　　　　　纵轴：焓 I 　　　　　　横轴：湿度 H 　　　　　　两轴夹角：135˚ 2017/2/26

115 第十一章 干燥 　 1．等湿度线（等H线） 2．等焓线（等I线） 等湿线 等焓线 2017/2/26

116 第十一章 干燥 3．等温线（等 t 线） 4．等相对湿度线（等φ 线） 一组从原点散发出来的曲线（共11条） 5．水蒸气分压线 等温线
第十一章 干燥 3．等温线（等 t 线） 4．等相对湿度线（等φ 线） 　一组从原点散发出来的曲线（共11条） 5．水蒸气分压线 等温线 φ=100% 水蒸气分压线 2017/2/26

117 第十一章 干燥 二、H-I的用法 （1）查一定状态的湿空气性质参数 2017/2/26

118 第十一章 干燥 （2）湿空气状态的确定 ①已知湿空气的 干球温度 t 和湿球温度 tw确定 A 点 I A t φ=100% tw H
第十一章 干燥 （2）湿空气状态的确定 ①已知湿空气的 干球温度 t 和湿球温度 tw确定 A 点 I t tw A φ=100% H 2017/2/26

119 第十一章 干燥 ②已知湿空气的 干球温度 t 和露点 td确定 A 点 φ=100% A I t td H 2017/2/26

120 第十一章 干燥 ③已知湿空气的 　干球温度 t 和相对湿度 φ φ φ=100% A I H t 2017/2/26

121 φ =50%，干球温度t =20℃。试用H-I图求解： ①水蒸气分压；②湿度；③焓；④露点； ⑤湿球温度；⑥如将含500kg/h的干空气预
第十一章 干燥 例：已知湿空气的总压P 为101.3kPa相对湿度 φ =50%，干球温度t =20℃。试用H-I图求解： ①水蒸气分压；②湿度；③焓；④露点； ⑤湿球温度；⑥如将含500kg/h的干空气预 热至117℃,求所需热量Q； ⑦每小时送入预热器的湿空气体积。 2017/2/26

122 第十一章 干燥 §2 干燥过程的物料衡算和热量衡算 干燥过程： 物料衡算目的：算出湿物料中移出水分量； 干燥产品的流量； 空气消耗量。
第十一章 干燥 §2 干燥过程的物料衡算和热量衡算 干燥过程： 物料衡算目的：算出湿物料中移出水分量； 　　　　　　　干燥产品的流量； 　　　　　　　空气消耗量。 热量衡算目的：计算干燥消耗的热量。 2017/2/26

123 第十一章 干燥 （一）湿物料中含水量的表示方法 一、湿基含水量 w， kg水/kg湿料 定义： w = ———————，%
第十一章 干燥 （一）湿物料中含水量的表示方法 一、湿基含水量　w， kg水/kg湿料 湿料中水分质量 定义： w = ———————，%　 湿物料总质量 二、干基含水量　X， kg水/ kg绝干料 湿物料中水分质量 定义： X = —————————， % 湿料中绝干物料的质量 换算： 2017/2/26

124 第十一章 干燥 （二）物料衡算 物料衡算： 若干燥过程中物料的水分蒸发量为W，则 2017/2/26

125 或，为蒸发W kg水/s 所消耗的绝干空气量 L 为
第十一章 干燥 或，为蒸发W kg水/s 所消耗的绝干空气量 L 为 等式两边同除以W，得 　 ——单位空气消耗量， kg干气/ kg水分 　 分析上式可知，空气消耗量仅与湿空气的 初始湿度H1和最终湿度H2有关。 2017/2/26

126 如以H0表示空气在预热前的湿度，而空气经预热 前后湿度不变，即 则上式可写成
第十一章 干燥 如以H0表示空气在预热前的湿度，而空气经预热 前后湿度不变，即 则上式可写成 即，单位空气消耗量仅与H2和 H0有关，与 路径无关。 2017/2/26

127 例：今有一干燥器，处理湿物料量为800kg/h， 要求物料干燥后含水量由30%减至4% (均为湿 基)。干燥介质为空气，初温15℃，相对湿度
第十一章 干燥 例：今有一干燥器，处理湿物料量为800kg/h， 要求物料干燥后含水量由30%减至4% (均为湿 基)。干燥介质为空气，初温15℃，相对湿度 50% ，经预热器加热至120℃进入干燥器，出 干燥器时降温至45℃，相对湿度80%。 　 试求：①水分蒸发量W；②空气消耗量 L 和单位空气消耗量l；③干燥产品量G2；④如鼓 风机装在进口处，求鼓风机的风量。 2017/2/26

128 第十一章 干燥 例题图示： 求：①W；②L，l；③G2；④V 2017/2/26

129 以1s，0℃为基准，对全部干燥系统作热量衡算：
第十一章 干燥 （三）热量衡算 以1s，0℃为基准，对全部干燥系统作热量衡算： 2017/2/26

130 第十一章 干燥 或 式中： 上式可改写为： 为简化计算，近似设： 外界 供给的热量 空气热量的改变 物料热量的改变 热损失
第十一章 干燥 或 外界 供给的热量 空气热量的改变 物料热量的改变 热损失 式中： cm，湿物料的比热； cs，干物料比热； cw，水气比热。 上式可改写为： 为简化计算，近似设： 2017/2/26

131 第十一章 干燥 则 式中： ℃ 2017/2/26

132 第十一章 干燥 整理后有 则，干燥操作的热效率为 ——加热空气耗热 Q空气 ——干燥水分耗热 Q有效 ——加热物料耗热 Q物料 湿物料的比热
第十一章 干燥 整理后有 湿物料的比热 kJ/kg干料℃ ——加热空气耗热 Q空气 ——干燥水分耗热 Q有效　 ——加热物料耗热 Q物料 则，干燥操作的热效率为 2017/2/26

133 热量；⑦向干燥系统补充的热量；⑧干燥系统的 热效率。 已知：湿物料初温为15℃，离开干燥器时温
例： 　 上述例题中干燥系统若忽略预热器和干燥器 的热损失，求： ⑤预热器耗热量QP；⑥干燥系统消耗的总 热量；⑦向干燥系统补充的热量；⑧干燥系统的 热效率。 　 已知：湿物料初温为15℃，离开干燥器时温 度为55℃,干物料的比热为1.3kJ/kg干料℃。 2017/2/26

134 第十一章 干燥 例题： 2017/2/26

135 干燥为绝热过程，预热器热损失忽略，系统的操 作压强为101.3kPa。 求：
第十一章 干燥 　 若循环废气为离开干燥器废空气量的80%， 干燥为绝热过程，预热器热损失忽略，系统的操 作压强为101.3kPa。 　 求： 　①新湿空气的流量；②整个系统的热消耗量；③进入预热器的湿空气温度。 2017/2/26

136 第十一章 干燥 (四) 空气通过干燥器时的状态变化 通常根据干燥过程中空气焓的变化情况分 为，等焓过程和非等焓过程。 一、等焓干燥过程
第十一章 干燥 (四) 空气通过干燥器时的状态变化 通常根据干燥过程中空气焓的变化情况分 为，等焓过程和非等焓过程。 一、等焓干燥过程 　（绝热干燥过程），（理想干燥过程） 　 条件： 2017/2/26

137 第十一章 干燥 通过对干燥器作热量衡算进行讨论 干　燥　器 即， 绝热条件下干燥器内湿空气的变化过程为等焓过程。 2017/2/26

138 第十一章 干燥 等焓过程中湿空气状态变化示意图： 进干燥器 理想干燥过程的操作线 出干燥器 湿空气 I1 φ1 B I1=I2 t1 φ2
第十一章 干燥 　等焓过程中湿空气状态变化示意图： I1 进干燥器 理想干燥过程的操作线 φ1 B I1=I2 t1 φ2 C 出干燥器 t2 φ=100% 湿空气 φ0 I0 A t0 H0=H H2 2017/2/26

139 第十一章 干燥 　 二、非等焓干燥过程 　（非绝热干燥过程、实际干燥过程） 干　燥　器 2017/2/26

140 第十一章 干燥 热量衡算： 显然 2017/2/26

141 第十一章 干燥 非等焓干燥过程示意图： 1. 如BC1线所示。 等温干燥过程的操作线 非等焓干燥过程的操作线 非等焓干燥过程的操作线 I1
第十一章 干燥 非等焓干燥过程示意图： 如BC1线所示。 等温干燥过程的操作线 I1 C3 非等焓干燥过程的操作线 B C2 t1 非等焓干燥过程的操作线 C C1 I0 φ=100% A t0 2017/2/26

142 干燥过程操作线在等 I 线上方，BC2线表示。
第十一章 干燥 　2． 　即 I1 < I2 　干燥过程操作线在等 I 线上方，BC2线表示。 3．若补充热量足够大，使干燥过程在等温条 件下进行即为BC3线所示。 2017/2/26

143 例：采用常压气流干燥器干燥某种物料。在干燥 器内，湿空气以一定的速度吹送物料的同时对物 料进行干燥。已知的操作条件如下图所附， 试求：
第十一章 干燥 例：采用常压气流干燥器干燥某种物料。在干燥 器内，湿空气以一定的速度吹送物料的同时对物 料进行干燥。已知的操作条件如下图所附， 试求： （1）新鲜空气消耗量； （2）单位时间内预热器消耗的热量 （忽略预热器的热损失）； （3）干燥器的热效率。 2017/2/26

144 第十一章 干燥 2017/2/26

145 第十一章 干燥 §3 干燥速率和干燥时间 （一）物料中所含水分的性质 一、结合水分与非结合水分 结合水分 物料细胞壁内的水分
第十一章 干燥 §3　干燥速率和干燥时间 　（一）物料中所含水分的性质 　　一、结合水分与非结合水分 物料细胞壁内的水分 结合水分 物料内毛细管中的水分 以结晶水的形态存在于 固体物料之中的水分 　非结合水分 　　——主要是机械地附着于固体表面 　　　　的水分。 2017/2/26

146 第十一章 干燥 2017/2/26

147 饱和空气中水气分压达到平衡时物料所含水分。
第十一章 干燥 二、平衡水分与自由水分 　　平衡水分： X* 一定温度和压力下湿物料表面水气分压与未 饱和空气中水气分压达到平衡时物料所含水分。 2017/2/26

148 平衡水分随物料的种类和空气的状态(t , φ) 不 同而不同。如，
第十一章 干燥 　 平衡水分随物料的种类和空气的状态(t , φ) 不 同而不同。如，　 2017/2/26

149 第十一章 干燥 自由水分： 物料的含水量 X 减去平衡水分X*。 自由水分—— ( X - X* ) （二）干燥时间计算
第十一章 干燥 自由水分： 　 物料的含水量 X 减去平衡水分X*。 　 自由水分—— ( X - X* ) （二）干燥时间计算 恒定干燥操作；非恒定（或变动）干燥操作 恒定干燥条件： 干燥介质的温度、湿度、流速及与物料接触 的方式在整个干燥过程中均保持恒定。 2017/2/26

150 单位时间内在单位干燥面积上汽化的水分量， U (kg/m2·s)。
第十一章 干燥 一、恒定干燥条件下的干燥速率 1．干燥速率 单位时间内在单位干燥面积上汽化的水分量， U (kg/m2·s)。 式中： ——气化水分量，kg ——干燥面积，m2 ——干燥所需要时间，s ——干物料的质量，kg ——湿物料的干基含水量， kg水/kg干料 而 2017/2/26

151 第十一章 干燥 2．干燥曲线与干燥速率曲线 　①　干燥曲线 2017/2/26

152 第十一章 干燥 ② 干燥速率曲线 恒速阶段物料内部水分扩散速率大 于表面水分气化速率，干燥速率主 要受表面气化控制，空气传给物料
第十一章 干燥 恒速阶段物料内部水分扩散速率大 于表面水分气化速率，干燥速率主 要受表面气化控制，空气传给物料 的热量等于水分气化所需热量。 物料表面温度= tw 　② 干燥速率曲线 2.0 降速阶段 恒速阶段 1.6 C B 临界干燥速率 Uc 1.2 A U kg/m2h 0.8 D 0.4 E | | | | | X* Xc X′ X1 临界含水量 X ， kg水/kg干料 2017/2/26

153 第十一章 干燥 二、恒定干燥条件下干燥时间的计算 1．恒速干燥阶段 临界含水量， kg水/kg干料 恒速阶段干燥时间 2017/2/26

154 第十一章 干燥 2．降速干燥阶段 降速阶段 干燥时间 2017/2/26

155 第十一章 干燥 图解积分法求解 τ2 2017/2/26

156 第十一章 干燥 近似计算法： 假定降速阶段中干燥速率 U 与物料中 自由水分含量 (X-X*) 成正比，则 将上式整理 有
第十一章 干燥 近似计算法： 假定降速阶段中干燥速率 U 与物料中 自由水分含量 (X-X*) 成正比，则 比例系数，kg/m2h∆X 降速阶段干燥速率线CE的斜率 将上式整理 有 2017/2/26

157 第十一章 干燥 总之，连续的物料干燥所需的干燥时间： τ = τ1+ τ2 间歇干燥所需时间： τ = τ1+ τ2 +τ′
第十一章 干燥 总之，连续的物料干燥所需的干燥时间： 　　　　　　　 τ = τ1+ τ2 　间歇干燥所需时间： 　　　　　　　 τ = τ1+ τ2 +τ′　　 2017/2/26

158 干燥到 w2=5%（均为湿基含水量）。湿物料的 质量为200kg，干燥表面积为 0.024m2/kg干物料，
第十一章 干燥 　 有一间歇操作干燥器，有一批物料的干燥曲 线如图所示。若将该物料由含水量w1=27% 干燥到 w2=5%（均为湿基含水量）。湿物料的 质量为200kg，干燥表面积为 0.024m2/kg干物料， 装卸时间 τ′= 1h，试确定每批物料的干燥周期。 2017/2/26

159 0.054kg水/kg干气，若总压强为100kPa，试用解 析法求： 1．湿空气的水气分压； 2．相对湿度； 3．湿比容； 4．湿空气的焓。
第十一章 干燥 练习： 一、已知湿空气的干球温度为60℃，湿度为 0.054kg水/kg干气，若总压强为100kPa，试用解 析法求： 　1．湿空气的水气分压； 　2．相对湿度； 　3．湿比容； 　4．湿空气的焓。 2017/2/26

160 二、若上例中湿空气的温度、湿度均不变，而总 压降为50kPa，试讨论湿空气的性质关系线在 H-I图上的变化。
第十一章 干燥 二、若上例中湿空气的温度、湿度均不变，而总 压降为50kPa，试讨论湿空气的性质关系线在 H-I图上的变化。 2017/2/26

161 三、现有一采用废空气部分循环的干燥系统，干 燥器为理论干燥器，新鲜常压空气的流量为 1.667kg/s，焓为50kJ/kg干气，水蒸气分压为
第十一章 干燥 三、现有一采用废空气部分循环的干燥系统，干 燥器为理论干燥器，新鲜常压空气的流量为 1.667kg/s，焓为50kJ/kg干气，水蒸气分压为 1.6kPa，湿物料含水量为w1=40%，最终w2=7%。 进入预热器的湿空气湿度为0.034 kg水气/ kg干气， 温度为40℃，离开预热器的空气为88℃空气在预 热器的总传热系数为　　　　　　　℃，加热水 蒸气的压强 2017/2/26

162 第十一章 干燥 假定预热器的热损失可忽略，试求： ①以绝干物料表示的干燥系统生产能力； ②预热器的传热面积； ③废空气的循环百分数。
第十一章 干燥 假定预热器的热损失可忽略，试求： ①以绝干物料表示的干燥系统生产能力； ②预热器的传热面积； ③废空气的循环百分数。 2017/2/26

163 第十一章 干燥 §4　干燥设备 常用干燥器分类 常按加热方式分类: 对流干燥器 传导干燥器 辐射干燥器 介电加热干燥器 2017/2/26

164 构造简单，设备费低；对原料的适应性较大，可同时干燥几种物料。 使用于粉末状、片状、膏状物料以及易碎的脆性物料。 缺点：
第十一章 干燥 一、干燥器的类型 （1）厢式干燥器（盘式干燥器） 厢式干燥器的优点： 构造简单，设备费低；对原料的适应性较大，可同时干燥几种物料。 使用于粉末状、片状、膏状物料以及易碎的脆性物料。 缺点： 装卸劳动强度大，热空气只与表面物料直接接触，产品的干燥不均匀，且干燥时间较长。 2017/2/26

165 床干燥器相比，对物料含水量、粒度等变动的适 应性强；操作稳定可靠。 缺点：设备笨重、占地面积大，逆流操作热损 失大。
第十一章 干燥 （2）转筒干燥器 用于粉末状、片状及块状物料的连续干燥。 干燥介质可以是热空气、烟道气等。 物料与气体可作并流或逆流。 主要优点： 连续操作，处理量大；与气流干燥器、流化 床干燥器相比，对物料含水量、粒度等变动的适 应性强；操作稳定可靠。 缺点：设备笨重、占地面积大，逆流操作热损 失大。 2017/2/26

166 第十一章 干燥 2017/2/26

167 第十一章 干燥 转筒式干燥器流程图 2017/2/26

168 颗粒床层呈静止状态，气流穿过颗粒间的空隙，此时颗粒床层为固定床。
第十一章 干燥 （3）流化床干燥器（沸腾床干燥器） 适用于粉粒状物料。 颗粒床层呈静止状态，气流穿过颗粒间的空隙，此时颗粒床层为固定床。 气速增大到某一数值后，颗粒在气流中呈悬浮状，形成颗粒与气体的混合层，恰如液体沸腾状态，气固两相激烈运动相互接触。 这种状态的床层称为流化床或沸腾床。 2017/2/26

169 第十一章 干燥 2017/2/26

170 由固定床转为流化床时的气速称为临界流化气速
第十一章 干燥 由固定床转为流化床时的气速称为临界流化气速 当气速增大到颗粒的自由沉降速度ut时，颗粒开始同气流一起向上流动，成为气流干燥状态；故称ut为流化床的带出速度。 流化床的气速应在临界流化速度和带出速度之间。 2017/2/26

171 第十一章 干燥 流化床操作有两种情况是应当避免的， 一种是“节涌”； 一种是“短路”。 2017/2/26

172 第十一章 干燥 主要优点： 床层温度均匀，并可调节；因传热速度快，处理能力大；停留时间可在几分钟到几小时范围内调节，使物料含水量降至很低；物料依靠进、出口床层高差自动流向出口，不需输送装置；结构简单，可动部件少，操作稳定。 缺点： 物料的形状和粒度有限制。 2017/2/26

173 （1）厢式和输送带式干燥器，对物料形态的适应性较宽，从粉粒、块、片、短纤维到膏糊状物料均能适用。
第十一章 干燥 二、干燥器的选用 1．根据物料的形态选择干燥器 （1）厢式和输送带式干燥器，对物料形态的适应性较宽，从粉粒、块、片、短纤维到膏糊状物料均能适用。 （2）转筒式干燥器适用于粉粒、块、片及膏糊状物料。 （3）流化床及气流式干燥器主要用于粉粒状物料，带有破碎机的气流干燥器也可以用于干燥膏糊状物料。 （4）喷雾干燥器用于悬乳液和乳浊液。 2017/2/26

174 第十一章 干燥 2．干燥器大小及构造相关因素 （1）物料的干燥特性 （2）物料的粘附性 3．与干燥产品相关因素 （1）物料的热敏性
第十一章 干燥 2．干燥器大小及构造相关因素 （1）物料的干燥特性 （2）物料的粘附性 3．与干燥产品相关因素 （1）物料的热敏性 （2）产品的形态与质量 4．节约能源 5．其他 2017/2/26