PDF《《化工原理》》

《 《化工原理 化工原理》 》 Principles of Chemical Engineering 主讲教师:董缘 下册(第三版) 陈敏恒 丛德滋 方图南 齐鸣斋 编 化学工业出版社 PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 www.

fineprint.cn 定义:结晶是从蒸气、溶液或熔融物中析出晶体的过程. 第12章 其它传质分离方法 12.1 结晶 结晶操作的分类 结晶操作的分类 溶液结晶、熔融结晶、升华结晶、反应沉淀及盐析等类型. (1) 能从杂质含量较多的溶液中获得高纯度的固体产品;

(2) 结晶操作过程的能耗较低(一般来讲,结晶热仅为汽化 热的1/3~1/7);

(3) 结晶操作可用于高熔点混合物、共沸物以及热敏性物质 等难分离物系的分离. 结晶操作的特点 结晶操作的特点 PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 www.fineprint.cn 溶液结晶过程是涉及溶质由液相转入固相的相际传质过程, 12.1.1 基本概念和操作原理 晶核的生成 晶核的生成 晶核的生成机理主要有三种:初级均相成核、初级非均相成 核和二次成核. 晶体的成长机理可分为两步: (1) 溶质由溶液主体向晶体表面的扩散过程,其推动力为溶 液主体与晶体表面溶质的浓度差;

(2) 表面反应过程,溶质在晶体表面以某种方式嵌入空间晶格 而组成有规则的结构,并放出结晶热. 晶体的成长 晶体的成长 PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 www.fineprint.cn 结晶只可能在过饱和溶液中发生. 饱和溶液: 饱和溶液: 相平衡状态下的固体溶质在溶剂中的溶解度(平衡浓度). 不饱和溶液: 不饱和溶液: 浓度饱和浓度的溶液. 溶解度与溶液的过饱和度 PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 www.fineprint.cn 溶液的过饱和度:同一温度下,过饱和溶液与饱和溶液的浓 度差. 溶解度与溶液的过饱和度 溶解度与溶液的过饱和度 绝对过饱和度 ΔC=C-C* 过饱和系数 S=C/C* 相对饱和度 δ =(C-C*)/C*=S-1 温度 浓度不稳区 稳定区 介稳区 a b A B C D C'

B'

溶液浓度控制在介稳区: 溶液浓度控制在介稳区: 晶核不能自发生成,可以得到颗 粒较大而整齐的晶体. 溶液的浓度控制在不稳区: 溶液的浓度控制在不稳区: 晶核可自发生成,所得到的结晶 产品粒度较小. PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 www.fineprint.cn 12.1.2 12.1.2 结晶操作特点 结晶操作特点 晶习 晶习 微观粒子的规则排列可按不同的方向发展,即各晶面可有不 同的生长速率,由此可形成不同外形的晶体. 同一晶系的晶体在不同结晶条件下可得到外形不同的晶体. 晶体的外形、大小和颜色在很大程度上取决于结晶时的条件. PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 www.fineprint.cn 晶体的洗涤 晶体的洗涤 母液中含有各种杂质,常用离心机或过滤机将晶体和母液进 行分离,并用适当的溶液对晶体进行洗涤. 再结晶现象 再结晶现象 熟化 熟化 小晶体有因表面能过大而被溶解的倾向,而较大的 晶体则会继续成长成外形更加完好的晶体. 在工业生产中常利用晶体的再结晶来得到粒度均匀的较大晶 体,也称为产品的 熟化 熟化 . PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 www.fineprint.cn 适用于溶解度随温度降低并显著减小的物质, 如:KNO3,NaNO3,MgSO4和Na2CO3 10H2O等. 12.1.3 结晶方法与设备

1 1 移除部分溶剂的结晶法 移除部分溶剂的结晶法 适用于溶解度随温度降低但变化不大的物质,如氯化钠、无 水硫酸钠等.

2 2 不移除部分溶剂的结晶法 不移除部分溶剂的结晶法

3 结晶设备 PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 www.fineprint.cn 塔式结晶器 塔式结晶器 PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 www.fineprint.cn 摇篮式结晶器 摇篮式结晶器 PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 www.fineprint.cn 转筒式结晶器 转筒式结晶器 由风机来的空气 空气 溶液入口 晶体和母液出口 加热蒸汽 转筒 支承轮 PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 www.fineprint.cn 蒸发式结晶器 蒸发式结晶器 换热器晶体出口 进料 蒸汽出口 蒸发室结晶室PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 www.fineprint.cn 真空式结晶器 真空式结晶器 蒸汽喷射泵 蒸汽 冷却水 冷却器进料口 出料口 循环管双级式蒸汽喷射泵PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 www.fineprint.cn 将多孔性固体物料与流体(气体或液体)混合物接触,有选择地 使流体中的一种或多种组分附着于固体的内外表面,从而达 到与其它组分分离的目的. 多孔性固体物料称为吸附剂,附着于固体表面的组分称为吸 附质. 12.2 吸附 12.2.1 12.2.1 操作原理 操作原理 PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 www.fineprint.cn 物理吸附 物理吸附( (范德华吸附 范德华吸附) ): :吸附剂靠固体颗粒的表面力(可以是 分子间引力即范德华力)使吸附质分子单层或多层地附着 在吸附剂表面.物理吸附的吸附力较弱,容易脱附. 化学吸附: 化学吸附:吸附剂与吸附质之间发生了化学反应,吸附是因 吸附质与吸附剂表面原子间的化学键合作用造成的.化 学吸附的吸附力较强,一般不易脱附. 吸附的分类 吸附的分类 PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 www.fineprint.cn (1) (1) 巨大的吸附面积 巨大的吸附面积 (2) 较高的选择性 较高的选择性 (3) 一定的机械强度 一定的机械强度 (4) 适当的物理特性 适当的物理特性 (5) 一定的稳定性 一定的稳定性 (6) 价廉易得 价廉易得. 工业吸附对吸附剂的要求 工业吸附对吸附剂的要求 PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 www.fineprint.cn (1) 各种活性土 各种活性土 ( (漂白土、铁钒土和酸性白土等 漂白土、铁钒土和酸性白土等) ) 由天然矿物 经硫酸处理活化,再干燥粉碎后制成.其主要成分为硅 藻土. (2) 活性氧化铝 活性氧化铝 由含水氧化铝加热脱水制成,为一种极性吸 附剂. (3) 硅胶 硅胶 硅胶是无定形多孔水合二氧化硅,多用于气体或液 体的脱水. 常用吸附剂 常用吸附剂 PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 www.fineprint.cn (4) 活性炭 活性炭 由动物骨骼、煤、椰壳、核桃壳或木材等经炭化、 活化后制成.为非极性吸附剂,具有疏水性,. (5) 分子筛 分子筛 能选择性地让尺寸小于孔径的分子进入微孔,起 到筛选分子的作用.常见的分子筛有天然沸石和上百种 合成沸石,具有较高的化学稳定性和吸附选择性,属于 强极性吸附剂. PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 www.fineprint.cn 不同温度下NH3在木炭上的吸附等温曲线 12.2.2 吸附的基本规律

80 o C 151.5 o C

30 o C -23.5 o C

0 o C 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0

50 100

150 吸附质分压 p(大气压) 吸附量x吸附相平衡: 吸附相平衡:吸附剂与吸附质在一定条件下长时间接触后达 到饱和,两相浓度不再随时间改变,此时两相的浓度称 为平衡浓度. 吸附等温线: 吸附等温线:在恒定温度下,平衡时吸附剂的吸附量 x 与气 (液)相中的吸附质组分分压 p (或吸附质的浓度C) 的关系 曲线. PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 www.fineprint.cn 25℃下不同吸附质在活性碳上的吸附等温线 丙酮 苯CCl4 氯乙烯

10 20

30 40

50 0.2 0.4 0.6 吸附质蒸气浓度 C(g/m3 空气) 吸附量x00.8 I II III 吸附质浓度 吸附量PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 www.fineprint.cn 12.2.3 吸附分离设备简介 釜式吸附器 釜式吸附器 压缩空气 油 漂白土 脱色后的油 PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 www.fineprint.cn 固定床吸附器 固定床吸附器 含溶剂的空气 低压蒸气 活性炭 活性炭 溶剂,回收 水层,丢弃 脱溶剂后的空气 PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 www.fineprint.cn 连续吸附器 连续吸附器 吸附剂提升管空气 汽提蒸气 进料口 汽提段 增浓段 吸附段 底部产品 顶部产品 加热器 冷却器 PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 www.fineprint.cn 12.3.1 概述: 定义:指利用膜对流体混合物中不同组分的选择性渗透的特 点来分离流体混合物的操作过程. 12.3 膜分离 (1) 分散得很细的固体,特别是与液体密度相近,胶状的可压 缩的固体微粒;

(2) 低分子量的不挥发的有机物、药物与溶解的盐类;

(3) 对温度、酸碱度等物理化学条件特别敏感的生物物质. 膜分离的应用 涉及气体分离、水溶液分离、生化产品的分离与纯化等操作 的食品和饮料加工过程、工业污水处理、大规模空气分离、 湿法冶金、气体和液体燃料的生产及石油化工制品的生产等 PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 www.fineprint.cn 常见的膜分离过程 浓度差 盐、生理活性 物质的分离 液体保存在多孔膜 中 液膜 渗透边的分压 下降 水、有机物的 分离 复合膜 渗透汽化 压差1~10 Mpa 浓度差 滤除 ≥50 nm 的颗粒 均质膜和非对称膜 气体分离 电位差 水溶液中酸、 碱、盐的脱除 阴、阳离子交换膜 孔径1~10 nm 电渗析 浓度差 水溶液中无机 酸、盐的脱除 非对称离子交换膜 孔径1~10 nm 渗析 压差 1~

10 MPa 水溶液中溶解 盐类的脱除 非对称性或复合膜 孔径0.1~1 nm 反渗透 压差 ~ 0.1 MPa 滤除 5~100 nm的颗粒 非对称多孔膜 孔径1~20 nm 超滤 压差 ~ 0.1 MPa 滤除 ≥50 nm 的颗粒 对称细孔高分子膜 孔径0.03~10 nm 微滤 推动力 主要功能 膜 过程 PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 www.fineprint.cn 12.3.2 膜的分类 膜 生物膜 合成膜 无机膜 固体膜 液膜 有机膜 不对称膜 多孔膜 无孔膜 不对称膜 对称膜 转相膜 复合膜 PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 www.fineprint.cn 膜的材质与种类 膜的材质与种类 化学稳定性好,耐高温.如PTFE 膜,-40~260oC,可耐强酸, 强碱和各种有机溶剂.具疏水 性,可用于过滤蒸气及腐蚀性液 体. 聚偏氟乙烯膜(PVDF)、聚四 氟乙烯膜(PTFE)、聚全氟磺 酸含氟材料具有良好的化学稳定性和热稳定 性,耐辐射,机械强度较高. 聚砜(PS)、聚醚砜 (PES)微 滤膜 聚砜具亲水性能,较耐碱而不耐酸, 在酮、酚、醚及高相对分子质量 醇类中,不易被浸蚀,孔径型号 也较多. 尼龙-6(NY-6)、尼龙-66(NY- 66)、芳香聚酰胺(PI)、芳香 聚酰胺酰肼(PPP)、聚苯砜 对苯二甲酰(PSA) 聚酰胺成孔性、亲水性好、价廉易得, 使用温度范围较广,可耐稀酸, 不适用于酮类,酯类、强酸和碱 类等液体的过滤. 二醋酸纤维素 (CDA)、三醋 酸纤维素 (CTA)、硝化纤维 素(CN),混合纤维素(CN- CA)、乙基纤维素(EC)等.........