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1、了解非均相物系分离、膜分离及冷冻操作技术的设备结构、 特点及应用；,知识目标,理解非均相物系分离、膜分离及冷冻操作技术的工作原理 及流程；,掌握其过程计算。,了解主要设备的操作,能力目标,第六章 其他单元操作技术,第三节 冷冻技术,第一节 非均相物系分离技术,第二节 膜分离技术,第一节 非均相物系分离技术,非均相物系,非均相混合物 ：,物系内部存在相界面，且界面两侧的物料性质截然不同,分散物质（分散相）：,非均相物系中，处于分散状态的物质,分散介质（连续相） ：,包围分散物质而处于连续状态的流体,2液态非均相物系,非均相物系分类,1气态非均相物系,如：含尘气体，含雾气体等。,如: 乳浊液、悬浮
2、液、泡沫液等。,沉降 过滤 湿法分离 静电分离,非均相物系分离方法,满足对连续相或分散相进一步加工的需要； 收集分散物质； 净化分散介质； 环境保护。,非均相物系分离方法的工业应用,沉降操作是靠重力的作用，利用分离物质与分散介质的密度差异，使之发生相对运动而分离的过程。,重力沉降,重力沉降可分为自由沉降和干扰沉降。,在重力的作用下，发生的沉降过程称为重力沉降。,自由沉降：,过程可分为两个阶段，第一阶段为加速运动，第二阶段为匀速运动。 加速运动阶段时间很短，往往可以忽略。整个沉降过程可视为匀速运动过程。 匀速阶段中颗粒相对于流体的运动速度ut称为沉降速度。,自由沉降,颗粒在沉降过程中不受流体及其
3、它粒子的影响的沉降过程。,颗粒的自由沉降过程分析:,层流区（104 Ret 1）,重力沉降速度,阻力系数 :,过渡区 (1 Ret103),湍流区（103 Ret2105）,湍流区：,重力沉降速度,层流区：,过渡区：,1试差法 2用无因次数群K值判断流型,沉降速度的计算,沉降可视为自由沉降。 颗粒可视为球形粒子。若实际颗粒为非球形颗粒时，应先以实际颗粒的当量直径de计算，后确定实际颗粒的沉降速度ut。 连续相流体在沉降方向上不发生运动。,说明：,(1)干扰沉降(颗粒含量 ),(2)颗粒大小,(3)流体性质,(4)非球形(颗粒形状 ),(5)流体流动,沉降速度的其他影响因素,(6)器壁,重力沉降
4、设备,降尘室的容积一般较大，气体在其中的流速1m/s。实际上为避免沉下的尘粒重新被扬起，往往采用更低的气速。通常它可捕获大于50m 的粗颗粒。,降尘室,垂直方向上，颗粒在重力作用下以沉降速度向下运动。设大于某直径的颗粒必须除去，该直径的颗粒的沉降速度为 ut。沉降时间t为,为满足除尘要求，气流的停留时间至少必须与颗粒的沉降时间相等，即,故降尘室的生产能力,设有流量为 V(m3/s)的含尘气体进入降尘室，降尘室的底面积为 A，高度 为 H。若气流在整个流动截面上均匀分布，则任一流体质点进入至离开降 尘室的时间间隔(停留时间) 为,降尘室,思考：,1.为什么降尘室通常设计成扁平状？ 2.将降尘室设
5、计为多层隔板式的原因是什么？,多层降尘室,离心沉降速度是指重相颗粒相对于周围流体的运动速度 。,离心沉降,离心沉降是利用连续相与分散相在离心力场中所受离心力的差异使重相颗粒迅速沉降实现分离的操作。,离心沉降速度计算,层流区,过渡区,湍流区,离心分离因数是离心分离设备的重要指标。通常采用提高转速并适当缩小半径的方法来获得较大的Kc。 综合考虑，不能认为对任何情况，采用离心沉降都优于重力沉降。,离心分离因数,旋风分离器,旋风分离器的离心分离因数约为 52500，一般可分离气体中 575m 直径的粒子。,临界粒径 气体经过旋风分离器的压降,(1) 在分离器内气流形成两个主旋涡,(2) 外旋涡造成的离
6、心力将颗粒抛向器壁,旋风分离器,结构原理：,性能的评价指标：,选用原则:,按气体处理量选用,缩小旋风分离器的直径 采用较大的进口气速 延长锥体部分的高度 并联操作 减少粉粒重新卷起 移去顶部旋涡造成的粉尘环,提高旋风分离器效率的措施,过滤是一种分离悬浮在液体或气体中固体微粒的操作。是利用一种能将固体微粒截留而让流体通过的多孔介质（过滤介质），将固体微粒从气体或液体中分离出来，以达到流体与固体分离之目的。,基本概念：,过 滤,滤浆或料浆，过滤介质，滤液，滤饼或滤渣,1.按固体颗粒被截留的情况分,过滤过程的分类,滤饼过滤，深床过滤,2.按过滤过程的推动力分,重力过滤，压差过滤，离心过滤,3.按操作
7、方式分,恒压过滤，恒速过滤,不可压缩性滤饼 可压缩性滤饼,滤 饼,滤饼是由过滤介质截留的颗粒垒积而成的固定床层.,滤饼的分类:,过滤操作中使流体透过而截留固体颗粒的多孔性介质称为过滤介质。,过滤介质的分类：,1.织物介质 又称滤布用于滤饼过滤过程.在工业上应用最为广泛. 2.粒状介质 又称堆积介质.用于深层过滤. 3.多孔固体介质 是具有很多微细孔道的固体材料，用于深层过滤. 适用于处理只含少量细小的颗粒的及腐蚀性的悬浮液.,过滤介质,1.分离要求,选择过滤介质的主要依据,最小粒径，分离效率，处理能力等,2.悬浮液特性,颗粒形状，粒度分布，固体颗粒浓度，滤液的粘度， 腐蚀性等,3.操作条件,4
8、.过滤设备的类型,温度，压强等,助滤剂,助滤剂通常是具有多孔性、形状不规则、不可压缩的 细小固体颗粒。,助滤剂的作用：,1.预敷 2.加入悬浮液,减小可压缩滤饼的过滤阻力、减少细微颗粒对过滤介质中孔道的 堵塞现象，改善饼层结构。,助滤剂的添加方法：,（1）过滤速率与过滤速度 （2）恒压过滤与恒速过滤 （3）影响过滤速率的因素 悬浮液的性质 过滤推动力 过滤介质与滤饼的性质,过滤速率及影响因素,在滤饼的颗粒间隙中总会残留一定量的滤液。过滤终了，通常要用洗涤液（一般为清水）进行滤饼的洗涤，以回收滤液或得到较纯净的固体颗粒。,过滤操作存在一定的周期性。通常由过滤、洗涤、卸渣、复原四个基本环节组成。,
9、滤饼的洗涤,过滤操作周期:,板框式压滤机,连续转鼓真空过滤机,机械挤压式压滤机,叶滤机的构造,第六章 其他单元操作技术,第三节 冷冻技术,第一节 非均相物系分离技术,第二节 膜分离技术,膜分离是借助于膜，在某种推动力的作用下， 利用流体中各组分对膜的渗透速率的差别而实现 组分分离的过程。,膜分离技术,膜分离原理,膜的分类,合成膜,生物膜（原生质、细胞膜）,液膜,固膜,有机膜,无机膜,乳液状膜,带支撑层的液膜,无机膜多以金属、金属氧化物、陶瓷和多孔玻璃为材料。,膜材料,用来制备膜的材料主要分为有机高分子材料和无机材料两大类。,1有机膜材料,主要有醋酸纤维素类、聚砜类、聚酰胺类和聚丙烯腈等。,2无
10、机膜材料,将膜按一定的技术要求组装在一起即成为膜组件，是所有膜分离装置的核心部件，基本要素包括膜、膜的支撑体或连接物、流体通道、密封件、壳体及外接口等。,膜组件,将膜组件与泵、过滤器、阀、仪表及管路等按一定的技术要求装配 在一起，即成为膜分离装置。,常见的膜组件有板框式、卷绕式、管式和中空纤维膜组件等。,平板式膜组件,螺旋卷膜组件,管式膜组件,中空纤维式膜组件,各种膜分离技术,（一）反渗透,反渗透过程就是在压力的推动下，借助于半透膜的截留作用，将溶液中的溶剂与溶质分离开来。显然，反渗透过程也属于压力推动过程。,反渗透原理,由于膜的选择透过性因素，在反渗透过程中，溶剂从高压侧透过膜到低压侧，大部
11、分溶质被截留，溶质在膜表面附近积累，造成由膜表面到溶液主体之间的具有浓度梯度的边界层，引起溶质从膜表面通过边界层向溶液主体扩散的现象。,反渗透的影响因素,浓差极化：,主要是提高传质系数A，可采取的措施有： 提高料液流速、增强料液湍动程度、提高操作温度、对膜面进行 定期清洗和采用性能好的膜材料等。,减轻浓差极化的有效途径：,反渗透流程,根据处理对象和生产规模的不同，反渗透装置主要有 连续式、部分循环式和全循环式三种流程。,（1）一级一段连续式,1-料液贮槽；2-泵；3-膜组件,反渗透流程,（2）一级多段连续式,反渗透流程,（3）一级一段循环式,反渗透流程,反渗透技术的大规模应用主要在海水和苦咸水
12、的淡化，此外还应用于纯水制备，生活用水、含油污水、电镀污水处理以及乳品、果汁的浓缩、生化和生物制剂的分离和浓缩等。,反渗透的工业应用,电渗析所用的离子交换膜可分为阳离子和阴离子交换膜,电渗析,电渗析是一种专门用来处理溶液中的离子或带电粒子的膜分离技术,电渗析原理,在电渗析过程中，不仅存在反离子(与膜的电荷符号相反的离子)的迁移过程，而且还伴随着同名离子迁移、水的渗透和分解等次要过程，这些次要过程对反离子迁移也有一定的影响。,电渗析过程影响因素,实际操作中，可采取以下措施来减少浓差极化等因素对电渗析过程的影响：,电渗析操作,尽可能提高液体流速，以强化溶液主体与膜表面之间的传质。 膜的尺寸不宜过大
13、，以使溶液在整个膜表面上能够均匀流动。 采取较小的膜间距，以减小电阻。 采用清洗沉淀或互换电极等措施，以消除离子交换膜上的沉淀。 适当提高操作温度，以提高扩散系数。 严格控制操作电流，使其低于极限电流密度。,（1）电渗析器的构成：,电渗析的流程,膜堆、极区和夹紧装置,（2）电渗析器的组装方式:,电渗析器,主要用于苦咸水淡化、生产饮用水、浓缩海水制盐、从体系中脱除电解质，还可用于重金属污水处理，食品工业牛乳的脱盐、果汁的去酸及食品添加剂的制备以及制取维生素C等。,电渗析的工业应用,超滤过程的推动力是膜两侧的压力差。当液体在压力差的推动力下流过膜表面时，溶液让直径比膜孔小的分子将透过膜进入低压侧，
14、而直径比座孔大的分子则被截留下来，透过膜的液体称为透过液，剩余的液体称为浓缩液。,超 滤,1超滤原理,超滤过程中，单位时间内通过膜的溶液体积称为膜通量。 超滤膜的孔径为(15)108m，膜表面有效截留层的厚度一般仅为(1100)107m，操作压力差一般为0.10.5MPa，可分离分子量500以上的大分子和胶体微粒。 常用的膜材料有醋酸纤维、聚砜、聚丙烯腈、聚酰胺、聚偏氟乙烯等。 超滤可有效除去水中的微粒、胶体、细菌、热原质和各种有机物，但几乎不能截留无机离子。,超 滤,（1）料液流速 提高料液流速，可有效减轻膜表面的浓差极化。 （2）操作压力 适当增加操作压力。 （3）操作温度 采用相对高的操
15、作温度。 （4）进料浓度 限制超滤过程中料液主体的浓度。,超滤操作,在超滤过程中，料液的性质和操作条件对膜通量均有一定的影响。 为提高膜通量，尽可能减少浓差极化和膜污染等所产生的阻力，可从 以下方面进行调整：,（1）间歇操作,闭式回路间歇操作,超滤过程的工艺流程,（2）连续式操作,多级连续式操作流程,超滤过程的工艺流程,超滤的技术应用可分为三种类型：浓缩、小分子溶质的分离、大分子溶质的分级。,超滤的应用,绝大部分工业应用属于浓缩，也可以采用与大分子结合或复合的办法分离小分子溶质。,在制药工业中，超滤常用作反渗透、电渗析、离子交换等装置 的前处理设备，经常用于病毒及病毒蛋白的精制。,第六章 其他
16、单元操作技术,第三节 冷冻技术,第一节 非均相物系分离技术,第二节 膜分离技术,1按制冷过程分类,制冷的分类,蒸气压缩式制冷、吸收式制冷,2按制冷程度分类,普通制冷 、深度制冷,根据热力学第二定律，这种传热过程必须从外界补充所消耗的能量,制冷基本原理,制冷操作是从低温物料中取出热量，并将此热量传给高温物体的过程,制冷是利用制冷剂的沸点随压力变化的特性，使制冷剂在低压下气化 吸收被冷物质的热量降低其温度达到被冷物质制冷目的,1-压缩机（又称冷冻机）；2-冷凝器；3-膨胀机； 4-蒸发器；5-节流阀,制冷循环,由可逆绝热压缩过程（压缩机）、等压冷凝过程（冷凝器）、可逆绝热膨胀过程（膨胀机）、等压等温蒸发过程（蒸发器）等组成。,理想制冷循环, 在压缩机中绝热压缩 等压冷却与冷凝 节流膨胀 等压等温蒸发,实际制冷循环,在整个制冷循环过程中，氨作为工作介质（制冷剂），完成 从低温的冷冻物质中吸取热量转交给高温物质（冷却水）的任务。 制冷循环过程的实质是由压缩机作功，通过制冷剂从低温热源取 出热量，送到
