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1、第八章 其它化工单元操作过程,本章主要内容,8.1 蒸发 8.2 液液萃取 8.3 超临界萃取和液膜萃取 8.4 膜分离,8.1 蒸发,8.1.1 基本概念,一、定义 二、加热蒸气和二次蒸汽 加热蒸气 : 蒸发需要不断地供给热能 ,工业上采用的热源通常为水蒸气。 二次蒸气 : 蒸发的溶液大多是水溶液，蒸发所产生的蒸气也是水蒸气称为二次蒸气。,三、分类 1. 按操作室压力分 常压、加压、减压（真空）蒸发 2. 按二次蒸气的利用情况分 单效蒸发：将二次蒸气直接冷凝，而不利用其冷凝热的操作 多效蒸发：将二次蒸气引到下一蒸发器作为加热蒸气，以利用其冷凝热，这种串联蒸发操作称为多效蒸发,四、蒸发操作的特
2、点 1.传热性质 2.溶液性质 3.溶液沸点的改变 4.泡沫夹带 5.能源利用,8.1.2 单效蒸发,一、溶液的沸点升高和温度差损失 溶液的沸点升高：溶液中含有不挥发的溶质，在相同条件下，其蒸气压比纯水的低，所以溶液的沸点就比纯水的要高，两者之差称为因溶液蒸气压下降而引起的沸点升高。,当缺乏实验数据时，可以用下式先估算出沸点升高值 ：,=fa a常压下由于溶液蒸气压下降而引起的沸点升高（即温度差损失）()； 操作压强下由于溶液蒸气压下降而引起的沸点升高()； f校正系数，无因次。,校正系数经验计算式 T 操作压强下二次蒸气的温度（）； r 操作压强下二次蒸气的汽化热（kJ/kg）。,溶液的沸点
3、也可用杜林规则（Dubrings rule）计算 ：,k杜林直线的斜率，无因次； tA，tw 分别为压强pM下溶液的 沸点与纯水的沸点()； tA ， tw分别为压强pN下溶液的沸点与纯水的沸点()。,当某压强下水的沸点tw=0时，上式变为 tA=tAktw=ym ym杜林线的截距()。 不同浓度的杜林直线是不平行的，斜率k与截距 ym都是溶液质量浓度x的函数。 对NaOH水溶液，k、ym与x的经验关系为 k=1+0.142x ym=150.75x22.71x x溶液的质量浓度。,二、单效蒸发的计算,单效蒸发的计算内容： （1）蒸发量W ； （2）加热蒸气的消耗量D； （3）传热面积S。,1.
4、蒸发量W,对单效蒸发器作溶质衡算，得 Fx0=（FW）x1 F原料液的流量（kg/h）； W单位时间内蒸发的水分量，即蒸发量（kg/h）； x0原料液的质量组成； x1完成液的质量组成。,2.加热蒸发量D,蒸发操作中，加热蒸气的热量一般用于将溶液加热至沸点，将水分蒸发为蒸气以及向周围散失的热量。 对某些溶液，如CaCl2、NaOH等水溶液，稀释时放出热量，因此蒸发这些溶液时应考虑要供给和稀释热量相当的浓缩热。,（1）溶液稀释热不可忽略,围绕蒸发器列物料的焓衡算，得 DH+Fh0=WH+（F-W）h1+Dhw+QL D加热蒸气的消耗量（kg/h）； h1完成液的焓（kJ/kg）； H加热蒸气的焓
5、（kJ/kg）； hw冷凝水的焓（kJ/kg）； h0原料液的焓（kJ/kg）； QL热损失（kJ/h）。 H二次蒸气的焓（kJ/kg）；,若加热蒸气的冷凝液在蒸气的饱和温度下排除，则 H- hw=r 则上式变为 r加热蒸气的汽化热（kJ/kg）。 稀释热不可忽略时溶液的焓由专用的焓浓图查得。,（2）溶液的稀释热可以忽略,溶液的焓可用比热容算出，即 h0=cp0（t00）=cp0t0 h1=cp1（t10）=cp1t1 hw=cpw（T0）=cpwT 整理得 DH+Fh0=WH+（FW）h1+Dhw+QL,计算溶液的比热容的经验公式 cp=cpw（1-x）+cpBx 当x20%时，上式可以简化
6、为 cp=cpw（1 - x） 式中 cp溶液的比热容（kJ/（kg）； cpw纯水的比热容（kJ/（kg）； cpB溶质的比热容（kJ/（kg）。,原料液及完成液的比热容可分别写成： cp0=cpw（1- x0）+cpBx0cpw-（cpw- cpB） x0 cp1=cpw（1- x1）+cpBx1 cpw-（cpw- cpB）x1 联立得 (cp0- cpw)x1= (cp1- cpw)x0,(cp0 cpw)x1= (cp1 cpw)x0 Fx0=(F W)x1 （FW）cp1=Fcp0 Wcpw 代入焓衡算式，得 D（HcpwT）=W（Hcpwt1）+Fcp0（t1t0）+QL,由 H
7、cpwTr 加热蒸气的汽化热（kJ/kg）； Hcpwt1r 二次蒸气的汽化热（kJ/kg）。 可简化得 Dr=Wr+Fcp0（t1t0）+QL 或 加热蒸气的热量用于将原料液加热到沸点、蒸 发水分以及向周围的热损失。,若原料液预热至沸点再进入蒸发器，且忽略热损失,则 或 e: 衡量蒸发装置经济程度的指标,蒸发1kg水分时，加热蒸气的消耗量，称为单位蒸气耗量,3.传热面积S,由传热速率公式 Q=SoKotm 得 So蒸发器的传热外面积（m2 ） ； Ko基于外面积的总传热系（ W /（m2）； tm平均温度差（）； Q蒸发器的热负荷，即蒸发器的传热速（ W）。,（1）平均温差tm 蒸发时，加热
8、面两侧流体均处于恒温、变相状态下，故 tm=Tt （2）基于传热外面积的总传热系数Ko （3）蒸发器的热负荷Q 若加热蒸气的冷凝水在饱和温度下排除，且忽略热损失，则 Q=Dr,8.1.3多效蒸发,为了减少加热蒸气消耗量，可采用多效蒸发操作。 多效蒸发时要求后效的操作压强和溶液的沸点均较前效的为低，因此可引入前效的二次蒸气作为后效的加热介质，即后效的加热室成为前效二次蒸气的冷凝器，仅第一效需要消耗生蒸气。,8.1.4蒸发器的选型,一、选型考虑的主要因素 溶液的黏度 ； 溶液的热稳定性； 有晶体析出的溶液 ； 易发泡的溶液 ； 有腐蚀性的溶液； 易结垢的溶液 ； 溶液的处理量。,二、各式蒸发器示意
9、图,三、蒸发器的主要性能,8.2 液液萃取,8.2.1 基本概念 一、液液萃取过程 1. 液液萃取原理 2.工业萃取过程 3.萃取过程的经济性,萃取相(S+A+B),萃余相(B+A+S),二、两相的接触方式 1.微分接触 2.级式接触 三、液液相平衡与萃取操作的关系 1.萃取操作的自由度 2.级式萃取过程 3.溶液的选择性系数 4.互溶度的影响,8.2.2 萃取过程的计算,在分级式接触萃取过程计算中，无论是单级还是多级萃取操作，均假设各级为理论级，即离开每级的E相和R相互平衡。 萃取操作中的理论级概念和蒸馏中的理论板相当。,一、单级萃取的计算,E,M,F+S=E+R=M,同理:,当组分B、S可
10、视作完全不互溶时，则 在一定温度下，三元混合液中若萃取剂S与稀释剂B互不相溶，则有 y=Kx,B原料液中稀释剂的量(kg或kg/h)； S萃取剂的用量(kg或kg/h)； XF原料液中组分A的质量比组成(kgA/kgB)； X1单级萃取后萃余相中组分A的质量比组成(kgA/kgB)； Y1单级萃取后萃取相中组分A的质量比组成(kgA/kgS)； YS萃取剂中组分A的质量比组成(kgA/kgS)。,y萃取相中溶质A的质量比组成； x萃余相中溶质A的质量比组成； K以质量比表示相组成的分配系数。,二、多级错流接触萃取的计算,多级错流接触流程示意图,1.三角坐标图解法（组分S,B部分互溶时）,M1,
11、M2,M3,2.理论级数的计算（组分S,B不互溶时） (1)直角坐标法,Y0,XF,L,-B/S1,E1,V,-B/S3,(2)解析法,分配曲线：,设：,萃取因子,8.2.3萃取设备的选择,典型的单击混合澄清槽,萃取设备的选择,8.3超临界萃取和液膜萃取,8.3.1超临界萃取 一、基本概念 超临界流体萃取是 用超过临界温度、临界 压力状态下的气体作为 溶剂，萃取待分离混合 物中的溶质，然后采用 等温变压或等压变温等 方法，将溶剂与溶质分 离的单元操作。,二、超临界萃取的流程 根据溶剂再生方法的不同，超临界萃取的流程可分为四类： 等温变压法； 等压变温法；,吸附吸收法，即用吸附剂或吸收剂脱除溶剂
12、中的溶质； 添加惰性气体的等压法，即在超临界流体中加入N2、Ar等惰性气体，可使溶质的溶解度发生变化而将溶剂再生。,8.3.2液膜萃取,一、基本原理,液膜分离,乳状液型膜萃取,支撑体型液膜萃取,二、实施方法,乳状液的准备,乳状液与待 分离液接触,萃余液的分离,乳状液的分层,8.4 膜分离,膜是指在一个流体相内或两个流体相之间以特定的形式限制和传递组分，从而把流体相分隔成两部分的一薄层物质，膜可以呈固相、液相或气相状态存在。目前常用的膜多为固相膜。,什么是膜？,8.4.1 各种膜分离过程简介,膜上游 透膜 膜下游,原理：利用天然或人工合成的具有选择透过性的薄膜，以外界能量或化学位差为推动力，对双
13、组分或多组分体系进行分离、分级、提纯或富集的过程。通常，膜原料侧称为膜上游，透过侧称为膜下游。,几种常见的膜分离过程,一、反渗透 二、超滤 三、微滤 四、气体膜分离 五、渗透蒸发 六、膜蒸馏 七、膜萃取 八、电渗析,三者组成了可分离固态微粒到离子的三级膜分离过程。,具有高选择性,广泛用于苦咸水脱盐,8.4.2 膜分离过程的主要传递机理,一、溶解扩散模型 二、孔模型 三、筛分模型 四、优先吸附毛细管流动模型,8.4.3 分离膜,分离膜,聚合物膜,无机膜,聚合物无机杂合膜,（按材质分类）,致密膜或均质膜,微孔膜,非对称膜,复合膜,离子交换膜或荷电膜,特点:热、机械和化学稳定性好，使用寿命长，污染少
14、且易于清洗，易实现电催化和电化学活化，孔径均匀等。 缺点:易破损、成型性差、价格昂贵。,8.4.4 膜组件,一、膜组件性能 对膜能够提供足够的机械支撑并可使高压原料侧和低压透过侧严格分开； 在能耗最小的条件下，使原料在膜表面上的流动状况均匀合理，以减少浓差极化； 具有尽可能高的装填密度并使膜的安装和更换方便； 装置牢固、安全可靠、价格低廉、易于维修。,二、工业上常用的膜组件形式 1.板框式 1) 系紧螺栓式 2) 耐压容器式,板框式膜组件由于装填密度相对较低，在工业上已较少使但某些板框式膜组件，由于结构设计巧妙，迄今仍在使用。,2.圆管式 1) 内压型单管式 2) 内压型管束式,优点：流动状态好，流速易控制；安装、拆卸、换膜和维修均较方便；能够处理含有悬浮固体的溶液；机械清除杂质容易；此外，合适的流动状态可防止浓差极化和污染。,缺点:管膜的制备条件较难控制，单位体积内有效膜面积较低，管口密封困难。,3.螺旋卷式 优点：结构紧凑、单位体积内的有效膜面积大。 缺点：当原料液中含有悬浮固体时使用有困难；此外，透过侧的支撑材料较难满足要求，不易密封；同时膜组件的制作工艺复杂，要求高，尤其用于高压操作时难度更大。,4.中空纤维管式,优点: 不需要支撑材料、结构紧凑 缺点: 是压降大、清洗困难、制作复杂,
