化工分离过程第七章其它分离技术和分离过程的选择课件

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1、 化工分离过程化工分离过程 ChemicalSeparationProcessesChemicalSeparationProcesses第七章第七章其它分离技术和分其它分离技术和分离过程的选择离过程的选择1化工分离过程第七章 其它分离技术和分离过程的选择7.1 膜分离技术膜分离技术 7.1.1 分离用膜和膜分离设备分离用膜和膜分离设备 7.1.2 反渗透反渗透 7.1.3 超滤超滤 7.1.4 电渗析电渗析 7.1.5 气体膜分离气体膜分离 7.1.6 液膜分离液膜分离7.2 吸附分离吸附分离7.3 反应精馏反应精馏7.4 超临界流体萃取超临界流体萃取 第七章第七章 其它分离技术和分离过程的选

2、择其它分离技术和分离过程的选择 2化工分离过程第七章 其它分离技术和分离过程的选择7.2 吸附分离吸附分离（Adsorption Separation） 吸吸附附是是指指流流体体（气气体体或或液液体体）与与固固体体多多孔孔物物质质接接触触时时，流流体体中中的的一一种种或或多多种种组组分分传传递递到到多多孔孔物物质质外外表表面面和和微微孔孔内内表表面面并并附附着着在在这这些些表表面面上上形形成成单单分分子子层层或或多多分分子子层层的的过过程。程。吸附分离吸附分离3化工分离过程第七章 其它分离技术和分离过程的选择7.2 吸附分离吸附分离（Adsorption Separation）吸附操作是通过多

3、孔固体物质与某一混合组分体系（吸附操作是通过多孔固体物质与某一混合组分体系（气体气体或液体或液体）接触，有选择地使体系中的一种或多种组分附着）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。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被吸附到固体表面的组分称为吸附质称为吸附质吸附吸附质的多孔固体吸附吸附质的多孔固体称为吸附剂称为吸附剂吸附质附着到吸附剂表面的过程吸附质附着到吸附剂表面的过程称为吸附称为吸附吸附质从吸附剂表面逃逸到另一相的过程吸附质从吸附剂表面逃逸到另一相的过程称为解吸称为解吸吸附过程发生在吸附过程发生在“气固气固”或或

4、“液固液固”非均相界面非均相界面 吸附分离操作的基本概念吸附分离操作的基本概念4化工分离过程第七章 其它分离技术和分离过程的选择7.2 吸附分离吸附分离（Adsorption Separation） 吸附过程通常包括：吸附过程通常包括：吸附过程通常包括：吸附过程通常包括：待分离料液与吸附剂混待分离料液与吸附剂混待分离料液与吸附剂混待分离料液与吸附剂混合、吸附质被吸附到吸附剂表面合、吸附质被吸附到吸附剂表面合、吸附质被吸附到吸附剂表面合、吸附质被吸附到吸附剂表面、料液流出料液流出料液流出料液流出、吸吸吸吸附质解吸回收附质解吸回收附质解吸回收附质解吸回收等四个过程。等四个过程。等四个过程。等四个过

5、程。料液与吸料液与吸料液与吸料液与吸附剂混合附剂混合附剂混合附剂混合吸附质吸附质吸附质吸附质被吸附被吸附被吸附被吸附料液料液料液料液流出流出流出流出吸附质解吸附质解吸附质解吸附质解吸附吸附吸附吸附Step1Step2Step3Step4吸附过程吸附过程5化工分离过程第七章 其它分离技术和分离过程的选择7.2 吸附分离吸附分离（Adsorption Separation）吸附分离操作吸附分离操作吸附剂吸附剂吸附质吸附质脱附：吸附的逆过程脱附：吸附的逆过程吸附吸附6化工分离过程第七章 其它分离技术和分离过程的选择7.2 吸附分离吸附分离（Adsorption Separation） 按按作用力性质

6、作用力性质分类：分分类：分物理吸附和化学吸附物理吸附和化学吸附 物物理理吸吸附附：吸吸附附质质分分子子与与吸吸附附剂剂表表面面分分子子间间存存在在的的范范德德华力所引起的，也称为范德华吸附。华力所引起的，也称为范德华吸附。 吸吸附附热热较较小小（放放热热过过程程，吸吸附附热热在在数数值值上上与与冷冷凝凝热热相相当），可在低温下进行；当），可在低温下进行； 过程是可逆的，易解吸；过程是可逆的，易解吸； 相对没有选择性，可吸附多种吸附质；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；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可形成单分子吸附

7、层或多分子吸附层。吸附分离操作的分类吸附分离操作的分类7化工分离过程第七章 其它分离技术和分离过程的选择7.2 吸附分离吸附分离（Adsorption Separation） 化学吸附：化学吸附：又称活性吸附，是由吸附剂和吸附质之间又称活性吸附，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。键力的大小。 如石灰吸附如石灰吸附CO2 CaCO3 吸附热大，一般在较高温下进行；吸附热大，一般在较高温下进行； 具有选择性，单分子层吸附；具有选择性，单分子层吸附； 化学键力大时，吸附不可逆化学键力大时，吸附不可逆。

8、吸附分离操作的分类吸附分离操作的分类8化工分离过程第七章 其它分离技术和分离过程的选择7.2 吸附分离吸附分离（Adsorption Separation）物理吸附和化学吸附的比较物理吸附和化学吸附的比较吸附性能吸附性能物理吸附物理吸附化学吸附化学吸附作用力作用力分子引力（范德华力）分子引力（范德华力）剩余化学键力剩余化学键力选择性选择性没有选择性没有选择性有选择性有选择性吸附层吸附层单分子或多分子吸附层单分子或多分子吸附层只能形成单分子吸附层只能形成单分子吸附层吸附热吸附热较小，较小，41.9kJ/mol较大，相当于化学反应热，较大，相当于化学反应热，83.7-418.7kJ/mol吸附速度

9、吸附速度快，几乎不要活化能快，几乎不要活化能较慢，需要活化能较慢，需要活化能温度温度放热过程，低温有利于吸附放热过程，低温有利于吸附温度升高，吸附速度增加温度升高，吸附速度增加可逆性可逆性可逆，较易解析可逆，较易解析化学键大时，吸附不可逆化学键大时，吸附不可逆9化工分离过程第七章 其它分离技术和分离过程的选择7.2 吸附分离吸附分离（Adsorption Separation）按按作用力性质作用力性质分类：分物理吸附和化学吸附分类：分物理吸附和化学吸附按按吸附剂再生方法吸附剂再生方法分类：变温吸附和变压吸附分类：变温吸附和变压吸附按按原料组成原料组成分类：大吸附量分离和杂质去除分类：大吸附量分

10、离和杂质去除按按分离机理分离机理分类：位阻效应、动力学效应和平衡效应分类：位阻效应、动力学效应和平衡效应吸附分离操作的分类吸附分离操作的分类10化工分离过程第七章 其它分离技术和分离过程的选择7.2 吸附分离吸附分离（Adsorption Separation）常常用用于于从从稀稀溶溶液液中中将将溶溶质质分分离离出出来来，由由于于受受固固体体吸吸附附剂剂的限制，处理能力较小；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；对溶质的作用较小，这一点在蛋白质分离中特别重要；可可直直接接从从发发酵酵液液中中分分离离所所需需的的产产物物，成成为为发发酵酵与与分分离离的的耦合过程，

11、从而可消除某些产物对微生物的抑制作用；耦合过程，从而可消除某些产物对微生物的抑制作用；溶溶质质和和吸吸附附剂剂之之间间的的相相互互作作用用及及吸吸附附平平衡衡关关系系通通常常是是非非线性关系，故设计比较复杂，实验的工作量较大。线性关系，故设计比较复杂，实验的工作量较大。吸附法的特点吸附法的特点11化工分离过程第七章 其它分离技术和分离过程的选择7.2 吸附分离吸附分离（Adsorption Separation） 优点优点： pH变化变化小，适于稳定性差的物质小，适于稳定性差的物质 操作简便，安全，设备简单操作简便，安全，设备简单 有机溶剂掺入少有机溶剂掺入少 缺点缺点：选择性差选择性差无机吸

12、附剂性能不稳定无机吸附剂性能不稳定收率低收率低不能连续操作，劳动强度大不能连续操作，劳动强度大碳粉等吸附剂有粉尘污染碳粉等吸附剂有粉尘污染吸附法的特点吸附法的特点12化工分离过程第七章 其它分离技术和分离过程的选择7.2 吸附分离吸附分离（Adsorption Separation） 一一般般地地，固固体体表表面面层层的的物物质质粒粒子子受受到到指指向向内内部部的的拉拉力力，这这种种不不平平衡衡力力场场的的存存在在导导致致表表面面Gibbs焓焓的的产产生生。固固体体物物质质不不能能像像液液体体那那样样可可通通过过收收缩缩表表面面来来降降低低系系统统的的表表面面Gibbs焓焓，但但它它可可利利用

13、用表表面面上上的的剩剩余余力力，从从周周围围介介质质中中捕捕获获其其它它物物质质粒粒子子，使使其其不不平平衡衡力力场场得得到到某某种种程程度度的的补补偿偿，从而导致表面从而导致表面Gibbs焓的降低。焓的降低。 为为提提高高吸吸附附量量，应应尽尽可可能能的的增增加加吸吸附附剂剂的的比比表表面面，许许多粉状或多孔性物质，往往都具有良好的吸附性能。多粉状或多孔性物质，往往都具有良好的吸附性能。吸附产生的原因吸附产生的原因13化工分离过程第七章 其它分离技术和分离过程的选择7.2 吸附分离吸附分离（Adsorption Separation）吸附主要发生在吸附剂内孔表面吸附主要发生在吸附剂内孔表面1

14、4化工分离过程第七章 其它分离技术和分离过程的选择7.2 吸附分离吸附分离（Adsorption Separation）吸吸附附容容量量大大：由由于于吸吸附附过过程程发发生生在在吸吸附附剂剂表表面面，所所以以吸吸附容量取决于吸附剂表面积的大小。附容量取决于吸附剂表面积的大小。 选择性高：选择性高：对要分离的目的组分有较大的选择性。对要分离的目的组分有较大的选择性。稳稳定定性性好好：吸吸附附剂剂应应具具有有较较好好的的热热稳稳定定性性，在在较较高高温温度度下下解解吸吸再再生生其其结结构构不不会会发发生生太太大大的的变变化化。同同时时，还还应应具具有有耐耐酸碱的良好化学稳定性。酸碱的良好化学稳定性

15、。 适当的物理特性：适当的物理特性：适当的堆积密度和强度，廉价易得。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吸附剂的主要特性15化工分离过程第七章 其它分离技术和分离过程的选择7.2 吸附分离吸附分离（Adsorption Separation）吸附剂孔结构吸附剂孔结构16化工分离过程第七章 其它分离技术和分离过程的选择7.2 吸附分离吸附分离（Adsorption Separation）（1）较高的选择性较高的选择性以达到一定的分离要求；以达到一定的分离要求；（2）较大的吸附容量较大的吸附容量以减小用量

16、；以减小用量；（3）较好的动力学及传递性质较好的动力学及传递性质以实现快速吸附；以实现快速吸附；（4）较高的化学及热稳定性较高的化学及热稳定性不溶或极难溶于待处理流体以保不溶或极难溶于待处理流体以保 证吸附剂的数量和性质；证吸附剂的数量和性质；（5）较高的硬度及机械强度较高的硬度及机械强度以减小磨损和侵蚀；以减小磨损和侵蚀；（6）较好的流动性较好的流动性以便于装卸；以便于装卸；吸附剂主要特征吸附剂主要特征17化工分离过程第七章 其它分离技术和分离过程的选择7.2 吸附分离吸附分离（Adsorption Separation）（7）较高的抗污染能力较高的抗污染能力以延长使用寿命；以延长使用寿命；

17、（8）较好的惰性较好的惰性以避免发生不期望的化学反应；以避免发生不期望的化学反应；（9）易再生易再生；（10）价格便宜价格便宜。吸附剂主要特征吸附剂主要特征18化工分离过程第七章 其它分离技术和分离过程的选择7.2 吸附分离吸附分离（Adsorption Separation）多多孔孔型型：活活性性炭炭、硅硅胶胶、硅硅藻藻土土；大大网网格格吸吸附附剂剂，有有机机高高分分子子材材料料，如如聚聚苯苯乙乙烯烯，聚酯。聚酯。凝凝胶胶型型：纤纤维维素素凝凝胶胶，琼琼脂脂糖糖凝凝胶胶，匍匍聚糖凝胶等。聚糖凝胶等。吸附分离介质吸附分离介质19化工分离过程第七章 其它分离技术和分离过程的选择7.2 吸附分离吸

18、附分离（Adsorption Separation） 活活性性炭炭是是应应用用最最为为广广泛泛的的吸吸附附剂剂。是是由由煤煤或或木木质质原原料料加加工工得得到到的的产产品品，通通常常一一切切含含碳碳的的物物料料，如如煤煤、木木材材、果果核核、秸秆等都可以加工成黑炭，经活化后制成活性炭。秸秆等都可以加工成黑炭，经活化后制成活性炭。 炭化：炭化：把原料热解成炭渣，温度：把原料热解成炭渣，温度：200600度。度。 活化：活化：形成发达的细孔，有两种办法形成发达的细孔，有两种办法:气体法：通入水蒸气，温度在气体法：通入水蒸气，温度在8001000度；度；药剂法：加入氯化锌、硫酸、磷酸等药剂法：加入氯

19、化锌、硫酸、磷酸等比表面积：比表面积：5001700 m2/g 活性炭活性炭20化工分离过程第七章 其它分离技术和分离过程的选择7.2 吸附分离吸附分离（Adsorption Separation）a. 比比表表面面积积越越大大，吸吸附附量量越越大大。但但应应注注意意对对一一些些大大分子，微孔所提供的比表面积基本上不起作用。分子，微孔所提供的比表面积基本上不起作用。活性炭细孔分布情况：活性炭细孔分布情况： 微孔：微孔：2 nm，占总比表面，占总比表面95，主要支配吸附量，主要支配吸附量 过渡孔：过渡孔：2-100nm，10，吸吸附附等等温温线线几几乎乎变变成成矩形，是不可逆吸附。矩形，是不可逆

20、吸附。51化工分离过程第七章 其它分离技术和分离过程的选择7.2 吸附分离吸附分离（Adsorption Separation） qp FreundlichLangmuirLangmuir 与与 Freundlich方程的比较方程的比较52化工分离过程第七章 其它分离技术和分离过程的选择7.2 吸附分离吸附分离（Adsorption Separation）等温吸附方程等温吸附方程 Langmuir-Freundlich等温吸附方程等温吸附方程 为为了了提提高高经经验验关关系系式式的的适适用用性性，将将Langmuir方方程程和和 Freundlich方方程程结结合合，获获得得了了Langmui

21、r-Freundlich方方程程 ： 该式含有三个常数，参数的具体数值由实验测定，所该式含有三个常数，参数的具体数值由实验测定，所以该式仍属经验关系。以该式仍属经验关系。53化工分离过程第七章 其它分离技术和分离过程的选择7.2 吸附分离吸附分离（Adsorption Separation）吸附等温方程吸附等温方程Toch方程：方程：Unilan 方程：方程：54化工分离过程第七章 其它分离技术和分离过程的选择7.2 吸附分离吸附分离（Adsorption Separation）多组分吸附的等温方程多组分吸附的等温方程 工工业业上上吸吸附附多多为为多多组组分分吸吸附附，如如果果气气体体混混合合

22、物物中中只只有有一一个个吸吸附附质质A，其其他他组组分分的的吸吸附附都都可可以以忽忽略略不不计计，则则仍仍适适用用单单组组分分吸吸附附平平衡衡关关系系估估算算吸吸附附质质A的的吸吸附附量量，只只是是用用组组分分的的分分压压表表示示。如如果果混混合合物物中中两两个个或或多多个个组组分分都都有有相相当当的的吸吸附附量量，情情况况就就很很复复杂。杂。55化工分离过程第七章 其它分离技术和分离过程的选择7.2 吸附分离吸附分离（Adsorption Separation）多组分吸附的等温方程多组分吸附的等温方程 实实验验数数据据表表明明：一一个个组组分分的的吸吸附附可可增增加加，降降低低或或不不影影响

23、响另另外外组组分分的的吸吸附附，这这取取决决于于被被吸吸附附分分子子间间的的相相互互作作用用。假假设设各各组组分分互互不不影影响响，可可将将Langmuir方方程程修修正正用用于于含含有有n个组分的混合物，每个组分的吸附量可以表示：个组分的混合物，每个组分的吸附量可以表示：类似的有：类似的有：56化工分离过程第七章 其它分离技术和分离过程的选择7.2 吸附分离吸附分离（Adsorption Separation） 液体的吸附平衡液体的吸附平衡 液液相相中中的的吸吸附附比比气气相相中中的的吸吸附附在在机机理理上上要要复复杂杂的的多多，除除了了温温度度和和溶溶质质浓浓度度外外，吸吸附附剂剂对对溶溶

24、剂剂和和溶溶质质的的吸吸附附，溶溶质质的的溶溶解解度度和和离离子子化化，各各种种溶溶质质之之间间的的相相互互作作用用以以及及共共吸吸附附现现象象等等都都会会对对吸吸附附产生不同的影响。产生不同的影响。57化工分离过程第七章 其它分离技术和分离过程的选择7.2 吸附分离吸附分离（Adsorption Separation） 液液相相吸吸附附的的机机理理比比气气相相复复杂杂。在在吸吸附附质质发发生生吸附时，溶剂也有可能被吸附。吸附时，溶剂也有可能被吸附。 影影响响因因素素包包括括：除除温温度度和和溶溶质质浓浓度度外外，溶溶剂剂种种类类、吸吸附附质质的的溶溶解解度度和和离离子子化化、各各种种溶溶质质

25、之之间间的相互作用等。的相互作用等。 在在溶溶剂剂的的吸吸附附作作用用忽忽略略不不计计时时，可可以以认认为为是是单组分吸附。单组分吸附。液相吸附的特点液相吸附的特点58化工分离过程第七章 其它分离技术和分离过程的选择7.2 吸附分离吸附分离（Adsorption Separation） 液相吸附等温线分类液相吸附等温线分类Giles等等研研究究了了有有机机溶溶剂剂组组成成的的溶溶液液，按按吸吸附附等等温温线线离离原原点点最最近近一一段段曲曲线线的的斜斜率率变变化化，将将液液相相吸吸附等温线分为四类附等温线分为四类:S曲曲线线: 吸吸附附曲曲线线离离开开原原点点的的一一段段向向浓浓度度坐坐标标轴

26、轴方向凸出，与方向凸出，与Langmuir等温吸附曲线类似。等温吸附曲线类似。L曲曲线线和和H曲曲线线：曲曲线线离离开开原原点点后后向向吸吸附附量量坐坐标标轴高度方向凸出。轴高度方向凸出。C曲线：曲线：吸附量与溶液浓度之间成线形关系。吸附量与溶液浓度之间成线形关系。59化工分离过程第七章 其它分离技术和分离过程的选择7.2 吸附分离吸附分离（Adsorption Separation） 液相吸附等温方程液相吸附等温方程总总之之，液液相相吸吸附附的的机机理理比比较较复复杂杂，相相对对气气相相吸附要复杂得多。吸附要复杂得多。对对于于低低浓浓度度溶溶液液的的吸吸附附，可可以以用用Langmuir和和

27、Freundlich来来描描述述，注注意意将将其其中中的的压压力力换换成成液液相浓度。相浓度。对对于于含含有有两两种种或或两两种种以以上上溶溶质质的的稀稀溶溶液液，可可用用对对应应的的扩扩展展的的Langmuir方方程程估估算算，同同样样注注意将压力换为浓度。意将压力换为浓度。60化工分离过程第七章 其它分离技术和分离过程的选择7.2 吸附分离吸附分离（Adsorption Separation）吸附过程机理吸附过程机理 吸吸附附质质在在吸吸附附剂剂多多孔孔表表面面上上的的吸吸附附的的过过程程分分四四步步：（1）吸附质由流体的主体通过扩散（分子扩散和对流扩）吸附质由流体的主体通过扩散（分子扩散

28、和对流扩 散）传递到吸附剂颗粒的外表面（散）传递到吸附剂颗粒的外表面（外扩散外扩散过程）。过程）。 扩散阻力是固体颗粒表面的滞留膜；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的微孔扩散）吸附质从吸附剂颗粒外表面通过颗粒上的微孔扩散 进入颗粒内部表面（进入颗粒内部表面（内扩散内扩散过程）；过程）； （3）吸附质沿孔内表面的）吸附质沿孔内表面的表面扩散表面扩散；（4）吸附剂被吸附在孔表面上。）吸附剂被吸附在孔表面上。61化工分离过程第七章 其它分离技术和分离过程的选择7.2 吸附分离吸附分离（Adsorption Separation）吸附过程机理吸附过程机理 对对于

29、于化化学学吸吸附附，吸吸附附剂剂与与吸吸附附质质之之间间有有化化学学键键的的形形成成，第第四四步步可可能能较较慢慢，甚甚至至是是控控制制步步骤骤。但但对对于于物物理理吸吸附附，由由于于吸吸附附速速率率仅仅取取决决于于吸吸附附质质分分子子与与孔孔表表面面的的碰碰撞撞频频率率和和定定向向作作用用，吸吸附附是是瞬瞬间间完完成成的的，吸吸附附速速率率由由前前三三步步控控制制，统统称称扩扩散散控控制制。 62化工分离过程第七章 其它分离技术和分离过程的选择7.2 吸附分离吸附分离（Adsorption Separation）吸附过程机理吸附过程机理 对对于于吸吸附附的的逆逆过过程程脱脱附附过过程程，进进

30、行行的的是是相相反反的的过过程程，吸吸附附质质首首先先从从吸吸附附剂剂上上脱脱附附，经经过过内内扩扩散散传传递递到到吸吸附附剂剂表表面面，再再从从外外表表面面扩扩散散到到流流体体主主体体，完完成成脱脱附附。 对对于于物物理理吸吸附附，在在吸吸附附剂剂表表面面上上的的吸吸附附质质的的吸吸附附过过程程往往往往进进行行很很快快，所所以以吸吸附附过过程程的的速速率率通通常常由由前前两两步步所所决定。决定。 有有的的情情况况下下，外外扩扩散散速速率率比比内内扩扩散散速速率率慢慢，吸吸附附速速率率由由外外扩扩散散速速率率所所控控制制，称称为为外外扩扩散散控控制制，较较多多的的情情况况是内扩散的速率比外扩散

31、慢，过程为是内扩散的速率比外扩散慢，过程为内扩散控制内扩散控制。63化工分离过程第七章 其它分离技术和分离过程的选择7.2 吸附分离吸附分离（Adsorption Separation）吸附的传质速率方程吸附的传质速率方程 吸吸附附过过程程中中涉涉及及的的前前三三个个步步骤骤，对对于于不不同同的的系系统统，各各步步骤骤所所起起的的作作用用也也不不同同，因因此此，在在研研究究传传质质速速度度时时的的情情况况也也不不同同。根根据据吸吸附附过过程程机机理理，对对于于某某一一瞬瞬间间，特特定定的的吸吸附附过过程程，按按拟拟稳稳态态过过程程处处理理，吸吸附附速速率率可可以以分分别别由由外外扩扩散散、内扩

32、散或总传质速率方程表示。内扩散或总传质速率方程表示。64化工分离过程第七章 其它分离技术和分离过程的选择7.2 吸附分离吸附分离（Adsorption Separation） 吸附剂吸附剂液液( (气气) )膜膜cbcs式中式中时间；时间； kf 气膜或液膜传质系数；气膜或液膜传质系数； ap吸附剂的比表面积；吸附剂的比表面积； cb流体主体（膜外侧）吸附质的浓度；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。吸附剂外表面（膜内侧）吸附质的浓度。外扩散传质速率外扩散传质速率（气膜或液膜传质速率）：（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。吸附

33、质从流体主体扩散到吸附剂外表面的速率。65化工分离过程第七章 其它分离技术和分离过程的选择7.2 吸附分离吸附分离（Adsorption Separation）内扩散传质速率内扩散传质速率（吸附相传质速率）：（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：传质速率表示为： cscbqqs式中式中 ks 内扩散传质系数；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）；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，吸附剂外表面上吸附相的浓度， 一般假定一般假定qs

34、 与与 cs 成平衡。成平衡。66化工分离过程第七章 其它分离技术和分离过程的选择7.2 吸附分离吸附分离（Adsorption Separation）式中式中 c*与与q成平衡的流体相中吸附质的浓度；成平衡的流体相中吸附质的浓度； q*与与cb成平衡的吸附相浓度；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；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。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）（与吸收过程类似）总传质速率总传质速率67化工分离过程第七章 其它分离技术和分离过程的选择7.2 吸附分离吸附分离（Adsorpt

35、ion Separation）内扩散传质过程内扩散传质过程 吸吸附附剂剂外外表表面面通通过过微微孔孔向向内内表表面面的的扩扩散散过过程程比比外外扩扩散散过过程程要要复复杂杂得得多多，它它与与过过程程和和颗颗粒粒的的微微孔孔结结构构有有关关，由由于于微微孔孔贯贯穿穿颗颗粒粒内内部部，吸吸附附质质从从外外表表面面的的孔孔口口到到内内表表面面的的吸吸附附处处的的路路径径是是不不同同的的，因因此此，吸吸附附质质在在微微孔孔内内的的扩扩散散又又分分为为两两种种形形式式：沿沿孔孔截截面面的的扩扩散散和和沿沿微微孔孔表表面面的的表表面面扩扩散散。后后者者是是由由于于微微孔孔表表面面吸吸附附了了吸吸附附剂剂后

36、后，沿沿孔孔口口向向里里表表面面上上存存在在吸吸附附剂剂的的浓浓度度梯梯度度，使使吸吸附附质质沿沿壁壁向向里里扩散。扩散。68化工分离过程第七章 其它分离技术和分离过程的选择7.2 吸附分离吸附分离（Adsorption Separation）外扩散传质过程外扩散传质过程 对厚度为对厚度为r的球壳体积做单位的物料衡算，的球壳体积做单位的物料衡算，应用费克第一定律：应用费克第一定律：如果如果: :则有则有: :69化工分离过程第七章 其它分离技术和分离过程的选择7.2 吸附分离吸附分离（Adsorption Separation）外扩散传质过程外扩散传质过程孔内的分子扩散服从费克第一定律孔内的分

37、子扩散服从费克第一定律:转变为通量的形式转变为通量的形式:孔内的表面扩散服从修正的费克第一定律孔内的表面扩散服从修正的费克第一定律:70化工分离过程第七章 其它分离技术和分离过程的选择7.2 吸附分离吸附分离（Adsorption Separation）外扩散传质过程外扩散传质过程假设为线性吸附：假设为线性吸附：对气体在孔中的扩散，有效扩散系数为对气体在孔中的扩散，有效扩散系数为:总通量为总通量为:71化工分离过程第七章 其它分离技术和分离过程的选择7.2 吸附分离吸附分离（Adsorption Separation）内扩散的传质方程内扩散的传质方程 按按内内扩扩散散的的机机理理进进行行内内扩

38、扩散散的的扩扩散散速速率率计计算算是是很很复复杂杂和和困困难难的的，一一般般将将内内扩扩散散过过程程简简单单地地处处理理成成从从外外表表面面向向颗颗粒内的传质过程，传质方程可以表示为：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，由内扩散的机理分析可见，ks与吸附剂的微孔结构性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。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。需要通过实验测定。72化工分离过程第七章 其它分离技术和分离过程的选择7.2 吸附分离吸附分离（Adsorption Separation）总传质速率方程总传质速率方程

39、 实实际际上上吸吸附附剂剂的的外外表表面面处处的的浓浓度度是是无无法法测测定定的的，因因此此，通通常常按按照照稳稳态态处处理理，用用总总传传质质速速率率方方程表示吸附速率：程表示吸附速率：73化工分离过程第七章 其它分离技术和分离过程的选择7.2 吸附分离吸附分离（Adsorption Separation）总传质速率方程总传质速率方程 如果在操作条件的范围内，吸附平衡为线性关系，则有：如果在操作条件的范围内，吸附平衡为线性关系，则有：对内扩散控制：对内扩散控制：对外扩散控制：对外扩散控制：74化工分离过程第七章 其它分离技术和分离过程的选择7.2 吸附分离吸附分离（Adsorption Se

40、paration）吸附分离操作的应用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。中的痕量杂质。日常生活日常生活：木炭吸湿、吸臭；防腐剂；吸湿剂（硅胶）：木炭吸湿、吸臭；防腐剂；吸湿剂（硅胶）75化工分离过程第七章 其它分离技术和分离过程的选择7.2 吸附分离吸附分离（Adsorption Separation） 活活性性碳碳应应用用于于工工业业废废水水，主主要要为为有有机机物物、氯氯气气及及微微量量不不纯纯物物之

41、之去去除除，其其亦亦常常与与离离子子交交换换树树脂脂组组合合以以制制造造超超纯纯水水。用用于于废废水水处处理理，主主要要是是去去除除一一般般难难处处理理之之有有机机化化合合物物、卤卤化化物物、酚酚类类、水水银银及及一一些些无无机机金金属属离离子子，如如：Sb、 As、Bi、Cr及及Sn等等。活活性性碳碳的的选选择择依依处处理理的的水水別別及及目目的的其其也也各各不相同。不相同。活性碳净水处理活性碳净水处理76化工分离过程第七章 其它分离技术和分离过程的选择7.2 吸附分离吸附分离（Adsorption Separation）（1） 饮用水水源之净化，包括水内含色、臭、合成洗涤饮用水水源之净化，

42、包括水内含色、臭、合成洗涤 剂及农药等的去除；剂及农药等的去除； （2） 工业及产业用水之处理；工业及产业用水之处理； （3） 家庭废水之处理及再利用；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；工业及产业废水之处理及再利用； （5） 垃圾渗出水处理。垃圾渗出水处理。活性碳净水处理活性碳净水处理77化工分离过程第七章 其它分离技术和分离过程的选择7.2 吸附分离吸附分离（Adsorption Separation） 化工领域化工领域： 产品的分离提纯，如制糖品工业，用活性炭处理糖液，产品的分离提纯，如制糖品工业，用活性炭处理糖液， 吸吸 附其中杂质，得到洁白的产品。附其中杂

43、质，得到洁白的产品。 环境领域环境领域 水：水：脱色脱臭，有害有机物的去除，金属离子，氮、磷；脱色脱臭，有害有机物的去除，金属离子，氮、磷； 空气：空气：脱湿，有害气体，脱臭脱湿，有害气体，脱臭 。 特别适合于低浓度混合物的分离特别适合于低浓度混合物的分离吸附分离操作的应用吸附分离操作的应用78化工分离过程第七章 其它分离技术和分离过程的选择7.2 吸附分离吸附分离（Adsorption Separation）工业吸附分离过程实例工业吸附分离过程实例工业吸附过程工业吸附过程吸附剂吸附剂气体主体分离气体主体分离正构链烷烃正构链烷烃/异构链烷烃、芳烃异构链烷烃、芳烃N2/O2CO、CH4、CO2、

44、N2、Ar、NH3/H2气体净化气体净化H2O/含烯烃的裂解气、天然气、合含烯烃的裂解气、天然气、合成气、空气等成气、空气等CO2/天然气等天然气等硫化物硫化物/天然气、液化石油汽等天然气、液化石油汽等分子筛分子筛分子筛分子筛分子筛、活性炭分子筛、活性炭分子筛、硅胶等分子筛、硅胶等分子筛分子筛分子筛分子筛活性炭活性炭79化工分离过程第七章 其它分离技术和分离过程的选择7.2 吸附分离吸附分离（Adsorption Separation）工业吸附分离过程实例工业吸附分离过程实例工业吸附过程工业吸附过程吸附剂吸附剂液体主体分离液体主体分离正构链烷烃正构链烷烃/异构链烷烃、芳烃异构链烷烃、芳烃对二甲

45、苯对二甲苯/间二甲苯、邻二甲苯间二甲苯、邻二甲苯果糖果糖/葡萄糖葡萄糖液体净化液体净化异味物异味物/饮用水饮用水硫化物硫化物/有机物有机物石油馏分、糖浆和植物油脱色石油馏分、糖浆和植物油脱色分子筛分子筛分子筛分子筛分子筛分子筛活性炭活性炭分子筛分子筛活性炭活性炭80化工分离过程第七章 其它分离技术和分离过程的选择7.3 反应精馏反应精馏（Reactive Distillation）反应精馏反应精馏 反应精馏技术是精馏技术中的一个特殊的领反应精馏技术是精馏技术中的一个特殊的领域，在化工生产中将域，在化工生产中将反应和精馏结合反应和精馏结合成一个过程成一个过程的设想导致了反应精馏技术的出现。目前，

46、反应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相结合的一种分离操作分离操作，也是为了提高反应的转，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化率而借助于精馏分离手段的一种反应过程反应过程。81化工分离过程第七章 其它分离技术和分离过程的选择7.3 反应精馏反应精馏（Reactive Distillation）反应精馏的原理反应精馏的原理反反应应精精馏馏就就是是在在进进行行反反应应的的同同时时用用精精馏馏方方法法分分离离出产物的过程。出产物的过程。原原理理：对对于于可可逆逆反反应应，当当某某一

47、一产产物物的的挥挥发发度度大大于于反反应应物物时时，如如果果将将该该产产物物从从液液相相中中蒸蒸出出，则则可可破破坏坏原原有有的的平平衡衡，使使反反应应继继续续向向生生成成物物的的方方向向进进行行，因因而而可可提提高高单单程程转转化化率率，在在一一定定程程度度上上变变可可逆逆反反应为不可逆反应。应为不可逆反应。82化工分离过程第七章 其它分离技术和分离过程的选择7.3 反应精馏反应精馏（Reactive Distillation）（1）化学反应必须在）化学反应必须在液相液相中进行；中进行；（2）在在操操作作系系统统压压力力下下，主主反反应应的的反反应应温温度度和和目目的的产产物物的的泡泡点点温

48、温度度接接近近，以以使目的产物及时从反应体系中移出；使目的产物及时从反应体系中移出；（3）主主反反应应不不能能是是强强吸吸热热反反应应，否否则则精精馏馏操操作作的的传传热热和和传传质质会会受受到到严严重重影影响响，会使塔板分离效率减小，甚至使精馏操作无法顺利进行；会使塔板分离效率减小，甚至使精馏操作无法顺利进行；（4）主主反反应应时时间间和和精精馏馏时时间间相相比比较较，主主反反应应时时间间不不能能过过长长，否否则则精精馏馏塔塔的的分分离能力不能得到充分利用；离能力不能得到充分利用；（5）对对于于催催化化蒸蒸馏馏，要要求求催催化化剂剂具具有有较较长长的的使使用用寿寿命命，因因为为频频繁繁地地更

49、更换换催催化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；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）催催化化剂剂的的装装填填结结构构不不仅仅能能使使催催化化反反应应顺顺利利进进行行，同同时时要要保保证证精精馏馏操操作作也也能较好的进行。能较好的进行。使用反应精馏的基本要求使用反应精馏的基本要求 83化工分离过程第七章 其它分离技术和分离过程的选择7.3 反应精馏反应精馏（Reactive Distillation）（1）根据使用）根据使用催化剂形态催化剂形态的不同，反应精馏可以的不同，反应精馏可以 分为分为均相反应精馏均相反应精馏和和催化精馏催化

50、精馏；（2）根据）根据投料操作方式投料操作方式，反应精馏可分为，反应精馏可分为连续反连续反应精馏应精馏和和间歇反应精馏间歇反应精馏；（3）根据）根据化学反应速度的快慢化学反应速度的快慢，反应精馏分为，反应精馏分为瞬瞬时时、快速快速和和慢速反应精馏慢速反应精馏。反应精馏的分类反应精馏的分类84化工分离过程第七章 其它分离技术和分离过程的选择7.3 反应精馏反应精馏（Reactive Distillation）利用精馏促进反应的反应精馏利用精馏促进反应的反应精馏 可逆反应可逆反应 如：醇与酸进行酯化反应如：醇与酸进行酯化反应 连串反应连串反应 ARS 85化工分离过程第七章 其它分离技术和分离过程

51、的选择7.3 反应精馏反应精馏（Reactive Distillation）利用反应促进精馏的反应精馏利用反应促进精馏的反应精馏 利利用用异异构构体体与与反反应应添添加加剂剂之之间间反反应应能能力力的的差差异异，通通过过反反应应精精馏馏而而实实现现分分离离是是异异构体分离技术之一。例如构体分离技术之一。例如C8芳烃异构体。芳烃异构体。通常是在双塔中完成的。通常是在双塔中完成的。 86化工分离过程第七章 其它分离技术和分离过程的选择7.3 反应精馏反应精馏（Reactive Distillation）反应精馏工艺流程和传统工艺流程的比较反应精馏工艺流程和传统工艺流程的比较87化工分离过程第七章

52、其它分离技术和分离过程的选择7.3 反应精馏反应精馏（Reactive Distillation）反应精馏流程反应精馏流程 88化工分离过程第七章 其它分离技术和分离过程的选择7.3 反应精馏反应精馏（Reactive Distillation）反应精馏过程的特点反应精馏过程的特点由由于于反反应应产产物物一一旦旦生生成成就就从从反反应应区区移移走走，因因此此，对对于于若若干干的的可可逆逆和和复复杂杂反反应应。可可以以提提高高反反应应的的转转化化率率，改改善善选选择性。择性。因因为为反反应应产产物物及及时时的的移移出出反反应应区区，因因此此反反应应区区内内反反应应物物的浓度高，增加了反应速度，的

53、浓度高，增加了反应速度，提高了装置的生产能力。提高了装置的生产能力。由于利用了反应热，由于利用了反应热，节省能源。节省能源。将反应器和精馏塔结合为一个设备，将反应器和精馏塔结合为一个设备，节省了投资。节省了投资。对对于于某某些些难难分分离离物物系系，可可以以利利用用反反应应精精馏馏技技术术获获得得较较纯纯的产品。的产品。89化工分离过程第七章 其它分离技术和分离过程的选择7.3 反应精馏反应精馏（Reactive Distillation）反应精馏的特点反应精馏的特点 反应精馏过程的反应精馏过程的主要优点主要优点 ：（1）选择性高；）选择性高； （2）转化率高）转化率高 ；（3）生产能力高）生

54、产能力高 ；（；（4）产品纯度高）产品纯度高 ；（5）能耗低）能耗低 ；（；（6）投资省；）投资省；（7）系统容易控制）系统容易控制 。90化工分离过程第七章 其它分离技术和分离过程的选择7.3 反应精馏反应精馏（Reactive Distillation）反应精馏的应用也有其反应精馏的应用也有其局限性：局限性：（1）仅仅适适用用于于那那些些反反应应和和精精馏馏分分离离可可以以在在同同一一温温度条件下进行的工艺过程；度条件下进行的工艺过程；（2）对对于于所所有有产产物物的的相相对对挥挥发发度度介介于于反反应应物物的的相相对对挥挥发发度度之之间间和和反反应应物物和和产产物物的的相相对对挥挥发发度

55、度基基本本相同的两类情况不适用。相同的两类情况不适用。 反应精馏的特点反应精馏的特点 91化工分离过程第七章 其它分离技术和分离过程的选择7.3 反应精馏反应精馏（Reactive Distillation）反应精馏的应用反应精馏的应用 反反应应精精馏馏技技术术的的工工艺艺研研究究和和应应用用经经历历了了近近70年年的的发发展展，在在工工业业上上得得到到了了广广泛泛的的应应用用，如如：酯酯化化、酯酯交交换换、皂皂化化、胺胺化化、水水解解、异异构构化化等等反反应应过过程程。目目前前，许许多多工工艺艺已已较较成成熟熟，且且借借助助于于计计算算机模拟手段，研究范围得到了进一步的扩大。机模拟手段，研究

56、范围得到了进一步的扩大。92化工分离过程第七章 其它分离技术和分离过程的选择7.3 反应精馏反应精馏（Reactive Distillation）反应精馏的应用反应精馏的应用 93化工分离过程第七章 其它分离技术和分离过程的选择7.4 超临界流体萃取超临界流体萃取（Supercritical Fluid Extraction）超临界流体萃取的几个基本概念超临界流体萃取的几个基本概念物物质质的的临临界界状状态态：指指物物质质气气态态和和液液态态共共存存的的一一种种边边缘缘状状态态，在在此此状状态态下下，液液态态的的密密度度与与其其饱饱和和蒸蒸汽汽密密度度相相同同，因因此此气气液液两两态态界界面面

57、消消失失。此此状状态态只只有有在在临临界界温温度度和和临临界界压压力力下下才才能能实实现现，如如果果气气体体处处于于临临界界温温度度之之上上，无无论论给给予予多多大大的的压压力，都不能将其液化。力，都不能将其液化。临界点临界点：物质处于临界状态下所在的温度、压力点。：物质处于临界状态下所在的温度、压力点。超超临临界界流流体体：指指处处于于超超过过物物质质本本身身临临界界温温度度和和临临界界压压力力状状态时的流体。稳定的纯物质都有固定的临界点。态时的流体。稳定的纯物质都有固定的临界点。超超临临界界流流体体萃萃取取：是是利利用用SCF作作为为萃萃取取剂剂，从从液液体体和和固固体体中萃取出特定成分，

58、以达到某种分离的目的。中萃取出特定成分，以达到某种分离的目的。94化工分离过程第七章 其它分离技术和分离过程的选择7.4 超临界流体萃取超临界流体萃取（Supercritical Fluid Extraction）PT相图上的超临界区相图上的超临界区压压力力 温温 度度24固固相相液液相相气气相相13PCTC2：三相点：三相点4：临界点：临界点12：升华曲线：升华曲线23：熔化曲线：熔化曲线24：汽化曲线：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（称为超临界流体（Supercritical Fluids，简称，简称

59、SCF）。）。 95化工分离过程第七章 其它分离技术和分离过程的选择7.4 超临界流体萃取超临界流体萃取（Supercritical Fluid Extraction）物质状态物质状态 密度（密度（g/cm3）粘度粘度(g/cm/s)扩散系数扩散系数(cm2/s )气态气态(0.6-2)10-3(1-3)10-4 0.1-0.4液态液态0.6-1.6(0.2-3)10-2 (0.2-2)10-5 SCF0.2-0.9(1-9)10-4 (2-7)10-4 由由以以上上特特性性可可以以看看出出，超超临临界界流流体体兼兼有有液液体体和和气气体体的的双双重重特特性性，密密度度与与液液体体相相当当，具

60、具有有液液体体对对溶溶质质有有较较大大溶溶解解度度的的特特点点，而而它它的的扩扩散散系系数数大大，粘粘度度小小，渗渗透透性性好好，与与液液体体溶溶剂剂相相比比，可可以以更更快快地地完完成成传传质质，达达到到平平衡衡，促促进进高高效效分分离离过过程程的实现。的实现。超临界流体（超临界流体（SCF）的特性）的特性96化工分离过程第七章 其它分离技术和分离过程的选择7.4 超临界流体萃取超临界流体萃取（Supercritical Fluid Extraction） 超超临临界界流流体体对对溶溶质质的的溶溶解解度度取取决决于于其其密密度度，密密度度越越高高，溶溶解解度度越越大大，当当改改变变压压力力或

61、或温温度度时时，密密度即发生变化，导致度即发生变化，导致溶解度变化溶解度变化。 在在超超临临界界区区，溶溶剂剂从从原原料料中中萃萃取取溶溶质质，在在临临界界温温度度和和临临界界压压力力以以下下，溶溶解解度度急急剧剧降降低低，使使溶溶质和溶剂分离，从而达到分离的目的。质和溶剂分离，从而达到分离的目的。超临界流体萃取原理超临界流体萃取原理97化工分离过程第七章 其它分离技术和分离过程的选择7.4 超临界流体萃取超临界流体萃取（Supercritical Fluid Extraction）超临界流体萃取的优点超临界流体萃取的优点1.提提高高SCF的的密密度度，可可以以将将待待分分离离成成分分溶溶出出

62、，降降低低SCF密密度度，又又可可使使该该成成分分从从SCF中中析析出出；同同时时，SCF保保持持了了气气体体具具有有的的传传递递特特征征，比比液液体体渗渗透透得得更更快快，能能更更快快到到达达平平衡衡。因因此此，超超临界流体萃取临界流体萃取效率一般都高于液体溶剂萃取效率一般都高于液体溶剂萃取。2.在在接接近近临临界界点点附附近近，只只要要温温度度和和压压力力有有微微小小变变化化，SCF的的密度和溶解度都会发生很大变化，比较密度和溶解度都会发生很大变化，比较容易控制工艺条件容易控制工艺条件。3.SCF容易从分离成分中去除，容易从分离成分中去除，不会对产品和食品造成污染不会对产品和食品造成污染。

63、4.选选用用的的SCF性性质质稳稳定定、无无腐腐蚀蚀性性，特特别别适适合合具具有有热热敏敏性性或或易氧化性的成分分离纯化易氧化性的成分分离纯化。98化工分离过程第七章 其它分离技术和分离过程的选择7.4 超临界流体萃取超临界流体萃取（Supercritical Fluid Extraction）1.SCF临界温度要接近工艺中的临界温度要接近工艺中的操作温度操作温度（常温）；（常温）；2.操作温度应低于被萃取物质分解温度或变质温度；操作温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；化学性质要与待萃取成分的化学性质相似；4.SCF化学性质稳定化学性质稳定，

64、无毒性和无腐蚀性，不易爆易燃；，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；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对于待分离成分要有较高的选择性较高的选择性和和较高的溶解度较高的溶解度；7.来源广泛，价格便宜，以降低成本。来源广泛，价格便宜，以降低成本。常用的常用的SCF：CO2、SO2、C2H4、C3H8、C4H10、CClF3超临界流体的选择原则超临界流体的选择原则99化工分离过程第七章 其它分离技术和分离过程的选择7.4 超临界流体萃取超临界流体萃取（Supercritical Fluid Extraction）常用的超临界溶剂及其临界参

65、数常用的超临界溶剂及其临界参数 物质物质 TC /oC PC/MPa C /g.cm-3 二氧化碳二氧化碳 31.27.380.468乙烯乙烯9.25.030.218乙烷乙烷32.24.880.203丙烯丙烯91.84.620.233丙烷丙烷96.64.240.217正戊烷正戊烷197.03.370.237100化工分离过程第七章 其它分离技术和分离过程的选择7.4 超临界流体萃取超临界流体萃取（Supercritical Fluid Extraction）临临界界温温度度接接近近室室温温（适适用用于于热热敏敏性性物物质质），临临界界压压力力容容易达到；易达到；化学性质稳定，不燃，不爆，无腐蚀

66、；化学性质稳定，不燃，不爆，无腐蚀；无色，无味，无毒；无色，无味，无毒；防氧化性，抑制微生物活动（适用于食品工业）；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。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二氧化碳作为超临界溶剂的优点101化工分离过程第七章 其它分离技术和分离过程的选择7.4 超临界流体萃取超临界流体萃取（Supercritical Fluid Extraction）（1）对油溶性成分溶解能力较强而对水溶性成）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；分溶解能力较低；（2）设备造价较高而导致产

67、品成本中的设备折）设备造价较高而导致产品成本中的设备折旧费比例过大；旧费比例过大；（3）更换产品时清洗设备较困难。）更换产品时清洗设备较困难。超临界二氧化碳的局限超临界二氧化碳的局限102化工分离过程第七章 其它分离技术和分离过程的选择7.4 超临界流体萃取超临界流体萃取（Supercritical Fluid Extraction） 超超临临界界二二氧氧化化碳碳萃萃取取技技术术就就是是利利用用超超临临界界的的二二氧氧化化碳碳代代替替普普通通的的有有机机溶溶剂剂来来进进行行提提取取的的一一种种技技术术。即即是是利利用用二二氧氧化化碳碳在在超超临临界界状状态态下下的的对对溶溶质质有有很很高高的的

68、溶溶解解能能力力而而在在非非超超临临界界状状态态下下的的对对溶溶质质的的溶溶解解能能力力又又很很低低的的这这一一特特性性，来来实实现现对对目目标标成分的提取和分离。成分的提取和分离。超临界二氧化碳萃取过程简介超临界二氧化碳萃取过程简介103化工分离过程第七章 其它分离技术和分离过程的选择7.4 超临界流体萃取超临界流体萃取（Supercritical Fluid Extraction）104化工分离过程第七章 其它分离技术和分离过程的选择7.4 超临界流体萃取超临界流体萃取（Supercritical Fluid Extraction） 超超临临界界二二氧氧化化碳碳萃萃取取过过程程受受很很多多

69、因因素素的的影影响响，包包括括被被萃萃取取物物质质的的性性质质和和超超临临界界二二氧氧化化碳碳所所处的状态等。处的状态等。 这这些些影影响响因因素素（如如二二氧氧化化碳碳的的温温度度、压压力力、流流量量、夹夹带带剂剂；样样品品的的物物理理形形态态、粒粒度度、粘粘度度等等）交织在一起使萃取过程变得较为复杂。交织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超临界二氧化碳萃取的影响因素105化工分离过程第七章 其它分离技术和分离过程的选择7.4 超临界流体萃取超临界流体萃取（Supercritical Fluid Extraction）1.萃取压力的影响萃取压力的影响压力是超临界二氧化

70、碳萃取过程最重要的参数之一。压力是超临界二氧化碳萃取过程最重要的参数之一。萃萃取取温温度度一一定定时时，压压力力增增加加，液液体体的的密密度度增增大大，在在临临界界压压力力附附近近，压压力力的的微微小小变变化化会会引引起起密密度度的的急急剧剧改改变变而密度的增加将引起而密度的增加将引起溶解度的提高溶解度的提高。对于不同的物质，其萃取压力有很大的不同。对于不同的物质，其萃取压力有很大的不同。例例如如，对对于于碳碳氢氢化化合合物物和和酯酯等等弱弱极极性性物物质质，萃萃取取可可在在较较低低压压力力下下进进行行，一一般般压压力力为为710MPa；对对于于含含有有-OH，-COOH基基这这类类强强极极性

71、性基基因因的的物物质质以以及及苯苯环环直直接接与与-OH，-COOH基基团团相相连连的的物物质质，萃萃取取压压力力要要求求高高一一些些，而而对对于于强强极极性性的的配配糖糖体体以以及及氨氨基基酸酸类类物物质质，萃萃取取压力一般要求在压力一般要求在50MPa以上。以上。106化工分离过程第七章 其它分离技术和分离过程的选择7.4 超临界流体萃取超临界流体萃取（Supercritical Fluid Extraction）107化工分离过程第七章 其它分离技术和分离过程的选择7.4 超临界流体萃取超临界流体萃取（Supercritical Fluid Extraction）2. 萃取温度的影响萃取

72、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。萃取温度是超临界二氧化碳萃取过程的另一个重要因素。温温度度对对提提高高超超临临界界流流体体溶溶解解度度的的影影响响存存在在有有利利和和不不利利两两种趋势。种趋势。一一方方面面，温温度度升升高高，超超临临界界流流体体密密度度降降低低，其其溶溶解解能能力力相应下降，导致相应下降，导致萃取数量的减少萃取数量的减少；但但另另一一方方面面，温温度度升升高高使使被被萃萃取取溶溶质质的的挥挥发发性性增增加加，这这样样就就增增加加了了被被萃萃取取物物在在超超临临界界气气相相中中的的浓浓度度，从从而而使使萃萃取数量增大取数量增大。而且温度对溶解度的影响

73、还与压力有密切的关系：而且温度对溶解度的影响还与压力有密切的关系： 在在压压力力相相对对较较低低时时，温温度度升升高高溶溶解解度度降降低低；而而在在压压力力相相对较高对较高时，温度升高二氧化碳的时，温度升高二氧化碳的溶解能力提高溶解能力提高。108化工分离过程第七章 其它分离技术和分离过程的选择7.4 超临界流体萃取超临界流体萃取（Supercritical Fluid Extraction）3. 二氧化碳流量的影响二氧化碳流量的影响CO2的的流流量量升升/(秒秒千千克克原原料料)的的变变化化对对超超临临界界流流体体萃萃取取过过程程的的影影响响较较复复杂杂。加加大大CO2流流量量，会会产产生生

74、有有利利和和不不利两方面的影响。利两方面的影响。有利的方面是：有利的方面是： 增增加加了了溶溶剂剂对对原原料料的的萃萃取取次次数数，强强化化、萃萃取取过过程程的的传传质效果，可质效果，可缩短萃取时间缩短萃取时间； 流速提高，使萃取器中各点的原料得到流速提高，使萃取器中各点的原料得到均匀的萃取均匀的萃取；不不利利的的方方面面：由由于于萃萃取取器器内内的的CO2流流速速加加快快，CO2与与被被萃萃取取物物接接触触时时间间减减少少，CO2中中溶溶质质的的含含量量降降低低，当当流流量量增加超过一定限度时，增加超过一定限度时，CO2中溶质的含量还会急剧下降。中溶质的含量还会急剧下降。109化工分离过程第

75、七章 其它分离技术和分离过程的选择7.4 超临界流体萃取超临界流体萃取（Supercritical Fluid Extraction）4. 夹带剂的选择夹带剂的选择超超临临界界流流体体萃萃取取的的溶溶剂剂大大多多数数是是非非极极性性或或弱弱极极性性，对对亲亲脂脂类类物物质质的的溶溶解解度度较较大大，对对较较大大极极性性的的物物质质溶溶解解较较小。小。定定量量的的极极性性成成分分（即即夹夹带带剂剂）可可以以显显著著地地改改变变超超临临界界二氧化碳流体的极性，二氧化碳流体的极性，拓宽其适用范围拓宽其适用范围。如如丹丹参参中中的的丹丹参参酮酮难难溶溶于于二二氧氧化化碳碳流流体体，在在二二氧氧化化碳碳

76、中添加一定量的中添加一定量的95乙醇可大大增加其溶解度。乙醇可大大增加其溶解度。110化工分离过程第七章 其它分离技术和分离过程的选择7.4 超临界流体萃取超临界流体萃取（Supercritical Fluid Extraction）5. 物理形态物理形态被萃取原料可能是固体、液体或气体。其中被萃取原料可能是固体、液体或气体。其中固体原料固体原料被研究得最多被研究得最多。气体原料一般要用固体吸附剂吸附后再进行萃取。气体原料一般要用固体吸附剂吸附后再进行萃取。6. 粒度粒度原料的粒度对萃取效率也有重要影响。原料的粒度对萃取效率也有重要影响。原原料料颗颗粒粒愈愈小小，溶溶质质从从原原料料向向超超临

77、临界界流流体体传传输输的的路路径径愈愈短短，与与超超临临界界流流体体的的接接触触的的表表面面积积愈愈大大，萃萃取取愈愈快快，愈愈完完全全，粒粒度度也也不不宜宜太太小小，容容易易造造成成过过滤滤网网堵堵塞塞而而破破坏设备。坏设备。111化工分离过程第七章 其它分离技术和分离过程的选择7.4 超临界流体萃取超临界流体萃取（Supercritical Fluid Extraction）7. 传质性能的改善传质性能的改善尽尽管管超超临临界界流流体体具具有有较较好好的的传传质质性性能能，但但在在超超临临界界流流体体萃萃取取天天然然产产物物的的实实际际过过程程中中，常常采采用用必必要要的的强强化化措措施施

78、以以减减少少溶溶质质的的阻阻力力，包包括括搅搅拌拌、增增加加流流量量或或采采用用移移动床等。动床等。在在对对粘粘性性较较大大的的物物质质进进行行萃萃取取时时，即即使使采采用用搅搅拌拌及及升升温温降降粘粘等等办办法法，效效果果仍仍不不理理想想，为为此此，采采用用了了高高压压喷喷射射萃萃取取技技术术或或利利用用超超声声波波强强化化超超临临界界萃萃取取中中的的传传质质效效果。果。112化工分离过程第七章 其它分离技术和分离过程的选择7.4 超临界流体萃取超临界流体萃取（Supercritical Fluid Extraction）超临界流体技术的应用超临界流体技术的应用 1 食品工业食品工业（1）动

79、植物油脂的提取（卵磷脂、鱼肝油、可可、大）动植物油脂的提取（卵磷脂、鱼肝油、可可、大豆、花生等）豆、花生等）（2）食品杀菌（酱油杀菌）食品杀菌（酱油杀菌）（3）啤酒花的提取，天然色素提取）啤酒花的提取，天然色素提取（4）米胚芽提取）米胚芽提取（5）桔皮中萜烯精油的提取）桔皮中萜烯精油的提取（6）食品除臭）食品除臭113化工分离过程第七章 其它分离技术和分离过程的选择7.4 超临界流体萃取超临界流体萃取（Supercritical Fluid Extraction）超临界流体技术的应用超临界流体技术的应用 2 精细化工（香料、化妆品精细化工（香料、化妆品 ）（1）天然香料精油的提取（桂花、玫瑰、

80、茉莉等）天然香料精油的提取（桂花、玫瑰、茉莉等）（2）烟草中提取香精）烟草中提取香精（3）植物中去植物碱）植物中去植物碱（4）烟草中去尼古丁）烟草中去尼古丁（5）精制化妆品原料（表面活性剂、脂肪酸甘油酯）精制化妆品原料（表面活性剂、脂肪酸甘油酯）114化工分离过程第七章 其它分离技术和分离过程的选择7.4 超临界流体萃取超临界流体萃取（Supercritical Fluid Extraction）超临界流体技术的应用超临界流体技术的应用 3 医药工业医药工业（1）中草药有效成份提取（蛇床子、连翘、桑白皮、丹参）中草药有效成份提取（蛇床子、连翘、桑白皮、丹参等）等）（2）类固醇类样品提取）类固醇

81、类样品提取（3）EPA和和DHA的提取（原料：鱼油、南海翡翠贻贝）的提取（原料：鱼油、南海翡翠贻贝）（4）酶及维生素的精制回收）酶及维生素的精制回收115化工分离过程第七章 其它分离技术和分离过程的选择7.4 超临界流体萃取超临界流体萃取（Supercritical Fluid Extraction）超临界流体技术的应用超临界流体技术的应用 4 环境保护环境保护（1）环境样品中污染物的分析检测）环境样品中污染物的分析检测（2）水果中农药残余物的分析）水果中农药残余物的分析（3）超临界水氧化法处理有机废物、废水）超临界水氧化法处理有机废物、废水116化工分离过程第七章 其它分离技术和分离过程的选

82、择第七章第七章 其它分离技术和分离过程的选择其它分离技术和分离过程的选择思考题思考题1 膜通常是由什么材料制成？膜通常是由什么材料制成？ 2 膜分离与精馏过程的最大区别？膜分离与精馏过程的最大区别？ 3 膜分离过程的特点？膜分离过程的特点？ 4 列出五种最常见的膜分离过程并给出每一个过程列出五种最常见的膜分离过程并给出每一个过程 的工业应用实例。的工业应用实例。 5 简述吸附过程的优点和缺点。简述吸附过程的优点和缺点。6 简述吸附质被吸附剂吸附简述吸附质被吸附剂吸附脱附机理。脱附机理。117化工分离过程第七章 其它分离技术和分离过程的选择阅读课本阅读课本 查阅文献查阅文献 巩固知识巩固知识118化工分离过程第七章 其它分离技术和分离过程的选择