食品工程单元操作 教学课件 作者 冯骉 涂国云 主编第10章.ppt

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1、膜分离过程：借助于膜而实现分离的过程。膜:两相之间的一个不连续区间，用以区别相界面。1748年AbbéNollet发现渗透现象1827年Dutrochet创造Osmosis一词1865年Fick首次用硝基纤维素合成了人工膜1927年Sartorius公司生产出商业性膜60年代Sourirajan等研制成可实用的反渗透膜和超滤膜，并发展了相应的理论10.1膜分离过程概论10.1.1膜分离过程的特点10膜分离过程常用来表示分离效率的指标有两种：一是组分在两相中的浓度之比，常用选择性系数表示；二是某组分在经过分离后的两股物流中的分配比例，常用截留率表示。选择性系数或截留率表示了分离的质

2、的方面。对于分离的量的方面，一般用通量，即单位时间内单位分离面积上的流量来表示。在大多数膜分离操作中，截留率和通量是表征过程的两个最重要指标。几种重要的膜分离过程（1）渗析在浓度梯度作用下，溶质通过膜进入另一側的溶液，从而与原溶液分离。（2）气体渗透利用混合气体中各组分通过膜的速率不同而使组分分离。（3）电渗析以电位差为推动力，利用离子交换膜的选择透过性，从溶液中脱除或富集电解质。（4）微滤与超滤相似，但孔径更大，大致为0.1~10mm。（5）超滤用孔径为10-7~10-9m的膜在压差下过滤溶液，使大分子或细微粒与溶液分离。（6）纳滤介于超滤和反渗透之间的操作。（7）反渗透对溶液

3、施加超过渗透压的压强，使溶剂分子通过半透膜而与溶液分离。（8）渗透气化溶液与某种特殊的膜接触后，各组分在通过膜的同时发生气化，且各组分的透过速率不同。10.1.2常用的膜和膜分离设备10.1.2.1膜的分类和结构（1）多孔膜（PorousMembranes）（2）致密膜（HomogenousMembranes）（3）不对称膜（AsymmetricMembranes）（4）复合膜（CompositeMembranes）10.1.2.2膜过程的流动特征膜过程的流动特征：切向流动。10.1.2.3管式膜分离设备管式膜组件的特点：（1）管内流动为湍流；（2）管直径较粗，料液一般不需预处理

4、；（3）对堵塞不敏感，拆卸和清洗也容易；（4）如果某一根管子损坏，可以方便地更换之；（5）装填密度不高，流速高，能耗较高；（6）设备的死体积较大，不利于提高浓缩比；（7）制造成本较高。10.1.2.4中空纤维式膜分离设备中空纤维膜组件的特点：（1）结构紧凑，死体积小，装填密度高；（2）单位膜面积的制造费用低；（3）剪切速率高，边界层薄；（4）料液的流动一般为层流；（5）料液一般要先经预处理；（6）对堵塞较敏感；（7）不能单独更换单根管子，只能更换整个膜组件。10.1.2.5平板式膜分离设备平板式膜组件特点：（1）可以分别观察各板上渗透物的流动情况；（2）剪切速率高，流动边界层薄，

5、一般为层流；（3）膜的更换和清洗均较容易，对堵塞不很敏感；（4）装填密度高于管式膜组件，但不很高；（5）流体流动的转折较多，压力损失较大。10.1.2.6螺旋式膜分离设备螺旋式膜组件的特点：（1）由于离心力的作用，Re数不太大（约100）时已呈湍流；（2）装填密度高；（3）能耗较低；（4）结构简单，造价低廉；（5）清洗较难，也不能部分更换膜；（6）膜制造的要求较高，必须是可焊接或可粘合的。10.2超滤与微滤10.2.1超滤与微滤的过程特征和数学模型10.2.1.1微滤和超滤的分离范围MF：0.1~50mmUF：MWCO范围为5000~100000（二）微滤和超滤的操作特点过滤机理

6、：筛分过滤方式：切向过滤过滤压差：比常规过滤高过滤温度：取决于膜和物料的耐热性10.2.1.3浓差极化和过滤曲线边界层和浓差极化由于溶质分子被截留，在膜表面附近形成浓度边界层。稳定时，主体流动带到界面上的溶质量等于反向扩散的溶质量与通过膜的溶质量之和。通量——压差曲线虚线把曲线分为：压差控制区J与Dp成正比扩散控制区J近似为常数10.2.1.4多孔模型dd由Hagen-Poiseuille方程：Dp=32ulm/d2通过一个孔的流速：u=d2Dp/32dm设膜面积为A，在此面积内有n个孔，则体积流量为：qv=pund2/4空隙率：e=pnd2/4A通量：J=qv/A=ue=d2e

7、Dp/32dm扩散流量:Js’=Jc滤液排出流量:Js=Jcp浓差反向扩散流量：Js”=Ddc/dx稳定时：Jc=Jcp+Ddc/dx10.2.1.5扩散模型如果溶质被完全截留，cp=0，上式简化成：传质系数k的计算——特征数方程：Sh=A1ReB1ScB2Re>4000时为湍流：Sh=0.023Re0.8Sc0.33Re<1800时为层流：Sh=1.86(ReScdh/l)0.3310.2.2超滤与微滤的操作10.2.2.1微滤和超滤的操作方式（1）单级间歇操作（2）单级连续操