平衡区带离心的分离机理是什么?

平衡分离原理:利用分离介质(如热能、溶剂或吸附剂)将均相混合物体系转变为两相体系,然后根据相平衡中混合物中各组分在两相中的不均匀分布实现分离。分离介质可以是能量介质(ESA)或材料介质(MSA),有时两者可以同时使用。ESA是指从一个人到另一个人或从系统传递的热量,以及功的输入或输出。MSA只能部分溶解或吸附混合物中的一种或几种成分。此时MSA往往是某一相浓度最高的组分。比如吸收过程中的吸收剂,萃取过程中的萃取剂等等。MSA也可以与混合物完全混溶。当MSA和ESA一起使用时,可以选择性地改变组分的相对挥发度,使得一些组分可以彼此完全分离,例如萃取蒸馏。

当被分离混合物中各组分的相对挥发度相差较大时,闪蒸或部分冷凝完全可以满足要求的分离程度。

如果组分之间的相对挥发度差异不够大,通过闪蒸和部分冷凝不能达到所需的分离度,只能通过精馏达到所需的分离度。

当被分离的组分之间的相对挥发性非常小,并且有必要使用具有大量塔板的蒸馏塔来分离它们时,应该考虑萃取蒸馏。在萃取蒸馏中,MSRA用于选择性地增加原料中某些组分的相对挥发性,从而将所需塔板数减少到更合理的水平。一般来说,MSA应该具有比任何原料组合更低的挥发性。MSA在靠近塔顶的塔盘上引入,塔顶需要有回流以限制塔顶产物中MSA的含量。

如果来自蒸馏塔顶部的气体不能完全冷凝,吸收剂可以作为回流从塔顶加入。这种单元操作称为吸收蒸发(或蒸馏吸收)。如果原料是气体,不需要设置蒸化工段,就是吸收。通常,吸收是在室温和压力下进行的,不需要在塔中加入ESA。气体原料中的各组分根据溶解度的不同溶解在吸收剂中。

解吸是吸收的逆过程,通常通过在高于室温和常压的温度下使汽提气体(MSA)与液体原料接触来实现。因为塔釜不需要加热至沸腾,所以在料液热稳定性差的情况下,这一特性非常重要。如果在进料板上方仍需要气液接触以达到要求的分离程度,可采用回流解吸工艺。如果解吸塔底部的液体是热稳定的,不加MSA,只加热就能沸腾,这叫再沸解吸。

低共沸物体系不宜用普通精馏分离,常采用共沸精馏。例如,为了从水中分离乙酸,选择共沸剂乙酸丁酯(MSA ),从塔顶蒸馏出MSA和水形成的最低共沸物。分层后,酯返回塔中,从塔底得到纯乙酸。

液-液萃取是工业上广泛应用的分离技术,可分为单溶剂和双溶剂,在工业实际应用中有多种不同的形式。

干燥是一个单元操作,利用热量从固体材料中除去水分(湿气或其他液体)。被除去的水分从固相转移到气相,其中固相是被干燥的材料,气相是干燥介质。

蒸发一般是指通过传热将液体转化为气体的过程,从而引起汽化。加湿和蒸发在概念上是相似的,但是加湿或除湿的目的通常是增加或去除气体中的蒸汽。

结晶是许多有机产品和许多无机产品的生产设备中常见的单元操作。用于生产小颗粒固体产品。结晶本质上是一个纯化过程。因此,结晶的条件是将杂质留在溶液中,而所需的产物从溶液中分离出来。

升华是物质不经过液态直接从固态变成气态的过程,通常在高真空下进行。主要用于去除难挥发物质中的挥发性成分。比如硫磺的提纯,苯甲酸的提纯,食物的融化干燥。相反的过程是凝结,它在实践中也广泛使用,例如从反应产物中回收邻苯二甲酸酐。

浸出广泛应用于冶金和食品工业。操作模式有间歇、半间歇和连续。浸出的关键是促进熔融物质从固相向液相扩散,最有效的方法是将固体减小到尽可能小的颗粒。固液系统和液液系统的主要区别在于,前者难以在级间输送固体或固体泥浆。

吸附的应用仍然局限于低浓度组分的分离。近年来,由于吸附剂和工程技术的发展,吸附的应用范围不断扩大。工业化过程包括各种气体和有机液体的脱水、纯化和分离。

离子交换也是一个重要的单元操作。它使用离子交换树脂来选择性地去除一种成分,并且树脂本身可以再生。一个典型的应用是水的软化。所用的树脂是钠盐形式的有机或无机聚合物。水中的钙离子可以通过钙离子和钠离子的交换来去除。当聚合物的钙离子饱和时,它可以通过与浓盐水接触而再生。

泡沫分离是基于物质具有不同的表面性质这一事实。当惰性气体在溶液中起泡时,组分可以选择性地吸附在从溶液中升起的气泡的表面上,直到它被带到溶液上方的泡沫层中进行浓缩和分离。为了使溶液产生稳定的泡沫,常加入表面活性剂。表面化学和起泡特性是泡沫分离的基础。该单元操作可用于吸附和分离溶液中的微量物质。

区熔法是根据冷凝结晶过程中液体混合物再分配的原理,通过多次熔化凝固制备高纯度金属、半导体材料和有机化合物的提纯方法。目前已用于制备铝、英镑、锑、铜、铁、银等高纯度金属材料。

上述基本平衡分离过程经历了长时间的应用实践。随着科学技术的进步和高新技术产业的兴起,它日益完善和发展,并演化出各种不同特点的新型分离技术。

在传统的分离过程中,蒸馏仍然排在石油和化工分离过程的首位,因此强化方法也在不断地被研究和发展。例如,新型塔盘和高效填料在设备中广泛使用;发展与反应或其他分离方法的耦合。

随着生物化学的发展,一种新的适合于分离纯化含量较少的生物活性物质的提取工艺应运而生。双水相萃取就属于这一类,它是由于亲水性商业高分子溶液之间或高分子与无机盐溶液之间的不相容性,形成双水相体系,根据待分离物质在两个水相中分布的差异实现分离纯化。反胶束萃取是另一种新的萃取过程。反胶束是油相中表面活性剂的浓度超过临界胶束浓度后形成的聚集体,可以将水相中的极性分子“溶解”在油相中。用于从水相中提取蛋白质和其他生物制品。

新的多级分步制品技术是重复使用部分凝固和部分熔化,利用原料中不同组分的凝固点差异实现分离。与蒸馏相比,能耗可大大降低,设备成本低于棺式蒸馏。该技术已用于混合二氯苯和硝基氯苯的分离、精制茶的生产、均四甲苯的提取和蜡油的分离。

变压吸附技术是近几十年来工业上新兴的气体分离技术。其基本原理是利用气体组分在固体吸附材料上吸附特性的差异,通过周期性的压力变化过程实现气体分离。这项技术在中国已经使用了十几年,进入了世界先进行列。由于其能耗低、工艺简单、产品气体纯度高等优点,在工业上得到迅速推广。如合成氨尾气、甲基发酵尾气等各种含氢混合气制取纯氢;从含有二氧化碳或一氧化碳混合气体中制备纯二氧化碳和一氧化碳;从空气中制造富氧纯氮。

超临界流体萃取技术是利用溶剂在超临界区的高溶解度和高选择性来萃取溶质,然后利用临界温度和临界压力以下溶解度的急剧下降来快速分离溶质和溶剂。超临界萃取可用于从天然产物中分离提取有效成分和生化产物。食品原料的处理以及化学产品的分离和精制。

膜萃取是一种基于膜的萃取过程。多孔膜的作用是为两个液相之间的传递提供稳定的相接触表面,膜本身一般对分离过程没有选择性。该工艺的特点是萃取过程中没有分散相,因此不存在液泛、返混等问题。类似的过程包括膜气体吸收或解吸和膜蒸馏。