ISSN 100020054CN 1122223 N
清华大学学报(自然科学版)J T singhua U niv (Sci &Tech ),2005年第45卷第9期
2005,V o l
.45,N o .920 35
123221235
双极膜电渗析法综合处理发酵液中的有机酸盐
唐 宇, 龚 燕, 王晓琳, 余立新
(清华大学化学工程系,北京100084)
收稿日期:2004203215
基金项目:国家“十五”科技攻关项目(2001BA 708B 01204);
国家“九七三”重点基础研究项目(2003CB 615701)
作者简介:唐宇(19772),女(汉),重庆,硕士研究生。通讯联系人:王晓琳,教授,E 2m ail :xl 2w ang @tsinghua .edu .cn
摘 要:在前期普通电渗析脱盐实验的基础上,探索了双极膜电渗析法综合处理1,32丙二醇(PDO )发酵液中有机酸盐的可行性,研究了双极膜电渗析过程中部分操作参数,例如电流密度,溶液流速和酸碱室初始浓度对过程指标的影响,并探讨了PDO 损失的原因。结果表明:发酵液中的有机酸盐可用双极膜电渗析有效脱除,同时回收到90%以上的酸和碱,电流效率在50%～70%范围内,分离回收每摩尔盐的平均能耗约135W h 左右。
关键词:双极膜;电渗析;1,32丙二醇;脱盐中图分类号:TQ 028.8
文献标识码:A
文章编号:100020054(2005)0921232204
I n tegra ted trea t m en t of organ ic sa lts i n ferm en ta tion broths by b ipolar m em brane
electrod i a lysis
TANG Yu ,GONG Ya n ,W ANG Xia o lin ,Y U L ixin
(D epart men t of Che m ical Eng i neer i ng ,Tsi nghua Un iversity ,
Be ij i ng 100084,Ch i na )Abstract :Standard electrodialysis
m ethods
w ere
used
to
experi m entally
analyze the feasibility of bi po lar m em brane
electrodialysis (BM E )desalinati on of o rganic salts from 1,32p ropanedi o l (PDO )fer m entati on bro ths .T he analysis considered the current density,
the so luti on flow
rate,
and the initial
concentrati on of the acid and alkali components .R easons fo r the lo ss of PDO w ere also investigated .T he experi m ent results indicate that BM E can successfully desalinate salt from these bro ths,w ith over 90%of the acid and alkali recovered .T he current efficiency ranges from 50%～70%w ith an energy consump ti on about 135W h fo r recycling one mo le of salt .Key words :bi po lar m em brane;
electrodialysis;
1,32p ropanedi o l;
desalinati on
1,32丙二醇(PDO )是一种重要的化工原料,一
般采用微生物发酵法制取。为保证发酵液中PDO 后
提取的需要,之前必须将发酵液中的有机酸盐分离出来,可以采用电渗析法来实现。实验证明[1,2],用电渗析法可有效脱除90%以上的1,32丙二醇发酵液中
存在的有机酸盐和少量的无机盐,不仅成本低廉,且操作简便。但采用这种方法,分离得到的有机酸盐没有得到回收利用,若采用双极膜电渗析可望解决这个问题。
双极膜电渗析法BM E (b i po lar m em b rane electrodialysis )和传统电渗析法相比,具有过程简单、能效率高、废物排放少等特点,可为某些物质资源的再生和回收、降低物质和能源消耗、减少废物排放、消除环境污染以及某些酸和碱的分离和制备提供新的途径[38]。
因此,将双极膜电渗析技术用于1,32丙二醇发酵液的脱盐,是1,32丙二醇产品制备过程中新的尝试和探讨,对节约原料、减少环境污染都有着重要的意义。本文研究了电渗析过程中的恒流操作、三室流速变化和酸碱室初始浓度等操作条件以及膜参数与溶液体积变化和PDO 损失等过程指标的关联,验证了1,32丙二醇发酵液双极膜电渗析脱盐的可行性。
1 实验部分
1.1 原理
用双极性膜电渗析法回收PDO 发酵液中的有
机酸盐的原理如图1所示。膜器是由双极膜,阴离子交换膜和阳离子交换膜交替排列而成,阳膜和阴膜之间的空间为盐室,双极膜的阳侧和阴膜组成的空间为酸室,双极膜阴侧和阳膜则组成碱室。在直流电场作用下,进入盐室的发酵原液中的有机酸根离子穿过阴膜进入酸室,与双极膜阳侧产生的H +结合生成酸溶液;而盐室中的金属阳离子,则穿过阳膜进入碱室,与双极膜阴侧产生的O H -结合逐步生成浓缩的碱液。这样盐室中存在的有机酸盐逐步得到
了清除,并转化为相应的酸和碱,当酸碱浓度达到一定程度时便可以引出体系做进一步处理或者回用
。
C —阳膜;A —阴膜;B —双极膜
图1 双极膜电渗析原理图
1.2
电渗析装置
本实验用的电渗析器为三室结构,由三对膜组成,其具体的结构和流程见图1。所用双极性膜型号为日本Tokuyam a 公司生产的N eo sep ta B P 21;阴阳离子交换膜为国产膜,型号分别为DD 100和D F 120。电渗析器规格为膜面积100mm ×400mm ,有效膜面积60mm ×210mm ,隔板厚度为2.7mm ,阳极采用涂钌和铱的钛网,阴极为不锈钢。1.3 材料及方法
盐室采用了1,32丙二醇的实际发酵液,其中的主要成分包括约12g L 乳酸钠,4g L 醋酸钾,25g L 的PDO 。酸室采用初始浓度为0.02～0.5m o l L 的醋酸溶液。碱室采用初始浓度为0.02～0.5m o l L 的N aO H 溶液。极室采用阴阳两极室连通,用0.05m o l L 的稀硫酸溶液循环。酸室和盐室内PDO 、醋酸和乳酸根离子等物质的浓度均稀释到合适倍数后由高效液相色谱(H PL C )测定。碱室则用H 2SO 4稀释呈酸性后,再由同样方法测定上述成分的浓度。
在盐室中加入一定体积的原始发酵液,在酸室和碱室中分别加入醋酸和N aO H 溶液以便于导电,极室中则加入0.05m o l L 的稀H 2SO 4,固定三室的流速在1.0～5.5c m s 范围内,各自形成循环流动。接通电渗析器直流电源,在恒压(或恒流)状态下开始转化过程。在操作过程中,记录膜堆电压、外加电压和电流值,同时记录盐、碱和酸室溶液的高度变化。记录不同时间点下盐室的电导率和酸碱室的pH 值,并留取样品分析其内的主要物质成分。
2 结果与讨论
2.1 恒电流操作过程
在恒流操作模式下,当体系电流为2.5A (电流
密度J 为18.32
mA c m -2),酸碱室初始浓度C o 为0.05m o l L ,三室溶液流速v 固定为3.17c m s 时,体系膜堆电压和外电压U 随时间的变化趋势见图2。另外,当体系电流密度分别为10.99、14.65、18.32和21.98mA c m -2时,所得不同操作电流密度下能耗与电流效率比较见图3,脱盐时间t d 与PDO 损失的比较见图4。
图2 恒流下膜堆与外电压时间变化图
图3 不同电流密度下能耗与电流效率比较
在图2中,在恒流操作下,膜堆电压和外电压在初期时迅速下降,随后在较长的一段时间里缓慢上升,到实验后期急剧上升。因为处在恒流状态下,这个变化趋势和体系总电阻的变化趋势一致。尤其在实验的操作后期,盐室的离子浓度已经降到一个很低的水平,使得操作电压上升。另一方面,在电场的作用下,
3
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盐室中的离子在实验初期是由高浓度到低浓度迁移,而在实验后期却是由低浓度向高浓度迁移,需要更多的能量来维持,所加的电压也必然增加
。
图4 不同电流密度下脱盐时间与PDO 损失比较
由图3可知,电流密度的增大带动能耗也随之
增加,电流效率却逐渐降低。这是因为,在脱盐过程后期,电流密度越大,水发生解离的可能性越大,部分电流消耗在对水分子的离解上,导致脱盐过程电流效率下降。根据图4,电流密度越大,发酵液达到相同脱盐程度时所用的时间越少,于是溶液在电渗析器内循环的时间变短,由浓差扩散引起的PDO 损失也减小了。
由上面的分析可以看出,在恒流操作模式下,应该综合考虑脱盐时间、PDO 损失以及能耗和电流效率等因素,结合实际生产的需要,选择一个合理的
范围。
2.2 三室流速实验
为考察流速变动对双极膜电渗析脱盐过程的影响,同时变动酸碱盐三室的流速依次为1.06、2.11、
3.17、
4.25和
5.31c m s -1
;恒定膜对电压为4.5V ,在其他条件完全相同的前提下连续操作2h ,所得不同流速下电流密度J 随时间变化如图5所示,不同流速下脱盐率及PDO 损失率的变化见图6。
图5 不同流速下电流密度随时间变化比较图
由图5可知,无论处于何种流速,电流密度的变化趋势总是在实验初期急速上升,随后又缓慢下降。操作开始时电流密度的迅速上升,有两个可能原因。
一方面各室溶液的初始温度比较低,但随着脱盐过程的进行,部分电能转化为热能,体系温度逐渐上升。另一方面,酸碱室初始时虽有一定浓度的溶液作为导电用,但由于浓度较低,导致整个双极膜电渗析体系的电阻较高。随着实验的进行,盐室的有机酸盐不断脱除,酸碱室的浓度不断增加,体系的电阻不断下降,
在短时间内达到一个最低值,所以表现在电流密度上就是在短时间内达到了一个最高值。随着实验的进一步进行,盐室中的离子浓度下降到一定程度,体系总的电阻上升,而体系的总体温度已经趋于平衡,所以电流密度开始以较平缓的速度下降[5]。从
不同流速的变化看,流速越高,溶液在膜两侧的湍动和接触越充分,电流密度可更快达到最高点且数值也越大。但各流速下,操作过程所用的能耗和电流效率基本没有太大波动,每m o l 盐的能耗约为135W h ,电流效率在60%左右。
图6 不同流速下脱盐率和PDO 损失比较图
再由图6可见,流速越大,脱盐率越高,都达到了90%以上且数据相差不大,但同时PDO 的损失也随流速增加,这也和以前用传统电渗析条件下流速实验的结果吻合[2]。所以,对流速的选择,在达到一定脱盐率要求的前提下,应尽量选择流速较小的范围,以保证PDO 损失控制在可接受的范围内。2.3 酸碱室初始浓度实验
在脱盐操作的初期,在酸碱室内分别通入一定浓度的酸碱溶液导电,可降低体系的总电阻。为考察酸碱室初始浓度对体系脱盐过程的影响,分别选取0.02、0.2、0.5m o l L -1作为酸碱室的初始浓度,恒
定膜堆电压为13.5V ,脱盐操作2h 后所得主要参数指标的比较见表1,PDO 损失率随时间变化的比较见图7。
由表1所示,随初始浓度的增加,脱盐率和电流效率下降,能耗增加。由图7,另一重要指标,PDO 损失率随着酸碱室初始浓度的增加有增大的趋势。由上可见,酸碱室初始浓度太大对脱盐过程不利,在
4
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试验的范围内,不论从节省原料还是从工艺的角度看,应尽量选择低初始浓度。
表1 不同初始浓度下主要脱盐参数的对比
C o
mo l L -1
脱盐率×100
电流效率×100
能耗
W h mo l -1
0.0296.2257.1417.450.289.0653.2618.720.5
81.61
49.64
20.
09
图7 不同初始浓度下PDO 损失变化图
2.4 三室体积变化和PDO 损失率
由于盐室溶液与酸碱室溶液的浓度差异,会造成盐室里的溶液在浓差推动下,透过阴阳离子交换膜向酸碱室扩散。另一方面,盐室中的金属阳离子和有机酸根离子在电场的作用下分别向碱室和酸室迁移的过程中,迁移离子尤其是酸根离子易形成水合离子携带水分子同时迁出,发生电渗透逃水现象,导致盐室体积下降,而酸碱室的体积增加。在双极膜电渗析过程中,盐酸碱三室的体积变化见图8
。
图8 酸碱室的体积变化比较由图8,盐室的体积下降比较明显,碱室体积只有微弱的增加,而酸室的体积增加相比碱室要更明显一些,盐室体积减少的量高于酸碱两室体积的增加总量是因为三室溶液比重不同的原因。三室中PDO 浓度随时间变化的趋势基本与体积的变化相同,盐室中PDO 损失在酸室的摩尔数要比到碱室的高出很多。为了继续分析这种差别的原因,有必要对离子交换膜的扩散情况加以考察。选取与PDO 分子量相近的浓度为20g L 甘油,对本次双极膜电渗析
操作所用的阴阳离子交换膜进行扩散试验。实验结果测得甘油通过阴阳膜的透过系数分别为0.75×
10-10和4.72×10-10m o l
(m 2 s )。由实验结果可知,所用阳膜的扩散系数要大大高于所用阴膜。但PDO
损失在由阳膜双极膜隔成的碱室的量,反而比损失在由阴膜双极膜隔成的酸室的量要少。这就说明在本实验中,由浓差扩散引起的PDO 损失不占主导地位,PDO 损失主要还有由电渗透逃水带来的。
3 结 论
本文利用三室结构的双极膜电渗析法,成功回收了1,32丙二醇发酵液中的有机酸盐,酸碱的回收率超过90%,平均电流效率达50%以上,脱除1m o l 盐平均能耗约135W h 左右,验证了1,32丙二醇发酵液双极膜电渗析法脱盐的可行性。与前期采用传统
电渗析法相比,处理等量的发酵液时,双极膜电渗析的能量消耗要多于传统电渗析法,但利用此法可回收酸碱,经处理后可得到有效利用,不仅节约了原料,且大大简化了工艺。
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课程设计 设计题目搅拌式反应釜设计 学生姓名 学号 专业班级过程装备与控制工程 指导教师
“过程装备课程设计”任务书 设计者姓名：班级：学号： 指导老师：日期： 1.设计内容 设计一台夹套传热式带搅拌的反应釜 2.设计参数和技术特性指标 3.设计要求 （1）进行罐体和夹套设计计算；（2）选择接管、管法兰、设备法兰；（3）进行搅拌传动系统设计；（4）设计机架结构；（5）设计凸缘及选择轴封形式；（6）绘制配料反应釜的总装配图；（7）绘制皮带轮和传动轴的零件图 1罐体和夹套的设计 1.1 确定筒体内径
当反应釜容积V 小时，为使筒体内径不致太小，以便在顶盖上布置接管和传动装置，通常i 取小值，此次设计取i ＝1.1。 一般由工艺条件给定容积V 、筒体内径1D 按式4-1估算：得D=1084mm. 式中 V －－工艺条件给定的容积，3m ； i ――长径比，1 1 H i D = （按照物料类型选取，见表4-2） 由附表4-1可以圆整1D ＝1100，一米高的容积1V 米＝0.953m 1.2确定封头尺寸 椭圆封头选取标准件，其形式选取《化工设备机械基础课程设计指导书》图4-3，它的内径与筒体内径相同，釜体椭圆封头的容积由附表4-2 V 封＝0.1983m ，（直边高度取50mm ）。 1.3确定筒体高度 反应釜容积V 按照下封头和筒体两部分之容积之和计算。筒体高度由计算 H1==（2.2-0.198）/0.95=0.949m ，圆整高度1H ＝1000mm 。按圆整后的1H 修正实际容积由式 V=V1m ×H1+V 封=0.95×1.000+0.198=1.1483m 式中 V 封m --3封头容积，； 1V 米――一米高的容积3m /m 1H ――圆整后的高度，m 。 1.4夹套几何尺寸计算 夹套的结构尺寸要根据安装和工艺两方面的要求。夹套的内径2D 可根据内径1D 由
发酵工程设备设计 Company number：【WTUT-WT88Y-W8BBGB-BWYTT-19998】
发酵罐设计说明书 题目：设计生产红霉素机械搅拌通风发酵罐 2009年5月 任务书 一、题目 题目：机械搅拌通风发酵罐的设计 二、设计依据、条件 1、应用基因工程菌株发酵生产红霉素，此产物是次级代谢产物。 2、发酵罐体积：503M 3、高径比为2，南方某地，蛇管冷却。 4、初始水温20℃，出水温度28℃。 5、非牛顿型流体，三级发酵。 三、设计项目、要求 （1）确定工艺参数几何尺寸，以及主要设备工作部件尺寸的设计，如：罐体封头的壁厚、冷却面积及用水量、搅拌轴功率等。
（2）对整个设计方案进行分析、拟定 （3）一定情况下结合具体的图形来解释说明 （4）考虑压力，温度，腐蚀因素，选择罐体材料，确定罐体外形、罐体和封头的壁厚 （5）对整个发酵罐的设计进行总结，得出规范的说明书 目录 1 设计条件（设计方案的分析） (5) 2 机械通风发酵罐设计 (6) 夹套反应釜的总体结构 (6) 几何尺寸的确定 (6) 主要部件尺寸的设计计算 (8) (8) (8) (9) 挡板 (9) 搅拌器 (10) 人孔和视镜 (10) 接口管 (11) 冷却装置设计 (12) (12) (12) (13)
搅拌轴功率的计算 (14) (14) (15) 3设计小结 (18) 4参考文献 (18) 摘要此为我设计的发酵罐说明书，我设计的是一台503M的机械搅拌通风发酵罐，发酵生产红霉素，发酵罐主要由罐体和冷却蛇管，以及搅拌装置，传动装置,轴封装置，人孔和其它的一些附件组成。这次设计就是要对机械搅拌通风发酵罐的几何尺寸进行计算，再确定主要设备工作部件尺寸的设计，如：罐体封头的壁厚、冷却面积及用水量、搅拌轴功率。本说明书结合了个人所学知识绘制出装配图，让机械搅拌通风发酵罐具体形象的展现在眼前，一目了然。通过精细的计算和设计绘制，使此次设计的发酵罐能达到生产最优标准，应用并服务于生产实践。 关键词机械搅拌通风发酵罐红霉素设计绘制生产 第一章设计方案的分析、拟定 我设计的是一台50M3机械搅拌通风发酵罐,发酵生产红霉素。经查阅资料得知生产红霉素的菌种有红色链霉菌、红霉素链霉菌、红色糖多孢菌，综合最适发酵温度、PH、等因素选择红霉素链霉菌，该菌种最适发酵温度为31℃，pH
电渗析（ED）技术及操作简介 电渗析原理 电渗析器是在外加直流电场的作用下，当含盐分的水流经阴、阳离子交换膜和隔板组成的隔室时，水中的阴、阳离子开始定向运动，阴离子向阳极方向移动，阳离子向阴极方向移动，由于离子交换膜具有选择透过性，阳离子交换膜（简称阳膜）的固定交换基团带负电荷，因此允许水中阳离子通过而阻挡阴离子，阴离子交换膜（简称阴膜）的固定交换基团带正电荷，因此允许水中的阴离子通过而阻挡阳离子，致使淡水隔室中的离子迁移到浓水隔室中去，从而达到淡化的目的。电渗析器通电以后，电极表面发生电极反应，致使阳极水呈酸性，并产生初生态的氧O2和氧气Cl2。阴极水呈减性，当极节水中有Ca=+和Ng++时由生成CaCO3和Ng(OH)2水垢，结集在阴极上，阴极室有氧气H2排出。因此极水要畅通，不断排出电极反应产物，有利于电渗析器正常运行。 三、电渗析的结构 电渗析不论其规格怎样，形式如何，均由膜堆、电极、夹紧装臵三大部件组成。 1.膜堆 一张阳膜、一张隔膜、一张阴膜，再一张隔板组成一个膜对，一对电极之间所有的膜对之和称膜堆。它是电渗析器的心脏部件，也是电渗析器性能好、坏的关键部件。 在此简单介绍组成膜对零件的主要材料： （1）阴、阳离子交换膜：按膜中活性基团的均一程度可分为异相膜（非均质），均相膜与半均相膜。理论上讲均相膜优越，事实上由于各制膜厂技术水平不齐，生产经验不等，制出来的膜性能相关很大，即使同一家厂的产品由于批号不一样性能差别也不小。本所通过试制比较确定采用上海化工厂生产的异相膜，该膜性能相对比较稳定。 （2）隔板：本所电渗析器隔板流进均为无回路短流形式。其边框采用0.9毫米聚丙烯板冲压成型。内烫二聚丙烯丝编织网构成水流通道，有时根据用户需要选用0.5或1.2毫米聚丙烯板加工成型（一般说隔板愈薄脱盐效果越好，但对进水水质要求也愈高）。 2.电极 一般电渗析的电极采用石墨、铅、不锈钢材料，这些电极材料易得，造价低，制作方便；但电化学性能不好，寿命短。本所产品电极使用优质钛为基材、表面涂履镣、铱等稀土金属，具有电化学性能好，耐腐蚀、寿命长、形状如图四所示。 3.夹紧装臵
电渗析知识 电渗析利用半透膜的选择透过性来分离不同的溶质粒子(如离子)的方法称为渗析。在电场作用下进行渗析时，溶液中的带电的溶质粒子(如离子)通过膜而迁移的现象称为电渗析。利用电渗析进行提纯和分离物质的技术称为电渗析法，它是20世纪50年代发展起来的一种新技术，最初用于海水淡化，现在广泛用于化工、轻工、冶金、造纸、医药工业，尤以制备纯水和在环境保护中处理三废最受重视，例如用于酸碱回收、电镀废液处理以及从工业废水中回收有用物质等。 电渗析与近年引进的另一种膜分离技术反渗透相比，它的价格便宜，但脱盐率低。当前国产离子交换膜质量亦很稳定，运行管理也很方便，自动控制频繁倒极电渗析(EDR)，运行管理更加方便。原水利用率可达80%，一般原水回收率在45-70%之间。电渗析主要用于水的初级脱盐，脱盐率在45-90%之间。它广泛被用于海水与苦咸水淡化;制备纯水时的初级脱盐以及锅炉、动力设备给水的脱盐软化等。 实质上，电渗析可以说是一种除盐技术，因为各种不同的水(包括天然水、自来水、工业废水)中都有一定量的盐分，而组成这些盐的阴、阳离子在直流电场的作用下会分别向相反方向的电极移动。如果在一个电渗析器中插入阴、阳离子交换膜各一个，由于离子交换膜具有选择透过性，即阳离子交换膜只允许阳离子自由通过，阴离子交换膜只允许阴离子以通过，这样在两个膜的
中间隔室中，盐的浓度就会因为离子的定向迁移而降低，而靠近电极的两个隔室则分别为阴、阳离子的浓缩室，最后在中间的淡化室内达到脱盐的目的。 实际应用中，一台电渗析器并非由一对阴、阳离子交换膜所组成(因为这样做效率很低)，而是采用一百对，甚至几百对交换膜，因而大大提高效率。 一、应用范围 目前电渗析器应用范围广泛，它在水的淡化除盐、海水浓缩制盐精制乳制品，果汁脱酸精和提纯，制取化工产品等方面,还可以用于食品，轻工等行业制取纯水、电子、医药等工业制取高纯水的前处理。锅炉给水的初级软化脱盐，将苦咸水淡化为饮用水。 电渗析器适用于电子、医药、化工、火力发电、食品、啤酒、饮料、印染及涂装等行业的给水处理。也可用于物料的浓缩、提纯、分离等物理化学过程。 电渗析还可以用于废水、废液的处理与贵重金属的回收，如从电镀废液中回收镍。 二、基本性能 (1)操作压力0.5─3.0kg /cm2左右 (2)操作电压、电流100─250V，1─3A (3)本体耗电量每吨淡水约0.2─2.0度 三、电渗析法的特点为
双极膜应用与展望 双极膜应用展望 离子交换膜从1890 年发现至今已有100 多年的发展史，国内外已开发出了多个品种，并在化工生产、海水综合利用、脱盐等方面得到了广泛应用，特别是上世纪八十年代双极膜的工业化，使离子交换膜的应用领域得到了大大的拓宽，并使离子交换膜应用的经济性、合理性、全面性实现了突破性进展，它的应用将给一些化工产品生产、化工及冶金工业废水处理、生化、有机电化学、工业废气等多个领域带来革命性的变化；它的应用将改变基础化工原料的产业结构；它的应用会使一些大量使用酸碱的行业的酸碱实现循环利用成为可能；它的应用对化工、冶金清洁生产技术的进步起到独特的关键性的作用，它使企业对污水和废气进行彻底治理的同时，不但不会增加企业的负担，而且还会降低产品的生产成本，提高产品质量，给企业带来更高的经济效益，使企业真正达到零排放。 总之，双极膜的应用，对节能减排，发展循环经济，节约资源，提高资源利用率，解决保护环境与发展经济之间的矛盾都具有重大深远的战略意义。 、离子交换膜 离子交换摸是电膜过程的“心脏” ，通常是由骨架状有机高分子聚合物或无机高分子聚合物所构成的膜状物和附着在骨架上的固定离子基团构成。当离子基团是阴离子时，阳离子可以与其中的阴离子基团结合，进入膜内，在直流电场的作用下，阳离子可在膜内沿电场方向向阴极方向迁移，进而到达膜的另一侧，而阴离子由于同电相斥原理，而不能进入并穿过该膜，简言之，它只允许阳离子通过，所以这种膜被称为阳离子交换膜，
与之相反，当离子基团是阳离子时，它只允许阴离子通过，故此称之谓阴 离子交换膜。 二、双极膜 双极膜是在同一张离子交换膜上，一侧带有固定阴离子基团（称之为 阳离子交换层），而另一侧带有固定阳离子基团（称之为阴离子交换层） 它的这一结构赋予了该膜的一些特殊性能。一方面阴离子和阳离子均不能 穿过该膜，另一方面，它能把水 分子离解成 H +和0H -，并在“正”直流电 场作用下，分别从阳离子交换层和阴离子交换层迁出，该膜称之为双极膜。 它的工作原理如图1： 图1 ：双极膜工作原理 三、双极膜电渗析原理 双极膜与阳离子交换膜和阴离子交换膜同时或分别进行组合，构成双 极膜电渗析单元，双极膜电渗析单元有三种，即：双极膜与阴、阳离子交 换膜组合；双极膜与阳离子交换膜组合；双极膜与阴离子交换膜组合，三 种组合型式可在实际应用中实现不同的分离效果，它们的工作原理如下: 1、双极膜与阴离子交换膜和阳离子交换膜的组合（如图 2） 阴极 乩0T 卜r — H.0 阳极 / A A 厶 NT —阳离了 A 一一阴离子+ 阳高子交换层 阴离予交换层
双极膜电渗析技术在有机酸生产中的应用进展 职业扩展2009-07-29 12:42:32 阅读118 评论0字号：大中小 来源:中国化工信息网2007年7月31日 在最近的10几年里，双极膜电渗析技术(Elec-Trodialysis with Bipolar Membrane，EDBM)的理论和应用研究获得了突飞猛进的发展。双极膜的应用研究已经深入到环境、化工、生物、食品、海洋化工和能源等各个方面。但是真正用于大规模生产的，主要也就是在有机酸发酵生产中的应用了。采用双极膜电渗析技术可以浓缩发酵液中的有机酸，可以除去发酵液中的无机盐离子。对于发酵产物为有机酸盐的，还可以实现从有机酸盐到有机酸的转化，而不需要另外加酸，也不产生任何酸碱盐废液。因此能够减少环境污染，降低化工原料和能源消耗，具有显著的工业应用价值和环境效益。同时因其产品回收率高、纯度高，而由此导致的产品质量提高所带来的经济效益更令人振奋。 所以从1995年后，在美国、意大利、日本、法国和德国等都纷纷建立了双极膜电渗析法生产有机酸或氨基酸的工厂，而国内大多还只停留在实验研究阶段。我们也正在从事这方面的研究，但由于双极膜价格贵，设备一次性投入很大，因而在大规模生产上还不是很普及。所以若能在双极膜本身的生产方面有所突破，那么双极膜电渗析技术在有机酸生产中的应用前景将会非常乐观。 1双极膜电渗析技术生产有机酸的原理 双极膜是近年来发展比较迅猛的一种新型离子交换复合膜，由阴、阳膜层缔合而成，在电场的作用下，阴、阳膜层的界面就会发生水的解离，产生H+和OH-．H+可与阴离子结合成酸，OH-可与阳离子结合成碱，这就是双极膜能够实现制酸、制碱的关键所在。据理论计算，制备1mol/L
目录 前言 (1) 第一章、概述 (2) 1.1、柠檬酸 (2) 1.2、柠檬酸的生产工艺 (2) 1.3、机械搅拌通风发酵罐 (3) 1.3.1、通用型发酵罐的几何尺寸比例 (3) 1.3.2、罐体 (3) 1.3.3、搅拌器和挡板 (3) 1.3.4、消泡器 (4) 1.3.5、联轴器及轴承 (4) 1.2.6、变速装置 (4) 1.3.7、通气装置 (4) 1.3.8、轴封 (5) 1.3.9、附属设备 (5) 第二章、设备的设计计算与选型 (5) 2.1、发酵罐的主要尺寸计算 (5) 2.1.1、圆筒体的内径、高度与封头的高度 (5) 2.1.2、圆筒体的壁厚 (7) 2.1.3、封头的壁厚 (7) 2.2、搅拌装置设计 (8) 2.2.1、搅拌器 (8) 2.2.2、搅拌轴设计 (8) 2.2.3、电机功率 (10) 2.3、冷却装置设计 (10) 2.3.1、冷却方式 (10) 2.3.2、冷却水耗量 (10) 2.3.3、冷却管组数和管径 (12) 2.4零部件 (13) 2.4.1 人孔和视镜 (13) 2.4.2 接管口 (13) 2.4.3、梯子 (15) 2.5发酵罐体重 (15) 2.6支座的选型 (16) 第三章、计算结果的总结 (16) 设计总结 (17) 附录 (18) 符号的总结 (18) 参考文献 (19)
生物工程设备课程设计任务书 一、课程设计题目 “1000m3的机械搅拌发酵罐”的设计。 二、课程设计内容 1、设备所担负的工艺操作任务和工作性质，工作参数的确定。 2、容积的计算，主要尺寸的确定，传热方式的选择及传热面积的确定。 3、动力消耗、设备结构的工艺设计。 三、课程设计的要求 课程设计的规模不同，其具体的设计项目也有所差别，但其基本内容是大体相同，主要基本内容及要求如下： 1、工艺设计和计算 根据选定的方案和规定的任务进行物料衡算，热量衡算，主体设备工艺尺寸计算和简单的机械设计计算，汇总工艺计算结果。主要包括： （1）工艺设计 ①设备结构及主要尺寸的确定（D，H，H L ，V，V L ，Di等） ②通风量的计算 ③搅拌功率计算及电机选择 ④传热面积及冷却水用量的计算 （2）设备设计 ①壁厚设计（包括筒体、封头和夹套） ②搅拌器及搅拌轴的设计 ③局部尺寸的确定（包括挡板、人孔及进出口接管等） ④冷却装置的设计(包括冷却面积、列管规格、总长及布置等) 2、设计说明书的编制 设计说明书应包括设计任务书，目录、前言、设计方案论述，工艺设计和计算，设计结果汇总、符号说明，设计结果的自我总结评价和参考资料等。 3、绘制设备图一张 4、设备图绘制，应标明设备的主要结构与尺寸。
生物工程设备课程设计任务书 -----年产X吨糖化酶发酵车间工艺设计一、课程教学目标 生物工程课程设计是生物工程专业学生在毕业设计（论文）前进行的一次综合训练。通过本课程设计培养学生综合运用所学知识解决工程问题的能力，为毕业设计（论文）打好应有的理论基础。通过生物工程课程设计的训练，学生要达到的基本要求如下： 1、进一步巩固加深所学《生物工艺学》、《生物工程设备》、《生物分离工程》、《生物工程设备及工厂设计》、《机械制图》、《化工原理》等专业课程的基本理论和知识，使之系统化、综合化。树立正确的设计思想，掌握生物工程设备及工厂设计的基本方法和步骤，为今后创造性设计生物工程设备和相关技术改造工作打下一定的基础。 2、培养学生综合运用基础理论和专业知识解决工程实际问题的能力。 3、培养学生熟悉、查阅并综合运用各种有关的设计手册、规范、标准、图册等设计技术资料；进一步培养学生识图、制图、运算、编写设计说明书等基本技能；完成作为工程技术人员在机械设计方面所必备的设计能力的基本训练。二、课程设计题目（任选一） 年产X吨味精发酵车间设计：2000吨、3000吨、4000吨、5000吨、6000吨 三、课程设计任务： 1、根据设计任务，查阅有关资料、文献,搜集必要的技术资料及工艺参数，进行生产方法的选择与比较，工艺流程与工艺条件的确定和论证，确定工艺过程的重要参数。 2、工艺流程图，按工艺流程图绘制要求完成有一定控制工点的流程详图，包括设备、物料管线、主要管件、控制仪表等内容。 3、发酵罐主要结构尺寸、搅拌装置及冷却装置计算，根据工艺要求选取相应发酵罐类型，进行发酵罐种子罐数量计算，发酵罐几何结构尺寸计算，同时完成发酵罐搅拌装置及冷却装置的选型和计算。 4、根据计算结果按相应比例尺寸绘制发酵罐及冷却装置示意图,并完成发酵
电渗析系统操作说明 一、电渗析（ED）概述 电渗析是一种利用荷电膜的选择透过性和电场力作用对水中的离子型物质 进行分离而达到脱盐、浓缩等预期目的的一种膜分离设备。电渗析器的主要部件为阴 、阳离子交换膜、隔板、电极和直流电源四部分。隔板构成的隔室为液体流经过的 通道。物料经过的隔室为脱盐室，浓水经过的隔室为浓缩室。在直流电场的作用下 ，利用离子交换膜的选择透过性，阳离子透过阳膜，阴离子透过阴膜，脱盐室的离 子向浓缩室迁移，浓缩室的离子由于膜的选择透过性而无法向脱盐室迁移。这样淡 室的盐分浓度逐渐降低，相邻浓缩室的盐分浓度相应逐渐升高。经过这样的过程物 料中的盐分得以脱除。电渗析膜技术主要应用于化学制药工艺中物料的脱盐（灰份的去除） ，涉及的脱盐产品有阿斯巴甜、L-肉碱、碘海醇、甘露醇、各类氨基酸、各 种糖类、有机酸、醇类等。也可用于高含盐废水的进一步浓缩，含氨氮废水的零排 放处理，电镀废液中的金属回收，冶金行业的废水回用等。 二、电渗析安装示意图
1、膜堆组装顺序： 铁夹板－绝缘橡皮－电极板A－极室格网及极框－极膜－隔板正－阴膜－隔板反－阳膜－隔板正－阴膜－隔板反－……阴膜－隔板反－极膜－极室格网及极框－电极板B－绝缘橡皮－铁夹板。 膜堆组装顺序图 2、组装过程请注意隔板的正反和膜片的交替顺序，防止浓淡水室的混料。 3、紧固夹紧螺杆时，首先从电渗析中部的螺杆开始上紧螺母，要求对角上紧并均匀用力，切不可单边用力过猛。 4、上紧螺杆后，再把电渗析器用起吊设备吊起，安装到支撑架上。过程中需要注意电渗析器的重心位移，防止砸坏设备和造成人员的受伤。 -4- · 5、电渗析器安装完毕后，将极水管、浓水管、淡水管和相应的电渗析器上的接口连接牢固。
双极膜应用与展望
双极膜应用展望 离子交换膜从1890年发现至今已有100多年的发展史，国内外已开发出了多个品种，并在化工生产、海水综合利用、脱盐等方面得到了广泛应用，特别是上世纪八十年代双极膜的工业化，使离子交换膜的应用领域得到了大大的拓宽，并使离子交换膜应用的经济性、合理性、全面性实现了突破性进展，它的应用将给一些化工产品生产、化工及冶金工业废水处理、生化、有机电化学、工业废气等多个领域带来革命性的变化；它的应用将改变基础化工原料的产业结构；它的应用会使一些大量使用酸碱的行业的酸碱实现循环利用成为可能；它的应用对化工、冶金清洁生产技术的进步起到独特的关键性的作用，它使企业对污水和废气进行彻底治理的同时，不但不会增加企业的负担，而且还会降低产品的生产成本，提高产品质量，给企业带来更高的经济效益，使企业真正达到零排放。 总之，双极膜的应用，对节能减排，发展循环经济，节约资源，提高资源利用率，解决保护环境与发展经济之间的矛盾都具有重大深远的战略意义。 一、离子交换膜 离子交换摸是电膜过程的“心脏”，通常是由骨架状有机高分子聚合物或无机高分子聚合物所构成的膜状物和附着在骨架上的固定离子基团构成。当离子基团是阴离子时，阳离子可以与其中的阴离子基团结合，进入膜内，在直流电场的作用下，阳离子可在膜内沿电场方向向阴极方向迁移，进而到达膜的另一侧，而阴离子由于同电相斥原理，而不能进入并穿过该膜，简言之，它只允许阳离子通过，所以这种膜被称为阳离子交换膜，
与之相反，当离子基团是阳离子时，它只允许阴离子通过，故此称之谓阴离子交换膜。 二、双极膜 双极膜是在同一张离子交换膜上，一侧带有固定阴离子基团（称之为阳离子交换层），而另一侧带有固定阳离子基团（称之为阴离子交换层）它的这一结构赋予了该膜的一些特殊性能。一方面阴离子和阳离子均不能穿过该膜，另一方面，它能把水分子离解成H+和OH-，并在“正”直流电场作用下，分别从阳离子交换层和阴离子交换层迁出，该膜称之为双极膜。它的工作原理如图1： 图1：双极膜工作原理 三、双极膜电渗析原理 双极膜与阳离子交换膜和阴离子交换膜同时或分别进行组合，构成双极膜电渗析单元，双极膜电渗析单元有三种，即：双极膜与阴、阳离子交换膜组合；双极膜与阳离子交换膜组合；双极膜与阴离子交换膜组合，三种组合型式可在实际应用中实现不同的分离效果，它们的工作原理如下： 1、双极膜与阴离子交换膜和阳离子交换膜的组合（如图2）
双极膜电渗析的组装方式及其功用 徐铜文1 孙树声2 刘兆明2 杨伟华1 李善清2 李旭娣2 何炳林 3 (11中国科学技术大学应用化学系,合肥230026;21山东省海洋化工科学研究院, 山东寿光262737;31南开大学吸附分离功能高分子材料国家重点实验室,天津300071摘要双极膜和单极膜的巧妙配合,可用于多种分离过程,如化工、生物、海洋化工等领域,并大大地改变了这些领域的面貌.本文对于双极膜水解离过程相关的一系列应用中,电渗析器的组装方式进行了较全面的规划和论述,并对这些构型的优劣进行了评价.关键词双极膜电渗析组装方式分类号TQ028.8 双极膜是一种新型离子交换复合膜,它通常由阳离子交换层(N 型膜和阴离子交换层(P 型层复合而成,在国外已商品化,并形成了多个关于双极膜制备方面的专利[1~5].由于阴、阳膜层的复合,给双极膜的传质性能带来了很多新的特性,正如半导体由于P —N 结的发现,导致了许多新型半导体器件的发明,同样用荷有不同电荷密度、厚度和性能的膜材料在不同的复合条件下,可制成不同性能和用途的双极膜[6,7]:比如用于1、2价离子分离膜,防结垢膜,抗污染膜,H +分离膜,低压反渗透脱硬
膜,水解离膜等.尤其是以双极膜技术为基础的水解离领域已成为电渗析工业中新的增长点,也是目前增长最快和潜力最大的领域之一,因为利用双极膜进行水解离,比直接电解水要经济得多[8],据理论计算,制备1mol/L 25℃的酸和碱,双极膜的理论电势只有0.83V ,而电解需2.1V ;直接电解水每个电解池需一对电极, 而双极膜水解离几十对膜组合只需一对电极,因此器件更加紧凑,而且由于无氧化还原反应放出H 2、O 2气体,对电极也不存在腐蚀现象.双极膜水解离不仅用于制备酸和碱,若将其与单极膜巧妙地组合起来,能实现多种功用,可用于多个领域并有望改变这些领域的面貌. 作者在多年对双极膜水解离研究的基础上,结合有关文献,对双极膜电渗析器可能的组装方式进 行论述,并进行一些评价,按其应用的领域不同,分成下述几个方面. 1酸碱的生产
摘要 发酵罐是化工生产中实现化学反应的主要设备。其作用：①使物料混合均匀； ②使气体在液相中很好分散；③使固体颗粒在液相中均匀悬浮；④使不均匀的另一液相均匀悬浮或充分乳化。目前已广泛地用于制药、味精、酶制、食品行业等。它的主要组成部分包括釜体、搅拌装置、传热装置、轴封装置。还根据需要加其他的附件，如装焊人孔、手孔和各种接管(为了便于检修内件及加料、排料)，安装温度计、压力表、视镜、安全泄放装置(为了操作过程中有效地监视和控制物料的温度、压力)等。釜体是由简体和两个封头组成，它的作用是为物料进行化学反应提供一定的空间。搅拌装置是由传动装置，搅拌轴和搅拌器组成，它的作用是参加反应的各种物料均匀混合，使物料很好地接触而加速化学反应的进行。搅拌装置可以分为非潜水型(仅驱动机和减速机及传动系统露在液体外面和潜水型(从驱动机至搅拌器全部潜入液体内)两种类型。传热装置是在釜体内部设置蛇管或在釜体外部设置夹套，它的作用是使控制物料温度在反应所需要范围之内。 本发酵罐的设计容积是63立方米，属于大型罐设计，采用蛇管传热，三级搅拌。 关键词：搅拌罐；搅拌器；釜体；传热装置；轴封装置；人孔
Abstract Fermentation is a chemical reaction to achieve the production of major equipment. Its role is:①to mixed materials; ②the gas is well dispersed in the liquid phase; ③ making uniform solid particles suspended in liquid;④souneven suspension or other liquid emulsified in uniform。For the uniform reaction, now is widely used in pharmaceutical, monosodium glutamate, enzyme system and food industries. Its main components include the reactor body, mixing equipment, heat transfer equipment and seal device. Also add other accessories needed, such as assembly and welding manhole, hand hole and all over (in pieces for ease of maintenance and feeding, nesting), install thermometers, pressure gauges, mirrors, safety relief device (for operation effectively monitor and control the material temperature, pressure) and so on. Mixing device is a gear, shaft and agitator stirring composition, its role is to participate in a variety of materials, reaction mixed evenly, so that good contact material to accelerate the chemical reaction. Mixing devices can be divided into non-diving type (only driven machines and gear and transmission system disclosed in the liquid outside and dive type (from the driving machine to sneak into a liquid blender all) types. Heat transfer device is set in the interior of reactor body coil or external tank set up in the jacket, its role is to control the materials needed in the reaction temperature range. The design of the fermentation tank volume is 63 cubic meters,and this is a large tank design with coil heat transfer and three mixings. Key words:mixing tank；mixer；kettle body；heat transfer equipment；seal device；manhole.
电渗析器 一、 电渗析器的主要结构 电渗析器的主要由膜堆、级区及夹紧装置组成，见图7-6。 图7- 6 电渗析器的基本结构及组装形式 1-压紧板；2-垫板；3-电极；4-垫圈； 5-导水、极水板；6-阳膜；7-淡水隔板框； 8-阴膜；9-浓水隔板框—极水；—浓水；……淡水 在电渗析器中“膜对”是最小电渗析工作单元，它由阴膜、淡水隔板、阳膜和浓水隔板组成。由若干个膜对组成的总体称为“膜堆”。置于电渗析器夹紧装置内侧的电极称为“端电极”。在电渗析器膜堆内，前后两极共同的电极称为“共电极”。 电渗析器的组装方式有串联、并联及串-并联相结合的几种形式。常用“级”和“段”来表示。“级”是指电极对的数目。“段” 是指水流方向，水流通过一个膜堆后，改变方向进入后一个膜堆，即 增加一段。电渗析器的组装方式有一级一段、一级多段、多级多段等。图7-7是电渗析器的组装方式示意图。 一级一段电渗析器即一台电渗析器仅含一段膜堆，由于只有一对端电极，通过每个膜对的电流强度相等。水流通过膜堆时，是平行地向同一方向通过各膜对，实际上这样的膜堆是以并联的形式组成一段。这种电渗析器的产水量大，整台脱盐率就是1张隔板流程长度的脱盐率，多用于大、中型制水场地。国内一级一段电渗析器一般含有200~360个膜对。 一级多段电渗析器通常含有2~3段，使用一对电极，膜堆中通过每个膜对的电流强度相等。这类电渗析器段与段之间的水流方向 图7-7 电渗析器的“级”和“段”示意图 相反，内部必须装有用来改变水流方向的导向隔板，使水流从一段出来改变方向流入另一段，这种方式实际是串联组装。在级内分段是为了增加脱盐流程长度，以提高脱盐率。这种形式的电渗析器单台产水量较小，压降较大，脱盐率较高，适用于中、小型制水场地。 多级多段电渗析器使用共电极使膜堆分级。一台电渗析器含有2~3级、4~6段。将一台电渗析器分成多级多段进行组装，是为了获得更高的脱盐率，多用于小型海水淡化器和小型纯水装置。 二、电渗析器的性能指标 1． 淡水产量 Q d = 0.0036 nvdb 7-22 式中 Q d ——单台电渗析器在单位时间内的淡水产量，m 3/h ；
双极膜电渗析实验设备 双极膜是一种新型离子交换复合膜，它通常由阳离子交换层和阴离子交换层复合而成，用荷有不同电荷密度、厚度和性能的膜材料在不同的复合条件下，可制成不同性能和用途的双极膜，这些用途最基本的原理是双极膜界面层的水分子在反向加压时的离解（又称双极膜水解离），即将水分解成氢离子和氢氧根离子。 双极膜 双极膜电渗析就是基于上述的水解离和普通的电渗析原理的基础上发展起来的，它是以双极膜代替普通电渗析的部分阴、阳膜或者在普通电渗析的阴、阳膜之间加上双极膜构成的。双极膜电渗析的最基本应用是从盐溶液(MX)制备相应的酸(HX)和碱(MOH)，如图所示，料液进入如图所示的三室电渗析膜堆，在直流电场的作用下，盐阴离子(X-)通过阴离子交换膜进入酸室，并与双极膜离解的氢离子生成酸(HX)；而盐
阳离子(M+)通过阳离子交换膜进入碱室，在那里与双极膜离解的氢氧根离子形成碱(MOH)。 双极膜电渗析器工作原理 双极膜电渗析实验设备特点： ●工艺简单实用，外形美观 ●安装使用简单，维护方便 ●设备操作便捷，运行稳定 ●系统运行压力低，能耗低 ●无需加热加压 ●无需添加化学物质 ●结构设计紧凑，设备体积小，占地少 ●实验参数可靠，可依此做工业化设计参考 ●品牌产品，品质保证 膜片及配件特点： ●膜堆更换方便
●化学结构均匀 ●电化学性能好 ●膜抗污染性强 ●膜使用寿命长 ●膜电阻小，能耗低 ●选用配件均为标准产品，部件通用化； 双极膜电渗析器内部结构 双极膜电渗析过程具有集成度高、节能等优点，在化工生产、生物技术、食品工业、环境保护等领域中都有广泛的应用前景，例如用于： ●无机酸的制备与回收 ●无机碱的制备与回收
年产15万吨木薯干酒精工厂的设计 附：设计依据及设计范围 （1）、设计依据原始数据如下： 生产要求：年产150，000吨医药酒精，酒精含量%（V） 生产原料：木薯干片年生产天数：300天 厂址选择：南方某城市（符合建厂条件） 气候条件：良好 最高气温：38℃最低气温：4℃平均气温：20℃最高湿度：95% 平均湿度：78% 主导风向：冬季东北风夏季东南风 河水温度：最高30℃最低10℃ 深井水温度：最高25℃最低：20℃ 自来水温度：最高31℃最低：14℃ （2）、设计范围： ○1. 工艺流程的选取与论证 ○2. 全厂水、电、汽及原料耗用量的平衡计算 ○3. 设备的设计与计算 ○4. 安全防火、经济核算、三废处理途 ○5. 绘制重点车间设计施工图 ○6. 编写设计说明书 设计说明书前有中、英文摘要各一份。 重点车间：原料蒸煮车间 重点设备：糖化罐 绘图内容： ○1.重点车间工艺、设备流程图（带自动控制点） ○2．重点车间设备平面布置图 ○3.重点设备装配图
目录 1 工艺流程的选取与论证 2 物料及热量衡算 3 酒母制造 4 液化罐与糖化罐设计 5 安全防火、三废处理
1 工艺流程的选取与论证 1.（1）原料预处理：木薯干片原料较大块，不易在一次粉碎达到要求，故采用二次粉碎以提高粉碎度[4]。 （2）调浆：采用一个冲量计进行粉水自动化调浆，实现了自动化生产过程，减轻了工人劳动强度。 （3）蒸煮工艺：采用带喷雾转盘的锅式低温常压连续蒸煮方法，生产条件温和，操作安全、简便，热利用率高，节省了蒸汽、能耗，提高了淀粉利用率和设备利用率。 （4）糖化酶的利用：该酶活性高，用量少，配制成溶液即可投入使用，不用进行高温蒸煮，节约了资金、能源，且快速、易操作。 （5）糖化工艺：采用真空前冷却的连续糖化法，使冷却用水用量大大减少，可将醪液在瞬间降低到相应的温度，冷却好的醪液连续进入糖化锅，锅内有搅拌器，冷却器，使糖化温度得以保证。 （6）发酵工艺：采用连续发酵，缩短了发酵周期，提高设备利用率，便于实现自动化、连续化，降低了生产成本。 （7）精馏工艺：采用两塔式蒸馏，粗馏塔采用泡罩塔，精馏塔采用浮阀塔，二塔间用气相过塔，从而节省加热蒸汽、冷却水，但要注意成品质量控制。 2.工艺及设备计算 （1）根据工艺流程草图逐步地进行物料衡算与热量衡算。 （2）计算单位基本是以每小时计，并尽量采用国际单位。 （3）计算中的物理化学参数基本来源一致。 （4）对于标准设备，直接根据生产能力进行选型，而对于非标准设备，则进行设计计算。 （5）对重点设备——糖化罐进行详细地设计计算。 （6）对于其他内容，如经济核算、安全防火、综合处理费用进行估算。
电渗析技术综述 摘要：电渗析技术属于膜分离技术，广泛应用于食品、化工、废水处理等行业的分离纯化的生产过程中，有效率高、经济节能等优点。本文重点介绍电渗析技术的原理和分类，还有电渗析技术在食品行业中的应用及对其发展的展望。 关键词：电渗析原理分类应用展望 1、电渗析 电渗析是在直流电场作用下，利用离子交换膜的选择透过性，带电离子透过离子交换膜定向迁移，从水溶液和其他不带电组分中分离出来，从而实现对溶液的浓缩、淡化、精制和提纯的目的。目前电渗折技术己发展成一个大规模的化工单元过程，在膜分离领域占有重要地位。广泛应用于化工脱盐，海水淡化，食品医药和废水处理等领域，在某些地区已成为饮用水的主要生产方法，具有能量消耗少，经济效益显著；装置设计与系统应用灵活，操作维修方便，不污染环境，装置使用寿命长，原水的回收率高等优点。[1] 2、电渗析技术的发展简介 电渗析技术的研究始于20世纪初的德国，1903年，Morse和Pierce把两根电极分别置于透析袋内部和外部的溶液中发现带点杂质能迅速地从凝胶中除去；1924年，Pauli采用化工设计的原理，改进了Morse的试验装置，力图减轻极化，增加传质速率，直至20世纪50年代离子交换膜的制造进入工业化生产后，电渗析技术才进入实用阶段。其中经历了三大革新：一是具有选择性离子交换膜的应用，二是设计出多层电渗析的组件，三是采用倒换电极的操作式。目前电渗析技术已发展成一个大规模的化工单元过程，在膜分离领域占有重要地位。电渗析技术的分类 3.1、倒极电渗析 倒极电渗析就是根据电渗析原理,每隔一定时间(一般为15～20min),正负电极极性相互倒换,能自动清洗离子交换膜和电极表面形成的污垢,以确保离子交换膜工作效率的长期稳定及淡水的水质水量。在20世纪80年代后期,倒极电渗析器的使用,大大提高了电渗析操作电流和水回收率,延长了运行周期。EDR在废水处理方面尤其有独到之处,其浓水循环、水回收率最高可达95%。 3.2、液膜电渗析 液膜电渗析是用具有相同功能的液态膜代替固态离子交换膜,其实验模型就是用半透玻璃纸将液膜溶液包制成薄层状的隔板,然后装入电渗析器中运行。利用萃取剂作液膜电渗析的液态膜,可能为浓缩和提取贵金属、重金属、稀有金属等找到高效的分离方法,因为寻找对某种形式离子具有特殊选择性的膜与提高电渗析的提取效率有关。提高电渗析的分离效率,直接与液膜结合起来是很有发展前途的。例如,固体离子交换膜对铂族金属(锇、钌等)的盐溶液进行电渗析时,会在膜上形成金属二氧化物沉淀,这将引起膜的过早损耗,并破坏整个工艺过程,应用液膜则无此弊端。 3.3、填充床电渗析 填充床电渗析是将电渗析与离子交换法结合起来的一种新型水处理方法,它的最大特点是利用水解离产生的H+和OH-自动再生填充在电渗析器淡水室中的混床离子交换树脂,从而实现了持续深度脱盐。它集中了电渗析和离子交换法的优点,提高了极限电流密度和电流效率。1983年Ke2dem.o.及其同事们提出了填充混合离子交换树脂电渗析过程除去离子的思想,1987年,Mlillpore公司推出了这一产品。填充床电渗析技术具有高度先进性和实用性,在电子、医药、能源等领域具有广阔的应用前景,可望成为纯水制造的主流技术。 3.4、双极性膜电渗析
第41卷第6期 唐山师范学院学报 2019年11月 Vol.41 No.6 Journal of Tangshan Normal University Nov. 2019 ────────── 收稿日期：2019-09-09 修回日期：2019-10-17 作者简介：方勤翔（1995-），男，安徽合肥人，硕士研究生，研究方向为环境污染控制及治理。 -28- 双极膜电渗析在化工和环保领域的应用进展 方勤翔，卫新来，陈 俊，金 杰 （合肥学院 生物与环境工程系，安徽 合肥 230601） 摘 要：介绍了双极膜电渗析的基本结构及其在化工、环保领域的应用进展，针对双极膜电渗析技术在化工和环保领域中的应用提出建议与展望。 关键词：双极膜；电渗析；化学合成；环境治理 中图分类号：TQ311 文献标识码：A 文章编号：1009-9115(2019)06-0028-05 DOI ：10.3969/j.issn.1009-9115.2019.06.007 Applications of Bipolar Membrance Electrodialysis in the Chemical Industry and Environmental Protection FANG Qin-xiang, WEI Xin-lai, CHEN Jun, JIN Jie (Department of Biological and Environmental Engineering, Hefei University, Hefei 230601, China) Abstract: It mainly introduces the basic structure of bipolar membrane electrodialysis and its application in chemical and environmental protection fields. Finally, it puts forward suggestions and prospects for the application of bipolar membrane electrodialysis technology in the field of chemical industry and environmental protection. Key Words: bipolar membrance; electrodialysis; chemical synthesis; environmental protection 双极膜电渗析系统（bipolar membrane elec- trodialysis ，简称BMED ）是由双极膜与离子交换膜组合而成，与传统电渗析相比，具有高效节能、环境友好、操作方便等突出优点[1]。离子交换膜是整个电渗析技术中的核心，离子交换膜通常是由附着在聚合物骨架上的含离子基团的聚合物薄层组成[1,2]。因此，离子交换膜对能通过膜移动的反离子表现出离子交换性能，而对与固定基团电性相同的同离子表现出排斥性。离子交换膜对同离子和反离子的“渗透选择性”最高可以达99%，“渗透选择性”随着外部电解质浓度的升高而降低[2]。 双极膜通常是由阴、阳离子交换膜复合而成，也有些双极膜除了这两个电荷层外还有其他层。当双极膜反向加电压时，带电离子就会从两种离子交换层的过渡区向主体溶液发生迁移，当所有离子迁移完成后，电流的载体就会由稀溶液 中的H +和OH -来承担， 并通过双极膜中间的过渡区的水的解离而得到及时的补充[3]。 1 BMED 装置的基本构型及工作原理 BMED 的常用的构型由双极膜（BPM ）、阴离子交换膜（AEM ）、阳离子交换膜（CEM ）构成的三隔室BMED 和CEM/BPM 二隔室BMED 、AEM/BPM 二隔室BMED 等。 1.1 三隔室BMED 三隔室BMED 的基本结构如图1所示。三隔室BMED 的典型用途是用来处理易电离的盐溶液。整个电渗析体系中由一张AEM 、一张BPM 和一张CEM 构成的重复单元组成，这种构造被称为三隔室BMED 。 基本单元重复叠加，放置在电极之间，盐溶液在阴离子交换膜和阳离子之间的隔室流动。施