傳質(zhì)分離過程教學(xué)緒論P(yáng)PT.ppt

,傳質(zhì)分離過程 chemical separation engneering,課程簡介,傳質(zhì)分離工程是化學(xué)工程學(xué)科的重要組成部分，是化學(xué)工程與工藝專業(yè)的一門專業(yè)必修課。本課程的任務(wù)是利用相平衡熱力學(xué)、動力學(xué)的微觀機(jī)理，傳熱、傳質(zhì)和動量傳遞理論來研究化工及其它相關(guān)過程中復(fù)雜物質(zhì)的分離和純化技術(shù)，分析和解決在化工生產(chǎn)、設(shè)計和科研中常用的分離過程的理論和實(shí)際問題。 通過本課程的學(xué)習(xí)，要求我們 1）正確理解化工分離工程的有關(guān)基本概念和理論； 2）理解各概念之間的聯(lián)系和應(yīng)用； 3）掌握化工分離工程的基本計算方法； 4）能夠理論聯(lián)系實(shí)際，靈活分析和解決實(shí)際化工生產(chǎn) 和設(shè)計中的有關(guān)問題；,主要任務(wù) 運(yùn)用化工單元操作的基本知識、溶液相平衡理論、動量、熱量和質(zhì)量傳遞的原理來研究化工生產(chǎn)實(shí)際中復(fù)雜的物系的分離和提純技術(shù)、分析和解決在化工生產(chǎn)、設(shè)計和科研中常用的分離過程的理論和實(shí)際問題；討論分離設(shè)備的處理能力和效率，分離過程的節(jié)能技術(shù)和分離流量的選擇；簡要介紹膜分離、吸附、反應(yīng)精餾等其它分離技術(shù)主分離過程的選擇。,通過學(xué)習(xí)和應(yīng)用化工分離過程的基本理論、概念和知識，掌握各種常用分離過程的基本理論，操作特點(diǎn)，簡捷和嚴(yán)格的計算方法和強(qiáng)化、改進(jìn)操作的途徑，對一些新分離技術(shù)有一定的了解；通過對典型實(shí)例的分析和討論，培養(yǎng)選擇適宜的分離方法，進(jìn)行分離過程特性分析，解決在操作和設(shè)計方面的實(shí)際問題的能力；從分離過程的共性出發(fā)，通過討論各種分離方法的特征，培養(yǎng)和建立工程與工藝相結(jié)合的觀點(diǎn)和經(jīng)濟(jì)學(xué)的觀點(diǎn)，以及考慮和處理工程實(shí)際問題的能力。,先修課程： 物理化學(xué)、化工熱力學(xué)、化工原理 同時進(jìn)行的課程： 化工工藝學(xué)、化工過程分析與模擬 教材： 劉家祺 主編.傳質(zhì)分離過程.高等教育出版社,2005. 參考書： 鄧修，吳俊生.化工分離工程. 科學(xué)出版社，2000. 陳洪紡 劉家祺.化工分離過程?；瘜W(xué)工業(yè)出版社, 1995. 劉家祺 主編. 分離過程?；瘜W(xué)工業(yè)出版社, 2002. j d seeder, e j henley. separation process principles. 化學(xué)工業(yè)出版社，2002.,主要內(nèi)容,第1章 緒論 第2章 傳質(zhì)分離過程的熱力學(xué)基礎(chǔ) 第3章 氣液傳質(zhì)分離過程 第4章 液液傳質(zhì)分離過程 第5章 傳質(zhì)分離過程的嚴(yán)格模擬計算 第6章 氣固、液固傳質(zhì)分離過程 第7章 分離過程的節(jié)能優(yōu)化與集成,第1章 緒論,1.1 概述 1.2 分離因子 1.3 分離過程的集成化 1.4 過程開發(fā)及方法 1.5 分離方法的選擇,第1章 緒論 基本要求： 1)了解分離操作在化工生產(chǎn)中的重要性; 2)熟悉分離過程的分類; 3)掌握分離因子的概念及意義; 4)了解分離方法的選擇;,什么是分離過程？ 純組分變成混合物，是熵增自發(fā)過程，反之，混合物變成純凈物則需作功。,分 離 過 程,借助一定的分離劑，實(shí)現(xiàn)混合物中的組分分級（fractionalization）、濃縮（concentration）、富集（enrichment）、純化（purification）、精制（refining）與隔離（isolation）等的過程稱為分離過程。,1.1 概 述,why separate?,why,why,煤 石油 天然氣 生物質(zhì),反應(yīng),化工 原料,分離,產(chǎn)品,一般化工生產(chǎn)過程：,化工生產(chǎn),反應(yīng)（reactive）,萃取物,（extractive natural raw material）,配制（formulation）,分離,分離,分離,一、分離過程的地位,例1：乙烯水合生產(chǎn)乙醇,加氫重整后得到： 輕烴類 非芳烴 苯 甲苯 二甲苯 高級芳烴,目的產(chǎn)物,目的產(chǎn)物為對二甲苯, 原料：石腦油 沸程120230k, 特點(diǎn)：,例2：二甲苯生產(chǎn),煉油、石油化工： 石油煉制工業(yè)通過煉油過程把原油加工為汽油、噴氣燃料、煤油、汽油、燃料油、潤滑油、石蠟油、石油瀝青、石焦油和各種石油化工原料等； 石油化學(xué)工業(yè)以上述原料生產(chǎn)種類極多、范圍極廣的各種化學(xué)品，例如塑料、合成纖維、合成橡膠、合成洗滌劑、溶劑、涂料、農(nóng)藥、染料等； 煉油和石油化工過程緊密結(jié)合，各種分離操作是其生產(chǎn)過程必不可少的組成部分。,蒸餾是煉油和石油工業(yè)中最主要的分離操作過程之一。常壓蒸餾和減壓蒸餾按照沸程不同進(jìn)行石油產(chǎn)品分離； 除此以外，萃取用于溶劑脫蠟，潤滑油精制，溶劑脫瀝青和芳烴抽提等；吸附用于分子篩脫蠟、c8芳烴分離、烯烴和烷烴的分離等。,醫(yī)藥工業(yè)： 分離技術(shù)在保證藥物生產(chǎn)及其質(zhì)量中起著關(guān)鍵作用； 抗生素等發(fā)酵類醫(yī)藥產(chǎn)品的生產(chǎn)中，大量應(yīng)用著過濾、萃取、吸附、膜分離、離子交換、結(jié)晶、干燥等分離技術(shù)； 在天然藥物（如中藥等）生產(chǎn)現(xiàn)代化過程中，超臨界萃取、膜分離、先進(jìn)的過濾、結(jié)晶、干燥等分離技術(shù)有用武之地。,冶金工業(yè) 濕法冶煉中礦物浸取和萃取分離過程溶劑萃取法： 鈾是在工業(yè)中第一個使用溶劑萃取法提取和純化的金屬元素； 用溶劑萃取法從銅礦浸取液中提取銅，是二十世紀(jì)七十年代，在濕法冶煉中取得的一項重要成就； 濕法提取過程也用于磷和硼等無機(jī)礦產(chǎn)的生產(chǎn)過程。,其他： 食品、乳品和飲料工業(yè) 材料工業(yè) 生化工業(yè) 環(huán)境保護(hù) 分離過程的重要性 原料凈化 產(chǎn)品提純 有效組分回收 污染物處理,典型的化工生產(chǎn)裝置包括： 反應(yīng)器；原料、中間產(chǎn)物和產(chǎn)品的分離設(shè)備； 泵、換熱器； 分離貫穿化工過程，占有十分重要的地位。 分離過程的費(fèi)用占總投資的5090。,原料 預(yù)處理 反應(yīng) 分離 粗產(chǎn)品 精制 產(chǎn)品 分離工程 三廢處理,二、分離過程在清潔工藝中的地位與作用,清潔工藝：生產(chǎn)工藝和防治污染有機(jī)的結(jié)合，將污染物減少或消滅在工藝過程中。 面向21世紀(jì)社會和經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的重大課題。,化學(xué)工業(yè)污染來源：,未回收的原料 未回收的產(chǎn)品 有用和無用的副產(chǎn) 原料中的雜質(zhì) 工藝的物料省耗,清潔工藝終合考慮： 合理的原料選擇； 反應(yīng)路徑的清潔化； 物料分離技術(shù)的選擇； 確定合理的流程和工藝參數(shù)。 核心： 化學(xué)反應(yīng) 廢物最小化首先考慮催化劑、反應(yīng)工藝和設(shè)備。,與化工分離過程密切相關(guān)的有： 降低原材料和能源的消耗，提高有效利用率、回收利用率、循環(huán)利用率； 開發(fā)和采用新技術(shù)、新工藝、改善生產(chǎn)操作條件，以控制和消除污染； 采用生產(chǎn)裝置的閉路循環(huán)技術(shù)； 處理生產(chǎn)中的副產(chǎn)物和廢物，使之減少和消除對環(huán)境的危害； 研究、開發(fā)和采用低物耗、低能耗、高效率的“三廢”治理技術(shù)。,閉路循環(huán)系統(tǒng)： 將過程所產(chǎn)生的廢物最大限度地回收和循環(huán)使用。,1單元過程；2處理,實(shí)現(xiàn)分離與再循環(huán)系統(tǒng)使廢物最小化的方法： 廢物直接再循環(huán) 例：廢水 進(jìn)料提純 例：氧化反應(yīng)采用純氧 除去分離過程中加入的附加物質(zhì) 例：共沸劑、萃取劑 附加分離與再循環(huán)系統(tǒng) 例：分離廢物中的有效物，循環(huán)使用,上述原因促使： 傳統(tǒng)分離過程不斷改進(jìn)和發(fā)展 例：反應(yīng)精餾；萃取精餾； 新分離方法不斷出現(xiàn)和實(shí)現(xiàn)工業(yè)化應(yīng)用 例：膜分離；泡沫分離；熱擴(kuò)散；色層分離；,二、分離過程的分類,（一）分離過程的分類,級數(shù)：,相態(tài)：,有無傳質(zhì)發(fā)生：,單級、多級,固固、固液、固氣、氣液、液液、氣氣,機(jī)械分離、傳質(zhì)分離,處理兩相以上的混合物 如過濾、沉降、離心分離等。,處理均相混合物,按物理化學(xué)原理的不同，傳質(zhì)分離可分為：,（二）傳質(zhì)分離過程的分類,平衡分離過程：,速率分離過程：,借助分離劑使均相混合物變成兩相系統(tǒng)，再利用混合物中各組分在處于相平衡的兩相中的不等同分配而實(shí)現(xiàn)分離。,在某種推動力（濃度差、壓力差、溫度差、電位差等）的作用下，利用各組分?jǐn)U散速率的差異實(shí)現(xiàn)分離。,如精餾、吸收、萃取、結(jié)晶、吸附等。,如微濾、超濾、反滲透、電滲析等。,1）平衡分離過程,平衡分離過程的分離單元操作,2）速率控制分離過程,微孔過濾（mf）：,推動力：壓力差（100kpa） 傳遞機(jī)理：篩分,目的：溶液脫粒子，氣體脫粒子,膜分離，如超濾、反滲透、滲析和電滲析等。,超濾（uf）：,推動力：壓力差（1001000kpa） 傳遞機(jī)理：篩分,目的：溶液脫大分子，大分子溶液脫小分子，大分子分級。,反滲透（ro）：,推動力：壓力差（100010000kpa） 傳遞機(jī)理：擴(kuò)散模型,目的：溶劑脫溶質(zhì)，含小分子溶質(zhì)溶液濃縮。,滲析（d）：,推動力：濃度差 傳遞機(jī)理：篩分、微孔膜內(nèi)的擴(kuò)散 透過物：小分子溶質(zhì)或較小的溶質(zhì) 截留物：截留0.02um離子、截留血液0.005um離子,目的：大分子溶質(zhì)溶液脫小分子，小分子溶質(zhì)溶液脫大分子。,又稱透析。利用半透膜能透過小分子和小離子但不能透過膠體粒子的性 質(zhì)從溶膠中除掉作為雜質(zhì)的小分子或離子的過程。,電滲析（ed）：,推動力：電化學(xué)勢 傳遞機(jī)理：反離子經(jīng)離子交換膜的遷移,目的：溶液脫小離子，小離子溶質(zhì)的濃縮、小離子的分級。,熱擴(kuò)散：,原理： 先建立穩(wěn)定的溫度梯度，氣體中較輕的組分向熱線方向飄逸，再建立穩(wěn)定的濃度梯度，熱線附近的氣體由于密度較小流向上頂瓶；冷管壁附近的氣體由于密度較大向下底瓶流動。,場分離，如電泳、熱擴(kuò)散、超速離心分離等。,1.2 分離因子,（1）分離因子的定義 假設(shè)要將i、j兩組分構(gòu)成的混合物分離成1、2兩種產(chǎn)品，兩種產(chǎn)品中兩組分的含量分別用xi1、xj1、xi2、xj2表示。比較這兩個組分在兩種產(chǎn)品中的含量關(guān)系，就可以判定這兩個組分在兩種產(chǎn)品中的分離程度：,分離因子與1的偏離程度表示組分之間分離的難易程度。 當(dāng)ij1時，兩組分在兩產(chǎn)品中的含量相同，無法實(shí)現(xiàn)分離； 當(dāng)ij接近1時，兩組分在兩產(chǎn)品中的含量相近，難以實(shí)現(xiàn)分離； 當(dāng)ij遠(yuǎn)離1時，兩組分在兩產(chǎn)品中的含量差別大，容易實(shí)現(xiàn)分離。 精餾中，分離因子又稱為相對揮發(fā)度，它相對于汽液平衡常數(shù)而言，對溫度和壓力的變化不敏感，可近似看作常數(shù)，使計算簡化。,（2）分離因子的意義 1）雙組分中的相對揮發(fā)度 已知a、b兩組分揮發(fā)度為： 由dalton分壓定律可知：pa+pb=p，而pa=yap，pb=ybp，所以： 2）液液萃取的選擇性系數(shù) 已知a、b兩組分在兩相中的分配系數(shù)為： 則其選擇性系數(shù)為：,1.3.分離過程的集成化 目的：實(shí)現(xiàn)清潔工藝 使物料能量消耗最小； 經(jīng)濟(jì)效益、社會效益最大。,1.3.1反應(yīng)過程與分離過程的耦合 1.3.2分離過程與分離過程的耦合 1.3.3 過程的集成,1.3.1反應(yīng)過程與分離過程的耦合 目的： 改善不利的熱力學(xué)和動力學(xué)因數(shù)，減少設(shè)備、操作費(fèi)用、節(jié)約資源和能源。,化學(xué)吸收化學(xué)反應(yīng)與吸收相結(jié)合 被溶解的組分與吸收劑中的活性組分發(fā)生反應(yīng)，增加傳質(zhì)推動力。 化學(xué)萃取化學(xué)反應(yīng)與萃取相結(jié)合 溶質(zhì)與萃取劑反應(yīng)。如：絡(luò)合反應(yīng)；水解；聚合 反應(yīng)（催化）精餾化學(xué)反應(yīng)與精餾相結(jié)合 例：酯化、皂化、酯交換、胺化、水解 膜反應(yīng)器優(yōu)良分離性能與催化反應(yīng)相結(jié)合 例：利用多孔陶瓷膜催化反應(yīng)器，進(jìn)行丁烯脫氫制丁二烯。丙烷脫氫制丙烯。,控制釋放 將藥物或其他生物活性物質(zhì)以一定形式與膜結(jié)構(gòu)相結(jié)合，使這些活性物質(zhì)只能以一定速度通過擴(kuò)散等方式釋放到環(huán)境中。 膜生物傳感器 由生物催化劑酶或微生物與合成膜及電極轉(zhuǎn)換裝置組成，模仿生物膜對化學(xué)物質(zhì)的識別能力制成，為酶膜傳感器和微生物傳感器 。,1.3.2分離過程與分離過程的耦合,復(fù)合分離過程 優(yōu)點(diǎn)：集原分離過程之所長，避其所短。 適用于: 特殊物系的分離。 萃取結(jié)晶（加和結(jié)晶） 分離：揮發(fā)度相近的組分。 無機(jī)鹽生產(chǎn)（優(yōu)點(diǎn)：節(jié)能） 溶劑可萃取出部分水。,吸附蒸餾 氣一液一固三相分離過程 吸附分離優(yōu)點(diǎn) ： 分離因子高，產(chǎn)品濃度高，能耗低。 缺點(diǎn)：吸附劑用量大 ，收率低。 形成互補(bǔ) 電泳分離 不同蛋白質(zhì)在一定ph值的緩沖溶液中，其溶解度不同，在電場作用下，這些帶電的溶膠離子在介質(zhì)中的泳動速度不同，實(shí)現(xiàn)不同蛋白質(zhì)的分離。,1.3.3 過程的集成,一、傳統(tǒng)分離過程的集成 合理組合傳統(tǒng)分離過程，揚(yáng)長避短，達(dá)到高效、低耗和減少污染的目的。 共沸精餾與萃取集成,優(yōu)點(diǎn)：無污染,二、傳統(tǒng)分離過程與膜分離的集成 將膜技術(shù)應(yīng)用到傳統(tǒng)分離過程中 滲透蒸發(fā) 用來分離揮發(fā)性液體混合物，恒沸、近沸點(diǎn)物系。 蒸汽滲透 例：發(fā)酵液脫水制無水乙醇 水與醇形成二元共沸物，共沸點(diǎn):78.15， x=0.894（mol） 三、膜過程的集成 優(yōu)點(diǎn)：取長補(bǔ)短 例：分離懸浮液為高固體含量物料 將超濾、反滲透、滲透蒸餾組合在一起。,1.4 過程開發(fā)及方法,（1）化工技術(shù)開發(fā) 1）開發(fā)基礎(chǔ)研究 針對項目的應(yīng)用性基礎(chǔ)研究和工藝特征研究，以實(shí)驗室研 究為主。 2）過程研究 進(jìn)行工藝、產(chǎn)品、設(shè)備等的工程放大試驗，包括模型試 驗、微型中試、中試及工業(yè)試驗等的全部或部分過程。 3）工程研究 包括技術(shù)經(jīng)濟(jì)評價、概念設(shè)計、數(shù)學(xué)模型、放大技術(shù)及基 礎(chǔ)設(shè)計等。,（2）放大技術(shù)的常用方法 過程放大的方法有逐級經(jīng)驗放大法、數(shù)學(xué)模型法、工程理論法和參照法四種，常用的是前兩種。 1）逐級經(jīng)驗放大法 以小試擴(kuò)大試驗中試工業(yè)化試驗的程序，通過逐級試驗獲取參數(shù)來達(dá)到目的。穩(wěn)妥，但耗費(fèi)大。 2）數(shù)學(xué)模型法 根據(jù)過程的內(nèi)在規(guī)律，建立準(zhǔn)確描述過程的數(shù)學(xué)模型，通過合理的簡化后，利用計算機(jī)求解得到相關(guān)的參數(shù)。,（3）分離過程開發(fā)應(yīng)達(dá)到的目的 1）合適的分離方法和流程 通常通過小試研究來實(shí)現(xiàn)分離方法的選擇和分離流程的 確定。 2）優(yōu)化的工藝操作