化工分離過程講義(第1講)

1、化工分離工程化工分離工程第一講第一講緒論緒論主要內(nèi)容主要內(nèi)容分離過程在化工生產(chǎn)中作用分離過程在化工生產(chǎn)中作用分離過程的分類及特征分離過程的分類及特征本課程的教學(xué)目的及要求本課程的教學(xué)目的及要求化學(xué)工業(yè)與化工過程化學(xué)工業(yè)與化工過程 化工分離技術(shù)是隨著化學(xué)工業(yè)的發(fā)展而逐漸形成和發(fā)展化工分離技術(shù)是隨著化學(xué)工業(yè)的發(fā)展而逐漸形成和發(fā)展的?，F(xiàn)代化學(xué)工業(yè)開始于的?，F(xiàn)代化學(xué)工業(yè)開始于18世紀(jì)。當(dāng)時，純堿、硫酸等無機(jī)世紀(jì)。當(dāng)時，純堿、硫酸等無機(jī)化學(xué)工業(yè)成為現(xiàn)代化學(xué)工業(yè)的開端?；瘜W(xué)工業(yè)成為現(xiàn)代化學(xué)工業(yè)的開端。19世紀(jì)以煤為基礎(chǔ)原料世紀(jì)以煤為基礎(chǔ)原料的有機(jī)化工發(fā)展起來。開始涉及分離問題，如苯、甲苯、酚的有機(jī)化工發(fā)展

2、起來。開始涉及分離問題，如苯、甲苯、酚等化學(xué)品提純應(yīng)用了吸收、蒸餾、過濾、干燥等分離操作。等化學(xué)品提純應(yīng)用了吸收、蒸餾、過濾、干燥等分離操作。19世紀(jì)末，世紀(jì)末，20世紀(jì)初石油煉制的發(fā)展促進(jìn)了化工分離技術(shù)的世紀(jì)初石油煉制的發(fā)展促進(jìn)了化工分離技術(shù)的成熟與完善。進(jìn)入成熟與完善。進(jìn)入20世紀(jì)世紀(jì)70年代以后，化工分離技術(shù)更加高年代以后，化工分離技術(shù)更加高級化，應(yīng)用也更加廣泛。同時，化工分離技術(shù)與其它科學(xué)技級化，應(yīng)用也更加廣泛。同時，化工分離技術(shù)與其它科學(xué)技術(shù)相互交叉滲透產(chǎn)生一些更新的邊緣分離技術(shù)，如生物分離術(shù)相互交叉滲透產(chǎn)生一些更新的邊緣分離技術(shù)，如生物分離技術(shù)、膜分離技術(shù)、環(huán)境化學(xué)分離技術(shù)、納米分

3、離技術(shù)、超技術(shù)、膜分離技術(shù)、環(huán)境化學(xué)分離技術(shù)、納米分離技術(shù)、超臨界流體萃取技術(shù)等等。臨界流體萃取技術(shù)等等。 化學(xué)工業(yè)化學(xué)工業(yè) 對原料對原料如石油，煤等如石油，煤等原料進(jìn)行化原料進(jìn)行化學(xué)或物理加工加工，改變物質(zhì)的結(jié)構(gòu)或組學(xué)或物理加工加工，改變物質(zhì)的結(jié)構(gòu)或組成，或合成新物質(zhì)成，或合成新物質(zhì),獲得各種有用產(chǎn)品的制獲得各種有用產(chǎn)品的制造工業(yè)造工業(yè)化工過程化工過程(Industry Chemical Processes)Chemical process is is a chemical engineering units in which raw materials are changed or sep

4、arated into usefull products化工過程化工過程化學(xué)反應(yīng)過程化學(xué)反應(yīng)過程物理處理過程物理處理過程 化工生產(chǎn)核心化工生產(chǎn)核心 原料的預(yù)處理原料的預(yù)處理 產(chǎn)品的加工產(chǎn)品的加工（單元操作）（單元操作）分離過程（分離過程（Separation Processes)The separation process is a chemical engineering units to Separate chemical mixtures into their constituents分離過程（分離過程（Separation Processes) 兩種或多種物質(zhì)的混合過程是一個自發(fā)過程，

5、而將混合物分離須采用分離手兩種或多種物質(zhì)的混合過程是一個自發(fā)過程，而將混合物分離須采用分離手段并消耗一定的能量或分離劑，分離技術(shù)系指利用物理，化學(xué)或物理化學(xué)等基本段并消耗一定的能量或分離劑，分離技術(shù)系指利用物理，化學(xué)或物理化學(xué)等基本原理與方法將某種混合物分離成兩個或多個組成彼此不同的產(chǎn)物的一種單元過原理與方法將某種混合物分離成兩個或多個組成彼此不同的產(chǎn)物的一種單元過程程混合物混合物（氣、液、固）（氣、液、固）分分 離離 過過 程程產(chǎn)品產(chǎn)品1產(chǎn)品產(chǎn)品2產(chǎn)品產(chǎn)品n能量分離劑能量分離劑 ESA物質(zhì)分離劑物質(zhì)分離劑 MSA分離工程的地位分離工程的地位化學(xué)工程學(xué)科專業(yè)知識體系化學(xué)工程學(xué)科專業(yè)知識體系化化

6、學(xué)學(xué)工工程程學(xué)學(xué)科科基礎(chǔ)理論體系基礎(chǔ)理論體系專業(yè)基礎(chǔ)理論及專業(yè)專業(yè)基礎(chǔ)理論及專業(yè)專業(yè)基礎(chǔ)理論體系專業(yè)基礎(chǔ)理論體系專業(yè)課程體系專業(yè)課程體系無機(jī)化學(xué)無機(jī)化學(xué),有機(jī)化學(xué)有機(jī)化學(xué),生物化學(xué)生物化學(xué),分析化學(xué)分析化學(xué),物理化學(xué)物理化學(xué),高等數(shù)學(xué)高等數(shù)學(xué),工程數(shù)學(xué)工程數(shù)學(xué),物理學(xué)等物理學(xué)等化學(xué)動力學(xué)及熱力學(xué)化學(xué)動力學(xué)及熱力學(xué)化工原理化工原理化工傳遞過程化工傳遞過程化學(xué)反應(yīng)工程化學(xué)反應(yīng)工程化工熱力學(xué)化工熱力學(xué)化工分離工程化工分離工程化工系統(tǒng)工程化工系統(tǒng)工程化化學(xué)學(xué)工工程程學(xué)學(xué)科科的的兩兩個個基基本本問問題題過程的平衡過程的平衡,限度限度過程的速度過程的速度反應(yīng)過程反應(yīng)過程物理過程物理過程化工熱力學(xué)研究的問題

7、化工熱力學(xué)研究的問題化學(xué)動力學(xué)化學(xué)動力學(xué)和反應(yīng)工程和反應(yīng)工程研究的問題研究的問題單元操作和單元操作和傳遞過程研傳遞過程研究的問題究的問題化學(xué)動力學(xué)研化學(xué)動力學(xué)研究化學(xué)反應(yīng)的究化學(xué)反應(yīng)的動力學(xué)規(guī)律動力學(xué)規(guī)律化學(xué)反應(yīng)工程化學(xué)反應(yīng)工程研究實(shí)現(xiàn)過程研究實(shí)現(xiàn)過程的設(shè)備的設(shè)備傳遞過程研究傳遞過程研究過程的速率與過程的速率與傳遞機(jī)理傳遞機(jī)理單元操作側(cè)重單元操作側(cè)重過程的設(shè)備與過程的設(shè)備與工程問題工程問題分離工程研究應(yīng)用質(zhì)量傳遞原理實(shí)現(xiàn)組分分離分離工程研究應(yīng)用質(zhì)量傳遞原理實(shí)現(xiàn)組分分離的基本原理及工程化問題的基本原理及工程化問題分離過程在化工過程中的作用分離過程在化工過程中的作用為化學(xué)反應(yīng)過程提供符合要求的原料

8、，清除對反應(yīng)和催化劑有害的雜質(zhì)，減為化學(xué)反應(yīng)過程提供符合要求的原料，清除對反應(yīng)和催化劑有害的雜質(zhì)，減少副反應(yīng)的發(fā)生，提高產(chǎn)品的收率。少副反應(yīng)的發(fā)生，提高產(chǎn)品的收率。對化學(xué)反應(yīng)中的反應(yīng)產(chǎn)物進(jìn)行分離提純，得到合格的各種化工產(chǎn)品，同時使對化學(xué)反應(yīng)中的反應(yīng)產(chǎn)物進(jìn)行分離提純，得到合格的各種化工產(chǎn)品，同時使未反應(yīng)的反應(yīng)物循環(huán)利用未反應(yīng)的反應(yīng)物循環(huán)利用分離過程在環(huán)境保護(hù)和充分利用資源、實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展方面也具有重要的作分離過程在環(huán)境保護(hù)和充分利用資源、實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展方面也具有重要的作用用。 石油煉制過程基本流程石油煉制過程基本流程乙烯裂解爐乙烯裂解爐氯堿裝置氯堿裝置食鹽食鹽芳烴抽提芳烴抽提聚氯乙烯聚氯乙烯環(huán)氧

9、氯丙烷環(huán)氧氯丙烷甘油甘油甲醇合成甲醇合成氯乙烯氯乙烯裂解汽油裂解汽油丁二烯抽提丁二烯抽提丁苯橡膠丁苯橡膠低壓聚乙烯低壓聚乙烯苯酚丙酮苯酚丙酮丁辛醇丁辛醇聚丙烯聚丙烯苯乙烯苯乙烯石油煉制石油煉制燒堿燒堿丙酮丙酮苯酚苯酚Cl2H2CO+H2CO+H2乙乙烯烯丙丙烯烯石腦油石腦油苯苯對二甲苯對二甲苯鄰二甲苯鄰二甲苯正丁醇正丁醇辛醇辛醇聚苯乙烯聚苯乙烯C5餾分餾分C4餾分餾分輕柴油輕柴油乙二醇乙二醇HD聚乙烯聚乙烯合成氨合成氨甲烷甲烷空氣分離空氣分離空氣空氣石油化工過程框圖石油化工過程框圖乙烯裝置工藝流程圖乙烯裝置工藝流程圖分離過程的地位和作用分離過程的地位和作用 1 1、化工反應(yīng)過程中未反應(yīng)的原料、

10、化工反應(yīng)過程中未反應(yīng)的原料 2 2、化工生產(chǎn)過程中未能完全回收的產(chǎn)品、化工生產(chǎn)過程中未能完全回收的產(chǎn)品 3 3、化工生產(chǎn)中有用和無用的副產(chǎn)物、化工生產(chǎn)中有用和無用的副產(chǎn)物 4 4、化工原料中的雜質(zhì)、化工原料中的雜質(zhì) 5 5、化工工藝中的物料損耗等等、化工工藝中的物料損耗等等 分離過程是將混合物分成組成相互不相同的兩種或幾種產(chǎn)品的分離過程是將混合物分成組成相互不相同的兩種或幾種產(chǎn)品的操作。一個典型的化工生產(chǎn)裝置通常是由一個反應(yīng)器（有時多于一操作。一個典型的化工生產(chǎn)裝置通常是由一個反應(yīng)器（有時多于一個）和具有提純原料、中間產(chǎn)物和產(chǎn)品的多個分離設(shè)備以及機(jī)、泵、個）和具有提純原料、中間產(chǎn)物和產(chǎn)品的多個

11、分離設(shè)備以及機(jī)、泵、換熱器等構(gòu)成。分離操作一方面為化學(xué)反應(yīng)提供符合質(zhì)量要求的原換熱器等構(gòu)成。分離操作一方面為化學(xué)反應(yīng)提供符合質(zhì)量要求的原料，清除對反應(yīng)或催化劑有害的雜質(zhì)，減少副反應(yīng)和提高收率；另料，清除對反應(yīng)或催化劑有害的雜質(zhì)，減少副反應(yīng)和提高收率；另一方面對反應(yīng)產(chǎn)物進(jìn)行分離提純以得到合格的產(chǎn)品，并使未反應(yīng)的一方面對反應(yīng)產(chǎn)物進(jìn)行分離提純以得到合格的產(chǎn)品，并使未反應(yīng)的反應(yīng)物得以循環(huán)利用。此外，分離操作在環(huán)境保護(hù)和充分利用資源反應(yīng)物得以循環(huán)利用。此外，分離操作在環(huán)境保護(hù)和充分利用資源方面起著特別重要的作用。因此，分離操作在化工生產(chǎn)中占有十分方面起著特別重要的作用。因此，分離操作在化工生產(chǎn)中占有十分

12、重要的地位，在提高生產(chǎn)過程的經(jīng)濟(jì)效益和產(chǎn)品質(zhì)量中起舉足輕重重要的地位，在提高生產(chǎn)過程的經(jīng)濟(jì)效益和產(chǎn)品質(zhì)量中起舉足輕重的作用。對大型的石油工業(yè)和以化學(xué)反應(yīng)為中心的石油化工產(chǎn)生過的作用。對大型的石油工業(yè)和以化學(xué)反應(yīng)為中心的石油化工產(chǎn)生過程，分離裝置的費(fèi)用占總投資的程，分離裝置的費(fèi)用占總投資的5090%。 無論化學(xué)、石油、冶金、食品、輕工、醫(yī)藥、生化和原子能等工業(yè)無論化學(xué)、石油、冶金、食品、輕工、醫(yī)藥、生化和原子能等工業(yè)都廣泛應(yīng)用分離過程。古代煤用于直接燃燒都廣泛應(yīng)用分離過程。古代煤用于直接燃燒, 為飲食和取暖。煉焦工業(yè)的為飲食和取暖。煉焦工業(yè)的興起興起 , 使得煤經(jīng)干餾獲得焦炭和煤氣使得煤經(jīng)干餾獲

13、得焦炭和煤氣 , 煤得到了初步的合理使用。但其副煤得到了初步的合理使用。但其副產(chǎn)煤焦油卻長期被看作無用而有毒的廢物。直到近代產(chǎn)煤焦油卻長期被看作無用而有毒的廢物。直到近代, 發(fā)現(xiàn)煤焦油是含有發(fā)現(xiàn)煤焦油是含有多種芳香族化合物的復(fù)雜混合物多種芳香族化合物的復(fù)雜混合物(達(dá)幾百種物質(zhì)達(dá)幾百種物質(zhì)), 用分餾的方法可以使苯、用分餾的方法可以使苯、酚、萘和更復(fù)雜的芳香族化合物分開酚、萘和更復(fù)雜的芳香族化合物分開, 才使煤的綜合利用臻于完善。同樣才使煤的綜合利用臻于完善。同樣, 從原油的直接燃燒到把它分餾為溶劑油、汽油、煤油、柴油和重油從原油的直接燃燒到把它分餾為溶劑油、汽油、煤油、柴油和重油(瀝青瀝青)等

14、各種組分并加以利用和再加工等各種組分并加以利用和再加工, 直到形成現(xiàn)代龐大的石油煉制和石油化直到形成現(xiàn)代龐大的石油煉制和石油化工體系。都是分離過程成功應(yīng)用于化工生產(chǎn)的典型例子。干燥過程的應(yīng)工體系。都是分離過程成功應(yīng)用于化工生產(chǎn)的典型例子。干燥過程的應(yīng)用遍及各行各業(yè)。谷物的含水量從收獲時約用遍及各行各業(yè)。谷物的含水量從收獲時約30%35%干燥到干燥到13%就可延就可延長儲存期一年。食品含水量低于長儲存期一年。食品含水量低于5%, 微生物難以生存微生物難以生存, 酶難以作用酶難以作用, 可長可長期保持香昧和營養(yǎng)。聚氯乙烯顆粒含水量小于千分之二，可保證聚合加期保持香昧和營養(yǎng)。聚氯乙烯顆粒含水量小于千

15、分之二，可保證聚合加工成型時不出現(xiàn)氣泡和增加塑料制品的強(qiáng)度。此外工成型時不出現(xiàn)氣泡和增加塑料制品的強(qiáng)度。此外, 建材、木材、布匹、建材、木材、布匹、 紙張、皮革、藥物、油漆等等無不涉及干燥。據(jù)統(tǒng)計(jì)紙張、皮革、藥物、油漆等等無不涉及干燥。據(jù)統(tǒng)計(jì), 僅化工產(chǎn)品就有僅化工產(chǎn)品就有20萬種以上需要干燥作業(yè)。萬種以上需要干燥作業(yè)。 隨著工業(yè)的現(xiàn)代化隨著工業(yè)的現(xiàn)代化, 科學(xué)研究和生產(chǎn)技術(shù)向著高質(zhì)量、高純度、精科學(xué)研究和生產(chǎn)技術(shù)向著高質(zhì)量、高純度、精密加工、微型化和高技術(shù)密集型發(fā)展密加工、微型化和高技術(shù)密集型發(fā)展 , 而這些都必須有分離過程的密切而這些都必須有分離過程的密切配合。就以半導(dǎo)體與電子技術(shù)為例配合

16、。就以半導(dǎo)體與電子技術(shù)為例, 高質(zhì)量、高純度的材料超純水、半高質(zhì)量、高純度的材料超純水、半導(dǎo)體鍺和硅導(dǎo)體鍺和硅, 以及載氣氮、氦等以及載氣氮、氦等, 其純度都要在其純度都要在99.99%以上以上, 有的甚至達(dá)有的甚至達(dá)到到99.9999%。這類產(chǎn)品的微型化。這類產(chǎn)品的微型化, 使集成電路的線距僅使集成電路的線距僅1m。彩色顯像。彩色顯像管裝配封口后管裝配封口后, 管內(nèi)不得含有微粒管內(nèi)不得含有微粒, 否則在屏幕上會因折射而出現(xiàn)閃爍亮否則在屏幕上會因折射而出現(xiàn)閃爍亮點(diǎn)而導(dǎo)致報(bào)廢點(diǎn)而導(dǎo)致報(bào)廢, 于是于是, 無論載氣和裝配車間的空氣都必須經(jīng)潔凈處理到每無論載氣和裝配車間的空氣都必須經(jīng)潔凈處理到每升氣體

17、中所含大于升氣體中所含大于0.5m的塵粒少于的塵粒少于3.5個。僅潔凈空氣和純水為例個。僅潔凈空氣和純水為例, 就就已包括了沉降、濕法洗凈、過濾、電除塵、絮凝、泡沫分離、電滲析、已包括了沉降、濕法洗凈、過濾、電除塵、絮凝、泡沫分離、電滲析、超濾、反滲透以及離子交換等如此多的分離單元操作。超濾、反滲透以及離子交換等如此多的分離單元操作。 事實(shí)上，在醫(yī)藥、材料、冶金、食品、生化、原子能和環(huán)保等領(lǐng)事實(shí)上，在醫(yī)藥、材料、冶金、食品、生化、原子能和環(huán)保等領(lǐng)域也都廣泛地應(yīng)用到分離過程。例如，藥物的精制和提純；從礦產(chǎn)中域也都廣泛地應(yīng)用到分離過程。例如，藥物的精制和提純；從礦產(chǎn)中提取和精選金屬；食品的脫水、除

18、去有毒或有害成分；抗菌素的凈制提取和精選金屬；食品的脫水、除去有毒或有害成分；抗菌素的凈制和病毒的分離；同位素的分離和重水的制備等都離不開分離過程。和病毒的分離；同位素的分離和重水的制備等都離不開分離過程。 隨著現(xiàn)代工業(yè)趨向大型化生產(chǎn)，所產(chǎn)生的大量廢氣、廢水、廢渣隨著現(xiàn)代工業(yè)趨向大型化生產(chǎn)，所產(chǎn)生的大量廢氣、廢水、廢渣更需集中排放。對各種形式的流出廢物進(jìn)行末端治理，使其達(dá)到有關(guān)更需集中排放。對各種形式的流出廢物進(jìn)行末端治理，使其達(dá)到有關(guān)的排放標(biāo)準(zhǔn)，不但涉及物料的綜合利用，而且還關(guān)系到環(huán)境污染和生的排放標(biāo)準(zhǔn)，不但涉及物料的綜合利用，而且還關(guān)系到環(huán)境污染和生態(tài)平衡。如原子能廢水中微量同位素物質(zhì)，很

19、多工業(yè)廢氣中的硫化氫、態(tài)平衡。如原子能廢水中微量同位素物質(zhì)，很多工業(yè)廢氣中的硫化氫、二氧化硫、氧化氮等都需妥善處理。近年來，由于能源緊張，石油提二氧化硫、氧化氮等都需妥善處理。近年來，由于能源緊張，石油提價，對分離過程的能耗要求越來越苛刻，隨之對設(shè)備性能要求也越來價，對分離過程的能耗要求越來越苛刻，隨之對設(shè)備性能要求也越來越高。分離技術(shù)的應(yīng)用越來越得到人們的高度重視。越高。分離技術(shù)的應(yīng)用越來越得到人們的高度重視。 需要說明的是，分離技術(shù)不僅僅應(yīng)用于化學(xué)工業(yè)。生產(chǎn)實(shí)踐證明，將地球需要說明的是，分離技術(shù)不僅僅應(yīng)用于化學(xué)工業(yè)。生產(chǎn)實(shí)踐證明，將地球上各種各樣的混合物進(jìn)行分離和提純是促進(jìn)科技發(fā)展、提高和

20、改善生活水平的上各種各樣的混合物進(jìn)行分離和提純是促進(jìn)科技發(fā)展、提高和改善生活水平的一種重要途徑。由于發(fā)明了冶煉術(shù)，把金屬從礦石中分離出來，使人類從石器一種重要途徑。由于發(fā)明了冶煉術(shù)，把金屬從礦石中分離出來，使人類從石器時代進(jìn)入了銅器時代，開始向文明社會進(jìn)步；放射性鈾的同位素分離成功，迎時代進(jìn)入了銅器時代，開始向文明社會進(jìn)步；放射性鈾的同位素分離成功，迎來了原子能時代；將水和空氣中微量雜質(zhì)除去的分離技術(shù)，大幅提高了超大規(guī)來了原子能時代；將水和空氣中微量雜質(zhì)除去的分離技術(shù)，大幅提高了超大規(guī)模集成電器元件的成品合格率，使它得以商品化生產(chǎn)，同時集成度也大幅提高；模集成電器元件的成品合格率，使它得以商品

21、化生產(chǎn)，同時集成度也大幅提高；深冷分離技術(shù)可從混合氣體中分離出純氧、純氮和純氫，獲得了接近絕對零度深冷分離技術(shù)可從混合氣體中分離出純氧、純氮和純氫，獲得了接近絕對零度的低溫，為科學(xué)研究和生產(chǎn)技術(shù)提供了極為廣闊的發(fā)展基礎(chǔ)，為火箭提供了具的低溫，為科學(xué)研究和生產(chǎn)技術(shù)提供了極為廣闊的發(fā)展基礎(chǔ)，為火箭提供了具有極大推動力的高能燃料；從水中去除鹽和有素物質(zhì)的蒸餾、吸附、萃取、膜有極大推動力的高能燃料；從水中去除鹽和有素物質(zhì)的蒸餾、吸附、萃取、膜分離等分離技術(shù)，使人們能從取之不盡的大海中提取淡水，從工、農(nóng)業(yè)污水中分離等分離技術(shù)，使人們能從取之不盡的大海中提取淡水，從工、農(nóng)業(yè)污水中回收干凈水和其它有用的東西

22、。當(dāng)代工業(yè)的三大支柱是材料、能源和信息，這回收干凈水和其它有用的東西。當(dāng)代工業(yè)的三大支柱是材料、能源和信息，這三大產(chǎn)業(yè)的發(fā)展都離不開新的分離技術(shù)。人類生活水平的進(jìn)一步提高也有賴于三大產(chǎn)業(yè)的發(fā)展都離不開新的分離技術(shù)。人類生活水平的進(jìn)一步提高也有賴于新的分離技術(shù)。在新的分離技術(shù)。在21世紀(jì)，分離技術(shù)必將日新月異，再創(chuàng)輝煌。世紀(jì)，分離技術(shù)必將日新月異，再創(chuàng)輝煌。 清潔工藝也稱少廢無廢技術(shù)，它是面向清潔工藝也稱少廢無廢技術(shù)，它是面向21世紀(jì)社會和經(jīng)濟(jì)可持續(xù)世紀(jì)社會和經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的重大課題，也是當(dāng)今世界科學(xué)進(jìn)步的主要內(nèi)容之一。清潔工藝就發(fā)展的重大課題，也是當(dāng)今世界科學(xué)進(jìn)步的主要內(nèi)容之一。清潔工藝就是將

23、生產(chǎn)工藝和防治污染有機(jī)地結(jié)合起來，將污染物減少或消滅在工藝是將生產(chǎn)工藝和防治污染有機(jī)地結(jié)合起來，將污染物減少或消滅在工藝過程中，從根本上解決工業(yè)污染問題。開發(fā)和采用清潔工藝，既符合過程中，從根本上解決工業(yè)污染問題。開發(fā)和采用清潔工藝，既符合“預(yù)防優(yōu)于治理預(yù)防優(yōu)于治理”的方針，同時又降低了原材料和能源的消耗，提高企的方針，同時又降低了原材料和能源的消耗，提高企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益，是保護(hù)生態(tài)環(huán)境和經(jīng)濟(jì)建設(shè)協(xié)調(diào)發(fā)展的最佳途徑。因此業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益，是保護(hù)生態(tài)環(huán)境和經(jīng)濟(jì)建設(shè)協(xié)調(diào)發(fā)展的最佳途徑。因此清潔工藝是一種節(jié)能、低耗、高效、安全、無污染的工藝技術(shù)。就化學(xué)清潔工藝是一種節(jié)能、低耗、高效、安全、無污染的工藝技術(shù)

24、。就化學(xué)工業(yè)而言，清潔工藝的本質(zhì)是合理利用資源，減少甚至消除廢料的產(chǎn)生。工業(yè)而言，清潔工藝的本質(zhì)是合理利用資源，減少甚至消除廢料的產(chǎn)生?；瘜W(xué)工業(yè)是工業(yè)污染的大戶，化工生產(chǎn)所造成的污染來源于：化學(xué)工業(yè)是工業(yè)污染的大戶，化工生產(chǎn)所造成的污染來源于： 1、未回收的原料；、未回收的原料； 2、未回收的產(chǎn)品；、未回收的產(chǎn)品； 3、有用和無用的副產(chǎn)品；、有用和無用的副產(chǎn)品； 4、原料中的雜質(zhì)；、原料中的雜質(zhì)； 5、工藝的物料損耗。、工藝的物料損耗。與化工分離過程密切相關(guān)的化工清潔工藝包括有：與化工分離過程密切相關(guān)的化工清潔工藝包括有：1、降低原材料和能源的消耗，提高有效利用率、回收利用率和循環(huán)、降低原材料

25、和能源的消耗，提高有效利用率、回收利用率和循環(huán)利用率；利用率；2、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、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；污染；3、采用生產(chǎn)工藝裝置的閉路循環(huán)技術(shù)；、采用生產(chǎn)工藝裝置的閉路循環(huán)技術(shù)；4、處理生產(chǎn)中的副產(chǎn)物和廢物，使之減少或消除對環(huán)境的危害；、處理生產(chǎn)中的副產(chǎn)物和廢物，使之減少或消除對環(huán)境的危害；5、研究、開發(fā)和采用低物耗、低能耗、高效率的、研究、開發(fā)和采用低物耗、低能耗、高效率的“三廢三廢”治理技術(shù)。治理技術(shù)。 因此，清潔工藝的開發(fā)和應(yīng)用離不開傳統(tǒng)分離技術(shù)的改進(jìn)，新分離技因此，清潔工藝的開發(fā)和應(yīng)用離不開傳統(tǒng)分離技術(shù)

26、的改進(jìn)，新分離技術(shù)的研究、開發(fā)和工業(yè)應(yīng)用，以及分離過程之間、反應(yīng)和分離過程之術(shù)的研究、開發(fā)和工業(yè)應(yīng)用，以及分離過程之間、反應(yīng)和分離過程之間的集成化。間的集成化。閉路循環(huán)系統(tǒng)是清潔工藝的重要方面，其核心是將過程所產(chǎn)生的廢物最大限度閉路循環(huán)系統(tǒng)是清潔工藝的重要方面，其核心是將過程所產(chǎn)生的廢物最大限度地回收和循環(huán)使用，減少生產(chǎn)過程中排出廢物的數(shù)量地回收和循環(huán)使用，減少生產(chǎn)過程中排出廢物的數(shù)量 如果工藝中的分離系統(tǒng)能夠有效地進(jìn)行分離和再循環(huán)，那么該工如果工藝中的分離系統(tǒng)能夠有效地進(jìn)行分離和再循環(huán)，那么該工藝產(chǎn)生的廢物就最少。實(shí)現(xiàn)分離與再循環(huán)系統(tǒng)使廢物最小化的方法藝產(chǎn)生的廢物就最少。實(shí)現(xiàn)分離與再循環(huán)系統(tǒng)

27、使廢物最小化的方法有以下幾種：有以下幾種： 1、廢物直接再循環(huán)；、廢物直接再循環(huán)； 2、進(jìn)料提純；、進(jìn)料提純； 3、除去分離過程中加入的附加物質(zhì)；、除去分離過程中加入的附加物質(zhì)； 4、附加分離與再循環(huán)系統(tǒng)；、附加分離與再循環(huán)系統(tǒng)； 清潔工藝除應(yīng)避免在工藝過程中生成污染物，即從源頭減少三清潔工藝除應(yīng)避免在工藝過程中生成污染物，即從源頭減少三廢之外，生成廢物的分離、再循環(huán)利用和廢物的后處理也是極其重廢之外，生成廢物的分離、再循環(huán)利用和廢物的后處理也是極其重要的，而這后一部分任務(wù)在多是由化工分離操作承擔(dān)和完成的。要的，而這后一部分任務(wù)在多是由化工分離操作承擔(dān)和完成的。 化化工工分分離離設(shè)設(shè)備備技技術(shù)

28、術(shù)特特點(diǎn)點(diǎn) (1)化工分離技術(shù)的多樣性化工分離技術(shù)的多樣性 (2)化工分離技術(shù)的複雜性化工分離技術(shù)的複雜性 (3)分離技術(shù)的前瞻性分離技術(shù)的前瞻性 (4)分離技術(shù)的特殊性分離技術(shù)的特殊性 化工分離技術(shù)的多樣性化工分離技術(shù)的多樣性 由於化工分離技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域十分廣泛，決定了由於化工分離技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域十分廣泛，決定了分離技術(shù)的多樣性。按機(jī)理劃分，大致可分成分離技術(shù)的多樣性。按機(jī)理劃分，大致可分成5類：類：生成新相以進(jìn)行分離生成新相以進(jìn)行分離(如蒸餾、結(jié)晶如蒸餾、結(jié)晶)；加入新相；加入新相進(jìn)行分離進(jìn)行分離(如萃取、吸收如萃取、吸收)；用隔離物進(jìn)行分離；用隔離物進(jìn)行分離(如如膜分離膜分離)；用固體試劑

29、進(jìn)行分離；用固體試劑進(jìn)行分離(如吸附、離子交如吸附、離子交換換)；用外力場和梯度進(jìn)行分離；用外力場和梯度進(jìn)行分離(如離心萃取分離和如離心萃取分離和電泳等電泳等)，它們的特點(diǎn)和設(shè)計(jì)方法有所不同。，它們的特點(diǎn)和設(shè)計(jì)方法有所不同。 化工分離技術(shù)的複雜性化工分離技術(shù)的複雜性 化工分離技術(shù)的重要性和多樣性決定了它的複雜性。即使對於精餾、化工分離技術(shù)的重要性和多樣性決定了它的複雜性。即使對於精餾、萃取這些較為成熟的技術(shù)，多組分體係大型設(shè)備的設(shè)計(jì)仍是一項(xiàng)困難的萃取這些較為成熟的技術(shù)，多組分體係大型設(shè)備的設(shè)計(jì)仍是一項(xiàng)困難的工作，問題是缺乏基礎(chǔ)特性數(shù)據(jù)和大型塔器的可靠設(shè)計(jì)方法。對於高溫、工作，問題是缺乏基礎(chǔ)特性

30、數(shù)據(jù)和大型塔器的可靠設(shè)計(jì)方法。對於高溫、高壓、多組分和強(qiáng)非理想體係，不僅平衡數(shù)據(jù)和分子擴(kuò)散係數(shù)難以準(zhǔn)確高壓、多組分和強(qiáng)非理想體係，不僅平衡數(shù)據(jù)和分子擴(kuò)散係數(shù)難以準(zhǔn)確計(jì)算，就連界麵張力粘度等物性數(shù)據(jù)也難以求得。計(jì)算，就連界麵張力粘度等物性數(shù)據(jù)也難以求得。 催化劑和反應(yīng)萃取之類的耦合分離技術(shù)的基礎(chǔ)特性數(shù)據(jù)更為缺乏。催化劑和反應(yīng)萃取之類的耦合分離技術(shù)的基礎(chǔ)特性數(shù)據(jù)更為缺乏。大型塔器設(shè)計(jì)的放大的主要難度在於塔內(nèi)兩相流和傳質(zhì)特性十分複雜，大型塔器設(shè)計(jì)的放大的主要難度在於塔內(nèi)兩相流和傳質(zhì)特性十分複雜，數(shù)字模型尚不完善。沿用了百餘年的平衡級模型雖然簡單直觀，但用於數(shù)字模型尚不完善。沿用了百餘年的平衡級模型雖

31、然簡單直觀，但用於多組分分離過程的缺點(diǎn)已顯而易見。非平衡模型被稱為多組分分離過程的缺點(diǎn)已顯而易見。非平衡模型被稱為可能開創(chuàng)板式可能開創(chuàng)板式分離設(shè)備設(shè)計(jì)和模擬新紀(jì)元分離設(shè)備設(shè)計(jì)和模擬新紀(jì)元優(yōu)點(diǎn)顯著，但缺乏傳質(zhì)係數(shù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和模優(yōu)點(diǎn)顯著，但缺乏傳質(zhì)係數(shù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和模型參數(shù)過多，使其工程應(yīng)用存在困難。已開發(fā)出的軟件功能強(qiáng)大，已在型參數(shù)過多，使其工程應(yīng)用存在困難。已開發(fā)出的軟件功能強(qiáng)大，已在工程設(shè)計(jì)中得到應(yīng)用，但工程經(jīng)驗(yàn)和中試實(shí)驗(yàn)仍是不可缺少的。工程設(shè)計(jì)中得到應(yīng)用，但工程經(jīng)驗(yàn)和中試實(shí)驗(yàn)仍是不可缺少的。分離技術(shù)的前瞻性分離技術(shù)的前瞻性 隨著能源、資源、環(huán)境、新材料等基礎(chǔ)工業(yè)和高新技術(shù)的發(fā)展，分隨著能源、資源

32、、環(huán)境、新材料等基礎(chǔ)工業(yè)和高新技術(shù)的發(fā)展，分類技術(shù)麵臨著新的機(jī)遇和挑戰(zhàn)。石化領(lǐng)域的分離過程必需進(jìn)一步節(jié)能和類技術(shù)麵臨著新的機(jī)遇和挑戰(zhàn)。石化領(lǐng)域的分離過程必需進(jìn)一步節(jié)能和降耗，充分利用能源和資源。生產(chǎn)裝置大型化步伐正在加快，能耗和成降耗，充分利用能源和資源。生產(chǎn)裝置大型化步伐正在加快，能耗和成本不斷降低。本不斷降低。在生物製藥工程方麵，隨著基因工程和細(xì)胞工程的發(fā)展，生物藥品在生物製藥工程方麵，隨著基因工程和細(xì)胞工程的發(fā)展，生物藥品得到迅速發(fā)展。利用得到迅速發(fā)展。利用CO2作為溶劑的超臨萃取具有不汙染產(chǎn)品和選擇性作為溶劑的超臨萃取具有不汙染產(chǎn)品和選擇性高等優(yōu)點(diǎn)。色譜分離、電泳分離等方法由於其高效、

33、常溫常壓特點(diǎn)而成高等優(yōu)點(diǎn)。色譜分離、電泳分離等方法由於其高效、常溫常壓特點(diǎn)而成功地應(yīng)用於生產(chǎn)及實(shí)驗(yàn)室研究。隨著環(huán)境意識的加強(qiáng)，功地應(yīng)用於生產(chǎn)及實(shí)驗(yàn)室研究。隨著環(huán)境意識的加強(qiáng)，“三廢三廢”處理引處理引起了重視。從工業(yè)生態(tài)學(xué)的角度分析，許多工藝過程排出的起了重視。從工業(yè)生態(tài)學(xué)的角度分析，許多工藝過程排出的廢物廢物，不，不再是再是“無用無用”的，而是沒有完全利用的物質(zhì)，的，而是沒有完全利用的物質(zhì)，“三廢處理三廢處理”對分離技術(shù)對分離技術(shù)是一種新的挑戰(zhàn)。是一種新的挑戰(zhàn)。 分離技術(shù)的特殊性分離技術(shù)的特殊性 競爭促進(jìn)了分離過程的強(qiáng)化，分離過程的強(qiáng)化包括新裝置新工藝競爭促進(jìn)了分離過程的強(qiáng)化，分離過程的強(qiáng)化包

34、括新裝置新工藝方法兩個方麵。任何能使設(shè)備小型化、能量高效化和有利於可持續(xù)性方法兩個方麵。任何能使設(shè)備小型化、能量高效化和有利於可持續(xù)性發(fā)展的化工分離新技術(shù)均屬於分離過程的強(qiáng)化之列。這是化工分離技發(fā)展的化工分離新技術(shù)均屬於分離過程的強(qiáng)化之列。這是化工分離技術(shù)發(fā)展的重要趨勢之一。術(shù)發(fā)展的重要趨勢之一。 耦合分離技術(shù)受到關(guān)注。催化劑精餾、膜精餾、吸附精餾、反應(yīng)耦合分離技術(shù)受到關(guān)注。催化劑精餾、膜精餾、吸附精餾、反應(yīng)萃取、絡(luò)合吸附、反膠團(tuán)、膜萃取、發(fā)酵萃取、化學(xué)吸附和電泳萃取萃取、絡(luò)合吸附、反膠團(tuán)、膜萃取、發(fā)酵萃取、化學(xué)吸附和電泳萃取等新型耦合分離技術(shù)得到了長足的發(fā)展，並實(shí)現(xiàn)了工業(yè)化。耦合分離等新型耦

35、合分離技術(shù)得到了長足的發(fā)展，並實(shí)現(xiàn)了工業(yè)化。耦合分離技術(shù)可能解決許多傳統(tǒng)分離難以完成的任務(wù)。電動耦合色譜可以高效技術(shù)可能解決許多傳統(tǒng)分離難以完成的任務(wù)。電動耦合色譜可以高效地分離維生素。地分離維生素。 信息技術(shù)推動了分離技術(shù)的發(fā)展。分離科學(xué)和技術(shù)具有多學(xué)科交信息技術(shù)推動了分離技術(shù)的發(fā)展。分離科學(xué)和技術(shù)具有多學(xué)科交叉的特點(diǎn)，信息技術(shù)和傳統(tǒng)化工方法結(jié)合加速了分離技術(shù)的進(jìn)步。叉的特點(diǎn)，信息技術(shù)和傳統(tǒng)化工方法結(jié)合加速了分離技術(shù)的進(jìn)步。分離過程分離過程傳質(zhì)分離過程傳質(zhì)分離過程機(jī)械分離過程機(jī)械分離過程平衡分離過程平衡分離過程速率分離過程速率分離過程 借助分離媒介使均相混合物形借助分離媒介使均相混合物形成兩

36、相成兩相,以混合物中不同組在處以混合物中不同組在處于平衡的兩相中不同分布為依于平衡的兩相中不同分布為依據(jù)實(shí)現(xiàn)混合物分離的過程據(jù)實(shí)現(xiàn)混合物分離的過程在某種推動力作用下在某種推動力作用下(或在選或在選擇性膜的配合下?lián)裥阅さ呐浜舷?,利用各組分利用各組分?jǐn)U散速度的不同實(shí)現(xiàn)組分分?jǐn)U散速度的不同實(shí)現(xiàn)組分分離的過程離的過程分離過程分類分離過程分類機(jī)械分離機(jī)械分離利用機(jī)械力簡單的將兩相混合物相互分離的利用機(jī)械力簡單的將兩相混合物相互分離的過程稱為機(jī)械分離過程，他們的分離對象多為兩過程稱為機(jī)械分離過程，他們的分離對象多為兩相混合物，分離時相間沒有物質(zhì)傳遞發(fā)生，它們相混合物，分離時相間沒有物質(zhì)傳遞發(fā)生，它們在化

37、學(xué)工程中也有很重要的作用，如氣固催化反在化學(xué)工程中也有很重要的作用，如氣固催化反應(yīng)中固體催化劑的分離。但本課程不討論這方面應(yīng)中固體催化劑的分離。但本課程不討論這方面的內(nèi)容。的內(nèi)容。 平衡分離過程系借助分離媒介（如熱能、溶劑、吸附劑等）平衡分離過程系借助分離媒介（如熱能、溶劑、吸附劑等）使均相混合物系統(tǒng)變?yōu)閮上嘞到y(tǒng)，再以混合物中各組分在處于使均相混合物系統(tǒng)變?yōu)閮上嘞到y(tǒng)，再以混合物中各組分在處于相平衡的兩相中不等同的分配為依據(jù)而實(shí)現(xiàn)分離。相平衡的兩相中不等同的分配為依據(jù)而實(shí)現(xiàn)分離。 分離媒介可以是能量媒介（分離媒介可以是能量媒介（ESA）或物質(zhì)媒介（）或物質(zhì)媒介（MSA），），有時也可以兩種同時應(yīng)

38、用。根據(jù)兩相狀態(tài)不同有時也可以兩種同時應(yīng)用。根據(jù)兩相狀態(tài)不同 , 平衡分離過程平衡分離過程可分為如下幾類。可分為如下幾類。 氣液傳質(zhì)過程氣液傳質(zhì)過程 : 如吸收、氣體的增濕和減濕。如吸收、氣體的增濕和減濕。 汽液傳質(zhì)過程汽液傳質(zhì)過程 : 如液體的蒸餾和精餾。如液體的蒸餾和精餾。 液液傳質(zhì)過程液液傳質(zhì)過程 : 如萃取。如萃取。 液固傳質(zhì)過程液固傳質(zhì)過程 : 如結(jié)晶、浸取、吸附、離子交換、色層分如結(jié)晶、浸取、吸附、離子交換、色層分 離、參數(shù)泵分離等。離、參數(shù)泵分離等。 氣固傳質(zhì)過程氣固傳質(zhì)過程 : 如固體干燥、吸附等。如固體干燥、吸附等。 Partial condensation, partial

39、 vaporization1 Feed mixture: species that differ widely in their tendency to vaporize or condense.2 Heat removed to partially condense a vapor feed and heat added to partially vaporize liquid feed.3 Principle of separation: difference in volatilities4 Created phase: liquid and/or vapor5 Separating a

40、gent: heat (ESA)Flash vaporizationPartial vaporization by reducing the pressure of the feed.Principle of separation: difference in volatilitiesCreated phase: vaporSeparating agent: pressure reduction DistillationIf volatility differences are not sufficiently large single partial vaporization or cond

41、ensation step is not sufficient multiple stagesPrinciple of separation: difference in volatilitiesCreated or added phase: vapor and liquidSeparating agent: heat (work) transfer (ESA)BoilupReboilerStrippingRefluxRectifyingCondenserExtractive DistillationIf volatility differences are so small as to ne

42、cessitate use of more than 100 trays. Principle of separation: difference in volatilitiesCreated or added phase: vapor and liquidSeparating agent: liquid solvent (MSA) and heat transfer (ESA)AbsorptionIf the feed is all vapor and the stripping section of the column is not needed to achieve the desir

43、ed separation.Usually does not require an ESA, conducted at ambient temperature and high pressure.Principle of separation: preferential solubilityCreated or added phase: liquidSeparating agent: liquid absorbent (MSA)Reboiled AbsorptionIf condensation of vapor leaving the top of the distillation colu

44、mn is not easily accomplished by heat transfer, a liquid MSA called an absorbent may be introduced to the top tray in place of refluxPrinciple of separation: difference in volatilities, preferential solubilityCreated or added phase: vapor and liquidSeparating agent: liquid absorbent (MSA) and heat t

45、ransfer (ESAStrippingThe inverse of absorption. A liquid mixture is separated by contacting liquid feed with a stripping agent ( a vapor). Eliminates the need to reboil the liquid at the bottom of the column. Important if the liquid is not thermally stable. Principle of separation: difference in vol

46、atilitiesCreated or added phase: vaporSeparating agent: stripping vapor (MSA)Refluxed StrippingIt is employed if simple stripping is not sufficient to achieve the desired separation and contacting trays are needed above the feed tray.Principle of separation: difference in volatilitiesCreated or adde

47、d phase: vapor and liquidSeparating agent: stripping vapor (MSA) and heat transfer (ESA)Reboiled StrippingIf the bottoms product from a stripper is thermally stable, it may be reboiled without using an MSAPrinciple of separation: difference in volatilitiesCreated or added phase: vapor Separating age

48、nt: heat transfer (ESA)Azeotropic DistillationFor constant boiling mixtures, separation by distillation is not possible. An entrainer (MSA) is used which forms a heterogoneous minimum boiling azeotrope with one of the components in the mixture. Principle of separation: boiling point differences caus

49、ed by formation of a heterogeneous azeotropic mixtureCreated or added phase: vapor and liquid Separating agent: liquid entrainer (MSA) and heat transfer (ESA)azeotrope( MSA + i )Liquid-liquid extractionUsed when distillation is impractical.The mixture to be separated is heat sensitive,Volatility dif

50、ferences are much too smallPrinciple of separation: different solubilities of different species in the two liquid phasesCreated or added phase: liquid Separating agent: liquid solvent (MSA)Liquid-liquid extraction (two solvent)Liquid-liquid extractionDrying of solidsMany chemicals are processed wet

51、but sold in dry, solid forms. Drying is used to remove liquid from a solid by vaporizing the liquid.Principle of separation: evaporation of waterCreated or added phase: VaporSeparating agent: gas (MSA) and/or heat transfer (ESA)CrystallizationDesired product is finely divided solid. Solution crystallization: The mixture is cooled and/or the solvent is evaporated to cause crystallization.Melt crystallization: Two or more soluble species, in the absence of a solvent, are separated by partial freezing.Zone melting (refining): Reverse of melt crystallization. Used for removing impurit