一、高等分離工程--01_緒論2011

1、參考書高高 等等 分分 離離 工工 程程如何理解“高等”？n對理論和方法的深入理解和掌握對理論和方法的深入理解和掌握n對先進(jìn)技術(shù)的了解，開拓視野對先進(jìn)技術(shù)的了解，開拓視野n計算能力和解決實(shí)際問題能力的提高計算能力和解決實(shí)際問題能力的提高n對設(shè)計計算軟件的使用對設(shè)計計算軟件的使用n調(diào)研能力，動手能力的提高調(diào)研能力，動手能力的提高n各種化工問題之間的聯(lián)系各種化工問題之間的聯(lián)系第一章第一章 緒緒 論論 分離工程或分離過程分離工程或分離過程(separation processes),主要是對化學(xué)工業(yè)、石油化工、煤化工生產(chǎn)及主要是對化學(xué)工業(yè)、石油化工、煤化工生產(chǎn)及相關(guān)工業(yè)生產(chǎn)中的分離過程進(jìn)行研究的一門

2、科相關(guān)工業(yè)生產(chǎn)中的分離過程進(jìn)行研究的一門科學(xué)學(xué)。 緒緒 論論 在我們生活的世界，無論是無機(jī)物還是有機(jī)物，大在我們生活的世界，無論是無機(jī)物還是有機(jī)物，大部分是以混合物的形式存在，許多化學(xué)過程和物理過部分是以混合物的形式存在，許多化學(xué)過程和物理過程所得到的產(chǎn)品都是混合物。為了有效地利用這些物程所得到的產(chǎn)品都是混合物。為了有效地利用這些物質(zhì)，我們需要將它們加以提純或分離，而分離工程則質(zhì)，我們需要將它們加以提純或分離，而分離工程則為我們提供所需要的原理及方法。我們應(yīng)用分離工程為我們提供所需要的原理及方法。我們應(yīng)用分離工程改變著世界。改變著世界。 緒緒 論論 古代，物原， “軒轅臣夙沙做鹽軒轅臣夙沙做鹽

3、”。世本 “皇帝時，諸侯有夙沙氏，始以海水煮乳煎成鹽皇帝時，諸侯有夙沙氏，始以海水煮乳煎成鹽”。中國鹽政史謂：“世界鹽業(yè)莫先于中國，中國鹽世界鹽業(yè)莫先于中國，中國鹽業(yè)發(fā)源最古在昔神農(nóng)時代夙沙初作煮海為鹽，號稱業(yè)發(fā)源最古在昔神農(nóng)時代夙沙初作煮海為鹽，號稱鹽宗鹽宗”。這包含現(xiàn)代工業(yè)中“蒸發(fā)”和“結(jié)晶”兩個分離技術(shù)。緒緒 論論1901年戴維斯年戴維斯(Davis)編著編著了第一本化學(xué)工程專著了第一本化學(xué)工程專著化學(xué)工程手冊化學(xué)工程手冊。分離工程是化學(xué)工程學(xué)科分離工程是化學(xué)工程學(xué)科的一個重要分支。的一個重要分支。分離工程一直是化工過程分離工程一直是化工過程中的關(guān)鍵角色中的關(guān)鍵角色緒緒 論論(18501

4、907)l現(xiàn)代，分離工程起到了巨大作用現(xiàn)代，分離工程起到了巨大作用l化學(xué)工程涵蓋化工熱力學(xué)、傳遞過程、單元操作、化學(xué)工程涵蓋化工熱力學(xué)、傳遞過程、單元操作、傳質(zhì)與分離工程、化工系統(tǒng)工程、化工控制過程等傳質(zhì)與分離工程、化工系統(tǒng)工程、化工控制過程等內(nèi)容。內(nèi)容。l現(xiàn)代化工生產(chǎn)中，主要包括兩個過程：現(xiàn)代化工生產(chǎn)中，主要包括兩個過程：一是反應(yīng)過程，它可以生產(chǎn)出新的物質(zhì)，是化工生一是反應(yīng)過程，它可以生產(chǎn)出新的物質(zhì)，是化工生產(chǎn)中的產(chǎn)中的核心核心二是分離過程，它包括原料的凈化、預(yù)處理、中間二是分離過程，它包括原料的凈化、預(yù)處理、中間產(chǎn)物的分離及產(chǎn)物的分離和產(chǎn)物的分離及產(chǎn)物的分離和提純，是得到合格產(chǎn)品提純，是得

5、到合格產(chǎn)品的的關(guān)鍵關(guān)鍵緒緒 論論1.1 分離過程在化工生產(chǎn)中的重要作用分離過程在化工生產(chǎn)中的重要作用n分離過程是分離混合物的一種方法。分離過程是分離混合物的一種方法。n典型的化工生產(chǎn)裝置通常是由一個典型的化工生產(chǎn)裝置通常是由一個(或多個或多個)反反應(yīng)器和具有提純原料、中間產(chǎn)物和產(chǎn)品的多個應(yīng)器和具有提純原料、中間產(chǎn)物和產(chǎn)品的多個分離設(shè)備以及機(jī)、泵、換熱器等構(gòu)成。分離設(shè)備以及機(jī)、泵、換熱器等構(gòu)成。n分離操作可以實(shí)現(xiàn)：分離操作可以實(shí)現(xiàn)：I、提純原料；、提純原料；II、分離中間產(chǎn)物，減少副反應(yīng)，、分離中間產(chǎn)物，減少副反應(yīng)，提高產(chǎn)品收率；提高產(chǎn)品收率； III、脫除有害物質(zhì)；、脫除有害物質(zhì)；IV、產(chǎn)、產(chǎn)

6、品提純與精制；品提純與精制；V、對混合物進(jìn)行檢測分析等。、對混合物進(jìn)行檢測分析等。緒緒 論論 分離設(shè)備投資巨大，操作費(fèi)用高分離設(shè)備投資巨大，操作費(fèi)用高 分離操作在化工生產(chǎn)中占有重要地位，對于大型石油工業(yè)和以化學(xué)反應(yīng)為中心的石油化工生產(chǎn)過程，分離裝置投資費(fèi)用占總投資的5090%。而且在操作過程中，分離設(shè)備所消耗的能量很高。緒緒 論論緒緒 論論緒緒 論論 環(huán)境保護(hù)離不開分離過程環(huán)境保護(hù)離不開分離過程 隨著人類社會的不斷進(jìn)步和發(fā)展，工業(yè)化進(jìn)程的不斷推進(jìn)，排入大氣中的污染物越來越多，如：揮發(fā)性有機(jī)污染物（VOCs)、日益嚴(yán)重的酸雨問題、溫室效應(yīng)，光化學(xué)煙霧和臭氧等問題已嚴(yán)重制約經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，甚至威脅人類

7、的生存和發(fā)展。 為了治理日益嚴(yán)重的環(huán)境污染，保護(hù)人類的生存環(huán)境，也必須采用分離過程對廢氣、廢水和廢渣進(jìn)行處理。緒緒 論論緒緒 論論 能源開發(fā)與利用離不開分離工程能源開發(fā)與利用離不開分離工程 石油、煤、天然氣的利用，新能源的開發(fā)：生物質(zhì)能、核能、氫能、燃料電池能。緒緒 論論緒緒 論論分離過程在其他領(lǐng)域的應(yīng)用分離過程在其他領(lǐng)域的應(yīng)用 分離過程除了在化工、環(huán)保及能源領(lǐng)域中有分離過程除了在化工、環(huán)保及能源領(lǐng)域中有廣泛應(yīng)用外，在其它工業(yè)領(lǐng)域也有巨大的用途。廣泛應(yīng)用外，在其它工業(yè)領(lǐng)域也有巨大的用途。 冶金行業(yè)：礦物中金屬的提取和精制冶金行業(yè)：礦物中金屬的提取和精制 食品工業(yè)：食物脫水、果汁提純食品工業(yè)：食

8、物脫水、果汁提純 核核 工工 業(yè)：同位素分離業(yè)：同位素分離 生化行業(yè)：生物分離，培養(yǎng)液和發(fā)酵液的生化行業(yè)：生物分離，培養(yǎng)液和發(fā)酵液的分離分離 科技發(fā)展對物質(zhì)純度的要求越來越高，促進(jìn)科技發(fā)展對物質(zhì)純度的要求越來越高，促進(jìn)了分離理論和技術(shù)的發(fā)展，一些新型分離技術(shù)了分離理論和技術(shù)的發(fā)展，一些新型分離技術(shù)不斷開發(fā)出來。反應(yīng)精餾技術(shù)、變壓吸附分離不斷開發(fā)出來。反應(yīng)精餾技術(shù)、變壓吸附分離技術(shù)、膜分離技術(shù)、技術(shù)、膜分離技術(shù)、超臨界萃取技術(shù)等等超臨界萃取技術(shù)等等。 緒緒 論論1.2 分離過程基本概念分離過程基本概念分離過程的定義：分離過程的定義：l混合是自發(fā)過程，而分離是非自發(fā)過程，必須通過建混合是自發(fā)過程，

9、而分離是非自發(fā)過程，必須通過建立裝置、系統(tǒng)或過程，對混合物加入能量，才能實(shí)現(xiàn)。立裝置、系統(tǒng)或過程，對混合物加入能量，才能實(shí)現(xiàn)。l定義：定義：將一混合物轉(zhuǎn)變?yōu)榻M成不相同的兩種或兩種以將一混合物轉(zhuǎn)變?yōu)榻M成不相同的兩種或兩種以上產(chǎn)物的操作。上產(chǎn)物的操作。l分離工程示意圖分離工程示意圖緒緒 論論n 分離因子（分離因數(shù)）分離因子（分離因數(shù)）a定義：定義： 任何一種分離過程中任意兩組分間能夠任何一種分離過程中任意兩組分間能夠達(dá)到的分離程度稱為分離因子或分離因數(shù)。達(dá)到的分離程度稱為分離因子或分離因數(shù)。a數(shù)學(xué)表達(dá)式：數(shù)學(xué)表達(dá)式： 1122ijsijijxxaxx緒緒 論論n分離劑分離劑a分離劑分離劑是加入到混

10、合物系中的，使混合物分離是加入到混合物系中的，使混合物分離的能量或物質(zhì)。的能量或物質(zhì)。a一股或幾股物流進(jìn)入分離裝置，加入分離劑后一股或幾股物流進(jìn)入分離裝置，加入分離劑后引起分離作用，最后得到至少兩股不同的產(chǎn)品。引起分離作用，最后得到至少兩股不同的產(chǎn)品。a分離劑是能量分離劑是能量(熱量、冷量或功等熱量、冷量或功等)，稱為能量，稱為能量分離劑分離劑, 分離劑是物質(zhì)分離劑是物質(zhì)(或另一種原料或另一種原料)，成為質(zhì)，成為質(zhì)量分離劑。量分離劑。a分離劑還可以是某種強(qiáng)制力（如壓力梯度、溫分離劑還可以是某種強(qiáng)制力（如壓力梯度、溫度梯度、電場力、磁場力）及特殊膜等。度梯度、電場力、磁場力）及特殊膜等。a分離過

11、程的特征往往由加入分離劑的性質(zhì)決定。分離過程的特征往往由加入分離劑的性質(zhì)決定。緒緒 論論n分離過程按所加分離劑的不同可以分為分離過程按所加分離劑的不同可以分為：a能量分離劑的平衡過程能量分離劑的平衡過程 這類過程的共同點(diǎn)是所加的分離劑均為能量這類過程的共同點(diǎn)是所加的分離劑均為能量(熱量、冷量、減熱量、冷量、減壓等壓等)。a質(zhì)量分離劑的平衡過程質(zhì)量分離劑的平衡過程 吸收吸收(以不揮發(fā)性液體作為分離劑以不揮發(fā)性液體作為分離劑)、氣提、氣提(以不凝性氣體作分以不凝性氣體作分離劑離劑)，吸附和離子交換，吸附和離子交換(分別以固體吸附劑和樹脂作分離劑分別以固體吸附劑和樹脂作分離劑)及萃取及萃取(以不互溶

12、液體做分離以不互溶液體做分離)等屬于這類過程。等屬于這類過程。a使用一個以上分離劑的平衡過程使用一個以上分離劑的平衡過程 如萃取精餾和恒沸精餾如萃取精餾和恒沸精餾(熱量與適當(dāng)液體熱量與適當(dāng)液體)。a速率控制過程：速率控制過程： 有些過程通過某種介質(zhì)，在壓力、溫度、組成、電勢或其他有些過程通過某種介質(zhì)，在壓力、溫度、組成、電勢或其他梯度所造成的強(qiáng)制力的推動下，依靠傳遞速率的差別而操作，梯度所造成的強(qiáng)制力的推動下，依靠傳遞速率的差別而操作，叫速率控制過程。叫速率控制過程。緒緒 論論1.3 分離過程的分類分離過程的分類n分離過程分離過程分為分為機(jī)械分離過程機(jī)械分離過程和和傳質(zhì)分離過程傳質(zhì)分離過程兩大

13、類。兩大類。n機(jī)械分離過程機(jī)械分離過程是指分離裝置所接受的是多于一個相的是指分離裝置所接受的是多于一個相的非均相進(jìn)料，只要簡單地分相就可以。如過濾、沉降、非均相進(jìn)料，只要簡單地分相就可以。如過濾、沉降、固固-液分離和氣液分離和氣-液分離器等。液分離器等。n傳質(zhì)分離過程傳質(zhì)分離過程是除了機(jī)械地將不同相加以分離外，相是除了機(jī)械地將不同相加以分離外，相間還發(fā)生物質(zhì)的傳遞。分離對象是均相混合物，將含間還發(fā)生物質(zhì)的傳遞。分離對象是均相混合物，將含有不同組分的均相混合物分成組成互不相同的兩種或有不同組分的均相混合物分成組成互不相同的兩種或多種產(chǎn)品的操作。精餾，吸收，萃取等。多種產(chǎn)品的操作。精餾，吸收，萃取

14、等。 平衡分離過程平衡分離過程 傳質(zhì)分離過程傳質(zhì)分離過程 速率分離過程速率分離過程緒緒 論論n 平衡分離過程的單元操作平衡分離過程的單元操作緒緒 論論 平衡分離過程是平衡分離過程是（熱量或物質(zhì)）將（熱量或物質(zhì)）將均相混合物分離，分離主要是均相混合物分離，分離主要是進(jìn)進(jìn)行，行，。精餾，吸收，萃取。精餾，吸收，萃取等過程均屬于平衡分離過程等過程均屬于平衡分離過程n 平衡分離過程的單元操作平衡分離過程的單元操作以酚為溶劑從非芳香烴化合物中分離甲苯液體溶劑+熱量改變揮發(fā)度液體+蒸汽液體和(或)蒸汽萃取精餾天然氣油中除去異丁烷及相對分子量低的烴類；輕烴回收熱量揮發(fā)度液體+蒸汽液體和(或)蒸汽精餾高壓氨氣

15、相中回收H2及N2冷量揮發(fā)度液體+蒸汽蒸汽部分冷凝閃蒸法淡化海水減壓(能量)揮發(fā)度液體+蒸汽液體閃蒸汽化實(shí)例分離劑及原理產(chǎn)品進(jìn)料形式單元操作真空下用水蒸氣做氣提劑的殘油(拔頂油)蒸餾氣提蒸氣+熱量溶解度液體+液/氣液體和(或)蒸汽回流式氣提 原油蒸餾塔氣提側(cè)取餾出物石腦油、煤油、汽油，除去輕餾分解吸(氣提)蒸氣溶解度液體+氣體(蒸汽)液體解吸(氣提)用乙醇胺水溶液吸收燃燒氣中的CO2液體吸收劑溶解度液體+氣體氣體吸收催化裂化廠的主分餾塔塔頂餾出物中除去乙烷及相對分子量低的烴類物液體吸收劑+熱量溶解度液體+蒸汽液體和(或)蒸汽吸收蒸出實(shí)例分離劑產(chǎn)品進(jìn)料形式單元操作用丙烷和甲苯基酸為溶劑從芳香烴及

16、環(huán)烷烴中萃取鏈烷烴兩種液體溶劑溶解度兩種液體液體液液萃取(雙溶劑) 用丙烷為溶劑從殘油(拔頂油)中脫瀝青不互溶液體溶解度兩種液體液體液液萃取用乙酸丁酯為夾帶劑并與水形成恒沸物，從水-乙酸混合液中分離乙酸液體夾帶劑+熱量改變揮發(fā)度液體+氣體氣、液或氣液混合物恒沸蒸餾石腦油餾分中出去輕餾分熱量溶解度蒸汽+液體液體再沸蒸出實(shí)例分離劑產(chǎn)品進(jìn)料形式單元操作從含有N2,O2,CO2及有機(jī)化合物的氣相中回收臨苯二酸酐冷量選擇性凝聚液體+固體蒸汽凝華 間、對二甲苯溶液中結(jié)晶得到對二甲苯熱量或冷量過飽和度液體+固體液體結(jié)晶從尿素水溶液中蒸發(fā)水分熱量蒸汽壓不同液體+蒸汽液體蒸發(fā)在旋轉(zhuǎn)式干燥器中，用熱空氣干燥聚氯乙

17、烯除去水分。氣體和(或)熱量水分蒸發(fā)干固體+濕氣固體干燥(固體)實(shí)例分離劑產(chǎn)品進(jìn)料形式單元操作清除廢水中的洗滌劑,礦石浮選表面活性劑+鼓泡氣泡在氣液界面吸附兩種液體液體泡末分離水的軟化固體樹脂質(zhì)量作用定律液體離子交換用分子篩吸附劑干燥空氣固體吸附劑吸附力強(qiáng)弱流體+固體氣體或液體吸附礦泥漿液的瀝取回收硫酸銅液體溶劑固體溶解度液體+固體固體瀝取(浸取)實(shí)例分離劑產(chǎn)品進(jìn)料形式單元操作液體+固體n 速率分離過程的單元操作速率分離過程的單元操作緒緒 論論 速率分離過程是在某種速率分離過程是在某種（濃度差、壓力差、（濃度差、壓力差、溫度差、電力差等）的作用下，有時在選擇性透過膜溫度差、電力差等）的作用下，

18、有時在選擇性透過膜的配合下，利用的配合下，利用實(shí)現(xiàn)組分的分實(shí)現(xiàn)組分的分離離。原料液濾液原料液濾液濃縮液原料液溶劑濃縮液混合氣滲透氣滲余氣原料液滲透蒸氣溶質(zhì)或溶劑溶劑原料液濃電解質(zhì)陰膜 陽膜陰極陽極原料液滲透液濃縮液幾種主要的膜分離過程幾種主要的膜分離過程過程示意圖膜類型推動力傳遞機(jī)理透過物截留物微濾MF 多孔膜壓力差（0.1MPa）篩分水、溶劑、溶解物懸浮物各種微粒超濾UF 非對稱膜壓力差（0.11MPa）篩分溶劑、離子、小分子膠體及各類大分子反滲透RO 非對稱膜復(fù)合膜 壓力差（210MPa）溶劑的溶解-擴(kuò)散水、溶劑懸浮物、溶解物、膠體電滲析ED離子交換膜電位差 離子在電場中的傳遞 離子非解離

19、和大分子顆粒 均質(zhì)膜復(fù)合膜非對稱膜壓力差（115MPa）氣體的溶解-擴(kuò)散易滲透氣體難滲透氣體 滲透汽化PVAP 均質(zhì)膜復(fù)合膜非對稱膜濃度差分壓差溶解-擴(kuò)散易溶解或易揮發(fā)組分 不易溶解或難揮發(fā)組分 膜蒸餾MD 微孔膜由于溫度差而產(chǎn)生的蒸汽壓差通過膜的擴(kuò)散高 蒸 汽 壓的 揮 發(fā) 組分非揮發(fā)的小分子和溶劑氣體分離GS1.4 近代分離過程特征近代分離過程特征a 與過程系統(tǒng)工程相結(jié)合。與過程系統(tǒng)工程相結(jié)合。過程系統(tǒng)工程主要包括系統(tǒng)模擬、系統(tǒng)分析、系統(tǒng)綜合及系統(tǒng)優(yōu)化等。a反應(yīng)與分離結(jié)合。反應(yīng)與分離結(jié)合。反應(yīng)過程與分離過程是化工生產(chǎn)的兩個重要環(huán)節(jié)，二者相互結(jié)合，相得益彰?；瘜W(xué)吸收、化學(xué)萃取、反應(yīng)精餾、膜反

20、應(yīng)器、膜控制釋放、膜生物反應(yīng)器等新工藝不斷推廣。a分離與分離結(jié)合。分離與分離結(jié)合。萃取結(jié)晶、吸附蒸餾、膜蒸餾、膜吸收、膜萃取等緒緒 論論a與節(jié)能技術(shù)相結(jié)合。與節(jié)能技術(shù)相結(jié)合。分離過程占化工過程能耗的5090%，分離過程與節(jié)能技術(shù)密不可分a新分離過程不斷出現(xiàn)。新分離過程不斷出現(xiàn)。加鹽精餾、分子蒸餾、超臨界萃取、膜分離、超臨界結(jié)晶、大型色譜分離等，使分離過程由“大型化”向“精細(xì)化”發(fā)展，應(yīng)用范圍拓寬，分離效率提高。緒緒 論論1.5 分離過程的解決方案分離過程的解決方案n多組分混合物的熱物性數(shù)據(jù)多組分混合物的熱物性數(shù)據(jù)純物質(zhì)的物性數(shù)據(jù)可查；混合物的物性數(shù)據(jù)需計算。n實(shí)際體系的相平衡常數(shù)實(shí)際體系的相平

21、衡常數(shù)計算平衡常數(shù)需用活度系數(shù)、逸度系數(shù)對理想體系進(jìn)行修正。n集態(tài)的變化集態(tài)的變化多組分混合物分離常伴隨集態(tài)的變化，即出現(xiàn)新的相，計算時需確定新相的參數(shù)。n需用電子計算機(jī)作為運(yùn)算工具需用電子計算機(jī)作為運(yùn)算工具多組分混合物分離過程的計算需反復(fù)試差、迭代或聯(lián)立求解線形或非線性方程組，計算量大。n新分離工藝的出現(xiàn)，需構(gòu)建新的分離模型新分離工藝的出現(xiàn)，需構(gòu)建新的分離模型。緒緒 論論1.6 課程要求課程要求n掌握典型的分離技術(shù)，了解其內(nèi)容、原理、特掌握典型的分離技術(shù)，了解其內(nèi)容、原理、特點(diǎn)及具體應(yīng)用點(diǎn)及具體應(yīng)用。n做到能夠針對具體過程提出最佳解決方案。做到能夠針對具體過程提出最佳解決方案。n考核方式：平

22、時考核方式：平時+課程論文課程論文+考試?？荚嚒＞w緒 論論課程安排n緒論緒論 n精餾精餾n多組分精餾多組分精餾n多組分精餾多組分精餾n萃取精餾萃取精餾n共沸精餾共沸精餾n反應(yīng)精餾反應(yīng)精餾n鹽效分離鹽效分離n分子蒸餾分子蒸餾n精餾節(jié)能精餾節(jié)能n精餾節(jié)能精餾節(jié)能n吸收吸收n萃取萃取n吸附吸附n結(jié)晶結(jié)晶n超臨界結(jié)晶超臨界結(jié)晶n超臨界萃取超臨界萃取n膜分離總論膜分離總論n膜分離舉例膜分離舉例n討論討論1n討論討論2n討論討論3n討論討論4考核方式n平時課堂聽課和討論參與情況平時課堂聽課和討論參與情況30%(提前預(yù)約）提前預(yù)約）n小論文小論文30%（第八周交，通過評比、選擇）（第八周交，通過評比、選擇）

23、n期末考試期末考試40%n自學(xué)工程設(shè)計軟件，解決實(shí)際問題自學(xué)工程設(shè)計軟件，解決實(shí)際問題討論話題n1在你的記憶中，對哪種分離方法最熟悉或印在你的記憶中，對哪種分離方法最熟悉或印象最深？象最深？n2 你真的能接受恒摩爾流假設(shè)嗎？你真的能接受恒摩爾流假設(shè)嗎？n你覺得清晰分割假設(shè)成立的比率有多大？你覺得清晰分割假設(shè)成立的比率有多大？n工廠實(shí)際過程中，多元精餾多還是二元精餾多？工廠實(shí)際過程中，多元精餾多還是二元精餾多？n3如果一個體系既可以用萃取精餾，又可以用如果一個體系既可以用萃取精餾，又可以用共沸精餾，你選擇哪一種？共沸精餾，你選擇哪一種？n4鹽效分離、催化精餾，為什么固體參與液體鹽效分離、催化精餾，為什么固體參與液體活動會有這么大的力量？還有哪些例子？活動會有這么大的力量？還有哪些例