分離工程基本概念和能力

1、分離工程基本概念和能力本課程的性質(zhì)和內(nèi)容地位：專業(yè)基礎(chǔ)課前期課程： 物理化學(xué)、化工原理、化工熱力學(xué)目的：1.基本概念的理解 2.熟悉各種分離方法的特征 3.對(duì)設(shè)計(jì)、分析能力的訓(xùn)練 4.提高解決實(shí)際問題能力 課程任務(wù) 利用相平衡、熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)的微觀機(jī)理，傳熱、傳質(zhì)和動(dòng)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(jì)和科研中常用的分離過程的理論和實(shí)際問題。 學(xué)習(xí)要求 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(jì)算方法； 4）對(duì)新型分離技術(shù)有一定了解； 5）能夠理論聯(lián)系實(shí)際，靈活分析和解決實(shí)際

2、化工生產(chǎn)和設(shè)計(jì)中的有關(guān)問題；教材：葉慶國.分離工程.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，主要參考書:劉家祺.傳質(zhì)分離過程.北京:高等教育出版社面向21世紀(jì)課程教材：劉家祺.分離過程. 北京:化學(xué)工業(yè)出版社, 2002總 課 時(shí)： 40（理論40）考核方式：閉卷考試總評(píng)成績：（1）平時(shí)作業(yè)20%考勤10% （2）閉卷考試（70%） 分 離 工 程第1章 緒論(4學(xué)時(shí))第2章 多組分分離基礎(chǔ)(8學(xué)時(shí))第3章 精餾(8學(xué)時(shí))第4章 氣體吸收與解吸(8學(xué)時(shí))第5章 多組分多級(jí)分離的嚴(yán)格計(jì)算第6章 分離過程及設(shè)備的效率與節(jié)能(6學(xué)時(shí))第7章 其他分離方法(6學(xué)時(shí))講授內(nèi)容第1章 緒論第2章 多組分分離基礎(chǔ) 多組分平衡

3、計(jì)算，已知一相中的濃度，求另一相的濃度。 泡點(diǎn)溫度、露點(diǎn)溫度、閃蒸計(jì)算。第3章精餾 過程分析：精餾中溫度分布、組成分布、流量分布。 簡(jiǎn)捷計(jì)算（short-cut）：確定關(guān)鍵組分、最少理論板、最小回流比、實(shí)際板數(shù)、實(shí)際回流比。 萃取精餾和共沸精餾特殊精餾。第4章 氣體吸收與解吸 過程分析； 吸收的簡(jiǎn)捷計(jì)算。講授內(nèi)容第6章 分離過程及設(shè)備的效率與節(jié)能 分離設(shè)備效率；分離過程最小功和熱力學(xué)效率；精餾過程不可逆性分析，精餾的節(jié)能技術(shù)；分離流程優(yōu)化和集成。第7章 其他分離方法 吸附；液液萃??；結(jié)晶；膜分離；反應(yīng)精餾； 離子交換。第一章 緒 論1.1 分離過程在工業(yè)生產(chǎn)中的地位和作用 傳質(zhì)分離過程的分類和

4、特征1.3 分離過程的研究與技術(shù)開發(fā) 分離過程在工業(yè)生產(chǎn)中的地位和作用 分離過程在化工生產(chǎn)中的重要性 分離過程在清潔工藝中的地位與作用化學(xué)工業(yè)的發(fā)展石油化工高分子化工：合成材料新興化學(xué)工業(yè) 分離過程在化工生產(chǎn)中的重要性 現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，尤其是以新能源、新材料、電子和信息技術(shù)、現(xiàn)代生物技術(shù)、環(huán)境保護(hù)技術(shù)、可再生資源利用技術(shù)等為代表的高新科技的興起和發(fā)展向分離技術(shù)提出了新的艱巨挑戰(zhàn)。這使得分離工程成為近半世紀(jì)來發(fā)展最為迅速的化學(xué)工程技術(shù)領(lǐng)域之一。各種膜技術(shù)、超臨界流體技術(shù)、現(xiàn)代吸附和工業(yè)色譜技術(shù)、反應(yīng)分離耦合技術(shù)等應(yīng)運(yùn)而生并相繼獲得應(yīng)用。分離工程已成為化學(xué)工程的前沿研究方向之一。化工分離的發(fā)展

5、分離工程及技術(shù)伴隨化學(xué)工業(yè)的發(fā)展而發(fā)展1901年 英國 戴維斯 化學(xué)工程手冊(cè)分離操作概念1923年 美國 劉易斯、麥克亞當(dāng)斯 化工原理分離工程理論20世紀(jì)中期 分離工程理論 充實(shí)和完善20世紀(jì)后期至今 分離技術(shù)不斷的深化與拓寬，涌現(xiàn)新型、高效、環(huán)保綠色分離手段什么是分離過程？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。借助一定的分離劑或物理、化學(xué)、電化學(xué)推動(dòng)力，實(shí)現(xiàn)混合物中的組分分級(jí)(Fractionalization)、濃縮（Concentration）、富集（Enrichment）、純化（Purification）、精制（Refining）與隔離（Isolation）

6、等的過程稱為分離過程。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：分離操作分離操作分離操作分離操作反應(yīng)過程雜質(zhì)廢水廢氣產(chǎn)品清潔空氣副產(chǎn)品(循環(huán))原料潔凈水污染物（循環(huán)）循環(huán)（未反應(yīng)原料）污染物（循環(huán)）原料預(yù)處理產(chǎn)物提純清潔化清潔化一般化工生產(chǎn)過程中的分離操作分離操作貫穿整個(gè)化工過程，占有十分重要的地位 原料預(yù)處理： 有機(jī)反應(yīng)（速率與濃度有關(guān)） 催化反應(yīng)（毒物） 石腦油裂解制乙烯,裂解產(chǎn)物是一個(gè)復(fù)雜的混合物（200多個(gè)） 產(chǎn)物提純：聚合級(jí)乙烯：99.96%組成氫氣甲烷乙炔乙烯乙烷丙炔丙烯丙烷丁二烯丁烯丁烷重組分合計(jì)1.110.40.934.43.41.316.60.55.44.80.

7、215.0100清潔化：環(huán)保、提高原料利用率例1：煉油加工過程原油石油煉制清潔燃料氣體液化石油氣硫磺煤油潤滑油蠟渣油焦油瀝青柴油汽油例2：乙烯水合生產(chǎn)乙醇1-固定床催化反應(yīng)器；2-分凝器；3、5、9-吸收塔；4-閃蒸塔；6-粗餾塔； 7-催化加氫反應(yīng)器；8-脫輕組分塔；10-產(chǎn)品塔涉及分離過程：吸收：3、5、9； 精餾：6、8、10；閃蒸：4乙烯93% 產(chǎn)品廢水乙醛12345678910水循環(huán)乙烯水放空放空水氫水廢水例3：二甲苯生產(chǎn)1-重整反應(yīng)器；2、13-汽液分離器；3-壓縮機(jī)；4-脫丁烷塔；5-萃取塔6-再生塔；7-甲苯塔；8-二甲苯回收塔；9-冷卻器；10-結(jié)晶器；11-異構(gòu)化反應(yīng)器；1

8、2-熔融塔放空間二甲苯和鄰二甲苯石腦油進(jìn)料混合二甲苯循環(huán)混合二甲苯125678104111391233輕烴類非芳烴乙二醇芳烴苯和甲苯對(duì)二甲苯重芳烴H2H2H2 加氫重整后得到：輕油 非芳烴 苯 甲苯 二甲苯 高級(jí)芳烴目的產(chǎn)物為對(duì)二甲苯鄰二甲苯間二甲苯對(duì)二甲苯沸點(diǎn)144.411139.104138.351熔點(diǎn)25.17347.87213.263 原料：石腦油 沸程120230K 特點(diǎn)： 涉及到分離過程：精餾：4、7、8萃?。?、6結(jié)晶：10生產(chǎn)過程中分離操作應(yīng)用總結(jié)： 原料的凈化與粗分 反應(yīng)產(chǎn)物的提純 藥物的精制和提純 精選金屬的提取 食品除水、除毒、病毒分離 三廢處理1.1.2 分離過程在清潔

9、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(huì)和經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的重大課題，科學(xué)發(fā)展觀的要求。反應(yīng)停氯苯甲氨環(huán)己酮 ，氯胺酮，K粉青霉胺乙胺丁醇 手性化合物的獲得途徑化學(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)物原料中的雜質(zhì)工藝的物料省耗廢物最小化？資源利用最優(yōu)化？清潔工藝與化工分離過程密切相關(guān)： 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(duì)環(huán)境的危害； 研究、開

10、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。原料產(chǎn)品排出111222廢物廢物1單元過程；2處理1.2 傳質(zhì)分離過程的分類和特征1.2.1 平衡分離過程 速率分離過程 分離因子按有無傳質(zhì)過程發(fā)生分：一類：機(jī)械分離特點(diǎn)：被分離物為非均相 簡(jiǎn)單的將混合物分開 如：過濾、沉降化工原理內(nèi)容二類：傳質(zhì)分離 包含： 平衡分離過程；速率控制分離 特點(diǎn)：被分離物為均相，有質(zhì)量傳遞發(fā)生 分析分離 規(guī)模小 定量分析制備分離 規(guī)模小 研究用材料工業(yè)分離 規(guī)模大 經(jīng)濟(jì)例: 色譜分離例: 離心分離例: 精餾分離化工廠中分離設(shè)備投資約占總投資的5090 ！按

11、分離的規(guī)模分類按物理化學(xué)原理的不同分為：平衡分離過程：速率分離過程：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。1.2.1 平衡分離過程分離設(shè)備混合物產(chǎn)品1產(chǎn)品2產(chǎn)品n分離媒介分離媒介：能量媒介 ESA 、物質(zhì)媒介 MSA 、壓力平衡分離過程借助分離媒介，使均相混合物系統(tǒng)變 成兩相系統(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)分配。（氣、液、固）極限程度 熱力學(xué)熱力學(xué)第二定律：混合過程自發(fā)、混亂度或熵增 S0分離過程強(qiáng)制、混亂度或熵減 S0 分離媒介：能量媒介 ESA 、物質(zhì)媒介 MSA 、壓力分離媒介可以單獨(dú)使用，也可以同時(shí)使用，如萃取精餾、共沸

12、精餾。能量媒介 ESA：指?jìng)魅牖騻鞒鱿到y(tǒng)的熱及輸入或輸出系統(tǒng)的功。閃蒸、冷凝、精餾等。物質(zhì)媒介 MSA：指分離過程中所借助的物質(zhì)，如吸收過程的吸收劑、萃取過程的萃取劑及吸附過程的吸附劑。平衡分離過程的分離單元操作閃蒸原料相態(tài)： 液體分離媒介： 減壓分離原理：揮發(fā)度（蒸汽壓）有較大差別工業(yè)應(yīng)用：海水淡化生產(chǎn)純水；吸收液的解吸。精餾原料相態(tài)：汽、液或汽液混合物分離媒介：熱量，有時(shí)用機(jī)械功 同上石油裂解氣的深冷分離；苯、甲苯、二甲苯的分離。吸收解吸原料相態(tài)：氣體或 液體分離媒介：液體吸收劑（MSA）；加入熱量（ESA） 分離原理：揮發(fā)度（蒸汽壓）有較大差別工業(yè)應(yīng)用： 由催化裂化裝置主蒸塔頂產(chǎn)物中回收

13、乙烷及較輕的烴。萃取或共沸精餾原料相態(tài)：汽、液或汽液混合物液體溶劑（MSA）或塔釜加熱（ESA）液體共沸劑（MSA）或塔釜加熱（ESA）改變?cè)芤旱南鄬?duì)揮發(fā)度 以苯酚作溶劑由沸點(diǎn)相近的非芳烴中分離芳烴；以醋酸丁酯作共沸劑從稀溶液中分離醋酸。MSAL或VLLL或VMSALV平衡分離過程的分離單元操作1.2.2 速率分離過程膜分離熱擴(kuò)散速率分離: 在某種推動(dòng)力（濃度差、壓力差、溫度差、電位差等）的作用下，有時(shí)在選擇性膜的配合下，利用各組分?jǐn)U散速率的差異實(shí)現(xiàn)組分的分離。膜有固態(tài)膜和液態(tài)膜，處理的流體可以是液體或氣體。膜材料：聚砜、聚酰胺、聚碳酸酯、醋酸纖維素等。特點(diǎn)：該分離過程不發(fā)生相變，能耗低，分

14、離操作在常溫下進(jìn)行，適用于熱敏性物質(zhì)的分離。微孔過濾（MF）：推動(dòng)力：壓力差（100kPa）傳遞機(jī)理：篩分膜類型：多孔膜 進(jìn)料（液體和氣體）溶劑、水、氣體顆粒、纖維目的：溶液脫離子，氣體脫離子超濾（UF）：推動(dòng)力：壓力差（1001000kPa）傳遞機(jī)理：篩分膜類型：非對(duì)稱性膜膜孔徑：120nm進(jìn)料溶劑、水膠體大分子目的：溶液脫大分子，大分子溶液脫小分子，大分子分級(jí)。反滲透（RO）：推動(dòng)力：壓力差（100010000kPa）傳遞機(jī)理：優(yōu)先吸附毛細(xì)管流動(dòng)溶解、擴(kuò)散模型膜類型：非對(duì)稱性膜或復(fù)合膜進(jìn)料溶劑、水溶質(zhì)、鹽目的：溶劑脫溶質(zhì)，含小分子溶質(zhì)溶液濃縮。應(yīng)用：海水或苦咸水的淡化和生物制品的分離和濃縮

15、。滲析（D）：推動(dòng)力：濃度差傳遞機(jī)理：篩分、微孔膜內(nèi)的受阻擴(kuò)散透過物：小分子溶質(zhì)或較小的溶質(zhì)截留物：截留離子、截留液離子膜類型：非對(duì)稱性膜或離子交換膜進(jìn)料接受液凈化液擴(kuò)散液目的：大分子溶質(zhì)溶液脫小分子，小分子溶質(zhì)溶液脫大分子。 應(yīng)用：人工腎、廢酸回收、溶液脫酸和堿液精制等。電滲析（ED）：推動(dòng)力：電化學(xué)勢(shì)傳遞機(jī)理：反離子經(jīng)離子交換膜的遷移膜類型：離子交換膜濃電解質(zhì)極極產(chǎn)品陰離子交換膜陽離子交換膜進(jìn)料目的：溶液脫小離子，小離子溶質(zhì)的濃縮、小離子的分級(jí)。 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

16、體由于密度較大向下底瓶流動(dòng)。頂瓶底瓶溫度梯度冷壁熱線已在工業(yè)上應(yīng)用的膜過程基本特性幾種主要的膜分離過程速率分離過程特點(diǎn)： 節(jié)能 環(huán)保優(yōu)勢(shì) 新的方法分離速率 動(dòng)力學(xué)1.2.3 分離因子分離因子反映： 相間傳質(zhì)過程的平衡組成的差別； 分離所依據(jù)的基本物理現(xiàn)象所致的傳質(zhì)速率的不同； 分離裝置結(jié)構(gòu)的流動(dòng)型式以及分離流程的影響。定義：實(shí)際分離因子 固有分離因子（理想分離因子）汽液相平衡-相對(duì)揮發(fā)度 級(jí)效率：實(shí)際分離設(shè)備所能達(dá)到的分離因子與理想分離因子之間的差別。例如：精餾過程中理想分離因子就是相平衡常數(shù)之比，或相對(duì)揮發(fā)度，而板效率則表達(dá)了實(shí)際情況與平衡時(shí)的差異程度。液液相平衡-選擇性系數(shù)（分配系數(shù)）1.

17、2.4 分離方法的選擇 分離的可行性 是否能分離 物料的物理化學(xué)性質(zhì) 是否好分離 生產(chǎn)的處理規(guī)模 是否分離快 投資及運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性 是否成本低 安全與環(huán)保 是否環(huán)保 經(jīng)驗(yàn)借鑒 是否有成熟技術(shù)或經(jīng)驗(yàn)參考目的：實(shí)現(xiàn)清潔工藝 使物料能量消耗最?。?經(jīng)濟(jì)效益、社會(huì)效益最大。1.3 分離過程的研究與技術(shù)開發(fā)開發(fā)方法（Research Methods）傳質(zhì)分離操作的開發(fā)是研究適宜分離方法的工業(yè)化途徑，以期經(jīng)濟(jì)合理地實(shí)現(xiàn)規(guī)定的分離任務(wù)。分離過程開發(fā)應(yīng)達(dá)到下列目的：適宜分離方法，流程和操作條件的選擇；分離設(shè)備的合理選型；分離設(shè)備幾何尺寸的確定。化工新技術(shù)開發(fā)有三個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)：1、概念形成到課題的選定；2、技術(shù)與經(jīng)濟(jì)論證(可行性)；3、放大技術(shù)。其中，放大技術(shù)是研究開發(fā)的核心。 逐級(jí)經(jīng)驗(yàn)放大法數(shù)學(xué)模型法 開發(fā)低成