湘大傳質(zhì)分離工程課件-第1章緒論4學(xué)時(shí)

傳質(zhì)與分離工程

MassTransferand

SeparationEngineering

classhours:56

主講:艾秋紅教授劉平樂(lè)教授聯(lián)系電話(huà):郵箱：辦公地址：化學(xué)化工樓C-212中文教材劉家祺主編，李韡、吳洪、姜忠義參編.化學(xué)工業(yè)出版社，2005年12月.曾用教材20021995TextbookJ.D.Seader,E.J.Henley.

SeparationProcessPrinciplesJ.D.Seader199820062002J.D.Seader20041.Developmentofnewmathematicalmethodsforsolvinglargesetsofnonlinearequationstoobtainmultiplesolutions.2.Mathematicalstudiesofcomputer-aidedprocesssynthesisanddesign.References---Books■PhillipC.WankatSeparationProcessEngineering(2006)■J.L.Humphrey,G.E.KellerSeparationProcessTechnology(1997)■Kirk-othmerEncyclopediaofChemicalTechnology.4thed,NewYork,Wiley.■CaryJudsonKingSeparationprocesses(1980)■ErnestJ.Henley,J.D.SeaderEquilibrium-stageseparationoperationsinchemicalengineering(1981)References---JournalsAIChEJournal,

ACSChemicalEngineeringScience,ElsevierScienceIndustrial&EngineeringChemistryResearch,ACSChemicalEngineeringTechnology,WileySeparationandPurificationTechnology，ElsevierScienceReferences---JournalsJournalofmembraneScience,ElsevierScience《傳質(zhì)分離過(guò)程》第1章緒論第2章傳質(zhì)分離過(guò)程的熱力學(xué)基礎(chǔ)第3章氣液傳質(zhì)分離過(guò)程第4章液液傳質(zhì)分離過(guò)程第5章傳質(zhì)分離過(guò)程的嚴(yán)格模擬計(jì)算第6章氣固、液固傳質(zhì)分離過(guò)程第7章分離過(guò)程的節(jié)能優(yōu)化與集成√√√√√先修課程物理化學(xué)、化工熱力學(xué)、化工原理、傳遞過(guò)程化工原理（unitoperations），涉及熱力學(xué)（物理化學(xué)）、三傳兩組分精餾多組分非理想物系如何分離？教學(xué)目標(biāo)---Objective

利用已學(xué)的物理化學(xué)、化工原理、化工熱力學(xué)、傳遞過(guò)程等課程中有關(guān)相平衡熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)機(jī)理，傳熱、傳質(zhì)和動(dòng)量傳遞理論來(lái)研究化工生產(chǎn)實(shí)際中復(fù)雜物系的分離和提純技術(shù)。

著重基本概念的理解，為分離過(guò)程的選擇、特性分析和計(jì)算奠定基礎(chǔ)。從分離過(guò)程的共性出發(fā)，討論各種分離方法的特征。強(qiáng)調(diào)將工程和工藝相結(jié)合的觀點(diǎn)及設(shè)計(jì)和分析能力的訓(xùn)練；強(qiáng)調(diào)理論聯(lián)系實(shí)際，提高解決問(wèn)題的能力。教學(xué)要求---Requirements掌握各種常用分離過(guò)程的基本原理，操作特點(diǎn)，簡(jiǎn)捷和嚴(yán)格計(jì)算方法，強(qiáng)化改進(jìn)分離過(guò)程操作的途徑，并了解一些新型分離技術(shù)。講授內(nèi)容第1章緒論第2章傳質(zhì)分離過(guò)程的熱力學(xué)基礎(chǔ)兩組分平衡計(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章氣液傳質(zhì)分離過(guò)程過(guò)程分析：e.g.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。氣體吸收：過(guò)程分析；吸收的簡(jiǎn)捷計(jì)算。講授內(nèi)容第5章傳質(zhì)分離過(guò)程的嚴(yán)格模擬計(jì)算建立通用模型，求解三對(duì)角矩陣（泡點(diǎn)法，流率加合法）。第7章分離過(guò)程的節(jié)能優(yōu)化與集成分離過(guò)程最小功和熱力學(xué)效率，精餾的節(jié)能技術(shù)，分離流程優(yōu)化和集成第一章緒論第一章緒論

Chapter1Introduction1.1傳質(zhì)分離過(guò)程的分類(lèi)

ClassesofSeparationOperation1.2分離過(guò)程的研究和技術(shù)開(kāi)發(fā)

StudyonSeparationProcessandDevelopment主要內(nèi)容及要求：

了解分離操作在化工生產(chǎn)中的重要性，分離過(guò)程的分類(lèi)。了解化工分離過(guò)程的研發(fā)現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)。WhatisSeparation?BasicDescriptionofOperationsOperations

areclassifiedaskeyoperationsandauxiliaryoperations ?KeyOperation:involvesreactionorseparations

Examples:distillation,leaching,reactor ?AuxiliaryOperation:involvesnochangeinchemicalcomposition

Examples:pumps,heaters,compressors

WhatisSeparation?純組分變成混合物，是熵增自發(fā)過(guò)程，反之，混合物變成純凈物則需作功。Mixingisinherentinnature:TheincreaseinentropyassociatedwiththerandomnessofamixturelowerstheGibbsfreeenergy.To“unmix”asolutionwemustetheentropicdrivingforcetomix.WhatisSeparation?借助一定的分離劑，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）等的過(guò)程稱(chēng)為分離過(guò)程。WhySeparate？InHumanBodySeparationprocesses:

OurlifedependsontheseKidney:theperfectultrafilter靜脈動(dòng)脈腎小球輸尿管Criticalseparationsinhumanbody(關(guān)鍵分離)SeparationofoxygenfromairandofCO2frombloodinthelungs(肺)Selectiveremovalofwaterandwasteproductsofmetabolismfrombloodinthekidneys(腎)Selectiveabsorptionofnutrientsintheintestines(腸).InIndustryWhySeparate？?工程應(yīng)用需要純物質(zhì)（如半導(dǎo)體材料）；Needforpurematerialinengineeringapplication(semiconductors)?原料提純；Preparationofrawmaterialsintotheircomponents?材料加工需要純物質(zhì)；Needforpurematerialformaterialsprocessing

?有毒有害物質(zhì)或非活性物質(zhì)的去除（如藥物）；Needtoremovetoxinsorinactivecomponentsfromsolution(drugs)?測(cè)試或檢測(cè)用超純標(biāo)準(zhǔn)品；Needforultrapuresamplesfortesting?混合物組成檢測(cè)（如DNA檢測(cè)）；Needforanalysisofthecomponentsofthemixture(DNAtesting)?……SeparationProcess(分離過(guò)程)Theseparationprocessmaybedefinedasthoseoperationswhichtransformamixtureofsubstancesintotwoormoreproductswhichdifferfromoneanotherincomposition.(將混合物轉(zhuǎn)變成組成不同的兩種或更多種產(chǎn)品的過(guò)程)AnalyticalSeparations?smallscale

?quantitativeanalysisPreparativeSeparations?smallscale

?materialsforR&DIndustrialSeparations?largescale

?economicalExample:

Chromatography色譜法Example:

Centrifugation離心過(guò)濾Example:

Distillation精餾DistillationColumn單元操作與分離過(guò)程

UnitOperationvs.SeparationProcess單元操作盡管人們?cè)?893年對(duì)單元操作就有所認(rèn)識(shí)，但真正的提出是在1915年。

ArthurDLittle（1863-1935）在給MIT校長(zhǎng)的信中寫(xiě)到：

任何化學(xué)過(guò)程，不管規(guī)模大小，都可以認(rèn)為是由一系列可以被稱(chēng)為“單元操作”的過(guò)程組成的。分離過(guò)程“分離過(guò)程”形成一個(gè)獨(dú)立領(lǐng)域的兩個(gè)重大事件是：1984年NormanLee組織召開(kāi)的分離技術(shù)工程基礎(chǔ)會(huì)議和1987年美國(guó)國(guó)家研究院的研究報(bào)告提出：“分離和純化：迫切需要和現(xiàn)實(shí)機(jī)會(huì)”，對(duì)分離過(guò)程的定義、分類(lèi)、研究目標(biāo)和任務(wù)等進(jìn)行了更為明確的描述。

1991年，美國(guó)化學(xué)工程師協(xié)會(huì)（AIChE）把國(guó)家項(xiàng)目委員會(huì)（NationalProgramCommittee）中的第二組由“單元操作組”更名為“分離組”，標(biāo)志著單元操作向分離過(guò)程的過(guò)渡。

對(duì)于大學(xué)教育來(lái)說(shuō)，分離過(guò)程是為數(shù)不多的帶有純粹工程特點(diǎn)的課程。同反應(yīng)器和過(guò)程設(shè)計(jì)一樣，分離過(guò)程是一門(mén)幫助化學(xué)工程與工藝專(zhuān)業(yè)的學(xué)生建立起工程概念的很好的課程。Separationprocesses

ThelegacyExamplesforearlyseparationtechniquesSaltbyevaporatingseawater曬鹽Metals

extractedfromores冶金Perfumesextractedfromplants香料提取Variousdrinks,medicinesextractedfromplants天然飲料和藥物生產(chǎn)Liquorsdistilledfromplants果酒生產(chǎn)SeparationsinModernChemicalIndustryCrucialinChemicalEngineeringMostequipments-purifyingproductsChemicalPlants50-90%capitalinvestment化工廠(chǎng)中分離設(shè)備投資約占總投資的50～90％?。?！分離的作用(1)為化學(xué)反應(yīng)提供符合質(zhì)量要求的原料，清除對(duì)反應(yīng)或催化劑有害的雜質(zhì)，減少副反應(yīng)和提高收率；(2)對(duì)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。(3)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。

Example:RefineryofcrudeoilRefineryforconvertingcrudeoilintoavarietyofmarketableproducts.Example:Productionofp-xylene(二甲苯)DistillationCrystallizationExample:Productionofp-xylene二甲苯生產(chǎn)Therearefourdifferentclassesofseparationprocessinvolvedintheproduction1.Vapor-LiquidSeparation(Hydrogenrecovery);2.Distillation(Debutanizer,Regenerator,Splitter,Recover;3.Extraction;4.Crystallization脫丁烷塔BasisofSeparationSize尺寸 Shape形狀 Charge荷電性Polarity極性Solubility溶解性Volatility 揮發(fā)性Mobility 運(yùn)動(dòng)性Distillation(精餾)SeparationdependsondistributionofcomponentsbetweengasandliquidphaseAllcomponentsdistributeatequilibriumGasphase-applicationofheatLiquidphase-removalofheatAbsorption/Stripping(吸收/解吸)GasmixturecontactedwithliquidAbsorption-dissolvingcomponentsofgasintoliquidStripping-masstransfergoesfromliquidtogasAdsoprtion(吸附)AsurfacephenomenonDependsonselectivebindingofasolutetoasurfaceUsedfor:GasseparationFractionationofindustrialchemicalWastetreatmentDe-hydrationorde-humidificationofgasesWaterpurificationFractionationandrecoveryofbiopolymersChromatography(色譜)UtilizesdifferentialmigrationvelocitiesofcomponentswithinaseparationdeviceAnovelseparationprocessUsedfor:PharmaceuticalandfinechemicalfractionationsBioseparationEnvironmentalseparationsAnalysisofchemicalsDiagnosticsSampleanalysisforprocesscontrolLiquidExtraction(萃取)Liquidsolutioncontactedwithanotherinsolubleliquid.ConstituentsdistributedifferentlybetweenthetwoliquidphasesSupercriticalfluidextraction(超臨界流體萃取)AnovelseparationprocessUsedfor:Separationandpurificationofoils,flavoursandmedicinalcomponentsRemovalofgreasymaterialConversionofazeotropicwater-ethanolmixturetoananhydrousethanolFractionationandpurificationofpolymersMembraneseparationprocesses(膜分離)NovelseparationprocessesUtilizesselectivebarrierUsedfor:BioseparationMedicalseparationsClarificationRecoveryofcellsfrombioreactorsWastetreatmentGasseparationSeparationprocessesLiquid-liquidextraction液液萃取Adsorption吸附Filtration過(guò)濾Solid-liquidextraction(leaching)固液萃取Elutionchromatography洗脫色譜Membraneseparationprocesses膜分離Distillation精餾Affinityseparationprocesses親和分離Dryingandevaporation干燥和蒸發(fā)Freeze-drying冷凍干燥Precipitation沉淀Crystallization結(jié)晶Electrophoresis電泳Centrifugation離心分離Mechanicalsieving機(jī)械篩分Technologicalandusematuritiesofseparationprocesses分離過(guò)程的分類(lèi)級(jí)數(shù)：相態(tài)：?jiǎn)渭?jí)、多級(jí)固—固、固—液、固—?dú)?、氣—液、液—液、氣—?dú)獠僮鞣绞剑哼B續(xù)、間歇、半連續(xù)規(guī)模：分析型分離、制備型分離、工業(yè)分離分離方法按機(jī)理的分類(lèi)phasecreationMechanismofSeparationphaseadditionbarriersolid

agentforcefieldMostcommonGainingpopularityOfteninlabsPhaseCreationPhaseAdditionPhaseCreationPhase1Phase2FeedSeparationbyphasecreationoraddition通過(guò)相的創(chuàng)造和加入來(lái)進(jìn)行分離Separationbybarrier通過(guò)障礙物分離分離過(guò)程的分類(lèi)有無(wú)傳質(zhì)發(fā)生：機(jī)械分離、傳質(zhì)分離處理兩相以上的混合物如過(guò)濾、沉降、離心分離等。處理均相混合物ClassificatinofSeparationOperation(分離操作的分類(lèi))MechanicalSeparationprocesses機(jī)械分離過(guò)程(feedconsistingofmorethanonephaseofmatterandsimplyservestoseparationthephasesfromoneanother)HeterogeneousMixtureMasstransferSeparationprocesses傳質(zhì)分離過(guò)程(Thereisonlyonephaseinfeed)HomogeneousMixtureSettlingFiltrationCentrifugationSEPARATIONPROCESSES1.1ClassificationsofMassTransferSeparationProcesses(傳質(zhì)分離過(guò)程的分類(lèi))按物理化學(xué)原理的不同，傳質(zhì)分離可分為：傳質(zhì)分離過(guò)程的分類(lèi)平衡分離過(guò)程：速率分離過(guò)程：借助分離劑使均相混合物系統(tǒng)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(dòng)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。MasstransferSeparationprocessesEquilibrationSeparationProcessesIfthemixturetobeseparatedisahomogeneoussingle-phasesolution,asecondphasemustgenerallybedevelopedbeforeseparation,andthesubsequentseparationofchemicalspeciescanbeachievedbyemployingdifferenceinpartitionfordifferentspeciesbetweentwophases.

Thissecondphasecanbecreatedbyanenergyseparationagent(ESA)orbyamassseparationagent(MSA).

平衡分離過(guò)程混合物（氣、液、固）分離過(guò)程產(chǎn)品1產(chǎn)品2產(chǎn)品n能量分離劑ESA質(zhì)量分離劑MSA極限程度------熱力學(xué)分離速率------動(dòng)力學(xué)Limits: Extent=Thermodyanmics Rate=Transport如何減少分離設(shè)備的尺寸?閃蒸（Flash）部分冷凝（PartialCondensation）精餾（Distillation）特殊精餾（EnhancedDistillation）萃取精餾（ExtractiveDistillation）共沸精餾（AzeotropicDistillation）萃?。‥xtraction）、超臨界流體萃?。⊿CFE）吸收（Absorption）、解吸（Desorption）結(jié)晶（Crystallization）吸附（Adsorption）、離子交換（IonExchange）膜蒸餾、膜萃取、雙水相萃取、反膠團(tuán)萃取、變壓吸附……ExamplesofEquilibrationSeparationProcessesTherate-governedseparationprocessesisusuallydiffusionundertheinfluenceofaconcentrationfield,temperaturedifference,electricalfield,etc.Aseparationofspeciescanbeachievedbasedondifferenceintransportrates.Separationprocessesproduceproductstreamswhicharethesamephaseoffeedstreamsandwhicharemisciblewithoneanother.Rate-governedSeparationProcesses速率分離過(guò)程在某種推動(dòng)力（濃度差、壓力差、溫度差、電位差等）的作用下，或在選擇性透過(guò)膜的配合下，利用各組分?jǐn)U散速率的差異實(shí)現(xiàn)分離。MembraneSeparationProcesses膜分離是利用流體中各組分對(duì)膜的滲透速率的差別而實(shí)現(xiàn)組分分離的單元操作。

膜分離過(guò)程示意

Forthemicroporousmembranes（微孔膜）,separationiseffectedbydifferingratesofdiffusionthroughthepores（擴(kuò)散速率的不同）;whilefornonporousmembranes（納濾膜）,separationoccurbecauseofdifferenceinbothsolubilityinthemembraneandtherateofdiffusionthroughthemembrane（擴(kuò)散速率以及在膜中溶解性能的不同）.MembraneSeparationMechnisms（膜分離機(jī)理）Solution-diffusionRestricteddiffusionDiffusionthroughporesBulkflowthroughporesDiffusionthroughamembranemembranefeedpermeateDiffusionthroughamembranemembranefeedpermeatediffusionDiffusionthroughamembranemembranefeedpermeate膜分離過(guò)程的主要特點(diǎn)（1）多數(shù)膜分離過(guò)程無(wú)相變，一般能耗較低；（2）一般無(wú)需另加物質(zhì)，可節(jié)約資源，保護(hù)環(huán)境；（3）分離與濃縮、分離與反應(yīng)可同時(shí)進(jìn)行，提高過(guò)程效率；（4）通常在溫和條件下進(jìn)行，特別適用于熱敏性物質(zhì)分離；（5）適用于特殊溶液體系分離，如共沸物或近沸物；（6）膜性能可靈活調(diào)節(jié)；（7）膜組件簡(jiǎn)單，可連續(xù)操作，易與其它過(guò)程耦合，易于自控和維修，易于放大。主要的膜分離過(guò)程微濾（Microfiltration）超濾（Ultrafiltration）納濾（Nanofiltration）反滲透

（ReverseOsmosis）氣體膜分離（Gasseparation）滲透蒸發(fā)（Pervaporation）電滲析（Electrodialysis）液膜分離（LiquidMembrane）MembraneMaterials（膜材料）Membranesareusuallyfabricatedfromnaturalfibers(纖維),syntheticpolymers(合成聚合物),ceramics(陶瓷),ormetals,buttheymayalsoconsistofliquidfilms.

MembraneModules（膜組件）Solidmembranesarefabricatedintoflatsheets（板框）,tubes（管式）,hollowfibers（中空纖維）,orspiral-woundsheets（螺旋卷式）.板框式管式螺旋卷式中空纖維式SummaryMorethan25differentseparationoperationsarecommerciallyimportant.

近25種分離操作在工業(yè)上具有重要地位。2.Theextentofseparationachievablebyaparticularseparationoperationdependsonexploitationofthedifferencesincertainpropertiesofthespecies.

分離效率取決于組分在性質(zhì)上的差異。3.Themorewidelyusedseparationinvolvethetransferofspeciesbetweentwophases,oneofwhichiscreatedbyenergytransferorthereductionpressure,orbyintroductionasaMSA.

依靠ESA或MSA的傳質(zhì)分離過(guò)程應(yīng)用最為廣泛。1.2ResearchandDevelopment

inSeparationTechnology化工分離過(guò)程的特點(diǎn)(1)化工分離技術(shù)的多樣性由于化工分離技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域十分廣泛，決定了分離技術(shù)的多樣性。

Keller于1987年總結(jié)了一些常用分離技術(shù)和應(yīng)用成熟度關(guān)系圖。

精餾、萃取、吸收、結(jié)晶等仍是當(dāng)前應(yīng)用最多的分離技術(shù)。液膜分離雖然構(gòu)思巧妙，但技術(shù)上仍有局限性，僅在藥物緩釋等方面得到了應(yīng)用。按放大容易程度的遞減順序

多級(jí)布置的容易程度

平行單元的需要精餾

容易

不需要吸收

容易

不需要萃取和共沸精餾

容易

不需要液液萃取

容易

有時(shí)需要膜分離

級(jí)間需要加壓

需要

吸附

容易

需要再生循環(huán)結(jié)晶

不容易

有時(shí)需要干燥

不方便

有時(shí)需要

(2)化工分離技術(shù)的復(fù)雜性

化工分離技術(shù)的多樣性決定了它的復(fù)雜性。即使對(duì)于精餾、萃取這些較為成熟的技術(shù)，多組分體系大型設(shè)備的設(shè)計(jì)仍是一項(xiàng)困難的工作，問(wèn)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?；し蛛x過(guò)程的特點(diǎn)

對(duì)于高溫、高壓、多組分和強(qiáng)非理想體系，不僅平衡數(shù)據(jù)和分子擴(kuò)散系數(shù)難以準(zhǔn)確計(jì)算，就連界面張力粘度等物性數(shù)據(jù)也難以求得。

催化劑和反應(yīng)萃取之類(lèi)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于塔內(nèi)兩相流和傳質(zhì)特性十分復(fù)雜，數(shù)字模型尚不完善。沿用了百余年的平衡級(jí)模型雖然簡(jiǎn)單直觀，但用于多組分分離過(guò)程的缺點(diǎn)已顯而易見(jiàn)。

非平衡模型被稱(chēng)為"可能開(kāi)創(chuàng)板式分離設(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)系數(shù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和模型參數(shù)過(guò)多，使其工程應(yīng)用存在困難。已開(kāi)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。(3)分離技術(shù)的廣適性

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，分離技術(shù)面臨著新的機(jī)遇和挑戰(zhàn)。石化領(lǐng)域的分離過(guò)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，能耗和成本不斷降低?；し蛛x過(guò)程的特點(diǎn)

在生物制藥工程方面，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CO2作為溶劑的超臨界萃取具有不污染產(chǎn)品和選擇性高等優(yōu)點(diǎn)。色譜分離、電泳分離等方法由于其高效、常溫常壓特點(diǎn)而成功地應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)室研究和生產(chǎn)。

隨著環(huán)境意識(shí)的加強(qiáng)，"三廢"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(guò)程排出的"廢物"，不再是"無(wú)用"的，而是沒(méi)有完全利用的物質(zhì)，"三廢處理"對(duì)分離技術(shù)是一種新的挑戰(zhàn)。專(zhuān)用化學(xué)品和新材料等方面

無(wú)論是高附加值的專(zhuān)用化學(xué)品還是納米材料、C60等新材料的發(fā)展，都需要有相匹配的分離技術(shù)，也是產(chǎn)品成功的主要關(guān)鍵之一。其中有的分離過(guò)程需要數(shù)百、上千個(gè)理論級(jí)，有的分離過(guò)程需要在超潔凈條件下進(jìn)行，對(duì)分離技術(shù)有更嚴(yán)格的要求，同時(shí)也為分離技術(shù)提供了廣闊的發(fā)展空間。(4)分離技術(shù)的特殊性

競(jìng)爭(zhēng)促進(jìn)了分離過(guò)程的強(qiáng)化，分離過(guò)程的強(qiáng)化包括新裝置新工藝方法兩個(gè)方面。任何能使設(shè)備小型化、能量高效化和有利于可持續(xù)性發(fā)展的化工分離新技術(shù)均屬于分離過(guò)程的強(qiáng)化之列。這是化工分離技術(shù)發(fā)展的重要趨勢(shì)之一?；し蛛x過(guò)程的特點(diǎn)

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)吸附和電泳萃取等新型耦合分離技術(shù)得到了長(zhǎng)足的發(fā)展，并實(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(dòng)耦合色譜可以高效地分離維生素。

信息技術(shù)推動(dòng)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。分離過(guò)程的研究和技術(shù)開(kāi)發(fā)新分離技術(shù)的研究與開(kāi)發(fā)在過(guò)程節(jié)能、提高原料利用率以及降低成本等方面仍有巨大的潛力。目前分離工藝的熱點(diǎn)研究開(kāi)發(fā)課題有：一、開(kāi)發(fā)低成本氧、氮和稀有氣體的分離方法1、工業(yè)氣體的生產(chǎn)氧的分離氧的用途：工業(yè)生產(chǎn)如烴類(lèi)氧化生產(chǎn)環(huán)氧乙烷、丙烯酸，苯和甲苯氧化生產(chǎn)環(huán)己酮。甲烷氧化偶聯(lián)可以合成乙烯，都需要高純氧。燃燒過(guò)程使用富氧可以降低能耗。此外，稀有氣體的分離。開(kāi)發(fā)中的方法有：（1）研究采用反應(yīng)金屬絡(luò)合吸附劑生產(chǎn)氧氣，其效率更高、成本更低；（2）研制了高選擇性和高通量的聚芳酰胺和聚酰亞胺共混膜，氧/氮的選擇性大約為7，降低了壓縮功和膜組件的膜面積。（3）使用專(zhuān)用吸附劑回收稀有氣體，新研制的物理吸附劑，可以按分子形狀或其他特性選擇性地回收液態(tài)空氣餾分中的氪或氙。2、高純度氣體的生產(chǎn)半導(dǎo)體器件的微型化對(duì)無(wú)雜質(zhì)制造提出了更嚴(yán)格的要求。對(duì)高純氣和超純氣的需求日益增長(zhǎng)，開(kāi)發(fā)更經(jīng)濟(jì)的分離技術(shù)也成為了研究的重點(diǎn)。主要有：（1）鈣鈦型氧化物致密膜用于高純氧的生產(chǎn)。（2）將極薄的納米結(jié)構(gòu)致密金屬膜和金屬氧化物膜應(yīng)用于分離高純度氫氣、氧氣、氮?dú)獾?。?）使用高選擇性的聚合物-沸石混合膜制造高純氣，進(jìn)一步的研究將集中在調(diào)整合成工藝和制作低成本的膜組件等方面。Gas(air,N2/O2)separation二、流程

Gasseparationbyadsorption(吸附)碳分子篩制氮機(jī)，是一種新型的空氣分離設(shè)備，以壓縮空氣為原料，碳分子篩為吸附劑，采用變壓吸附流程（簡(jiǎn)稱(chēng)P.S.A.），在常溫低壓下，利用空氣中的氧和氮在碳分子篩中的擴(kuò)散速率不同，把氧和氮加以分離，從而在不吸附相中獲得帶有一定壓力不含油污的潔凈氮?dú)猓?/p>

二、開(kāi)發(fā)酸性氣體的脫除方法酸性氣體主要指CO2、H2S、COS和SO2。使用胺類(lèi)溶劑洗滌石油餾分加氫脫硫脫除H2S是目前采用的有效方法，進(jìn)而再?gòu)腍2S中回收氫氣。如何在煤制氣中直接從熱的產(chǎn)品氣體連續(xù)脫除H2S、COS？這一難題的解決其經(jīng)濟(jì)效益是很可觀的。為了從天然氣中脫除酸性氣體，通過(guò)開(kāi)發(fā)新型膜材料，提高CO2、H2S對(duì)CH4的選擇性，降低甲烷的滲透損失，可以使生產(chǎn)效率進(jìn)一步提高。從含CO250%以上的天然氣中脫除酸性氣體需要低塑化膜材料，新型聚合物和無(wú)機(jī)材料的共混可滿(mǎn)足這一要求，無(wú)機(jī)膜材料性能能夠控制高選擇性聚合物的塑化和溶脹，CO2/CH4的選擇性可達(dá)80～100。聚酰亞胺、聚芳酰胺和聚吡咯也用于從天然氣中分離酸性氣體。其中只有用聚乙烯基苯甲基三甲胺代氟化胺和聚二烷基二甲基氟化胺制造的膜，其CO2/H2的選擇性是高的（大約40-100），但由于活性層太厚使得CO2的通量較低，若將膜層減薄，則又失去了高選擇性。目前正在開(kāi)發(fā)新的制膜方法，實(shí)現(xiàn)高通量和高選擇性地脫除酸性氣體。三、有機(jī)物/有機(jī)物分離的膜過(guò)程有機(jī)物/有機(jī)物分離是石油化工生產(chǎn)中重要的和涉及面很廣的分離工藝。例如從汽油中分離苯，從柴油中分離芳烴。采用膜技術(shù)分離有機(jī)物的工藝正在開(kāi)發(fā)之中，一個(gè)關(guān)鍵的技術(shù)問(wèn)題是解決膜的溶脹問(wèn)題。具有剛性鏈段和柔性鏈段的共聚物能夠兼顧膜的穩(wěn)定性和選擇性。近年來(lái)，正在開(kāi)發(fā)的滲透汽化工藝，用聚酰亞胺/聚酯共聚膜分離深度催化裂化石腦油，得到富芳烴的滲透液作為汽油調(diào)和劑，得到貧芳烴的滲余液作為柴油調(diào)和劑。目前滲透汽化膜過(guò)程應(yīng)用于滲透汽化/精餾集成系統(tǒng)是最有效的，滲透汽化承擔(dān)粗分任務(wù)，其能耗和成本都比較低，而接下來(lái)的精細(xì)分離由精餾完成。對(duì)膜的要求：高選擇性，耐高溫和溶脹。如果應(yīng)用滲透汽化具有高的選擇性，那么在很多分離過(guò)程中它可以取代精餾。目前，工業(yè)上從烷烴中分離烯烴的唯一方法是低溫精餾，如乙烯和乙烷的分離，丙烯和丙烷的分離。缺點(diǎn)：能耗高。如果使用選擇性促進(jìn)傳質(zhì)膜，則烯烴/烷烴分離的能耗可大幅度降低。Suda和Haraya報(bào)道使用碳分子篩膜分離丙烯/丙烷，選擇性可達(dá)到100。異構(gòu)體分離方法的改進(jìn)能大大降低某些化學(xué)品的能耗。如從二甲苯混合物中分離對(duì)-二甲苯；從帶支鏈的烯烴和烷烴中分離出正構(gòu)烯烴和烷烴。采用分子篩膜反應(yīng)器通過(guò)異構(gòu)反應(yīng)提高對(duì)-二甲苯的產(chǎn)量。四、精餾技術(shù)的改進(jìn)盡管精餾過(guò)程的能耗高，但它與其它分離方法比較，通常還是首選的分離過(guò)程。精餾過(guò)程的突出優(yōu)點(diǎn)是：設(shè)備投資相對(duì)較低；可獲得高純度產(chǎn)品。研究開(kāi)發(fā)的熱點(diǎn)課題之一是降低精餾過(guò)程的能耗，因?yàn)槠涔?jié)能潛力巨大，經(jīng)濟(jì)效益可觀。研究的另一領(lǐng)域是共沸物系或近沸點(diǎn)物系的分離。如脫除乙醇中的水份，礦物酸的濃縮等。近沸點(diǎn)液體的分離也需要新的和改進(jìn)的精餾方法。精餾技術(shù)的改進(jìn)有如下幾方面：（1）熱串級(jí)降低精餾操作的有效方法是將一個(gè)塔的冷凝器釋放出來(lái)的能量作為另一個(gè)塔再沸器的能源，稱(chēng)為熱串級(jí)。乙醇的七塔精制流程是熱串級(jí)的典型工業(yè)應(yīng)用實(shí)例，該流程的特點(diǎn)是只有一個(gè)再沸器用水蒸汽加熱，其余塔的再沸器的熱源均來(lái)自另外塔的冷凝器。在空分中所采用的雙塔流程是熱串級(jí)的另一個(gè)應(yīng)用實(shí)例。如何應(yīng)用熱串級(jí)技術(shù)？醇解廢液中含醋酸甲酯（沸點(diǎn)57.1℃）、甲醇（沸點(diǎn)64.7℃）、醋酸鈉溶液，可采用共沸精餾方法分離，傳統(tǒng)工藝為塔頂?shù)玫焦卜形?，?1%的醋酸甲酯與19%的甲醇，共沸溫度為54℃，塔釜為甲醇、醋酸鈉水溶液；共沸物可采用水作萃取溶劑萃取精餾分離，塔釜得到甲醇水溶液，塔頂?shù)玫酱姿峒柞?，甲醇水溶液用普通精餾方法分離。如何進(jìn)行改進(jìn)？（2）蒸汽壓縮

基于蒸汽壓縮的精餾技術(shù)可以更有效的利用能量。由于購(gòu)置壓縮機(jī)的投資很高，故該技術(shù)僅用于能量成本十分高的過(guò)程，如低溫精餾。（3）化學(xué)合成與精餾的耦合

通過(guò)精餾與化學(xué)合成的耦合可以改善分離效率。如催化精餾合成MTBE，將兩個(gè)單元操作在一個(gè)反應(yīng)器內(nèi)非常經(jīng)濟(jì)完成。（4）膜分離和精餾的集成

研究表明膜過(guò)程與精餾的合理組合可以節(jié)能30%左右。如乙烯和乙烷的分離，丙烯和丙烷的分離。JCPT塔板(并流噴射填料塔板的傳質(zhì)機(jī)理與普通塔板有著本質(zhì)的區(qū)別，它是填料與塔板的復(fù)合體，靠填料實(shí)現(xiàn)傳質(zhì)，靠塔板實(shí)現(xiàn)多級(jí)并流。StudyonstructuresofcolumnplatesReactivedistillation反應(yīng)精餾五、稀溶液的分離從產(chǎn)品稀溶液或廢液中分離組分在化學(xué)工業(yè)中也是很重要的。有些情況是回收有價(jià)值的物質(zhì)，而另外一些情況是從可循環(huán)物料或排放的廢液中脫除污染物。脫除廢液中的VOCs（揮發(fā)性有機(jī)物）和非揮發(fā)性有機(jī)物，也需要很好的分離技術(shù)。目前，脫除廢液中的VOCs的方法是空氣氣提，接著用活性炭吸附有機(jī)蒸汽。非揮發(fā)性有機(jī)化合物的脫除通常采用生化處理或活性炭吸附等方法。將微生物應(yīng)用到合成化學(xué)品的勢(shì)頭不斷增長(zhǎng)，生物過(guò)程經(jīng)常產(chǎn)生濃度低于10%的水溶液。回收與提純這些物質(zhì)是一個(gè)具有挑戰(zhàn)性的研究課題。從稀溶液中分離、脫除或回收有機(jī)化合物方面有應(yīng)用前景的研究包括：反應(yīng)金屬絡(luò)合吸附；氣體膜分離；選擇性還原/氧化劑的應(yīng)用；電滲析膜分離；連續(xù)吸附過(guò)程；吸收與空氣氧化過(guò)程的集成；滲透汽化；使用選擇性吸附劑分離生物過(guò)程的產(chǎn)品等。六、手性化合物的分離手性化合物用于抗生素、抗癌制劑、鎮(zhèn)痛劑等藥品的生產(chǎn)。分離方法包括：高效液相色譜、結(jié)晶以及選擇性手性膜滲透。七