分離工程與技術(shù)第一講1課件

分離工程與技術(shù)第一講2023/7/27分離工程與技術(shù)第一講[1]分離過程的定義分離過程的多樣性和重要性分離過程的經(jīng)濟意義分離過程的特征及分類分離因子新分離過程開發(fā)的一般方法分離工程與技術(shù)第一講[1]分離過程的定義

*分離（separation）與混合（mixing）Clausius認為：宇宙的熵趨于極大化！由熱力學(xué)第二定律：一切自然過程的發(fā)生都是使熵或混亂度增加分離工程與技術(shù)第一講[1]

混合過程是自發(fā)過程，是熵增加的過程；

混合過程是體系內(nèi)能減小的過程！

分離過程是反自發(fā)過程，是熵減小的過程：分離過程是體系內(nèi)能增加的過程！

因此，分離過程的實現(xiàn)需要外界提供熱力學(xué)功分離過程的定義

*分離（separation）與混合（mixing）分離工程與技術(shù)第一講[1]

1.在一杯水中加入一匙鹽，鹽就會迅速溶解，是一個自發(fā)過程。2.在外界沒有提供任何熱力學(xué)功的條件下，你根本無法完全從水中將鹽完全分離出來！是一個反自發(fā)過程。

分離過程的定義

*分離（separation）與混合（mixing）分離工程與技術(shù)第一講[1]分離過程的定義

1980年，CJKing給出分離過程下了最簡單的定義：

將一種混合物轉(zhuǎn)變成組成互不相同的兩種或兩種以上產(chǎn)物的操作過程。

分離工程與技術(shù)第一講[1]分離過程的多樣性 海水淡化一直是人類解決地球上淡水資源不足永恒的研究方向。目前通用的技術(shù)有：蒸發(fā)/冷凝：利用水分子與鹽分子揮發(fā)性的差異，由外界提供熱量，使海水汽化、冷凝后得到純水。海水冷凍：利用冰塊中不含鹽極低的特性，先冷凍后加熱汽化可以得到相對純的水。膜分離：外界加入多孔膜材料，利用水分子和鹽分子滲透性的差異，實現(xiàn)的水提純過程。

分離工程與技術(shù)第一講[1]分離過程的多樣性上述所述的三種分離過程，都可以將使水和鹽分子實現(xiàn)分離。方法①：可以得到極純的水，方法②和方法③可以的到相對純的水。三種方法都需要外界提供熱力學(xué)功。三種方法都是產(chǎn)生第二相，或加入第二相。因此，分離過程具有多樣性，并且每一種分離過程可以獲得的產(chǎn)品最高純度是不同的，都需要外界提供熱力學(xué)功，絕大部分屬于相際分離。

分離工程與技術(shù)第一講[1]分離過程的多樣性分離過程多樣性：構(gòu)成體系的各元素（包括微觀的分子和宏觀的分子團等）具有多種不同的物理和化學(xué)性質(zhì)，理論上，基于不同性質(zhì)差異就可以構(gòu)造出不同的分離過程。目前，由于人們對物質(zhì)的物理和化學(xué)性質(zhì)的認識是相對有限的，因此，同一體系具有許多種不同的分離方法潛力，每種分離方法各有不同的特點，但這些分離方法是否能夠?qū)崿F(xiàn)取決于在當前相關(guān)支撐科學(xué)的水平。

分離工程與技術(shù)第一講[1]

對于在當前支撐科學(xué)水平下可以實現(xiàn)的分離過程的選擇應(yīng)具體問題具體分析。隨著支撐科學(xué)的發(fā)展又會產(chǎn)生新的分離過程。探索新分離過程一直是化學(xué)工程發(fā)展的重點內(nèi)容。各種分離方法的選擇不僅僅是簡單地考慮技術(shù)經(jīng)濟性問題，更需要考慮應(yīng)用場所、相關(guān)支撐條件、技術(shù)成熟度和應(yīng)用成熟度等方面。分離工程與技術(shù)第一講[1]分離過程的共性問題分離過程的種類繁多，應(yīng)用領(lǐng)域極為廣泛，在任何涉及到化學(xué)加工的生產(chǎn)過程中，都會涉及到分離過程。所有的分離過程都有著共同的特點，即分離過程的共性問題。每種分離過程都需要外界提供熱力學(xué)功；分離工程與技術(shù)第一講[1]分離過程的共性問題每種分離過程都將原料分離成至少兩種組成不同的產(chǎn)品；為了使得產(chǎn)品的組成達到所需的要求，所有的分離過程都要使得組分作選擇性轉(zhuǎn)移，這種轉(zhuǎn)移過程可以通過一步或多步來完成；按照任何分離機理所進行的分離操作，至少可以得到一種較純的產(chǎn)品。分離工程與技術(shù)第一講[1]分離過程的共性問題非均相混合物的分離通常涉及篩分的沉降、分級和過濾等簡單的操作，而均相混合物的分離需要采用更為精巧的方法；均相混合物的分離通常需要添加或產(chǎn)生第二相，達到和接近相平衡，最后通過非均相混合物的分離方法進行相分離。這類過程通常稱為平衡級分離過程。分離工程與技術(shù)第一講[1]分離過程的共性問題平衡級分離過程的第二相可以通過加入能量由體系自身產(chǎn)生，加入的能量稱為能量分離劑（ESA）；也可以加入第二相來改變相平衡或向相界面?zhèn)鬟f的速率，所加入的物質(zhì)稱為質(zhì)量分離劑或相轉(zhuǎn)移促進劑（MSA）。分離工程與技術(shù)第一講[1]分離過程的共性問題分離劑：能量分離劑ESA（EnergySeparatingAgent）如熱，壓力，電，磁，輻射等?；?和，質(zhì)量分離劑MSA（MassSeparatingAgent）過濾介質(zhì)，溶劑，吸附劑，離子交換樹脂，固膜材料等。分離工程與技術(shù)第一講[1]分離過程的共性問題均相體系的分離過程也有一類分離過程是利用混合物中各組分通過“篩子”或相界面遷移速度的差異，使得產(chǎn)物間產(chǎn)生濃度差。這可以通過外力如：溫度，電磁、壓力差等來實現(xiàn)。這類分離過程稱為速率控制（rate-base）的分離過程。分離設(shè)備中通常是使相同的過程多次重復(fù)實現(xiàn)，主要目的是提高產(chǎn)品的純度和降低熱力學(xué)功耗。分離工程與技術(shù)第一講[1]分離過程的分類從相態(tài)上分類：均相體系的分離非均相體系的分離非均相體系的分離也稱為機械分離。均相體系的分離也稱為擴散分離過程。需要外界提供熱力學(xué)功，產(chǎn)生第二相，或/和加入第二相，再通過非均相體系的分離方法來實現(xiàn)。分離工程與技術(shù)第一講[1]分離過程的分類分離工程與技術(shù)第一講[1]分離過程的分類化工傳遞過程操作的核心問題是相際傳遞過程。相際界面的大小決定了傳遞的效果。

相分離/相分散是化工分離工程之魂！化工單元操作的核心矛盾是相分離和相分散的矛盾！分離工程與技術(shù)第一講[1]分離過程的分類擴散分離過程也可以分為兩類：平衡級分離過程；速率控制的分離過程。無論是平衡級分離過程還是速率控制的分離過程，都需要外界提供分離劑，ESA或/和MSA。分離工程與技術(shù)第一講[1]分離過程的分類分離工程與技術(shù)第一講[1]分離過程的分類分離工程與技術(shù)第一講[1]傳質(zhì)設(shè)備與相界面積 按照傳質(zhì)速率方程：

－板式塔：a－氣泡和液滴表面；－填料塔：a－填料比表面；

分離工程與技術(shù)第一講[1]傳質(zhì)設(shè)備與相界面積板式塔填料塔（Trayedcolumn）（Packingcolumn）分離工程與技術(shù)第一講[1]傳質(zhì)設(shè)備與相界面積精餾設(shè)備－為傳質(zhì)、傳熱過程的實現(xiàn)提供氣液相界面積a；其中，1.a的大小主要受塔類型和氣液負荷大小的限制：板式塔a有很大變化；填料塔變化較??！2.高效塔設(shè)備的設(shè)計需要控制塔內(nèi)的返混，維持高的傳質(zhì)效率！3.塔設(shè)備的開發(fā)、選型和設(shè)計的核心問題是維持塔設(shè)備指標的平衡（傳質(zhì)效率、處理能力和壓降等）分離工程與技術(shù)第一講[1]六、傳質(zhì)設(shè)備與相界面積分離工程與技術(shù)第一講[1]分離過程的重要性分離過程廣泛應(yīng)用于化學(xué)、石油、冶金、食品、輕工、醫(yī)藥、生化和原子能等工業(yè)。其在煉油和石化工業(yè)中的重要性無需贅述！ JRFair認為分離過程是CPI（化學(xué)加工工業(yè)）的Workhorse。分離工程和反應(yīng)工程并稱為化學(xué)工程中的兩大方向。分離工程與技術(shù)第一講[1]分離過程的重要性反應(yīng)工程決定了最終產(chǎn)品的產(chǎn)物結(jié)構(gòu)，但很少直接生產(chǎn)出產(chǎn)品。而分離工程不僅可以生產(chǎn)出產(chǎn)品，同時也為反應(yīng)過程提供服務(wù)：原料提純中間產(chǎn)物的分離反應(yīng)產(chǎn)物的分離化學(xué)加工過程可以沒有反應(yīng)過程，但絕大多數(shù)涉及分離過程。

分離工程與技術(shù)第一講[1]分離過程的重要性分離工程與技術(shù)第一講[1]分離過程的重要性以反應(yīng)為核心的單元裝置：分離設(shè)備占總投資的50~90％，能耗占60~95％，操作費用占60％分離技術(shù)的任何技術(shù)進步都會帶來巨大的經(jīng)濟效益和社會效益。分離工程與技術(shù)第一講[1]分離因子任何分離過程可以達到的分離程度都可以用分離因子來表征：分離工程與技術(shù)第一講[1]分離因子分離因子反映了：平衡組成間的差異；分離依據(jù)的基本物理現(xiàn)象所導(dǎo)致的傳遞速率不同；反映了裝置結(jié)構(gòu)和流動特點對分離過程的影響；分離因子由于涉及到了裝置及操作條件的影響而具有很大的不確定性。分離工程與技術(shù)第一講[1]分離因子固有分離因子的定義：對于平衡級分離過程，當各產(chǎn)品達到簡單平衡時，ij用該產(chǎn)品平衡組成表示；對于速率控制的分離過程，認為僅有所依據(jù)的物理現(xiàn)象發(fā)生，而無其他因素的影響，ij用產(chǎn)品組成表示。分離工程與技術(shù)第一講[1]分離因子ij和sij都可以用于分離過程的特性；一般用ij用于分析分離過程的特性，并通過“效率”來描述理想與實際的差異，因此ij一般對組成、溫度、壓力的變化不敏感！分離工程與技術(shù)第一講[1]分離因子sij在數(shù)值上可能比ij更接近于1，也可能離1更遠，但當ij＝1時，sij必定為1。分離工程與技術(shù)第一講[1]分離因子對于二元理想體系的閃蒸過程：因此，只要體系的蒸汽壓不同，就可以通過閃蒸來實現(xiàn)分離！分離工程與技術(shù)第一講[1]分離的難度分離工程與技術(shù)第一講[1]分離的難度分離工程與技術(shù)第一講[1]化學(xué)工程研究的矛盾化學(xué)工程研究的矛盾主要涉及兩個方面：處理能力與壓降的矛盾主要體現(xiàn)與生產(chǎn)能力與能耗之間的矛盾。處理能力與效率（轉(zhuǎn)化率）的矛盾主要體現(xiàn)在生產(chǎn)能力停留時間質(zhì)量（熱量傳遞）的通量效率（轉(zhuǎn)化率）之間的矛盾。以下以相際傳質(zhì)過程進行說明！分離工程與技術(shù)第一講[1]化學(xué)工程研究的矛盾傳質(zhì)通量與汽液接觸時間的關(guān)系分離工程與技術(shù)第一講[1]化學(xué)工程研究的一般規(guī)律分離工程與技術(shù)第一講[1]新分離過程的開發(fā)開發(fā)一種新的分離過程一般包括：基礎(chǔ)研究工藝研究工程研究等三個方面。在這些研究的基礎(chǔ)上，一般采用的技術(shù)路線實驗室小試、工業(yè)中試、工程實施、工程放大的技術(shù)路線。分離工程與技術(shù)第一講[1]新分離過程的開發(fā)基礎(chǔ)研究：針對所考慮的體系，主要涉及兩個方面： 文獻調(diào)研：現(xiàn)有的分離方法，存在的問題；所考慮的體系的研究現(xiàn)狀，以有的研究結(jié)果； 可行性研究：現(xiàn)有分離方法與研究的技術(shù)路線的對比和分析；制定研究方案；實驗研究分離工程與技術(shù)第一講[1]新分離過程的開發(fā)工藝及設(shè)備研究按照基礎(chǔ)研究的結(jié)果，確定相關(guān)的工藝條件；按照分離過程的特點，確定構(gòu)思分離設(shè)備的構(gòu)型；分離設(shè)備的研究開發(fā)；經(jīng)驗研究；CFD指導(dǎo)下的實驗研究實驗室小試。分離工程與技術(shù)第一講[1]新分離過程的開發(fā)工程研究：針對工藝開發(fā)的工程放大問題，進行相應(yīng)的工藝和設(shè)備的工程化研究；工藝流程的優(yōu)化和設(shè)計；由相關(guān)設(shè)計院所進行工程設(shè)計；工程實施；工業(yè)應(yīng)用效能的考察分離工程與技術(shù)第一講[1]分離方法的評價的主要考慮分離方法的考慮是一個CaseStudy過程，一般來講現(xiàn)有分離技術(shù)評價的考慮：現(xiàn)有支撐條件的