化工原理課件非均相物系分離全

化工原理課件-非均相物系分離總論非均相物系分離在化學(xué)工業(yè)中至關(guān)重要，涉及將不同相的物質(zhì)分離。例如，固液分離、氣液分離等。緒論課程介紹介紹化工原理課程的學(xué)習(xí)目標和內(nèi)容，以及其在化工領(lǐng)域的重要意義。課程目標通過本課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生將掌握分離的基本原理和方法，并能運用這些知識解決實際問題。教學(xué)內(nèi)容本課程主要包括非均相物系的定義，分離的目的和意義，以及各種分離方法和技術(shù)的原理和應(yīng)用。學(xué)習(xí)方法建議同學(xué)們認真預(yù)習(xí)課本，積極參與課堂討論，并完成課后練習(xí)和實驗。非均相物系的定義兩種或多種物質(zhì)非均相物系是指兩種或多種物質(zhì)組成的混合物，其各組分在混合物中以不同的相態(tài)存在，并且在宏觀上可以觀察到相界面的混合物。相互分散各組分之間相互分散，不完全混合，形成不同的相，并且在宏觀上可以觀察到相界面的混合物。相態(tài)不同非均相物系中的各組分可以是固體、液體或氣體，其相態(tài)可以相同或不同，但至少存在兩種不同的相態(tài)。非均相物系分離的目的和意義提高產(chǎn)品純度分離雜質(zhì)，獲得更純凈的產(chǎn)物，滿足特定應(yīng)用的需求，例如藥物生產(chǎn)和食品加工。回收有用組分從混合物中分離出有價值的組分，例如從廢水中回收有用的化學(xué)物質(zhì)，提高資源利用率。降低生產(chǎn)成本通過有效的分離，減少原料損耗，降低能耗，提高生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本。環(huán)境保護分離有害物質(zhì)，防止污染環(huán)境，例如廢水處理，減少排放污染，保護生態(tài)環(huán)境。非均相物系分離的基本原理11.密度差固體和液體具有不同的密度，利用重力分離，沉降較重的固體，分離出液體。例如，沉降分離、過濾和離心分離。22.相互作用力利用物質(zhì)間的相互作用力分離混合物，例如，吸附分離，利用吸附劑表面吸附特定物質(zhì)。33.物質(zhì)傳遞利用物質(zhì)在不同相間傳遞速率的差異，例如，蒸餾分離，利用沸點差異，蒸發(fā)分離出易揮發(fā)組分。44.分布系數(shù)利用物質(zhì)在不同相間的分配系數(shù)差異，例如，萃取分離，利用溶質(zhì)在兩種互不相溶的溶劑中的溶解度差異進行分離。非均相物系分離的方法和技術(shù)蒸餾利用不同組分沸點差異，通過加熱和冷卻來分離混合物。過濾利用不同組分粒徑差異，通過濾膜或其他介質(zhì)分離混合物。結(jié)晶利用不同組分溶解度差異，通過降溫或蒸發(fā)溶劑分離混合物。吸附利用吸附劑表面吸附不同組分分離混合物，如活性炭吸附。蒸餾分離蒸餾是分離不同沸點的液體混合物的有效方法。利用不同組分沸點的差異，通過加熱使易揮發(fā)組分汽化，并將其冷凝分離。1加熱將液體混合物加熱到沸點。2汽化易揮發(fā)組分汽化，形成蒸汽。3冷凝蒸汽被冷卻，凝結(jié)成液體。4分離分離出純凈的易揮發(fā)組分。蒸餾分離的基本原理相對揮發(fā)度不同組分在液體和氣相中的平衡關(guān)系由相對揮發(fā)度決定。揮發(fā)度高的組分在氣相中濃度更大，更容易蒸發(fā)。傳質(zhì)過程蒸餾分離依靠組分在液相和氣相之間的傳質(zhì)過程，即氣相的蒸汽進入液相，而液相的組分進入氣相。簡單蒸餾操作1加熱將混合液加熱至沸騰2蒸汽產(chǎn)生沸點較低的組分先汽化3冷凝蒸汽通過冷凝器冷卻成液體4收集收集冷凝后的液體簡單蒸餾是將混合物加熱至沸騰，使沸點較低的組分先汽化，然后通過冷凝器冷卻成液體，從而將兩種或多種組分分離出來。這種方法適用于沸點差異較大的混合物。精餾操作多級分離精餾利用多級傳質(zhì)，實現(xiàn)對混合液體的有效分離。塔板或填料精餾塔內(nèi)安裝塔板或填料，增大液氣接觸面積，提高傳質(zhì)效率。氣液平衡精餾過程中，氣液兩相處于平衡狀態(tài)，不同組分在兩相中的分配系數(shù)不同。塔頂、塔底塔頂獲得低沸點組分富集的餾出液，塔底獲得高沸點組分富集的釜殘液。蒸餾設(shè)備蒸餾設(shè)備是實現(xiàn)蒸餾分離操作的裝置，主要由加熱器、蒸餾塔、冷凝器、回流器等組成。加熱器用于提供熱量，使物料沸騰蒸發(fā)；蒸餾塔是蒸餾分離的核心設(shè)備，塔內(nèi)設(shè)有填料或塔板，使氣液充分接觸并進行傳質(zhì)；冷凝器用于將氣體冷凝成液體；回流器用于將部分冷凝液返回蒸餾塔，以提高分離效率。常用的蒸餾設(shè)備類型包括簡單蒸餾設(shè)備、精餾設(shè)備、減壓蒸餾設(shè)備、連續(xù)蒸餾設(shè)備等。選擇合適的蒸餾設(shè)備需根據(jù)物系的性質(zhì)、分離要求、生產(chǎn)規(guī)模等因素綜合考慮。吸附分離1固體表面吸附劑的固體表面具有豐富的孔隙和表面積，可以與流體中的目標物質(zhì)發(fā)生物理或化學(xué)作用。2吸附過程目標物質(zhì)在吸附劑表面富集，從流體中去除，達到分離目的。3再生過程吸附劑飽和后需要再生，通常通過升溫、降壓或使用溶劑等方法將吸附的物質(zhì)脫附。吸附分離的基本原理吸附劑吸附劑通常是多孔固體，具有高表面積，可以與目標物質(zhì)的分子發(fā)生相互作用并將其捕獲。吸附吸附是物質(zhì)從氣相或液相轉(zhuǎn)移到固體表面的一種現(xiàn)象，基于吸附劑和被吸附物質(zhì)之間的相互作用力。解吸解吸是指被吸附物質(zhì)從吸附劑表面釋放到氣相或液相的過程，通常通過改變溫度、壓力或溶劑條件實現(xiàn)。吸附等溫線吸附等溫線描述了在恒定溫度下，吸附劑對吸附質(zhì)的吸附量隨吸附質(zhì)平衡濃度變化的關(guān)系。它揭示了吸附過程的平衡狀態(tài)。吸附動力學(xué)吸附速率吸附劑表面和溶質(zhì)分子之間的相互作用速度。吸附平衡吸附速率和解吸速率相等，吸附量不再變化。擴散溶質(zhì)分子在吸附劑孔隙內(nèi)移動，影響吸附速率。溫度影響溫度升高，吸附速率加快，但吸附量可能下降。常用吸附劑活性炭活性炭具有豐富的孔隙結(jié)構(gòu)，表面積大，吸附能力強。常用于氣體和液體的吸附，例如凈化水、脫色、去除異味等。沸石沸石是一種具有獨特孔結(jié)構(gòu)的硅鋁酸鹽，具有良好的離子交換和吸附性能。常用于氣體分離、催化劑載體、吸附劑等。硅膠硅膠是一種多孔的無機材料，具有良好的吸附性能，對水蒸氣、有機溶劑等具有很強的吸附能力。常用于干燥劑、吸附劑等。氧化鋁氧化鋁是一種多孔的無機材料，具有良好的吸附性能，對水蒸氣、有機溶劑、金屬離子等具有較強的吸附能力。常用于干燥劑、催化劑載體、吸附劑等。吸附設(shè)備吸附設(shè)備是利用吸附原理進行分離操作的裝置。常見的吸附設(shè)備包括固定床吸附器、移動床吸附器和流化床吸附器。吸附設(shè)備的設(shè)計需考慮吸附劑的性質(zhì)、吸附過程的操作條件、以及目標物質(zhì)的特性。固定床吸附器結(jié)構(gòu)簡單，操作方便，適用于處理連續(xù)的吸附過程。移動床吸附器可以實現(xiàn)吸附劑的再生，提高吸附效率。流化床吸附器可以提高吸附劑的利用率，適用于處理大量氣體或液體。提取分離1概念提取分離是利用兩種互不相溶的液體之間溶質(zhì)分配系數(shù)的差異，將溶質(zhì)從一種溶劑中轉(zhuǎn)移到另一種溶劑中，從而達到分離的目的。2原理提取分離的原理是基于溶質(zhì)在兩種互不相溶的溶劑中具有不同的溶解度，即分配系數(shù)不同。分配系數(shù)是指在一定溫度下，溶質(zhì)在兩種溶劑中的濃度之比。3應(yīng)用提取分離廣泛應(yīng)用于化工、制藥、食品等行業(yè)，例如天然產(chǎn)物提取、藥物分離、廢水處理等。提取分離的基本原理11.相互溶解度提取分離利用的是兩種互不相溶的液體對溶質(zhì)的溶解度差異。22.萃取劑選擇選擇合適的萃取劑，使它對目標組分具有較高的溶解度，對其他組分溶解度低。33.分配系數(shù)分配系數(shù)反映了溶質(zhì)在萃取劑和原溶劑中的分配比例，是提取分離的效率指標。44.混合和分離混合后，通過靜置分層或其他方法，將富含目標組分的萃取相和原溶劑相分離。平衡關(guān)系在提取分離中，平衡關(guān)系至關(guān)重要。它描述了兩種不同相之間溶質(zhì)分配的規(guī)律。平衡關(guān)系可以通過平衡常數(shù)K來表示，該常數(shù)為兩種相中溶質(zhì)濃度之比。例如，在液-液提取中，K=C有機/C水，反映了溶質(zhì)在有機相和水相中的分配比例。提取設(shè)備提取設(shè)備主要用于實現(xiàn)溶液的混合、分離以及萃取劑的回收等操作。常見的提取設(shè)備包括：1.單級攪拌槽：用于簡單的提取操作，適用于處理量較小的物料。2.多級逆流提取器：利用多級接觸提高提取效率，適用于處理量較大的物料。3.旋轉(zhuǎn)萃取器：利用旋轉(zhuǎn)運動產(chǎn)生良好的混合和分離效果，適用于處理黏度較高的物料。4.離心萃取器：利用離心力加速分離過程，適用于處理高濃度溶液。5.膜提取器：利用膜分離技術(shù)實現(xiàn)高效提取，適用于處理熱敏性物料。膜分離膜分離的基本原理膜分離是一種利用半透膜分離不同物質(zhì)的物理方法，膜的選擇性滲透性決定了分離效果。膜的種類和結(jié)構(gòu)膜的種類繁多，根據(jù)其分離原理和結(jié)構(gòu)可分為微濾膜、超濾膜、納濾膜和反滲透膜等，每種膜都具有不同的分離性能。膜分離的動力過程膜分離過程需要壓力差、濃度差或電位差驅(qū)動，這些動力會推動物質(zhì)通過膜，實現(xiàn)分離。膜分離設(shè)備膜分離設(shè)備種類多樣，包括平板膜、螺旋卷式膜、中空纖維膜等，設(shè)備的選擇與分離需求和操作條件密切相關(guān)。膜分離的基本原理濃度差膜分離利用不同物質(zhì)在膜兩側(cè)的濃度差作為驅(qū)動力，使目標物質(zhì)透過膜，實現(xiàn)分離。壓力差膜分離可以利用壓力差，迫使目標物質(zhì)穿過膜，實現(xiàn)分離，例如反滲透膜分離。膜的選擇性膜對不同物質(zhì)的透過性不同，可以選擇性地透過目標物質(zhì)，實現(xiàn)分離。膜的種類和結(jié)構(gòu)聚合物膜聚合物膜通常由高分子材料制成，具有良好的柔韌性和可塑性，適用于分離氣體和液體。陶瓷膜陶瓷膜由無機材料制成，具有高強度、耐高溫和耐腐蝕性，適用于處理高濃度或腐蝕性物質(zhì)。金屬膜金屬膜具有高強度、耐高溫和耐腐蝕性，適用于處理高濃度或腐蝕性物質(zhì)，且具有較高的通量。復(fù)合膜復(fù)合膜由不同材料組合而成，例如聚合物膜和陶瓷膜，以結(jié)合不同材料的優(yōu)點，適用于處理更復(fù)雜的混合物。膜分離的動力過程膜分離過程是一個復(fù)雜的動力學(xué)過程，它涉及物質(zhì)在膜兩側(cè)的傳質(zhì)和動力學(xué)因素。膜分離的動力過程主要包括以下幾個步驟：1濃度梯度膜兩側(cè)物質(zhì)的濃度差驅(qū)動著物質(zhì)的擴散2膜的選擇性膜對不同物質(zhì)的透過率不同，導(dǎo)致不同物質(zhì)的傳輸速率差異3流動條件流體流速、膜孔徑等因素影響著傳質(zhì)速率膜分離的動力過程決定著分離效率，通過優(yōu)化膜材料、操作條件和膜結(jié)構(gòu)，可以有效提高膜分離效率和分離效果。膜分離設(shè)備膜分離設(shè)備主要包括膜組件、進料泵、壓力控制系統(tǒng)和產(chǎn)物收集系統(tǒng)。膜組件由一系列排列緊密的膜單元組成，可以根據(jù)不同的應(yīng)用需求選擇不同類型的膜材料和結(jié)構(gòu)。進料泵提供所需的壓力，將料液送入膜組件。壓力控制系統(tǒng)確保膜組件在最佳的操作壓力范圍內(nèi)運行，并防止膜破損。產(chǎn)物收集系統(tǒng)用于收集分離后的產(chǎn)物和廢液，并進行相應(yīng)的處理。應(yīng)用實例與發(fā)展趨勢制藥行業(yè)膜分離技術(shù)在藥物純化、分離和濃縮中發(fā)揮重