化工分離工程01[1]

1、本課程的任務和內(nèi)容本課程的任務和內(nèi)容地位：專業(yè)基礎課地位：專業(yè)基礎課前期課程：前期課程： 物理化學、化工原理、化工熱力學物理化學、化工原理、化工熱力學重點：重點： 1.基本概念、基本原理、基本公式基本概念、基本原理、基本公式的理解的理解 2.討論各種分離方法的特征討論各種分離方法的特征 3.對設計、分析能力的訓練對設計、分析能力的訓練 4.提高解決問題能力提高解決問題能力學生應掌握：學生應掌握： 分離過程的基本理論分離過程的基本理論 簡捷和嚴格計算方法簡捷和嚴格計算方法 強化、改進操作途徑強化、改進操作途徑 對新分離技術有一定了解對新分離技術有一定了解教材：面向21世紀課程教材： 劉家祺.分離

2、過程.北京:化學工業(yè)出版社, 2002主要參考書: 陳洪鈁,劉家祺.化工分離過程.北京:化學工業(yè)出版社, 1995返回第一章第一章 緒緒 論論u1.1分離過程在工業(yè)生產(chǎn)中的地位和分離過程在工業(yè)生產(chǎn)中的地位和作用作用u1.2 傳質(zhì)分離過程的分類和特征u1.3.分離過程的集成化分離過程的集成化 學習方法與要求學習方法與要求1.1 分離過程在工業(yè)生產(chǎn)中的地位分離過程在工業(yè)生產(chǎn)中的地位和作用和作用 分離過程在化工生產(chǎn)中的重要性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分離過程在清潔工藝中的地位與作用用返回煤石油天然氣生物質(zhì)反應化工原料分離產(chǎn)品一般化工生產(chǎn)過程：一般化工生產(chǎn)過程：u例例

3、1：乙烯水合生產(chǎn)乙醇乙烯水合生產(chǎn)乙醇1-固定床催化反應器；固定床催化反應器；2-分凝器；分凝器；3、5、9-吸收塔；吸收塔；4-閃蒸塔；閃蒸塔；6-粗餾塔；粗餾塔； 7-催化加氫反應器；催化加氫反應器；8-脫輕組分塔；脫輕組分塔；10-產(chǎn)品塔產(chǎn)品塔涉及分離過程：涉及分離過程：吸收：吸收：3、5、9； 精餾：精餾：6、8、10；閃蒸：閃蒸：4乙乙烯烯93% 產(chǎn)品產(chǎn)品廢水廢水乙乙醛醛OHHCHHC522420 12345678910水循環(huán)乙烯循環(huán)乙烯水水放放空空放放空空水水氫氫水水廢水廢水u例例2：二甲苯生產(chǎn)二甲苯生產(chǎn)1-重整反應器；重整反應器；2、13-汽液分離器；汽液分離器；3-壓縮機；壓縮機

4、；4-脫丁烷塔；脫丁烷塔；5-萃取塔萃取塔6-再生塔；再生塔；7-甲苯塔；甲苯塔；8-二甲苯回收塔；二甲苯回收塔；9-冷卻器；冷卻器；10-結晶器；結晶器；11-異構化反應器；異構化反應器；12-熔融塔熔融塔放放空空間二甲苯間二甲苯和鄰二甲和鄰二甲苯苯石腦油石腦油進料進料混合二甲苯混合二甲苯循環(huán)混合二甲苯循環(huán)混合二甲苯125678104111391233輕烴類輕烴類非芳烴非芳烴乙二醇乙二醇芳烴芳烴苯和甲苯苯和甲苯對二甲苯對二甲苯重芳烴重芳烴H2H2H2加氫重整后得到：輕油 非芳烴 苯 甲苯 二甲苯 高級芳烴目的產(chǎn)物 目的產(chǎn)物為對二甲苯鄰二甲苯鄰二甲苯間二甲苯間二甲苯對二甲苯對二甲苯沸點沸點14

5、4.411139.104138.351熔點熔點25.17347.87213.263 原料：石腦油 沸程120230K 特點： 涉及到分離過程：精餾：4、7、8 萃?。?、6 結晶：10總總 結：結： 原料的凈化與粗分 反應產(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、同 位數(shù)分離 三廢處理返回1.1.2 分離過程在清潔工藝中的分離過程在清潔工藝中的地位與作用地位與作用 清潔工藝：清潔工藝：生產(chǎn)工藝和防治污染有機的結生產(chǎn)工藝和防治污染有機的結合，將污染物減少或消滅在工藝過程中。合，將污染物減少或消滅在工藝過程中。 面向面向21世紀社會和經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展的世紀社會和經(jīng)濟可持

6、續(xù)發(fā)展的重大課題。重大課題?；瘜W工業(yè)污染來源：化學工業(yè)污染來源：u未回收的原料未回收的原料u未回收的產(chǎn)品未回收的產(chǎn)品u有用和無用的副產(chǎn)品有用和無用的副產(chǎn)品u原料中的雜質(zhì)原料中的雜質(zhì)u工藝的物料損耗工藝的物料損耗 廢物最小化？廢物最小化？清潔工藝綜合考慮： 合理的原料選擇； 反應路徑的清潔化； 物料分離技術的選擇； 確定合理的流程和工藝參數(shù)。 核心： 化學反應/過程綠色化 原料綠色化：采用無毒無害原料 采用可再生資源（如生物質(zhì)）產(chǎn)品綠色化：設計安全的化學品 設計可降解的化學品過程綠色化：采用原子經(jīng)濟性反應 采用綠色催化劑 采用綠色溶劑 過程強化外場強化 流程集約化 裝備微型化與化工分離過程密切相

7、關的有：與化工分離過程密切相關的有： 降低原材料和能源的消耗，提高有效利用率、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；回收利用率、循環(huán)利用率； 開發(fā)和采用新技術、新工藝、改善生產(chǎn)操作條開發(fā)和采用新技術、新工藝、改善生產(chǎn)操作條 件，以控制和消除污染；件，以控制和消除污染； 采用生產(chǎn)裝置的閉路循環(huán)技術；采用生產(chǎn)裝置的閉路循環(huán)技術； 處理生產(chǎn)中的副產(chǎn)物和廢物，使之減少和消除處理生產(chǎn)中的副產(chǎn)物和廢物，使之減少和消除 對環(huán)境的危害；對環(huán)境的危害； 研究、開發(fā)和采用低物耗、低能耗、高效率的研究、開發(fā)和采用低物耗、低能耗、高效率的 “三廢三廢”治理技術。治理技術。閉路循環(huán)系統(tǒng)：閉路

8、循環(huán)系統(tǒng)： 將過程所產(chǎn)生的廢物最大限度地回收和將過程所產(chǎn)生的廢物最大限度地回收和循環(huán)使用。循環(huán)使用。原原料料產(chǎn)品產(chǎn)品排除排除111222廢廢物物廢廢物物1單元過程；2處理實現(xiàn)分離與再循環(huán)系統(tǒng)使廢物最小化的方法：實現(xiàn)分離與再循環(huán)系統(tǒng)使廢物最小化的方法：廢物直接再循環(huán) 例：廢水例：廢水進料提純進料提純 例：氧化反應采用純氧例：氧化反應采用純氧除去分離過程中加入的附加物質(zhì)除去分離過程中加入的附加物質(zhì) 例：共沸劑、萃取劑例：共沸劑、萃取劑附加分離與再循環(huán)系統(tǒng)附加分離與再循環(huán)系統(tǒng) 例：分離廢物中的有效物，循環(huán)使用例：分離廢物中的有效物，循環(huán)使用上述原因促使： 傳統(tǒng)分離過程不斷改進和發(fā)展 例：反應精餾；吸

9、附； 新分離方法不斷出現(xiàn)和實現(xiàn)工業(yè)化應用 例：膜分離；熱擴散；色層分離；返回u思考：思考： 循環(huán)經(jīng)濟、產(chǎn)業(yè)鏈、工業(yè)園區(qū)等循環(huán)經(jīng)濟、產(chǎn)業(yè)鏈、工業(yè)園區(qū)等1.2 傳質(zhì)分離過程的分類和特征u1.2.1 平衡分離過程u 速率分離過程速率分離過程返回1.2.1 平衡分離過程分離設備混合物產(chǎn)品分離媒介分離媒介：能量、物質(zhì)、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)而實現(xiàn)分配，表征 量分配系數(shù)。平衡分離過程的分離單元操作平衡分離過程的分離單元操作閃閃蒸蒸原料原料相態(tài)：相態(tài)： 液體液體分離媒分離媒介：介： 減壓減壓分離原分離原理：理：

10、揮發(fā)度（揮發(fā)度（蒸汽壓）蒸汽壓）有較大差有較大差別別工業(yè)應工業(yè)應用：用：海水淡化生海水淡化生產(chǎn)純水；吸產(chǎn)純水；吸收液的解吸收液的解吸。精精餾餾原料原料相態(tài)：相態(tài)：汽、液汽、液或汽液或汽液混合物混合物分離媒介：分離媒介：熱量，有時熱量，有時用機械功用機械功 同上同上石油裂解氣石油裂解氣的深冷分離的深冷分離；苯、甲苯；苯、甲苯、二甲苯的、二甲苯的分離。分離。吸吸收收蒸蒸出出原料原料相態(tài)相態(tài)：氣體或氣體或 液體液體分離媒分離媒介：介：液體吸收液體吸收劑（劑（MSA）；加入）；加入熱量（熱量（ESA） 分離原分離原理：理：揮發(fā)度（揮發(fā)度（蒸汽壓）蒸汽壓）有較大差有較大差別別工業(yè)應工業(yè)應用：用： 由催化

11、裂化由催化裂化裝置主蒸塔裝置主蒸塔頂產(chǎn)物中回頂產(chǎn)物中回收乙烷及較收乙烷及較輕的烴。輕的烴。萃萃取取或或共共沸沸精精餾餾原料原料相態(tài)相態(tài)：汽、液汽、液或汽液或汽液混合物混合物液體溶劑（液體溶劑（MSA）或塔）或塔釜加熱（釜加熱（ESA）液體共沸劑液體共沸劑（MSA）或）或塔釜加熱（塔釜加熱（ESA）改變原溶改變原溶液的相對液的相對揮發(fā)度揮發(fā)度 以苯酚作溶以苯酚作溶劑由沸點相劑由沸點相近的非芳烴近的非芳烴中分離芳烴中分離芳烴；以醋酸丁；以醋酸丁酯作共沸劑酯作共沸劑從稀溶液中從稀溶液中分離醋酸。分離醋酸。MSAL或VLLL或VMSALV返回1.2.2 1.2.2 速率分離過程速率分離過程膜分離膜分離

12、熱擴散熱擴散速率分離速率分離: : 在某種推動力（濃度差、壓力差、溫度差、電位差等）的作用下，有時在選擇性膜的配合下，利用各組分擴散速率的差異實現(xiàn)組分的分離。微孔過濾（MF）：推動力：壓力差（100kPa）傳遞機理：篩分膜類型：多孔膜 進料（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）：推動力：壓力差（1001000kPa）傳遞機理：篩分膜類型：非對稱性膜進料溶劑、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。如透晰。反滲透（RO）：推動力：壓力差（100010000kPa）傳遞機理：優(yōu)先吸附毛細管流動溶解、擴散模型膜類型：非對稱性膜或復合膜進

13、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。滲析（D）：推動力：濃度差傳遞機理：篩分、微孔膜內(nèi)的受阻擴散透過物：小分子溶質(zhì)或較小的溶質(zhì)截留物：截留0.02um離子、截留血液0.005um離子膜類型：非對稱性膜或離子交換膜進料接受液凈化液擴散液目的：大分子溶質(zhì)溶液脫小分子，小分子溶質(zhì)溶液脫大分子。 電滲析（ED）：推動力：電化學勢傳遞機理：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)濃電解質(zhì)極極產(chǎn)品產(chǎn)品陰離子交換膜陰離子交換膜陽離子交換膜陽離子交換膜進料進料目的：溶液脫小離子，小離子溶質(zhì)的濃縮、小離子的分級。 熱擴散：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

14、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；冷管壁附近的氣體由于密度較大向下底瓶流動。頂瓶底瓶溫度梯度冷壁熱線速率分離過程特點：速率分離過程特點： 節(jié)能節(jié)能 環(huán)保優(yōu)勢環(huán)保優(yōu)勢 新的方法新的方法返回1.3.1.3.分離過程的集成化分離過程的集成化 目的：目的：實現(xiàn)清潔工藝實現(xiàn)清潔工藝 使物料能量消耗最小；使物料能量消耗最小； 經(jīng)濟效益、社會效益最大。經(jīng)濟效益、社會效益最大。u反應過程與分離過程的耦合反應過程與分離過程的耦合u分離過程與分離過程的耦合分離過程與分離過程的耦合u 過程過程的集成的集成返回反應過程與分離過程的耦合反應過程與分離過程的耦合目的：目的： 改善不利的熱力學

15、和動力學因數(shù)，改善不利的熱力學和動力學因數(shù)，減少設備、操作費用、節(jié)約資源和能減少設備、操作費用、節(jié)約資源和能源。源。u化學吸收化學吸收化學反應與吸收相結合化學反應與吸收相結合 被溶解的組分與吸收劑中的活性組分發(fā)生反應，被溶解的組分與吸收劑中的活性組分發(fā)生反應，增加傳質(zhì)推動力增加傳質(zhì)推動力, 如煙氣脫硫。如煙氣脫硫。u化學萃取化學萃取化學反應與萃取相結合化學反應與萃取相結合 溶質(zhì)與萃取劑反應。如：絡合反應；水解；聚合溶質(zhì)與萃取劑反應。如：絡合反應；水解；聚合u反應（催化）精餾反應（催化）精餾化學反應與精餾相結合化學反應與精餾相結合 例：酯化、皂化、酯交換、胺化、水解例：酯化、皂化、酯交換、胺化、

16、水解u膜反應器膜反應器優(yōu)良分離性能與催化反應相結合優(yōu)良分離性能與催化反應相結合 例：利用多孔陶瓷膜催化反應器，進行丁烯脫氫例：利用多孔陶瓷膜催化反應器，進行丁烯脫氫制丁二烯。丙烷脫氫制丙烯。制丁二烯。丙烷脫氫制丙烯。u控制釋放控制釋放 將藥物或其他生物活性物質(zhì)以一定形式與膜將藥物或其他生物活性物質(zhì)以一定形式與膜結構相結合，使這些活性物質(zhì)只能以一定速度通結構相結合，使這些活性物質(zhì)只能以一定速度通過擴散等方式釋放到環(huán)境中。過擴散等方式釋放到環(huán)境中。u膜生物傳感器膜生物傳感器 由生物催化劑酶或微生物與合成膜及電極轉(zhuǎn)由生物催化劑酶或微生物與合成膜及電極轉(zhuǎn)換裝置組成，模仿生物膜對化學物質(zhì)的識別能力換裝置

17、組成，模仿生物膜對化學物質(zhì)的識別能力制成，為酶膜傳感器和微生物傳感器制成，為酶膜傳感器和微生物傳感器 。返回1.3.21.3.2分離過程與分離過程的耦合分離過程與分離過程的耦合 復合分離過程復合分離過程 優(yōu)點：優(yōu)點：集原分離過程之所長，避其所短。集原分離過程之所長，避其所短。 適用于適用于: 特殊物系的分離。特殊物系的分離。萃取結晶萃取結晶（加和結晶）（加和結晶） 分離：分離：揮發(fā)度相近的組分。揮發(fā)度相近的組分。 無機鹽生產(chǎn)（優(yōu)點：節(jié)能）無機鹽生產(chǎn)（優(yōu)點：節(jié)能） 溶劑可萃取出部分水。溶劑可萃取出部分水。 吸附蒸餾吸附蒸餾 氣一液一固三相分離過程氣一液一固三相分離過程吸附分離優(yōu)點吸附分離優(yōu)點 ：

18、 分離因子高，產(chǎn)品濃度高，能耗低。分離因子高，產(chǎn)品濃度高，能耗低。 缺點：缺點：吸附劑用量大吸附劑用量大 ，收率低。，收率低。 形成互補形成互補電泳分離電泳分離 不同蛋白質(zhì)在一定不同蛋白質(zhì)在一定pH值的緩沖溶液中，其溶解度不值的緩沖溶液中，其溶解度不同，在電場作用下，這些帶電的溶膠離子在介質(zhì)中的同，在電場作用下，這些帶電的溶膠離子在介質(zhì)中的泳動速度不同，實現(xiàn)不同蛋白質(zhì)的分離。泳動速度不同，實現(xiàn)不同蛋白質(zhì)的分離。返回1.3.3 1.3.3 過程的集成過程的集成一、傳統(tǒng)分離過程的集成一、傳統(tǒng)分離過程的集成 合理組合傳統(tǒng)分離過程，揚長避短，達合理組合傳統(tǒng)分離過程，揚長避短，達到高效、低耗和減少污染的

19、目的。到高效、低耗和減少污染的目的。 共沸精餾與萃取集成共沸精餾與萃取集成環(huán)己烷 +苯丙酮環(huán)己烷+丙酮共沸物純苯純苯環(huán)己烷環(huán)己烷丙酮+水丙酮水水優(yōu)點：優(yōu)點：無污染無污染二、傳統(tǒng)分離過程與膜分離的集成二、傳統(tǒng)分離過程與膜分離的集成 將膜技術應用到傳統(tǒng)分離過程中將膜技術應用到傳統(tǒng)分離過程中滲透蒸發(fā)滲透蒸發(fā) 用來分離揮發(fā)性液體混合物，恒沸、近沸點物系。用來分離揮發(fā)性液體混合物，恒沸、近沸點物系。蒸汽滲透蒸汽滲透 例：發(fā)酵液脫水制無水乙醇例：發(fā)酵液脫水制無水乙醇 水與醇形成二元共沸物，共沸點水與醇形成二元共沸物，共沸點:78.15， x=0.894（mol）三、膜過程的集成三、膜過程的集成 優(yōu)點：取長

20、補短優(yōu)點：取長補短 例：分離懸浮液為高固體含量物料例：分離懸浮液為高固體含量物料 將超濾、反滲透、滲透蒸餾組合在一起。將超濾、反滲透、滲透蒸餾組合在一起。返回1.4 設計變量設計變量變量變量: 用于設計分離裝置的參數(shù)用于設計分離裝置的參數(shù)/物理量物理量. 如進料如進料流率流率, 濃度濃度, 壓力壓力, 溫度溫度, 熱負荷熱負荷, 機械功的輸入機械功的輸入(或輸出或輸出)量量, 傳熱面積大小傳熱面積大小, 以及理論塔板數(shù)等以及理論塔板數(shù)等.分離裝置的設計分離裝置的設計: 就是要確定上述物理量間相互就是要確定上述物理量間相互聯(lián)系聯(lián)系, 相互制約相互制約.設計變量設計變量: 由于變量太多由于變量太多

21、, 所以設計者只能規(guī)定所以設計者只能規(guī)定上述變量中的若干個變量的數(shù)值上述變量中的若干個變量的數(shù)值. 如果設計過如果設計過程中給定數(shù)值的物理量數(shù)目少于設計變量的程中給定數(shù)值的物理量數(shù)目少于設計變量的數(shù)目數(shù)目,設計就不能進行設計就不能進行. 反之反之, 給定數(shù)值的物理給定數(shù)值的物理量過多量過多, 設計也無法進行設計也無法進行.u因此，設計的第一步不是選擇變量的具因此，設計的第一步不是選擇變量的具體數(shù)值，而是要知道設計者所需要給定體數(shù)值，而是要知道設計者所需要給定數(shù)值的變量數(shù)目。數(shù)值的變量數(shù)目。u簡單過程：一般按經(jīng)驗給出。如一處進簡單過程：一般按經(jīng)驗給出。如一處進料的二組分精餾塔：進料流率、進料濃料的二組分精餾塔：進料流率、進料濃度、進料狀態(tài)、塔壓、釜液濃度、餾出度、進料狀態(tài)、塔壓、釜液濃度、餾出液濃度以及回流比。計算：精餾段理論液濃度以及回流比。計算：精餾段理論塔板數(shù)，提餾段理論塔板數(shù)，以及冷凝塔板數(shù)，提餾段理論塔板數(shù)，以及冷凝器，再沸器的熱負荷等。器，再沸器的熱負荷等。u 復雜過程：復雜過程：Ni=Nv-Nc式中：式中：Ni為設計變量；為設計變量；Nv為描述