分離科學(xué)與技術(shù)概述

1、分離科學(xué)與技術(shù)Separation Science and Technology清華大學(xué)化工系主要內(nèi)容¾分離科學(xué)與技術(shù)的作用1日常生活中的分離技術(shù)2生命體中的分離現(xiàn)象3分離工程現(xiàn)代文明的支柱之一¾分離科學(xué)與技術(shù)的基礎(chǔ)1 基本原理和關(guān)鍵參數(shù)2 若干主要分離技術(shù)和設(shè)備¾分離科學(xué)與技術(shù)前沿方向¾個人體會什么是分離?為什么要分離?如何實現(xiàn)分離?.“分類精靈”想開來,.H H HHC C C C H HH H C C C C我國古書物原、世本有“黃帝時,諸侯有鳳沙氏,始以海水煮乳煎成鹽”。明代的天工開物和清代的圖書集成有“煮酒”、“糖霜”(冰糖的制作記載 <

2、<天工開物>>酒鹽糖<<天工開物>>分離科學(xué)與技術(shù)早已存在于人類生產(chǎn)生活中,與日常生 活緊密聯(lián)系。水凈化芳香物、油料、色素 氣體凈化生命體中的分離現(xiàn)象生命體需要的最基本的物質(zhì):氧氣和水 分離過程是保持生命活力的關(guān)鍵過程。超純水、超純?nèi)軇?99.99%, 99.9999%核燃料鈾-235,钚-239等提取,要求從含量小于1%的原料中提取鈾或钚,提取率達(dá)到99.9%, 去污率為106 -108。彩電顯像管的原料之一就是純度為99.999%的釔。能源保障原油常壓爐減壓爐常壓塔減壓塔汽油回流煤油輕柴油重柴油接抽空系統(tǒng)減壓一線減壓二線減壓三線減壓渣油經(jīng)濟(jì)資源+戰(zhàn)

3、略資源:水電滲析機(jī)械過濾微、超濾精密過濾陰陽離子混合柱紫外燈陰離子交換陽離子交換原水超純水雜質(zhì)含量:Fe<1ppb, Na<0.5ppb, Cu<0.5ppb,Ca<1ppb, Mg<0.1ppb, Zn<0.5ppb生命健康保障:藥物分離細(xì)胞破碎加熱,絮凝等細(xì)胞分離成品加工高度純化初步純化細(xì)胞碎片分離發(fā)酵液生命健康保障:藥物分離硫酸調(diào)pH加熱,絮凝等過濾機(jī)去除菌絲體緩沖液反萃取乙酯萃取緩沖液反萃取丁酯萃取青霉素發(fā)酵液結(jié)晶,干燥青霉素鹽生命健康保障:醫(yī)療器械B loodPurified B loodWaterWaterDialysisHollow Fiber

4、血液血液毒素大分子微膠囊胰島素微膠囊化學(xué)工程學(xué)科誕生以來,分離工程就是化學(xué)工程學(xué)科的兩大核心之一。分離過程的投資占化工企業(yè)投資總額的50-90%。 分離工程-現(xiàn)代文明的支柱之一主要內(nèi)容¾分離科學(xué)與技術(shù)的作用1日常生活中的分離技術(shù)2生命體中的分離現(xiàn)象3分離工程現(xiàn)代文明的支柱之一¾分離科學(xué)與技術(shù)的基礎(chǔ)1 基本原理和關(guān)鍵參數(shù)2 若干主要分離技術(shù)和設(shè)備¾分離科學(xué)與技術(shù)前沿方向¾個人體會分離過程定義利用物理或化學(xué)方法在某種設(shè)備內(nèi)通過能量和物質(zhì)的遷移來實現(xiàn)將一混合物轉(zhuǎn)化成互不相同的二種或兩種以上混合物或純物質(zhì)的過程。分離設(shè)備+分離劑原料控制條件產(chǎn)品分離過程的要素:處

5、理對象、產(chǎn)品要求、分離方法與設(shè)備分離過程的對象:多相多組份體系分離過程的目標(biāo):經(jīng)濟(jì)、可行、環(huán)境友好地得到高品質(zhì)產(chǎn)品或去除雜質(zhì)組分宇宙的熵趨于極大-克勞修斯將鹽置于水中,鹽就溶解并趨向于形成一種組成完全均勻的溶液。沒有什么簡單的方法能使水和鹽再度分離。熱力學(xué)第二定律指出,一切自發(fā)過程均使宇宙的熵或混亂度增加。因此要分離某種混合物成為不同組成的產(chǎn)品,對該混合物供給相當(dāng)?shù)臒崃W(xué)功。 如果A和B兩種物質(zhì)混合物的自由焓小于兩種純物質(zhì)的自由焓之和,則會自發(fā)混合。實現(xiàn)完全分離所需要消耗的最小能量W應(yīng)大于或至少等于混合自由焓。minW minG m= H m-TS m實際上分離過程的能量是最小能量的許多倍!(

6、1力學(xué)能:機(jī)械能、流體動能、位能;(2熱能;(3電能;(4化學(xué)能:濃度差、化學(xué)結(jié)合能;(5光能;(6核能。熱力學(xué)性質(zhì)反應(yīng)速度性質(zhì)生物學(xué)方面的性質(zhì)反應(yīng)平衡常數(shù),化學(xué)吸附平衡常數(shù),離解常數(shù),電離電位反應(yīng)速度常數(shù)生物學(xué)親和力,生物學(xué)吸附平衡,生物學(xué)反應(yīng)速度常數(shù)物理性質(zhì)化學(xué)性質(zhì)力學(xué)性質(zhì)熱力學(xué)性質(zhì)電、磁性質(zhì)輸送性質(zhì)密度,摩擦系數(shù),表面張力,尺寸(幾何結(jié)構(gòu),質(zhì)量熔點,沸點,臨界點,蒸氣壓,溶解度,分配系數(shù),吸附平衡電導(dǎo)率,介電常數(shù),遷移率,電荷,淌度,磁化率擴(kuò)散系數(shù),分子運動速度主要特征:尺寸形狀荷電性質(zhì)極性溶解度揮發(fā)性遷移速率涉及的主要基礎(chǔ)知識:物質(zhì)和能量守恒定律化工熱力學(xué):相平衡、溶液理論傳遞過程原理

7、化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)傳質(zhì)分離方法機(jī)械分離方法分離方法速率控制分離過程平衡控制分離過程分離規(guī)模分析型分離技術(shù)制備型分離技術(shù)工業(yè)型分離技術(shù)分離模式間歇連續(xù)半連續(xù)精餾(蒸餾萃取(液液萃取、固液浸取吸收吸附色譜分離膜分離過濾親核分離干燥蒸發(fā)沉淀結(jié)晶電泳離心分離單位時間單位面積的分離設(shè)備所能通過的物質(zhì)總量兩種待分離組分在兩種產(chǎn)品中的分率比值之比,即2211/j i j i ij x x x x =通量(處理量:回收率:是指所得到產(chǎn)品的量與原料中該物質(zhì)總量的比值。分離因子:問題:如何選擇一個合適的分離過程呢?1技術(shù)可行的2經(jīng)濟(jì)可行的分離體系的性質(zhì)分離方法的選擇產(chǎn)品要求特殊性質(zhì)(如熱敏性,放射性等經(jīng)濟(jì)性安全性環(huán)境

8、因素經(jīng)驗因素.主要內(nèi)容¾分離科學(xué)與技術(shù)的作用1日常生活中的分離技術(shù)2生命體中的分離現(xiàn)象3分離工程現(xiàn)代文明的支柱之一¾分離科學(xué)與技術(shù)的基礎(chǔ)1 基本原理和關(guān)鍵參數(shù)2 若干主要分離技術(shù)和設(shè)備¾分離科學(xué)與技術(shù)前沿方向¾個人體會¾溫室氣體捕集分離裝備與技術(shù)¾有機(jī)氣體、有機(jī)水溶液、金屬離子回收¾生物大分子、手性藥物、同分異構(gòu)體分離技術(shù)¾可再生資源的前處理和高效分離技術(shù) 分離過程的選擇性不高分離過程的能源及環(huán)境效益仍不能滿足要求跨學(xué)科交叉領(lǐng)域中新問題的發(fā)現(xiàn)和研究仍待加強對于新材料及新對象的認(rèn)識還較膚淺缺乏對于相界面?zhèn)鬟f的微觀機(jī)理

9、的認(rèn)識前沿方向例一：微化工系統(tǒng) Effective Effective mixing mixing Effective Effective mass mass and and heat heat transfer transfer High High selectivity selectivity Inherent Inherent safety safety Numbering-up Numbering-up method method Enable Enable control control 前沿方向例一：微化工系統(tǒng) 前沿方向例一：微化工系統(tǒng) 100m wide ×100m h

10、igh The measured channel continue phase flow560m wide ×500m high 100m wide ×100m high dispersed phase flow continue phase flow 100m wide ×100m high 前沿方向例二：分離功能材料 新材料：自組裝自組織材料、仿生材料、膜、吸附 劑、樹脂、微膠囊、傳感材料、光電材料、靈敏材 料、生物相容材料，環(huán)境材料、納米及粉體材料、 復(fù)合材料等 前沿方向例二：分離功能材料 紅外光源 信號接收 篩板 m m 60 A/D板 塔體 65 取樣口 雙探頭光纖 照相法 紅外光纖探針在線測量技術(shù) 前沿方向例二：分離功能材料 前沿方向例二：分離功能材料 新 型 微 膠 囊 制 備