分離工程基本理論和計算方法

1、分離工程基本理論和計算方法汽液相平衡的基本關系式是什么？若以活度系數計算液相逸度、逸度系數計算汽相逸度，則汽液相平衡的關系式是什么？活度系數的計算模型哪些？逸度系數的計算模型有哪些？試分別舉四種計算模型說明。相平衡常數的計算方法有哪些？其基本關系式分別是什么？什么是三角矩陣？什么是對角矩陣？什么是三對角矩陣？分別示意作出一般二元共沸體系（如苯甲苯）、二元均相共沸體系（如乙醇水）、二元非均相共沸體系（如苯酚水）的xy相圖。地位：專業(yè)基礎課前期課程： 物理化學、化工原理、化工熱力學重點： 1.基本概念的理解 2.討論各種分離方法的特征 3.對設計、分析能力的訓練 4.提高解決問題能力本課程的任務和

2、內容概述學生應掌握： 分離過程的基本理論 簡捷和嚴格計算方法 強化、改進操作途徑 對新分離技術有一定了解概述教材：面向21世紀課程教材： 劉家祺.分離過程.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概述教材分離過程在工業(yè)生產中的地位和作用1.2 傳質分離過程的分類和特征1.3.分離過程的集成化1.4 設計變量 學習方法與要求第一章 緒 論1.1 分離過程在工業(yè)生產中的地位和作用 1.1.1 分離過程在化工生產中的重要性 分離過程在清潔工藝中的地位與作用煤石油天然氣生物質反應化工原料分離產品一般化工生產過程：1-固定床催化反應器；

3、2-分凝器；3、5、9-吸收塔；4-閃蒸塔；6-粗餾塔； 7-催化加氫反應器；8-脫輕組分塔；10-產品塔涉及分離過程：吸收：3、5、9； 精餾：6、8、10；閃蒸：4乙烯93% 產品廢水乙醛12345678910水循環(huán)乙烯水放空水氫水廢水例1：乙烯水合生產乙醇例2：二甲苯生產1-重整反應器；2、13-汽液分離器；3-壓縮機；4-脫丁烷塔；5-萃取塔6-再生塔；7-甲苯塔；8-二甲苯回收塔；9-冷卻器；10-結晶器；11-異構化反應器；12-熔融塔放空間二甲苯和鄰二甲苯石腦油進料混合二甲苯循環(huán)混合二甲苯12578104111391233輕烴類非芳烴乙二醇芳烴苯和甲苯對二甲苯重芳烴H2H2H26

4、加氫重整后得到：輕油 非芳烴 苯 甲苯 二甲苯 高級芳烴目的產物為對二甲苯鄰二甲苯間二甲苯對二甲苯沸點144.411139.104138.351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目的產物 分離過程用于： 原料的凈化與粗分 反應產物的提純 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、同位素分離 三廢處理1.1.2 分離過程在清潔工藝中的地位與作用 清潔工藝：生產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。 面向21世紀社會和經濟可持續(xù)發(fā)展的重大課題。未回收的原料未

5、回收的產品有用和無用的副產原料中的雜質工藝的物料省耗其他化學工業(yè)污染來源清潔工藝終合考慮： 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。 核心： 化學反應 廢物最小化首先考慮催化劑、反應工藝和設備。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、回收利用率、循環(huán)利用率； 開發(fā)和采用新技術、新工藝、改善生產操作條件，以控制和消除污染； 采用生產裝置的閉路循環(huán)技術； 處理生產中的副產物和廢物，使之減少和消除對環(huán)境的危害； 研究、開發(fā)和采用低物耗、低能耗、高效率的“三廢”治理技術。閉路循環(huán)系統(tǒng)： 將過程所產生的廢物最大限度地回收和循環(huán)使

6、用。111222原料產品排出廢物廢物1單元過程；2處理實現分離與再循環(huán)系統(tǒng)使廢物最小化的方法：廢物直接再循環(huán) 例：廢水進料提純 例：氧化反應采用純氧除去分離過程中加入的附加物質 例：共沸劑、萃取劑附加分離與再循環(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；吸附； 新分離方法不斷出現和實現工業(yè)化應用 例：膜分離；熱擴散；色層分離； 1.2 傳質分離過程的分類和特征一類：機械分離特點：被分離物為非均相 簡單的將混合物分開 如：過濾、沉降化工原理內容二類：傳質分離 包含： 平衡分離過程；速率控制分離 特點：被分離物為均相 1.2 傳質分離過程的分類

7、和特征1.2.1 平衡分離過程1.2.2 速率分離過程1.2.1 平衡分離過程分離設備混合物產品1分離媒介分離媒介：能量、物質、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而實現分配。產品2平衡分離過程的分離單元操作閃蒸精餾閃蒸1.原料相態(tài)： -液體2.分離媒介 -減壓3.分離原理 -揮發(fā)度（蒸汽壓）有較大差別4.工業(yè)應用 -海水淡化生產純水；吸收液的解吸。精餾1.原料相態(tài)： -汽、液或汽液混合物2.分離媒介 -熱量，有時用機械功3.分離原理 -揮發(fā)度（蒸汽壓）有較大差別4.工業(yè)應用 -石油裂解氣的深冷分離；苯、甲苯、

8、二甲苯的分離。吸收蒸出1.原料相態(tài)： -氣體或液體2.分離媒介 -液體吸收劑（MSA）；加入熱量（ESA） 3.分離原理 -揮發(fā)度（蒸汽壓）有較大差別4.工業(yè)應用 -由催化裂化裝置主蒸塔頂產物中回收乙烷及較輕的烴。L或VMSALV萃取或共沸精餾1.原料相態(tài)： -汽、液或汽液混合物2.分離媒介 -液體溶劑（MSA）或塔釜加熱（ESA）液體共沸劑（MSA）或塔釜加熱（ESA）3.分離原理 -改變原溶液的相對揮發(fā)度4.工業(yè)應用 -以苯酚作溶劑由沸點相近的非芳烴中分離芳烴；以醋酸丁酯作共沸劑從稀溶液中分離醋酸。1.2.2 速率分離過程膜分離熱擴散速率分離: 在某種推動力（濃度差、壓力差、溫度差、電位差

9、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。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料溶劑、水溶質、鹽目的：溶劑脫溶質，含小分子溶質溶液濃縮。滲析（D）：推動力：濃度差傳遞

10、機理：篩分、微孔膜內的受阻擴散透過物：小分子溶質或較小的溶質截留物：截留離子、截留血液離子膜類型：非對稱性膜或離子交換膜進料接受液凈化液擴散液目的：大分子溶質溶液脫小分子，小分子溶質溶液脫大分子。 電滲析（ED）：推動力：電化學勢傳遞機理：反離子經離子交換膜的遷移膜類型：離子交換膜濃電解質極極產品陰離子交換膜陽離子交換膜進料目的：溶液脫小離子，小離子溶質的濃縮、小離子的分級。 熱擴散：頂瓶底瓶溫度梯度冷壁熱線原理： 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。節(jié)能環(huán)保優(yōu)勢新的方法速率

11、分離過程特點：1.3.分離過程的集成化 目的：實現清潔工藝 使物料能量消耗最??； 經濟效益、社會效益最大。反應過程與分離過程的耦合分離過程與分離過程的耦合 過程的集成反應過程與分離過程的耦合目的： 改善不利的熱力學和動力學因數，減少設備、操作費用、節(jié)約資源和能源。 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，增加傳質推動力?；瘜W吸收化學萃取反應精餾優(yōu)良分離性能與催化反應相結合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?；瘜W反應與萃取相結合溶質與萃取劑反應。如：絡合反應；水解；聚合化學反應與精餾相結合例：酯化、皂化、酯交換、胺化、水解膜反應器控制釋放 將藥

12、物或其他生物活性物質以一定形式與膜結構相結合，使這些活性物質只能以一定速度通過擴散等方式釋放到環(huán)境中。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換裝置組成，模仿生物膜對化學物質的識別能力制成，為酶膜傳感器和微生物傳感器 。分離過程與分離過程的耦合復合分離過程 優(yōu)點：集原分離過程之所長，避其所短。 適用于: 特殊物系的分離。 萃取結晶（加和結晶） 吸附蒸餾 電泳分離萃取結晶（加和結晶） 分離：揮發(fā)度相近的組分。 無機鹽生產（優(yōu)點：節(jié)能） 溶劑可萃取出部分水。吸附蒸餾 氣一液一固三相分離過程吸附分離優(yōu)點 ： 分離因子高，產品濃度高，能耗低。 缺點：吸附劑用量大 ，收率低。 形成互補電泳分

13、離 不同蛋白質在一定pH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中的泳動速度不同，實現不同蛋白質的分離。1.3.3 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，達到高效、低耗和減少污染的目的。環(huán)己烷 +苯丙酮環(huán)己烷+丙酮共沸物純苯環(huán)己烷丙酮+水丙酮水水優(yōu)點：無污染共沸精餾與萃取集成二、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。蒸汽滲透例：發(fā)酵液脫水制無水乙醇 水與醇形成二元共沸物，共沸點:78.15， （mol）三、膜過程的集成優(yōu)點：取長補短例：分離懸浮液為高固體含量物料 將超

14、濾、反滲透、滲透蒸餾組合在一起。1.4 設計變量1.4.1 單元的設計變量 1.4.2 裝置的設計變量對于復雜體系變量如何確定？設計變量：確定設計中已知變量例如二元精餾：可解出：N；若N股物流，且有功、能交換：1= C+2+變量數NVNV=自由度數(f )+物流數(一股)任意單股物流(一股、單相):=C-p+2NV=N(C+2)+功進(出數)+能進(出數)約束條件數NC： 物料平衡式；能量平衡式；化學平衡式；其它相等條件。NV、NC如何確定？例1.分配器FFFPTxF,PTxLL,11PTxLL,221.4.1 單元的設計變量Nie將復雜化工裝置分解成簡單單元，求Nie ：設計變量分： 固定設

15、計變量Nxe ： 進料物流變量和系統(tǒng)壓力 可調設計變量Nae ： 除 Nxe的其他變量往往對此感興趣！例2.產物為兩相的全凝器LBFLAQ方程數物料衡算C熱量衡算1相平衡C二相T，P相等22C+3:eNC可指定為平衡單元溫度例3.簡單絕熱操作理論板OViVOLiL方程數物料衡算C熱量衡算1相平衡C二相T，P相等22C+3:eNC我把各種單元的設計變量歸納在表12中，你可以去查喲！設計變量真難！重復使用一種為1前面進等于后面出例4. 簡單吸收塔（N塊理論板串級）VN1NLN+1L1V01.4.2 裝置的設計變量Niu由單元設計變量確定：吸收塔設計變量： 指定為理論板數或關鍵組分吸收率例5. 簡單精餾塔查表1-2：2MM+1M+2NFDW=L1單元Nie全凝器C+4回流分配器C+4N-(M+1)板平衡串級2C+(N-M-1)+5進料板3C+7(M-1)板平衡串級2C+(M-1)+5再沸器