1、分離工程基本概念和能力本課程的性質和內容地位：專業基礎課前期課程： 物理化學、化工原理、化工熱力學目的：1.基本概念的理解 2.熟悉各種分離方法的特征 3.對設計、分析能力的訓練 4.提高解決實際問題能力 課程任務 利用相平衡、熱力學、動力學的微觀機理，傳熱、傳質和動量傳遞理論來研究化工及其它相關過程中復雜物質的分離和純化技術，分析和解決在化工生產、設計和科研中常用的分離過程的理論和實際問題。 學習要求 1）正確理解化工分離工程的有關基本概念和理論； 2）理解各概念之間的聯系和應用； 3）掌握化工分離工程的基本計算方法； 4）對新型分離技術有一定了解； 5）能夠理論聯系實際，靈活分析和解決實際

2、化工生產和設計中的有關問題；教材：葉慶國.分離工程.北京：化學工業出版社，主要參考書:劉家祺.傳質分離過程.北京:高等教育出版社面向21世紀課程教材：劉家祺.分離過程. 北京:化學工業出版社, 2002總 課 時： 40（理論40）考核方式：閉卷考試總評成績：（1）平時作業20%考勤10% （2）閉卷考試（70%） 分 離 工 程第1章 緒論(4學時)第2章 多組分分離基礎(8學時)第3章 精餾(8學時)第4章 氣體吸收與解吸(8學時)第5章 多組分多級分離的嚴格計算第6章 分離過程及設備的效率與節能(6學時)第7章 其他分離方法(6學時)講授內容第1章 緒論第2章 多組分分離基礎 多組分平衡

3、計算，已知一相中的濃度，求另一相的濃度。 泡點溫度、露點溫度、閃蒸計算。第3章精餾 過程分析：精餾中溫度分布、組成分布、流量分布。 簡捷計算（short-cut）：確定關鍵組分、最少理論板、最小回流比、實際板數、實際回流比。 萃取精餾和共沸精餾特殊精餾。第4章 氣體吸收與解吸 過程分析； 吸收的簡捷計算。講授內容第6章 分離過程及設備的效率與節能 分離設備效率；分離過程最小功和熱力學效率；精餾過程不可逆性分析，精餾的節能技術；分離流程優化和集成。第7章 其他分離方法 吸附；液液萃取；結晶；膜分離；反應精餾； 離子交換。第一章 緒 論1.1 分離過程在工業生產中的地位和作用 傳質分離過程的分類和

4、特征1.3 分離過程的研究與技術開發 分離過程在工業生產中的地位和作用 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化學工業的發展石油化工高分子化工：合成材料新興化學工業 分離過程在化工生產中的重要性 現代科學技術的發展，尤其是以新能源、新材料、電子和信息技術、現代生物技術、環境保護技術、可再生資源利用技術等為代表的高新科技的興起和發展向分離技術提出了新的艱巨挑戰。這使得分離工程成為近半世紀來發展最為迅速的化學工程技術領域之一。各種膜技術、超臨界流體技術、現代吸附和工業色譜技術、反應分離耦合技術等應運而生并相繼獲得應用。分離工程已成為化學工程的前沿研究方向之一。化工分離的發展

5、分離工程及技術伴隨化學工業的發展而發展1901年 英國 戴維斯 化學工程手冊分離操作概念1923年 美國 劉易斯、麥克亞當斯 化工原理分離工程理論20世紀中期 分離工程理論 充實和完善20世紀后期至今 分離技術不斷的深化與拓寬，涌現新型、高效、環保綠色分離手段什么是分離過程？純組分變成混合物，是熵增自發過程，反之，混合物變成純凈物則需作功。借助一定的分離劑或物理、化學、電化學推動力，實現混合物中的組分分級(Fractionalization)、濃縮（Concentration）、富集（Enrichment）、純化（Purification）、精制（Refining）與隔離（Isolation）

6、等的過程稱為分離過程。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：分離操作分離操作分離操作分離操作反應過程雜質廢水廢氣產品清潔空氣副產品(循環)原料潔凈水污染物（循環）循環（未反應原料）污染物（循環）原料預處理產物提純清潔化清潔化一般化工生產過程中的分離操作分離操作貫穿整個化工過程，占有十分重要的地位 原料預處理： 有機反應（速率與濃度有關） 催化反應（毒物） 石腦油裂解制乙烯,裂解產物是一個復雜的混合物（200多個） 產物提純：聚合級乙烯：99.96%組成氫氣甲烷乙炔乙烯乙烷丙炔丙烯丙烷丁二烯丁烯丁烷重組分合計1.110.40.934.43.41.316.60.55.44.80.

7、215.0100清潔化：環保、提高原料利用率例1：煉油加工過程原油石油煉制清潔燃料氣體液化石油氣硫磺煤油潤滑油蠟渣油焦油瀝青柴油汽油例2：乙烯水合生產乙醇1-固定床催化反應器；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水循環乙烯水放空放空水氫水廢水例3：二甲苯生產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；1

8、2-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混合二甲苯125678104111391233輕烴類非芳烴乙二醇芳烴苯和甲苯對二甲苯重芳烴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萃取：5、6結晶：10生產過程中分離操作應用總結： 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 三廢處理1.1.2 分離過程在清潔

9、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發展的重大課題，科學發展觀的要求。反應停氯苯甲氨環己酮 ，氯胺酮，K粉青霉胺乙胺丁醇 手性化合物的獲得途徑化學工業污染來源：未回收的原料未回收的產品有用和無用的副產物原料中的雜質工藝的物料省耗廢物最小化？資源利用最優化？清潔工藝與化工分離過程密切相關： 降低原材料和能源的消耗，提高有效利用率、回收利用率、循環利用率； 開發和采用新技術、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技術； 處理生產中的副產物和廢物，使之減少和消除對環境的危害； 研究、開

10、發和采用低物耗、低能耗、高效率的“三廢”治理技術。閉路循環系統： 將過程所產生的廢物最大限度地回收和循環使用。原料產品排出111222廢物廢物1單元過程；2處理1.2 傳質分離過程的分類和特征1.2.1 平衡分離過程 速率分離過程 分離因子按有無傳質過程發生分：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，有質量傳遞發生 分析分離 規模小 定量分析制備分離 規模小 研究用材料工業分離 規模大 經濟例: 色譜分離例: 離心分離例: 精餾分離化工廠中分離設備投資約占總投資的5090 ！按

11、分離的規模分類按物理化學原理的不同分為：平衡分離過程：速率分離過程：如精餾、吸收、萃取、結晶、吸附等。如微濾、超濾、反滲透、電滲析等。1.2.1 平衡分離過程分離設備混合物產品1產品2產品n分離媒介分離媒介：能量媒介 ESA 、物質媒介 MSA 、壓力平衡分離過程借助分離媒介，使均相混合物系統變 成兩相系統，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。（氣、液、固）極限程度 熱力學熱力學第二定律：混合過程自發、混亂度或熵增 S0分離過程強制、混亂度或熵減 S0 分離媒介：能量媒介 ESA 、物質媒介 MSA 、壓力分離媒介可以單獨使用，也可以同時使用，如萃取精餾、共沸

12、精餾。能量媒介 ESA：指傳入或傳出系統的熱及輸入或輸出系統的功。閃蒸、冷凝、精餾等。物質媒介 MSA：指分離過程中所借助的物質，如吸收過程的吸收劑、萃取過程的萃取劑及吸附過程的吸附劑。平衡分離過程的分離單元操作閃蒸原料相態： 液體分離媒介： 減壓分離原理：揮發度（蒸汽壓）有較大差別工業應用：海水淡化生產純水；吸收液的解吸。精餾原料相態：汽、液或汽液混合物分離媒介：熱量，有時用機械功 同上石油裂解氣的深冷分離；苯、甲苯、二甲苯的分離。吸收解吸原料相態：氣體或 液體分離媒介：液體吸收劑（MSA）；加入熱量（ESA） 分離原理：揮發度（蒸汽壓）有較大差別工業應用： 由催化裂化裝置主蒸塔頂產物中回收

13、乙烷及較輕的烴。萃取或共沸精餾原料相態：汽、液或汽液混合物液體溶劑（MSA）或塔釜加熱（ESA）液體共沸劑（MSA）或塔釜加熱（ESA）改變原溶液的相對揮發度 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。MSAL或VLLL或VMSALV平衡分離過程的分離單元操作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。膜有固態膜和液態膜，處理的流體可以是液體或氣體。膜材料：聚砜、聚酰胺、聚碳酸酯、醋酸纖維素等。特點：該分離過程不發生相變，能耗低，分

14、離操作在常溫下進行，適用于熱敏性物質的分離。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：非對稱性膜膜孔徑：120nm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。應用：海水或苦咸水的淡化和生物制品的分離和濃縮

15、。滲析（D）：推動力：濃度差傳遞機理：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。 應用：人工腎、廢酸回收、溶液脫酸和堿液精制等。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：原理： 先建立穩定的溫度梯度，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

16、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已在工業上應用的膜過程基本特性幾種主要的膜分離過程速率分離過程特點： 節能 環保優勢 新的方法分離速率 動力學1.2.3 分離因子分離因子反映： 相間傳質過程的平衡組成的差別； 分離所依據的基本物理現象所致的傳質速率的不同； 分離裝置結構的流動型式以及分離流程的影響。定義：實際分離因子 固有分離因子（理想分離因子）汽液相平衡-相對揮發度 級效率：實際分離設備所能達到的分離因子與理想分離因子之間的差別。例如：精餾過程中理想分離因子就是相平衡常數之比，或相對揮發度，而板效率則表達了實際情況與平衡時的差異程度。液液相平衡-選擇性系數（分配系數）1.

17、2.4 分離方法的選擇 分離的可行性 是否能分離 物料的物理化學性質 是否好分離 生產的處理規模 是否分離快 投資及運行的經濟性 是否成本低 安全與環保 是否環保 經驗借鑒 是否有成熟技術或經驗參考目的：實現清潔工藝 使物料能量消耗最小； 經濟效益、社會效益最大。1.3 分離過程的研究與技術開發開發方法（Research Methods）傳質分離操作的開發是研究適宜分離方法的工業化途徑，以期經濟合理地實現規定的分離任務。分離過程開發應達到下列目的：適宜分離方法，流程和操作條件的選擇；分離設備的合理選型；分離設備幾何尺寸的確定。化工新技術開發有三個關鍵環節：1、概念形成到課題的選定；2、技術與經濟論證(可行性)；3、放大技術。其中，放大技術是研究開發的核心。 逐級經驗放大法數學模型法 開發低成