分離工程

教師：蔣春躍制作：何壽林本課程的任務(wù)和內(nèi)容■地位：專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課■前期課程：物理化學(xué)、化工原理、化工熱力學(xué)■重點(diǎn)：1.基本概念、基本原理、基本公式的理解2.討論各種分離方法的特征3.對(duì)設(shè)計(jì)、分析能力的訓(xùn)練4.提高解決問(wèn)題能力學(xué)生應(yīng)掌握：◆分離過(guò)程的基本理論

◆簡(jiǎn)捷和嚴(yán)格計(jì)算方法

◆強(qiáng)化、改進(jìn)操作途徑

◆對(duì)新分離技術(shù)有一定了解教材：面向21世紀(jì)課程教材：劉家祺.分離過(guò)程.北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2002主要參考書(shū):陳洪鈁,劉家祺.化工分離過(guò)程.北京:化學(xué)工業(yè)出版社,1995返回第一章緒論1.1分離過(guò)程在工業(yè)生產(chǎn)中的地位和作用1.2

傳質(zhì)分離過(guò)程的分類(lèi)和特征1.3.分離過(guò)程的集成化

學(xué)習(xí)方法與要求1.1分離過(guò)程在工業(yè)生產(chǎn)中的地位和作用

1.1.1分離過(guò)程在化工生產(chǎn)中的重要性1.1.2

分離過(guò)程在清潔工藝中的地位與作用返回煤石油天然氣生物質(zhì)反應(yīng)化工原料分離產(chǎn)品一般化工生產(chǎn)過(guò)程：例1：乙烯水合生產(chǎn)乙醇1-固定床催化反應(yīng)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(yīng)器；8-脫輕組分塔；10-產(chǎn)品塔涉及分離過(guò)程：吸收：3、5、9；

精餾：6、8、10；閃蒸：4乙烯93%產(chǎn)品廢水乙醛12345678910水循環(huán)乙烯水放空放空水氫水廢水例2：二甲苯生產(chǎn)1-重整反應(yīng)器；2、13-汽液分離器；3-壓縮機(jī)；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(jié)晶器；11-異構(gòu)化反應(yīng)器；12-熔融塔放空間二甲苯和鄰二甲苯石腦油進(jìn)料混合二甲苯循環(huán)混合二甲苯125678104111391233輕烴類(lèi)非芳烴乙二醇芳烴苯和甲苯對(duì)二甲苯重芳烴H2H2H2●加氫重重整后后得到到：輕油非非芳烴烴苯甲甲苯二二甲甲苯高級(jí)芳芳烴目的產(chǎn)產(chǎn)物目的產(chǎn)產(chǎn)物為為對(duì)二二甲苯苯鄰二甲苯間二甲苯對(duì)二甲苯沸點(diǎn)℃144.411139.104138.351熔點(diǎn)℃﹣25.173﹣47.87213.263●原料：：石腦油油沸沸程程120～～230K●特點(diǎn)：●涉及到到分離離過(guò)程程：精餾：：4、、7、、8萃取：：5、、6結(jié)晶：：10總結(jié)結(jié)：：●原原料的的凈化化與粗粗分●反反應(yīng)產(chǎn)產(chǎn)物的的提純純●藥藥物的的精制制和提提純●精精選金金屬的的提取取●食食品除除水、、除毒毒、病病毒分分離、、同位數(shù)分分離●三三廢處處理返回1.1.2分分離離過(guò)程程在清清潔工工藝中中的地地位與與作用用清潔工工藝：：生產(chǎn)工工藝和和防治治污染染有機(jī)機(jī)的結(jié)結(jié)合，，將污污染物物減少少或消消滅在在工藝藝過(guò)程程中。?！婷嫦?1世世紀(jì)社社會(huì)和和經(jīng)濟(jì)濟(jì)可持持續(xù)發(fā)發(fā)展的的重大大課題題?；瘜W(xué)工工業(yè)污污染來(lái)來(lái)源：：未回收收的原原料未回收收的產(chǎn)產(chǎn)品有用和和無(wú)用用的副副產(chǎn)品品原料中中的雜雜質(zhì)工藝的的物料料損耗耗

廢物最小化？清潔工工藝綜綜合考考慮：：●合合理理的原原料選選擇；；●反反應(yīng)應(yīng)路徑徑的清清潔化化；●物物料料分離離技術(shù)術(shù)的選選擇；；●確確定定合理理的流流程和和工藝藝參數(shù)數(shù)。核心：：化學(xué)反反應(yīng)/過(guò)程程綠色色化●原料綠綠色化化：采采用無(wú)無(wú)毒無(wú)無(wú)害原原料采用可可再生生資源源（如如生物物質(zhì)））●產(chǎn)品品綠色色化：：設(shè)計(jì)計(jì)安全全的化化學(xué)品品設(shè)計(jì)可可降解解的化化學(xué)品品●過(guò)程程綠色色化：：采用用原子子經(jīng)濟(jì)濟(jì)性反反應(yīng)采用綠綠色催催化劑劑采用綠綠色溶溶劑過(guò)程強(qiáng)強(qiáng)化外場(chǎng)場(chǎng)強(qiáng)化化流程程集約約化裝備備微型型化與化工工分離離過(guò)程程密切切相關(guān)關(guān)的有有：●降低低原材材料和和能源源的消消耗，，提高高有效效利用用率、、回收利利用率率、循循環(huán)利利用率率；●開(kāi)發(fā)發(fā)和采采用新新技術(shù)術(shù)、新新工藝藝、改改善生生產(chǎn)操操作條條件，以以控制制和消消除污污染；；●采用用生產(chǎn)產(chǎn)裝置置的閉閉路循循環(huán)技技術(shù)；；●處理理生產(chǎn)產(chǎn)中的的副產(chǎn)產(chǎn)物和和廢物物，使使之減減少和和消除除對(duì)環(huán)境境的危危害；；●研究究、開(kāi)開(kāi)發(fā)和和采用用低物物耗、、低能能耗、、高效效率的的“三廢廢”治治理技技術(shù)。。閉路循循環(huán)系系統(tǒng)：：將過(guò)程程所產(chǎn)產(chǎn)生的的廢物物最大大限度度地回回收和和循環(huán)環(huán)使用用。原料產(chǎn)品排除111222廢物廢物1—單單元過(guò)過(guò)程；；2——處理理實(shí)現(xiàn)分分離與與再循循環(huán)系系統(tǒng)使使廢物物最小小化的的方法法：●廢物物直接接再循循環(huán)例：廢廢水●進(jìn)料料提純純例：氧氧化反反應(yīng)采采用純純氧●除去去分離離過(guò)程程中加加入的的附加加物質(zhì)質(zhì)例：共共沸劑劑、萃萃取劑劑●附加加分離離與再再循環(huán)環(huán)系統(tǒng)統(tǒng)例：分分離廢廢物中中的有有效物物，循循環(huán)使使用上述原原因促促使：：傳統(tǒng)分分離過(guò)過(guò)程不不斷改改進(jìn)和和發(fā)展展例：反反應(yīng)精精餾；；吸附附；……新分離離方法法不斷斷出現(xiàn)現(xiàn)和實(shí)實(shí)現(xiàn)工工業(yè)化化應(yīng)用用例：膜膜分離離；熱熱擴(kuò)散散；色色層分分離；；…返回思考：：循環(huán)經(jīng)經(jīng)濟(jì)、、產(chǎn)業(yè)業(yè)鏈、、工業(yè)業(yè)園區(qū)區(qū)等1.2傳質(zhì)分分離過(guò)過(guò)程的的分類(lèi)類(lèi)和特特征1.2.1平衡分分離過(guò)過(guò)程1.2.2速率分分離過(guò)過(guò)程返回1.2.1平平衡分分離過(guò)過(guò)程分離設(shè)設(shè)備混合物物產(chǎn)品分離媒媒介分離媒媒介：：能量、、物質(zhì)質(zhì)、壓壓力平衡分分離過(guò)過(guò)程——借借助分分離媒媒介，，使均均相混混合物物系統(tǒng)統(tǒng)變成兩相相系統(tǒng)統(tǒng)，再再以混混合物物中各各組分分在處處于相相平衡衡的兩相相中不不等同同的分分配為為依據(jù)據(jù)而實(shí)實(shí)現(xiàn)分分配，，表征征量分配系系數(shù)。。平衡分分離過(guò)過(guò)程的的分離離單元元操作作閃蒸原料相態(tài)：

液體分離媒介：減壓分離原理：揮發(fā)度（蒸汽壓）有較大差別工業(yè)應(yīng)用：海水淡化生產(chǎn)純水；吸收液的解吸。精餾原料相態(tài)：汽、液或汽液混合物分離媒介：熱量，有時(shí)用機(jī)械功

同上石油裂解氣的深冷分離；苯、甲苯、二甲苯的分離。吸收蒸出原料相態(tài)：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(fā)度（蒸汽壓）有較大差別工業(yè)應(yīng)用：由催化裂化裝置主蒸塔頂產(chǎn)物中回收乙烷及較輕的烴。萃取或共沸精餾原料相態(tài)：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?cè)芤旱南鄬?duì)揮發(fā)度

以苯酚作溶劑由沸點(diǎn)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返回1.2.2速速率分分離過(guò)過(guò)程膜分分離離熱擴(kuò)擴(kuò)散散速率分離:在某種推動(dòng)力（濃度差、壓力差、溫度差、電位差等）的作用下，有時(shí)在選擇性膜的配合下，利用各組分?jǐn)U散速率的差異實(shí)現(xiàn)組分的分離。微孔孔過(guò)過(guò)濾濾（（MF））：：推動(dòng)動(dòng)力力：：壓力力差差（（～～100kPa）傳遞遞機(jī)機(jī)理理：：篩分分膜類(lèi)類(lèi)型型：：多孔孔膜膜進(jìn)料（液體和氣體）溶劑、水、氣體顆粒、纖維目的的：：溶溶液液脫脫離離子子，，氣氣體體脫脫離離子子超濾濾（（UF））：：推動(dòng)動(dòng)力力：：壓力力差差（（100～～1000kPa））傳遞遞機(jī)機(jī)理理：：篩分分膜類(lèi)類(lèi)型型：：非對(duì)對(duì)稱(chēng)稱(chēng)性性膜膜進(jìn)料溶劑、水膠體大分子目的的：：溶溶液液脫脫大大分分子子，，大大分分子子溶溶液液脫脫小小分分子子，，大大分分子子分分級(jí)級(jí)。。如如透透晰晰。。反滲滲透透（（RO））：：推動(dòng)力：：壓力差（（1000～10000kPa）傳遞機(jī)理理：優(yōu)先吸附附毛細(xì)管管流動(dòng)溶溶解、擴(kuò)擴(kuò)散模型型膜類(lèi)型：：非對(duì)稱(chēng)性性膜或復(fù)復(fù)合膜進(jìn)料溶劑、水溶質(zhì)、鹽目的：溶溶劑脫溶溶質(zhì)，含含小分子子溶質(zhì)溶溶液濃縮縮。滲析（D）：推動(dòng)力：：濃度差傳遞機(jī)理理：篩分、微微孔膜內(nèi)內(nèi)的受阻阻擴(kuò)散透過(guò)物：：小分子溶溶質(zhì)或較較小的溶溶質(zhì)截留物：：截留﹥0.02um離離子、截截留血液液﹥0.005um離離子膜類(lèi)型：：非對(duì)稱(chēng)性性膜或離離子交換換膜進(jìn)料接受液凈化液擴(kuò)散液目的：大大分子溶溶質(zhì)溶液液脫小分分子，小小分子溶溶質(zhì)溶液液脫大分分子。電滲析（（ED））：推動(dòng)力：：電化學(xué)勢(shì)勢(shì)傳遞機(jī)理理：反離子經(jīng)經(jīng)離子交交換膜的的遷移膜類(lèi)型：：離子交換換膜濃電解質(zhì)－極＋極產(chǎn)品陰離子交換膜陽(yáng)離子交換膜進(jìn)料目的：溶溶液脫小小離子，，小離子子溶質(zhì)的的濃縮、、小離子子的分級(jí)級(jí)。熱擴(kuò)散：：原理：先建立穩(wěn)穩(wěn)定的溫度梯度度，氣體中中較輕的的組分向向熱線方方向飄逸逸，再建建立穩(wěn)定定的濃度梯度度，熱線附近近的氣體體由于密密度較小小流向上上頂瓶；；冷管壁壁附近的的氣體由由于密度度較大向向下底瓶瓶流動(dòng)。。頂瓶底瓶溫度梯度冷壁熱線速率分離離過(guò)程特特點(diǎn)：■節(jié)能■環(huán)保優(yōu)優(yōu)勢(shì)■新的方方法返回1.3.分離過(guò)過(guò)程的集集成化目的：實(shí)現(xiàn)清潔潔工藝使物料能能量消耗耗最小；；經(jīng)經(jīng)濟(jì)效效益、社社會(huì)效益益最大。。1.3.1反應(yīng)過(guò)程程與分離離過(guò)程的的耦合1.3.2分離過(guò)程程與分離離過(guò)程的的耦合1.3.3過(guò)程的集成返回1.3.1反應(yīng)過(guò)程程與分離離過(guò)程的的耦合目的：改善不利利的熱力力學(xué)和動(dòng)動(dòng)力學(xué)因因數(shù)，減減少設(shè)備備、操作作費(fèi)用、、節(jié)約資資源和能能源?；瘜W(xué)吸收收——化學(xué)學(xué)反應(yīng)與與吸收相相結(jié)合被溶解的的組分與與吸收劑劑中的活活性組分分發(fā)生反反應(yīng)，增增加傳質(zhì)質(zhì)推動(dòng)力力,如如煙氣脫脫硫?；瘜W(xué)萃取取——化學(xué)學(xué)反應(yīng)與與萃取相相結(jié)合溶質(zhì)與萃萃取劑反反應(yīng)。如如：絡(luò)合合反應(yīng)；；水解；；聚合反應(yīng)（催催化）精精餾——化學(xué)學(xué)反應(yīng)與與精餾相相結(jié)合例：酯化化、皂化化、酯交交換、胺胺化、水水解…膜反應(yīng)器器——優(yōu)良良分離性性能與催催化反應(yīng)應(yīng)相結(jié)合合例：利用用多孔陶陶瓷膜催催化反應(yīng)應(yīng)器，進(jìn)進(jìn)行丁烯烯脫氫制制丁二烯烯。丙烷烷脫氫制制丙烯。?？刂漆尫欧艑⑺幬锘蚧蚱渌锘钚孕晕镔|(zhì)以以一定形形式與膜膜結(jié)構(gòu)相相結(jié)合，，使這些些活性物物質(zhì)只能能以一定定速度通通過(guò)擴(kuò)散散等方式式釋放到到環(huán)境中中。膜生物傳傳感器由生物催催化劑酶酶或微生生物與合合成膜及及電極轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換裝置置組成，，模仿生生物膜對(duì)對(duì)化學(xué)物物質(zhì)的識(shí)識(shí)別能力力制成，，為酶膜膜傳感器器和微生生物傳感感器。。返回1.3.2分離離過(guò)程與與分離過(guò)過(guò)程的耦耦合復(fù)合分離離過(guò)程優(yōu)點(diǎn)：集原分離離過(guò)程之之所長(zhǎng)，，避其所所短。適用于:特殊物系系的分離離?！糨腿〗Y(jié)結(jié)晶（加和結(jié)結(jié)晶）分離：①揮發(fā)度度相近的的組分。。②無(wú)機(jī)鹽鹽生產(chǎn)（（優(yōu)點(diǎn)：：節(jié)能））溶劑可萃萃取出部部分水。。◆吸附蒸蒸餾氣一液一一固三相相分離過(guò)過(guò)程吸附分離離優(yōu)點(diǎn)：：分離因子子高，產(chǎn)產(chǎn)品濃度度高，能能耗低。。缺點(diǎn)：吸附劑用用量大，，收率率低?！纬沙苫パa(bǔ)◆電泳分分離不同蛋白白質(zhì)在一一定pH值的緩緩沖溶液液中，其其溶解度度不同，，在電場(chǎng)場(chǎng)作用下下，這些些帶電的的溶膠離離子在介介質(zhì)中的的泳動(dòng)速速度不同同，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)不同蛋蛋白質(zhì)的的分離。。返回1.3.3過(guò)過(guò)程的集集成一、傳統(tǒng)統(tǒng)分離過(guò)過(guò)程的集集成合理組合合傳統(tǒng)分分離過(guò)程程，揚(yáng)長(zhǎng)長(zhǎng)避短，，達(dá)到高高效、低低耗和減減少污染染的目的的。共沸精餾餾與萃取取集成環(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(diǎn)：無(wú)污染二、傳統(tǒng)統(tǒng)分離過(guò)過(guò)程與膜膜分離的的集成將膜技術(shù)術(shù)應(yīng)用到到傳統(tǒng)分分離過(guò)程程中◆滲透蒸蒸發(fā)用來(lái)分離離揮發(fā)性性液體混混合物，，恒沸、、近沸點(diǎn)點(diǎn)物系。。◆蒸汽滲滲透例：發(fā)酵液脫脫水制無(wú)水乙乙醇水與醇形成二二元共沸物，，共沸點(diǎn):78.15℃℃，x=0.894（mol）三、膜過(guò)程的的集成優(yōu)點(diǎn)：取長(zhǎng)補(bǔ)補(bǔ)短例：分離懸浮浮液為高固體體含量物料將超濾、反滲滲透、滲透蒸蒸餾組合在一一起。返回1.4設(shè)計(jì)計(jì)變量變量:用于于設(shè)計(jì)分離裝裝置的參數(shù)/物理量.如如進(jìn)料流率率,濃度,壓力,溫溫度,熱熱負(fù)荷,機(jī)機(jī)械功的輸入入(或輸出)量,傳熱熱面積大小,以及理論論塔板數(shù)等.分離裝置的設(shè)設(shè)計(jì):就是是要確定上述述物理量間相相互聯(lián)系,相相互制約.設(shè)計(jì)變量:由由于變量太太多,所以以設(shè)計(jì)者只能能規(guī)定上述變變量中的若干干個(gè)變量的數(shù)數(shù)值.如果果設(shè)計(jì)過(guò)程中中給定數(shù)值的的物理量數(shù)目目少于設(shè)計(jì)變變量的數(shù)目,設(shè)計(jì)就不能能進(jìn)行.反反之,給定定數(shù)值的物理理量過(guò)多,設(shè)設(shè)計(jì)也無(wú)法法進(jìn)行.因此，設(shè)計(jì)的的第一步不是是選擇變量的的具體數(shù)值，，而是要知道道設(shè)計(jì)者所需需要給定數(shù)值值的變量數(shù)目目。簡(jiǎn)單過(guò)程：一一般按經(jīng)驗(yàn)給給出。如一處處進(jìn)料的二組組分精餾塔：：進(jìn)料流率、、進(jìn)料濃度、、進(jìn)料狀態(tài)、、塔壓、釜液液濃度、餾出出液濃度以及及回流比。計(jì)計(jì)算：精餾段段理論塔板數(shù)數(shù)，提餾段理理論塔板數(shù)，，以及冷凝器器，再沸器的的熱負(fù)荷等。。復(fù)雜過(guò)程：Ni=Nv-Nc