6/6分離科學(xué)與技術(shù)概述.分離科學(xué)與技術(shù)SeparationScienceandTechnology

清華大學(xué)化工系

主要內(nèi)容

?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

?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

?分離科學(xué)與技術(shù)前沿方向?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,……..

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CCCCHH

HHCCCC

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

>

酒鹽

糖

>

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)濟資源+戰(zhàn)略資源:水

電滲析

機械過濾微、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

細胞破碎

加熱,絮凝等

細胞分離成品加工

高度純化

初步純化

細胞碎片分離

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

Blood

PurifiedBlood

Water

Water

Dialysis

HollowFiber

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

?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?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

?分離科學(xué)與技術(shù)前沿方向?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、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。

min

Wmin≥ΔGm=ΔHm-TΔSm

實際上分離過程的能量是最小能量的許多倍!

(1力學(xué)能:機械能、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

?化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)

傳質(zhì)分離方法

機械分離方法

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

2

21

1//jijiijxxxx=α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)濟性

?安全性

?環(huán)境因素

?經(jīng)驗因素

?…...

主要內(nèi)容

?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

?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

?分離科學(xué)與技術(shù)前沿方向?個人體會

?溫室氣體捕集分離裝備與技術(shù)

?有機氣體、有機水溶液、金屬離子回收

?生物大分子、手性藥物、同分異構(gòu)體分離技術(shù)?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識還較膚淺

?缺乏對于相界面?zhèn)鬟f的微觀機理的認識

前沿方向例一：微化工系統(tǒng)EffectiveEffectivemixingmixingEffectiveEffectivemassmassandandheatheattransfertransferHighHighselectivityselectivityInherentInherentsafetysafetyNumbering-upNumbering-upmethodmethodEnableEnablecontrolcontrol

前沿方向例一：微化工系統(tǒng)

前沿方向例一：微化工系統(tǒng)100μmwide×100μmhighThemeasuredchannelcontinuephaseflow560μmwide×500μmhigh100μmwide×100μmhighdispersedphaseflowcontinuephaseflow100μmwide×100μmhigh

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mm\60A/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)