1、1,1,化工分離工程 Chemical Separation Engineering,主講：劉俊生 合肥學(xué)院 化學(xué)與材料工程系 E-mail: ,2,2,先修課程： 物理化學(xué)、化工熱力學(xué)、化工原理 同時(shí)進(jìn)行的課程： 化工工藝學(xué)、化工過程分析與模擬 選用教材： 陳洪紡 劉家祺.化工分離過程.化學(xué)工業(yè)出版社,3,3,4,4,章節(jié)目錄,第一章 緒論 第二章 單級平衡過程 第三章 多組分多級分離過程分析與簡捷計(jì)算 第四章 多組分多級分離的嚴(yán)格計(jì)算 第五章 分離設(shè)備的處理能力和效率 第七章 其它分離技術(shù)和分離過程的選擇,5,5,第一章 緒論 (Introduction),一 分離操作在化工生產(chǎn)中的重要性

2、 二 傳質(zhì)過程的分類和特征 三 本課程的任務(wù)和內(nèi)容,6,1.1 分離操作在化工生產(chǎn)中的重要性,一、 分離工程理論的形成與完善,分離技術(shù)是隨著化學(xué)工業(yè)的發(fā)展而逐漸形成和發(fā)展的。,從實(shí)驗(yàn)室到產(chǎn)業(yè),分離單元操作概念,分離工程理論形成,分離工程應(yīng)用領(lǐng)域推廣,分離工程,20世紀(jì)初,20世紀(jì)中葉,20世紀(jì)后期,科技的發(fā)展使分離技術(shù)更趨成熟和完善,9,化學(xué)工程學(xué)科的兩個(gè)基本問題,過程的平衡,限度,過程的速度,反應(yīng)過程,物理過程,化工熱力學(xué)研究的問題,化學(xué)動力學(xué)和反應(yīng)工程研究的問題,單元操作和傳遞過程研究的問題,化學(xué)動力學(xué)研究化學(xué)反應(yīng)的動力學(xué)規(guī)律,化學(xué)反應(yīng)工程研究實(shí)現(xiàn)過程的設(shè)備,傳遞過程研究過程的速率與傳遞機(jī)

3、理,單元操作側(cè)重過程的設(shè)備與工程問題,分離工程研究應(yīng)用質(zhì)量傳遞原理實(shí)現(xiàn)組分分離的基本原理及工程化問題,1.1 分離操作在化工生產(chǎn)中的重要性,二、 工業(yè)生產(chǎn)中的分離過程,11,化 學(xué) 工 程 學(xué) 科,專業(yè)基礎(chǔ)理論及專業(yè),專業(yè)基礎(chǔ)理論體系,專業(yè)課程體系,無機(jī)化學(xué),有機(jī)化學(xué),物理化學(xué),分析化學(xué), 生物化學(xué),高等數(shù)學(xué),工程數(shù)學(xué),物理學(xué)等,化學(xué)動力學(xué)及熱力學(xué),化工原理,化工傳遞過程,化學(xué)反應(yīng)工程,化工熱力學(xué),化工分離過程,化工工藝學(xué),1.1 分離操作在化工生產(chǎn)中的重要性,基礎(chǔ)理論體系,12,12,1.1 分離操作在化工生產(chǎn)中的重要性,化學(xué)工業(yè)是工業(yè)污染的大戶，化工生產(chǎn)所造成的污染來源于： 未回收的原料；

4、 未回收的產(chǎn)品； 有用和無用的副產(chǎn)品； 原料中的雜質(zhì)； 工藝的物料損耗。,13,13,1.1 分離操作在化工生產(chǎn)中的重要性,定義：分離過程是將混合物分成組分互不相同的兩種或幾種產(chǎn)品的操作。,一般化工生產(chǎn)過程：,煤 石油 天然氣 生物質(zhì),化 工 原 料,反應(yīng),產(chǎn)品,分離,14,14,分離工程就是化學(xué)工程領(lǐng)域中發(fā)展較早的學(xué)科分支之一。它所研究的任一單個(gè)分離過程，一般都有可表示為：,分離過程示意圖,極限程度 熱力學(xué) 分離速率 動力學(xué),15,15,什么是分離過程？,純組分變成混合物，是熵增自發(fā)過程，反之，混合物變成純凈物則需作功。 借助一定的分離劑，實(shí)現(xiàn)混合物中組分的分級（Fractionalizat

5、ion）、濃縮（Concentration）、富集（Enrichment）、純化（Purification）、精制（Refining）與隔離（Isolation）等的過程稱為分離過程。,實(shí)例1：糖的溶解與結(jié)晶 (1) 糖溶于水 形成均勻溶液混合過程 過程是自發(fā)的熵增加 (2) 從水中取出糖 對體系做功（如蒸餾法） 分離過程 過程不能自發(fā)進(jìn)行熵減少,Example 1,有關(guān)分離過程本質(zhì)的一些描述 （是否準(zhǔn)確或全面？） 分離不能自發(fā)進(jìn)行（熵減少過程） 分離在熱力學(xué)上受阻（對抗熱力學(xué)第二定律） 分離是逆著大自然的 熱力學(xué)是逆著物質(zhì)純化的,指出一切涉及熱現(xiàn)象的宏觀過程是不可逆的。 它闡明了在這些過程中

6、能量轉(zhuǎn)換或傳遞的方向、條件和限度。 相應(yīng)的態(tài)函數(shù)是熵，熵的變化指明了熱力學(xué)過程進(jìn)行的方向， 熵的大小反映了系統(tǒng)所處狀態(tài)的穩(wěn)定性。,Question ?,實(shí)例2：己烷與水混合的實(shí)驗(yàn) 不能自發(fā)混合 劇烈攪拌或振蕩混合 放置（停止攪拌或振蕩）自發(fā)分離 Note:體系中除濃度差（熵效應(yīng)）外，還有： 水分子間的親水相互作用勢能對抗混合 水分子和己烷分子間的疏水相互作用勢能對抗混合 水和己烷的密度差（重力勢能）對抗混合,Example 2,實(shí)例3：Fe3+和Ti4+的混合實(shí)驗(yàn)（一） 混合均勻 Fe3+ Ti4+ Fe3+ Fe3+ 抽掉隔板 Ti4+ Ti4+ 6mol/L HCl 6mol/L HCl

7、6mol/L HCl 6mol/L HCl 抽調(diào)隔板后Fe3+和Ti4+將自發(fā)混合均勻，這是因?yàn)椋?體系中除濃度（活度）差外不存在其他勢場。 濃度差對化學(xué)勢的貢獻(xiàn)屬熵的貢獻(xiàn)， 熵增勢能驅(qū)使Fe3+和Ti4+在整個(gè)體系范圍內(nèi)從有序向無序變化。,Example 3,實(shí)例3：Fe3+和Ti4+的分離實(shí)驗(yàn)（二） Fe3+ 、Ti4+ 乙醚，F(xiàn)e3+ 抽掉隔板 6mol/L HCl 乙醚 6mol/L HCl，Ti4+ 結(jié)果：乙醚和水為互不相溶的兩相。 Fe3+與乙醚生成離子締合物： C2H5O C2H5 H+ (C2H5)2OH+ Fe3+ + 4 Cl FeCl4 (C2H5)2OH+ + FeCl

8、4 (C2H5)2OH+FeCl4,Ti4+留在水相 Ti4+的親水作用勢能驅(qū)使Ti4+留在水相； Ti4+的濃度差產(chǎn)生的化學(xué)勢驅(qū)使Ti4+均勻分布在整個(gè)空間； Ti4+的親水作用勢能遠(yuǎn)大于濃度差化學(xué)勢，所以，Ti4+留在水相 Fe3+進(jìn)入乙醚相 Fe3+的濃度差產(chǎn)生的化學(xué)勢驅(qū)使Fe3+均勻分布在整個(gè)空間； (C2H5)2OH+FeCl4的親溶劑（疏水）勢能驅(qū)使Fe3+進(jìn)入乙醚相； 親溶劑勢能遠(yuǎn)大于濃度差化學(xué)勢，所以，F(xiàn)e3+進(jìn)入乙醚相,結(jié)論： 分離有時(shí)是自發(fā)過程、混合有時(shí)也不能自發(fā)進(jìn)行； 總自由能決定體系是趨向分離、還是趨向混合，即： G總勢能項(xiàng)熵項(xiàng)iRT lnai 均相體系中只存在濃度差

9、自發(fā)混合。 非均相體系中除濃度差外，還存在各種相互作用（勢能） 各組分趨向于分配在低勢能相。（自由能降低）,Summary,23,23,例如：化工生產(chǎn),反應(yīng)（Reactive）,萃取物,（Extractive Natural raw material）,配制（Formulation）,分離,分離,分離,24,24,對分離的需求,工程應(yīng)用需要純物質(zhì)（如半導(dǎo)體材料）； 原料提純； 材料加工需要純物質(zhì)； 有毒有害物質(zhì)或非活性物質(zhì)的去除（如藥物）； 測試或檢測用超純標(biāo)準(zhǔn)品； 混合物組成檢測（如DNA檢測）； ,25,25,反應(yīng)器；原料、中間產(chǎn)物和產(chǎn)品的分離設(shè)備； 泵、換熱器； note: 分離貫穿整個(gè)

10、化工過程，占有十分重要的地位。 分離過程的費(fèi)用占總投資的5090。,原料 預(yù)處理 反應(yīng) 分離 粗產(chǎn)品 精制 產(chǎn)品 分離工程 三廢處理,典型的化工生產(chǎn)裝置,26,26,分離的作用,作用： 1.提供符合質(zhì)量要求的原料（清除對反應(yīng)或催化劑有害的雜質(zhì)，減少副反應(yīng)，提高收率，等） 2.提純產(chǎn)品以得到合格品，并使反應(yīng)物循環(huán)使用。 3.在環(huán)境保護(hù)上的作用，如煙氣脫硫，脫氮氧化物。,27,27,什么是化工分離工程 ？,化工分離工程是化學(xué)工程學(xué)科的重要組成部分。 化工分離工程是研究化工及其它相關(guān)過程中物質(zhì)的分離和純化方法的一門技術(shù)科學(xué)。 許多天然物質(zhì)都以混合物的形式存在，要從其中獲得具有使用價(jià)值的一種或幾種產(chǎn)品

11、，必須對混合物進(jìn)行分離。 在許多加工工業(yè)中，例如化工、石油化工、煉油、醫(yī)藥、食品、材料、冶金、生化等，必須對中間體和產(chǎn)物進(jìn)行分離和提純，才能使加工過程進(jìn)行下去，并得到符合使用要求的產(chǎn)品。 還是環(huán)保工程中用于污染物脫除的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。,28,化工分離技術(shù)的特點(diǎn),化工分離技術(shù)的特點(diǎn),(1)化工分離技術(shù)的多樣性,(2)化工分離技術(shù)的復(fù)雜性,(3)化工分離技術(shù)的前瞻性,(4)化工分離技術(shù)的特殊性,(1) 分離技術(shù)的多樣性,由于化工分離技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域十分廣泛，決定了分離技術(shù)的多樣性。按機(jī)理劃分，大致可分成5類，它們的特點(diǎn)和設(shè)計(jì)方法有所不同： 生成新相以進(jìn)行分離(如蒸餾、結(jié)晶)； 加入新相進(jìn)行分離(如萃取

12、、吸收)； 用隔離物進(jìn)行分離(如膜分離)； 用固體試劑進(jìn)行分離(如吸附、離子交換)； 用外力場和梯度進(jìn)行分離(如離心萃取分離和電泳等) 。,(2) 分離技術(shù)的復(fù)雜性,缺乏基礎(chǔ)物性數(shù)據(jù) 缺乏大型塔器的可靠設(shè)計(jì)方法 化工分離技術(shù)新的挑戰(zhàn) 能源,原料和環(huán)境保護(hù),31,31,典型實(shí)例1 -乙烯水合生產(chǎn)乙醇,涉及分離過程：吸收：3、5、9； 精餾：6、8、10；閃蒸：4,32,32,例2：二甲苯生產(chǎn),33,33,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(chǎn)物,目的產(chǎn)物為對二甲苯, 原料：石腦油 沸程120230K, 特點(diǎn)：, 涉及到分離過程：精餾：4、7、8 萃?。?、6 結(jié)晶：10

13、,34,34,35,35,濕法冶煉中的礦物浸取和萃取分離過程,36,36,現(xiàn)代生物技術(shù)產(chǎn)品的分離和純化,以重組DNA技術(shù)為標(biāo)志的現(xiàn)代生物技術(shù)近三十年來取得了迅猛的發(fā)展。作為當(dāng)代高科技的核心之一，現(xiàn)代生物技術(shù)將改變醫(yī)學(xué)、農(nóng)業(yè)、食品、能源、化學(xué)、環(huán)境保護(hù)等領(lǐng)域的傳統(tǒng)面貌，促進(jìn)人類社會生產(chǎn)力和科學(xué)技術(shù)的巨大進(jìn)步。 現(xiàn)代生物技術(shù)的迅速發(fā)展對其下游過程，即生物技術(shù)產(chǎn)品的分離純化技術(shù)提出了迫切的需求。通過發(fā)酵和動、植物細(xì)胞培養(yǎng)等生成的目標(biāo)產(chǎn)物需通過一系列的分離和純化等步驟才能獲得最終的產(chǎn)品。據(jù)報(bào)道，生物技術(shù)產(chǎn)品生產(chǎn)中分離提純成本一般要占其總成本的40%90%?？梢?，分離過程在基因工程產(chǎn)品生產(chǎn)中的重要性。,

14、37,37,總 結(jié)： 原料的凈化與粗分 反應(yīng)產(chǎn)物的提純 藥物的精制和提純 貴重金屬的提取 食品除水、除毒、病毒分離、同位數(shù)分離 三廢處理,38,38,與化工分離過程密切相關(guān)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(shù)、新工藝、改善生產(chǎn)操作條件，以控制和消除污染； 采用生產(chǎn)裝置的閉路循環(huán)技術(shù)； 處理生產(chǎn)中的副產(chǎn)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(shù)。,閉路循環(huán)系統(tǒng)： 將過程所產(chǎn)生的廢物最大限度地回收和循環(huán)使用。,1單元過程；2處理,實(shí)現(xiàn)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：

15、廢水 進(jìn)料提純 例：氧化反應(yīng)采用純氧 除去分離過程中加入的附加物質(zhì) 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(jìn)和發(fā)展 例：反應(yīng)精餾；吸附； 新分離方法不斷出現(xiàn)和實(shí)現(xiàn)工業(yè)化應(yīng)用 例：膜分離；熱擴(kuò)散；色層分離；,返回,42,42,一類：機(jī)械分離過程,特點(diǎn)：被分離對象為非均相混合物 目的：只是簡單的將混合物分開；如：過濾、沉降,化工原理內(nèi)容,二類：傳質(zhì)分離過程 特點(diǎn)：被分離對象為均相混合物，存在質(zhì)量傳遞現(xiàn)象 包含： 平衡分離過程；速率控制分離,第二節(jié) 傳質(zhì)分離過程的分類和特征,43,43,（一）分離過程的分類,相態(tài)：,有無傳質(zhì)發(fā)生

16、：,單級、多級,固固、固液、固氣、氣液、液液、氣氣，,機(jī)械分離、傳質(zhì)分離,處理兩相以上的混合物，如過濾、沉降、離心分離等。,處理均相混合物,級數(shù)：,44,44,按物理化學(xué)原理的不同，傳質(zhì)分離可分為：,（二）傳質(zhì)分離過程的分類,平衡分離過程：,速率分離過程：,借助分離劑使均相混合物變成兩相系統(tǒng)，再利用混合物中各組分在處于相平衡的兩相中的不等同分配而實(shí)現(xiàn)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，利用各組分?jǐn)U散速率的差異實(shí)現(xiàn)分離。,如精餾、吸收、萃取、結(jié)晶、吸附等。,如微濾、超濾、反滲透、電滲析等。,45,45,（1）平衡分離過程,46,46,（2）速率控制分離過程,47,4

17、7,1.2.1 平衡分離過程,分離設(shè)備,混合物,產(chǎn)品,分離媒介,分離媒介：（1）能量媒介（ESA，energy separation agent），（2） 物質(zhì)媒介（MSA, matter separation agent）,平衡分離過程借助分離媒介（如熱能、溶劑和吸收劑），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(jù)而實(shí)現(xiàn)分配。,48,48,表1-1中分離操作可略分成幾大類： 1. 僅輸入ESA: 蒸發(fā), 精餾, 結(jié)晶, 干燥, 區(qū)域熔煉 (zone melting) 2. 僅輸入MSA: Absorption, Extration, leachin

18、g and washing, Adsorption, Ion exchange,氣提。 3. 同時(shí)加入ESA和MSA: Extration and azeotropic distillation, 帶回流蒸出(水蒸汽蒸餾)。,49,49,平衡分離過程的分離單元操作,50,50,返回,51,51,1.2.2 速率分離過程,膜分離 熱擴(kuò)散,52,52,1.2.2 速率分離過程,定義: 是在某種推動力(濃度差、壓力差、溫度差、電位差等)的作用下, 有時(shí)選擇透過膜的作用下, 利用各組分?jǐn)U散速率的差異實(shí)現(xiàn)組分的分離。 特征: 這類過程所處理的原料和產(chǎn)品通常屬于同一形態(tài), 僅有組成上的差異。 1. 膜分離

19、-利用流體中的各組分對膜的滲透速率有差別而實(shí)現(xiàn)組分分離的操作。 膜的形態(tài)固態(tài)或液態(tài) 流體狀態(tài)液態(tài)或氣態(tài) 推動力-壓力差P, 濃度差C或電位差E。,53,53,微（孔過）濾（MF）：,推動力：壓力差（100kPa） 傳遞機(jī)理：篩分 膜類型：多孔膜,目的：溶液脫離子，氣體脫離子,54,54,超濾（UF）：,推動力：壓力差（1001000kPa） 傳遞機(jī)理：篩分 膜類型：非對稱性膜,目的：溶液脫大分子，大分子溶液脫小分子，大分子分級。,55,55,反滲透（RO）：,推動力：壓力差（100010000kPa） 傳遞機(jī)理：優(yōu)先吸附毛細(xì)管流動溶解、擴(kuò)散模型 膜類型：非對稱性膜或復(fù)合膜,目的：溶劑脫溶質(zhì)，含

20、小分子溶質(zhì)溶液濃縮。,56,56,滲析（D）：,推動力：濃度差 傳遞機(jī)理：篩分、微孔膜內(nèi)的受阻擴(kuò)散 透過物：小分子溶質(zhì)或較小的溶質(zhì) 截留物：截留0.02um離子、截留血液0.005um離子 膜類型：非對稱性膜或離子交換膜,目的：大分子溶質(zhì)溶液脫小分子，小分子溶質(zhì)溶液脫大分子。,57,57,電滲析（ED）：,推動力：電化學(xué)勢 傳遞機(jī)理：反離子經(jīng)離子交換膜的遷移 膜類型：離子交換膜,目的：溶液脫小離子，小離子溶質(zhì)的濃縮、小離子的分級。,58,58,膜分離小結(jié),59,59,膜分離小結(jié),60,60,熱擴(kuò)散：,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。,61,61,舉例：蒸餾,蒸餾是分離液體混合物的主要方法之一。 當(dāng)對液體混合物加熱時(shí)，其中沸點(diǎn)較低（或揮發(fā)度較大）的組分更容易汽化，因此汽相中低沸點(diǎn)組分含量較高，將其冷凝，就得到低沸點(diǎn)組分含量較高的液體，從而實(shí)現(xiàn)了高低沸點(diǎn)組分的部分分離。 要實(shí)現(xiàn)蒸餾分離，必須是部分蒸發(fā)，而不能完全蒸干。,62,62,速率分離過程特點(diǎn)：,節(jié)能 環(huán)保 新的方法,化工分離技術(shù)發(fā)展的若干特點(diǎn) 1）傳統(tǒng)分離技術(shù)改造： 如精餾篩板塔改造為效率更高的填料塔。 2）新型分離過程開發(fā)： 如膜分離、反膠團(tuán)萃取