化工分离工程选论 课程PPT

1、北京化工大学化工分离工程选论化工分离工程选论教师：张卫东教师：张卫东1本课程的任务和内容本课程的任务和内容课程性质：学位课课程性质：学位课前期课程：前期课程： 物理化学、化工原理、化工热力学物理化学、化工原理、化工热力学传递过程原理、化工分离过程传递过程原理、化工分离过程重点：重点： 1.基本概念的理解基本概念的理解 2.讨论各种分离方法的特征讨论各种分离方法的特征 3.对设计、分析能力的训练对设计、分析能力的训练 4.提高解决问题能力提高解决问题能力2v学生应掌握：学生应掌握：分离过程的基本原理分离过程的基本原理 主要适用范围及体系主要适用范围及体系强化、改进操作途径强化、改进操作途径新型分

2、离技术介绍新型分离技术介绍3v 主要参考书：主要参考书：4 第一章：概论第一章：概论分离机理及分离过程的分类2分离过程在化工生产中的地位和作用分离过程在化工生产中的地位和作用3 1五种常用的分离技术3 35分离的表征和分离操作的选择3 41.分离过程在化工生产中的地位和作用分离过程在化工生产中的地位和作用v分离过程：将混合物分成组成互不相同的两种或分离过程：将混合物分成组成互不相同的两种或几种产品的操作。几种产品的操作。煤石油天然气生物质反应化工原料分离产品67l以大型的石油工业和以大型的石油工业和以化学反应为中心的石以化学反应为中心的石油化工生产过程为例，油化工生产过程为例，分离装置的费用占

3、总投分离装置的费用占总投资的资的5090%l分离操作在分离操作在环境保护环境保护和和充分利用资源方面充分利用资源方面起着起着特别重要的作用，在提高生产过程的经济效益和特别重要的作用，在提高生产过程的经济效益和产品质量中起举足轻重的作用。产品质量中起举足轻重的作用。v 分离操作作为一门技艺已经实践了几千年，早期文明开发分离操作作为一门技艺已经实践了几千年，早期文明开发出了用于以下场合的工艺技术：出了用于以下场合的工艺技术：从矿物中萃取金属；从花卉中提取香料；从植物中提取染料；从燃烧植物的灰烬中提取草碱；海水蒸发制盐；沥青岩提炼；蒸馏酒。8v 工业规模的化学过程工业规模的化学过程天然原料；植物或动

4、物的有机物；化学中间体；化学商品；废弃物v 一个化学过程或是一个化学过程或是间歇间歇、或是、或是连续连续或是或是半连续半连续进行进行9化学工业制造出与过程的原料具有不同化学特征的产品，原料可能有：v 操作可分为操作可分为关键操作关键操作和和辅助操作辅助操作关键操作辅助操作化学反应化学混合物的分离相分离热量的加入和移除机械功的加入和移除物流的混合和分开固体的团聚v 方块流程图：方块流程图：用来表示化学过程，正方或矩形块代表化学反应和分离步骤，连线标明主要过程物流由某一过程到另一个步骤v 工艺过程流程图：工艺过程流程图：更加详细，其中包括辅助操作，用能更形象的表示所用设备类型的符号表示设备。v 实

5、际工业过程与假想过程的差异实际工业过程与假想过程的差异由乙烯直接水合连续生产乙醇：由于原料中的杂质以及所发生的副反应等，实际工业过程往往比假想过程复杂很多。假想过程假想过程实际过程实际过程v化学家利用分析分离方法，而化学工程师更关心化学家利用分析分离方法，而化学工程师更关心利用经济性好的大规模分离方法生产化学品，这利用经济性好的大规模分离方法生产化学品，这些分离方法可能与实验室技术有相当大差别。些分离方法可能与实验室技术有相当大差别。 化学家色谱 工业精馏例例1：乙烯水合生产乙醇：乙烯水合生产乙醇乙乙烯烯93% 产品产品废水废水乙醛12345678910水循环乙烯水放空放空水氢水废水1-固定床

6、催化反应器；固定床催化反应器；2-分凝器；分凝器；3、5、9-吸收塔；吸收塔；4-闪蒸塔；闪蒸塔；6-粗粗馏塔；馏塔；7-催化加氢反应器；催化加氢反应器；8-脱轻组分塔；脱轻组分塔；10-产品塔产品塔涉及分离过程：涉及分离过程： 精馏：精馏：6、8、10；闪蒸：；闪蒸：416例例2：二甲苯生产：二甲苯生产放空间二甲苯和邻二甲苯石脑油进料混合二甲苯循环混合二甲苯125678104111391233轻烃类非芳烃乙二醇芳烃苯和甲苯对二甲苯重芳烃H2H2H21-重整反应器；重整反应器；2、13-汽液分离器；汽液分离器；3-压缩机；压缩机；4-脱丁烷塔；脱丁烷塔；5-萃取塔萃取塔6-再生塔；再生塔；7-

7、甲苯塔；甲苯塔；8-二甲苯回收塔；二甲苯回收塔；9-冷却器；冷却器；10-结晶器；结晶器；11-异构化反应器；异构化反应器；12-熔融塔熔融塔17加氢重整后得到：轻油 非芳烃 苯 甲苯 二甲苯 高级芳烃目的产物 目的产物为对二甲苯邻二甲苯邻二甲苯间二甲苯间二甲苯对二甲苯对二甲苯沸点沸点144.411139.104138.351熔点熔点25.17347.87213.263 原料：石脑油 沸程120230K 特点： 涉及到分离过程：精馏：4、7、8 萃取：5、6 结晶：1018分离机理及分离过程的分类分离机理及分离过程的分类2分离过程在化工生产中的地位和作用3 1五种常用的分离技术3 319分离的

8、表征和分离操作的选择3 42.分离机理及分离过程的分类分离机理及分离过程的分类分离机理：分离机理：20化学品的混合是自发的自然过程，并伴有熵或无序程度的增加；但其相反过程，即将混合物分离却不是自发过程，需要消耗能量。混合物（气、液、固）分 离 过 程产品1产品2产品n2.分离机理及分离过程的分类分离机理及分离过程的分类依据混合物组分间性质差异，通过工业设施实现分离。不同相中分子性质、热力学性质和传递性质差异越大，越易分离。如：分子量极性范德华体积介电常数范德华面积电荷分子形状回转半径偶极矩蒸汽压吸附性溶解度扩散系数分子性质：热力学性质和传递性质：2.分离机理及分离过程的分类分离机理及分离过程的

9、分类一类：机械分离（非均相混合物）一类：机械分离（非均相混合物）特点：基于物理过程 化工原理内容二类：传质分离（均相混合物）二类：传质分离（均相混合物） 沉降 过滤 重力 惯性力离心力 压差 重力 离心力 特点：基于物理化学过程平衡分离过程：吸收、结晶、萃取、蒸馏等 速率分离过程：膜分离、电泳等分离过程的分类：分离过程的分类：222.分离机理及分离过程的分类分离机理及分离过程的分类常用的分离技术：常用的分离技术：靠产生新相的分离原料相1相2相的产生靠加入新相的分离原料相1相2质量分离剂需要产生一个与原料互不相溶的第二相。靠向过程加入或传出能量或靠降压实现靠向系统引入溶剂的方式产生第二相，此溶剂

10、对于原料中的某些组分具有选择溶解能力2.分离机理及分离过程的分类分离机理及分离过程的分类用阻挡物的分离原料相1相2阻挡物用固体介质的分离原料相1相2阻挡物限制或增强了某些组分相对于其他组分的移动。重要性日益增强。固体颗粒直接作用于某些组分或作为其他组分的惰性载体从而实现分离固体介质靠势场或者梯度的分离原料相1相2有时用于特定的分离场合势场或梯度分离机理及分离过程的分类2分离过程在化工生产中的地位和作用3 1五种常用的分离技术五种常用的分离技术3 325分离的表征和分离操作的选择3 43.五种常用的分离技术五种常用的分离技术通过添加或产生新相实现的分离通过添加或产生新相实现的分离混合物（气、液、

11、固）分 离 过 程产品1产品2产品n能量分离剂 ESA质量分离剂 MSA分离剂：物质：同原料混合物中一个或几个组分部分互不相溶；最后还要将其除去。能量：向待分离混合物中加入或取走热量和功，也可以将液相减压产生气相蒸馏：热量吸收：吸收剂能量萃取：萃取剂能量例如：只需加入能量就能分离的效率高263.五种常用的分离技术五种常用的分离技术例举几种基于新相的产生或加入的分离操作例举几种基于新相的产生或加入的分离操作闪蒸闪蒸原料相态：原料相态： 液体液体分离媒介：分离媒介： 减压减压分离原理：分离原理：挥发度（蒸汽挥发度（蒸汽压）有较大差压）有较大差别别工业应用：工业应用：海水淡化生产海水淡化生产纯水；吸

12、收液纯水；吸收液的解吸。的解吸。精馏精馏原料相态：原料相态：汽、液或汽汽、液或汽液混合物液混合物分离媒介：分离媒介：热量，有时用热量，有时用机械功机械功 同上同上石油裂解气的石油裂解气的深冷分离；苯深冷分离；苯、甲苯、二甲、甲苯、二甲苯的分离。苯的分离。吸吸收收蒸蒸出出原料相态：原料相态：气体或气体或 液体液体分离媒介：分离媒介：液体吸收液体吸收剂（剂（MSA）；加入）；加入热量（热量（ESA） 分离原理：分离原理：挥发度（挥发度（蒸汽压）蒸汽压）有较大差有较大差别别工业应用：工业应用： 由催化裂由催化裂化装置主蒸化装置主蒸塔顶产物中塔顶产物中回收乙烷及回收乙烷及较轻的烃。较轻的烃。萃取萃取或

13、共或共沸精沸精馏馏原料相态：原料相态：汽、液或汽汽、液或汽液混合物液混合物液体溶剂（液体溶剂（MSA）或）或塔釜加热（塔釜加热（ESA）液体共沸剂液体共沸剂（MSA）或塔釜加热或塔釜加热（ESA）改变原溶改变原溶液的相对液的相对挥发度挥发度 以苯酚作溶以苯酚作溶剂由沸点相剂由沸点相近的非芳烃近的非芳烃中分离芳烃中分离芳烃；以醋酸丁；以醋酸丁酯作共沸剂酯作共沸剂从稀溶液中从稀溶液中分离醋酸。分离醋酸。L或VMSALVMSAL或VLL283.五种常用的分离技术五种常用的分离技术3.五种常用的分离技术五种常用的分离技术采用阻挡物（膜）的分离操作采用阻挡物（膜）的分离操作29在某种推动力（浓度差、压力

14、差、温度差、电位差等）的作用下，有时在选择性膜的配合下，利用各组分扩散速率的差异实现组分的分离。多孔膜：分离受组分经微孔的扩散速率差异影响。无孔膜：受组分在膜中溶解性和扩散性差异的影响。微孔过滤（MF）：推动力：压力差（100kPa）传递机理：筛分膜类型：多孔膜工业实例：从饮用水中除菌从饮用水中除菌 进料（液体和气体）溶剂、水、气体颗粒、纤维目的：溶液去除粒子，气体除去粒子303.五种常用的分离技术五种常用的分离技术超滤（UF）：推动力：压力差（1001000kPa）传递机理：筛分膜类型：非对称性膜工业实例：从干酪中分离乳清从干酪中分离乳清进料溶剂、水胶体大分子目的：溶液脱大分子，大分子溶液脱

15、小分子，大分子分级。313.五种常用的分离技术五种常用的分离技术反渗透（RO）：推动力：压力差（100010000kPa）传递机理：优先吸附毛细管流动溶解、扩散模型膜类型：非对称性膜或复合膜工业实例：海水脱盐海水脱盐进料溶剂、水溶质、盐目的：溶剂脱溶质，含小分子溶质溶液浓缩。323.五种常用的分离技术五种常用的分离技术渗析（D）：推动力：浓度差传递机理：筛分、微孔膜内的受阻扩散透过物：小分子溶质或较小的溶质截留物：截留0.02um离子、截留血液0.005um离子膜类型：非对称性膜或离子交换膜工业实例：从半纤维素中回收碱进料接受液净化液扩散液目的：大分子溶质溶液脱小分子，小分子溶质溶液脱大分子。

16、 333.五种常用的分离技术五种常用的分离技术电渗析（ED）：推动力：电化学势传递机理：反离子经离子交换膜的迁移膜类型：离子交换膜浓电解质浓电解质极极产品产品阴离子交换膜阴离子交换膜阳离子交换膜阳离子交换膜进料进料目的：溶液脱小离子，小离子溶质的浓缩、小离子的分级。 343.五种常用的分离技术五种常用的分离技术3.五种常用的分离技术五种常用的分离技术采用固体介质的分离操作采用固体介质的分离操作35固体介质通常是颗粒状物料或者填料可以作为薄层吸收剂的惰性支撑或者可对原料中某些组分具有选择吸附性或者与它们发生化学反应。36吸附层析离子交换气相或液相气相或液相液相固体吸附剂固体吸附剂或固体载体上的液

17、体吸收剂具有离子活性点的树脂对二甲苯的提纯二甲苯异构体和乙苯的分离水的软化原料相分离介质工业实例符号分离操作利用固体介质的分离操作3.五种常用的分离技术五种常用的分离技术采用外立场或梯度的分离操作采用外立场或梯度的分离操作外立场可以利用分子和离子对于外力或者梯度的不同响应程度。分离操作初始相外立场或梯度工业实例离心法气相离心力场轴的同位素分离热扩散气相或液相热梯度氯气的同位素分离电解液相电力场重水浓缩电渗析液相电力场和膜海水脱盐电泳液相电力场半纤维素的回收分离机理及分离过程的分类2分离过程在化工生产中的地位和作用3 1五种常用的分离技术3 338分离的表征和分离操作的选择分离的表征和分离操作的

18、选择3 44.分离的表征和分离操作的选择分离的表征和分离操作的选择v 分离的表征分离的表征39()(P)FiiCinn分离操作服从质量守恒定律，若分离过程为连续定态操作，且不发生化学反应，对于含有个组分的混合物中任一组分 ，其进料的摩尔流率等于产品摩尔流率的加和:()(P)(P)NNCNCFiiinnn对于指定的，为解得上式中的，还需要另外-1含有的独立方程，这样就得到了总共个未知量的方程式。4.分离的表征和分离操作的选择分离的表征和分离操作的选择40分割分率：(1),(),i ki kFi knSFn1F( )()nn式中和分别代表在第一股产品中和原料中的组分摩尔流率分割比率：(1),(2)

19、,1i ki ki ki ki knSFSRnSF(2)n式中代表在第二股产品中组分摩尔流率4.分离的表征和分离操作的选择分离的表征和分离操作的选择41分离因子：(1)(2),(1)(2)iii jjjCCSPCC式中C为某个组成的度量，常用摩尔分率或者摩尔浓度。分离因子在某些场合可转换为用分割分率或分割比率来表示：,(1) (1)iji jijSF SFSPSFSF,ii jjSRSPSR4.分离的表征和分离操作的选择分离的表征和分离操作的选择v 分离操作的选择：分离操作的选择：A.原料条件原料条件 1.组成，特别是被回收或分离组分的浓度 2.流率 3.温度 4.压力 5.相态（固相、液相和/或气相）B.产品条件产品条件 1.要求的纯度 2.温度 3.压力 4.