分离工程II--01绪论

1、鲁金明 副教授办公室：化工楼办公室：化工楼C221电话：电话：84986146手机：手机一章第一章 绪绪 论论绪绪 论论？ 什么是分离工程？什么是分离工程？ 为什么要研究分离工程？为什么要研究分离工程？ 分离工程有什么重要的作用？分离工程有什么重要的作用？ 分离的依据是什么分离的依据是什么? 有哪些分离技术？有哪些分离技术？ 如何选择合适的分离技术？如何选择合适的分离技术？ 分离工程分离工程或或分离过程分离过程(separation processes),主要是对化学工业、石油化工、煤化工生产及主要是对化学工业、石油化工、煤化工生产及相关工业生产中的分离过程进行研究的

2、一门科相关工业生产中的分离过程进行研究的一门科学学。原料、产品 绪绪 论论分离工程提供所需要的原理及方法。绪绪 论论n1 9 0 1 年 英 国 戴 维 斯(Davis)编著了第一本化学工程专著化学工程手册n分离工程是化学工程学科的一个重要分支。n分离工程一直是化工过程中的关键角色绪绪 论论(18501907)l化学工程涵盖化工热力学、传递过程、单元操作、化工系统工程、化工控制过程等内容，分离工程为化学工程的一部分并与这些内容密切相关。l现代化工生产中，主要包括主要两个过程：一是反应过程，它可以生产出新的物质，是化工生产中的核心，二是分离过程，它包括原料的净化、预处理、中间产物的分离及产物的分

3、离和提纯，是得到合格产品的关键三传一反绪绪 论论1.1 分离过程在化工生产中的重要作用分离过程在化工生产中的重要作用n分离过程是分离混合物的一种方法。n分离操作可以实现：I、提纯原料；II、分离中间产物，减少副反应，提高产品收率； III、脱除有害物质；IV、产品提纯与精制；V、对混合物进行检测分析等。绪绪 论论 分离设备投资巨大，操作费用高，直接关系生分离设备投资巨大，操作费用高，直接关系生产成本及效益。产成本及效益。绪绪 论论绪绪 论论绪绪 论论4、炼油联合装置， 5、变压吸附制氢装置 1、裂解气分离装置 2、煤制天然气装置 3、吸收装置设备规模大型化设备规模大型化1000万吨常、减压：减

4、压塔塔径万吨常、减压：减压塔塔径13米；米；100万吨特大型乙烯：油洗塔塔径万吨特大型乙烯：油洗塔塔径10米左右；米左右；60万吨：对二甲苯分离：塔径万吨：对二甲苯分离：塔径10.2米米;液化气脱硫液化气脱硫:高压、高通量；高压、高通量；燃煤电厂烟道气脱硫：塔径燃煤电厂烟道气脱硫：塔径1216米；米；燃煤电厂烟道气脱燃煤电厂烟道气脱CO2：分离要求更高；：分离要求更高；己烯己烯-1与己烯与己烯-3精馏分离需精馏分离需100多个理论级，回流比极大，投多个理论级，回流比极大，投资占总投资的近一半，且能耗很高。资占总投资的近一半，且能耗很高。在乙烯裂解装置的在乙烯裂解装置的C4馏分分离中，丁烯馏分分

5、离中，丁烯-1与异丁烯的精馏法与异丁烯的精馏法分离需分离需350理论级，回流比高，能耗极高。理论级，回流比高，能耗极高。18同位素分离需同位素分离需2200理论级；理论级；绪绪 论论 分离过程是环境保护所必需的手段与方法分离过程是环境保护所必需的手段与方法绪绪 论论绪绪 论论 能源开发与利用离不开分离工程能源开发与利用离不开分离工程 绪绪 论论绪绪 论论分离过程在其他领域的应用分离过程在其他领域的应用 分离过程除了在化工、环保及能源领域中有广泛应用外，在其它工业领域也有巨大的用途。 冶金行业：矿物中金属的提取和精制 食品工业：食物脱水、果汁提纯 核 工 业：同位素分离 生化行业：生物分离，培养

6、液和发酵液的分离 科技发展对物质纯度的要求越来越高，促进科技发展对物质纯度的要求越来越高，促进了分离理论和技术的发展，一些新型分离技术了分离理论和技术的发展，一些新型分离技术不断开发出来。反应精馏技术、变压吸附分离不断开发出来。反应精馏技术、变压吸附分离技术、膜分离技术、技术、膜分离技术、超临界萃取技术等等超临界萃取技术等等。 绪绪 论论1.2 分离过程基本概念分离过程基本概念分离过程的定义：分离过程的定义：l混合是自发过程，而分离是非自发过程，必须通过建立装置、系统或过程，对混合物加入能量，才能实现。l定义：将一混合物转变为组成不相同的两种或两种以上产物的操作。l分离工程示意图绪绪 论论n

7、分离因子（分离因数）分离因子（分离因数）定义： 任何一种分离过程中任意两组分间能够达到的分离程度称为分离因子或分离因数。数学表达式： 1122ijsijijxxaxx绪绪 论论n分离剂分离剂分离剂是加入到混合物系中的，使混合物分离的能量或物质。一股或几股物流进入分离装置，加入分离剂后引起分离作用，最后得到至少两股不同的产品。分离剂是能量(热量、冷量或功等)，称为能量分离剂, 分离剂是物质(或另一种原料)，成为质量分离剂。分离剂还可以是某种强制力（如压力梯度、温度梯度、电场力、磁场力）及特殊膜等。分离过程的特征往往由加入分离剂的性质决定。绪绪 论论n分离过程按所加分离剂的不同可以分为分离过程按所

8、加分离剂的不同可以分为：能量分离剂的平衡过程 这类过程的共同点是所加的分离剂均为能量(热量、冷量、减压等)。质量分离剂的平衡过程 吸收(以不挥发性液体作为分离剂)、气提(以不凝性气体作分离剂)，吸附和离子交换(分别以固体吸附剂和树脂作分离剂)及萃取(以不互溶液体做分离)等属于这类过程。使用一个以上分离剂的平衡过程 如萃取精馏和恒沸精馏(热量与适当液体)。绪绪 论论n分离的依据分离的依据：a混合物中各组分之间的差异绪绪 论论物理性质物理性质 力学性质力学性质 热力学性质热力学性质 电、磁性质电、磁性质 输送性质输送性质密度密度/粘度粘度/表面张力表面张力/尺寸尺寸/质量质量熔点熔点/沸点沸点/临

9、界点临界点/蒸汽压蒸汽压/溶解度溶解度/分配系数分配系数电导率电导率/介电常数介电常数/迁移率迁移率/电荷电荷/磁化率磁化率扩散系数扩散系数/分子飞行速度分子飞行速度化学性质化学性质 热力学性质热力学性质 反应速度性质反应速度性质反应平衡常数反应平衡常数/吸附平衡常数吸附平衡常数/离解常数离解常数反应速度常数反应速度常数1.3 分离过程的分类分离过程的分类n分离过程分为机械分离过程和传质分离过程两大类。n机械分离过程是指分离装置所接受的是多于一个相的非均相进料，只要简单地分相就可以。如过滤、沉降、固-液分离和气-液分离器等。n传质分离过程是除了机械地将不同相加以分离外，相间还发生物质的传递。分

10、离对象是均相混合物，将含有不同组分的均相混合物分成组成互不相同的两种或多种产品的操作。精馏，吸收，萃取等。 平衡分离过程 传质分离过程 速率分离过程绪绪 论论n 平衡分离过程的单元操作平衡分离过程的单元操作绪绪 论论 平衡分离过程是平衡分离过程是（热量或物质）将（热量或物质）将均相混合物分离，分离主要是均相混合物分离，分离主要是进进行，行，。精馏，吸收，萃取。精馏，吸收，萃取等过程均属于平衡分离过程等过程均属于平衡分离过程平衡分离的原理图绪绪 论论n 平衡分离过程的单元操作平衡分离过程的单元操作闪蒸法淡化海水减压(能量)挥发度液体+蒸汽液体闪蒸汽化实例分离剂及原理产品进料形式单元操作用乙醇胺水

11、溶液吸收燃烧气中的CO2液体吸收剂溶解度液体+气体气体吸收原油蒸馏塔气提侧取馏出物石脑油、煤油、汽油，除去轻馏分解吸(气提)蒸气溶解度液体+气体(蒸汽)液体气提天然气油中除去异丁烷及相对分子量低的烃类；轻烃回收热量挥发度液体+蒸汽液体和(或)蒸汽精馏用丙烷为溶剂从残油(拔顶油)中脱沥青不互溶液体溶解度两种液体液体液液萃取用乙酸丁酯为夹带剂并与水形成恒沸物，从水-乙酸混合液中分离乙酸液体夹带剂+热量改变挥发度液体+气体气、液或气液混合物恒沸蒸馏实例分离剂产品进料形式单元操作在旋转式干燥器中，用热空气干燥聚氯乙烯除去水分。气体和(或)热量水分蒸发干固体+湿气固体干燥(固体)间、对二甲苯溶液中结晶得

12、到对二甲苯热量或冷量过饱和度液体+固体液体结晶清除废水中的洗涤剂,矿石浮选表面活性剂+鼓泡气泡在气液界面吸附两种液体液体液膜分离水的软化固体树脂相互作用力的强弱液体离子交换用分子筛吸附剂干燥空气固体吸附剂吸附力强弱流体+固体气体或液体吸附矿泥浆液的沥取回收硫酸铜液体溶剂固体溶解度液体+固体固体沥取(浸取)实例分离剂产品进料形式单元操作液体+固体n 速率分离过程的单元操作速率分离过程的单元操作绪绪 论论 速率分离过程是在某种速率分离过程是在某种（浓度差、压力差、（浓度差、压力差、温度差、电力差等）的作用下，有时在选择性透过膜温度差、电力差等）的作用下，有时在选择性透过膜的配合下，利用的配合下，利

13、用实现组分的分实现组分的分离离。原料液滤液原料液滤液浓缩液原料液溶剂浓缩液混合气渗透气渗余气原料液渗透蒸气溶质或溶剂溶剂原料液浓电解质阴膜 阳膜阴极阳极原料液渗透液浓缩液几种主要的膜分离过程几种主要的膜分离过程过程示意图膜类型推动力传递机理透过物截留物微滤MF 多孔膜压力差（0.1MPa）筛分水、溶剂、溶解物悬浮物各种微粒超滤UF 非对称膜压力差（0.11MPa）筛分溶剂、离子、小分子胶体及各类大分子反渗透RO 非对称膜复合膜 压力差（210MPa）溶剂的溶解-扩散水、溶剂悬浮物、溶解物、胶体电渗析ED离子交换膜电位差 离子在电场中的传递 离子非解离和大分子颗粒 均质膜复合膜非对称膜压力差（1

14、15MPa）气体的溶解-扩散易渗透气体难渗透气体 渗透汽化PV 均质膜复合膜非对称膜浓度差分压差溶解-扩散易溶解或易挥发组分 不易溶解或难挥发组分 膜蒸馏MD 微孔膜由于温度差而产生的蒸汽压差通过膜的扩散高 蒸 汽 压的 挥 发 组分非挥发的小分子和溶剂气体分离GS1.4 近代分离过程特征近代分离过程特征 与过程系统工程相结合。与过程系统工程相结合。过程系统工程主要包括系统模拟、系统分析、系统综合及系统优化等。反应与分离结合。反应与分离结合。反应过程与分离过程是化工生产的两个重要环节，二者相互结合，相得益彰。化学吸收、化学萃取、反应精馏、膜反应器、膜控制释放、膜生物反应器等新工艺不断推广。分离

15、与分离结合。分离与分离结合。萃取结晶、吸附蒸馏、膜蒸馏、膜吸收、膜萃取等绪绪 论论与节能技术相结合。与节能技术相结合。分离过程占化工过程能耗的5090%，分离过程与节能技术密不可分新分离过程不断出现。新分离过程不断出现。加盐精馏、分子蒸馏、超临界萃取、膜分离、离子交换、大型色谱分离等，使分离过程由“大型化”向“精细化”发展，应用范围拓宽，分离效率提高。绪绪 论论1.5 分离过程的解决方案分离过程的解决方案n掌握多组分混合物的热物性数据掌握多组分混合物的热物性数据纯物质的物性数据可查；混合物的物性数据需计算。n计算实际体系的相平衡常数计算实际体系的相平衡常数计算平衡常数需用活度系数、逸度系数对理想体系进行修正。n清楚聚集态的变化清楚聚集态的变化多组分混合物分离常伴随聚集态的变化，即出现新的相，计算时需确定新相的参数。n学会化工软件对过程进行分析、模拟、设计学会化工软件对过程进行分析、模拟、设计多组分混合物分离过程的计算需反复试差、迭代或联立求解线形或非线性方程组，计算量大。n构建新的分离模型构