《分离技术》第1章绪论

1、分离技术第1章绪论第一页，共38页。分离过程是将混合物分成组成相互不相同的两种或几种产品的操作。一个典型的化工生产装置通常是由一个反应器（有时多于一个）和具有提纯原料、中间产物和产品的多个分离设备以及机、泵、换热器等构成。第二页，共38页。 第一章 绪论1.1分离的基本过程 原料分离装置分离剂(能量、物质）产品组成不同第一讲第三页，共38页。1.2 分离过程在工业生产中的地位和作用分离操作一方面为化学反应提供符合质量要求的原料；另一方面对反应产物进行分离提纯以得到合格的产品，并使未反应的反应物得以循环利用。对大型的石油工业和以化学反应为中心的石油化工产生过程，分离装置的费用占总投资的5090%

2、。第四页，共38页。以半导体与电子技术为例, 高质量、高纯度的材料超纯水、半导体锗和硅, 以及载气氮、氦等, 其纯度都要在99.99%以上, 有的甚至达到99.9999%。这类产品的微型化, 使集成电路的线距仅1m。彩色显像管装配封口后, 管内不得含有微粒, 否则在屏幕上会因折射而出现闪烁亮点而导致报废, 于是, 无论载气和装配车间的空气都必须经洁净处理到每升气体中所含大于0.5m的尘粒少于3.5个。 第五页，共38页。仅洁净空气和纯水为例, 就已包括了沉降、湿法洗净、过滤、电除尘、絮凝、泡沫分离、电渗析、超滤、反渗透以及离子交换等如此多的分离单元操作。第六页，共38页。第七页，共38页。第八

3、页，共38页。在医药、材料、冶金、食品、生化、原子能和环保等领域也都广泛地应用到分离过程。药物的精制和提纯；从矿产中提取和精选金属；食品的脱水、除去有毒或有害成分；抗菌素的净制和病毒的分离；同位素的分离和重水的制备等都离不开分离过程。第九页，共38页。1.3 传质分离过程的分类和特征 分离过程分为机械分离和传质分离两大类。 机械分离过程的分离对象是由两相以上所组成的混合物，其目的只是简单地将各相加以分离。例如：过滤、沉降、离心分离、旋风分离和静电除尘等。 第十页，共38页。传质分离过程用于各种均相混合物的分离，基特点是有质量传递现象发生，按所依据的物理化学原理不同，可分为两大类： 平衡分离和速

4、率分离。第十一页，共38页。（一）平衡分离过程 平衡分离过程系借助分离媒介（如热能、溶剂、吸附剂等）使均相混合物系统变为两相系统，再以混合物中各组分在处于相平衡的两相中不等同的分配为依据而实现分离。P3表1-2 第十二页，共38页。分离媒介可以是能量媒介（ESA）或物质媒介（MSA），有时也可以两种同时应用。根据两相状态不同 , 平衡分离过程可分为如下几类。 气液传质过程 : 如吸收、气体的增湿和减湿。 汽液传质过程 : 如液体的蒸馏和精馏。 液液传质过程 : 如萃取。 液固传质过程 : 如结晶、浸取、吸附、离子交换、色层分离、参数泵分离等。 气固传质过程 : 如固体干燥、吸附等。 第十三页，

5、共38页。第十四页，共38页。（二） 速率分离过程 速率分离过程是指借助某种推动力，如浓度差、压力差、温度差、电位差等的作用，某些情况下在选择性透过膜的配合下，利用各组分扩散速度的差异而实现混合物的分离操作。这类过程的特点是所处理的物料和产品通常属于同一相态，仅有组成的差别。P3表1-3 第十五页，共38页。速率分离可分为膜分离和场分离两大类。1、膜分离 膜分离是利用液体中各组分对膜的渗透速率的差别而实现组分分离的单元操作。膜可以是固态或液态，所处理的流体可以是气体或液体，过程的推动力可以是压力差、浓度差或电位差。第十六页，共38页。第十七页，共38页。第十八页，共38页。第十九页，共38页。

6、2、场分离 场分离包括电泳、热扩散、高梯度磁力分离等。 热扩散属场分离的一种 , 以温度梯度为推动力 , 在均匀的气体或液体混合物中出现分子量较小的分子 ( 或离子 ) 向热端漂移的现象 , 建立起浓度梯度 , 以达到组分分离的目的。该技术用于分离同位素、高粘度的润滑油 , 并预计在精细化工和药物生产中可得到应用。 第二十页，共38页。传质分离过程的能量消耗 , 常构成单位产品成本的主要因素之一, 膜分离和场分离是一类新型的分离操作 , 由于其具有节约能耗 , 不破坏物料 , 不污染产品和环境等突出优点 , 在稀溶液、生化产品及其他热敏性物料分离方面, 有着广阔的应用前景。第二十一页，共38页

7、。第二十二页，共38页。（三） 传质设备 应用于平衡过程的设备，其功能是提供两相密切接触的条件，进行相际传质，从而达到组分分离的目的。性能优良的传质设备, 一般应满足以下要求: (1) 单位体积中, 两相的接触面积应尽可能大, 两相分布均匀, 避免或抑制短路及返混; (2) 流体的通量大, 单位设备体积的处理量大; (3) 流动阻力小, 运转时动力消耗低; (4) 操作弹性大, 对物料的适应性强; (5) 结构简单, 造价低廉, 操作调节方便, 运行可靠安全。 第二十三页，共38页。传质设备种类繁多, 而且不断有新型设备问世, 可按照不同方法进行分类。 按所处理物系的相态可分为: 气(汽)液传

8、质设备(用于蒸馏及吸收等),液液传质设备(用于萃取等), 气固传质设备(用于干燥、吸附), 液固传质设备(用于吸附、浸取、离子交换等)。第二十四页，共38页。按两相的接触方式可分为: 分级接触设备(如各种板式塔, 多级流化床吸附等)和微分接触设备(如填料塔、膜式塔、喷淋塔、移动床吸附柱等)。在级式接触设备中, 两相组成呈阶梯式变化, 而在微分接触设备中, 两相组成沿设备高度连续变化第二十五页，共38页。 对于气固和液固传质设备, 还可按固体的运动状态分为固定床、移动床、流化床和搅拌槽等。其中流化床传质设备采用流态化技术, 将固体颗粒悬浮在流体中, 使两相均匀接触, 以实现强化传热、传质和化学反

9、应的目的。传质设备在石油、化工、轻工、冶金、食品、医药、环保等工业部门的整个生产设备中占很大比例。第二十六页，共38页。1.4 分离过程的开发及方法 化工技术开发一般包括开发基础研究、过程研究及工程研究三个方面：（1）开发基础研究 针对项目的应用性基础研究和工艺特征研究。以实验室研究为主体。 （2）过程研究 进行工艺、产品、设备等的工程放大试验,包括模型试验、微型中试、中间试验、 原型装置试验及工业试验的全部过程或部分过程。（3）工程研究 包括技术经济评价、概念设计、数学模型、放大技术及基础设计等。 第二十七页，共38页。1、逐级经验放大 其基本步骤是: 进行小试, 确定操作条件和设备形式,

10、以及可望达到的技术经济指标。确定的依据是最终产品质量、产量和成本, 并不考虑过程的机理。小试之后进行规模稍大的中试, 以确定设备尺寸放大后的影响(放大效应), 然后才能放大到工业规模的大型装置。在处理物料复杂或对选用的分离方法缺少经验时, 放大把握不大, 则上述每级试验放大的倍数就小, 往往需经多级中间试验。第二十八页，共38页。 分离过程开发应达到下列目的: 合适的分离方法和流程; 优化的工艺操作条件; 分离设备的合理选型与几何尺寸的确定。如果待开发的过程和设备极其复杂, 对它们理解甚少, 那么往往需沿袭逐级经验放大法如果过程与设备都很简单, 或者对它的理解比较透彻, 通过合理的分解和简化完

11、全可能得到可靠的数学模型, 则试验将主要是验证数学模型, 修正模型参数。因而,针对开发项目的技术特征应采用与之相适应的开发方法。第二十九页，共38页。1.5 分离方法的选择1、可行性 要选择合适的分离方法, 首先应考查它的可行性。也就是说, 应用该方法是否可能获得所期望的结果。通过可行性判断, 可以筛选合适的分离方法。第三十页，共38页。2、产品价格所选用的方法往往被要求能耗低、物耗低以保证产品的价格具有竞争能力。3、产品热敏性许多产品诸如生化制品、药品、食物、饮料等常会因受热而变质或失去营养成分, 石油化工原料如苯乙烯等会在分离过程中因受热而产生自身聚合等, 所以, 应尽量选用速率控制分离过

12、程。采用热分离时应慎重, 尽量避免过热过冷对产品质量所造成的损害。第三十一页，共38页。4、物性与分子性质 对于大多数分离过程来说, 分离因子对分离方法的选择可起指导作用, 但起作用的根本原因还在于分子的特性。其中包括分子的体积、形状、偶极矩、极化强度、电荷和化学性质等。例如, 对于蒸馏操作, 通常把分离的难易归结于宏观量相对挥发度即蒸汽压的差别, 但追其根本是取决于分手间吸力的强弱。第三十二页，共38页。分离因子： 组分 i 和组分 j 在产品1 中的摩尔分数的比值除以在产品2中的比值。第三十三页，共38页。第三十四页，共38页。5、经济因素经济上的可行性亦往往是取舍某一分离方法的一个决定因素。过程的经济性应包括工程设计和开发费用, 设备的投资和操作费用等。非标设备愈多, 花费愈大。第三十五页，共38页。6、安全与环保 一个有远见的工程技术人员还必需在选定过程前定量地估计过程的安全性和由此可能带来的对生态环境的影响。例如，某些物质和氧气混合后极易出现爆炸，则真空操作应尽量避免。同样，深井水的采用从短期效果来看也许是可行的、经济的，但从长远观点来看，无节制的大量抽取地下水，往往会造成地层下陷，无论对经