分离工程课件

目录化工分离工程及其研究内容分离工程的发展促进了化学工业等过程工业的进步二十一世纪的化工分离工程：机遇与挑战分离工程Part1

化工分离工程及其研究内容分离工程什么是化工分离工程？化工分离工程是化学工程学科的重要组成部分。化工分离工程是研究化工及其它相关过程中物质的分离和纯化方法的一门技术科学。许多天然物质都以混合物的形式存在，要从其中获得具有使用价值的一种或几种产品，必须对混合物进行分离。在许多加工工业中，例如化工、石油化工、炼油、医药、食品、材料、冶金、生化等，必须对中间体和产物进行分离和提纯，才能使加工过程进行下去，并得到符合使用要求的产品。分离过程还是环保工程中用于污染物脱除的一个重要环节。分离工程生产实践是分离工程形成与发展的源泉早期的化学工厂是由化学家根据实验室研究结果直接建立的。通过生产实践发现，生产用的大装置中的化学或物理过程与实验室玻璃器皿中的现象有很大的不同。而在不同产品的生产过程中，却有许多过程遵循相似的原理。由此提出的单元操作原理奠定了化学工程学科最初的理论基础。即使是在一种产品的生产流程中，也有原理相似的不同操作步骤。分离工程

早在数千年前，人们已利用各种分离方法制作许多人们生活和社会发展中需要的物质。例如，利用日光蒸发海水结晶制盐；农产品的干燥；从矿石中提炼铜、铁、金、银等金属；火药原料硫磺和木炭的制造；从植物中提取药物；酿造葡萄酒时用布袋过滤葡萄汁；制造蒸馏酒等等。这些早期的人类生产活动都是以分散的手工业方式进行的，主要依靠世代相传的经验和技艺，尚未形成科学的体系。

早期人类生产活动中的分离过程分离工程

近代化学工业是伴随着十八世纪开始的工业革命而崛起的。于十九世纪末开始了大规模的发展。当时，三酸二碱和以煤焦油为基础的基本有机化工等都有了一定的规模。在生产中，需要将产品或生产过程的中间体从混合物中分离出来，才可供使用。例如，当时著名的索尔维制碱法中，使用了高达二十余米的纯碱碳化塔，在其中同时进行化学吸收、结晶、沉降等分离过程，这是一项了不起的成就。但在当时，这项成就是由化学家在进行化学工艺过程开发的同时完成的，他们并没有意识到他们同时在履行着化学工程师的职责。这时的分离技术是结合在具体的化工生产工艺的开发过程中，单独而分散地发展的。近代化学工业的兴起分离工程

随着大量的工业实践，人们逐渐认识到，各种化工生产工艺，除了其中的核心即反应过程外，大都是由为数不多的一些基本操作组成的。这些基本操作的知识对于化工过程的正确开发和化工流程、装置的正常运行及经济性有重要的作用。在二十世纪初提出的单元操作的概念指出：任何化工生产过程不论规模如何，皆可分解为一系列名为单元操作的过程，例如粉碎、混合、加热、吸收、冷凝、浸取、沉降、结晶、过滤等。单元操作的概念包含了流体动力过程、传热过程、传质分离过程、热力过程、粉体工程等许多化工生产过程中常见的操作和过程，传质分离过程是其重要组成部分。化学工程学科的雏形分离工程单元操作和化学工程理论的形成G.E.戴维斯，《化学工程手册》(1901)C.S.鲁宾逊，《精馏原理》(1922)W.K.刘易斯，W.H.麦克亚当斯，《化工原理》（1923）W.K.刘易斯的《化工计算》(1926)T.K.舍伍德的《吸收与萃取》(1937)

单元操作概念的建立对化学工程的发展起了重大的作用。它对用于不同的化学工艺中的同样的操作，以单元操作的概念抽象出来，对其共同规律进行研究。通过对其基础研究、单元操作所用设备的结构、操作特性、设计计算方法及应用开发等多方面的研究，为分离过程在化工工艺开发、化工过程放大、化工装置设计和在化工生产中的正确应用提供了较为完整的理论体系和经济高效的分离设备，对促进化学工业的发展起到了重要的作用。同时，以此为基础发展起来了以因次分析和相似论为基础的实验研究方法和以数学模型方法为基本的理论结合实际的化学工程研究方法，也对化学工程学本身的发展作出了很大的贡献。分离工程

自二十世纪五十年代以来，通过对化学工程的深入研究，提出了三传一反（动量传递、热量传递、质量传递、化学反应工程）的概念。使分离工程建立在更基本的质量传递的基础上，从界面的分子现象和基本流体力学现象进行分离工程中各单元操作的基础研究，并用定量的数学模型描述分离过程，用于分析已有的分离设备，并用于设计新的过程和设备。由于计算机技术的飞速发展，使得从较基础的理论角度出发对分离过程和设备进行研究成为可能，减少了误差和失真。对一些复杂的数学模型的开发并用于分离过程的优化，使化工过程更趋成熟和完善。

分离工程分离操作是怎么实现的？平衡分离过程：根据当体系处于平衡时物质在不同相态（气液、气固、液固等）中浓度不同而实现分离，如蒸馏、吸收、萃取、吸附、结晶等速率分离过程：根据物质分子在外力作用下迁移速率不同而实现分离，如膜分离、电泳等重力和离心分离：根据物体密度不同而实现分离，如重力沉降、旋风分离等机械分离过程：根据物体颗粒大小不同而实现分离，如筛分和过滤等其他分离过程分离工程举例：蒸馏蒸馏是分离液体混合物的主要方法之一。当对液体混合物加热时，其中沸点较低（或挥发度较大）的组分更容易汽化，因此汽相中低沸点组分含量较高，将其冷凝，就得到低沸点组分含量较高的液体，从而实现了高低沸点组分的部分分离。要实现蒸馏分离，必须是部分蒸发，而不能完全蒸干。分离工程高效的蒸馏设备：

带回流的直立多级精馏塔简单的一级蒸馏往往只能实现液体混合物的部分分离。要提高分离的效果，可以多次重复上述部分蒸发－冷凝过程，即采用多级蒸馏。实现多级蒸馏的设备就是精馏塔：带回流的直立多级蒸馏设备。一般来说，只要有足够的级数，就有可能达到所希望的分离效果。分离工程蒸馏技术的应用和发展历史早在二千余年前人们即用蒸馏的方法制酒和芳香油。十四世纪已有较具规模的酒精生产。十八世纪从煤焦油中用蒸馏提取油品。十九世纪中叶第一个石油炼厂投产。早期的蒸馏设备能耗大、分离效果差，十九世纪中叶，人们设计了直立多级、采用回流技术的精馏塔，被认为是蒸馏技术发展中的重大突破。精馏采用回流技术，在塔内实现充分的汽、液两相多级逆流接触传质，能实现混合物的高纯度分离。目前，精馏广泛应用于炼油、化工和石油化工、轻工、食品、空气分离等工业中，是非常重要的分离技术之一。二十世纪以来，化学工业特别是石油化工的迅速发展，在生产规模和分离难度上对蒸馏提出了更高的要求，各种生产能力大、分离效率高、流动阻力低的新型蒸馏设备不断出现，常用的是各种板式塔和填料塔。不同的蒸馏方法也得到了迅速的发展，出现了恒沸精馏、萃取精馏、盐精馏、反应精馏、分子蒸馏、水蒸汽蒸馏等各种复杂蒸馏方法。分离工程一些典型的分离单元操作蒸馏吸收吸附萃取结晶干燥过滤膜分离（透析、反渗透、电渗析、超滤、微滤、纳滤、渗透蒸发、气体膜分离等）新型吸附技术（模拟移动床吸附、扩张床吸附、变压吸附）层析超临界萃取分子蒸馏分离工程Part2

分离工程的发展促进了化学工业等过程工业的进步

分离过程作为化工生产中的一个不可缺少的环节，在化学工业的发展中起着重要而不可替代的作用。分离技术的发展和不断取得的技术进步不仅促进了化学工业的发展，也促进了其他相关过程工业的发展，提高了生产和技术水平。分离工程炼油和石油化工

炼油和石油化工是现代人类工业文明中最重要的基础加工工业之一。石油炼制工业通过炼油过程把原油加工为汽油、喷气燃料、煤油、柴油、燃料油、润滑油、石油蜡、石油沥青、石油焦和各种石油化工原料等石油产品的工业。为现代人类文明提供了重要的能源和工业原料。石油化学工业以上述原料生产种类极多、范围极广的各种化学品，例如塑料、合成纤维、合成橡胶、合成洗涤剂、溶剂、涂料、农药、染料、医药和各种中间体等重要产品。目前，国际上石油化学工业产品的销售额已占到全部化工产品的45%。在大型石油化工联合企业中，炼油和石油化工过程是紧密结合在一起的。各种分离操作是其生产过程必不可少的组成部分。分离工程

蒸馏是炼油和石化工业的最主要的基本操作过程之一。早期的炼油工业即是简单的利用釜式蒸馏将石油的轻重组分加以分离，以生产汽油、煤油和重质油等产品的过程。现在，原油仍借常压蒸馏及减压蒸馏按沸程不同进行分离。蒸馏技术的发展，例如精馏技术的开发、泡罩塔的应用，提高炼油生产中原油的分离效率，使大规模连续化的分离操作得以实现，明显降低了设备投资、操作能耗和分离成本。二十世纪中叶以来各种生产能力大、分离效率高、流动阻力低的新型塔器的出现，进一步促进了炼油工业的技术进步和发展。在炼油和石化等工业的应用中取得了明显的经济效益，例如，美国在1950～1970年之间，通过对蒸馏设备的改进就创造了近二十亿美元的经济效益；在我国，用网板波纹填料对数百座旧式板式塔进行改造，使分离能力和通量均增加了30～50%。分离工程

除此以外，现代炼油和石化工业中还广泛应用着其它分离单元操作。例如：萃取用于溶剂脱蜡、润滑油精制、溶剂脱沥青和芳烃抽提等。吸附用于分子筛脱蜡、C8芳烃分离、烯烃和烷烃的分离等。分离工程冶金和资源工业

核工业最初是在第二次世界大战期间由于战争的需要而获得超常规的高速发展的。其中，为了提取和纯化铀，对溶剂萃取技术，主要是萃取剂和萃取设备进行了大量的研究。铀是在工业上第一个使用溶剂萃取法提取和纯化的金属元素。在铀的溶剂萃取法提取过程中，使用的萃取剂有磷酸三丁酯（TBP）、TBP-D2EHPA-煤油混合溶剂、胺类萃取剂等。在萃取设备的研究中，开发了各种萃取设备如各种转动塔、脉动塔、振动塔和混合澄清槽等，为萃取过程的工业实现提供了可靠、经济、高效而生产能力大的分离设备。铀、钍、钚等的萃取分离过程和气体扩散法等同位素分离方法的工业实现，为核工业在战后的迅速发展提供了坚实的基础。由此而发展起来的湿法冶炼技术后来成为有色金属和无机矿产的生产的重要方法之一。分离工程

由于矿物资源的贫化，湿法冶炼，即利用酸、碱等水溶液浸取矿物，然后其中的有用组分进行分离或净化，受到了越来越多的重视，其中常用萃取进行分离和提纯。用溶剂萃取从铜矿浸取液中提取铜，是在二十世纪七十年代在湿法冶炼中取得的一项重要成就。一般认为，只要价格相当或超过铜的有色金属，都有可能用溶剂萃取方法进行提取。目前萃取已用于钴、镍、钨、钼、金、稀土等元素的生产过程。湿法提取过程也用于磷和硼等无机矿产的生产过程。例如，磷酸生产通常用热法过程，产品纯度高。但生产中能耗很高，成本高，要求磷矿的品位高。磷酸的湿法生产过程可以处理低品位的磷矿，生产成本低，因而得到了日益广泛的重视。在湿法磷酸净化的萃取法由于提取成本低，净化程度高，而得到广泛的研究和应用。分离技术的发展，使人们可以更有效地利用资源，并生产出品种更多、质量更好、价格更低的产品。分离工程湿法冶炼中的矿物浸取和萃取分离过程分离工程医药工业分离技术在保证药物生产及其质量中起着关键作用。合成药物的生产类似于精细化工产品，但质量和卫生要求更严格，各种分离技术在生产中扮演着重要的角色。抗生素等发酵类医药产品的生产中，大量应用着过滤、萃取、吸附、膜分离、离子交换、结晶、干燥等分离技术。在现代基因工程产品的生产过程中，分离成本有时甚至要占到其总生产成本的90％以上，并为此发展了许多新型的高精度分离技术。在天然药物（如中药等）生产现代化过程中，超临界萃取、膜分离、先进的过滤、干燥、结晶等分离技术大有用武之地。分离工程其他食品、乳品和饮料工业环境保护空气分离水处理、海水淡化、纯水制备材料工业分离工程Part3

二十一世纪的化工分离工程：机遇与挑战

二十世纪下半叶掀起的新技术革命浪潮在人类文明和社会发展上将具有重大的意义。在现代生物技术、环境科学、资源与能源科学、信息技术与材料科学等高新科技的发展对分离工程提出了新的、更高的要求，有许多是传统分离技术所无能为力的，分离工程发展与高新科技的结合是现实的迫切需求，也是分离工程面临的新的机遇和挑战。

分离工程现代科学技术的迅速发展向分离工程提出了许多新的课题：现代生物技术产品的商品化在很大程度上取决于能否将具有生物活性的产品从组成复杂的、具有许多性质相似的杂质的稀溶液中经济有效地加以分离纯化；信息工业、生物技术和医药工业、材料工业的飞速发展向分离工程提出了前所未有的纯度要求和分离精度要求；由于石油和天然气资源的逐渐枯竭，能源结构在未来几十年内将面临重大的变化。新能源的发展要求分离工程提供新的、经济有效的大规模分离方法；资源的开发向贫矿的利用转化以及海洋资源的开发利用需要更经济有效的分离技术；环境保护对分离技术提出了持续的、不断提高的需求；为了节约能源、降低设备投资和分离操作成本，对传统分离过程的改造或以新分离方法取代。分离工程现代生物技术产品的分离和纯化

以重组DNA技术为标志的现代生物技术近三十年来取得了迅猛的发展。作为当代高科技的核心之一，现代生物技术将改变医学、农业、食品、能源、化学、环境保护等领域的传统面貌，促进人类社会生产力和科学技术的巨大进步。现代生物技术的迅速发展对其下游过程，即生物技术产品的分离纯化技术提出了迫切的需求。通过发酵和动、植物细胞培养等生成的目标产物需通过一系列的分离和纯化等步骤才能获得最终的产品。据报道，生物技术产品生产中分离提纯成本一般要占其总成本的40%～90%。可见，分离过程在基因工程产品生产中的重要性。分离工程以基因工程产品为代表的现代生物技术产品的分离提纯技术的开发研究是分离技术的前沿研究方向，它有着与传统化工分离技术极为不同的分离对象、系统和特点：分离对象是具有特定的生物活性的生物大分子产品，分离过程设计中不恰当的物理和化学环境等（如温度、pH值、缓冲液选择、有机溶剂、搅拌和剪切力等）皆有可能引起其蛋白质分子结构发生改变，从而使之失活；所需要的目标产物往往存在于含有许多性质十分相似的杂质的稀溶液中，如何从这样一种复杂的稀溶液中经济有效地提取产物是生物分离技术面临的重大课题；从卫生和安全角度出发，对于治疗用基因工程产品，有着极高的纯度和同一性要求，对其中的有害杂质去除率要求极高，对分离设备材质和分离过程中引入的分离介质也有着严格的限制；基因工程中所表达的外源蛋白在宿主细胞（如大肠杆菌）中往往以不溶解的无定形蛋白聚合体即包涵体的形式存在，如何使之分离纯化并按正确的次序和结构复性为具有活性的最终产品是一个全新的分离技术研究领域。分离工程

通常，生物分离过程包括以下几个处理阶段：（1）培养液（或发酵液）的预处理和固-液分离；（2）产物提取；（3）产物纯化（精制）和（4）成品加工。许多适合于生物技术产品特点的分离技术在近几十年来得到了迅速的发展，例如离子交换层析、凝胶过滤、亲和层析等层析技术；超速离心分离技术；电泳技术、双水相萃取、反胶束萃取等。为生物技术产品的生产提供了适用的分离技术。分离工程

然而，现在的生物分离过程往往相当复杂，步骤很多，造成分离成本高和收率下降。因此，基于经济和大规模高效分离为目标的许多新的生物技术产品组合分离技术，例如亲和膜分离、亲和超滤技术、扩张床技术、高效层析技术等，已受到重视，其中有些已成功地用于生产。可以预见，随着科学技术的发展，现有的生物分离技术将不断完善，新的生物分离技术还将不断涌现，以适应不断增多的生物技术产品的产业化的需要。分离工程日益增长的能源需求对分离技术的挑战

目前，现代人类文明的进步和发展是建立在以化石燃料为主的一次性能源的基础结构上的。然而，地球上的一次性能源资源都是有限的，由于工业生产和人民生活的需要而进行的大规模开采，已经使部分能源资源日趋枯竭，尤其是既作为能源又作为基本化工原料的石油和天然气资源。使能源和资源能持续满足未来发展的需要是放在科研工作者面前的紧迫任务。目前来看，这些任务包括，现有资源的充分利用，贫化资源的开采利用；煤、页岩油等资源的清洁、经济和有效的综合利用；新能源的开发，如太阳能、核聚变、生物能源等。分离工程的进步将对这些领域研究目标的实现和应用起到至关重要的作用。

分离工程煤等固体矿物能源资源的清洁利用

煤和油页岩是除石油以外的储藏量较为丰富的矿物能源和化工原料资源。其使用不如石油方便，且对环境污染更严重。其有效利用及其向液态燃料转化等方面，分离工程面临着许多新的课题。由于资源的分散和含量、组成的复杂和处理过程的环境保护要求，使得对分离过程的开发提出了更高的要求。在用煤合成生产液态燃料的大规模应用中，也面临着许多新的、不同于石油化工的分离问题。分离工程

现已普遍使用的许多化工分离技术如萃取、吸附、离子交换、膜分离等仍是大有用武之地的。对此，一个重要的方向是加强对使用于分离过程的高分离因子、高选择性、高容量、使用寿命长易于再生循环使用的质量分离剂（分离介质）的研究，热力学和化学在其研究中有重要的作用。另外，加强对传质和传递现象、界面现象的研究，自动控制及计算机辅助过程应用于分离工程的研究，对于强化分离过程的分离效果也具有重要的意义。分离工程生物能源的利用

目前使用的化石燃料实际上是亿万年前通过生物转化的太阳能，按目前的消耗量，其储藏终有枯竭之时。从可再生的生物资源中获得液体燃料将是今后能源结构中的重要组成部分。甘蔗等富含糖份和淀粉的植物是将太阳能转化为化学能的理想植物。实际上，通过甘蔗制糖、发酵生产的乙醇，在一些国家已作为汽油的代用品用于汽车燃料。然而要使这种燃料真正具有经济上的竞争力，必须要解决从发酵产生的乙醇稀溶液中经济而低能耗的提取乙醇的分离技术，以降低生产成本和提高净能量产出率。虽然对此的持续研究不断地取得进步，但仍有待于更大的突破。分离工程可控核聚变能源的开发应用

核聚变有可能成为二十一世纪的主要能源之一。可控核聚变将使轻核元素聚变成较重元素过程中释放出的巨大能量可以利用。主要的核聚变燃料是氘和氚。氚由锂和中子反应产生；氘在自然界以重水形式存在，可以从海水中提取得到。据估计海水中共约有200万亿吨重水，由此推算每升海水中含有的核聚变能约相当于300升汽油的化学能。因此可控核聚变如能实现，将成为几乎用之不竭的能源。对此，分离工程面临的任务是：如何以巨大的处理量经济地从海水中提取浓度很低的重水，这需要对高效、高通量、低成本的同位素分离富集方法进行持续的开发研究。分离工程环境保护对分离工程提出的挑战

环境保护是工业化社会中人们面临的严峻问题。过去一百年中，随着工业化进程的发展，人类活动对环境的破坏显著加剧，对人类生存环境的危害越来越大。对于工业生产中排出的废气、废液、废渣等污染物，常用的处理方法是生物降解、化学降解和污染物的分离脱除。分离工程在环境保护中起着重要的作用。由于污染物种类繁多、性质复杂，环保分离技术必须针对这些特点进行开发研究。许多分离单元操作已用于环境保护中，例如吸收用于从工业燃烧废气中脱除二氧化硫；萃取用于从工业废水中脱除酚和其它有害有机物以及重金属离子等；吸附和离子交换用于处理放射性废水；膜分离方法用于处理汽车电泳废水；液膜分离技术用于废水中重金属离子的富集；等等。分离工程

进一步的开发研究还集中在对排放废物的综合利用上。例如对燃烧化石燃料产生的大量二氧化硫、二氧化碳等废气的脱除、回收和综合利用；其中，自工业革命以来，大气中二氧化碳的含量增加了约30％，对地球温室效应的加剧产生了重要影响，是主要的环境污染源之一。同时，二氧化碳也是十分有用的资源。开发其资源化技术，有效降低其排放，是分离工程面临的重大任务。目前已有多种二氧化碳的脱除方法，如吸收法、变压吸附法和膜分离法等，用于各种工业过程中。但这些方法如直接用于环境治理中大量二氧化碳的脱除，还存在处理量小、成本过高等问题。环境治理中脱碳、固碳的问题的解决还有待于更经济有效的分离过程的开发。根除污染物在生产过程中的产生是一种理想的环境保护方法，即所谓的“零排放”生产过程或绿色生产工艺。要做到这一点需要环保研究者、分离工程研究者和各领域的工艺开发研究者共同合作，进行大量的努力。分离工程让我们为建设更美好的地球家园而共同努力分离工程目录简介萃取设备萃取过程的基本原理萃取设备的设计应用实例分离工程

液-液萃取也称为溶剂萃取。是一个重要的传质分离过程。在液-液萃取过程中，含有待分离组分（溶质A）的液相（料液F，为溶质A溶解于载体C的溶液，萃取后成为萃余相），与另一个与之不互溶或部分互溶的液相（溶剂S）接触，由于溶剂S也能溶解溶质A，但不能或极少溶解C，溶质A通过相际传质进入溶剂S，成为萃取相E，从而实现了对溶质A的提取，即A和C的分离。这是一个包含A、C和S的三元体系的萃取过程。

如果料液中含有多种溶质，由于溶剂S对它们的溶解度不同，也可实现对它们的分离。简介分离工程分离工程

由于溶质在两个液相中的分配平衡的限制，通常通过一次液-液平衡接触不能完全达到分离或提取率的要求。在这种情况下，需要通过多级逆流接触才能达到要求。分离工程

据Derry和Williams研究，最早的液-液萃取实践在罗马时代即有了，当时采用熔融的铅为溶剂从熔融的铜中分离金和银，然后再用硫选择性溶解银，分别得到金和银。1842年，E.-M.佩利诺研究了用乙醚从硝酸溶液中萃取硝酸铀酰。1903年，L.Edeleanu用液态二氧化硫作为萃取剂从煤油中萃取芳烃，以生产清洁的液体燃料。这是萃取的第一次工业应用。分离工程

对萃取技术的大规模研究和开发始于第二次世界大战期间。当时，由于原子能研究和应用的需要，对于铀、钍、钚等放射性元素的萃取提取和分离进行了开发研究，开发研究了具有良好分离性能的萃取剂（溶剂），并发展了相应的萃取设备如脉动塔和混和澄清槽等，使萃取技术迅速走向了大规模的工业应用。当时萃取技术应用的另一个重要进展是青霉素的提取，它与青霉素的深层发酵技术一起，使青霉素的大规模低成本生产得以实现，成为二十世纪医药工业重要的技术进步之一。分离工程现在萃取技术已在各方面获得了广泛的应用：炼油和石化工业中石油馏分的分离和精制，如烷烃和芳烃的分离、润滑油精制等；湿法冶金，铀、钍、钚等放射性元素、稀土、铜等有色金属、金等贵金属的分离和提取；磷和硼等无机资源的提取和净化；医药工业中多种抗生素和生物碱的分离提取；食品工业中有机酸的分离和净化；环保处理中有害物质的脱除等。分离工程通常在以下数种情况下，采用萃取作为分离方法比蒸馏更有效或有利：对有机或水溶液中的无机物质的分离；被分离物质的浓度很低(如油脂中色素和激素)；高沸点低含量的物质的回收；热敏性物质的回收；对于依据混合物体系的化学性质而不是挥发度而进行分离的情况；对于非常接近于冰点或沸点的液体的分离（可利用此时溶解度差异的增加）；共沸体系的分离。分离工程萃取设备

混和澄清槽非机械搅拌塔机械搅拌塔离心萃取机分离工程

不同的萃取体系的物性（粘度、密度差和界面张力等）的变化范围很广，分离要求也不同。为此，萃取设备的种类很多，以适应各种要求。有些萃取设备和汽液接触设备（蒸馏、吸收、汽提等）很相似，如喷淋塔、填料塔、筛板塔等，但这些设备通常只能用在物系粘度很小、密度差较大、界面张力适中以及分离要求不是很高的场合。由于液-液系统的特殊性，需要选择适合其特点的设备。大部分萃取设备都需外加机械能促进分散或两相分离，如机械搅拌式萃取设备和离心式萃取设备。分离工程混和澄清槽

混和澄清槽是较早开发使用的一种萃取设备。在混和澄清槽中，轻相和重相首先被引入到混和槽中，通过机械搅拌使两相密切接触，然后流到澄清槽中，进行重力分相。一个设计良好的混和槽具有很高的传质效率，可以达到接近于单个理论平衡级的效果（80%-90%甚至更高）。分离工程混和槽和搅拌桨分离工程澄清

液相在澄清槽中主要依靠重力作用进行分相。因此，必须有足够的停留时间使两相充分澄清。如果仅仅依靠重力还不足以使两相澄清，例如产生了乳化现象，可考虑采用辅助助凝措施，如在澄清槽内放置丝网助凝、电破乳、使用破乳剂等。

分离工程澄清槽分离工程箱式混和澄清槽分离工程混合澄清槽的应用场合1.萃取级数很少时，如单级操作，简单易行。2.级数很多时，几十甚至几百级，分离要求很精细，要求保证稳定的级效率。缺点：1.占地面积大；2.动力消耗大（电机传动阻力）；3.密闭性差：萃取剂挥发损失，同时污染环境分离工程箱式混和澄清槽用于稀土萃取分离工程喷淋塔、填料塔和筛板塔

这三种萃取塔是由常见的气液接触设备发展而来。用喷嘴实现其中一个液相（分散相）在另一个液相（连续相）中的分散，靠两相的密度差实现逆流流动。这类塔的传质效率不是很高。分离工程机械搅拌塔

如果界面张力较大、两相密度差较小、液体粘度较大，单靠重力不足于使一个液相很好地分散到另一个液相中，产生足够的传质相界面和湍动。这些情况在液-液萃取中是常见的。这时，需要通过外加机械能量的方法来促进液-液分散和流体湍动，增加传质相界面，以及减少传质阻力。分离工程

对于填料塔和筛板塔，可以通过使流体脉动的方法来进行搅拌。脉动塔在核工业中得到了广泛的应用。然而，更通常的方法是采用某种形式的转动搅拌（转盘塔）或振动搅拌（振动板塔）的形式。在1947年以前，如果要进行需要很多平衡级的萃取过程，可以选择的设备主要是混和澄清槽，这需要大量的马达、泵和复杂的管道。而各种搅拌塔的发明，使得采用结构简单、效率高而成本低的萃取设备成为可能。分离工程分离工程转盘塔

转盘塔（RDC）是一种常用的搅拌萃取塔。它的搅拌组件是由装在中心轴上的一系列圆盘组成，依靠转动时转盘对流体的剪切力分散液滴。装在塔壁处的一系列定环起限制返混的作用。转盘塔操作稳定、通量大，在工业过程中得到了广泛的应用。是最常用的萃取设备之一。分离工程开式涡轮转盘塔

开式涡轮转盘塔是对转盘塔改进而成。主要是在转盘面向分散相流动方向的一面加上三片窄的泵式叶片，造成同一隔室内上、下部分搅拌强度的差异。其总的效果是在全塔内形成较均匀的液滴分布（较大的传质比表面）、较强的液体湍动和较小的返混。因而传质效率较转盘塔有较大的提高。分离工程开式涡轮转盘塔与转盘塔的传质性能的比较分离工程Karr式振动筛板塔分离工程离心萃取机Podbielniak离心萃取机

离心萃取机特别适用于两相密度差很小或易乳化的物系，由于物料在机内的停留时间很短，因而也适用于化学和物理性质不稳定的物质的萃取，如从发酵液中提取青霉素等抗生素。分离工程用于青霉素萃取的离心萃取机分离工程根据体系物性和分离要求选择萃取设备萃取时物性参数：1.两相密度差：两相流动的推动力2.界面张力：影响两相混合和分散3.粘度：影响分散相液滴稳定性，传质系数大小分离工程萃取单元操作的基本理论液-液相平衡萃取平衡理论级数和萃取过程的计算液-液两相的流动特征液-液相际传质轴向混和（返混）萃取设备的设计分离工程萃取工艺条件的选择和设备的设计基于给定的分离目标，选择合适的萃取剂取得萃取体系的相平衡数据确定萃取工艺路线和条件（温度、进料浓度、相比、级数）选择合适的萃取设备，设计尺寸大小。分离工程萃取流程分离工程影响萃取过程的因素料液流量、组成、温度和压力流程安排方式溶质的萃取率要求分离度的要求所选用的溶剂（萃取剂）操作温度操作压力（大于系统的泡点）最小溶剂流量、操作相比、回流比等平衡级数乳化和生成界面污物的倾向界面张力、两相密度差、流体的粘度是否有表面活性物质的存在萃取设备的类型萃取设备的几何尺寸和搅拌功率等分离工程溶剂的选择：

理想的萃取溶剂的特点与被萃取相不互溶或只有很小的互溶度对被萃取组分（溶质）具有大的饱和溶解度，对溶质和被萃取相中的其它组分有高的选择性必须考虑萃取后萃取相中的溶质的回收的难易大的两相密度差、适中的界面张力、小的粘度以及在操作条件下的稳定性无毒、不燃或不易燃、无腐蚀性、成本低廉分离工程Feed(C+A)Solvent(S)Extract(S+A)Raffinate(C)分配系数和选择性系数分配系数（分配比）选择性系数（分离系数）相比分离工程液-液三元体系的等温相图(a)一对部分互溶组分(溶质与溶剂完全互溶)，为大部分体系的情况；(b)两对部分互溶组分(溶质与溶剂部分互溶)，例如：正庚烷-苯胺-甲基环己烷、苯乙烯-乙苯-二甘醇、氯苯-水-甲乙酮等。分离工程三角相图的解读分离工程共轭曲线：对平衡结线的图解关联分离工程逆流萃取过程的平衡级数的计算F=料液的质量流率S=溶剂的质量流率En=离开第n级萃取相流率Rn

=离开第n级的萃余相流率(yi)n

=离开第n级的萃取相中组分i的质量分率(xi)n

=离开第n级的萃余相中组分i的质量分率分离工程HunterandNash图解法乙二醇(A)-糠醛(S)-水(C)S/F=0.4，对于(xA)Rn

=0.025分离工程操作点和操作线分离工程平衡级数的确定对于S/F=0.4，和（xA)RN=0.025，约需2.8平衡级。分离工程直角三角图解法分离工程多级逆流萃取的实验模拟以四级模拟为例分离工程液-液两相接触的流动特征和传质

液-液两相接触过程中，一个液相为连续相，另一个液相为分散相，分散成液滴与连续相接触。因此，液-液两相的流动特征与液滴（或液滴群）的运动密切相关；相际传质即为液滴与连续相之间的传质。分离工程平均液滴直径和相际比表面积

分散相被分散成一群大小不等的液滴，为方便起见，其平均液滴直径由下式定义：这样，单位液体体积的相际比表面积即为式中

D

为分散相在全部液体中所占的体积比率，称为分散相滞留率(dispersedphaseholdup)。分离工程特征速度

连续相和分散相在萃取设备中作逆向的相对运动。假定连续相为重相，分散相为轻相，则连续相向下流动，而分散相呈液滴向上运动。单个液滴的自由运动（浮升或沉降）速度称为终端速度ut，但液滴群的运动与单液滴不同，我们用特征速度uo来表征设备（萃取塔）中两相的运动特征。分离工程分离工程

滑移速度（slipvelocity）是两相的相对运动速度：式中UD和UC分别是分散相和连续相的表观速度。假定连续相相对静止，ur是表示分散相液滴相对于流动相的运动速度，推动力为液滴密度和液体混合物密度之差,即ur=K(ρM-ρD)g=K(ρC-ρD)(1-φD)g。

而在相同设备、相同搅拌强度下，单个液滴在均匀的连续相中上浮，速度为uo，uo=K(ρC-ρD)g近似地，可以认为ur=uo(1-φD)分离工程

考虑到液滴之间相互作用对流速的影响，Gyler，Pratt等人提出了特征速度uo的概念。他们通过实验数据发现，对于给定的液液体系，滑移速度可表示为：

ur=uo(1-φD)uo取决于物性参数、设备结构和搅拌强度，与分散相滞留率

D

、连续相和分散相的流速UC、UD无关。因此有分离工程液泛

萃取塔中两相的逆流流动是在重力驱动下的液滴群和连续相的相对运动。因此，两相流量不能随意增加，当超过限度时，分散相将在塔中积累、聚并，并阻止连续相的流动，称之为发生了液泛。液泛时，塔的正常操作被破坏。发生液泛的情况有两种：1.流量过大；2.搅拌强度过高。应控制流量和搅拌强度。分离工程液泛时，此时分离工程萃取塔内的分散相滞留率分布是不均匀的，因此液泛常在塔内某一局部首先发生。在大部分情况下，φD未达到(φD)f，就会发生液泛。此时，塔的通量(UD+UC)f

往往比上述公式计算的要小。例如，对于转盘塔和Karr塔，液泛通量往往只是计算值的50%。分离工程相际传质

在界面无传质阻力的情况下，运动的液滴与连续相流体之间的传质过程包括滴内和滴外传质。液滴的内部是液体，由于受与之相对运动的外部流体的剪切力的影响，液滴的内部流体可能会产生循环流动和湍动，使传质速率大大提高。液滴也会产生形状的变化，产生摆动和振动等，这些都会影响萃取过程的传质行为。液滴的传质过程贯串液滴的形成阶段、自由运动阶段和聚并阶段，但通常主要考虑自由运动阶段的传质。分离工程液滴在界面张力和摩擦力作用下，产生内循环分离工程滴内传质停滞液滴（刚性液滴）：滴内层流内循环:（Krong-Brink）滴内湍流内循环:（Handlos-Baron）滴内层流内循环时，kD较刚性液滴提高了2.7倍。而湍流循环下，kD与扩散无关。（理论解）分离工程滴外传质对停滞液滴对循环液滴对摆动液滴分离工程传质系数和传质阻力连续相传质系数：分散相传质系数：考虑了界面阻力：当萃取相为连续相时分离工程

理论级当量高度法:

传质单元法:有效塔高的计算：分离工程传质单元数和传质单元高度（活塞流）图中，萃取相为分散相分离工程传质单元高度（活塞流）

在设计工业规模的萃取塔之前，可在小规模设备中进行传质实验，此时的流动形态接近于活塞流。根据实验数据，求得相应的传质单元高度HTU，可用于工业设计。分离工程轴向混和

萃取塔内的流体运动偏离活塞流假定，统称为轴向混和。轴向混和可由下列因素形成：连续相内由浓度梯度造成的分子扩散以及涡流扩散；由液滴运动造成的连续相环流运动；分散相液滴尾流造成的连续相夹带；由机械搅拌造成的连续相和分散相循环流动；两相流动的速度梯度和沟流等造成的停留时间分布。轴向混和降低了设备内传质的平均浓度梯度，对传质有明显的影响。分离工程轴向混和降低了传质推动力分离工程描述轴向混和的扩散模型分离工程扩散模型中所作的简化假设：连续相和分散相的轴向扩散分别用轴向扩散系数定量表示；两相的表观速率恒定，而且在每个横截面上均匀分布；溶质的体积传质总系数恒定；两相间只有溶质进行物质传递；被萃取的溶质在两相间分配比恒定。分离工程扩散模型的数学表达式分离工程无因次化，设则分离工程边界条件分离工程

由于计算数学的发展，扩散模型的微分方程组，已不再注重于模型的简化和解析求解。扩散模型可以较好地描述连续相的轴向混和。但是，分散相实际是一群大小不等的液滴组成，而扩散模型却将其当作拟均相处理，与实际情况有较大的偏差。因此，许多学者专门对分散相的返混进行了研究。例如，前混模型、前混-返流模型等，可以在一定程度上较好地描述分散相的轴向混和。分离工程扩散模型的近似解法(MiyauchiandVermeulen):

为了利用扩散模型方便地解决工程计算问题（用于计算塔的有效段高度），发展了多种近似计算方法。其中，Miyauchi和Vermeulen的方法应用较广。他们把按活塞流假定核算得到的传质单元高度称为表观传质单元高度，HTUOXP=H/NTUOXP，把扣除轴向混和影响计算得到的传质单元高度称为真实传质高度，HTUOX=UX/(kOXa)，把由于轴向混和而增加的传质单元高度称为分散单元高度HTUOXD，这样分离工程

设计计算的原始数据为两相进、出口浓度、两相表观流速、平衡关系、实验测定的或通过关联式计算的轴向扩散系数，以及真实传质单元高度HTUOX和表观传质单元数NTUOXP。计算采用迭代法。（1）计算塔高的初值H0，当萃取因子E=mUx/Uy=1时，有然后根据H0

进行以下一系列计算：（2）计算分离工程（3）计算分散传质单元数NTUOXDDc

为特征尺寸，当特征尺寸取H时，B=H/H=1分离工程（4）计算分散单元高度HTUOXD（5）计算表观传质单元高度HTUOXP（6）计算塔高H比较计算值和初值，如符合预期精度则计算结束，否则继续进行迭代计算直至精度符合要求。分离工程萃取设备的设计，主要是在萃取过程要求已确定、萃取设备也已初步选定后，进行设备的结构、几何尺寸计算和操作条件的确定。在这个设计过程中，通常需要进行必要的小试和中试实验，以针对具体的体系，确定必要的参数。萃取设备的设计分离工程

以萃取塔为例，需要通过设计确定的有塔径、塔高、搅拌参数（转速或振动频率和振幅）以及内部结构等。根据两相流量，可以确定塔的液泛点，进而确定正常操作范围，以此可以知道塔径的大小，同时，通过特征速度的计算（通过实验或关联式）可以得到有关搅拌参数和分散相滞留率，进而获得有关传质表面积的数据。分离工程

塔的高度须根据分离要求确定，对此，必须考虑轴向混和的影响。塔的内部结构应根据所选塔型的结构特征来确定。除此以外，还要确定分散相分布器和塔的絮凝段的设计，以保证良好的分散和萃取后两相完善的分相等。分离工程转盘塔的设计特征几何尺寸分离工程转盘塔内流体的流型分离工程转盘塔的功率消耗

全塔功耗分离工程单位质量的液体得到的功率为一般认为，当功率因子时，萃取效率最高。分离工程转盘塔的操作区域分离工程特征速度Logsdail关联式分离工程Laddha关联式，在无传质时分离工程在传质情况下，苏元复等对Laddha关联式进行了修正，如下图所示：图中，横坐标为在区域I，Laddha式关联结果Uo显著低于实验值。分离工程苏元复等的修正关联式，该式与实验结果吻合较好。分离工程液泛和通量分离工程Stemerding建议，对连续相的轴向混和系数上式系在直径为64mm、300mm和640mm的转盘塔中测定的数据关联得到的，据实践，在直径为2180mm的转盘塔中也适用。对分散相的轴向混和系数，据经验可取轴向混和分离工程转盘塔主体结构参数的确定根据设计流量要求和液泛点，确定连续相和分散相的表观流速，进而确定塔径确定转盘直径、定环内径、隔室高度等内部结构尺寸，同时确定操作转速根据分离要求和相平衡确定传质单元数，根据轴向扩散情况计算传质单元高度，确定有效段高度根据相比、流量、物料物性等，计算和设计塔的其他结构件，如分散相的分散器、塔顶（塔底）的絮凝段等分离工程工业萃取过程举例

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醋酸萃取

醋酸是一种常用的化学品。在醋酸的生产和使用过程中，经常需要进行醋酸-水的分离。通常，可以用普通精馏的方法进行醋酸（b.p.=118.1℃）和水（b.p.=100.0℃）的分离。当溶液中醋酸含量较低时，由于水的汽化潜热很大，精馏的能耗很高，此时采用萃取的方法从经济上更为有利。分离工程本图显示了一个醋酸萃取的实例。在该实例中，欲分离的料液为含醋酸22wt%的水溶液，流量13,726kg/h（30,260lb/h）；使用乙酸乙酯（b.p.=77.1℃)为溶剂（萃取剂），流量32,250kg/h（71,100lb/h），溶剂中已饱和了水。分离工程

萃取相为轻相，其中含有溶剂和已被萃取的醋酸，萃取率达99.8%；从萃取塔底排出的萃余相（重相）主要为水，仅含有0.05wt%的醋酸。萃取过程后续为两个精馏过程，分别对萃取相进行溶剂和醋酸分离，获得高纯度的冰醋酸，以及从萃余相中回收溶剂。溶剂（饱和了水的乙酸乙酯）则循环使用。

在萃取过程的操作温度（37.7℃）和操作相比（S:F=2.35）下，为了达到99.8%的萃取率，需要六个理论级（在逆流操作的前提下）的分离度。体系的物性特点为：液体粘度不大于1cP，两相密度差不小于0.08g/cm3，界面张力大于30dyne/cm。分离工程选用了转盘塔为萃取设备。塔径为1.68m，塔高8.5m，全塔有效段用定环分为40个隔室，每个隔室高0.19m，定环内径1.17m。搅拌器为串联安装于中心轴上的一系列圆盘，直径1m。转速为60rpm。在萃取塔的设计中，考虑了轴向混和的影响。（如果没有轴向混和，则有效段高度仅需5.03m，16.5ft，即塔高的34%是用于补偿轴向混和的影响）。分离工程本章结束分离工程目录超临界流体及其性质超临界萃取及其应用分离工程什么是超临界流体

超临界流体（SCF）是指物质的压力和温度同时超过其临界压力(Pc)和临界温度(Tc)时的流体。即，T>Tc，P>Pc分离工程超临界流体不是液体，也不是通常状态下的气体，是一种特定状态的流体1、处于临界点状态的物质可实现从液态到气态的连续过渡，两相界面消失，汽化热为零。2、超过临界点的物质（T>Tc

），不论压力有多大，都不会使其液化，压力的变化只引起流体密度的变化。分离工程

超临界流体萃取（SFE，SupercriticalFluidExtraction）是利用流体在临界点附近所具有的特殊溶解性能而进行的一种化工分离过程。分离工程超临界萃取的发展1879年Hanney和Hogarth发表了他们研究非挥发性无机盐，如氯化钴、碘化钾、溴化钾等在超临界乙醇中的溶解现象。1905年，Buchner首先研究了萘在超临界CO2中的溶解。接着人们研究了蒽、菲、樟脑苯甲酸等挥发性有机物在超临界CO2、甲烷、乙烷、乙烯、三氟甲烷等中的溶解现象。分离工程

1955年，Todd和Eling提出超临界流体用于分离的理论，同时出现了相关的专利。20世纪70年代的能源危机，使节能成为热点。无相变的超临界流体萃取迅速发展起来，人们期待用SFE分离醇和水的混合物，替代高能耗的精馏。分离工程1978年，德国建成了超临界流体萃取咖啡因的工业化装置；1979年，美国的Kerr—McGee开发了超临界流体处理渣油的工业化装置。分离工程

1982年，德国建成超临界CO2萃取啤酒花的大型装置，年处理5000吨；我国在八十年代开始超临界流体萃取研究，国家在“八五”期间进行产业化攻关。1994年，广州南方面粉厂从德国伍德（UHDE）公司进口一套萃取器为300升的超临界萃取装置，生产小麦胚芽油。现在最大的生产装置，萃取器体积为1500升。分离工程1822年，Cagniarddelatour首次发现，在一定条件下，物质可实现从液体到气体的连续过渡，这就是最早观察到的临界现象（见图）。

1869年，英国皇家学院的ThomasAndrews画出了CO2的Pr(P/Pc)—Tr(T/Tc)—ρr(ρ/ρc)状态图。超临界流体的PVT关系分离工程在临界点上：对于理想流体，P-V-T的关系表示如下：

PV=nRT对于带压力的体系，1873年J.D.vanderWaals给出了如下的计算式：分离工程分离工程分离工程Soave-Redlich-Kwong方程分离工程Peng-Robinson方程分离工程对于混合物，其混合规则为：分离工程分离工程物质在超临界流体中的溶解度计算假设物质溶解经历如下过程：（1）溶质分子A由其主流扩散到二相界面；（2）分子A穿过界面进入溶剂相；（3）分子A在界面上或和溶剂相内与溶剂分子B发生缔合作用分离工程

式（1）、（2）的平衡常数可分别表示为：合并式（1）及（2）有...............(5)其平衡常数K为：分离工程

对于反应式（1）的广义理解为：n=0时，意味着无缔合反应，仅有A的相平衡时，K不是无意义，而是K≡1。若被萃取相中组分的摩尔浓度用x表示，超临界相中组分的摩尔浓度用y表示。分离工程设溶剂为1；溶质为2；溶质与溶剂的反应物ABn为3，且认为y2很小，即溶质在超临界相中基本上以ABn的形式存在。则

（7）令y3=y

则y1=(1-y) （8）分逸度可用下式表示：(9)(10)分离工程将式（9）、（10）代入（6），整理后得： (11）将溶质在系统温度压力下的纯态定为标准态，则

（12）又有 （13）分离工程上式积分得:(14)将式（12）、（14）代入式（11）得(15)上式中n可以是小数，因为在缔合时n个溶质分子可以共用一个溶剂分子结合。分离工程当n=0时，即溶质与溶剂不缔合，k≡1。对于纯固体，则x2=1,γ2=1,且，并假设组分2的摩尔体积不随压力变化，则式（15）变为：(16)(17)分离工程

对于纯固体，其蒸汽压较低，所以φ2*≈1，而在常压到100atm范围内。Poynting修正数仍不大于2