化工分离新技术

化工分别新技术本课程的主要目的获得传质与分别操作过程及设备的根底知识、根本实际和根本运用才干，掌握传质与分别过程的本质及其变化规律引见新型分别方法，如膜分别、超临界萃取、吸附、特殊精馏等，使学生了解分别技术的开展及新知识、新工艺、新技术。突出工程实例引见，简化数学模型推理和设计计算第一章绪论

1.1化工分别技术开展简述化学工业是国民经济的重要根底产业，化工产品浸透到人们的衣、食、住、行等各个领域。化工产值是衡量一个国家国民经济开展程度的重要标志之一。化工分别技术是随着化学工业的开展而逐渐构成和开展的。化学工业具有悠久的历史，而现代化学工业是开场于18世纪产业革命以后的欧洲。当时，纯碱、硫酸等无机化学工业成为现代化学工业的开端。19世纪以煤为根底原料的有机化工在欧洲也开展起来。当时的煤化学工业规模不是很大，主要着眼于苯、甲苯、酚等各种化学品的开发。在这些化工消费中运用了吸收、蒸馏、过滤、枯燥等分别操作。19世纪末，20世纪初大规模的石油炼制业促进了化工分别技术的成熟与完善。进入20世纪70年代以后，化工分别技术更加高级化，运用也更加广泛。与时同时，化工分别技术与其它科学技术相互交叉浸透产生一些更新的边缘分别技术，如生物分别技术、膜分别技术、环境化学分别技术、纳米分别技术、超临界流体萃取技术等等。展望21世纪，化工分别技术将面临着一系列新的挑战，其中最主要的是来自能源、原料和环境维护三大方面。此外，化工分别技术还将对农业、食品和食品加工、城市交通和建立以及保健、提高和改善人们的生活程度方面做出奉献。1.2分别过程在工业消费中的位置和作用分别过程是将混合物分成组成相互不一样的两种或几种产品的操作。一个典型的化工消费安装通常是由一个反响器〔有时多于一个〕和具有提纯原料、中间产物和产品的多个分别设备以及机、泵、换热器等构成。分别操作一方面为化学反响提供符合质量要求的原料，去除对反响或催化剂有害的杂质，减少副反响和提高收率；另一方面对反响产物进展分别提纯以得到合格的产品，并使未反响的反响物得以循环利用。此外，分别操作在环境维护和充分利用资源方面起着特别重要的作用。因此，分别操作在化工消费中占有非常重要的位置，在提高消费过程的经济效益和产质量量中起举足轻重的作用。对大型的石油工业和以化学反响为中心的石油化工产生过程，分别安装的费用占总投资的50~90%。无论化学、石油、冶金、食品、轻工、医药、生化和原子能等工业都广泛运用分别过程。古代煤用于直接熄灭,为饮食和取暖。炼焦工业的兴起,使得煤经干馏获得焦炭和煤气,煤得到了初步的合理运用。但其副产煤焦油却长期被看作无用而有毒的废物。直到近代,发现煤焦油是含有多种芳香族化合物的复杂混合物(达几百种物质),用分馏的方法可以使苯、酚、萘和更复杂的芳香族化合物分开,才使煤的综合利用臻于完善。同样,从原油的直接熄灭到把它分馏为溶剂油、汽油、煤油、柴油和重油(沥青)等各种组分并加以利用和再加工,直到构成现代庞大的石油炼制和石油化工体系。都是分别过程胜利运用于化工消费的典型例子。枯燥过程的运用普及各行各业。谷物的含水量从收获时约30%~35%枯燥到13%就可延伸储存期一年。食品含水量低于5%,微生物难以生存,酶难以作用,可长期坚持香昧和营养。聚氯乙烯颗粒含水量小于千分之二，可保证聚合加工成型时不出现气泡和添加塑料制品的强度。此外,建材、木材、布匹、纸张、皮革、药物、油漆等等无不涉及枯燥。据统计,仅化工产品就有20万种以上需求枯燥作业。随着工业的现代化,科学研讨和消费技术向着高质量、高纯度、精细加工、微型化和高技术密集型开展,而这些都必需有分别过程的亲密配合。就以半导体与电子技术为例,高质量、高纯度的资料超纯水、半导体锗和硅,以及载气氮、氦等,其纯度都要在99.99%以上,有的甚至到达99.9999%。这类产品的微型化,使集成电路的线距仅1μm。彩色显像管装配封口后,管内不得含有微粒,否那么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需经干净处置到每升气体中所含大于0.5μm的尘粒少于3.5个。仅干净空气和纯水为例,就已包括了沉降、湿法洗净、过滤、电除尘、絮凝、泡沫分别、电渗析、超滤、反浸透以及离子交换等如此多的分别单元操作。现实上，在医药、资料、冶金、食品、生化、原子能和环保等领域也都广泛地运用到分别过程。例如，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别；同位素的分别和重水的制备等都离不开分别过程。随着现代工业趋向大型化消费，所产生的大量废气、废水、废渣更需集中排放。对各种方式的流出废物进展末端治理，使其到达有关的排放规范，不但涉及物料的综合利用，而且还关系到环境污染和生态平衡。如原子能废水中微量同位素物质，很多工业废气中的硫化氢、二氧化硫、氧化氮等都需妥善处置。近年来，由于能源紧张，石油提价，对分别过程的能耗要求越来越苛刻，随之对设备性能要求也越来越高。分别技术的运用越来越得到人们的高度注重。需求阐明的是，分别技术不仅仅运用于化学工业。消费实际证明，将地球上各种各样的混合物进展分别和提纯是促进科技开展、提高和改善生活程度的一种重要途径。由于发明了冶炼术，把金属从矿石中分别出来，使人类从石器时代进入了铜器时代，开场向文明社会提高；放射性铀的同位素分别胜利，迎来了原子能时代；将水和空气中微量杂质除去的分别技术，大幅提高了超大规模集成电器元件的废品合格率，使它得以商品化消费，同时集成度也大幅提高；深冷分别技术可从混合气体中分别出纯氧、纯氮和纯氢，获得了接近绝对零度的低温，为科学研讨和消费技术提供了极为宽广的开展根底，为火箭提供了具有极大推进力的高能燃料；从水中去除盐和有素物质的蒸馏、吸附、萃取、膜分别等分别技术，使人们能从取之不尽的大海中提取淡水，从工、农业污水中回收干净水和其它有用的东西。当代工业的三大支柱是资料、能源和信息，这三大产业的开展都离不开新的分别技术。人类生活程度的进一步提高也有赖于新的分别技术。在21世纪，分别技术必将日新月异，再创辉煌。1.3分别过程在清洁工艺中的位置和作用清洁工艺也称少废无废技术，它是面向21世纪社会和经济可继续开展的艰苦课题，也是当今世界科学提高的主要内容之一。清洁工艺就是将消费工艺和防治污染有机地结合起来，将污染物减少或消灭在工艺过程中，从根本上处理工业污染问题。开发和采用清洁工艺，既符合“预防优于治理〞的方针，同时又降低了原资料和能源的耗费，提高企业的经济效益，是维护生态环境和经济建立协调开展的最正确途径。因此清洁工艺是一种节能、低耗、高效、平安、无污染的工艺技术。就化学工业而言，清洁工艺的本质是合理利用资源，减少甚至消除废料的产生。化学工业是工业污染的大户，化工消费所呵斥的污染来源于：1、未回收的原料；2、未回收的产品；3、有用和无用的副产品；4、原料中的杂质；5、工艺的物料损耗。与化工分别过程亲密相关的化工清洁工艺包括有：1、降低原资料和能源的耗费，提高有效利用率、回收利用率和循环利用率；2、开发和采用新技术、新工艺，改善消费操作条件，以控制和消除污染；3、采用消费工艺安装的闭路循环技术；4、处置消费中的副产物和废物，使之减少或消除对环境的危害；5、研讨、开发和采用低物耗、低能耗、高效率的“三废〞治理技术。因此，清洁工艺的开发和运用离不开传统分别技术的改良，新分别技术的研讨、开发和工业运用，以及分别过程之间、反响和分别过程之间的集成化。闭路循环系统是清洁工艺的重要方面，其中心是将过程所产生的废物最大限制地回收和循环运用，减少消费过程中排出废物的数量。假设工艺中的分别系统可以有效地进展分别和再循环，那么该工艺产生的废物就最少。实现分别与再循环系统使废物最小化的方法有以下几种：1、废物直接再循环；2、进料提纯；3、除去分别过程中参与的附加物质；4、附加分别与再循环系统；清洁工艺除应防止在工艺过程中生成污染物，即从源头减少三废之外，生成废物的分别、再循环利用和废物的后处置也是极其重要的，而这后一部分义务在多是由化工分别操作承当和完成的。1.4传质分别过程的分类和特征分别过程分为机械分别和传质分别两大类。机械分别过程的分别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别。例如：过滤、沉降、离心分别、旋风分别和静电除尘等。传质分别过程用于各种均相混合物的分别，基特点是有质量传送景象发生，按所根据的物理化学原理不同，可分为两大类：平衡分别和速率分别。〔一〕平衡分别过程平衡分别过程系借助分别媒介〔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根据而实现分别。分别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运用。根据两相形状不同,平衡分别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、参数泵分别等。气固传质过程:如固体枯燥、吸附等。

〔二〕速率分别过程速率分别过程是指借助某种推