化工分离工程01[1]

1、分离过程Separation Processes,教师：李保华,本课程的任务和内容,地位：专业基础课 前期课程： 物理化学、化工原理、化工热力学 重点： 1.基本概念的理解 2.讨论各种分离方法的特征 3.对设计、分析能力的训练 4.提高解决问题能力,学生应掌握： 分离过程的基本理论 简捷和严格计算方法 强化、改进操作途径 对新分离技术有一定了解,教材：面向21世纪课程教材： 刘家祺.分离过程.北京:化学工业出版社, 2002 主要参考书: 陈洪钫,刘家祺.化工分离过程.北京:化学工业出版社, 1995。 吴俊生，邓修 等编著，分离工程，华东化工学院出版社，1992。 郁浩然 主编，化工分离工

2、程，中国石油出版社，1992。,返回,第一章 绪 论,实例1：糖的溶解与结晶 糖溶于水 形成均匀溶液混合过程 过程是自发的熵增加 从水中取出糖 对体系做功（如蒸馏法） 分离过程 过程不能自发进行熵减少,有关分离过程本质的一些描述 （是否准确或全面？） 分离不能自发进行（熵减少过程） 分离在热力学上受阻（对抗热力学第二定律） 分离是逆着大自然的 热力学是逆着物质纯化的,指出一切涉及热现象的宏观过程是不可逆的。 它阐明了在这些过程中能量转换或传递的方向、条件和限度。 相应的态函数是熵，熵的变化指明了热力学过程进行的方向， 熵的大小反映了系统所处状态的稳定性。,实例2：己烷与水混合的实验 不能自发混

3、合 剧烈搅拌或振荡混合 放置（停止搅拌或振荡）自发分离 体系中除浓度差（熵效应）外，还有： 水分子间的亲水相互作用势能对抗混合 水分子和己烷分子间的疏水相互作用势能对抗混合 水和己烷的密度差（重力势能）对抗混合,实例3：Fe3+和Ti4+的混合实验（一） 混合均匀 Fe3+ Ti4+ Fe3+ Fe3+ 抽掉隔板 Ti4+ Ti4+ 6mol/L HCl 6mol/L HCl 6mol/L HCl 6mol/L HCl 抽调隔板后Fe3+和Ti4+将自发混合均匀，这是因为： 体系中除浓度（活度）差外不存在其他势场。 浓度差对化学势的贡献属熵的贡献， 熵增势能驱使Fe3+和Ti4+在整个体系范围

4、内从有序向无序变化。,实例3：Fe3+和Ti4+的分离实验（二） Fe3+ 、Ti4+ 乙醚，Fe3+ 抽掉隔板 6mol/L HCl 乙醚 6mol/L HCl，Ti4+ 结果：乙醚和水为互不相溶的两相。 Fe3+与乙醚生成离子缔合物： C2H5O C2H5 H+ (C2H5)2OH+ Fe3+ + 4 Cl FeCl4 (C2H5)2OH+ + FeCl4 (C2H5)2OH+FeCl4,Ti4+留在水相 Ti4+的亲水作用势能驱使Ti4+留在水相； Ti4+的浓度差产生的化学势驱使Ti4+均匀分布在整个空间； Ti4+的亲水作用势能远大于浓度差化学势，所以，Ti4+留在水相 Fe3+进入

5、乙醚相 Fe3+的浓度差产生的化学势驱使Fe3+均匀分布在整个空间； (C2H5)2OH+FeCl4的亲溶剂（疏水）势能驱使Fe3+进入乙醚相； 亲溶剂势能远大于浓度差化学势，所以，Fe3+进入乙醚相,结论： 分离有时是自发过程、混合有时也不能自发进行； 总自由能决定体系是趋向分离、还是趋向混合，即： G总势能项熵项iRT lnai 均相体系中只存在浓度差 自发混合。 非均相体系中除浓度差外，还存在各种相互作用（势能） 各组分趋向于分配在低势能相。（自由能降低）,1.1分离过程在工业生产中的地位和作用 1.2 传质分离过程的分类和特征 1.3.分离过程的集成化 学习方法与要求,1.1 分离过程

6、在工业生产中的地位和作用 1.1.1分离过程在化工生产中的重要性 1.1.2 分离过程在清洁工艺中的地位与作用,返回,煤 石油 天然气 生物质,反应,化工 原料,分离,产品,一般化工生产过程：,例1：乙烯水合生产乙醇,1-固定床催化反应器；2-分凝器；3、5、9-吸收塔；4-闪蒸塔；6-粗馏塔； 7-催化加氢反应器；8-脱轻组分塔；10-产品塔,涉及分离过程：吸收：3、5、9； 精馏：6、8、10；闪蒸：4,例2：二甲苯生产,1-重整反应器；2、13-汽液分离器；3-压缩机；4-脱丁烷塔；5-萃取塔 6-再生塔；7-甲苯塔；8-二甲苯回收塔；9-冷却器；10-结晶器； 11-异构化反应器；12

7、-熔融塔,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, 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：10,总 结： 原料的净化与粗分 反应产物的提纯 药物的精制和提纯 精选金属的提取 食品除水、除毒、病毒分离、同位数分离 三废处理,返回,1.1.2 分离过程在清洁工艺中的地位与作用 清洁工艺：生产工艺和防治污染有机的结合，将污染物减少或消灭在工艺过程中。 面向21世纪社会和经济可持续发展的重大课题。,化学工业污染来源：,未回收的原料 未回收的产品 有用和无用的副产 原料中的杂质 工艺的物料损耗,

8、清洁工艺终合考虑： 合理的原料选择； 反应路径的清洁化； 物料分离技术的选择； 确定合理的流程和工艺参数。 核心： 化学反应 废物最小化首先考虑催化剂、反应工艺和设备。,与化工分离过程密切相关的有： 降低原材料和能源的消耗，提高有效利用率、回收利用率、循环利用率； 开发和采用新技术、新工艺、改善生产操作条件，以控制和消除污染； 采用生产装置的闭路循环技术； 处理生产中的副产物和废物，使之减少和消除对环境的危害； 研究、开发和采用低物耗、低能耗、高效率的“三废”治理技术。,闭路循环系统： 将过程所产生的废物最大限度地回收和循环使用。,1单元过程；2处理,实现分离与再循环系统使废物最小化的方法：

9、废物直接再循环 例：废水 进料提纯 例：氧化反应采用纯氧 除去分离过程中加入的附加物质 例：共沸剂、萃取剂 附加分离与再循环系统 例：分离废物中的有效物，循环使用,上述原因促使： 传统分离过程不断改进和发展 例：反应精馏；吸附； 新分离方法不断出现和实现工业化应用 例：膜分离；热扩散；色层分离；,返回,1.2 传质分离过程的分类和特征,一类：机械分离,特点：被分离物为非均相 简单的将混合物分开 如：过滤、沉降,化工原理内容,二类：传质分离 包含： 平衡分离过程；速率控制分离 特点：被分离物为均相,1.2 传质分离过程的分类和特征,1.2.1 平衡分离过程 1.2.2 速率分离过程,返回,1.2

10、.1 平衡分离过程,分离设备,混合物,产品,分离媒介,分离媒介：能量、物质、压力,平衡分离过程借助分离媒介，使均相混合物系统变 成两相系统，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配。,平衡分离过程的分离单元操作,返回,1.2.2 速率分离过程,膜分离 热扩散,微孔过滤（MF）：,推动力：压力差（100kPa） 传递机理：筛分 膜类型：多孔膜,目的：溶液脱离子，气体脱离子,超滤（UF）：,推动力：压力差（1001000kPa） 传递机理：筛分 膜类型：非对称性膜,目的：溶液脱大分子，大分子溶液脱小分子，大分子分级。,反渗透（RO）：,推动力：压力差（100010000

11、kPa） 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,目的：溶剂脱溶质，含小分子溶质溶液浓缩。,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,目的：大分子溶质溶液脱小分子，小分子溶质溶液脱大分子。,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,目的：溶液脱小离子，小离子溶质的浓缩、小离子的分级。,热扩散：,原理： 先建立稳定的温度梯度，气体中较轻的组分向热线方向飘逸，再建立稳定的浓

12、度梯度，热线附近的气体由于密度较小流向上顶瓶；冷管壁附近的气体由于密度较大向下底瓶流动。,速率分离过程特点：,节能 环保优势 新的方法,返回,1.3.分离过程的集成化 目的：实现清洁工艺 使物料能量消耗最小； 经济效益、社会效益最大。,1.3.1反应过程与分离过程的耦合 1.3.2分离过程与分离过程的耦合 1.3.3 过程的集成,返回,1.3.1反应过程与分离过程的耦合 目的： 改善不利的热力学和动力学因数，减少设备、操作费用、节约资源和能源。,化学吸收化学反应与吸收相结合 被溶解的组分与吸收剂中的活性组分发生反应，增加传质推动力。 化学萃取化学反应与萃取相结合 溶质与萃取剂反应。如：络合反应

13、；水解；聚合 反应（催化）精馏化学反应与精馏相结合 例：酯化、皂化、酯交换、胺化、水解 膜反应器优良分离性能与催化反应相结合 例：利用多孔陶瓷膜催化反应器，进行丁烯脱氢制丁二烯。丙烷脱氢制丙烯。,控制释放 将药物或其他生物活性物质以一定形式与膜结构相结合，使这些活性物质只能以一定速度通过扩散等方式释放到环境中。 膜生物传感器 由生物催化剂酶或微生物与合成膜及电极转换装置组成，模仿生物膜对化学物质的识别能力制成，为酶膜传感器和微生物传感器 。,返回,1.3.2分离过程与分离过程的耦合,复合分离过程 优点：集原分离过程之所长，避其所短。 适用于: 特殊物系的分离。 萃取结晶（加和结晶） 分离：挥发度相近的组分。 无机盐生产（优点：节能） 溶剂可萃取出部分水。,吸附蒸馏 气一液一固三相分离过程 吸附分离优点 ： 分离因子高，产品浓度高，能耗低。 缺点：吸附剂用量大 ，收率低。 形成互补 电泳分离 不同蛋白质在一定pH值的缓冲溶液中，其溶解度不同，在电场作用下，这些带电的溶胶离子在介质中的泳动速度不同，实现不同蛋白质的分离。,返回,1.3.3 过程的集成,一、传统分离过程的集成 合理