分離工程II--01緒論

1、魯金明 副教授辦公室：化工樓辦公室：化工樓C221電話：電話：84986146手機(jī)：手機(jī)一章第一章 緒緒 論論緒緒 論論？ 什么是分離工程？什么是分離工程？ 為什么要研究分離工程？為什么要研究分離工程？ 分離工程有什么重要的作用？分離工程有什么重要的作用？ 分離的依據(jù)是什么分離的依據(jù)是什么? 有哪些分離技術(shù)？有哪些分離技術(shù)？ 如何選擇合適的分離技術(shù)？如何選擇合適的分離技術(shù)？ 分離工程分離工程或或分離過程分離過程(separation processes),主要是對化學(xué)工業(yè)、石油化工、煤化工生產(chǎn)及主要是對化學(xué)工業(yè)、石油化工、煤化工生產(chǎn)及相關(guān)工業(yè)生產(chǎn)中的分離過程進(jìn)行研究的

2、一門科相關(guān)工業(yè)生產(chǎn)中的分離過程進(jìn)行研究的一門科學(xué)學(xué)。原料、產(chǎn)品 緒緒 論論分離工程提供所需要的原理及方法。緒緒 論論n1 9 0 1 年 英 國 戴 維 斯(Davis)編著了第一本化學(xué)工程專著化學(xué)工程手冊n分離工程是化學(xué)工程學(xué)科的一個重要分支。n分離工程一直是化工過程中的關(guān)鍵角色緒緒 論論(18501907)l化學(xué)工程涵蓋化工熱力學(xué)、傳遞過程、單元操作、化工系統(tǒng)工程、化工控制過程等內(nèi)容，分離工程為化學(xué)工程的一部分并與這些內(nèi)容密切相關(guān)。l現(xiàn)代化工生產(chǎn)中，主要包括主要兩個過程：一是反應(yīng)過程，它可以生產(chǎn)出新的物質(zhì)，是化工生產(chǎn)中的核心，二是分離過程，它包括原料的凈化、預(yù)處理、中間產(chǎn)物的分離及產(chǎn)物的分

3、離和提純，是得到合格產(chǎn)品的關(guān)鍵三傳一反緒緒 論論1.1 分離過程在化工生產(chǎn)中的重要作用分離過程在化工生產(chǎn)中的重要作用n分離過程是分離混合物的一種方法。n分離操作可以實現(xiàn)：I、提純原料；II、分離中間產(chǎn)物，減少副反應(yīng)，提高產(chǎn)品收率； III、脫除有害物質(zhì)；IV、產(chǎn)品提純與精制；V、對混合物進(jìn)行檢測分析等。緒緒 論論 分離設(shè)備投資巨大，操作費(fèi)用高，直接關(guān)系生分離設(shè)備投資巨大，操作費(fèi)用高，直接關(guān)系生產(chǎn)成本及效益。產(chǎn)成本及效益。緒緒 論論緒緒 論論緒緒 論論4、煉油聯(lián)合裝置， 5、變壓吸附制氫裝置 1、裂解氣分離裝置 2、煤制天然氣裝置 3、吸收裝置設(shè)備規(guī)模大型化設(shè)備規(guī)模大型化1000萬噸常、減壓：減

4、壓塔塔徑萬噸常、減壓：減壓塔塔徑13米；米；100萬噸特大型乙烯：油洗塔塔徑萬噸特大型乙烯：油洗塔塔徑10米左右；米左右；60萬噸：對二甲苯分離：塔徑萬噸：對二甲苯分離：塔徑10.2米米;液化氣脫硫液化氣脫硫:高壓、高通量；高壓、高通量；燃煤電廠煙道氣脫硫：塔徑燃煤電廠煙道氣脫硫：塔徑1216米；米；燃煤電廠煙道氣脫燃煤電廠煙道氣脫CO2：分離要求更高；：分離要求更高；己烯己烯-1與己烯與己烯-3精餾分離需精餾分離需100多個理論級，回流比極大，投多個理論級，回流比極大，投資占總投資的近一半，且能耗很高。資占總投資的近一半，且能耗很高。在乙烯裂解裝置的在乙烯裂解裝置的C4餾分分離中，丁烯餾分分

5、離中，丁烯-1與異丁烯的精餾法與異丁烯的精餾法分離需分離需350理論級，回流比高，能耗極高。理論級，回流比高，能耗極高。18同位素分離需同位素分離需2200理論級；理論級；緒緒 論論 分離過程是環(huán)境保護(hù)所必需的手段與方法分離過程是環(huán)境保護(hù)所必需的手段與方法緒緒 論論緒緒 論論 能源開發(fā)與利用離不開分離工程能源開發(fā)與利用離不開分離工程 緒緒 論論緒緒 論論分離過程在其他領(lǐng)域的應(yīng)用分離過程在其他領(lǐng)域的應(yīng)用 分離過程除了在化工、環(huán)保及能源領(lǐng)域中有廣泛應(yīng)用外，在其它工業(yè)領(lǐng)域也有巨大的用途。 冶金行業(yè)：礦物中金屬的提取和精制 食品工業(yè)：食物脫水、果汁提純 核 工 業(yè)：同位素分離 生化行業(yè)：生物分離，培養(yǎng)

6、液和發(fā)酵液的分離 科技發(fā)展對物質(zhì)純度的要求越來越高，促進(jìn)科技發(fā)展對物質(zhì)純度的要求越來越高，促進(jìn)了分離理論和技術(shù)的發(fā)展，一些新型分離技術(shù)了分離理論和技術(shù)的發(fā)展，一些新型分離技術(shù)不斷開發(fā)出來。反應(yīng)精餾技術(shù)、變壓吸附分離不斷開發(fā)出來。反應(yīng)精餾技術(shù)、變壓吸附分離技術(shù)、膜分離技術(shù)、技術(shù)、膜分離技術(shù)、超臨界萃取技術(shù)等等超臨界萃取技術(shù)等等。 緒緒 論論1.2 分離過程基本概念分離過程基本概念分離過程的定義：分離過程的定義：l混合是自發(fā)過程，而分離是非自發(fā)過程，必須通過建立裝置、系統(tǒng)或過程，對混合物加入能量，才能實現(xiàn)。l定義：將一混合物轉(zhuǎn)變?yōu)榻M成不相同的兩種或兩種以上產(chǎn)物的操作。l分離工程示意圖緒緒 論論n

7、分離因子（分離因數(shù)）分離因子（分離因數(shù)）定義： 任何一種分離過程中任意兩組分間能夠達(dá)到的分離程度稱為分離因子或分離因數(shù)。數(shù)學(xué)表達(dá)式： 1122ijsijijxxaxx緒緒 論論n分離劑分離劑分離劑是加入到混合物系中的，使混合物分離的能量或物質(zhì)。一股或幾股物流進(jìn)入分離裝置，加入分離劑后引起分離作用，最后得到至少兩股不同的產(chǎn)品。分離劑是能量(熱量、冷量或功等)，稱為能量分離劑, 分離劑是物質(zhì)(或另一種原料)，成為質(zhì)量分離劑。分離劑還可以是某種強(qiáng)制力（如壓力梯度、溫度梯度、電場力、磁場力）及特殊膜等。分離過程的特征往往由加入分離劑的性質(zhì)決定。緒緒 論論n分離過程按所加分離劑的不同可以分為分離過程按所

8、加分離劑的不同可以分為：能量分離劑的平衡過程 這類過程的共同點(diǎn)是所加的分離劑均為能量(熱量、冷量、減壓等)。質(zhì)量分離劑的平衡過程 吸收(以不揮發(fā)性液體作為分離劑)、氣提(以不凝性氣體作分離劑)，吸附和離子交換(分別以固體吸附劑和樹脂作分離劑)及萃取(以不互溶液體做分離)等屬于這類過程。使用一個以上分離劑的平衡過程 如萃取精餾和恒沸精餾(熱量與適當(dāng)液體)。緒緒 論論n分離的依據(jù)分離的依據(jù)：a混合物中各組分之間的差異緒緒 論論物理性質(zhì)物理性質(zhì) 力學(xué)性質(zhì)力學(xué)性質(zhì) 熱力學(xué)性質(zhì)熱力學(xué)性質(zhì) 電、磁性質(zhì)電、磁性質(zhì) 輸送性質(zhì)輸送性質(zhì)密度密度/粘度粘度/表面張力表面張力/尺寸尺寸/質(zhì)量質(zhì)量熔點(diǎn)熔點(diǎn)/沸點(diǎn)沸點(diǎn)/臨

9、界點(diǎn)臨界點(diǎn)/蒸汽壓蒸汽壓/溶解度溶解度/分配系數(shù)分配系數(shù)電導(dǎo)率電導(dǎo)率/介電常數(shù)介電常數(shù)/遷移率遷移率/電荷電荷/磁化率磁化率擴(kuò)散系數(shù)擴(kuò)散系數(shù)/分子飛行速度分子飛行速度化學(xué)性質(zhì)化學(xué)性質(zhì) 熱力學(xué)性質(zhì)熱力學(xué)性質(zhì) 反應(yīng)速度性質(zhì)反應(yīng)速度性質(zhì)反應(yīng)平衡常數(shù)反應(yīng)平衡常數(shù)/吸附平衡常數(shù)吸附平衡常數(shù)/離解常數(shù)離解常數(shù)反應(yīng)速度常數(shù)反應(yīng)速度常數(shù)1.3 分離過程的分類分離過程的分類n分離過程分為機(jī)械分離過程和傳質(zhì)分離過程兩大類。n機(jī)械分離過程是指分離裝置所接受的是多于一個相的非均相進(jìn)料，只要簡單地分相就可以。如過濾、沉降、固-液分離和氣-液分離器等。n傳質(zhì)分離過程是除了機(jī)械地將不同相加以分離外，相間還發(fā)生物質(zhì)的傳遞。分

10、離對象是均相混合物，將含有不同組分的均相混合物分成組成互不相同的兩種或多種產(chǎn)品的操作。精餾，吸收，萃取等。 平衡分離過程 傳質(zhì)分離過程 速率分離過程緒緒 論論n 平衡分離過程的單元操作平衡分離過程的單元操作緒緒 論論 平衡分離過程是平衡分離過程是（熱量或物質(zhì)）將（熱量或物質(zhì)）將均相混合物分離，分離主要是均相混合物分離，分離主要是進(jìn)進(jìn)行，行，。精餾，吸收，萃取。精餾，吸收，萃取等過程均屬于平衡分離過程等過程均屬于平衡分離過程平衡分離的原理圖緒緒 論論n 平衡分離過程的單元操作平衡分離過程的單元操作閃蒸法淡化海水減壓(能量)揮發(fā)度液體+蒸汽液體閃蒸汽化實例分離劑及原理產(chǎn)品進(jìn)料形式單元操作用乙醇胺水

11、溶液吸收燃燒氣中的CO2液體吸收劑溶解度液體+氣體氣體吸收原油蒸餾塔氣提側(cè)取餾出物石腦油、煤油、汽油，除去輕餾分解吸(氣提)蒸氣溶解度液體+氣體(蒸汽)液體氣提天然氣油中除去異丁烷及相對分子量低的烴類；輕烴回收熱量揮發(fā)度液體+蒸汽液體和(或)蒸汽精餾用丙烷為溶劑從殘油(拔頂油)中脫瀝青不互溶液體溶解度兩種液體液體液液萃取用乙酸丁酯為夾帶劑并與水形成恒沸物，從水-乙酸混合液中分離乙酸液體夾帶劑+熱量改變揮發(fā)度液體+氣體氣、液或氣液混合物恒沸蒸餾實例分離劑產(chǎn)品進(jìn)料形式單元操作在旋轉(zhuǎn)式干燥器中，用熱空氣干燥聚氯乙烯除去水分。氣體和(或)熱量水分蒸發(fā)干固體+濕氣固體干燥(固體)間、對二甲苯溶液中結(jié)晶得

12、到對二甲苯熱量或冷量過飽和度液體+固體液體結(jié)晶清除廢水中的洗滌劑,礦石浮選表面活性劑+鼓泡氣泡在氣液界面吸附兩種液體液體液膜分離水的軟化固體樹脂相互作用力的強(qiáng)弱液體離子交換用分子篩吸附劑干燥空氣固體吸附劑吸附力強(qiáng)弱流體+固體氣體或液體吸附礦泥漿液的瀝取回收硫酸銅液體溶劑固體溶解度液體+固體固體瀝取(浸取)實例分離劑產(chǎn)品進(jìn)料形式單元操作液體+固體n 速率分離過程的單元操作速率分離過程的單元操作緒緒 論論 速率分離過程是在某種速率分離過程是在某種（濃度差、壓力差、（濃度差、壓力差、溫度差、電力差等）的作用下，有時在選擇性透過膜溫度差、電力差等）的作用下，有時在選擇性透過膜的配合下，利用的配合下，利

13、用實現(xiàn)組分的分實現(xiàn)組分的分離離。原料液濾液原料液濾液濃縮液原料液溶劑濃縮液混合氣滲透氣滲余氣原料液滲透蒸氣溶質(zhì)或溶劑溶劑原料液濃電解質(zhì)陰膜 陽膜陰極陽極原料液滲透液濃縮液幾種主要的膜分離過程幾種主要的膜分離過程過程示意圖膜類型推動力傳遞機(jī)理透過物截留物微濾MF 多孔膜壓力差（0.1MPa）篩分水、溶劑、溶解物懸浮物各種微粒超濾UF 非對稱膜壓力差（0.11MPa）篩分溶劑、離子、小分子膠體及各類大分子反滲透RO 非對稱膜復(fù)合膜 壓力差（210MPa）溶劑的溶解-擴(kuò)散水、溶劑懸浮物、溶解物、膠體電滲析ED離子交換膜電位差 離子在電場中的傳遞 離子非解離和大分子顆粒 均質(zhì)膜復(fù)合膜非對稱膜壓力差（1

14、15MPa）氣體的溶解-擴(kuò)散易滲透氣體難滲透氣體 滲透汽化PV 均質(zhì)膜復(fù)合膜非對稱膜濃度差分壓差溶解-擴(kuò)散易溶解或易揮發(fā)組分 不易溶解或難揮發(fā)組分 膜蒸餾MD 微孔膜由于溫度差而產(chǎn)生的蒸汽壓差通過膜的擴(kuò)散高 蒸 汽 壓的 揮 發(fā) 組分非揮發(fā)的小分子和溶劑氣體分離GS1.4 近代分離過程特征近代分離過程特征 與過程系統(tǒng)工程相結(jié)合。與過程系統(tǒng)工程相結(jié)合。過程系統(tǒng)工程主要包括系統(tǒng)模擬、系統(tǒng)分析、系統(tǒng)綜合及系統(tǒng)優(yōu)化等。反應(yīng)與分離結(jié)合。反應(yīng)與分離結(jié)合。反應(yīng)過程與分離過程是化工生產(chǎn)的兩個重要環(huán)節(jié)，二者相互結(jié)合，相得益彰?；瘜W(xué)吸收、化學(xué)萃取、反應(yīng)精餾、膜反應(yīng)器、膜控制釋放、膜生物反應(yīng)器等新工藝不斷推廣。分離

15、與分離結(jié)合。分離與分離結(jié)合。萃取結(jié)晶、吸附蒸餾、膜蒸餾、膜吸收、膜萃取等緒緒 論論與節(jié)能技術(shù)相結(jié)合。與節(jié)能技術(shù)相結(jié)合。分離過程占化工過程能耗的5090%，分離過程與節(jié)能技術(shù)密不可分新分離過程不斷出現(xiàn)。新分離過程不斷出現(xiàn)。加鹽精餾、分子蒸餾、超臨界萃取、膜分離、離子交換、大型色譜分離等，使分離過程由“大型化”向“精細(xì)化”發(fā)展，應(yīng)用范圍拓寬，分離效率提高。緒緒 論論1.5 分離過程的解決方案分離過程的解決方案n掌握多組分混合物的熱物性數(shù)據(jù)掌握多組分混合物的熱物性數(shù)據(jù)純物質(zhì)的物性數(shù)據(jù)可查；混合物的物性數(shù)據(jù)需計算。n計算實際體系的相平衡常數(shù)計算實際體系的相平衡常數(shù)計算平衡常數(shù)需用活度系數(shù)、逸度系數(shù)對理想體系進(jìn)行修正。n清楚聚集態(tài)的變化清楚聚集態(tài)的變化多組分混合物分離常伴隨聚集態(tài)的變化，即出現(xiàn)新的相，計算時需確定新相的參數(shù)。n學(xué)會化工軟件對過程進(jìn)行分析、模擬、設(shè)計學(xué)會化工軟件對過程進(jìn)行分析、模擬、設(shè)計多組分混合物分離過程的計算需反復(fù)試差、迭代或聯(lián)立求解線形或非線性方程組，計算量大。n構(gòu)建新的分離模型構(gòu)