第1章緒論20080919化工傳遞

分離工程

SeparationEngineering

2008.8-2009.11任課教師簡介姓名：高華晶職稱：副教授所在院系：化工與材料工程學(xué)院化學(xué)工程系辦公地址：化工實(shí)驗(yàn)樓216室E-mail：huajing_gao@163.com2課程性質(zhì)：必修、考試課程學(xué)分：3計(jì)劃學(xué)時(shí)：48考核方法：閉卷考試成績?cè)u(píng)定：平時(shí)成績（作業(yè)、考勤）占30%閉卷考試卷面成績占70%上課班級(jí)：化學(xué)工程與工藝0502、0503上課時(shí)間：周五3、4（1-18周）2-111

周一3、4(13-18周)2-111課程簡介3分離工程：研究分離過程中分離設(shè)備的共性規(guī)律，是混合物分離與提純的一門工程學(xué)科。分離過程：將一混合物轉(zhuǎn)變?yōu)榻M成互不相同的兩種或幾種產(chǎn)品的操作過程。學(xué)科分類：一級(jí)學(xué)科：化學(xué)工程與技術(shù)；二級(jí)學(xué)科：化學(xué)工程、化學(xué)工藝、工業(yè)催化、生物化工等；三級(jí)學(xué)科：反應(yīng)工程、分離工程、系統(tǒng)工程，傳遞過程等。本課程研究對(duì)象：傳質(zhì)分離過程本課程的任務(wù)和內(nèi)容、與其它課程的相互關(guān)系

4課程主要學(xué)習(xí)內(nèi)容第1章緒論（6-8學(xué)時(shí)）第2章單級(jí)平衡過程（4學(xué)時(shí)）第3章多組分精餾和特殊精餾（8-10學(xué)時(shí)）第4章氣體吸收（4學(xué)時(shí)）第5章液液萃取

（2學(xué)時(shí)）第6章多組分多級(jí)分離的嚴(yán)格計(jì)算（4學(xué)時(shí)）第7章吸附（6學(xué)時(shí)）第8章結(jié)晶（2學(xué)時(shí)）第9章膜分離（2學(xué)時(shí)）第10章分離過程及設(shè)備的選擇與放大（2學(xué)時(shí)）5課程主要任務(wù)：掌握常用化工分離過程（精餾、特殊精餾、吸收）的基本理論、操作特性、簡捷與嚴(yán)格的計(jì)算方法和強(qiáng)化改進(jìn)分離操作的途徑，了解一些新的分離技術(shù)。預(yù)修課程：物理化學(xué)、化工熱力學(xué)、傳遞過程、化工原理必要說明：（1）本課程在學(xué)生課前預(yù)習(xí)、自學(xué)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行重點(diǎn)內(nèi)容的課堂講授；（2）本課程的重點(diǎn)是第1.4、2、3、4、6、7章；（3）本課程的部分計(jì)算題要求采用計(jì)算機(jī)編程求解。本課程的任務(wù)和內(nèi)容、與其它課程的相互關(guān)系

6[1]陳洪鈁,劉家祺編.化工分離過程[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,1995[2]J.D.Seader,ErnestHenley.SeperationProcessPrinciples[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2002[3]鄧修,吳俊生編著.化工分離工程[M].北京:科學(xué)出版社出版社,2006[4]郁浩然主編.化工分離工程[M].北京:中國石化出版社,1992[5]陳洪鈁主編.基本有機(jī)化工分離工程[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,1981[6]伍欽,鐘理等.傳質(zhì)與分離工程[M].廣州:華南理工大學(xué)出版社,2005主要學(xué)習(xí)參考書7分離工程

（SeparationEngineering）

第1章緒論(Chapter1Introduction)8本章主要學(xué)習(xí)內(nèi)容思考題掌握了解1.1分離過程在工業(yè)生產(chǎn)中的地位和作用1.2分離過程的特征與分類1.3分離過程的集成化了解1.4設(shè)計(jì)變量掌握9本章學(xué)習(xí)要求(1)了解分離操作在工業(yè)生產(chǎn)中的重要地位；(2)掌握分離因子的定義；(3)掌握傳質(zhì)分離過程的分類和特征；(4)了解分離過程的開發(fā)目的和方法；(5)掌握分離系統(tǒng)的變量分析和設(shè)計(jì)變量的確定方法。10化工分離技術(shù)發(fā)展過程生產(chǎn)實(shí)踐是分離工程形成與發(fā)展的源泉。早期人類生產(chǎn)活動(dòng)中的分離過程，早在數(shù)千年前，人們已利用各種分離方法制作許多人們生活和社會(huì)發(fā)展中需要的物質(zhì)。例：（１）日光蒸發(fā)海水結(jié)晶制鹽；古書《世本》記載“皇帝時(shí)，諸侯有夙沙氏，始以海水煮乳煎成鹽?！?；《天工開物》記載“煮酒”、“糖霜”的制作。孕育著“蒸發(fā)”、“結(jié)晶”兩種分離技術(shù)。（２）農(nóng)產(chǎn)品的干燥；（３）從礦石中提煉金、銀、銅、鐵等金屬；（熔煉）（４）從植物中提取藥物；(精餾、萃取等)（５）釀造葡萄酒時(shí)用布袋過濾葡萄汁等等。

但這些早期的人類生產(chǎn)活動(dòng)都是以分散的手工業(yè)方式進(jìn)行的，主要依靠世代相傳的經(jīng)驗(yàn)和技藝，尚未形成科學(xué)的體系。而早期的化學(xué)工廠是由化學(xué)家根據(jù)實(shí)驗(yàn)室研究結(jié)果直接建立的。通過生產(chǎn)實(shí)踐發(fā)現(xiàn)：生產(chǎn)裝置中的化學(xué)或物理過程與實(shí)驗(yàn)室玻璃器皿中的現(xiàn)象有很大的不同。而在不同產(chǎn)品的生產(chǎn)過程中，卻有許多過程遵循相似的原理。由此提出的單元操作原理奠定了化學(xué)工程學(xué)科最初的理論基礎(chǔ)。11現(xiàn)代化學(xué)工業(yè)的興起促進(jìn)分離工程的發(fā)展

現(xiàn)代化學(xué)工業(yè)是開始于18世紀(jì)產(chǎn)業(yè)革命以后的歐洲。當(dāng)時(shí)，三酸兩堿等無機(jī)化學(xué)工業(yè)成為現(xiàn)代化學(xué)工業(yè)的開端。而19世紀(jì)以煤為基礎(chǔ)原料的有機(jī)化工在歐洲也發(fā)展起來。當(dāng)時(shí)的煤化學(xué)工業(yè)規(guī)模不是很大，主要著眼于苯、甲苯、酚等各種化學(xué)品的開發(fā)。在這些化工生產(chǎn)中需要將產(chǎn)品或生產(chǎn)過程的中間體從混合物中分離出來。例：當(dāng)時(shí)著名的索爾維制堿法中，使用了高達(dá)20余米的純堿碳化塔，同時(shí)應(yīng)用了吸收、蒸餾、過濾、干燥等分離操作。但在當(dāng)時(shí)，這項(xiàng)成就是由化學(xué)家在進(jìn)行化學(xué)工藝過程開發(fā)的同時(shí)完成的，他們并沒有意識(shí)到自己同時(shí)在履行著化學(xué)工程師的職責(zé)。這時(shí)的分離技術(shù)是結(jié)合在具體的化工生產(chǎn)工藝的開發(fā)過程中，單獨(dú)而分散地發(fā)展的。

化工分離技術(shù)發(fā)展過程12單元操作和化學(xué)工程理論的形成19世紀(jì)末，20世紀(jì)初大規(guī)模的石油煉制業(yè)促進(jìn)了化工分離技術(shù)的成熟與完善。單元操作概念的建立對(duì)化學(xué)工程的發(fā)展起了重大的作用。它將用于不同的化學(xué)工藝中的同樣的操作，以單元操作的概念抽象出來，對(duì)其共同規(guī)律進(jìn)行研究。通過對(duì)單元操作的基礎(chǔ)研究和所用設(shè)備的結(jié)構(gòu)、操作特性、設(shè)計(jì)計(jì)算方法及應(yīng)用開發(fā)等多方面的研究，為分離過程在化工工藝開發(fā)、化工過程放大、化工裝置設(shè)計(jì)和在化工生產(chǎn)中的正確應(yīng)用，提供了較為完整的理論體系和經(jīng)濟(jì)高效的分離設(shè)備，對(duì)促進(jìn)化學(xué)工業(yè)的發(fā)展起到了重要的作用。Example化工分離技術(shù)發(fā)展過程13化工分離技術(shù)發(fā)展過程（distillation）低沸點(diǎn)組分高沸點(diǎn)組分汽化冷凝14化工分離技術(shù)發(fā)展過程15自20世紀(jì)50年代以來，通過對(duì)化學(xué)工業(yè)的深入研究，提出“三傳一反”（動(dòng)量傳遞、熱量傳遞、質(zhì)量傳遞、化學(xué)反應(yīng)工程）的概念，使分離工程建立在更基本的質(zhì)量傳遞基礎(chǔ)上，從界面的分子現(xiàn)象和基本流體力學(xué)現(xiàn)象進(jìn)行分離工程中各個(gè)單元操作的基礎(chǔ)研究，并用于定量的數(shù)學(xué)模型描述分離過程、分析已有的分離設(shè)備、設(shè)計(jì)新的分離過程和分離設(shè)備。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，使得從較基礎(chǔ)的理論角度出發(fā)對(duì)分離過程和設(shè)備進(jìn)行研究成為可能并減少了研究誤差和失真現(xiàn)象。開發(fā)了復(fù)雜的數(shù)學(xué)模型并用于分離過程的優(yōu)化?；し蛛x技術(shù)發(fā)展過程16進(jìn)入20世紀(jì)70年代以后，化工分離技術(shù)更加高級(jí)化，應(yīng)用也更加廣泛。與時(shí)同時(shí)，化工分離技術(shù)與其它科學(xué)技術(shù)相互交叉滲透產(chǎn)生一些更新的邊緣分離技術(shù)，如生物分離技術(shù)、膜分離技術(shù)、環(huán)境化學(xué)分離技術(shù)、納米分離技術(shù)、超臨界流體萃取技術(shù)等。

化工分離技術(shù)發(fā)展過程展望21世紀(jì)，化工分離技術(shù)將面臨著一系列新的挑戰(zhàn)，其中最主要的是來自能源、原料和環(huán)境保護(hù)三大方面。此外，化工分離技術(shù)還將對(duì)農(nóng)業(yè)、食品加工、城市交通和建設(shè)以及保健、提高和改善人們的生活水平方面做出貢獻(xiàn)。17分離過程的選擇除要考慮技術(shù)和經(jīng)濟(jì)的因素外，環(huán)境保護(hù)和生產(chǎn)安全也對(duì)分離過程有所要求。分離過程已成為處理“三廢”防治污染環(huán)境的最常用的手段之一。

化工分離技術(shù)發(fā)展過程181.1.1分離過程在化工生產(chǎn)中的重要性Significanceofseparationprocessinchemicalindustry

分凝、吸收、閃蒸、精餾反應(yīng)191.1.1分離過程在化工生產(chǎn)中的重要性Significanceofseparationprocessinchemicalindustry

閃蒸、精餾、萃取、吸收、結(jié)晶、過濾20分離操作在化工生產(chǎn)中的作用：

1.1.1分離過程在化工生產(chǎn)中的重要性Significanceofseparationprocessinchemicalindustry

總之，分離過程在化工生產(chǎn)中占有十分重要的位置，在提高生產(chǎn)過程的經(jīng)濟(jì)效益和產(chǎn)品質(zhì)量中起著重要的作用。在大型的石油生產(chǎn)過程中分離裝置的投資一般占整個(gè)裝置投資的50~90%。如乙烯裝置中達(dá)90%左右，能耗占60~80%。為化學(xué)反應(yīng)提供符合質(zhì)量要求的原料(除去對(duì)反應(yīng)或催化劑有害的雜質(zhì),減少副反應(yīng)和提高收率)；對(duì)反應(yīng)產(chǎn)物起著提純的作用，以得到合格產(chǎn)品和副產(chǎn)品并使未反應(yīng)的原料得以循環(huán)使用；在環(huán)境保護(hù)和資源利用方面有著重要作用。21（1）清潔工藝清潔工藝是生產(chǎn)工藝和防治污染有機(jī)地結(jié)合起來，將污染物減少或消滅在工藝過程中，從根本上解決工業(yè)污染問題。清潔工藝也稱少廢無廢技術(shù)，是當(dāng)今社會(huì)和經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的重大課題之一。1.1.1分離過程在清潔工藝中的地位和作用

Positionandeffectofseparationprocessindepuratetechnics

節(jié)能、低耗、高效、安全、無污染（2）清潔工藝的本質(zhì)化學(xué)工業(yè)是工業(yè)污染的大戶，污染來源有：未回收的原料；未回收的產(chǎn)品；有用和無用的副產(chǎn)物；原料中的雜質(zhì)；工藝的物料損耗。所以，就化學(xué)工業(yè)而言，清潔工藝的本質(zhì)是合理利用資源，減少或消除廢料的產(chǎn)生。22（3）清潔工藝的任務(wù)（與化工分離過程密切相關(guān)）

降低原材料和能源的消耗，提高有效利用率、回收利用率、循環(huán)利用率；

開發(fā)和采用新技術(shù)、新工藝，改善生產(chǎn)操作條件，以

控制和消除污染；

采用生產(chǎn)工藝裝置系統(tǒng)的閉路循環(huán)技術(shù)（見下圖)；

處理并利用生產(chǎn)中的副產(chǎn)物和廢料，使之減少或消除對(duì)環(huán)境的危害；

研究、開發(fā)和采用低物耗、低能耗、高效率的“三廢”治理技術(shù)。1.1.1分離過程在清潔工藝中的地位和作用END23一、分離過程是一個(gè)不改變物性的物理加工過程，它使得被處理物料（組分）變得更純凈，卻不產(chǎn)生任何新的物質(zhì)。其實(shí)質(zhì)是指混合物在內(nèi)因和外因的作用下，在分離場或分離介質(zhì)中使組分有選擇的反應(yīng)、相變、傳遞、遷移、截留而相互分開，得到互不相同的兩種或幾種產(chǎn)品的操作，以達(dá)到產(chǎn)品的提純、提取、凈化、濃縮、干燥或三廢處理等要求。

1.2分離過程的特征與分類

Classificationandfeaturesofseparationprocess

分離過程的組成：混合物（氣、液、固）分離過程能量分離劑ESA質(zhì)量分離劑MSA產(chǎn)品1產(chǎn)品2產(chǎn)品n分離介質(zhì)24

分離過程包含在任何生產(chǎn)過程中。其主要任務(wù)包括：從原料、產(chǎn)品、副產(chǎn)品中脫除雜質(zhì)；循環(huán)物料的分離；從廢氣和廢水中脫除污染物。產(chǎn)品原料反應(yīng)過程分離操作分離操作雜質(zhì)循環(huán)副產(chǎn)品廢氣分離操作廢水潔凈水污染物污染物分離操作潔凈空氣

1.2分離過程的特征與分類

Classificationandfeaturesofseparationprocess

25二、分離過程的特征（Featuresofseparationprocess）

幾種物質(zhì)混合在一起的過程是自發(fā)的，是混亂度或熵增加的過程。分離某種混合物成為不同產(chǎn)品的過程，是熵減小的過程，需要外界對(duì)系統(tǒng)作功（或輸入能量）方能進(jìn)行。分離過程是混合過程的逆過程。任一分離過程所達(dá)到的分離程度用分離因子來衡量。

1.2分離過程的特征與分類

Classificationandfeaturesofseparationprocess

26三、分離因子（separationfactor）：

表示任一分離過程所達(dá)到的分離程度。

實(shí)際產(chǎn)品組成間關(guān)系（實(shí)際分離因子）。i,j組分在產(chǎn)品1中的摩爾分率的比值除以在產(chǎn)品2中的比值?！蛛x程度以分離因子偏離1的程度來判斷！

1.2分離過程的特征與分類組分i,j在產(chǎn)品中的含量相等，無法分離組分i濃縮于產(chǎn)品1，而組分j濃縮于產(chǎn)品2組分i濃縮于產(chǎn)品2，而組分j濃縮于產(chǎn)品1

1<sija27相平衡狀態(tài)組成的關(guān)系（理想分離因子）對(duì)于精餾：理想分離因子就是汽液平衡常數(shù)之比，即相對(duì)揮發(fā)度。對(duì)于液液萃取：理想分離因子就是選擇性系數(shù)。

1.2分離過程的特征與分類

Classificationandfeaturesofseparationprocess

28例：對(duì)海水蒸發(fā)淡化過程，產(chǎn)品為蒸餾水和鹽溶液。分離因子：

其中：w（water）,s(salt)

因鹽為不揮發(fā)性物質(zhì)，所以ys為趨于0，則分離因子趨于無窮大。

1.2分離過程的特征與分類

Classificationandfeaturesofseparationprocess

對(duì)于液固分離（蒸發(fā)、機(jī)械分離）：分離因子趨于無窮大。29實(shí)際分離因子與理想分離因子的關(guān)系：實(shí)際分離因子的定義式?jīng)]有任何限制條件，基于產(chǎn)品的實(shí)際組成而獲得分離因子值。大小受系統(tǒng)的平衡組成、傳質(zhì)速率、設(shè)備結(jié)構(gòu)、分離流程的影響。根據(jù)平衡組成得到的理想分離因子與根據(jù)實(shí)際產(chǎn)品組成而得到實(shí)際分離因子都可以用來分析分離過程。通常將實(shí)際分離因子與理想分離因子之間的差別程度用效率來表示：

1.2分離過程的特征與分類

Classificationandfeaturesofseparationprocess

30四、分離過程的分類（Classificationofseparationprocess）

按分離過程中有無傳質(zhì)現(xiàn)象發(fā)生分兩類：

1.2分離過程的特征與分類

Classificationandfeaturesofseparationprocess

1、機(jī)械分離過程分離對(duì)象：非均相混合物特點(diǎn)：用機(jī)械法簡單地將非均相物系分離，而相間并無物質(zhì)傳遞現(xiàn)象發(fā)生。如：過濾、沉降、離心分離、旋風(fēng)分離、靜電除塵等。2、傳質(zhì)分離過程

分離對(duì)象：均相混合物特點(diǎn)：相間有質(zhì)量傳遞現(xiàn)象發(fā)生。如：蒸餾、吸收、萃取、蒸發(fā)、干燥、結(jié)晶、吸附、浸取、離子交換等。31傳質(zhì)分離過程根據(jù)分離原理的不同分：平衡分離過程和速率分離過程。（1）平衡分離（EquilibriumSeparation

）原理：在分離媒介的作用下，使均相混合物分成兩相系統(tǒng)，利用混合物中各組分在相平衡時(shí)在兩相中的分配不同而進(jìn)行的分離過程。常采用平衡級(jí)（理論板）作為處理手段，并把其它影響歸納于板效率中。氣液傳質(zhì)過程：吸收、氣體的增濕和減濕汽液傳質(zhì)過程：液體的蒸餾和精餾液液傳質(zhì)過程：萃取液固傳質(zhì)過程：結(jié)晶、浸取、吸附、離子交換、色層分離、參數(shù)泵分離等氣固傳質(zhì)過程：固體干燥、吸附、升華等

1.2分離過程的特征與分類

Classificationandfeaturesofseparationprocess

32

分離媒介又稱分離劑（separationagent）包括能量分離劑（ESA）和質(zhì)量分離劑（MSA）ESA：傳入或傳出系統(tǒng)的熱或功。（熱，壓力，電，磁，輻射等能量）。

如：蒸發(fā)加入熱量；結(jié)晶加入冷量；精餾塔釜加入熱量，塔頂加入冷量；

MSA：加入另外一種物質(zhì)使混合物變成兩相。如：吸收加入的吸收劑：萃取加入的萃取劑；吸附加入的吸附劑。離子交換樹脂，液膜，固膜材料等。在萃取精餾中ESA和MSA同時(shí)存在，塔上部加入萃取劑MSA，塔釜加入熱量ESA。

常見平衡分離過程的分離劑見下表。

1.2分離過程的特征與分類

Classificationandfeaturesofseparationprocess

33過程名稱原料分離劑分離原理閃蒸液體ESA揮發(fā)度的不同部分冷凝氣體ESA揮發(fā)度的不同精餾汽、液或汽液混合物ESA揮發(fā)度的不同萃取精餾汽、液或汽液混合物MSA和ESA溶劑改變組分相對(duì)揮發(fā)度吸收氣體MSA溶解度不同共沸精餾汽、液或汽液混合物MSA和ESA共沸劑改變組分相對(duì)揮發(fā)度液液萃取液體MSA溶解度不同蒸發(fā)液體ESA揮發(fā)度的不同干燥液體或固體MSA和ESA濕分蒸發(fā)結(jié)晶液體ESA利用過飽和度吸附氣體或液體MSA吸附能力差別離子交換液體MSA質(zhì)量作用定律常見平衡分離過程的分離劑34（2）速率分離（RateSeparation

）原理：利用溶液中不同組分在某種推動(dòng)力（如壓差、濃度差、溫度差、電位差等）作用下，經(jīng)過某種介質(zhì)（如半透膜）時(shí)的傳質(zhì)速率（透過率、遷移率、擴(kuò)散速率）差異而實(shí)現(xiàn)分離。特點(diǎn)：所處理的物料和產(chǎn)品屬于同一相態(tài)，僅有組成的差別。速率分離膜分離微濾、超濾、反滲透、滲析及電滲析場分離電泳、熱擴(kuò)散、高梯度磁力分離

1.2分離過程的特征與分類

Classificationandfeaturesofseparationprocess

P8－935過程集成是20世紀(jì)80年代發(fā)展起來的過程綜合領(lǐng)域中一個(gè)最活躍的分支。在化工領(lǐng)域中，過程集成的目標(biāo)是實(shí)施清潔工藝，使物耗和能耗最小，達(dá)到最大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。（一）反應(yīng)過程與分離過程的耦合（二）分離過程與分離過程的耦合（三）過程的集成

1.3分離過程的集成化

Integrationofseparationprocess36傳統(tǒng)分離方法，如精餾、吸收、結(jié)晶、萃取等成熟度很高；而膜分離、超臨界萃取等新型分離方法成熟度低，需要進(jìn)一步研究分離過程發(fā)展現(xiàn)狀圖37（一）反應(yīng)過程與分離過程的耦合

1、化學(xué)吸收：通過溶質(zhì)與溶劑中的活性組分發(fā)生反應(yīng)，提高傳質(zhì)推動(dòng)力和液相傳質(zhì)系數(shù)，從而提高吸收率，降低能耗和設(shè)備投資。2、化學(xué)萃?。喝苜|(zhì)與萃取劑之間發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。3、反應(yīng)精餾：反應(yīng)與精餾結(jié)合，提高分離效率；同時(shí)，借助精餾手段，提高反應(yīng)收率。

1.3分離過程的集成

Integrationofseparationprocess38（二）分離過程與分離過程的耦合1、萃取結(jié)晶（加合結(jié)晶）：加入有機(jī)溶劑使待結(jié)晶的無機(jī)鹽水溶液中的一部分水被萃取出來，促進(jìn)無機(jī)鹽的結(jié)晶過程。（正丁醇萃取結(jié)晶生產(chǎn)碳酸鈉）

1.3分離過程的集成

Integrationofseparationprocess2、吸附蒸餾：氣-液-固三相分離過程，同時(shí)利用吸附選擇性高、能耗低的優(yōu)點(diǎn)和蒸餾處理量大、設(shè)備較簡單、工藝成熟的優(yōu)點(diǎn)。特別適用于共沸物和沸點(diǎn)相近物系的分離及需要高純度產(chǎn)品的情況。3、電泳萃?。涸陔妶鲎饔孟?，帶電溶膠粒子（蛋白質(zhì)）在萃取劑中泳動(dòng)速度不同的性質(zhì)，實(shí)現(xiàn)分離。39（三）過程的集成

1、傳統(tǒng)分離過程的集成

例：共沸精餾與萃取集成以丙酮為共沸劑將（環(huán)己烷／苯）共沸物首先分離為苯和（丙酮／環(huán)己烷）共沸物，然后以水為萃取劑，將（丙酮／環(huán)乙烷）共沸物分離為環(huán)己烷和丙酮水溶液，最后將丙酮水溶液分離得到丙酮和水。

1.3分離過程的集成

Integrationofseparationprocess402、傳統(tǒng)分離過程與膜分離的集成例：精餾與滲透蒸發(fā)的集成發(fā)酵液脫水制備無水乙醇。在乙醇高濃區(qū)，精餾的分離效率極低，在共沸組成處無法分離，此時(shí)利用滲透蒸發(fā)技術(shù)可越過共沸組成點(diǎn)，達(dá)到很高的分離程度。3、膜過程的集成例：超濾、反滲透與滲透蒸餾的集成

1.3分離過程的集成

Integrationofseparationprocess41發(fā)展趨勢(shì)(1)傳統(tǒng)分離技術(shù)改造

如精餾篩板塔改造為效率更高的填料塔。(2)新型分離過程開發(fā)

如膜分離、反膠團(tuán)萃取、超臨界萃取等。(3)分離與反應(yīng)耦合以及分離過程之間的耦合

如反應(yīng)精餾、吸附精餾、膜精餾等?？傏厔?shì)：

多樣化、精細(xì)化、潔凈化（環(huán)境友好）。

1.3分離過程的集成

Integrationofseparationprocess42附：分離工藝的熱點(diǎn)研究開發(fā)課題

目標(biāo):過程節(jié)能、提高原料利用率、降低成本一、開發(fā)低成本氧、氮和稀有氣體的分離方法1、工業(yè)氣體的生產(chǎn)2、高純度氣體的生產(chǎn)二、開發(fā)酸性氣體的脫除方法：新型膜材料三、有機(jī)物/有機(jī)物分離的膜過程四、精餾技術(shù)的改進(jìn)：

熱串級(jí)；蒸汽壓縮；化學(xué)合成與精餾的耦合；膜分離和精餾的集成等。五、稀溶液的分離：

反應(yīng)金屬絡(luò)和吸附；滲透汽化；連續(xù)吸附；電滲析膜分離等。六、手性化合物的分離：HPLC；結(jié)晶；選擇性手性膜滲透等。七、廢高聚物的分離回收新型吸附劑和分離膜43分離過程的開發(fā)方法（補(bǔ)充）

ResearchMethodofseparationprocess分離過程的開發(fā)是研究適宜分離方法的工業(yè)化途徑，以期經(jīng)濟(jì)合理地實(shí)現(xiàn)規(guī)定的分離任務(wù)。分離過程開發(fā)應(yīng)達(dá)到下列目的：①適宜分離方法和流程的選擇；②工藝操作條件的優(yōu)化；③分離設(shè)備的合理選型和幾何尺寸的確定?；み^程新技術(shù)開發(fā)有三個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)：概念形成到課題的選定、技術(shù)與經(jīng)濟(jì)論證(可行性)和放大技術(shù)。其中，放大技術(shù)是研究開發(fā)的核心。

放大技術(shù)可以采用數(shù)學(xué)模型方法、逐級(jí)經(jīng)驗(yàn)放大、工程理論指導(dǎo)放大和參照類似工業(yè)裝置放大等方法。對(duì)于一個(gè)缺乏參照系統(tǒng)的新的分離操作來說，前兩種方法更為常用。441、數(shù)學(xué)模型法復(fù)雜過程數(shù)學(xué)模型物理模型設(shè)計(jì)求解方程試驗(yàn)確定方程中的模型參數(shù)綜合研究和尋優(yōu)中間試驗(yàn)檢驗(yàn)計(jì)算結(jié)果的可靠性簡單子過程分解分析描述進(jìn)行設(shè)備設(shè)計(jì)重新分析分離過程的開發(fā)方法（補(bǔ)充）

ResearchMethodofseparationprocess452、逐級(jí)經(jīng)驗(yàn)放大法小試確定操作條件和設(shè)備形式稍大中試以確定設(shè)備尺寸放大后的影響（放大效應(yīng)）工業(yè)規(guī)模的大型裝置目的目的逐級(jí)放大法缺點(diǎn)：耗資大，開發(fā)周期長數(shù)學(xué)模型法：方法上科學(xué)、合理,與逐級(jí)放大方法相比,可以節(jié)省試驗(yàn)費(fèi)用,縮短開發(fā)周期，結(jié)果比較可靠。但在化工中的實(shí)際應(yīng)用至今仍然有限。主要原因在于化工過程太復(fù)雜,建立可靠又合理的簡化的數(shù)學(xué)模型比較難。第１次作業(yè)分離過程的開發(fā)方法（補(bǔ)充）

ResearchMethodofseparationprocessEND46第１章第一次作業(yè)查閱文獻(xiàn)，撰寫文獻(xiàn)綜述。（１）查閱內(nèi)容：關(guān)于化工分離技術(shù)的若干新進(jìn)展關(guān)鍵詞：化工分離技術(shù)、新進(jìn)展（新技術(shù)、展望）（２）以能正式發(fā)表文章格式撰寫

(具體格式參見吉林化工學(xué)院學(xué)報(bào)）（３）交紙版（A4）和電子版（發(fā)到郵箱）

huajing_gao@163.com

（４）上交時(shí)間：9月19日（周五）（５）查閱方法：校園網(wǎng)，學(xué)術(shù)期刊網(wǎng)址：

用戶名：db0050密碼：jlhgxy

中國期刊全文數(shù)據(jù)庫4748(1)了解分離操作在工業(yè)生產(chǎn)中的重要地位；(2)掌握分離因子的定義；(3)掌握傳質(zhì)分離過程的分類和特征；(4)了解分離過程的開發(fā)目的和方法；

內(nèi)容回顧49

一、設(shè)計(jì)變量:指在設(shè)計(jì)分離裝置時(shí)，必須規(guī)定的參數(shù)。

1.4設(shè)計(jì)變量（Designvariable）

各獨(dú)立變量之間約束關(guān)系數(shù)（描述約束關(guān)系的獨(dú)立方程式的數(shù)目）描述系統(tǒng)的總變量數(shù)稱為獨(dú)立變量數(shù)

必須規(guī)定的參數(shù)的數(shù)目稱為設(shè)計(jì)變量數(shù)①獨(dú)立變量數(shù)：出入系統(tǒng)的各物流變量數(shù)總和及與環(huán)境的能量交換情況。由相律：

任一單相物流：這里的自由度是指強(qiáng)度性質(zhì)注：系統(tǒng)與環(huán)境有能量交換時(shí)應(yīng)增加獨(dú)立變量數(shù)物流數(shù)量（容度性質(zhì)）50②約束關(guān)系數(shù)(1)物料平衡式：c個(gè)組分的物系可寫出c個(gè)方程式；(2)能量平衡式：對(duì)于一個(gè)系統(tǒng)只能寫出1個(gè)方程式；(3)相平衡關(guān)系式：能寫出c+2個(gè)方程式，即

PⅠ=PⅡ；TⅠ=TⅡ；(I=1,2…c)(4)化學(xué)平衡關(guān)系式：分離過程不涉及反應(yīng)過程。(5)內(nèi)在關(guān)系：指約定的關(guān)系式，如物流間的溫差、壓力降、比例關(guān)系等獨(dú)立的關(guān)系式。設(shè)計(jì)變量分為固定設(shè)計(jì)變量和可調(diào)設(shè)計(jì)變量。1.4設(shè)計(jì)變量（Designvariable）

已被給定或常被給定的變量(進(jìn)料物流及系統(tǒng)壓力的變量)由設(shè)計(jì)者決定的變量Ni=Nv-Nc511、無濃度變化的單元如分配器、泵、加熱器、冷卻器、換熱器、全凝器、全蒸發(fā)器，每一物流均可看成單相物流。例1：絕熱下操作的分配器。

①獨(dú)立變量數(shù)：NVE=3(c+2)=3c+6

②約束關(guān)系式:物料平衡式：c

能量平衡式：1內(nèi)在關(guān)系式：PL1=Pl2；TL1=TL2

2

L1和L2組成相同c-1

NcE=2c+2③單元的設(shè)計(jì)變量數(shù)為：NiE=(3c+6)-(2c+2)=c+4④固定設(shè)計(jì)變量：NxE=c+2(1股進(jìn)料)+1(壓力)=c+3⑤可調(diào)設(shè)計(jì)變量：NaE=(c+4)-(c+3)=1

此可調(diào)設(shè)計(jì)變量可選為分配比：L1/F或L2/F

ＦL1Ｌ21.4.1單元的設(shè)計(jì)變量（Designvariableofcell

）

52例2：加熱器

物料平衡式

C個(gè)；能量平衡式1個(gè)(2股物流+Q)此可調(diào)設(shè)計(jì)變量可選出口溫度或Ｑ值１股進(jìn)料；1個(gè)壓力1.4.1單元的設(shè)計(jì)變量（Designvariableofcell

）

532、有濃度變化的單元混合器、分相器、部分蒸發(fā)器、分凝器、簡單平衡級(jí)。例1：產(chǎn)物為平衡兩相的全凝器①獨(dú)立變量數(shù)：

NvE=3(c+2)+1(Q)=3c+7(３股物流+Q)②約束關(guān)系式:物料平衡式：c

能量平衡式：1液-液兩相平衡：P、T、xi

c+2

NcE＝c+1+(c+2)=2c+3

③設(shè)計(jì)變量數(shù)為：NiE=(3c+7)-(2c+3)=c+4④固定設(shè)計(jì)變量:NxE=c+2(1進(jìn)料)+1(壓力)=c+3⑤可調(diào)設(shè)計(jì)變量:NaE=(c+4)-(c+3)=1

此可調(diào)設(shè)計(jì)變量可選為全凝溫度。VQL2L11.4.1單元的設(shè)計(jì)變量（Designvariableofcell

）

54注：C個(gè)物料衡算式、一個(gè)熱量衡算式

C個(gè)相平衡關(guān)系式、兩相的P、Tj平衡級(jí)例2：理論板（絕熱，簡單平衡級(jí)）注:２股進(jìn)料、一個(gè)壓力P18表1-2各種單元的設(shè)計(jì)變量可調(diào)設(shè)計(jì)變量NaE與組分?jǐn)?shù)無關(guān)，而且NaE不是1就是0。組分?jǐn)?shù)目只出現(xiàn)在NxE中出現(xiàn)。1.4.1單元的設(shè)計(jì)變量（Designvariableofcell

）

55裝置由若干個(gè)單元所組成，各單元間用物流聯(lián)結(jié)成整體。

則裝置的設(shè)計(jì)變量數(shù)：在聯(lián)結(jié)的單元間產(chǎn)生的新約束關(guān)系：Ncu=n(C+2),其中n為連結(jié)單元間的單相物流數(shù)。裝置的設(shè)計(jì)變量數(shù)為：在裝置中某一種單元以串聯(lián)的形式被重復(fù)使用時(shí)，則應(yīng)增加一個(gè)變量以區(qū)別于這種單元與其他單元相聯(lián)結(jié)的情況。表示單元重復(fù)使用的變量數(shù)稱為重復(fù)變量Nr。對(duì)于簡單吸收塔：Nr=1；普通精餾塔：Nr=2；

有側(cè)線采出的精餾塔：Nr=3：兩股進(jìn)料的精餾塔：Nr=3+Nr1.4.2裝置的設(shè)計(jì)變量

Designvariableof

device

56在串級(jí)內(nèi)聯(lián)結(jié)單元的單相物流數(shù)1.4.2裝置的設(shè)計(jì)變量

例1：由N個(gè)絕熱操作的簡單平衡級(jí)串聯(lián)構(gòu)成的簡單吸收塔。可指定理論板數(shù)N,或某一組分的回收率。57①全凝器②回流分配器塊板的平衡串級(jí)④進(jìn)料板塊板的平衡串級(jí)⑥再沸器單元間聯(lián)結(jié)物流數(shù)為9股，123456789例2：普通精餾塔

③⑤①②③④⑤⑥（由6個(gè)單元組成）塔的設(shè)計(jì)變量數(shù)：58塔的固定設(shè)計(jì)變量數(shù)：(NxU)塔＝c+2(１股進(jìn)料)+N(壓力)+2（全凝器、分配器壓力）＝c+N+4塔的可