化工分離新技術(shù)

化工分別新技術(shù)本課程的主要目的獲得傳質(zhì)與分別操作過程及設(shè)備的根底知識、根本實(shí)際和根本運(yùn)用才干，掌握傳質(zhì)與分別過程的本質(zhì)及其變化規(guī)律引見新型分別方法，如膜分別、超臨界萃取、吸附、特殊精餾等，使學(xué)生了解分別技術(shù)的開展及新知識、新工藝、新技術(shù)。突出工程實(shí)例引見，簡化數(shù)學(xué)模型推理和設(shè)計(jì)計(jì)算第一章緒論

1.1化工分別技術(shù)開展簡述化學(xué)工業(yè)是國民經(jīng)濟(jì)的重要根底產(chǎn)業(yè)，化工產(chǎn)品浸透到人們的衣、食、住、行等各個(gè)領(lǐng)域?；ぎa(chǎn)值是衡量一個(gè)國家國民經(jīng)濟(jì)開展程度的重要標(biāo)志之一?；し謩e技術(shù)是隨著化學(xué)工業(yè)的開展而逐漸構(gòu)成和開展的?；瘜W(xué)工業(yè)具有悠久的歷史，而現(xiàn)代化學(xué)工業(yè)是開場于18世紀(jì)產(chǎn)業(yè)革命以后的歐洲。當(dāng)時(shí)，純堿、硫酸等無機(jī)化學(xué)工業(yè)成為現(xiàn)代化學(xué)工業(yè)的開端。19世紀(jì)以煤為根底原料的有機(jī)化工在歐洲也開展起來。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)。在這些化工消費(fèi)中運(yùn)用了吸收、蒸餾、過濾、枯燥等分別操作。19世紀(jì)末，20世紀(jì)初大規(guī)模的石油煉制業(yè)促進(jìn)了化工分別技術(shù)的成熟與完善。進(jìn)入20世紀(jì)70年代以后，化工分別技術(shù)更加高級化，運(yùn)用也更加廣泛。與時(shí)同時(shí)，化工分別技術(shù)與其它科學(xué)技術(shù)相互交叉浸透產(chǎn)生一些更新的邊緣分別技術(shù)，如生物分別技術(shù)、膜分別技術(shù)、環(huán)境化學(xué)分別技術(shù)、納米分別技術(shù)、超臨界流體萃取技術(shù)等等。展望21世紀(jì)，化工分別技術(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)境維護(hù)三大方面。此外，化工分別技術(shù)還將對農(nóng)業(yè)、食品和食品加工、城市交通和建立以及保健、提高和改善人們的生活程度方面做出奉獻(xiàn)。1.2分別過程在工業(yè)消費(fèi)中的位置和作用分別過程是將混合物分成組成相互不一樣的兩種或幾種產(chǎn)品的操作。一個(gè)典型的化工消費(fèi)安裝通常是由一個(gè)反響器〔有時(shí)多于一個(gè)〕和具有提純原料、中間產(chǎn)物和產(chǎn)品的多個(gè)分別設(shè)備以及機(jī)、泵、換熱器等構(gòu)成。分別操作一方面為化學(xué)反響提供符合質(zhì)量要求的原料，去除對反響或催化劑有害的雜質(zhì)，減少副反響和提高收率；另一方面對反響產(chǎn)物進(jìn)展分別提純以得到合格的產(chǎn)品，并使未反響的反響物得以循環(huán)利用。此外，分別操作在環(huán)境維護(hù)和充分利用資源方面起著特別重要的作用。因此，分別操作在化工消費(fèi)中占有非常重要的位置，在提高消費(fèi)過程的經(jīng)濟(jì)效益和產(chǎn)質(zhì)量量中起舉足輕重的作用。對大型的石油工業(yè)和以化學(xué)反響為中心的石油化工產(chǎn)生過程，分別安裝的費(fèi)用占總投資的50~90%。無論化學(xué)、石油、冶金、食品、輕工、醫(yī)藥、生化和原子能等工業(yè)都廣泛運(yùn)用分別過程。古代煤用于直接熄滅,為飲食和取暖。煉焦工業(yè)的興起,使得煤經(jīng)干餾獲得焦炭和煤氣,煤得到了初步的合理運(yùn)用。但其副產(chǎn)煤焦油卻長期被看作無用而有毒的廢物。直到近代,發(fā)現(xiàn)煤焦油是含有多種芳香族化合物的復(fù)雜混合物(達(dá)幾百種物質(zhì)),用分餾的方法可以使苯、酚、萘和更復(fù)雜的芳香族化合物分開,才使煤的綜合利用臻于完善。同樣,從原油的直接熄滅到把它分餾為溶劑油、汽油、煤油、柴油和重油(瀝青)等各種組分并加以利用和再加工,直到構(gòu)成現(xiàn)代龐大的石油煉制和石油化工體系。都是分別過程勝利運(yùn)用于化工消費(fèi)的典型例子?？菰镞^程的運(yùn)用普及各行各業(yè)。谷物的含水量從收獲時(shí)約30%~35%枯燥到13%就可延伸儲存期一年。食品含水量低于5%,微生物難以生存,酶難以作用,可長期堅(jiān)持香昧和營養(yǎng)。聚氯乙烯顆粒含水量小于千分之二，可保證聚合加工成型時(shí)不出現(xiàn)氣泡和添加塑料制品的強(qiáng)度。此外,建材、木材、布匹、紙張、皮革、藥物、油漆等等無不涉及枯燥。據(jù)統(tǒng)計(jì),僅化工產(chǎn)品就有20萬種以上需求枯燥作業(yè)。隨著工業(yè)的現(xiàn)代化,科學(xué)研討和消費(fèi)技術(shù)向著高質(zhì)量、高純度、精細(xì)加工、微型化和高技術(shù)密集型開展,而這些都必需有分別過程的親密配合。就以半導(dǎo)體與電子技術(shù)為例,高質(zhì)量、高純度的資料超純水、半導(dǎo)體鍺和硅,以及載氣氮、氦等,其純度都要在99.99%以上,有的甚至到達(dá)99.9999%。這類產(chǎn)品的微型化,使集成電路的線距僅1μm。彩色顯像管裝配封口后,管內(nèi)不得含有微粒,否那么在屏幕上會因折射而出現(xiàn)閃爍亮點(diǎn)而導(dǎo)致報(bào)廢,于是,無論載氣和裝配車間的空氣都必需經(jīng)干凈處置到每升氣體中所含大于0.5μm的塵粒少于3.5個(gè)。僅干凈空氣和純水為例,就已包括了沉降、濕法洗凈、過濾、電除塵、絮凝、泡沫分別、電滲析、超濾、反浸透以及離子交換等如此多的分別單元操作。現(xiàn)實(shí)上，在醫(yī)藥、資料、冶金、食品、生化、原子能和環(huán)保等領(lǐng)域也都廣泛地運(yùn)用到分別過程。例如，藥物的精制和提純；從礦產(chǎn)中提取和精選金屬；食品的脫水、除去有毒或有害成分；抗菌素的凈制和病毒的分別；同位素的分別和重水的制備等都離不開分別過程。隨著現(xiàn)代工業(yè)趨向大型化消費(fèi)，所產(chǎn)生的大量廢氣、廢水、廢渣更需集中排放。對各種方式的流出廢物進(jìn)展末端治理，使其到達(dá)有關(guān)的排放規(guī)范，不但涉及物料的綜合利用，而且還關(guān)系到環(huán)境污染和生態(tài)平衡。如原子能廢水中微量同位素物質(zhì)，很多工業(yè)廢氣中的硫化氫、二氧化硫、氧化氮等都需妥善處置。近年來，由于能源緊張，石油提價(jià)，對分別過程的能耗要求越來越苛刻，隨之對設(shè)備性能要求也越來越高。分別技術(shù)的運(yùn)用越來越得到人們的高度注重。需求闡明的是，分別技術(shù)不僅僅運(yùn)用于化學(xué)工業(yè)。消費(fèi)實(shí)際證明，將地球上各種各樣的混合物進(jìn)展分別和提純是促進(jìn)科技開展、提高和改善生活程度的一種重要途徑。由于發(fā)明了冶煉術(shù)，把金屬從礦石中分別出來，使人類從石器時(shí)代進(jìn)入了銅器時(shí)代，開場向文明社會提高；放射性鈾的同位素分別勝利，迎來了原子能時(shí)代；將水和空氣中微量雜質(zhì)除去的分別技術(shù)，大幅提高了超大規(guī)模集成電器元件的廢品合格率，使它得以商品化消費(fèi)，同時(shí)集成度也大幅提高；深冷分別技術(shù)可從混合氣體中分別出純氧、純氮和純氫，獲得了接近絕對零度的低溫，為科學(xué)研討和消費(fèi)技術(shù)提供了極為寬廣的開展根底，為火箭提供了具有極大推進(jìn)力的高能燃料；從水中去除鹽和有素物質(zhì)的蒸餾、吸附、萃取、膜分別等分別技術(shù)，使人們能從取之不盡的大海中提取淡水，從工、農(nóng)業(yè)污水中回收干凈水和其它有用的東西。當(dāng)代工業(yè)的三大支柱是資料、能源和信息，這三大產(chǎn)業(yè)的開展都離不開新的分別技術(shù)。人類生活程度的進(jìn)一步提高也有賴于新的分別技術(shù)。在21世紀(jì)，分別技術(shù)必將日新月異，再創(chuàng)輝煌。1.3分別過程在清潔工藝中的位置和作用清潔工藝也稱少廢無廢技術(shù)，它是面向21世紀(jì)社會和經(jīng)濟(jì)可繼續(xù)開展的艱苦課題，也是當(dāng)今世界科學(xué)提高的主要內(nèi)容之一。清潔工藝就是將消費(fèi)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，從根本上處理工業(yè)污染問題。開發(fā)和采用清潔工藝，既符合“預(yù)防優(yōu)于治理〞的方針，同時(shí)又降低了原資料和能源的耗費(fèi)，提高企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益，是維護(hù)生態(tài)環(huán)境和經(jīng)濟(jì)建立協(xié)調(diào)開展的最正確途徑。因此清潔工藝是一種節(jié)能、低耗、高效、平安、無污染的工藝技術(shù)。就化學(xué)工業(yè)而言，清潔工藝的本質(zhì)是合理利用資源，減少甚至消除廢料的產(chǎn)生?；瘜W(xué)工業(yè)是工業(yè)污染的大戶，化工消費(fèi)所呵斥的污染來源于：1、未回收的原料；2、未回收的產(chǎn)品；3、有用和無用的副產(chǎn)品；4、原料中的雜質(zhì)；5、工藝的物料損耗。與化工分別過程親密相關(guān)的化工清潔工藝包括有：1、降低原資料和能源的耗費(fèi)，提高有效利用率、回收利用率和循環(huán)利用率；2、開發(fā)和采用新技術(shù)、新工藝，改善消費(fèi)操作條件，以控制和消除污染；3、采用消費(fèi)工藝安裝的閉路循環(huán)技術(shù)；4、處置消費(fèi)中的副產(chǎn)物和廢物，使之減少或消除對環(huán)境的危害；5、研討、開發(fā)和采用低物耗、低能耗、高效率的“三廢〞治理技術(shù)。因此，清潔工藝的開發(fā)和運(yùn)用離不開傳統(tǒng)分別技術(shù)的改良，新分別技術(shù)的研討、開發(fā)和工業(yè)運(yùn)用，以及分別過程之間、反響和分別過程之間的集成化。閉路循環(huán)系統(tǒng)是清潔工藝的重要方面，其中心是將過程所產(chǎn)生的廢物最大限制地回收和循環(huán)運(yùn)用，減少消費(fèi)過程中排出廢物的數(shù)量。假設(shè)工藝中的分別系統(tǒng)可以有效地進(jìn)展分別和再循環(huán)，那么該工藝產(chǎn)生的廢物就最少。實(shí)現(xiàn)分別與再循環(huán)系統(tǒng)使廢物最小化的方法有以下幾種：1、廢物直接再循環(huán)；2、進(jìn)料提純；3、除去分別過程中參與的附加物質(zhì)；4、附加分別與再循環(huán)系統(tǒng)；清潔工藝除應(yīng)防止在工藝過程中生成污染物，即從源頭減少三廢之外，生成廢物的分別、再循環(huán)利用和廢物的后處置也是極其重要的，而這后一部分義務(wù)在多是由化工分別操作承當(dāng)和完成的。1.4傳質(zhì)分別過程的分類和特征分別過程分為機(jī)械分別和傳質(zhì)分別兩大類。機(jī)械分別過程的分別對象是由兩相以上所組成的混合物，其目的只是簡單地將各相加以分別。例如：過濾、沉降、離心分別、旋風(fēng)分別和靜電除塵等。傳質(zhì)分別過程用于各種均相混合物的分別，基特點(diǎn)是有質(zhì)量傳送景象發(fā)生，按所根據(jù)的物理化學(xué)原理不同，可分為兩大類：平衡分別和速率分別?！惨弧称胶夥謩e過程平衡分別過程系借助分別媒介〔如熱能、溶劑、吸附劑等〕使均相混合物系統(tǒng)變?yōu)閮上嘞到y(tǒng)，再以混合物中各組分在處于相平衡的兩相中不等同的分配為根據(jù)而實(shí)現(xiàn)分別。分別媒介可以是能量媒介〔ESA〕或物質(zhì)媒介〔MSA〕，有時(shí)也可以兩種同時(shí)運(yùn)用。根據(jù)兩相形狀不同,平衡分別過程可分為如下幾類。氣液傳質(zhì)過程:如吸收、氣體的增濕和減濕。汽液傳質(zhì)過程:如液體的蒸餾和精餾。液液傳質(zhì)過程:如萃取。液固傳質(zhì)過程:如結(jié)晶、浸取、吸附、離子交換、色層分離、參數(shù)泵分別等。氣固傳質(zhì)過程:如固體枯燥、吸附等。

〔二〕速率分別過程速率分別過程是指借助某種推