化工分離工程01[1]

1、分離過(guò)程Separation Processes,教師：李保華,本課程的任務(wù)和內(nèi)容,地位：專業(yè)基礎(chǔ)課 前期課程： 物理化學(xué)、化工原理、化工熱力學(xué) 重點(diǎn)： 1.基本概念的理解 2.討論各種分離方法的特征 3.對(duì)設(shè)計(jì)、分析能力的訓(xùn)練 4.提高解決問(wèn)題能力,學(xué)生應(yīng)掌握： 分離過(guò)程的基本理論 簡(jiǎn)捷和嚴(yán)格計(jì)算方法 強(qiáng)化、改進(jìn)操作途徑 對(duì)新分離技術(shù)有一定了解,教材：面向21世紀(jì)課程教材： 劉家祺.分離過(guò)程.北京:化學(xué)工業(yè)出版社, 2002 主要參考書: 陳洪鈁,劉家祺.化工分離過(guò)程.北京:化學(xué)工業(yè)出版社, 1995。 吳俊生，鄧修 等編著，分離工程，華東化工學(xué)院出版社，1992。 郁浩然 主編，化工分離工

2、程，中國(guó)石油出版社，1992。,返回,第一章 緒 論,實(shí)例1：糖的溶解與結(jié)晶 糖溶于水 形成均勻溶液混合過(guò)程 過(guò)程是自發(fā)的熵增加 從水中取出糖 對(duì)體系做功（如蒸餾法） 分離過(guò)程 過(guò)程不能自發(fā)進(jìn)行熵減少,有關(guān)分離過(guò)程本質(zhì)的一些描述 （是否準(zhǔn)確或全面？） 分離不能自發(fā)進(jìn)行（熵減少過(guò)程） 分離在熱力學(xué)上受阻（對(duì)抗熱力學(xué)第二定律） 分離是逆著大自然的 熱力學(xué)是逆著物質(zhì)純化的,指出一切涉及熱現(xiàn)象的宏觀過(guò)程是不可逆的。 它闡明了在這些過(guò)程中能量轉(zhuǎn)換或傳遞的方向、條件和限度。 相應(yīng)的態(tài)函數(shù)是熵，熵的變化指明了熱力學(xué)過(guò)程進(jìn)行的方向， 熵的大小反映了系統(tǒng)所處狀態(tài)的穩(wěn)定性。,實(shí)例2：己烷與水混合的實(shí)驗(yàn) 不能自發(fā)混

3、合 劇烈攪拌或振蕩混合 放置（停止攪拌或振蕩）自發(fā)分離 體系中除濃度差（熵效應(yīng)）外，還有： 水分子間的親水相互作用勢(shì)能對(duì)抗混合 水分子和己烷分子間的疏水相互作用勢(shì)能對(duì)抗混合 水和己烷的密度差（重力勢(shì)能）對(duì)抗混合,實(shí)例3：Fe3+和Ti4+的混合實(shí)驗(yàn)（一） 混合均勻 Fe3+ Ti4+ Fe3+ Fe3+ 抽掉隔板 Ti4+ Ti4+ 6mol/L HCl 6mol/L HCl 6mol/L HCl 6mol/L HCl 抽調(diào)隔板后Fe3+和Ti4+將自發(fā)混合均勻，這是因?yàn)椋?體系中除濃度（活度）差外不存在其他勢(shì)場(chǎng)。 濃度差對(duì)化學(xué)勢(shì)的貢獻(xiàn)屬熵的貢獻(xiàn)， 熵增勢(shì)能驅(qū)使Fe3+和Ti4+在整個(gè)體系范圍

4、內(nèi)從有序向無(wú)序變化。,實(shí)例3：Fe3+和Ti4+的分離實(shí)驗(yàn)（二） Fe3+ 、Ti4+ 乙醚，F(xiàn)e3+ 抽掉隔板 6mol/L HCl 乙醚 6mol/L HCl，Ti4+ 結(jié)果：乙醚和水為互不相溶的兩相。 Fe3+與乙醚生成離子締合物： C2H5O C2H5 H+ (C2H5)2OH+ Fe3+ + 4 Cl FeCl4 (C2H5)2OH+ + FeCl4 (C2H5)2OH+FeCl4,Ti4+留在水相 Ti4+的親水作用勢(shì)能驅(qū)使Ti4+留在水相； Ti4+的濃度差產(chǎn)生的化學(xué)勢(shì)驅(qū)使Ti4+均勻分布在整個(gè)空間； Ti4+的親水作用勢(shì)能遠(yuǎn)大于濃度差化學(xué)勢(shì)，所以，Ti4+留在水相 Fe3+進(jìn)入

5、乙醚相 Fe3+的濃度差產(chǎn)生的化學(xué)勢(shì)驅(qū)使Fe3+均勻分布在整個(gè)空間； (C2H5)2OH+FeCl4的親溶劑（疏水）勢(shì)能驅(qū)使Fe3+進(jìn)入乙醚相； 親溶劑勢(shì)能遠(yuǎn)大于濃度差化學(xué)勢(shì)，所以，F(xiàn)e3+進(jìn)入乙醚相,結(jié)論： 分離有時(shí)是自發(fā)過(guò)程、混合有時(shí)也不能自發(fā)進(jìn)行； 總自由能決定體系是趨向分離、還是趨向混合，即： G總勢(shì)能項(xiàng)熵項(xiàng)iRT lnai 均相體系中只存在濃度差 自發(fā)混合。 非均相體系中除濃度差外，還存在各種相互作用（勢(shì)能） 各組分趨向于分配在低勢(shì)能相。（自由能降低）,1.1分離過(guò)程在工業(yè)生產(chǎn)中的地位和作用 1.2 傳質(zhì)分離過(guò)程的分類和特征 1.3.分離過(guò)程的集成化 學(xué)習(xí)方法與要求,1.1 分離過(guò)程

6、在工業(yè)生產(chǎn)中的地位和作用 1.1.1分離過(guò)程在化工生產(chǎn)中的重要性 1.1.2 分離過(guò)程在清潔工藝中的地位與作用,返回,煤 石油 天然氣 生物質(zhì),反應(yīng),化工 原料,分離,產(chǎn)品,一般化工生產(chǎn)過(guò)程：,例1：乙烯水合生產(chǎn)乙醇,1-固定床催化反應(yīng)器；2-分凝器；3、5、9-吸收塔；4-閃蒸塔；6-粗餾塔； 7-催化加氫反應(yīng)器；8-脫輕組分塔；10-產(chǎn)品塔,涉及分離過(guò)程：吸收：3、5、9； 精餾：6、8、10；閃蒸：4,例2：二甲苯生產(chǎn),1-重整反應(yīng)器；2、13-汽液分離器；3-壓縮機(jī)；4-脫丁烷塔；5-萃取塔 6-再生塔；7-甲苯塔；8-二甲苯回收塔；9-冷卻器；10-結(jié)晶器； 11-異構(gòu)化反應(yīng)器；12

7、-熔融塔,加氫重整后得到：輕油 非芳烴 苯 甲苯 二甲苯 高級(jí)芳烴,目的產(chǎn)物,目的產(chǎn)物為對(duì)二甲苯, 原料：石腦油 沸程120230K, 特點(diǎn)：, 涉及到分離過(guò)程：精餾：4、7、8 萃?。?、6 結(jié)晶：10,總 結(jié)： 原料的凈化與粗分 反應(yīng)產(chǎn)物的提純 藥物的精制和提純 精選金屬的提取 食品除水、除毒、病毒分離、同位數(shù)分離 三廢處理,返回,1.1.2 分離過(guò)程在清潔工藝中的地位與作用 清潔工藝：生產(chǎn)工藝和防治污染有機(jī)的結(jié)合，將污染物減少或消滅在工藝過(guò)程中。 面向21世紀(jì)社會(huì)和經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的重大課題。,化學(xué)工業(yè)污染來(lái)源：,未回收的原料 未回收的產(chǎn)品 有用和無(wú)用的副產(chǎn) 原料中的雜質(zhì) 工藝的物料損耗,

8、清潔工藝終合考慮： 合理的原料選擇； 反應(yīng)路徑的清潔化； 物料分離技術(shù)的選擇； 確定合理的流程和工藝參數(shù)。 核心： 化學(xué)反應(yīng) 廢物最小化首先考慮催化劑、反應(yīng)工藝和設(shè)備。,與化工分離過(guò)程密切相關(guān)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、循環(huán)利用率； 開(kāi)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)裝置的閉路循環(huán)技術(shù)； 處理生產(chǎn)中的副產(chǎn)物和廢物，使之減少和消除對(duì)環(huán)境的危害； 研究、開(kāi)發(fā)和采用低物耗、低能耗、高效率的“三廢”治理技術(shù)。,閉路循環(huán)系統(tǒng)： 將過(guò)程所產(chǎn)生的廢物最大限度地回收和循環(huán)使用。,1單元過(guò)程；2處理,實(shí)現(xiàn)分離與再循環(huán)系統(tǒng)使廢物最小化的方法：

9、廢物直接再循環(huán) 例：廢水 進(jìn)料提純 例：氧化反應(yīng)采用純氧 除去分離過(guò)程中加入的附加物質(zhì) 例：共沸劑、萃取劑 附加分離與再循環(huán)系統(tǒng) 例：分離廢物中的有效物，循環(huán)使用,上述原因促使： 傳統(tǒng)分離過(guò)程不斷改進(jìn)和發(fā)展 例：反應(yīng)精餾；吸附； 新分離方法不斷出現(xiàn)和實(shí)現(xiàn)工業(yè)化應(yīng)用 例：膜分離；熱擴(kuò)散；色層分離；,返回,1.2 傳質(zhì)分離過(guò)程的分類和特征,一類：機(jī)械分離,特點(diǎn)：被分離物為非均相 簡(jiǎn)單的將混合物分開(kāi) 如：過(guò)濾、沉降,化工原理內(nèi)容,二類：傳質(zhì)分離 包含： 平衡分離過(guò)程；速率控制分離 特點(diǎn)：被分離物為均相,1.2 傳質(zhì)分離過(guò)程的分類和特征,1.2.1 平衡分離過(guò)程 1.2.2 速率分離過(guò)程,返回,1.2

10、.1 平衡分離過(guò)程,分離設(shè)備,混合物,產(chǎn)品,分離媒介,分離媒介：能量、物質(zhì)、壓力,平衡分離過(guò)程借助分離媒介，使均相混合物系統(tǒng)變 成兩相系統(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依據(jù)而實(shí)現(xiàn)分配。,平衡分離過(guò)程的分離單元操作,返回,1.2.2 速率分離過(guò)程,膜分離 熱擴(kuò)散,微孔過(guò)濾（MF）：,推動(dòng)力：壓力差（100kPa） 傳遞機(jī)理：篩分 膜類型：多孔膜,目的：溶液脫離子，氣體脫離子,超濾（UF）：,推動(dòng)力：壓力差（1001000kPa） 傳遞機(jī)理：篩分 膜類型：非對(duì)稱性膜,目的：溶液脫大分子，大分子溶液脫小分子，大分子分級(jí)。,反滲透（RO）：,推動(dòng)力：壓力差（100010000

11、kPa） 傳遞機(jī)理：優(yōu)先吸附毛細(xì)管流動(dòng)溶解、擴(kuò)散模型 膜類型：非對(duì)稱性膜或復(fù)合膜,目的：溶劑脫溶質(zhì)，含小分子溶質(zhì)溶液濃縮。,滲析（D）：,推動(dòng)力：濃度差 傳遞機(jī)理：篩分、微孔膜內(nèi)的受阻擴(kuò)散 透過(guò)物：小分子溶質(zhì)或較小的溶質(zhì) 截留物：截留0.02um離子、截留血液0.005um離子 膜類型：非對(duì)稱性膜或離子交換膜,目的：大分子溶質(zhì)溶液脫小分子，小分子溶質(zhì)溶液脫大分子。,電滲析（ED）：,推動(dòng)力：電化學(xué)勢(shì) 傳遞機(jī)理：反離子經(jīng)離子交換膜的遷移 膜類型：離子交換膜,目的：溶液脫小離子，小離子溶質(zhì)的濃縮、小離子的分級(jí)。,熱擴(kuò)散：,原理： 先建立穩(wěn)定的溫度梯度，氣體中較輕的組分向熱線方向飄逸，再建立穩(wěn)定的濃

12、度梯度，熱線附近的氣體由于密度較小流向上頂瓶；冷管壁附近的氣體由于密度較大向下底瓶流動(dòng)。,速率分離過(guò)程特點(diǎn)：,節(jié)能 環(huán)保優(yōu)勢(shì) 新的方法,返回,1.3.分離過(guò)程的集成化 目的：實(shí)現(xiàn)清潔工藝 使物料能量消耗最小； 經(jīng)濟(jì)效益、社會(huì)效益最大。,1.3.1反應(yīng)過(guò)程與分離過(guò)程的耦合 1.3.2分離過(guò)程與分離過(guò)程的耦合 1.3.3 過(guò)程的集成,返回,1.3.1反應(yīng)過(guò)程與分離過(guò)程的耦合 目的： 改善不利的熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)因數(shù)，減少設(shè)備、操作費(fèi)用、節(jié)約資源和能源。,化學(xué)吸收化學(xué)反應(yīng)與吸收相結(jié)合 被溶解的組分與吸收劑中的活性組分發(fā)生反應(yīng)，增加傳質(zhì)推動(dòng)力。 化學(xué)萃取化學(xué)反應(yīng)與萃取相結(jié)合 溶質(zhì)與萃取劑反應(yīng)。如：絡(luò)合反應(yīng)

13、；水解；聚合 反應(yīng)（催化）精餾化學(xué)反應(yīng)與精餾相結(jié)合 例：酯化、皂化、酯交換、胺化、水解 膜反應(yīng)器優(yōu)良分離性能與催化反應(yīng)相結(jié)合 例：利用多孔陶瓷膜催化反應(yīng)器，進(jìn)行丁烯脫氫制丁二烯。丙烷脫氫制丙烯。,控制釋放 將藥物或其他生物活性物質(zhì)以一定形式與膜結(jié)構(gòu)相結(jié)合，使這些活性物質(zhì)只能以一定速度通過(guò)擴(kuò)散等方式釋放到環(huán)境中。 膜生物傳感器 由生物催化劑酶或微生物與合成膜及電極轉(zhuǎn)換裝置組成，模仿生物膜對(duì)化學(xué)物質(zhì)的識(shí)別能力制成，為酶膜傳感器和微生物傳感器 。,返回,1.3.2分離過(guò)程與分離過(guò)程的耦合,復(fù)合分離過(guò)程 優(yōu)點(diǎn)：集原分離過(guò)程之所長(zhǎng)，避其所短。 適用于: 特殊物系的分離。 萃取結(jié)晶（加和結(jié)晶） 分離：揮發(fā)度相近的組分。 無(wú)機(jī)鹽生產(chǎn)（優(yōu)點(diǎn)：節(jié)能） 溶劑可萃取出部分水。,吸附蒸餾 氣一液一固三相分離過(guò)程 吸附分離優(yōu)點(diǎn) ： 分離因子高，產(chǎn)品濃度高，能耗低。 缺點(diǎn)：吸附劑用量大 ，收率低。 形成互補(bǔ) 電泳分離 不同蛋白質(zhì)在一定pH值的緩沖溶液中，其溶解度不同，在電場(chǎng)作用下，這些帶電的溶膠離子在介質(zhì)中的泳動(dòng)速度不同，實(shí)現(xiàn)不同蛋白質(zhì)的分離。,返回,1.3.3 過(guò)程的集成,一、傳統(tǒng)分離過(guò)程的集成 合理