化工分离新技术课件

2、场分离

场分离包括电泳、热扩散、高梯度磁力分离等。热扩散属场分离的一种,以温度梯度为推动力,在均匀的气体或液体混合物中出现分子量较小的分子(或离子)向热端漂移的现象,建立起浓度梯度,以达到组分分离的目的。该技术用于分离同位素、高粘度的润滑油,并预计在精细化工和药物生产中可得到应用。传质分离过程的能量消耗,常构成单位产品成本的主要因素之一,因此降低传质分离过程的能耗,受到全球性普遍重视。膜分离和场分离是一类新型的分离操作,由于其具有节约能耗,不破坏物料,不污染产品和环境等突出优点,在稀溶液、生化产品及其他热敏性物料分离方面,有着广阔的应用前景。研究和开发新的分离方法和传质设备,优化传统传质分离设备的设计和操作,不同分离方法的集成化,化学反应和分离过程的有机结合,都是值得重视的发展方向。（三）传质设备

应用于平衡过程的设备，其功能是提供两相密切接触的条件，进行相际传质，从而达到组分分离的目的。性能优良的传质设备,一般应满足以下要求:(1)单位体积中,两相的接触面积应尽可能大,两相分布均匀,避免或抑制短路及返混;(2)流体的通量大,单位设备体积的处理量大;(3)流动阻力小,运转时动力消耗低;(4)操作弹性大,对物料的适应性强;(5)结构简单,造价低廉,操作调节方便,运行可靠安全。传质设备种类繁多,而且不断有新型设备问世,可按照不同方法进行分类。按所处理物系的相态可分为:气(汽)液传质设备(用于蒸馏及吸收等),液液传质设备(用于萃取等),气固传质设备(用于干燥、吸附),液固传质设备(用于吸附、浸取、离子交换等)。

按两相的接触方式可分为:分级接触设备(如各种板式塔,多级流化床吸附等)和微分接触设备(如填料塔、膜式塔、喷淋塔、移动床吸附柱等)。在级式接触设备中,两相组成呈阶梯式变化,而在微分接触设备中,两相组成沿设备高度连续变化。此外,对于气固和液固传质设备,还可按固体的运动状态分为固定床、移动床、流化床和搅拌槽等。其中流化床传质设备采用流态化技术,将固体颗粒悬浮在流体中,使两相均匀接触,以实现强化传热、传质和化学反应的目的。传质设备在石油、化工、轻工、冶金、食品、医药、环保等工业部门的整个生产设备中占很大比例。因此,合理选择设备,完善设备设计,优化设备操作,对于节省技资,减少能耗,降低成本,提高经济效益,有着十分重要的意义。1.5分离过程的开发及方法化工技术开发一般包括开发基础研究、过程研究及工程研究三个方面：（1）开发基础研究针对项目的应用性基础研究和工艺特征研究。以实验室研究为主体。（2）过程研究进行工艺、产品、设备等的工程放大试验,包括模型试验、微型中试、中间试验、原型装置试验及工业试验的全部过程或部分过程。（3）工程研究包括技术经济评价、概念设计、数学模型、放大技术及基础设计等。所以,化工新技术开发不外乎有三个关键环节:概念形成到课题的选定、技术与经济论证(可行性)和放大技术。其中，放大技术是研究开发的核心。放大技术可以采用数学模型方法、逐级经验放大、工程理论指导放大和参照类似工业装置放大等方法。对于一个缺乏参照系统的新的传质分离操作来说，前两种方法更为常用。1、逐级经验放大

其基本步骤是:进行小试,确定操作条件和设备形式,以及可望达到的技术经济指标。确定的依据是最终产品质量、产量和成本,并不考虑过程的机理。小试之后进行规模稍大的中试,以确定设备尺寸放大后的影响(放大效应),然后才能放大到工业规模的大型装置。在处理物料复杂或对选用的分离方法缺少经验时,放大把握不大,则上述每级试验放大的倍数就小,往往需经多级中间试验。逐级经验放大有以下四个基本特点:①着眼于外部的联系,即仅考虑变量与结果间关系,不研究过程的内部规律;②着眼于综合研究,不试图进行复杂过程的分解;③决策步骤是人为的,不是科学论证的结果。由于上述开发的基本步骤和每步的目的均忽略了结构变量、操作变量和几何变量间的有机联系和相互影响,因此小试中最优的条件往往到中试就不一定是最优,更不要说放大到工业规模了。但从现实性和经济性考虑,逐级经验放大的步骤又只能如此。这样便造成逐级经验放大既费事,又不十分可靠;④放大过程是外推的,而外推往往是不可靠的。因此经验放大有一定的风险,问题愈复杂,每次放大的倍数就愈小。由于逐级经验放大需数次进行真实性的、仅规模小些的试验,必然耗资大,开发周期长,且因化工生产中变量很多,要全面寻优的实验工作量太大,实际上也做不到,所以可靠的最优结果往往得不到。2.数学模型方法

此法基于对过程本质的深刻理解,将复杂过程分解为多个较简单的子过程,再根据研究的目的进行合理简化,得出物理模型;应用物理基本规律及过程本身的特征方程对物理模型进行数学描述,得到数学模型,如是微分方程,还需建立初始条件和边界条件;对数学模型进行分析解或数值解,得到设计计算方程。这些方程中包含有模型参数,需通过简化试验(即不一定是实际物系、实际操作条件)确定它们。接着,应用计算机进行复杂过程的综合研究和寻优,得到最优结果。最后,需进行中间试验检验结果的可靠性。数学模型法尽管在方法的逻辑上合理,从方法论上说也很科学,与逐级经验放大方法相比,可以节省试验费用,缩短开发周期,结果比较可靠,但在化工中的实际应用至今仍然有限。主要原因在于化工过程太复杂,可靠又合理简化的数学模型难以建立。分离过程开发应达到下列目的:①合适的分离方法和流程;②优化的工艺操作条件;③分离设备的合理选型与几何尺寸的确定。实际上,上述两种开发方法是从两个侧面去完成上述目的的。如果待开发的过程和设备极其复杂,对它们理解甚少,那么往往需沿袭逐级经验放大法,试验将主要寻求设备的放大效应,得到放大判据。如果过程与设备都很简单,或者对它的理解比较透彻,通过合理的分解和简化完全可能得到可靠的数学模型,则试验将主要是验证数学模型,修正模型参数。因而,针对开发项目的技术特征应采用与之相适应的开发方法。例如,从合成气中脱除二氧化碳,由原来的水洗流程改为碳酸丙烯脂代替水为吸收剂。在取得相平衡数据和理论当量高度值后,可由模型试验直接放大到千倍以上的工业装置。工程技术人员梦寐以求应用数学分析方法直接解决开发方法,但往往由于实际过程的复杂性而却步。一般说,人们的认识多数介于上述两种开发方法之间,所以,成功的开发常常采用数学放大方法和逐级经验放大两者相结合的办法来实现。1.6分离方法的选择

随着科学技术的发展,分离方法愈来愈多,每种分离方法都有它的长处和不足。在开发过程中如果需要分离工序,首先应选择合适的方法,使之在技术上先进、经济上合理。下面仅提供一些准则,可作选择时参考。1、可行性要选择合适的分离方法,首先应考查它的可行性。也就是说,应用该方法是否可能获得所期望的结果。通过可行性判断,可以筛选合适的分离方法。2、产品价格产品价格有时也会影响到对分离方法的取舍。一个分离方法尽管可行,但其分离所得产品成本过高,就很难推广应用。因此,所选用的方法往往被要求能耗低、物耗低以保证产品的价格具有竞争能力。大规模生产的产品(分离过程)通常具有上述特点。3、产品热敏性有时产品对工艺技术的一些特殊要求也和选择分离方法有关。许多产品诸如生化制品、药品、食物、饮料等常会因受热而变质或失去营养成分,石油化工原料如苯乙烯等会在分离过程中因受热而产生自身聚合等,所以,应尽量选用速率控制分离过程。采用热分离时应慎重,尽量避免过热过冷对产品质量所造成的损害。4、物性与分子性质

对于大多数分离过程来说,分离因子对分离方法的选择可起指导作用,但起作用的根本原因还在于分子的特性。其中包括分子的体积、形状、偶极矩、极化强度、电荷和化学性质等。例如,对于蒸馏操作,通常把分离的难易归结于宏观量相对挥发度即蒸汽压的差别,但追其根本是取决于分手间吸力的强弱。分离因子：组分i和组分j在产品1中的摩尔分数的比值除以在产品2中的比值。5、经济因素上述1、3、4点的叙述中,往往把注意力集中在技术上的可行性。事实上,经济上的可行性亦往往是取舍某一分离方法的一个决定因素。过程的经济性应包括工程设计和开发费用,设备的投资和操作费用等。工程设计和开发费用的大小一般与这一过程所采用的设备是否是标准设备有关。非标设备愈多,花费愈大。这是因为标准设备已受生产检验并大规模生产,非标设备往往是单件生产,有时还必需付出开发和试验费的缘故。投资包括设备制造与安装费用,设备费用包括主设备和辅助设备全部费用。一般希望设备的几何形状,内部结构愈简单愈好。操作费用是操作人员工资、设备维修、折旧和质量控制等费用的总和。操作费用中原材料消耗和动力消耗往往占主要地位。在操作中最好避免少用非标机械、高速旋转的设备和易损坏难保养的设备。此外,气态和液态的物料显然比固体或泥浆状物料有较低的操作费用和更好的操作性能。6、安全与环保一个有远见的工程技术人员还必需在选定过程前定量地估计过程的安全性和由此可能带来的对生态环境的影响。例如，某些物质和氧气混合后极易出现爆炸，则真空操作应尽量避免。同样，深井水的采用从短期效果来看也许是可行的、经济的，但从长远观点来看，无节制的大量抽取地下水，往往会造成地层下陷，无论对经济和社会都会带来灾难性的效果。这些都应该慎重考虑。7、经验选用工业上现成的有成熟经验的分离方法几乎是一个常识性的问题。然而，要分离一个新的物系时，或选用在其他物系上已使用过的分离过程，或选用一种新的分离方法，都应先在较小的生产规模的装置上运行成功，才比较可靠。必须指出，新的分离方法一旦应用成功，往往会带来显著的经济效益，也促使了科学技术的进步。1.7分离过程的集成化

过程集成是20世纪80年代发展起来的过程综合领域中最活跃的分支。化工领域中，过程集成的基本目标是实施清洁工艺，使物料及能源消耗最小，达到最大的经济效益和社会效益。一、反应过程与分离过程的耦合为改善不利的热力学和动力学因素，减少设备和操作费用，节约资源和能源，分离过程与反应过程多种形式的耦合已经开发和应用。化学吸收是反应和分离过程耦合的单元操作，当被溶解的组分与吸收剂中的活性组分发生反应时，增加了传质推动力和液相传质系数，因而提高了过程的吸收率，降低了设备的投资和能耗。

化学萃取是伴有化学反应的萃取过程。溶质与萃取剂之间的反应类型很多，例如络合反应，水解、聚合、离解及离子积聚等。萃取机理也多种多样，例如中性溶剂络合、整合、溶剂化、离子交换、离子缔合、协同效应及带同萃取作用等。反应和精馏结合成一个过程形成了蒸馏技术中的一个特殊领域——反应(催化)精馏。它一方面成为提高分离效率而将反应和精馆相结合的一种分离操作；另一方面则成为提高反应收率而借助于精馆分离手段的一种反应过程。目前，已从单纯工艺开发向过程普遍性规律研究的方向发展。反应精馏在工业上应用是很广泛的，例如醋化、醋交换、皂化、胺化、水解、异构化、烃化、卤化、脱水、乙酰化和硝化等过程。催化精馏的典型应用是甲基叔丁基醚的生产。膜反应器是将合成膜的优良分离性能与催化反应相结合，在反应的同时，选择性地脱除产物，以移动化学反应平衡，或控制反应物的加入速度,提高反应的收率、转化率和选择性。如多孔陶瓷膜催化反应器进行丁烯脱氢制丁二烯，丙烧脱氢制丙烯；对氧化反应，用膜控制氧的加入量，减少深度氧化。膜反应器还用于控制生化反应中产物对反应的抑制作用，用膜循环发酵器进行乙醇等发酵制品的连续生产和用膜反应器进行辅酶反应等都具有很好的开发前景。控制释放是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的速度通过扩散等方式释放到环境中。其优点是可将药物浓度控制在需要的浓度范围，延长药效作用时间，减少服用量和服用次数。这在医药、农药、化肥的使用上都极有价值。膜生物传感器是模仿生物膜对化学物质的识别能力制成的，它由生物催化剂酶或微生物与合成膜及电极转换装置组成为酶膜传感器或微生物传感器。这些传感器具有很高的识别专一性，已用于发酵过程中葡萄糖、乙醇等成分的在线检测。目前膜生物传感器已作为商品进入市场。二、分离过程与分离过程的耦合

不同的分离过程耦合在一起构成复合分离过程，能够集中原分离过程之所长，避其所短，适用于特殊物系的分离。萃取结晶亦称加合结晶，是分离沸点、挥发度等物性相近组分的有效方法及无机盐生产的节能方法。对于无机盐结晶，某些有机溶剂的加入使待结晶的无机盐水溶液中的一部分水被萃取出来，促进了无机盐的结晶过程。例如，以正丁醇为溶剂萃取结晶生产碳酸钠。对于有机物结晶，溶剂的加入使原物系中某有机组分形成加合物；而使另一组分结晶出来。例如，以2-甲基丙烷为加合剂能从邻甲酚和酚的混合物中分离出酚。吸附蒸馏是吸附和蒸馏在同一设备中进行的气-液-固三相分离过程。吸附分离具有分离因子高、产品纯度高和能耗低等优点，但吸附剂用量大，收率低。而传统的蒸馏过程处理能力大，设备比较简单，工艺成熟。由这两个分离过程耦合的复合蒸馏过程能充分发挥各自的优势，弥补了各自的不足。它特别适用于共沸物和沸点相近物系的分离及需要高纯度产品的情况。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，这些带电的溶胶粒子在介质中的泳动速度不同，利用这种性质可以实现不同蛋白质的分离，该法称之为电泳分离。而电泳萃取是电泳与萃取耦合形成的新分离技术。电泳萃取体系由两个(或多个)不相混溶的连续相组成,其中一相含有待分离组分，另一相是用于接受被分离组分的溶剂，两相中分别装有电极，由于电场的作用，消除了对流的不利影响，提高了收率和生产能力。该分离技术在生物化工和环境工程中有较大的应用潜力。（人类基因测序）三、过程的集成1、传统分离过程的集成精馏、吸收和萃取是最成熟和应用最广的传统分离过程，大多数化工产品的生产都离不开这些分离过程。在流程中合理组合这些过程，扬长避短，才能达到高效、低耗和减少污染。2、传统分离过程与膜分离的集成传统分离过程工艺成熟，生产能力大，适应性强；膜分离过程不受平衡的限制，能耗低，适于特殊物系或特殊范围的分离。将膜技术应用到传统分离过程中，如吸收、精馏、萃取、结晶和吸附等过程，可以集各过程的优点于一体，具有广阔的应用前景。3、膜过程的集成如前所述，膜分离过程的类型很多，各有不同的特点和应用，它们的集成无疑能取长补短，提高总体效益。例如悬浮液原料的浓缩可采用一个膜过程的集成方案，将超滤、反渗透和渗透蒸馏组合在一起，能得到高固体含量的浓缩物产品，操作费用大大降低。甲基叔丁基醚（MTBE）MTBE一般是以甲醇和异丁烯为原料，借助酸性催化