高等分离工程相关知识

高等分离工程本课程简要介绍精馏、特殊精馏、萃取、膜分离、结晶等分离技术。1.化工分离工程与高新科技发展1.1 面向 21 世纪的化工分离工程分离装置占总投资 5090%1.2 分离过程的本质和分类本质：A分离有时是自发进行，混合有时不能自发进行。B总自由能决定体系是趋向分离，还是趋向混合，即G 总 =i+RTlnai=势能项+熵项a. 均相体系中只存在浓度差（熵项） ，自发混合b. 非均相体系中除浓度差外，还有各种相互作用势能，各组分趋向分配在低势能相，使自由能降低分类：按有无传质现象， （1）机械分离，特点是基于物理过程，如沉降、过滤；（2）传质分离，特点是基于物理化学过程，如平衡速率过程精馏与吸收、速率控制过程膜分离。按机理分类， （1）靠产生新相的分离，如精馏、结晶；（2）靠加入新相分离，如萃取、吸收；（3）用阻挡物分离，如膜分离；（4）用固体介质的分离，如吸附、离子交换；（5）靠势场或梯度的分离，如离心、电泳。1.3 混合物分离技术的选择见文献混合物分离技术的选择2.精馏2.1 精馏技术现代与发展方向2.2 精馏过程计算方法的研究简捷法（FUG 法）计算步骤： 根据工艺找出一对关键组分； 由清晰分割估算塔顶、塔底产物的量及组成； 根据塔顶、塔底组成计算相应的温度，求出相对挥发度； Fenska 法计算 Nm； Underwood 法计算 Rm，并选择适宜的 R； 确定适宜进料位置 根据 Rm、 R、N m，用 Gilliand 图求出 N。3.特殊精馏3.1 恒沸精馏恒沸精馏是指若在两组分恒沸液中加入第三组分(称为恒沸剂),该组分能与原料液中的一个或两个组分形成新的恒沸液，从而使原料液能用普通精馏方法分离的精馏操作。恒沸精馏可分离具有最低恒沸点的溶液、具有最高恒沸点的溶液以及挥发度相近的物系。3.2 萃取精馏萃取精馏和恒沸精馏相似，也是向原料液中加入第三组分(称为萃取剂或溶剂)，以改变原有组分间的相对挥发度而得以分离。不同的是，要求萃取剂的沸点较原料液中各组分的沸点高很多,且不与组分形成恒沸液。萃取精馏常用于分离各组分沸点(挥发度) 差别很小的溶液。例如，在常压下苯的沸点为 80.1,环已烷的沸点为 80.73 ,若在苯-环已烷溶液中加入萃取剂糠醛，则溶液的相对挥发度发生显著的变化。溶液中糠醛的摩尔分率 0 0.2 0.4 0.5 0.6 0.7相对挥发度 0.98 1.38 1.86 2.07 2.36 2.73.3 溶盐精馏加盐精馏的原理和萃取精馏相似，只是添加剂用不挥发的可溶性盐。对盐在其中溶解度较大的组分，它的分子与盐分子之间的作用力较大，挥发度降低的程度也较大；反之溶解度较低的组分，挥发度降低的程度也较低。因此，相对挥发度比未加盐时显著增大，从而有利于采用蒸馏的方法予以分离。对一些能够形成恒沸物的溶液，加盐使相对挥发度发生变化，能够使恒沸物的组成改变或消除恒沸物，从而使分离容易进行。3.4 隔板精馏分壁精馏塔实质就是在塔内部增设一个竖立的隔板，将常规精馏塔的内部一分为二，在一个精馏塔内同时完成传质和传热过程。3.5 反应精馏反应精馏就是在进行反应的同时用精馏方法分离出产物的过程反应精馏有以下特点：（1）节省设备投资。反应精馏将反应和分离耦合在一个设备中进行，大大简化了工艺流程，从而节省了设备投资。（2）节省能耗。对于放热反应来讲，放出的热量能够供给于精馏过程，降低了整个系统的加热量；对于吸热反应来讲，反应精馏可以给反应和精馏通过再沸器集中供热，效率高于分别供热，也可降低整个系统的能耗。（3）转化率高，选择性好。反应精馏能够及时移走生成物，打破反应平衡的限制，提高反应转化率；对于连串反应或有副反应的，通过控制操作温度等参数可抑制副反应的进行，从而提高了目的产物的选择性。（4）易于实现原有工艺的改造。一般来讲，通过增加催化剂段取代塔板或者填料段，或添加催化剂进料口，即可完成普通精馏塔向反应精馏塔的改造。（5）反应精馏还可有效避免共沸物的大量存在给后续分离带来的困难。3.6 分子精馏分子蒸馏是一种在高真空下操作的蒸馏方法，这时蒸气分子的平均自由程大于蒸发表面与冷凝表面之间的距离，从而可利用料液中各组分蒸发速率的差异，对液体混合物进行分离。4.萃取分离分配定律：在一定温度和压力下，如果一种物质溶解在两个同时存在的互不混溶的液体中，达到平衡后，若溶质在两液体中分子形态相同，该物质在两相中的浓度比等于常数。K=cA/cB分配比： D=有机相中各形 态总浓 度水相中各形 态总浓 度 =()()D=1：两相中浓度相等；D ：溶质几乎被有机相萃取；D0：无法被有机相萃取。萃取率： E=溶 质 在有机相的量溶 质 在两相中 总 量 100%一次萃取： E=()()()()+()()100%c(o)：溶质在有机相的浓度；V (o):有机相体积；c(w)：溶质在有机相的浓度；V (w):有机相体积.与分配比的关系： 100%=E= +()() +1R100%R：()()经 n 次萃取后，水相中平衡浓度：=0( ()()+()()4.1 化学萃取化学萃取是在萃取过程中伴有化学反应,即在溶质与萃取剂之间存在化学作用。典型反应：络合反应、阳离子交换反应、离子缔合反应、加合反应、带同萃取反应4.2 膜萃取膜萃取是膜技术与萃取过程相结合的新型膜分离技术，与通常的萃取中液相以细小液滴的形式分散在另一液相中进行两相接触情况不同，膜萃取中两相是在微孔膜表面相互接触而进行物质传递的。因此，膜萃取具有以下优点：1.通常萃取要分相，而膜萃取不用分相，因而减少夹带损失；2.由于分相，对萃取剂选择有密度要求，而用膜萃取不需分相，因而可选取苯取效果好而密度与水相近的萃取剂，3.便于连续生产、自动化操作。4.3 超临界萃取超临界为超临界流体，是介于气液之间的一种既非气态又非液态的物态，这种物质只能在其温度和压力超过临界点时才能存在。超临界流体的密度较大，与液体相仿，而它的粘度又较接近于气体，因此超临界流体是一种十分理想的萃取剂。超临界流体的溶解能力取决于萃取的温度和压力。利用这种特性，只需改变萃取剂流体的压力和温度，就可以把样品中的不同组分按在流体中溶解度的大小，先后萃取出来。CO2：临界压力：7.390MPa临界温度：31.060临界密度：0.448g/cm 34.4 双水相萃取某些亲水性高分子聚合物的水溶液超过一定浓度后可以形成两相，并且在两相中水分均占很大比例，即形成双水相系统（aqueous two-phase system,ATPS） 。5.膜分离5.1 概述5.2 反渗析和纳滤5.2.1 反渗析（RO） ，又称逆渗透，一种以压力差为推动力，从溶液中分离出溶剂的膜分离操作。因为它和自然渗透的方向相反，故称反渗透。根据各种物料的不同渗透压，就可以使用大于渗透压的反渗透压力，即反渗透法，达到分离、提取、纯化和浓缩的目的。操作压力（210）MPa5.2.2 纳滤（NF） ，是一种介于反渗透和超滤之间的压力驱动膜分离过程，纳滤膜的孔径范围在几个纳米左右。用于将相对分子质量较小的物质，如无机盐或葡萄糖、蔗糖等小分子有机物从溶剂中分离出来。纳滤又称为低压反渗透，其分离性能介于反渗透和超滤之间，允许一些无机盐和某些溶剂透过膜，从而达到分离的效果。5.3 超滤和微滤5.3.1 超滤（UF）是一种加压膜分离技术，即在一定的压力下，使小分子溶质和溶剂穿过一定孔径的特制的薄膜，而使大分子溶质不能透过，留在膜的一边，从而使大分子物质得到了部分的纯化。膜孔径在 201000A之间，通过膜表面的微孔筛选可截留分子量为 3x100001x10000 的物质。5.3.2 微滤（ MF）又称微孔过滤，是以多孔膜（微孔滤膜）为过滤介质，在0.10.3MPa 的压力推动下，截留 0.11 微米之间的颗粒（如溶液中的砂砾、淤泥、黏土等颗粒和一些细菌等） ，而大量溶剂、小分子及少量大分子溶质都能透过膜的分离过程