《化工分离工程》PPT课件-第1讲绪论.ppt

化工分离工程,第一讲 绪论,主要内容,分离过程在化工生产中作用,分离过程的分类及特征,本课程的教学目的及要求,化学工业与化工过程,化工分离技术发展简述,化工分离技术是随着化学工业的发展而逐渐形成和发展的。现代化学工业开始于18世纪。当时，纯碱、硫酸等无机化学工业成为现代化学工业的开端。19世纪以煤为基础原料的有机化工发展起来。开始涉及分离问题，如苯、甲苯、酚等化学品提纯应用了吸收、蒸馏、过滤、干燥等分离操作。19世纪末，20世纪初石油炼制的发展促进了化工分离技术的成熟与完善。进入20世纪70年代以后，化工分离技术更加高级化，应用也更加广泛。同时，化工分离技术与其它科学技术相互交叉渗透产生一些更新的边缘分离技术，如生物分离技术、膜分离技术、环境化学分离技术、纳米分离技术、超临界流体萃取技术等等。,化学工业,对原料如石油，煤等原料进行化学或物理加工加工，改变物质的结构或组成，或合成新物质,获得各种有用产品的制造工业,化工过程 (industry chemical processes),chemical process is is a chemical engineering units in which raw materials are changed or separated into usefull products,分离过程（separation processes),the separation process is a chemical engineering units to separate chemical mixtures into their constituents,分离过程（separation processes),两种或多种物质的混合过程是一个自发过程，而将混合物分离须采用分离手段并消耗一定的能量或分离剂，分离技术系指利用物理，化学或物理化学等基本原理与方法将某种混合物分离成两个或多个组成彼此不同的产物的一种单元过程,借助一定的分离剂，实现混合物中的组分分级（fractionalization）、浓缩（concentration）、富集（enrichment）、纯化（purification）、精制（refining）与隔离（isolation）等的过程称为分离过程。,分离工程的地位,化学工程学科专业知识体系,化 学 工 程 学 科,基础理论体系,专业基础理论及专业,专业基础理论体系,专业课程体系,无机化学,有机化学,生物化学,分析化学, 物理化学,高等数学,工程数学,物理学等,化学动力学及热力学,化工原理,化工传递过程,化学反应工程,化工热力学,化工分离工程,化工系统工程,化学工程学科的两个基本问题,过程的平衡,限度,过程的速度,反应过程,物理过程,化工热力学研究的问题,化学动力学和反应工程研究的问题,单元操作和传递过程研究的问题,化学动力学研究化学反应的动力学规律,化学反应工程研究实现过程的设备,传递过程研究过程的速率与传递机理,单元操作侧重过程的设备与工程问题,分离工程研究应用质量传递原理实现组分分离的基本原理及工程化问题,分离过程在化工过程中的作用,为化学反应过程提供符合要求的原料，清除对反应和催化剂有害的杂质，减少副反应的发生，提高产品的收率。 对化学反应中的反应产物进行分离提纯，得到合格的各种化工产品，同时使未反应的反应物循环利用 分离过程在环境保护和充分利用资源、实现可持续发展方面也具有重要的作用。,石油炼制过程基本流程,石油化工过程框图,乙烯装置工艺流程图,分离过程的地位和作用,1、化工反应过程中未反应的原料 2、化工生产过程中未能完全回收的产品 3、化工生产中有用和无用的副产物 4、化工原料中的杂质 5、化工工艺中的物料损耗等等,分离过程在工业生产中的地位和作用,分离过程是将混合物分成组成相互不相同的两种或几种产品的操作。一个典型的化工生产装置通常是由一个反应器（有时多于一个）和具有提纯原料、中间产物和产品的多个分离设备以及机、泵、换热器等构成。分离操作一方面为化学反应提供符合质量要求的原料，清除对反应或催化剂有害的杂质，减少副反应和提高收率；另一方面对反应产物进行分离提纯以得到合格的产品，并使未反应的反应物得以循环利用。此外，分离操作在环境保护和充分利用资源方面起着特别重要的作用。因此，分离操作在化工生产中占有十分重要的地位，在提高生产过程的经济效益和产品质量中起举足轻重的作用。对大型的石油工业和以化学反应为中心的石油化工产生过程，分离装置的费用占总投资的5090%。,无论化学、石油、冶金、食品、轻工、医药、生化和原子能等工业都广泛应用分离过程。古代煤用于直接燃烧, 为饮食和取暖。炼焦工业的兴起 , 使得煤经干馏获得焦炭和煤气 , 煤得到了初步的合理使用。但其副产煤焦油却长期被看作无用而有毒的废物。直到近代, 发现煤焦油是含有多种芳香族化合物的复杂混合物(达几百种物质), 用分馏的方法可以使苯、酚、萘和更复杂的芳香族化合物分开, 才使煤的综合利用臻于完善。同样, 从原油的直接燃烧到把它分馏为溶剂油、汽油、煤油、柴油和重油(沥青)等各种组分并加以利用和再加工, 直到形成现代庞大的石油炼制和石油化工体系。都是分离过程成功应用于化工生产的典型例子。干燥过程的应用遍及各行各业。谷物的含水量从收获时约30%35%干燥到13%就可延长储存期一年。食品含水量低于5%, 微生物难以生存, 酶难以作用, 可长期保持香昧和营养。聚氯乙烯颗粒含水量小于千分之二，可保证聚合加工成型时不出现气泡和增加塑料制品的强度。此外, 建材、木材、布匹、 纸张、皮革、药物、油漆等等无不涉及干燥。据统计, 仅化工产品就有20万种以上需要干燥作业。,分离过程在工业生产中的地位和作用,随着工业的现代化, 科学研究和生产技术向着高质量、高纯度、精密加工、微型化和高技术密集型发展 , 而这些都必须有分离过程的密切配合。就以半导体与电子技术为例, 高质量、高纯度的材料超纯水、半导体锗和硅, 以及载气氮、氦等, 其纯度都要在99.99%以上, 有的甚至达到99.9999%。这类产品的微型化, 使集成电路的线距仅1m。彩色显像管装配封口后, 管内不得含有微粒, 否则在屏幕上会因折射而出现闪烁亮点而导致报废, 于是, 无论载气和装配车间的空气都必须经洁净处理到每升气体中所含大于0.5m的尘粒少于3.5个。仅洁净空气和纯水为例, 就已包括了沉降、湿法洗净、过滤、电除尘、絮凝、泡沫分离、电渗析、超滤、反渗透以及离子交换等如此多的分离单元操作。,分离过程在工业生产中的地位和作用,事实上，在医药、材料、冶金、食品、生化、原子能和环保等领域也都广泛地应用到分离过程。例如，药物的精制和提纯；从矿产中提取和精选金属；食品的脱水、除去有毒或有害成分；抗菌素的净制和病毒的分离；同位素的分离和重水的制备等都离不开分离过程。 随着现代工业趋向大型化生产，所产生的大量废气、废水、废渣更需集中排放。对各种形式的流出废物进行末端治理，使其达到有关的排放标准，不但涉及物料的综合利用，而且还关系到环境污染和生态平衡。如原子能废水中微量同位素物质，很多工业废气中的硫化氢、二氧化硫、氧化氮等都需妥善处理。近年来，由于能源紧张，石油提价，对分离过程的能耗要求越来越苛刻，随之对设备性能要求也越来越高。分离技术的应用越来越得到人们的高度重视。,分离过程在工业生产中的地位和作用,需要说明的是，分离技术不仅仅应用于化学工业。生产实践证明，将地球上各种各样的混合物进行分离和提纯是促进科技发展、提高和改善生活水平的一种重要途径。由于发明了冶炼术，把金属从矿石中分离出来，使人类从石器时代进入了铜器时代，开始向文明社会进步；放射性铀的同位素分离成功，迎来了原子能时代；将水和空气中微量杂质除去的分离技术，大幅提高了超大规模集成电器元件的成品合格率，使它得以商品化生产，同时集成度也大幅提高；深冷分离技术可从混合气体中分离出纯氧、纯氮和纯氢，获得了接近绝对零度的低温，为科学研究和生产技术提供了极为广阔的发展基础，为火箭提供了具有极大推动力的高能燃料；从水中去除盐和有素物质的蒸馏、吸附、萃取、膜分离等分离技术，使人们能从取之不尽的大海中提取淡水，从工、农业污水中回收干净水和其它有用的东西。当代工业的三大支柱是材料、能源和信息，这三大产业的发展都离不开新的分离技术。人类生活水平的进一步提高也有赖于新的分离技术。在21世纪，分离技术必将日新月异，再创辉煌。,分离过程在工业生产中的地位和作用,分离过程在清洁工艺中的地位和作用,清洁工艺也称少废无废技术，它是面向21世纪社会和经济可持续发展的重大课题，也是当今世界科学进步的主要内容之一。清洁工艺就是将生产工艺和防治污染有机地结合起来，将污染物减少或消灭在工艺过程中，从根本上解决工业污染问题。开发和采用清洁工艺，既符合“预防优于治理”的方针，同时又降低了原材料和能源的消耗，提高企业的经济效益，是保护生态环境和经济建设协调发展的最佳途径。因此清洁工艺是一种节能、低耗、高效、安全、无污染的工艺技术。就化学工业而言，清洁工艺的本质是合理利用资源，减少甚至消除废料的产生。化学工业是工业污染的大户，化工生产所造成的污染来源于： 1、未回收的原料； 2、未回收的产品； 3、有用和无用的副产品； 4、原料中的杂质； 5、工艺的物料损耗。,分离过程在清洁工艺中的地位和作用,与化工分离过程密切相关的化工清洁工艺包括有： 1、降低原材料和能源的消耗，提高有效利用率、回收利用率和循环利用率； 2、开发和采用新技术、新工艺，改善生产操作条件，以控制和消除污染； 3、采用生产工艺装置的闭路循环技术； 4、处理生产中的副产物和废物，使之减少或消除对环境的危害； 5、研究、开发和采用低物耗、低能耗、高效率的“三废”治理技术。,因此，清洁工艺的开发和应用离不开传统分离技术的改进，新分离技术的研究、开发和工业应用，以及分离过程之间、反应和分离过程之间的集成化。,闭路循环系统是清洁工艺的重要方面，其核心是将过程所产生的废物最大限度地回收和循环使用，减少生产过程中排出废物的数量,分离过程在清洁工艺中的地位和作用,如果工艺中的分离系统能够有效地进行分离和再循环，那么该工艺产生的废物就最少。实现分离与再循环系统使废物最小化的方法有以下几种： 1、废物直接再循环； 2、进料提纯； 3、除去分离过程中加入的附加物质； 4、附加分离与再循环系统； 清洁工艺除应避免在工艺过程中生成污染物，即从源头减少三废之外，生成废物的分离、再循环利用和废物的后处理也是极其重要的，而这后一部分任务在多是由化工分离操作承担和完成的。,分离过程在清洁工艺中的地位和作用,化工分離設備技術特點,(1)化工分離技術的多樣性,(2)化工分離技術的複雜性,(3)分離技術的前瞻性,(4)分離技術的特殊性,化工分離技術的多樣性,由於化工分離技術的應用領域十分廣泛，決定了分離技術的多樣性。按機理劃分，大致可分成5類：生成新相以進行分離(如蒸餾、結晶)；加入新相進行分離(如萃取、吸收)；用隔離物進行分離(如膜分離)；用固體試劑進行分離(如吸附、離子交換)；用外力場和梯度進行分離(如離心萃取分離和電泳等)，它們的特點和設計方法有所不同。,化工分離技術的複雜性,化工分離技術的重要性和多樣性決定了它的複雜性。即使對於精餾、萃取這些較為成熟的技術，多組分體係大型設備的設計仍是一項困難的工作，問題是缺乏基礎特性數據和大型塔器的可靠設計方法。對於高溫、高壓、多組分和強非理想體係，不僅平衡數據和分子擴散係數難以準確計算，就連界麵張力粘度等物性數據也難以求得。 催化劑和反應萃取之類的耦合分離技術的基礎特性數據更為缺乏。大型塔器設計的放大的主要難度在於塔內兩相流和傳質特性十分複雜，數字模型尚不完善。沿用了百餘年的平衡級模型雖然簡單直觀，但用於多組分分離過程的缺點已顯而易見。非平衡模型被稱為“可能開創板式分離設備設計和模擬新紀元“優點顯著，但缺乏傳質係數實驗數據和模型參數過多，使其工程應用存在困難。已開發出的軟件功能強大，已在工程設計中得到應用，但工程經驗和中試實驗仍是不可缺少的。,分離技術的前瞻性,隨著能源、資源、環境、新材料等基礎工業和高新技術的發展，分類技術麵臨著新的機遇和挑戰。石化領域的分離過程必需進一步節能和降耗，充分利用能源和資源。生產裝置大型化步伐正在加快，能耗和成本不斷降低。 在生物製藥工程方麵，隨著基因工程和細胞工程的發展，生物藥品得到迅速發展。利用co2作為溶劑的超臨萃取具有不汙染產品和選擇性高等優點。色譜分離、電泳分離等方法由於其高效、常溫常壓特點而成功地應用於生產及實驗室研究。隨著環境意識的加強，“三廢”處理引起了重視。從工業生態學的角度分析，許多工藝過程排出的“廢物“，不再是“無用”的，而是沒有完全利用的物質，“三廢處理”對分離技術是一種新的挑戰。,分離技術的特殊性,競爭促進了分離過程的強化，分離過程的強化包括新裝置新工藝方法兩個方麵。任何能使設備小型化、能量高效化和有利於可持續性發展的化工分離新技術均屬於分離過程的強化之列。這是化工分離技術發展的重要趨勢之一。 耦合分離技術受到關注。催化劑精餾、膜精餾、吸附精餾、反應萃取、絡合吸附、反膠團、膜萃取、發酵萃取、化學吸附和電泳萃取等新型耦合分離技術得到了長足的發展，並實現了工業化。耦合分離技術可能解決許多傳統分離難以完成的任務。電動耦合色譜可以高效地分離維生素。 信息技術推動了分離技術的發展。分離科學和技術具有多學科交叉的特點，信息技術和傳統化工方法結合加速了分離技術的進步。,分离过程,传质分离过程,机械分离过程,平衡分离过程,速率分离过程,借助分离媒介使均相混合物形成两相,以混合物中不同组在处于平衡的两相中不同分布为依据实现混合物分离的过程,在某种推动力作用下(或在选择性膜的配合下),利用各组分扩散速度的不同实现组分分离的过程,分离过程分类,机械分离,利用机械力简单的将两相混合物相互分离的过程称为机械分离过程，他们的分离对象多为两相混合物，分离时相间没有物质传递发生，它们在化学工程中也有很重要的作用，如气固催化反应中固体催化剂的分离。但本课程不讨论这方面的内容。,平衡分离过程,平衡分离过程系借助分离媒介（如热能、溶剂、吸附剂等）使均相混合物系统变为两相系统，再以混合物中各组分在处于相平衡的两相中不等同的分配为依据而实现分离。 分离媒介可以是能量媒介（esa）或物质媒介（msa），有时也可以两种同时应用。根据两相状态不同 , 平衡分离过程可分为如下几类。 气液传质过程 : 如吸收、气体的增湿和减湿。 汽液传质过程 : 如液体的蒸馏和精馏。 液液传质过程 : 如萃取。 液固传质过程 : 如结晶、浸取、吸附、离子交换、色层分 离、参数泵分离等。 气固传质过程 : 如固体干燥、吸附等。,平衡分离过程,partial condensation, partial vaporization,1 feed mixture: species that differ widely in their tendency to vaporize or condense. 2 heat removed to partially condense a vapor feed and heat added to partially vaporize liquid feed. 3 principle of separation: difference in volatilities 4 created phase: liquid and/or vapor 5 separating agent: heat (esa),flash vaporization,partial vaporization by reducing the pressure of the feed. principle of separation: difference in volatilities created phase: vapor separating agent: pressure reduction,distillation,if volatility differences are not sufficiently large single partial vaporization or condensation step is not sufficient multiple stages principle of separation: difference in volatilities created or added phase: vapor and liquid separating agent: heat (work) transfer (esa),boilup,reboiler,stripping,reflux,rectifying,condenser,extractive distillation,if volatility differences are so small as to necessitate use of more than 100 trays. principle of separation: difference in volatilities created or added phase: vapor and liquid separating agent: liquid solvent (msa) and heat transfer (esa),absorption,if the feed is all vapor and the stripping section of the column is not needed to achieve the desired separation. usually does not require an esa, conducted at ambient temperature and high pressure. principle of separation: preferential solubility created or added phase: liquid separating agent: liquid absorbent (msa),reboiled absorption,if condensation of vapor leaving the top of the distillation column is not easily accomplished by heat transfer, a liquid msa called an absorbent may be introduced to the top tray in place of reflux principle of separation: difference in volatilities, preferential solubility created or added phase: vapor and liquid separating agent: liquid absorbent (msa) and heat transfer (esa,stripping,the inverse of absorption. a liquid mixture is separated by contacting liquid feed with a stripping agent ( a vapor). eliminates the need to reboil the liquid at the bottom of the column. important if the liquid is not thermally stable. principle of separation: difference in volatilities created or added phase: vapor separating agent: stripping vapor (msa),refluxed stripping,it is employed if simple stripping is not sufficient to achieve the desired separation and contacting trays are needed above the feed tray. principle of separation: difference in volatilities created or added phase: vapor and liquid separating agent: stripping vapor (msa) and heat transfer (esa),reboiled stripping,if the bottoms product from a stripper is thermally stable, it may be reboiled without using an msa principle of separation: difference in volatilities created or added phase: vapor separating agent: heat transfer (esa),azeotropic distillation,for constant boiling mixtures, separation by distillation is not possible. an entrainer (msa) is used which forms a heterogoneous minimum boiling azeotrope with one of the components in the mixture. principle of separation: boiling point differences caused by formation of a heterogeneous azeotropic mixture created or added phase: vapor and liquid separating agent: liquid entrainer (msa) and heat transfer (esa),azeotrope,( msa + i ),liquid-liquid extraction,used when distillation is impractical. the mixture to be separated is heat sensitive, volatility differences are much too small principle of separation: different solubilities of different species in the two liquid phases created or added phase: liquid separating agent: liquid solvent (msa),liquid-liquid extraction (two solvent),liquid-liquid extraction,drying of solids,many chemicals are processed wet but sold in dry, solid forms. drying is used to remove liquid from a solid by vaporizing the liquid. principle of separation: evaporation of water created or added phase: vapor separating agent: gas (msa) and/or heat transfer (esa),crystallization,desired product is finely divided solid. solution crystallization: the mixture is cooled and/or the solvent is evaporated to cause crystallization. melt crystallization: two or more soluble species, in the absence of a solvent, are separated by partial freezing. zone melting (refining): reverse of melt crystallization. used for removing impurity solids in metals by moving a molten zone slowly through an ingot. principle of separation: difference in freezing tendencies; preferential participation in crystal structure. created or added phase: solid (and vapor). liquid in zone melting separating agent: heat transfer (