传质分离过程教学绪论PPT.ppt

,传质分离过程 chemical separation engneering,课程简介,传质分离工程是化学工程学科的重要组成部分，是化学工程与工艺专业的一门专业必修课。本课程的任务是利用相平衡热力学、动力学的微观机理，传热、传质和动量传递理论来研究化工及其它相关过程中复杂物质的分离和纯化技术，分析和解决在化工生产、设计和科研中常用的分离过程的理论和实际问题。 通过本课程的学习，要求我们 1）正确理解化工分离工程的有关基本概念和理论； 2）理解各概念之间的联系和应用； 3）掌握化工分离工程的基本计算方法； 4）能够理论联系实际，灵活分析和解决实际化工生产 和设计中的有关问题；,主要任务 运用化工单元操作的基本知识、溶液相平衡理论、动量、热量和质量传递的原理来研究化工生产实际中复杂的物系的分离和提纯技术、分析和解决在化工生产、设计和科研中常用的分离过程的理论和实际问题；讨论分离设备的处理能力和效率，分离过程的节能技术和分离流量的选择；简要介绍膜分离、吸附、反应精馏等其它分离技术主分离过程的选择。,通过学习和应用化工分离过程的基本理论、概念和知识，掌握各种常用分离过程的基本理论，操作特点，简捷和严格的计算方法和强化、改进操作的途径，对一些新分离技术有一定的了解；通过对典型实例的分析和讨论，培养选择适宜的分离方法，进行分离过程特性分析，解决在操作和设计方面的实际问题的能力；从分离过程的共性出发，通过讨论各种分离方法的特征，培养和建立工程与工艺相结合的观点和经济学的观点，以及考虑和处理工程实际问题的能力。,先修课程： 物理化学、化工热力学、化工原理 同时进行的课程： 化工工艺学、化工过程分析与模拟 教材： 刘家祺 主编.传质分离过程.高等教育出版社,2005. 参考书： 邓修，吴俊生.化工分离工程. 科学出版社，2000. 陈洪纺 刘家祺.化工分离过程。化学工业出版社, 1995. 刘家祺 主编. 分离过程。化学工业出版社, 2002. j d seeder, e j henley. separation process principles. 化学工业出版社，2002.,主要内容,第1章 绪论 第2章 传质分离过程的热力学基础 第3章 气液传质分离过程 第4章 液液传质分离过程 第5章 传质分离过程的严格模拟计算 第6章 气固、液固传质分离过程 第7章 分离过程的节能优化与集成,第1章 绪论,1.1 概述 1.2 分离因子 1.3 分离过程的集成化 1.4 过程开发及方法 1.5 分离方法的选择,第1章 绪论 基本要求： 1)了解分离操作在化工生产中的重要性; 2)熟悉分离过程的分类; 3)掌握分离因子的概念及意义; 4)了解分离方法的选择;,什么是分离过程？ 纯组分变成混合物，是熵增自发过程，反之，混合物变成纯净物则需作功。,分 离 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。,1.1 概 述,why separate?,why,why,煤 石油 天然气 生物质,反应,化工 原料,分离,产品,一般化工生产过程：,化工生产,反应（reactive）,萃取物,（extractive natural raw material）,配制（formulation）,分离,分离,分离,一、分离过程的地位,例1：乙烯水合生产乙醇,加氢重整后得到： 轻烃类 非芳烃 苯 甲苯 二甲苯 高级芳烃,目的产物,目的产物为对二甲苯, 原料：石脑油 沸程120230k, 特点：,例2：二甲苯生产,炼油、石油化工： 石油炼制工业通过炼油过程把原油加工为汽油、喷气燃料、煤油、汽油、燃料油、润滑油、石蜡油、石油沥青、石焦油和各种石油化工原料等； 石油化学工业以上述原料生产种类极多、范围极广的各种化学品，例如塑料、合成纤维、合成橡胶、合成洗涤剂、溶剂、涂料、农药、染料等； 炼油和石油化工过程紧密结合，各种分离操作是其生产过程必不可少的组成部分。,蒸馏是炼油和石油工业中最主要的分离操作过程之一。常压蒸馏和减压蒸馏按照沸程不同进行石油产品分离； 除此以外，萃取用于溶剂脱蜡，润滑油精制，溶剂脱沥青和芳烃抽提等；吸附用于分子筛脱蜡、c8芳烃分离、烯烃和烷烃的分离等。,医药工业： 分离技术在保证药物生产及其质量中起着关键作用； 抗生素等发酵类医药产品的生产中，大量应用着过滤、萃取、吸附、膜分离、离子交换、结晶、干燥等分离技术； 在天然药物（如中药等）生产现代化过程中，超临界萃取、膜分离、先进的过滤、结晶、干燥等分离技术有用武之地。,冶金工业 湿法冶炼中矿物浸取和萃取分离过程溶剂萃取法： 铀是在工业中第一个使用溶剂萃取法提取和纯化的金属元素； 用溶剂萃取法从铜矿浸取液中提取铜，是二十世纪七十年代，在湿法冶炼中取得的一项重要成就； 湿法提取过程也用于磷和硼等无机矿产的生产过程。,其他： 食品、乳品和饮料工业 材料工业 生化工业 环境保护 分离过程的重要性 原料净化 产品提纯 有效组分回收 污染物处理,典型的化工生产装置包括： 反应器；原料、中间产物和产品的分离设备； 泵、换热器； 分离贯穿化工过程，占有十分重要的地位。 分离过程的费用占总投资的5090。,原料 预处理 反应 分离 粗产品 精制 产品 分离工程 三废处理,二、分离过程在清洁工艺中的地位与作用,清洁工艺：生产工艺和防治污染有机的结合，将污染物减少或消灭在工艺过程中。 面向21世纪社会和经济可持续发展的重大课题。,化学工业污染来源：,未回收的原料 未回收的产品 有用和无用的副产 原料中的杂质 工艺的物料省耗,清洁工艺终合考虑： 合理的原料选择； 反应路径的清洁化； 物料分离技术的选择； 确定合理的流程和工艺参数。 核心： 化学反应 废物最小化首先考虑催化剂、反应工艺和设备。,与化工分离过程密切相关的有： 降低原材料和能源的消耗，提高有效利用率、回收利用率、循环利用率； 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； 采用生产装置的闭路循环技术； 处理生产中的副产物和废物，使之减少和消除对环境的危害； 研究、开发和采用低物耗、低能耗、高效率的“三废”治理技术。,闭路循环系统： 将过程所产生的废物最大限度地回收和循环使用。,1单元过程；2处理,实现分离与再循环系统使废物最小化的方法： 废物直接再循环 例：废水 进料提纯 例：氧化反应采用纯氧 除去分离过程中加入的附加物质 例：共沸剂、萃取剂 附加分离与再循环系统 例：分离废物中的有效物，循环使用,上述原因促使： 传统分离过程不断改进和发展 例：反应精馏；萃取精馏； 新分离方法不断出现和实现工业化应用 例：膜分离；泡沫分离；热扩散；色层分离；,二、分离过程的分类,（一）分离过程的分类,级数：,相态：,有无传质发生：,单级、多级,固固、固液、固气、气液、液液、气气,机械分离、传质分离,处理两相以上的混合物 如过滤、沉降、离心分离等。,处理均相混合物,按物理化学原理的不同，传质分离可分为：,（二）传质分离过程的分类,平衡分离过程：,速率分离过程：,借助分离剂使均相混合物变成两相系统，再利用混合物中各组分在处于相平衡的两相中的不等同分配而实现分离。,在某种推动力（浓度差、压力差、温度差、电位差等）的作用下，利用各组分扩散速率的差异实现分离。,如精馏、吸收、萃取、结晶、吸附等。,如微滤、超滤、反渗透、电渗析等。,1）平衡分离过程,平衡分离过程的分离单元操作,2）速率控制分离过程,微孔过滤（mf）：,推动力：压力差（100kpa） 传递机理：筛分,目的：溶液脱粒子，气体脱粒子,膜分离，如超滤、反渗透、渗析和电渗析等。,超滤（uf）：,推动力：压力差（1001000kpa） 传递机理：筛分,目的：溶液脱大分子，大分子溶液脱小分子，大分子分级。,反渗透（ro）：,推动力：压力差（100010000kpa） 传递机理：扩散模型,目的：溶剂脱溶质，含小分子溶质溶液浓缩。,渗析（d）：,推动力：浓度差 传递机理：筛分、微孔膜内的扩散 透过物：小分子溶质或较小的溶质 截留物：截留0.02um离子、截留血液0.005um离子,目的：大分子溶质溶液脱小分子，小分子溶质溶液脱大分子。,又称透析。利用半透膜能透过小分子和小离子但不能透过胶体粒子的性 质从溶胶中除掉作为杂质的小分子或离子的过程。,电渗析（ed）：,推动力：电化学势 传递机理：反离子经离子交换膜的迁移,目的：溶液脱小离子，小离子溶质的浓缩、小离子的分级。,热扩散：,原理： 先建立稳定的温度梯度，气体中较轻的组分向热线方向飘逸，再建立稳定的浓度梯度，热线附近的气体由于密度较小流向上顶瓶；冷管壁附近的气体由于密度较大向下底瓶流动。,场分离，如电泳、热扩散、超速离心分离等。,1.2 分离因子,（1）分离因子的定义 假设要将i、j两组分构成的混合物分离成1、2两种产品，两种产品中两组分的含量分别用xi1、xj1、xi2、xj2表示。比较这两个组分在两种产品中的含量关系，就可以判定这两个组分在两种产品中的分离程度：,分离因子与1的偏离程度表示组分之间分离的难易程度。 当ij1时，两组分在两产品中的含量相同，无法实现分离； 当ij接近1时，两组分在两产品中的含量相近，难以实现分离； 当ij远离1时，两组分在两产品中的含量差别大，容易实现分离。 精馏中，分离因子又称为相对挥发度，它相对于汽液平衡常数而言，对温度和压力的变化不敏感，可近似看作常数，使计算简化。,（2）分离因子的意义 1）双组分中的相对挥发度 已知a、b两组分挥发度为： 由dalton分压定律可知：pa+pb=p，而pa=yap，pb=ybp，所以： 2）液液萃取的选择性系数 已知a、b两组分在两相中的分配系数为： 则其选择性系数为：,1.3.分离过程的集成化 目的：实现清洁工艺 使物料能量消耗最小； 经济效益、社会效益最大。,1.3.1反应过程与分离过程的耦合 1.3.2分离过程与分离过程的耦合 1.3.3 过程的集成,1.3.1反应过程与分离过程的耦合 目的： 改善不利的热力学和动力学因数，减少设备、操作费用、节约资源和能源。,化学吸收化学反应与吸收相结合 被溶解的组分与吸收剂中的活性组分发生反应，增加传质推动力。 化学萃取化学反应与萃取相结合 溶质与萃取剂反应。如：络合反应；水解；聚合 反应（催化）精馏化学反应与精馏相结合 例：酯化、皂化、酯交换、胺化、水解 膜反应器优良分离性能与催化反应相结合 例：利用多孔陶瓷膜催化反应器，进行丁烯脱氢制丁二烯。丙烷脱氢制丙烯。,控制释放 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速度通过扩散等方式释放到环境中。 膜生物传感器 由生物催化剂酶或微生物与合成膜及电极转换装置组成，模仿生物膜对化学物质的识别能力制成，为酶膜传感器和微生物传感器 。,1.3.2分离过程与分离过程的耦合,复合分离过程 优点：集原分离过程之所长，避其所短。 适用于: 特殊物系的分离。 萃取结晶（加和结晶） 分离：挥发度相近的组分。 无机盐生产（优点：节能） 溶剂可萃取出部分水。,吸附蒸馏 气一液一固三相分离过程 吸附分离优点 ： 分离因子高，产品浓度高，能耗低。 缺点：吸附剂用量大 ，收率低。 形成互补 电泳分离 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，这些带电的溶胶离子在介质中的泳动速度不同，实现不同蛋白质的分离。,1.3.3 过程的集成,一、传统分离过程的集成 合理组合传统分离过程，扬长避短，达到高效、低耗和减少污染的目的。 共沸精馏与萃取集成,优点：无污染,二、传统分离过程与膜分离的集成 将膜技术应用到传统分离过程中 渗透蒸发 用来分离挥发性液体混合物，恒沸、近沸点物系。 蒸汽渗透 例：发酵液脱水制无水乙醇 水与醇形成二元共沸物，共沸点:78.15， x=0.894（mol） 三、膜过程的集成 优点：取长补短 例：分离悬浮液为高固体含量物料 将超滤、反渗透、渗透蒸馏组合在一起。,1.4 过程开发及方法,（1）化工技术开发 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。 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、中试及工业试验等的全部或部分过程。 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。,（2）放大技术的常用方法 过程放大的方法有逐级经验放大法、数学模型法、工程理论法和参照法四种，常用的是前两种。 1）逐级经验放大法 以小试扩大试验中试工业化试验的程序，通过逐级试验获取参数来达到目的。稳妥，但耗费大。 2）数学模型法 根据过程的内在规律，建立准确描述过程的数学模型，通过合理的简化后，利用计算机求解得到相关的参数。,（3）分离过程开发应达到的目的 1）合适的分离方法和流程 通常通过小试研究来实现分离方法的选择和分离流程的 确定。 2）优化的工艺操作