化工分离工程教学课件PPT.ppt

1 2传质分离过程的分类和特征 一类 机械分离 特点 被分离物为非均相 将混合物简单分离 如 过滤 沉降 化工原理内容 二类 传质分离特点 被分离物为均相 包括 平衡分离过程 速率控制分离 1 2 1平衡分离过程 分离媒介 能量 物质 压力 借助分离媒介 使均相混合物系统分离为两相系统 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关系为依据而实现分离 1 2 2速率分离过程 膜分离热扩散 第2章单级平衡过程 2 1相平衡2 2多组分物系的泡点和露点计算2 3闪蒸过程的计算2 4液液平衡过程的计算2 5多相平衡过程 进行闪蒸计算之前 需要核实闪蒸问题是否成立 核实方法 第一步 假设闪蒸温度为进料的泡点温度 则 kizi 1 若 kizi 1 说明 第二步 假设闪蒸温度为进料的露点温度 则 zi ki 1 若 zi ki 1 说明 只有当tb t td时 才构成闪蒸问题 反之 若 kizi 1 则为过冷液体 若 zi ki 1 则为过热蒸汽 t tb t td 3 1设计变量3 2多组分精馏过程3 3萃取精馏3 4共沸精馏3 5反应精馏和加盐精馏 第3章多组分精馏和特殊精馏 例3 绝热简单平衡级 3 1 2装置的设计变量 例4 简单吸收塔 n块理论板串级 吸收塔设计变量 指定为理论板数或关键组分吸收率 3 1多组分精馏过程 3 2 1多组分精馏过程分析3 2 2最小回流比3 2 3最少理论塔板数和组分分配3 2 4实际回流比和理论板数3 2 5多组分精馏的简捷计算方法 3 2 1多组分精馏过程分析 一 关键组分 keycomponents na 串级数 2 分配器 1 侧线采出 0 传热单元 2 5 可调设计变量 对于多组分精馏 待定设计变量数仍是2 所以只能指定两个组分的浓度 其他组分的浓度则相应确定 通常 把由设计者指定分离要求的这2个组分称为关键组分 根据组分是否在精馏塔的两端都出现 可分为分配组分 distributingcomponent 和非分配组分 nondistributioncomponent 清晰分割 sharpsplitorsharpseparation 馏出液中除了重关键组分之外 没有其它重组分 釜液中除了轻关键组分之外 没有其它轻组分 定义 ab为相对挥发度的几何平均值 代入 3 7 式 可解出最少理论板数nm 3 8 fenske方程 1 进料板位置 把进料当作塔顶 或塔釜 2 各段理论板数 3 组分分配 将fenske方程变形可得各组分流量分配 列方程 将d w代入表中 完成物料衡算表 2 求最少理论板数 3 核实清晰分割的合理性 4 调整以前面结果为初值 进行试差 解得 d 38 54 w 61 47 完成物料衡算表 例3 3 计算已知 1 2 分离要求 解 选甲苯为lk 异丙苯为hk 二甲苯为中间关键组分 物料分配时要对二甲苯试差 1 设 依据相对挥发度估计 其他组分按清晰分割法处理 初算结果如下表 2 由初算结果核算 核算中间组分 核算lnh组分b 核算中间组分 5 重复3的计算 完善物料衡算表 3 2 4实际回流比 理论板数 进料位置 一 实际回流比r塔顶液相回流是保证精馏塔连续稳定操作的必要条件 回流比是影响精馏塔设备投资和操作费用的重要因素 回流比是精馏过程设计计算的重要参数 由经验取 r 1 1 1 5 rm 当r rop 总费用随r的增大而急剧增加 当r rop 总费用随r的减少而急剧增加 二 理论板数 有了实际回流比和最少理论板数 求实际理论板数常用的经验方法有 gilliland图 erbar maddox图 适用于相对挥发度变化不大的情况 适用于非理想性较大的情况 图3 9gilliland图图3 10erbar mddox gilliand图和拟合形式 用gilliand图简便 但不准确 回归的经验式为 已知x 由 3 16 或 3 17 解出y 在操作回流比下精馏段与提馏段理论板数之比等于在全回流下用fenske方程分别计算得到的精馏段与提馏段理论板数之比 三 适宜进料位置的确定 例3 4分离烃类混合物例3 1求出rm 1 306 例3 2求出nm 6 805和物料衡算表 本题求n 进料位置 解 1 求rr 1 25rm 1 634 3 确定进料位置 塔中实际板为18块 运用fenske方程 采用进料和馏出液中关键组分的摩尔比计算精馏段nm 2 萃取精馏的原理和溶剂的选择 1 溶剂的作用 设组分1和组分2组成的混合物 加入溶剂s进行分离 常压下的相对挥发度 液相活度系数可由三组分margules方程求算 若 p1s p2s 与温度关系不大 x1 x1 则 溶剂的作用 改变组分间的相互作用 稀释作用 提高溶剂的选择性可以 1 提高xs 即加大溶剂用量 稀释作用 2 选择适宜溶剂 改变组分相互作用 如使a1s 变大 正偏差 a2s 变小 负偏差 从而提高相对挥发度 与原溶液和溶剂的性质有关 3 24 溶剂的选择性 极性因素 非烃类混合物考虑分子极性例 分离甲醇 沸点64 7 丙酮 沸点65 5 a 选烃作溶剂 丙酮为难挥发组分 提高甲醇的挥发度 b 选水作溶剂 甲醇为难挥发组分 提高丙酮的挥发度 极性顺序 由小到大 考虑同系物 分离甲醇和丙酮混合物 可选择溶剂 甲乙酮 甲丙酮 甲基异丁酮等 或乙醇 丙醇 水 丁醇等 烃类物质lns12 v1 v2 与分子体积差成正比 v1 v2 v1 5 主要考虑物理作用 选极性高的溶剂 v1 v2 v1 5 体积接近 主要考虑溶剂的络合作用 3 4共沸精馏 共沸精馏又称恒沸精馏 分离原理 与萃取精馏基本相同 不同之处是共沸剂 夹带剂 携带剂 在影响原溶液组分的相对挥发度的同时 还要与原溶液中一个或多个组分形成共沸物 共沸物 恒沸物 定压下 加热溶液使之蒸发 从始到终x y t不变的溶液 共沸物特征 一个汽相 一个液相 均相一个汽相 多个液相 非均相 一 共沸物的特性及其组成的计算 科诺瓦洛夫定律指出 适用于二元和多元 p x曲线极值点 相当于汽液平衡相组成相等 共沸现象原因 真实溶液与理想溶液产生偏差 1 二元系 1 二元均相共沸物 系统压力不高时 汽相视为理想气体 共沸点处 共沸参数 x t p 共沸点 共沸组成 预测 2 三元系 计算方程 校核方程 四共沸精馏的计算 1 共沸剂用量的计算 共沸剂用量的确定用杠杆规则 ws sa f faws 共沸剂用量 例题 分离含乙醇90 摩尔分数 水10 的混合液制备无水乙醇 用苯作共沸剂 采用共沸精馏方法 乙醇 水 苯形成三元共沸物 其组成为乙醇22 水24 苯54 求共沸剂用量 可以得到多少无水乙醇 解 以100mol为准 设苯加入量为s 正好与水形成共沸物 1 水全部以共沸物形式由塔顶采出 对水作物料衡算 100 0 1 d 0 24d 41 67mol 2 苯全部以共沸物形式由塔顶采出 对苯作物料衡算 s d 0 54 22 50mol 3 对乙醇做全塔物料衡算 100 0 90 d 0 22 w乙醇w乙醇 80 83mol 反应精馏 在反应进行的同时 用精馏方法分离产物的过程 反应精馏的基本条件 化学反应的可逆性 物系有较大的相对挥发度 反应的温度压力条件与精馏过程相似 3 5反应精馏和加盐精馏 一 反应精馏 1 反应精馏的应用两种类型 1 利用精馏促进反应 2 通过反应促进精馏分离 1 利用精馏促进反应的反应精馏例 酯化 醋酸与乙醇生成醋酸乙酯 酯交换 醋酸丁酯与乙醇反应 皂化 氯丙醇皂化生成环氧丙烷 实现该反应精馏过程的基本条件 1 反应是快速可逆的 反应产物仅仅存在于塔内 2 添加剂必须选择性地与异构体之一反应 3 添加剂 异构体和反应产物沸点之间的关系符合精馏要求 1 反应过程与精馏分离条件相似 2 反应物和产物的相对挥发度应符合 所有产物的相对挥发度都大于或小于所有反应物的相对挥发度 所有反应物的相对挥发度都介于产物的相对挥发度之间 如果 反应精馏的局限性 无法采用反应精馏 1 盐效应盐加入非电解质水溶液中 非电解质溶解度发生变化 有盐析和盐溶效应 2 盐对气液平衡关系的影响对精馏分离 盐效应引起的气液平衡关系变化是最重要的 绝大多数含水有机物 加入盐后 可增加有机物的相对挥发度 盐可以移动含水有机物的共沸点 甚至消失 二 加盐精馏 人们发现 盐倾向于使液相中溶解盐较少的组分在气相中增浓 而且溶解度差别越大 对气液平衡影响越大 例如乙醇水溶液 宏观解释 溶盐后 蒸气压下降 由于不同组分对盐溶解度不同 蒸气压下降程度不同 例如cacl2对乙醇水溶液气液平衡的影响 cacl2在水中溶解度大于乙醇 所以水蒸气压下降程度大于乙醇蒸气压下降 乙醇对水的相对挥发度增加 微观解释 静电作用 相互反应 第五章液液萃取 5 1萃取过程与萃取剂5 2液液萃取的计算5 3其他萃取过程 萃取过程机理可分为四种类型 简单分子萃取 中性溶剂络合萃取 萃取剂与被萃取物结合成中性溶剂络合物进入有机相 主要有中性磷化合物萃取剂和含氧有机萃取剂 酸性阳离子交换萃取 萃取剂为弱有机酸或酸性螯合剂 与金属离子结合为中性螯合物 选择性高 主要有酸性磷萃取剂 螯合萃取剂 羧酸萃取剂 离子缔合萃取 萃取剂与被萃取物结合成离子缔合体进入有机相 萃取剂需具备两个条件 分子中有一个萃取功能基 主要是o n p s等原子 以o最多 分子中有相当长的链烃或芳烃 一般分子量以350 500为宜 萃取剂主要有4类 中性络合萃取剂 醇 酮 醚 酯 醛 烃等 酸性萃取剂 羧酸 磺酸 酸性磷酸酯 三 萃取剂 第6章多组分多级分离的严格计算主要内容及要求 学习并掌握多组分多级分离过程理论模型的建立及求解 重点 泡点法 bp法 流率加和法 sr法 第七章吸附 adsorption 7 1概述7 2吸附平衡7 3吸附动力学和传递7 4吸附分离过程 二 吸附过程的分类 根据作用力的不同 分为 物理吸附 physisorption 化学吸附 chemisorption 吸附过程包含的作用力 范德华力静电作用疏水作用氢键化学键 化学吸附 非共价作用 吸附过程的选择性 标准 分子量或大小吸附质形状极性静电电荷 空间 立体 化学性质 吸附分离的效果很大程度上取决于吸附剂的性能 工业吸附要求吸附剂满足以下要求 吸附能力大 具有较大的比表面 吸附容量大 选择性高 吸附剂对不同的吸附质具有不同的吸附能力 其差异愈显著 分离效果愈好 足够的机械强度 抗磨损 良好的物理及化学稳定性 耐热冲击 耐腐蚀 容易再生 易得 价廉 三 吸附剂 adsorbent 从技术经济性考虑 吸附分离方法要有现实意义 吸附量应达到0 1g g吸附剂 以上 吸附剂的比表面积一般应为数百 1000m2 g 高者可达3000m2 g 要达到这样大的表面积 必须使用多孔材料 典型的工业吸附剂可以被制成球状 圆柱体 片状或粉体 颗粒尺寸在50 m到1 2cm 比表面积在300 1200m2 g 吸附剂的主要结构特征 1 多孔结构 多孔 立体网状 2 较大的比表面积 选择性吸附是吸附剂的关键性质 根据吸附剂表面的选择性 吸附剂又分为 1 疏水吸附剂 2 亲水吸附剂 吸附特性 非极性吸附剂 在极性介质中 对非极性物质具有较强的吸附 高极性吸附剂 在非极性介质中 对极性物质具有较强的吸附 中等极性吸附剂 则对上述两种情况都具有吸附能力 1 组成结构 炭质吸附剂的总称 由木屑 兽骨 兽血或煤屑等原料高温 800 炭化而成 多孔网状结构 1 活性炭 activatedcarbon 非极性吸附剂 粉末活性炭 3 吸附特性 非极性吸附剂 在极性介质中 对非极性物质具有较强的吸附能力 吸附规律如下 对极性基团多的化合物的吸附力大于极性基团少的化合物 对芳香族化合物的吸附能力大于脂肪族化合物 对相对分子量大的化合物的吸附力大于相对分子量小的化合物 ph值的影响 碱性 中性吸附 酸性洗脱 酸性 中性吸附 碱性洗脱 温度 未平衡前 随温度升高而增加 吸附相中气体组成之比 e点 除以平衡气相中气体组成之比 r点 其商为分离因子 或相对挥发度 该数值越大 气体混合物越易分离 还有直角坐标相图 第八章结晶 crystallization 结晶分离过程特点 能从多组分的溶液或熔融液中分离出高纯或超纯的晶体 可用于难分离物系的分离 如同分异构体 共沸物 热敏性物质等 与精馏 吸收等分离方法相比 能耗低 结晶过程较复杂 8 2溶液结晶基础 一 溶解度 在一定温度下 某固体物质在100克溶剂里达到饱和状态时所溶解的质量 固体与其溶液之间的固液平衡关系可用溶解度表示 溶解度与物质化学性质 溶剂性质及温度有关 溶解度曲线 通过观察可知 有部分固体物质的溶解度随温度的升高而增大 例如硝酸钾 氯化铵 只有少数的溶解度受温度的影响很少 例如氯化钠 也有极少数物质的溶解度随温度的升高而减少 例如熟石灰 溶解度受温度的影响少 采用蒸发结晶法溶解度受温度的影响大 采用冷却结晶法 1 饱和曲线和过饱和曲线 二 结晶机理和动力学 ab为饱和曲线 是固定的 cd为过饱和曲线 受搅拌 搅拌强度 晶种 晶种大小和多少 冷却速度的快慢等因素的影响 在温度 溶解度关系图中 ab曲线下方为稳定区 在该区域任意一点溶液均是稳定的 在ab曲线和cd曲线之间的区域为介稳区 此刻如不采取一定的手段 如加入晶核 溶液可长时间保持稳定 在cd曲线上半部的区域称为不稳定区 在该区域任意一点溶液均能自发形成结晶 晶体生长速度快 晶体尚未长大 溶质浓度便降至饱和溶解度 此时已形成大量的细小结晶 晶体质量差 因此 工业生产中通常采用加入晶种 并将溶质浓度控制在介稳区 以利于大而整齐的晶体形成 2 结晶机理 结晶过程 晶核的形成 晶体的成长 晶核的形成 质点 线晶 面晶 晶胚 晶核 初级成核 无外加晶核或晶种 均相成核 无外加晶核或晶种以及其他微粒 非均相成核 无外加晶核或晶种 有其他微粒 灰尘等 二次成核 已存在晶种或晶体的成核过程 晶核形成模式 初级成核 二次成核 晶体的成长 溶质在晶核表面有序排列 使晶体格子扩大 第一节膜分离概述第二节反渗透 超滤 微滤第三节气体膜分离第四节渗透蒸发第五节电渗析第六节液膜分离 第九章膜分离 1 分离膜尚无一个包含各方面的精确的 完整的膜的定义 第一节膜分离概述 一 分离膜及膜分离 一种最通用的广义定义 膜 为两相之间的一个不连续区间 分隔两相界面 以特定的形式限制和传递各种化学物质 有选择性 定义中 区间 用以区别通常的相界面 一种气体和一种液体之间的相界面 或一种气体和一种固体之间的相界面 它们均不属于这里所指的 膜 2 膜分离 膜分离技术是利用膜的选择渗透作用 允许混合物中的某些组份透过而保留混和物中其他组份 从而达到分离 分级 提纯和富集目的的技术总称 与传统化工分离方法相比较 膜分离技术的特点 能耗低 一般无相变 在室温及附近温度进行 适合热敏性物质的分离 分离温度低 分离装置简单 操作方便 分离系数大 应用范围广 可适用于特殊溶液体系的分离 如共沸物等 工艺适应性强 没有二次污染 3 膜分离技术的特点 一般 根据膜的物理结构和化学性质 可将膜分为下列几种基本类别 多孔膜 均质膜 非多孔膜或致密膜 非对称型膜 复合膜 荷电膜 液膜 5 膜的分类 三 分离膜的形态结构 高分子聚合物膜的结构 致密膜 对称膜 均匀的致密薄膜 均质膜 物质在膜内各处的渗透率相同 膜厚5nm 5 m 使用较少 微孔膜 平均孔径0 02 10 m 膜孔有一较宽的分布范围 孔道曲折 膜厚50 250 m 应用较普遍 非对称膜 是使用最广泛的一种分离膜 非对称分离膜一般由两层组成 表面活性层和支撑层 表面活性层非常薄 厚度0 1 1 5 m 表面活性层起分离作用 即选择透过作用 其孔径和表皮性质决定分离特性 厚度决定传递速率 表面活性层可以是致密的 也可以是多孔的 下面的支撑层起机械支撑作用 是多孔的 对分离特性和传递速率影响很小 厚度50 250 m 表面活性层与支撑层用同一种膜材料 在制膜过程中同时形成 习惯上称这种膜为非对称膜 复合膜 非对称膜 表面活性层与支撑层分两次形成 先制成支撑膜 再把皮层复合到支撑膜的表面上 用这种方法制成的非对称膜叫做复合膜 一般复合膜的表面活性层和支撑层是两种膜材料 表面活性层厚度0 25 15 m 表面活性层可用各种材料 应用广泛 离子交换膜 为均质膜 膜厚200 m 主要用于电渗析 第二节反渗透 超滤 微滤 一 反渗透1 概述在高于溶液渗透压的压力作用下 只有溶液中的水透过膜 而所有溶液中大分子 小分子有机物及无机盐全被截留住 理想的反渗透膜应是无孔的 分离的基本原理是溶解扩散以及毛细孔流学说 膜孔径 为1到10埃 截留物为0 1 1nm小分子溶质 采用压力为1 10mpa 反渗透主要应用领域是海水或苦咸水的淡化 从热力学的观点看 溶剂分子会自动地从高化学位的左侧向低化学位的右侧转移 即溶剂分子会自动地由左向右渗透 但加大右侧的压力 则溶液内溶剂的化学位也将增加 可增加单位时间反渗透回去的溶剂分子数目 反渗透是渗透的一种反方向迁移运动 稀溶液的van thoff渗透压公式 rt csr 0 082atm l mol k cs为各溶质离子浓度总和mol l t为开尔文温度k 在反渗透过程中所要施加的实际压力必须远大于按渗透压公式算出的溶液的 值 一般为 值的几倍到近十倍 反渗透过程必须满足两个条件 1 有一种高选择性和高透过率 一般是透水 的选择性透过膜 2 操作压力必须高于溶液的渗透压 3 反渗透过程传质机理 优先吸附 毛细孔流动机理 1960年 sourirajan在gibbas吸附方程基础上 提出了优先吸附 毛细孔流动机理 为反渗透膜的研制和过程的开发奠定了基础 在水脱盐过程中 溶剂是水 溶质为氯化钠 由于膜表面具有选择性吸水而排斥盐作用 水优先吸附在膜表面上 因此在压力的作用下优先吸附的水渗透通过膜孔 就形成了脱盐过程 二超滤与微滤 1 超滤分离超滤的分离原理主要是筛分原理 膜的表面活性层上孔的大小和形状对截留率起主要作用 但膜表面的化学性质也有重要影响 表面活性层上孔径为10 200埃 0 001 m 0 02 m 可截留分子量500以上的可溶性大分子物质 采用压力为0 1 1mpa 超滤过程中溶质的截留机理包括 膜表面上的机械截留 筛分 在膜孔中的停留 阻塞 在膜表面和膜孔内的吸附三种方式 2 微滤分离 分离原理是筛分原理 微滤膜的孔径为0 02 m 10 m 截留直径为0 05 m 10 m的微粒或分子量大于106的高分子 采用压力为0 01 0 2mpa 微滤是目前应用最为广泛的膜分离方法 对于筛分膜 普遍认为膜表层截留是通过三种方式实现的 1 比膜孔大的颗粒的机械截留 2 颗粒之间的相互作用 如聚集 吸附 及颗粒与膜表面的吸附 3 颗粒之间的架桥作用 对于 深层 膜 人们认为颗粒被截留在网络孔的内部 而不是在膜的表面 截留机理 三 超滤 微滤与反渗透的比较 微滤 mf 超滤 uf 与反渗透 ro 都是压力驱动膜分离过程 组成了分离溶液中的离子 分子到固体微粒的三级膜分离过程 微滤 超滤与反渗透的原理与操作性能比较 第四节渗透汽化 一特点和分类渗透汽化是20世纪初提出 近年来发展比较迅速的一种膜技术 利用膜对液体混合物中各组分的溶解与扩散性能的不同而进行分离 渗透汽化是一种有相变的膜渗透过程 原则上适用于一切液体混合物的分离 渗透汽化是最有希望取代精馏过程的膜分离技术 2 特点 分离系数大 分离不受汽 液平衡限制 主要由组分膜内渗透速率控制 有相变 但能耗小 无其他试剂 无污染 渗透通量小 过程简单 操控方便 一般膜后需抽真空 3 渗透汽化适宜的分离过程 具有一定挥发性的物质分离 混合液中分离少量物质 恒沸物分离 近沸物分离 与反应过程结合 第五节电渗析 一电渗析过程原理电渗析是指在直流电场作用下 溶液中的带电离子定向迁移 选择性地透过离子交换膜过程 达到电解质溶液的分离 提纯和浓缩的目的 1 离子交换膜 膜状的离子交换树脂 包括三个基本组成部分 即高分子骨架 固定基团及基团上可移动 可解离 离子 离子交换膜的选择透过性 孔隙作用膜中孔隙对水合离子的筛分作用 静电作用和扩散作用基膜上带固定电荷的活性基团对离子的静电作用 直流电场下阴阳离子的定向迁移 离子交换膜的选择渗透性 在正负两电极之间交替地平行放置阳离子和阴离子交换膜 依次构成浓缩室和淡化室 阳离子在直流电