《分离技术概论》第1章-概论(2).ppt

2020年3月11日 1 分离技术 概论 浙江大学材料与化工学院陈欢林教授 张林博士chenhl linzhang 2020年3月11日 2 主要内容 新型分离技术概念与进展分离技术选择的一般规则 2020年3月11日 3 新型分离技术概念与进展 2020年3月11日 4 各种分离技术的成熟度和应用度 2020年3月11日 5 新型分离技术 第1类 对传统技术或方法加以改良的分离技术 超临界流体萃取 色谱分离 分子精馏等 第2类 基于材料科学发展形成的分离技术 反渗透 超滤 气体分离 渗透汽化等膜技术与亲和分离 印记分离 第3类 基于场分离技术 磁场分离 电场分离 第4类 二种分离或分离与反应耦合 集成分离技术 反应精馏 膜反应器等 2020年3月11日 6 基于传统分离方法的新型分离技术 传统化工分离技术 蒸馏 萃取 吸收 吸附等 在工业过程产物的提取 分离 浓缩与纯化方面起到重要作用 绝大多数的化工产物的生产离不开这些分离过程 2020年3月11日 7 特种蒸馏技术 萃取精馏待分离的二元混合液中加入的第三组分能改变原液组分的蒸汽压 使原液组分的相对挥发度增大 而达到混合物在塔内分离的技术 恒沸精馏待分离二元混合液中加入的第三组分能与原液中的一个或两个组分形成最低恒沸物 形成恒沸物 纯组分径流体系 达到混合物在塔内分离的技术 加盐精馏待分离含水有机混合液中加入盐 会产生盐析或盐溶效应 增大有机物的相对挥发度 或使共沸点发生位移 甚至消失 由此达到混合物在塔内分离的技术 2020年3月11日 8 特种蒸馏技术 反应 催化 精馏在物料进行化学反应的同时 耦合精馏及时将生成的产物移走或去除 使反应朝有利的方向进行的一种反应 分离技术 分子精馏轻 重不同的分子受热从液面逸出到气相时 其分子运动平均自由程不同 利用轻分子比重分子的分子平均自由程大 使轻分子到达冷凝板冷凝来实现轻重分子分离的技术 膜蒸馏利用微孔膜的疏水性 以及由膜两侧的温差所导致的两侧水蒸汽压差 使易挥发组分的水蒸汽从膜孔透过 来达到溶液浓缩的一种新技术 2020年3月11日 9 分子蒸馏技术原理 2020年3月11日 10 新型萃取技术 超临界萃取 supercriticalfluidextraction 以超临界流体为萃取剂 利用其对脂肪酸 植物碱 醚类 酮 甘油脂等物质具有溶解作用 从固态或液态混合物中将这些物质提取出来的技术 双水相萃取 aqueoustwo phaseextraction 某些亲水性高分子聚合物的水溶性超过一定浓度后可形成两相 利用待分离组分在两水相中的分配系数差异来分离的萃取技术 2020年3月11日 11 新型萃取技术 凝胶萃取 gelextraction 利用凝胶在溶剂中的溶胀与收缩特性 以及凝胶网络对大分子 微粒等的排斥作用来实现溶液中特定组分分离与浓缩的技术 膜基萃取 membranebasedextraction 利用微孔膜的亲水或疏水性 使萃取剂与萃取液的两相传质界面固定在膜的一侧表面上 来实现萃取的一种新技术支撑液膜萃取 supportliquidmembraneextraction 支撑液膜孔内充满膜溶剂 将料液相与反萃相分隔 实现渗透溶质的选择性萃取回收或去除的分离技术 2020年3月11日 12 反相胶团萃取 二 3 乙基己基 琥珀酸酯磺酸钠 AOT 2020年3月11日 13 新型吸附 离子交换与色谱技术 吸附分离基于吸附剂与溶质间的物理力或化学结合力 使溶液中的有机溶质或其它亲物质的吸附 达到有机物的脱除或溶液的纯化 离子交换基于离子交换树脂对不同离子亲和力差异 实现二种离子的交换平衡 达到离子去除与溶液纯化的分离技术 色谱分离利用不同组分在固定相和流动相之间的相平衡差异 使得各组分在固定相内的保留能力不同而达到分离的一种技术 根据固定相的性质 可分为吸附色谱 离子色谱 亲和色谱 凝胶色谱等 2020年3月11日 14 各种膜分离技术应用状况 2020年3月11日 15 几种工业化膜过程的基本特征 2020年3月11日 16 基于场效应的分离技术 重力场 压力场 离心力场分离利用外加力场的作用 使混合物中各组分本身特征带来其在场内运动的特性差异 由此来达到分离的技术 磁场分离利用不同物质在磁场中具有不同磁性的特点来分离混合物的技术 2020年3月11日 17 力场中速度差分离原理与改进 重力场的能源成本为零 2020年3月11日 18 基于场效应的分离技术 静电除尘荷电粒子置于电场时会向着与其电荷相反方向移动 利用荷电粒子的移动速度及方向差异来进行分离的技术 电泳利用分子大小 荷电性与荷电量 以及溶液的酸碱度 pH 等的差异 双极膜水解离利用阴 阳离子膜复合而成的双极膜 在直流电场的作用下 使双极膜间的水解离并使OH 和H 分别透过阴 阳膜来实现酸或碱回收 食盐的电解等 2020年3月11日 19 电泳分离技术 指带电粒子在电场中朝与自身带相反电荷的电极移动的现象 CATHODE ANODE 2020年3月11日 20 用支持体的电泳技术 1 滤纸电泳 2 醋酸纤维薄膜电泳 3 薄层电泳 4 非凝胶性支持体区带电泳 淀粉 纤维素粉 玻璃粉 硅胶等 5 凝胶支持体区带电泳 聚丙烯酰胺凝胶 琼脂糖凝胶 不用支持体的电泳技术 Tiselius或微量电泳 操作形式 1 区带电泳 2 等速电泳 3 等电点电泳 电泳形式分类 2020年3月11日 21 平板型电场除尘技术 2020年3月11日 22 双极膜结构示意图 2020年3月11日 23 双极膜电渗析过程示意图 2020年3月11日 24 光催化反应净化空气 2020年3月11日 25 耦合与集成分离技术 将反应与分离 或分离与分离两种或两种以上的单元操作耦合或结合在一起 并用于工业分离的过程称为集成过程 integratedprocess 或杂化过程 Hybridprocess 集成过程的最大特点 为实现物料与能量消耗的最小化 工艺过程效率的最大化 或为达到清洁生产的目的 或为实现混合物的最优分离和获得最佳的产物浓度 2020年3月11日 26 耦合与集成技术 传统单元操作间的集成反应 分离的耦合与集成 2020年3月11日 27 蒸馏 共沸精馏制取无水酒精 2020年3月11日 28 异丙醇脱水的蒸馏 渗透汽化工 一级PV 2020年3月11日 29 精馏 渗透汽化工艺制取无水乙醇 二级PV 2020年3月11日 30 精馏 渗透汽化工艺制取无水乙醇 三级PV 2020年3月11日 31 精馏 渗透汽化工艺用于乙醇脱水 中间PV 2020年3月11日 32 反应 精馏 侧线渗透汽化集成工艺 2020年3月11日 33 反应 精馏 渗透汽化集成工艺制乙基叔丁基醚 2020年3月11日 34 渗透汽化 精馏集成工艺制碳酸二甲酯 2020年3月11日 35 精馏 渗透汽化集成工艺制二甲基乙二醇 2020年3月11日 36 苯 环己烷渗透汽化 精馏集成分离系统 2020年3月11日 37 NewReference J D Seader Separationprocessesprincipleswithprocesssimulatorsinchem eng setJohnWiley Sons 2003 2020年3月11日 38 分离技术选择的一般规则 2020年3月11日 39 待处理物的物性 分离过程得以进行的关键因素是待分离的混合物的物性差异 待分离混合物至少在物理 化学 电磁 光学 生物学等性质方面存在着以下一个或多个差异 物性参数 分子质量 分子大小与形状 熔点 沸点 密度 蒸气压 渗透压 溶解度 临界点 力学性质 表面张力 摩擦因子 电磁性质 分子电荷 电导率 介电常数 电离电位 分子偶极矩及极化度 磁化率 传递特性参数 迁移率 离子淌度 扩散速度 渗透系数 化学特性常数 分配系数 平衡常数 离解常数 反应速率 络合常数 2020年3月11日 40 分离过程的应用范围 2020年3月11日 41 不同的分子性质对分离因子的影响 2020年3月11日 42 目标产物的价值 目标产品的价值常常成为选择分离方法的主要因素 目标产物的经济价值比较低 则应采用低能耗低 无需分离剂 或廉价分离剂的过程 2020年3月11日 43 料液浓度对产物价格的影响 2020年3月11日 44 目标产物的特性 目标产物的特性是指热敏性 吸湿性 放射性 氧化性 光敏性 分解性 易碎性等一系列物理化学特征 这些物理化学特性常是导致目标产物变质 变色 损坏等 成为分离方法选择中的一个重要考虑因素 2020年3月11日 45 处理规模 过程的处理规模通常指的是处理物或目标产物量的大小 由此可将工程项目的规模分为大 中 小 微四类 其间没有明确的界限 但目前常用投资额度大小来言其工程的规模 一般说来 较大项目的工程投资与其规模的0 6次方成正比 与大规模操作相比较 小规模需投入的操作费用 尤其是劳动力 却不会相应减少很多 规模大小与目标产物的价值密切相关 廉价产物一般采用大规模生产 而高附加值产物可采用中小规模生产 而不少高附加值的药物中间体则往往采用中小规模 2020年3月11日 46 主要分离过程的生产规模 2020年3月11日 47 特种化学产品的主要分离过程 2020年3月11日 48 产物的纯度与回收率 产物的纯度与回收率对选用分离方法具有至关重要的作用 一般状况下 纯度越高 提取成本越大 却回收率降低 2020年3月11日 49 可行性 工艺可行性某一种分离方法的可行性 常与工艺条件有联系 应尽可能避免在过程中使用很高或很低的压力或温度 特别是高温和高真空状态 2020年3月11日 50 设备可靠性 在分离方法选定以后 分离设备的能力与可靠性是一个重要因素 某些方法由于设备的限制而难以实现工业应用 2020年3月11日 51 可行性 经济可行性 经济上的可行性就是过程经济性 2020年3月11日 52 组合工艺排列次序的经验规则 2020年3月11日 53 分离过程的类型与选择原则 能采用能量分离剂的过程 其热力学效率较高 尽可能选用 平衡级分离比速率控制过程简单 其级联常可在同一设备内 考虑能源价格上涨 则取代蒸馏的过程会有明显增长 如 共沸精馏 萃取精馏 萃取与变压吸附 结晶和离子交换 以及膜分离等 2020年3月11日 54 小规模特种化学品的分离排