分离工程 第一章　绪论.doc

分离工程 青岛科技大学化工学院第一章 绪论Chapter1 Introduction1-1分离操作在化工生产中的地位（Position of separation process in chemical industry）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，生产实践是分离工程形成与发展的源泉。先了解早期人类生产活动中的分离过程，早在数千年前，人们已利用各种分离方法制作许多人们生活和社会发展中需要的物质。例如，利用日光蒸发海水结晶制盐；农产品的干燥；从矿石中提炼铜、铁、金、银等金属；火药原料硫磺和木炭的制造；从植物中提取药物；酿造葡萄酒时用布袋过滤葡萄汁；制造蒸馏酒等等。这些早期的人类生产活动都是以分散的手工业方式进行的，主要依靠世代相传的经验和技艺，尚未形成科学的体系。而早期的化学工厂是由化学家根据实验室研究结果直接建立的。通过生产实践发现，生产用的大装置中的化学或物理过程与实验室玻璃器皿中的现象有很大的不同。而在不同产品的生产过程中，却有许多过程遵循相似的原理。由此提出的单元操作原理奠定了化学工程学科最初的理论基础。 现代化学工业是开始于18世纪产业革命以后的欧洲。当时，三酸二碱等无机化学工业成为现代化学工业的开端。而19世纪以煤为基础原料的有机化工在欧洲也发展起来。当时的煤化学工业规模不是很大，主要着眼于苯、甲苯、酚等各种化学品的开发。在这些化工生产中需要将产品或生产过程的中间体从混合物中分离出来。例如，当时著名的索尔维制碱法中，使用了高达二十余米的纯碱碳化塔，同时应用了吸收、蒸馏、过滤、干燥等分离操作。 但在当时，这项成就是由化学家在进行化学工艺过程开发的同时完成的，他们并没有意识到他们同时在履行着化学工程师的职责。这时的分离技术是结合在具体的化工生产工艺的开发过程中，单独而分散地发展的。 19世纪末，20世纪初大规模的石油炼制业促进了化工分离技术的成熟与完善。单元操作概念的建立对化学工程的发展起了重大的作用。它对用于不同的化学工艺中的同样的操作，以单元操作的概念抽象出来，对其共同规律进行研究。通过对其基础研究、单元操作所用设备的结构、操作特性、设计计算方法及应用开发等多方面的研究，为分离过程在化工工艺开发、化工过程放大、化工装置设计和在化工生产中的正确应用提供了较为完整的理论体系和经济高效的分离设备，对促进化学工业的发展起到了重要的作用。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。与时同时，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。 展望21世纪，化工分离技术将面临着一系列新的挑战，其中最主要的是来自能源、原料和环境保护三大方面。此外，化工分离技术还将对农业、食品和食品加工、城市交通和建设以及保健、提高和改善人们的生活水平方面做出贡献。自然界的物料，无论是固体矿物、石油、空气、海水、还是取自动植物的各种物料都是混合物，对于这些天然物料，人们直接利用它们，或者采用化学或生物化学的方法将它们转化为需要的物流，极大多数都需要先把它们分离成纯的物质。应用化学或生物化学方法得到的产物，通常也需要应用分离技术将它们分离成各种纯度的中间产品或产品。除了技术和经济的因素以外，环境保护和生产安全也对分离过程有所要求。分离过程已成为使“三废”不致污染环境的最常用的手段之一。下图为“乙烯水合生产乙醇”和“二甲苯”生产的工业过程，由此可说明分离过程在石油、化学工业和生物化工中的重要性，通常在基建投资中它占有50-90%的比重。化工生产的产品种类繁多，生产方法各异，但都有原料予处理，化学反应，产物精制等过程。原料 预处理 反应 分离 粗产品 精制 产品 分离工程 三废处理图13 分离过程示意图随着生产技术的发展，所处理的混合物种类日益增多，分离的要求越来越高（产品纯度高）。分离物料的量，有的越来越大（生产大型化），有的越来越小（各种生化制品的发展），特别是随着各种天然资源被不断开采使用，含有用物质较高的资源逐步减少，迫使人们从含量较少的资源中去分离、提取有用物质。所有这些都促进使常规的分离方法迅速改造和完善，出现了新的强化设备和新的计算方法以适应技术革命飞速发展的需要，同时也进一步探索各种新的分离原理和开发新的分离方法。因此，了解分离过程、选择、设计和分析分离过程中的各个参数，对化工技术人员和管理人员是非常重要的任务。1-2 分离过程的特征与分类（Classification and features of separation process）一、 分离过程的特征（Features of separation process） 分离剂（物质或能量） 原料 产品（一种或多种） 分离设备 （混合物） 残余物 几种物质混合在一起的过程的自发的，混乱度或熵增加的过程，与之相反的逆过程，即分离某种混合物成为不同产品的过程，是个熵减小的过程，不能自发进行，因此需要外界对系统作功（或输入能量）方能进行。分离过程的原料可以是一股或几股物料，至少必须有两股不同组成的产品，这是由分离过程的基本性质决定的。分离作用是由于加入分离剂（媒介）而引起的，分离剂可以是能量（ESA）或物质（MSA），有时也可两种同时应用。ESA是指传入系统或传出系统的热，还有输入或输出的功，消耗能量驱动泵、压缩机使系统维持流动状态等，MSA如吸收剂、溶剂、表面活性剂、吸附物质、离子交换树脂、液膜和固膜材料。当MSA与ESA共同使用时，还可有选择性地改变组分的相对挥发度，使某些组分彼此达到完全分离，例如萃取精馏。二、分离因子（Separation factor）1、定义：表示任一分离过程所达到的分离程度，因为分离装置的目的在于生产不同组成的产品，故以产品组成之间的关系来定义分离因子。 根据实际产品组成组分i和j的实际分离因子就是分离产物1中该两组分的浓度比和分离产物2中相应浓度比之商，与组分浓度表示方法无关。分离因子与1相差越远，则可达到有效的分离。，则表示组分i及j之间并没有被分离；，组分i富集于1相，而组分j富集于2相；，组分i富集于2相，而组分j富集于1相。一般组分i、j的选择，使得大于1。分离因子反映了相间传质过程的平衡组成的差别，以及分离所依据的基本物理现象所致的传质速率不同，同时还能反映分离装置的结构的流动型式的影响。1、 固有分离因子（理想分离因子） 根据汽液相平衡组成称为固有分离因子也称为相对挥发度，它不受分离设备的影响。2、与的关系根据平衡组成而得的理想与根据实际产品组成而得的都可以用来分析分离过程，当用来分析某一分离过程时，则将实际分离设备所能达到的分离因子与理想分离因子之间的差别用效率来表示，效率，如精馏，理想分离因子就是相平衡常数之比，或相对挥发度，而板效率则表达了实际情况与平衡时的差异程度。当分离过程的物理现象复杂，难以确定，则需由实验数据经验地得作为参考。，则不管流动情况如何，必等于1，而在数值上可能比更近于1，也可能离1更远。三、分离过程的分类（Classification of separation process）按分离过程中有无物质传递现象发生来划分，分离过程可分为机械分离和传质分离。1、 机械分离过程对象：非均相混合物特点：用机械法将非均相物系分离，而相间并无物质传递发生，如过滤、沉降、离心分离、旋风分离等。2、 传质分离过程特点：相间有质量传递现象，即在分离过程中，原料中的某个（或某些）组分依赖扩散作用从原料流向产品流进行分离等。 平衡分离。Equilibrium Separation其分离基础是原料中各组分在相平衡时两个相中的不同分配，即利用两相平衡组成不等的原理，常采用平衡级（理论板）作为处理手段，并把其它影响归纳于效率中，或采用传质系数表达过程有效程度的处理方法。该过程通常要引入热能或全体外加物，所以过程中耗能较多，操作费用较高。如精馏、吸收、萃取、吸附等。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。 速率分离。Rate Separation分离的机理是利用溶液中不同组分在某种推动力（如压差、浓度差、电位差）作用下经过某种介质（如半透膜）时的传质速率（透过率、迁移率、扩散速率）差异而实现分离，这类过程的特点是所处理的物料和产品通常属于同一相态，仅有组成的差别。 速率分离可分为膜分离和场分离两大类。膜分离膜分离是利用液体中各组分对膜的渗透速率的差别而实现组分分离的单元操作。膜可以是固态或液态，所处理的流体可以是气体或液体，过程的推动力可以是压力差、浓度差或电位差。场分离场分离包括电泳、热扩散、高梯度磁力分离等。 机械分离过程名称被分离系统分离原理需要条件沉降离心过滤L+SL+S、L+LL+S密度差别密度差别固体颗粒大于过滤介质细孔重力离心力压力梯度和过滤介质传质分离平衡分离蒸馏吸收蒸发吸附LGLG or L挥发度差别溶解度差别蒸汽压差别吸附差别速率分离热扩散电渗析G or LL热扩散速率差别膜对不同电荷离子的选择性渗透温度梯度电场、阴离子或阳离子膜13 分离过程的研究内容与研究方法（ Research Contents and Methods of separation process）一、 研究内容（Research Contents）分离过程是将一混合物转变为组成互不相同的两种或几种产品的哪些操作。分离工程是研究分离过程个分离设备的共性规律，分离与提纯的科学。本门课程的分离工程，是以传质分离操作作为研究对象，它应用物理化学、化工热力学、传递原理和化工原理中研究的基本原理和知识，研究和处理传质分离过程的开发和设计中遇到的工程问题，包括适宜分离方法的选择，分离流程和操作条件的确定和优化，传质分离设备的传质特性、选型和强化，传质操作和设备的设计计算，以及分离操作的实验研究方法等，主要掌握常用分离过程（精确，特殊精确，吸收）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，对一些新的分离技术有一定的了解。二、开发方法（Research Methods）传质分离操作的开发是研究适宜分离方法的工业化途径的，以期经济合理地实现规定的分离任务。分离过程开发应达到下列目的：适宜分离方法，流程和操作条件的选择；分离设备的合理选型；分离设备几何尺寸的确定。化工新技术开发有三个关键环节：概念形成到课题的选定、技术与经济论证(可行性)和放大技术。其中，放大技术是研究开发的核心。放大技术可以采用数学模型方法、逐级经验放大、工程理论指导放大和参照类似工业装置放大等方法。对于一个缺乏参照系统的新的传质分离操作来说，前两种方法更为常用。1、 逐级经验放大法步骤为进行小试，确定操作条件和设备形式。确定的依据是最终产品质量，产量和成本，并不考虑过程的机理，小试之后进行规模稍大的中试，以确定设备尺寸放大后的影响（放大效应），然后才能放大到工业规模的大型装置，在处理物料复杂或对选用的分离方法缺少经验时，放大把握不大，则上述每级试验放大倍数就小，往往需多级中间试验，耗资大，开发周期长。2、数学模型法 此法基于对过程本质的深刻理解将复杂过程分解为多个较简单的子过程，再根据研究的目的进行合