第一章绪论分离PPT课件

.,1,化工分离过程SEPARATIONPROCESS,.,2,授课教师基本信息,主讲：黄燕办公室：主教东703电话：613958邮箱：4062028,.,3,中文教材,传质分离过程（第二版）刘家祺主编.化学工业出版社，2014年8月.,.,4,第一章绪论,分离过程分离操作在化工中的重要性传质分离过程的特征传质分离过程的分类分离过程的应用、热点及趋势本课程的教学任务和内容,.,5,第一章绪论,分离过程(separationprocesses),主要是对化学工业、煤化工生产及相关工业生产中的分离过程进行研究的一门科学。分离工程是化学工程学科的一个重要分支。从1901年戴维斯(Davis)所著的化学工程师手册问世以来，化学工程有了巨大的发展而分离过程一直是化工过程中的关键角色。,.,6,1.1什么是分离过程？,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。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。,.,7,现代化工生产中，主要包括两个过程：一是反应过程，它可以生产出新的物质，是化工生产中的核心，二是分离过程，它包括原料的净化、预处理、中间产物的分离及产物的分离和提纯，是得到合格产品的关键。,.,8,1.2分离操作在化工生产中的重要性,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,.,9,分离操作在化工生产中的重要性,分离过程是借助于物理、化学或电化学推动力将混合物分成组成互不相同的两种或几种产品的操作。分离操作：I、提供质量好的原料，清除有害杂质，减少副反应和提高收率；II、对产物分离提纯，得到合格产品，使未反应的反应物循环利用。,.,10,分离操作在化工生产中的重要性,典型的化工生产装置包括：反应器；原料、中间产物和产品分离设备；泵、换热器等。分离贯穿化工过程，占有十分重要的地位。分离装置的费用占总投资的5090。,.,11,环境保护,安全生产,.,12,.,13,图1-1由裂解气生产乙烯、丙烯分离流程图,.,14,1.3分离过程的特征,原料物流(一股或几股),分离剂(物质或能量),分离装置,产品1产品2,分离工程示意图,.,15,分离剂分离剂是能量(或冷量或功)，称为能量分离剂,分离剂是物质，成为质量分离剂。分离剂还可以是某种强制力（如压力梯度、温度梯度、电场力、磁场力）及特殊膜等。ESAEnergySeparatingAgentMSAMassSeparatingAgent,.,16,依据分离过程中所加分离剂的不同分为：,能量分离剂的平衡过程这类过程的共同点是所加的分离剂均为能量(热量、冷量、减压等)。质量分离剂的平衡过程吸收(以不挥发性液体作为分离剂)、吸附和离子交换(分别以固体吸附剂和树脂作分离剂)及萃取(以不互溶液体做分离)等属于这类过程。使用一个以上分离剂的平衡过程如萃取精馏和恒沸精馏(热量与适当液体)。,.,17,1.4分离过程的分类,.,18,（一）机械分离过程,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。它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，如过滤、沉降、离心分离、气固催化反应中固体催化剂的分离等。但本课程不讨论这方面的内容。,.,19,按物理化学原理的不同，传质分离可分为：,（二）传质分离过程,平衡分离过程:,速率分离过程：,如精馏、吸收、萃取、结晶、吸附等。,如微滤、超滤、反渗透、电渗析等。,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,.,20,1）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。,.,21,平衡分离过程,.,22,平衡分离过程的单元操作,以酚为溶剂从非芳香烃化合物中分离甲苯,液体溶剂+热量改变挥发度,液体+蒸汽,液体和(或)蒸汽,萃取精馏,天然气油中除去异丁烷及相对分子量低的烃类；轻烃回收,热量挥发度,液体+蒸汽,液体和(或)蒸汽,精馏,高压氨气相中回收H2及N2,冷量挥发度,液体+蒸汽,蒸汽,部分冷凝,闪蒸法淡化海水,减压(能量)挥发度,液体+蒸汽,液体,闪蒸汽化,实例,分离剂及原理,产品,进料,形式,单元操作,VL,L,L,VL,L,L,MSA,.,23,真空下用水蒸气做气提剂的残油(拔顶油)蒸馏,气提蒸气+热量溶解度,液体和(或)蒸汽,回流式气提,原油蒸馏塔气提侧取馏出物石脑油、煤油、汽油，除去轻馏分,解吸(气提)蒸气溶解度,液体+气体(蒸汽),液体,解吸,用乙醇胺水溶液吸收燃烧气中的CO2,液体吸收剂溶解度,液体+气体,气体,吸收,催化裂化厂的主分馏塔塔顶馏出物中除去乙烷及相对分子量低的烃类物,液体吸收剂+热量溶解度,液体+蒸汽,液体和(或)蒸汽,吸收蒸出,实例,分离剂,产品,进料,形式,操作,V/L,L/V,L,MSA,MSA,L,V,V,MSA,V,L,L,MSA,.,24,用丙烷和甲苯基酸为溶剂从芳香烃及环烷烃中萃取链烷烃,两种液体溶剂溶解度,两种液体,液体,液液萃取(双溶剂),用丙烷为溶剂从残油(拔顶油)中脱沥青,不互溶液体溶解度,两种液体,液体,液液萃取,用乙酸丁酯为夹带剂并与水形成恒沸物，从水-乙酸混合液中分离乙酸,液体夹带剂+热量改变挥发度,液体+气体,气、液或气液混合物,恒沸蒸馏,石脑油馏分中出去轻馏分,热量溶解度,蒸汽+液体,液体,气提蒸出,实例,分离剂,产品,进料,形式,单元操作,MSA,MSA,L,L,V/L,L,L,MSA,L,MSA1,L,L,MSA2,L,.,25,从含有N2,O2,CO2及有机化合物的气相中回收临苯二酸酐,冷量选择性凝聚,液体+固体,蒸汽,凝华,间、对二甲苯溶液中结晶得到对二甲苯,热量或冷量过饱和度,液体+固体,液体,结晶,从尿素水溶液中蒸发水分,热量蒸汽压不同,液体+蒸汽,液体,蒸发,在旋转式干燥器中，用热空气干燥聚氯乙烯除去水分。,气体和(或)热量水分蒸发,干固体+湿气,固体,干燥(固体),实例,分离剂,产品,进料,形式,单元操作,V,V,L,V,L,MSA,V,L,S,V,(V),S,S(L),L,S,.,26,清除废水中的洗涤剂,矿石浮选,表面活性剂+鼓泡气泡在气液界面吸附,两种液体,液体,泡末分离,水的软化,固体树脂质量作用定律,液体,离子交换,用分子筛吸附剂干燥空气,固体吸附剂吸附力强弱,流体+固体,气体或液体,吸附,矿泥浆液的沥取回收硫酸铜,液体溶剂固体溶解度,液体+固体,固体,沥取(浸取),实例,分离剂,产品,进料,形式,单元操作,V/L,V/L,S,L,S,MSA,L,L,液体+固体,L,L2,L1,V,.,27,2)速率分离过程,速率分离过程是指在某种推动力（浓度差、温度差、压力差、电位差等）的作用下（有时在选择性透过膜的配合下），利用组分扩散速率的差别实现组分分离的过程。这类过程所处理的原料和产品通常属于同一相，仅在组成上有差别。膜分离过程是工业应用最多的速率分离过程。热扩散分离也属于速率分离过程，它以温度梯度为动力，利用均匀的气体或液体混合物中分子量下的分子（或离子）向热端漂移的现象所建立起来的浓度梯度，达到组分分离的目的。,.,28,速率控制分离过程,.,29,速率分离过程,.,30,速率分离过程,.,31,0.0001,0.001,0.01,0.1,1,10,100,um,离心,超速离心,相对密度,吸收/萃取,溶解性,结晶,温度,精馏,相对挥发度,离子交换,电渗析,离子电荷,凝胶色谱法,渗析,溶解性,超滤,微滤,纤维过滤,反渗透,气体扩散,分子大小,.,32,速率分离：膜分离过程示意,.,33,1.5分离过程在工业中的应用,石油化工及煤化工气体净化与分离医药及食品加工农业其他,.,34,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、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。,.,35,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。,.,36,.,37,附：化工分离过程的研发热点,1.低成本的N2、O2和稀有气体Ar、Kr、Xe的分离方法膜分离：高选择性，高通量的膜如聚酰亚胺膜，碳分子筛膜，含沸石膜吸附：专用吸附剂,.,38,Gas(air,N2/O2)separation,.,39,二、流程,Gasseparationbyadsorption,碳分子筛制氮机，是一种新型的空气分离设备，以压缩空气为原料，碳分子筛为吸附剂，采用变压吸附流程（简称P.S.A.），在常温低压下，利用空气中的氧和氮在碳分子筛中的扩散速率不同，把氧和氮加以分离，从而在不吸附相中获得带有一定压力不含油污的洁净氮气，,.,40,2.低成本H2的分离方法吸附：活性炭、碳分子筛、碳纳米管,.,41,3.酸性气体脱除石油馏分和天然气中存在的CO2、H2S、SO2吸收：胺类溶剂洗涤吸附膜分离：气体分离膜,.,42,4.CO2、CH4等温室气体的捕集方法吸附吸收膜分离,.,43,5.有机物/有机物分离汽油中脱苯；柴油中脱芳烃；有机异构体（如二甲苯）分离特殊精馏膜分离：渗透蒸发萃取吸附,.,44,6.稀溶液分离从稀溶液中回收有价值的物质，循环物料，减少污染物排放VOCs(挥发性有机物)和非挥发性有机物的脱除吸附：活性炭，反应金属络合吸附生化处理：微生物分解膜分离：气体分离，渗透蒸发,.,45,7.异构体及手性物质分离结晶吸附高效液相色谱膜分离:手性分离膜,.,46,8.清洁燃料的生产,油品脱硫、脱苯,二硫化物、H2S、硫醇、硫醚和噻吩,苯、甲苯、乙苯、二甲苯,吸附膜分离,.,47,9.超纯化合物的制备结晶吸附膜分离,.,48,10热敏性化合物分离膜分离结晶吸附分子蒸馏萃取（超临界萃取、反胶团萃取、双水相萃取）,.,49,11海水淡化和水资源循环利用膜分离（反渗透、电渗析）蒸发离子交换蒸馏,.,50,12饮用水的制造膜分离蒸发离子交换蒸馏,.,51,13.生物质加工利用蒸馏膜分离超临界流体萃取,.,52,14.同位素分离Electromagneticseparation电磁分离Gascentrifugation气体离心Laserseparation激光分离,.,53,15.精馏技术的改进热串级：冷凝器放出的热量供再沸器反应精馏：反应-分离一体化耦合过程：膜分离精馏,.,54,JCPT塔板(并流喷射填料塔板的传质机理与普通塔板有着本质的区别，它是填料与塔板的复合体，靠填料实现传质，靠塔板实现多级并流。,Studyonstructuresofcolumnplates,.,55,Reactivedistillation反应精馏,.,56,“神舟”四号蛋白质空间电泳分离试验,地面上的重力影响使分离过程中出现沉降和对流现象，大大降低了生物材料的分离纯度和产量。科研人员以细胞色素和牛血蛋白两种蛋白质为材料，在太空中进行连续自由流电泳分离试验，提高电泳技术的制备能力，使之成为未来空间制药的重要途径。,.,57,美国世纪年代在航天飞机上成功地进行了垂体细胞、生长激素等多种细胞和蛋白的分离，证实了其分离物的纯度和制备量均比地面有很大提高。,.,58,近代分离过程的发展,与过程系统工程相结合。过程系统工程主要包括系统模拟、系统分析、系统综合及系统优化等。反应分离一体化。化学反应、化工分离是化工生产的两个重要环节，反应速率和收率的高低以及分离的最终效果，对生产成本起着决定性的作用。与节能技术相结合。新型分离方法不断出现。加盐精馏、超临界萃取、膜分离、离子交换、大型色谱分离等。使分离过程由“大型化”向“精细化”发展，应用范围拓宽，分离效率提高。,.,59,发展趋势1）传统分离技术改造：如精馏筛板塔改造为效率更高的填料塔。2）新型分离过程开发：如膜分离、反胶团萃取、超临界萃取等。3）分离与反应耦合以及分离过程之间的耦合：如反应精馏、吸附精馏、膜精馏等。,总趋势：多样化、精细化、洁净化（环境友好）。,.,60,1.6本课程的教学任务和内容,教学内容：1.绪论2.多组分单级分离计算3.多组分多级分离计算4.吸收