分离工程PPT课件

1、 质量守恒定律 连续性方程 能量守恒定律 热传导等传热模型 动量守恒定律 牛顿粘性定律 运动方程 惯性力=重力-净压力+粘性力 速度分布方程 柏努利方程 粘度导热系数扩散系数的估算 传质方程 质量传递速率的计算第1页/共34页 1.1 教材体系 分离工程 袁惠新 中国石化出版社 化工分离过程 陈洪钫 刘家祺 化学工业出版社 化工分离工程 宋华 陈颖 哈尔滨工业大学出版社 膜分离 超临界萃取 渗透蒸发与蒸汽渗透 分子印迹技术 Separation Process C. Judson King University of CaliforniaMcGraw-Hill Book Company Sep

2、aration and Purification Edmond S Perry第2页/共34页1.2 课程安排 概述及机械分离 多组分精馏 萃取精馏 共沸精馏 反应精馏 盐效精馏 分离过程的节能(一) 分离过程的节能(二) 结晶 吸附 超临界萃取 膜分离原理 膜分离应用 渗透汽化 分离过程设计 总复习第3页/共34页1.3 分离过程概述 Feed Stream One or more 分离装置Separation DeviceSeparation Agent（matter or energy） Product Streams（different in composition）第4页/共34页分

3、离过程的分类 传质分离与机械分离； 平衡分离过程与速率控制分离过程； 能量分离剂过程与质量分离剂过程； 相平衡分离、速度差分离与反应分离过程； 相变分离与非相变分离过程； 按分离过程的功能要求分，有提取、净化（澄清、提纯或精制）、浓缩、干燥、洗涤、分级等等； 按分离过程的程度或精度分，有粗分离（如压榨、筛分、旋流分离等）、细分离（如重力沉降、细过滤）、和精分离（如精过滤、离心分离、蒸发、蒸馏、膜分离等）三个级别。 第5页/共34页表1-1 常见的分离剂能量分离剂机械能（重力、离心力、压力等）、光能、电能、磁能、热量、冷量等质量分离剂溶剂、吸收液、吸附剂、交换树脂、表面活性剂、酸、碱、化学反应物

4、、过滤介质、助滤剂、膜、微生物，等等。第6页/共34页 名 称进 料分离剂产 品分离原理实 例应用能量分离剂的普通平衡过程蒸发液体热量液体, 蒸汽挥发度（蒸气压）果汁浓缩2，3闪急膨胀液体减压(能量)液体, 蒸汽挥发度（蒸气压）闪蒸法淡化海水4精馏液 体和 或气体热量液体, 蒸汽挥发度（蒸气压） 结晶液体冷 却 或加 热 蒸发液 体 ，固体凝固点或溶解度固体干燥湿 固体热量干固体，湿气体挥发度食品脱水5 表1-2 传质分离过程的种类 第7页/共34页冷 冻 干燥冷冻的含水固体热量干固体，水蒸气升华点食品脱水5凝华整气冷量固体，蒸气凝华点苯二酸酐的精制2双 温 度交 换 反应流体热量和冷量两种流

5、体在两个不同温度下的反应平衡常数氢和氘的分离6区 域 熔融固体热量组成不同的固体凝固点或溶解度金属的超提纯7第8页/共34页应用质量分离剂的普通平衡过程气提液体不 凝 性气体液 体 ，蒸气挥发度从 原 油 馏分 中 除 去轻烃1，2吸收气体不 挥 发性液体液 体 ，蒸气溶解度用 乙 醇 胺类吸收CO2H2S萃取液体不 互 溶液体两 种 液体溶解度 沥取或洗涤固体溶剂液 体 ，固体溶解度从 烧 结 矿石 中 沥 取CuSO42沉淀液体化 学 反应物液 体 ，固体生成不溶性沉淀石灰-苏打水的处理9吸附气 体或 液体固 体 吸附剂液 体 ，固体吸附势用 固 体 干燥 剂 干 燥气体2离子交换液体固

6、体 树脂液 体 ，固 体 树脂质量作用定律用于适当的阴离子或阳离子水的软化2第9页/共34页离 子 排斥液体吸附性固体离子交换树脂液体，固体树脂阻 止 与 树 脂电 荷 相 同 的物质吸附核酸的分离10纸 上 色层分离液体毛细作用；纸或凝胶相湿纸的若干区域选 择 性 溶 解度 和 两 相 中的吸附势蛋白质的分离11配 位 比率 色 层分离液体固定的配位基体液体，配位支承固体与 配 位 基 体的 可 逆 化 学反应酶的分离12，13气 泡 分馏 ， 泡沫分馏液体空 气 泡（有时还加表面活性剂）两种液体在 气 液 界 面上 积 聚 的 趋势清除洗衣废水中的洗涤剂；矿石浮选14，15第10页/共34

7、页强加梯度的平衡过程等电位聚焦液体电 场 ；pH值几 种 液体等电点（pH值）蛋 白 质 的分离16，17等容超速离心分离液体离心力；密 度 梯度几 种 液体压力扩散生 物 物 质的分离18 名 称进 料分离剂产 品分离原理实 例使用几种分离剂的平衡过程萃取蒸馏和恒沸蒸馏液体液 体 和热量液 体 ，蒸气挥发度回 收 丁 二烯2包合液体包 合 分子 和 冷量液 体 ，固体选择性的进入晶体结构中用 于 海 水淡 化 的 水合过程加合结晶液体加 合 物和冷量液 体 ，固体选择性的进入晶体结构中二 甲 苯 异构 体 的 分离19第11页/共34页速率控制过程气体扩散气体压 力 梯度几 种 气体Knud

8、sen速率或通过多孔隔离层的扩散速率从天然UF6中浓缩U235F6分离扩散气体可 凝 蒸气几 种 气体对于错流蒸气吹扫运动的扩散系数同 位 素 的分 离 ； 从甲 烷 中 分离氦气等热扩散气 体或 液体温 度 梯度几 种 气体 或 液体热扩散速率同 位 素 分离20质谱分离气体磁场几 种 气体单位质量的电荷量同 位 素 分离21，22渗析液体选 择 性膜 ； 溶剂几 种 液体通过膜时的扩散传递速率制 造 人 造丝 时 回 收N a O H ；人工肾电渗析液体阴 离 子和 阳 离子 膜 ；电场几 种 液体阴离子膜只通过阴离子的趋势微 咸 水 淡化2第12页/共34页气体渗透气体选择性膜；压力梯度

9、几种气体溶解度和通过膜的传递速率利用钯隔离层精制氢气23电泳含胶体的液体电场几种液体胶体粒子的迁移率蛋白质分离24电解加反应液体电能几种液体离子在电极处的放电速率浓缩水中的HDO沉降式超速离心机液体离心力两种液体压力扩散按分子量分离大聚合分子25反渗透液体溶液压力梯度+膜两种液体溶液物质在膜中的溶解度和扩散速率海水淡化超滤含大分子或胶体的液体溶液压力梯度+膜几种液体通过膜（孔为分子大小）的渗透速率废水处理；蛋白质浓缩；人工肾第13页/共34页分子蒸馏液体混合物热量+真空液体加蒸气动力学理论上的最大气化速率维生素A的酯 类 和 中间 体 的 分离2凝胶过滤液体固体凝胶（例如交键合成血液）凝胶相+

10、液体分子大小和透入膨胀凝胶的能力药物精制；蛋 白 质 分离26液膜液体溶剂液体薄膜几种液体透过液体薄膜的渗透速率废水处理27，28喷嘴扩散气体压力梯度几种气体从喷嘴发出的射流中向外的传递速率铀 同 位 素的分离课堂作业：绘制以上几种过程的示意图。第14页/共34页 1.4 分离因子(Separation factor)任何分离过程的分离程度都可以用分离因子来反映。组分i和组分j之间的分离因子为二组分在产品流1中摩尔分率的比值xi1/xj1除以在产品流2中的比值xi2/xj2，即 2211/jijisijxxxx第15页/共34页 当某一分离过程的分离因子值远离1时就可达到有效的分离。 当分离因

11、子ij=1时，组分i和组分j不能被分离； 当分离因子ij1时，组分i在产品流1中得到浓缩，而组分j在产品流2中得到浓缩； 当分离因子ij1时，则组分j在产品流1中得到浓缩，而组分i在产品流2中得到浓缩。 习惯上，通过适当选择组分i和组分j使得分离因子值大于1。 精馏：分离因子为相对挥发度，即两组分的蒸气压之比。不是液体或蒸气组成的函数，因此，与压力和组成无关，且对温度也不敏感。萃取：分离因子为选择性系数，即两组分的分配系数之比。受温度和浓度的影响。第16页/共34页1.5 分离过程的功能 提取。 澄清，是对连续相为液体的混合物分离而言的。 增浓，对分散相而言的，分散相可以是固体也可以是液体。

12、脱水或脱液，可以是固液混合物或液液混合物的分离。 干燥，固液混合物或液液混合物的进一步分离。 洗涤，是对固体分散相而言的。 净化或精制，是将气体、液体或固体中残存的杂质降到允许的程度。 分级，是对固体物料按粒度分离而言的。 注：增浓、脱水和干燥是根据残留液量的多少来分的。这些过程中产品的残留液量依次减少。第17页/共34页1.6 分离过程的用途 产品的提取、浓缩： 如生物制品（酒精、柠檬酸、黄原胶、药物等）、淀粉、蔗糖等的生产，从牛奶制取奶油和脱脂奶，选矿，冶炼，海水淡化，从植物中提取营养成份、芳香物质、色素或其它有用成份等等。 提高产品纯度： 如从食物中除去有毒或有害成份、牛奶净化（除去固体

13、杂质等）、蔗糖精制、淀粉洗涤精制等。 回收有用物质： 如从反应混合物中回收未转化的反应物、催化剂等以便循环使用，降低成本；从含有微粒固体的气溶胶中回收奶粉；从淀粉废水或淀粉气溶胶中回收淀粉等。第18页/共34页Continued 延长产品保藏寿命：如食品的脱水干燥。 减少产品重量或体积，便于贮运：如增浓、脱水等。 三废(废气、废液、废渣)处理： 提高机器或设备的性能，如燃气轮机入口海盐气溶胶脱水、脱盐；压缩机进气脱水、除尘；气流磨进气脱油等等。 第19页/共34页1.7 分离过程的一般特性 （1）多样性 混合物的种类繁多，特性各异 （2）普遍性：绝大部分的生产过程或处理过程 如食品加工过程中从

14、原料的洗涤（清洗）、提取、净化、浓缩、干燥、生物制品的提取、选矿、冶炼、采油、炼油、化工、三废处理等等。 （3）重要性：影响产品质量、成本。为主要耗能过程。 例如：聚乙烯生产过程中，占94%左右； 在醋酸生产过程中，占98%。 高投资：占50%90%。 例如微生物制品的生产，花在分离过程上的费用（包括设备投资、运行和维护费用）往往要占到产品总成本的75%以上。第20页/共34页图1商品的市场价格与商品在原料(混合物)中浓度的关系 0 2 4 6 8 10 1286420-2-4糖 铜铀235金铀（混合同位素）重水（D )2O10g(美元/磅）维生素B12青霉素镭水-10g(浓度，重量分率）（4

15、）经济性 第21页/共34页 Sherwood等通过研究发现，商品的市场价格与商品在原料(混合物)中的浓度大致成反比。 当需要的物质只能在低浓度下取得时，势必要处理大量额外的物料，需要大的能量。 热力学根据：离提取某一纯物质所需的最小等温功与(-logai)成正比。ai为物质在进料混合物中的活度，而活度大致与浓度成正比。 例如，铀235（U235）要比金还贵，因为它在天然铀矿中的含量只有0.7%左右，若想获得一定量的可产生裂变的U235，就必须对大量的铀矿石进行分离浓缩。第22页/共34页（5）技术成熟度分离过程投资常占化工企业总投资的 5090%。各种新的分离技术不断发展。技术成熟度工业应用

16、度精馏吸收结晶萃取/共沸精馏溶剂萃取吸附分离色谱分离亲和分离液膜超临界萃取膜分离离子交换各种分离技术的发展现状第23页/共34页 1.8 分离过程 举例图1-1分离过程典型实例蔗糖的初加工第24页/共34页初加工流程说明 1)洗涤：原料甘蔗上有泥砂等杂质用喷水的方法洗去； 2)压榨：甘蔗糖汁是一个液/固混合物系统，通常在将甘蔗切成细丝后，用压榨机榨出糖汁，蔗渣加水以浸出残留糖份，最终的蔗渣作为副产品可用作燃料或制造绝缘纤维板； 3)糖汁澄清：在糖汁中加入石灰乳(Ca(OH)2)，加热，凝聚的胶体物料和不溶的钙盐就沉降出来。沉渣需经过滤以回收残存的糖汁； 4)蒸发、结晶：澄清的糖汁经蒸发器，蒸发

17、出大量的水份，得到约含蔗糖65%(重量)的黑色溶液，再送出至真空锅中煮沸，除去足够的水份，使糖汁成过饱和液而发生蔗糖结晶； 5)晶粒离心分离：用离心机将结晶与液体分离，得到含糖约97%的粗糖和废母液废蜜。第25页/共34页 图1-2 分离过程典型实例蔗糖的精制 第26页/共34页精制流程说明 (1)洗涤和沥取(washing and leaching)：用水冲洗去除泥砂，或溶解去除固体混合物中的可溶性杂质； (2)压榨(pressing)：压榨机，利用机械力从含有液体的固体物质中榨出液体； (3)沉淀(precipitation)：石灰槽、蒸汽搅拌槽，将某种化学反应物加至溶液中，使其中一些物质

18、生成新的不溶性化合物； (4)重力沉降(settling）：沉降槽，利用重力的自由沉降，要求悬浮液体系具有一定的颗粒粒度和密度差； (5)离心分离(centrifugation）: 粗糖和白糖离心机，利用离心力达到固液分离，要求一定的糖粒粒度和密度差；第27页/共34页 (6)过滤（filtration）: 压滤机，主要用于高浓度悬浮液的脱水，用于小颗粒、低密度差悬浮液的脱水时，可用助滤剂提高过滤效果。 (7)蒸发(evaporation): 蒸发器(evaporators)，将溶液加热，溶剂沸腾汽化而与溶质分离； (8)结晶（crystallization）: 真空结晶锅(vacuum pa

19、ns)，降温降压浓缩，生成一个组成不同于该液体的平衡固相； (9)吸附（adsorption）: 炭滤器(Char filter)，悬浮液中微量杂质籍范德华（van der Waals）力(物理吸附)或化学键(化学吸附)被优先截留在吸附剂表面上而被分离； (10)干燥（drying）：干燥器（dryers），依靠加热和通以低湿度的惰性气流，使水分从固体物料中蒸发分离。 (11)筛析（screening）: 筛(screens), 根据筛孔大小, 按晶体粒度分级。 （12)包装、贮存。 第28页/共34页1.9 分离方法的发展分离方法的发展主要介绍新型分离技术的进展。主要介绍新型分离技术的进展。

20、新型分离技术大致可分为三大类：新型分离技术大致可分为三大类：第一类：对传统分离过程或方法加以变革后的分离技术：如基于萃取的超临界流体萃第一类：对传统分离过程或方法加以变革后的分离技术：如基于萃取的超临界流体萃取取(supercritial-fluid extraction)、液膜萃取、液膜萃取(liquid membrane extraction)以及基于吸附以及基于吸附的色谱分离、分子蒸馏（的色谱分离、分子蒸馏（molecular distillation）又称短程蒸馏。）又称短程蒸馏。第二类：基于材料科学发展形成的分离技术：如反渗透（第二类：基于材料科学发展形成的分离技术：如反渗透（rev

21、erse osmosis)、超滤、超滤（ultrafiltration)、气体渗透、渗透汽化（、气体渗透、渗透汽化（pervaporation）等膜分离技术。）等膜分离技术。第三类：膜与传统分离相结合形成的分离技术第三类：膜与传统分离相结合形成的分离技术（耦合与集成技术）（耦合与集成技术）：如膜吸收：如膜吸收（membrane-based absorption）、膜萃取（）、膜萃取（membrane-based extraction）、亲和超滤）、亲和超滤（affinity ultrafiltration)、膜反应器（、膜反应器（membrane reaction）等。）等。第29页/共34页2.0 分离方法的选择分离方法的选择 分离方法多种多样，对于一般混合物的分离，取决于特定的环境和条分离方法多种多样，对于一般混合物的分离，取决于特定的环境和条件，选用哪一种方法比较合适，很难归纳出统一的模式。但是，随着分离件，选用哪一种方法比较合适，很难归纳出统一的模式。但是，随着分离技术的发展和不断完善，仍有一些规律可供选用分离方法时参考。技术的发展和不断完善，仍有一些规律可供选用分离方法时参考。 选择的基本依据选择的基本依据 混合物的宏观和微观性质的差异是选择分离方法的主要依据。这些宏观混合物的宏观和微观性质的差异是