化工分离工程011

1、本课程的任务和内容本课程的任务和内容地位：专业基础课地位：专业基础课前期课程：前期课程： 物理化学、化工原理、化工热力学物理化学、化工原理、化工热力学重点：重点： 1.基本概念的理解基本概念的理解 2.讨论各种分离方法的特征讨论各种分离方法的特征 3.对设计、分析能力的训练对设计、分析能力的训练 4.提高解决问题能力提高解决问题能力学生应掌握：学生应掌握： 分离过程的基本理论分离过程的基本理论 简捷和严格计算方法简捷和严格计算方法 强化、改进操作途径强化、改进操作途径 对新分离技术有一定了解对新分离技术有一定了解教材：面向2121世纪世纪课程教材： 刘家祺.分离过程.北京:化学工业出版社, 2

2、002主要参考书: 陈洪钫,刘家祺.化工分离过程.北京:化学工业出版社, 1995。 吴俊生，邓修 等编著，分离工程，华东化工学院出版社，1992。 郁浩然 主编，化工分离工程，中国石油出版社，1992。返回返回第一章第一章 绪绪 论论u实例实例1：糖的溶解与结晶：糖的溶解与结晶u糖溶于水糖溶于水u形成均匀溶液形成均匀溶液混合过程混合过程u过程是自发的过程是自发的熵增加熵增加u从水中取出糖从水中取出糖u 对体系做功（如蒸馏法）对体系做功（如蒸馏法） 分离过程分离过程u 过程不能自发进行过程不能自发进行熵减少熵减少 有关分离过程本质的一些描述有关分离过程本质的一些描述（是否准确或全面？）（是否准

3、确或全面？）u分离不能自发进行（熵减少过程）分离不能自发进行（熵减少过程）u分离在热力学上受阻（对抗热力学第二定律）分离在热力学上受阻（对抗热力学第二定律）u分离是逆着大自然的分离是逆着大自然的u热力学是逆着物质纯化的热力学是逆着物质纯化的 指出一切涉及热现象的宏观过程是不可逆的。它阐明了在这些过程中能量转换或传递的方向、条件和限度。相应的态函数是熵，熵的变化指明了热力学过程进行的方向，熵的大小反映了系统所处状态的稳定性。实例实例2：己烷与水混合的实验：己烷与水混合的实验u不能自发混合不能自发混合u剧烈搅拌或振荡剧烈搅拌或振荡混合混合u放置（停止放置（停止搅拌或振荡搅拌或振荡）自发分离自发分离

4、 体系中除浓度差（熵效应）外，还有：体系中除浓度差（熵效应）外，还有：u水分子间的亲水相互作用势能水分子间的亲水相互作用势能对抗混合对抗混合u水分子和己烷分子间的疏水相互作用势能水分子和己烷分子间的疏水相互作用势能对抗混合对抗混合u水和己烷的密度差（重力势能）水和己烷的密度差（重力势能）对抗混合对抗混合u实例实例3：fe3+和和ti4+的混合实验（一）的混合实验（一） 混合均匀混合均匀 fe3+ ti4+ fe3+ fe3+ 抽掉隔板抽掉隔板 ti4+ ti4+ 6mol/l hcl 6mol/l hcl 6mol/l hcl 6mol/l hcl抽调隔板后抽调隔板后fe3+和和ti4+将自发

5、混合均匀，这是因为：将自发混合均匀，这是因为：u体系中除浓度（活度）差外不存在其他势场。体系中除浓度（活度）差外不存在其他势场。u浓度差对化学势的贡献属熵的贡献，浓度差对化学势的贡献属熵的贡献，u熵增势能驱使熵增势能驱使fe3+和和ti4+在整个体系范围内从有序向无序变化。在整个体系范围内从有序向无序变化。u实例实例3：fe3+和和ti4+的分离实验（二）的分离实验（二） fe3+ 、ti4+ 乙醚，乙醚，fe3+ 抽掉隔板抽掉隔板 6mol/l hcl 乙醚乙醚 6mol/l hcl，ti4+ 结果：结果：乙醚和水为互不相溶的两相。乙醚和水为互不相溶的两相。 fe3+与乙醚生成离子缔合物：与

6、乙醚生成离子缔合物： c2h5o c2h5 h+ (c2h5)2oh+ fe3+ + 4 cl fecl4 (c2h5)2oh+ + fecl4 (c2h5)2oh+fecl4 ti4+留在水相留在水相uti4+的亲水作用势能驱使的亲水作用势能驱使ti4+留在水相；留在水相；uti4+的浓度差产生的化学势驱使的浓度差产生的化学势驱使ti4+均匀分布在整个空间；均匀分布在整个空间；uti4+的亲水作用势能远大于浓度差化学势，所以，的亲水作用势能远大于浓度差化学势，所以，ti4+留在水相留在水相fe3+进入乙醚相进入乙醚相u fe3+的浓度差产生的化学势驱使的浓度差产生的化学势驱使fe3+均匀分布

7、在整个空间；均匀分布在整个空间；u (c2h5)2oh+fecl4 的亲溶剂（疏水）势能驱使的亲溶剂（疏水）势能驱使fe3+进入乙醚相；进入乙醚相；u 亲溶剂势能远大于浓度差化学势，所以，亲溶剂势能远大于浓度差化学势，所以，fe3+进入乙醚相进入乙醚相结论：结论：u分离有时是自发过程、混合有时也不能自发进行；分离有时是自发过程、混合有时也不能自发进行；u总自由能决定体系是趋向分离、还是趋向混合，即：总自由能决定体系是趋向分离、还是趋向混合，即： g总总势能项熵项势能项熵项irt lnaiu均相体系均相体系中只存在浓度差中只存在浓度差 自发混合自发混合。u非均相体系非均相体系中除浓度差外，还存在

8、各种相互作用（势能中除浓度差外，还存在各种相互作用（势能） 各组分各组分趋向于分配在低势能相趋向于分配在低势能相。（自由能降低）（自由能降低）u1.1分离过程在工业生产中的地位和分离过程在工业生产中的地位和作用作用u1.2 传质分离过程的分类和特征u1.3.分离过程的集成化分离过程的集成化 学习方法与要求学习方法与要求1.1 分离过程在工业生产中的地位分离过程在工业生产中的地位和作用和作用 1.1.1分离过程在化工生产中的重要分离过程在化工生产中的重要性性 1.1.2 分离过程在清洁工艺中的地分离过程在清洁工艺中的地位与作用位与作用返回返回煤石油天然气生物质反应化工原料分离产品一般化工生产过程

9、：一般化工生产过程：u例例1：乙烯水合生产乙醇：乙烯水合生产乙醇1-固定床催化反应器；固定床催化反应器；2-分凝器；分凝器；3、5、9-吸收塔；吸收塔；4-闪蒸塔；闪蒸塔；6-粗馏塔；粗馏塔； 7-催化加氢反应器；催化加氢反应器；8-脱轻组分塔；脱轻组分塔；10-产品塔产品塔涉及分离过程：涉及分离过程：吸收：吸收：3、5、9； 精馏：精馏：6、8、10；闪蒸：闪蒸：4乙乙烯烯93% 产品产品废水废水乙乙醚醚ohhchhc522420 12345678910水循环乙烯循环乙烯水水放放空空放放空空水水氢氢水水废水废水u例例2：二甲苯生产：二甲苯生产1-重整反应器；重整反应器；2、13-汽液分离器；

10、汽液分离器；3-压缩机；压缩机；4-脱丁烷塔；脱丁烷塔；5-萃取塔萃取塔6-再生塔；再生塔；7-甲苯塔；甲苯塔；8-二甲苯回收塔；二甲苯回收塔；9-冷却器；冷却器；10-结晶器；结晶器；11-异构化反应器；异构化反应器；12-熔融塔熔融塔放放空空间二甲苯间二甲苯和邻二甲和邻二甲苯苯石脑油石脑油进料进料混合二甲苯混合二甲苯循环混合二甲苯循环混合二甲苯125678104111391233轻烃类轻烃类非芳烃非芳烃乙二醇乙二醇芳烃芳烃苯和甲苯苯和甲苯对二甲苯对二甲苯重芳烃重芳烃h2h2h2加氢重整后得到：加氢重整后得到：轻油轻油 非芳烃非芳烃 苯苯 甲苯甲苯 二甲苯二甲苯 高级芳烃高级芳烃目的产物 目

11、的产物为目的产物为对二甲苯对二甲苯邻二甲苯邻二甲苯间二甲苯间二甲苯对二甲苯对二甲苯沸点沸点144.411139.104138.351熔点熔点25.17347.87213.263 原料：原料：石脑油石脑油 沸程沸程120230k 特点特点： 涉及到分离过程：涉及到分离过程：精馏：精馏：4、7、8 萃取：萃取：5、6 结晶：结晶：10总总 结：结： 原料的净化与粗分 反应产物的提纯 药物的精制和提纯 精选金属的提取 食品除水、除毒、病毒分离、同位数分离 三废处理返回1.1.2 分离过程在清洁工艺中的分离过程在清洁工艺中的地位与作用地位与作用 清洁工艺：清洁工艺：生产工艺和防治污染有机的结生产工艺和

12、防治污染有机的结合，将污染物减少或消灭在工艺过程中。合，将污染物减少或消灭在工艺过程中。 面向面向21世纪社会和经济可持续发展的世纪社会和经济可持续发展的重大课题。重大课题。化学工业污染来源：化学工业污染来源：u未回收的原料未回收的原料u未回收的产品未回收的产品u有用和无用的副产有用和无用的副产u原料中的杂质原料中的杂质u工艺的物料损耗工艺的物料损耗 废物最小化？废物最小化？清洁工艺终合考虑： 合理的原料选择； 反应路径的清洁化； 物料分离技术的选择； 确定合理的流程和工艺参数。 核心： 化学反应 废物最小化首先考虑催化剂、反应工艺和设备。与化工分离过程密切相关的有：与化工分离过程密切相关的有

13、： 降低原材料和能源的消耗，提高有效利用率、降低原材料和能源的消耗，提高有效利用率、回收利用率、循环利用率；回收利用率、循环利用率； 开发和采用新技术、新工艺、改善生产操作条开发和采用新技术、新工艺、改善生产操作条件，以控制和消除污染；件，以控制和消除污染； 采用生产装置的闭路循环技术；采用生产装置的闭路循环技术； 处理生产中的副产物和废物，使之减少和消除处理生产中的副产物和废物，使之减少和消除对环境的危害；对环境的危害； 研究、开发和采用低物耗、低能耗、高效率的研究、开发和采用低物耗、低能耗、高效率的“三废三废”治理技术。治理技术。闭路循环系统：闭路循环系统： 将过程所产生的废物最大限度地回

14、收和将过程所产生的废物最大限度地回收和循环使用。循环使用。原原料料产品产品排除排除111222废废物物废废物物1单元过程；2处理实现分离与再循环系统使废物最小化的方法：实现分离与再循环系统使废物最小化的方法：废物直接再循环 例：废水例：废水进料提纯进料提纯 例：氧化反应采用纯氧例：氧化反应采用纯氧除去分离过程中加入的附加物质除去分离过程中加入的附加物质 例：共沸剂、萃取剂例：共沸剂、萃取剂附加分离与再循环系统附加分离与再循环系统 例：分离废物中的有效物，循环使用例：分离废物中的有效物，循环使用上述原因促使：上述原因促使： 传统分离过程不断改进和发展 例：反应精馏；吸附； 新分离方法不断出现和实

15、现工业化应用 例：膜分离；热扩散；色层分离；返回返回 1.2 传质分离过程的分类和特征一类：机械分离一类：机械分离特点：特点：被分离物为非均相被分离物为非均相 简单的将混合物分开简单的将混合物分开 如：过滤、沉降如：过滤、沉降化工原理内容二类：传质分离二类：传质分离 包含：包含： 平衡分离过程；速率控制分离 特点：特点：被分离物为均相 1.2 传质分离过程的分类和特征u1.2.1 平衡分离过程u1.2.2 速率分离过程速率分离过程返回1.2.1 平衡分离过程平衡分离过程分离设备分离设备混合物混合物产品产品分离媒介分离媒介：分离媒介：能量、物质、压力平衡分离过程平衡分离过程借助分离媒介，使均相混

16、合物系统变 成两相系统，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配。平衡分离过程的分离单元操作平衡分离过程的分离单元操作闪闪蒸蒸原料原料相态：相态： 液体液体分离媒分离媒介：介： 减压减压分离原分离原理：理：挥发度（挥发度（蒸汽压）蒸汽压）有较大差有较大差别别工业应用工业应用：海水淡化生海水淡化生产纯水；吸产纯水；吸收液的解吸收液的解吸。精精馏馏原料原料相态：相态：汽、液汽、液或汽液或汽液混合物混合物分离媒介：分离媒介：热量，有时热量，有时用机械功用机械功 同上同上石油裂解气石油裂解气的深冷分离的深冷分离；苯、甲苯；苯、甲苯、二甲苯的、二甲苯的分离。分离。吸吸收收蒸蒸

17、出出原料原料相态相态：气体或气体或 液体液体分离媒分离媒介：介：液体吸收液体吸收剂（剂（msa）；加入）；加入热量（热量（esa） 分离原分离原理：理：挥发度（挥发度（蒸汽压）蒸汽压）有较大差有较大差别别工业应工业应用：用： 由催化裂化由催化裂化装置主蒸塔装置主蒸塔顶产物中回顶产物中回收乙烷及较收乙烷及较轻的烃。轻的烃。萃萃取取或或共共沸沸精精馏馏原料原料相态相态：汽、液汽、液或汽液或汽液混合物混合物液体溶剂（液体溶剂（msa）或塔）或塔釜加热（釜加热（esa）液体共沸剂液体共沸剂（msa）或）或塔釜加热（塔釜加热（esa）改变原溶改变原溶液的相对液的相对挥发度挥发度 以苯酚作溶以苯酚作溶剂由

18、沸点相剂由沸点相近的非芳烃近的非芳烃中分离芳烃中分离芳烃；以醋酸丁；以醋酸丁酯作共沸剂酯作共沸剂从稀溶液中从稀溶液中分离醋酸。分离醋酸。msal或vlll或vmsalv返回1.2.2 1.2.2 速率分离过程速率分离过程膜分离膜分离热扩散热扩散速率分离速率分离: : 在某种推动力（浓度差、压力差、温度差、电位差等）的作用下，有时在选择性膜的配合下，利用各组分扩散速率的差异实现组分的分离。微孔过滤（微孔过滤（mf）：）：推动力：压力差（100kpa）传递机理：筛分膜类型：多孔膜 进料进料（液体和气体）（液体和气体）溶剂、水、溶剂、水、气体气体颗粒、纤维目的：溶液脱离子，气体脱离子超滤（超滤（uf

19、）：）：推动力：压力差（1001000kpa）传递机理：筛分膜类型：非对称性膜进料进料溶剂、水溶剂、水胶体大分子目的：溶液脱大分子，大分子溶液脱小分子，大分子分级。反渗透（反渗透（ro）：）：推动力：压力差（100010000kpa）传递机理：优先吸附毛细管流动溶解、扩散模型膜类型：非对称性膜或复合膜进料进料溶剂、水溶剂、水溶质、盐溶质、盐目的：溶剂脱溶质，含小分子溶质溶液浓缩。渗析（渗析（d）：）：推动力：浓度差传递机理：筛分、微孔膜内的受阻扩散透过物：小分子溶质或较小的溶质截留物：截留0.02um离子、截留血液0.005um离子膜类型：非对称性膜或离子交换膜进进料料接受液净化液净化液扩散扩

20、散液液目的：大分子溶质溶液脱小分子，小分子溶质溶液脱大分子。 电渗析（电渗析（ed）：）：推动力：电化学势传递机理：反离子经离子交换膜的迁移膜类型：离子交换膜浓电解质浓电解质极极极极产品产品阴离子交换膜阴离子交换膜阳离子交换膜阳离子交换膜进料进料目的：溶液脱小离子，小离子溶质的浓缩、小离子的分级。 热扩散：热扩散：原理：原理： 先建立稳定的先建立稳定的温度梯度温度梯度，气体中较轻的组分向热线方气体中较轻的组分向热线方向飘逸，再建立稳定的向飘逸，再建立稳定的浓度浓度梯度，梯度，热线附近的气体由于热线附近的气体由于密度较小流向上顶瓶；冷管密度较小流向上顶瓶；冷管壁附近的气体由于密度较大壁附近的气体

21、由于密度较大向下底瓶流动。向下底瓶流动。顶瓶顶瓶底瓶底瓶温度温度梯度梯度冷壁冷壁热线热线速率分离过程特点：速率分离过程特点： 节能节能 环保优势环保优势 新的方法新的方法返回返回1.3.1.3.分离过程的集成化分离过程的集成化 目的：目的：实现清洁工艺实现清洁工艺 使物料能量消耗最小；使物料能量消耗最小； 经济效益、社会效益最大。经济效益、社会效益最大。u1.3.1反应过程与分离过程的耦合反应过程与分离过程的耦合u1.3.2分离过程与分离过程的耦合分离过程与分离过程的耦合u1.3.3 过程过程的集成的集成返回返回1.3.1反应过程与分离过程的耦合反应过程与分离过程的耦合目的：目的： 改善不利的

22、热力学和动力学因数，改善不利的热力学和动力学因数，减少设备、操作费用、节约资源和能减少设备、操作费用、节约资源和能源。源。u化学吸收化学吸收化学反应与吸收相结合化学反应与吸收相结合 被溶解的组分与吸收剂中的活性组分发生反应，被溶解的组分与吸收剂中的活性组分发生反应，增加传质推动力。增加传质推动力。u化学萃取化学萃取化学反应与萃取相结合化学反应与萃取相结合 溶质与萃取剂反应。如：络合反应；水解；聚合溶质与萃取剂反应。如：络合反应；水解；聚合u反应（催化）精馏反应（催化）精馏化学反应与精馏相结合化学反应与精馏相结合 例：酯化、皂化、酯交换、胺化、水解例：酯化、皂化、酯交换、胺化、水解u膜反应器膜反

23、应器优良分离性能与催化反应相结合优良分离性能与催化反应相结合 例：利用多孔陶瓷膜催化反应器，进行丁烯脱氢例：利用多孔陶瓷膜催化反应器，进行丁烯脱氢制丁二烯。丙烷脱氢制丙烯。制丁二烯。丙烷脱氢制丙烯。u控制释放控制释放 将药物或其他生物活性物质以一定形式与膜将药物或其他生物活性物质以一定形式与膜结构相结合，使这些活性物质只能以一定速度通结构相结合，使这些活性物质只能以一定速度通过扩散等方式释放到环境中。过扩散等方式释放到环境中。u膜生物传感器膜生物传感器 由生物催化剂酶或微生物与合成膜及电极转由生物催化剂酶或微生物与合成膜及电极转换装置组成，模仿生物膜对化学物质的识别能力换装置组成，模仿生物膜对化学物质的识别能力制成，为酶膜传感器和微生物传感器制成，为酶膜传感器和微生物传感器 。返回1.3.21.3.2分离过程与分离过程的耦合分离过程与分离过程的耦合 复合分离过程复合分离过程 优点：优点：集原分离过程之所长，避其所短。集原分离过程之所长，避其所短。 适用于适用于: 特殊物系的分离。特殊物系的分离。萃取结晶萃取结晶（加和结晶）（加和结晶） 分离分离：挥发