一、高等分离工程--01_绪论2011

1、参考书高高 等等 分分 离离 工工 程程如何理解“高等”？n对理论和方法的深入理解和掌握对理论和方法的深入理解和掌握n对先进技术的了解，开拓视野对先进技术的了解，开拓视野n计算能力和解决实际问题能力的提高计算能力和解决实际问题能力的提高n对设计计算软件的使用对设计计算软件的使用n调研能力，动手能力的提高调研能力，动手能力的提高n各种化工问题之间的联系各种化工问题之间的联系第一章第一章 绪绪 论论 分离工程或分离过程分离工程或分离过程(separation processes),主要是对化学工业、石油化工、煤化工生产及主要是对化学工业、石油化工、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

2、科相关工业生产中的分离过程进行研究的一门科学学。 绪绪 论论 在我们生活的世界，无论是无机物还是有机物，大在我们生活的世界，无论是无机物还是有机物，大部分是以混合物的形式存在，许多化学过程和物理过部分是以混合物的形式存在，许多化学过程和物理过程所得到的产品都是混合物。为了有效地利用这些物程所得到的产品都是混合物。为了有效地利用这些物质，我们需要将它们加以提纯或分离，而分离工程则质，我们需要将它们加以提纯或分离，而分离工程则为我们提供所需要的原理及方法。我们应用分离工程为我们提供所需要的原理及方法。我们应用分离工程改变着世界。改变着世界。 绪绪 论论 古代，物原， “轩辕臣夙沙做盐轩辕臣夙沙做盐

3、”。世本 “皇帝时，诸侯有夙沙氏，始以海水煮乳煎成盐皇帝时，诸侯有夙沙氏，始以海水煮乳煎成盐”。中国盐政史谓：“世界盐业莫先于中国，中国盐世界盐业莫先于中国，中国盐业发源最古在昔神农时代夙沙初作煮海为盐，号称业发源最古在昔神农时代夙沙初作煮海为盐，号称盐宗盐宗”。这包含现代工业中“蒸发”和“结晶”两个分离技术。绪绪 论论1901年戴维斯年戴维斯(Davis)编著编著了第一本化学工程专著了第一本化学工程专著化学工程手册化学工程手册。分离工程是化学工程学科分离工程是化学工程学科的一个重要分支。的一个重要分支。分离工程一直是化工过程分离工程一直是化工过程中的关键角色中的关键角色绪绪 论论(18501

4、907)l现代，分离工程起到了巨大作用现代，分离工程起到了巨大作用l化学工程涵盖化工热力学、传递过程、单元操作、化学工程涵盖化工热力学、传递过程、单元操作、传质与分离工程、化工系统工程、化工控制过程等传质与分离工程、化工系统工程、化工控制过程等内容。内容。l现代化工生产中，主要包括两个过程：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，是化工生一是反应过程，它可以生产出新的物质，是化工生产中的产中的核心核心二是分离过程，它包括原料的净化、预处理、中间二是分离过程，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产物的分离及产物的分离和提纯，是得到合格产品提纯，是得

5、到合格产品的的关键关键绪绪 论论1.1 分离过程在化工生产中的重要作用分离过程在化工生产中的重要作用n分离过程是分离混合物的一种方法。分离过程是分离混合物的一种方法。n典型的化工生产装置通常是由一个典型的化工生产装置通常是由一个(或多个或多个)反反应器和具有提纯原料、中间产物和产品的多个应器和具有提纯原料、中间产物和产品的多个分离设备以及机、泵、换热器等构成。分离设备以及机、泵、换热器等构成。n分离操作可以实现：分离操作可以实现：I、提纯原料；、提纯原料；II、分离中间产物，减少副反应，、分离中间产物，减少副反应，提高产品收率；提高产品收率； III、脱除有害物质；、脱除有害物质；IV、产、产

6、品提纯与精制；品提纯与精制；V、对混合物进行检测分析等。、对混合物进行检测分析等。绪绪 论论 分离设备投资巨大，操作费用高分离设备投资巨大，操作费用高 分离操作在化工生产中占有重要地位，对于大型石油工业和以化学反应为中心的石油化工生产过程，分离装置投资费用占总投资的5090%。而且在操作过程中，分离设备所消耗的能量很高。绪绪 论论绪绪 论论绪绪 论论 环境保护离不开分离过程环境保护离不开分离过程 随着人类社会的不断进步和发展，工业化进程的不断推进，排入大气中的污染物越来越多，如：挥发性有机污染物（VOCs)、日益严重的酸雨问题、温室效应，光化学烟雾和臭氧等问题已严重制约经济的发展，甚至威胁人类

7、的生存和发展。 为了治理日益严重的环境污染，保护人类的生存环境，也必须采用分离过程对废气、废水和废渣进行处理。绪绪 论论绪绪 论论 能源开发与利用离不开分离工程能源开发与利用离不开分离工程 石油、煤、天然气的利用，新能源的开发：生物质能、核能、氢能、燃料电池能。绪绪 论论绪绪 论论分离过程在其他领域的应用分离过程在其他领域的应用 分离过程除了在化工、环保及能源领域中有分离过程除了在化工、环保及能源领域中有广泛应用外，在其它工业领域也有巨大的用途。广泛应用外，在其它工业领域也有巨大的用途。 冶金行业：矿物中金属的提取和精制冶金行业：矿物中金属的提取和精制 食品工业：食物脱水、果汁提纯食品工业：食

8、物脱水、果汁提纯 核核 工工 业：同位素分离业：同位素分离 生化行业：生物分离，培养液和发酵液的生化行业：生物分离，培养液和发酵液的分离分离 科技发展对物质纯度的要求越来越高，促进科技发展对物质纯度的要求越来越高，促进了分离理论和技术的发展，一些新型分离技术了分离理论和技术的发展，一些新型分离技术不断开发出来。反应精馏技术、变压吸附分离不断开发出来。反应精馏技术、变压吸附分离技术、膜分离技术、技术、膜分离技术、超临界萃取技术等等超临界萃取技术等等。 绪绪 论论1.2 分离过程基本概念分离过程基本概念分离过程的定义：分离过程的定义：l混合是自发过程，而分离是非自发过程，必须通过建混合是自发过程，

9、而分离是非自发过程，必须通过建立装置、系统或过程，对混合物加入能量，才能实现。立装置、系统或过程，对混合物加入能量，才能实现。l定义：定义：将一混合物转变为组成不相同的两种或两种以将一混合物转变为组成不相同的两种或两种以上产物的操作。上产物的操作。l分离工程示意图分离工程示意图绪绪 论论n 分离因子（分离因数）分离因子（分离因数）a定义：定义： 任何一种分离过程中任意两组分间能够任何一种分离过程中任意两组分间能够达到的分离程度称为分离因子或分离因数。达到的分离程度称为分离因子或分离因数。a数学表达式：数学表达式： 1122ijsijijxxaxx绪绪 论论n分离剂分离剂a分离剂分离剂是加入到混

10、合物系中的，使混合物分离是加入到混合物系中的，使混合物分离的能量或物质。的能量或物质。a一股或几股物流进入分离装置，加入分离剂后一股或几股物流进入分离装置，加入分离剂后引起分离作用，最后得到至少两股不同的产品。引起分离作用，最后得到至少两股不同的产品。a分离剂是能量分离剂是能量(热量、冷量或功等热量、冷量或功等)，称为能量，称为能量分离剂分离剂, 分离剂是物质分离剂是物质(或另一种原料或另一种原料)，成为质，成为质量分离剂。量分离剂。a分离剂还可以是某种强制力（如压力梯度、温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。度梯度、电场力、磁场力）及特殊膜等。a分离过

11、程的特征往往由加入分离剂的性质决定。分离过程的特征往往由加入分离剂的性质决定。绪绪 论论n分离过程按所加分离剂的不同可以分为分离过程按所加分离剂的不同可以分为：a能量分离剂的平衡过程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这类过程的共同点是所加的分离剂均为能量(热量、冷量、减热量、冷量、减压等压等)。a质量分离剂的平衡过程质量分离剂的平衡过程 吸收吸收(以不挥发性液体作为分离剂以不挥发性液体作为分离剂)、气提、气提(以不凝性气体作分以不凝性气体作分离剂离剂)，吸附和离子交换，吸附和离子交换(分别以固体吸附剂和树脂作分离剂分别以固体吸附剂和树脂作分离剂)及萃取及萃取(以不互溶

12、液体做分离以不互溶液体做分离)等属于这类过程。等属于这类过程。a使用一个以上分离剂的平衡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如萃取精馏和恒沸精馏(热量与适当液体热量与适当液体)。a速率控制过程：速率控制过程： 有些过程通过某种介质，在压力、温度、组成、电势或其他有些过程通过某种介质，在压力、温度、组成、电势或其他梯度所造成的强制力的推动下，依靠传递速率的差别而操作，梯度所造成的强制力的推动下，依靠传递速率的差别而操作，叫速率控制过程。叫速率控制过程。绪绪 论论1.3 分离过程的分类分离过程的分类n分离过程分离过程分为分为机械分离过程机械分离过程和和传质分离过程传质分离过程两大

13、类。两大类。n机械分离过程机械分离过程是指分离装置所接受的是多于一个相的是指分离装置所接受的是多于一个相的非均相进料，只要简单地分相就可以。如过滤、沉降、非均相进料，只要简单地分相就可以。如过滤、沉降、固固-液分离和气液分离和气-液分离器等。液分离器等。n传质分离过程传质分离过程是除了机械地将不同相加以分离外，相是除了机械地将不同相加以分离外，相间还发生物质的传递。分离对象是均相混合物，将含间还发生物质的传递。分离对象是均相混合物，将含有不同组分的均相混合物分成组成互不相同的两种或有不同组分的均相混合物分成组成互不相同的两种或多种产品的操作。精馏，吸收，萃取等。多种产品的操作。精馏，吸收，萃取

14、等。 平衡分离过程平衡分离过程 传质分离过程传质分离过程 速率分离过程速率分离过程绪绪 论论n 平衡分离过程的单元操作平衡分离过程的单元操作绪绪 论论 平衡分离过程是平衡分离过程是（热量或物质）将（热量或物质）将均相混合物分离，分离主要是均相混合物分离，分离主要是进进行，行，。精馏，吸收，萃取。精馏，吸收，萃取等过程均属于平衡分离过程等过程均属于平衡分离过程n 平衡分离过程的单元操作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

15、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+液/气液体和(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(气提)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单元操作用丙烷和甲苯基酸为溶剂从芳香烃及

16、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+液体液体再沸蒸出实例分离剂产品进料形式单元操作从含有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

17、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液体+固体n 速率分离过程的单元操作速率分离过程的单元操作绪绪 论论 速率分离过程是在某种速率分离过程是在某种（浓度差、压力差、（浓度差、压力差、温度差、电力差等）的作用下，有时在选择性透过膜温度差、电力差等）的作用下，

18、有时在选择性透过膜的配合下，利用的配合下，利用实现组分的分实现组分的分离离。原料液滤液原料液滤液浓缩液原料液溶剂浓缩液混合气渗透气渗余气原料液渗透蒸气溶质或溶剂溶剂原料液浓电解质阴膜 阳膜阴极阳极原料液渗透液浓缩液几种主要的膜分离过程几种主要的膜分离过程过程示意图膜类型推动力传递机理透过物截留物微滤MF 多孔膜压力差（0.1MPa）筛分水、溶剂、溶解物悬浮物各种微粒超滤UF 非对称膜压力差（0.11MPa）筛分溶剂、离子、小分子胶体及各类大分子反渗透RO 非对称膜复合膜 压力差（210MPa）溶剂的溶解-扩散水、溶剂悬浮物、溶解物、胶体电渗析ED离子交换膜电位差 离子在电场中的传递 离子非解离

19、和大分子颗粒 均质膜复合膜非对称膜压力差（115MPa）气体的溶解-扩散易渗透气体难渗透气体 渗透汽化PVAP 均质膜复合膜非对称膜浓度差分压差溶解-扩散易溶解或易挥发组分 不易溶解或难挥发组分 膜蒸馏MD 微孔膜由于温度差而产生的蒸汽压差通过膜的扩散高 蒸 汽 压的 挥 发 组分非挥发的小分子和溶剂气体分离GS1.4 近代分离过程特征近代分离过程特征a 与过程系统工程相结合。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。a反应与分离结合。反应与分离结合。反应过程与分离过程是化工生产的两个重要环节，二者相互结合，相得益彰。化学吸收、化学萃取、反应精馏、膜反

20、应器、膜控制释放、膜生物反应器等新工艺不断推广。a分离与分离结合。分离与分离结合。萃取结晶、吸附蒸馏、膜蒸馏、膜吸收、膜萃取等绪绪 论论a与节能技术相结合。与节能技术相结合。分离过程占化工过程能耗的5090%，分离过程与节能技术密不可分a新分离过程不断出现。新分离过程不断出现。加盐精馏、分子蒸馏、超临界萃取、膜分离、超临界结晶、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。绪绪 论论1.5 分离过程的解决方案分离过程的解决方案n多组分混合物的热物性数据多组分混合物的热物性数据纯物质的物性数据可查；混合物的物性数据需计算。n实际体系的相平衡常数实际体系的相平

21、衡常数计算平衡常数需用活度系数、逸度系数对理想体系进行修正。n集态的变化集态的变化多组分混合物分离常伴随集态的变化，即出现新的相，计算时需确定新相的参数。n需用电子计算机作为运算工具需用电子计算机作为运算工具多组分混合物分离过程的计算需反复试差、迭代或联立求解线形或非线性方程组，计算量大。n新分离工艺的出现，需构建新的分离模型新分离工艺的出现，需构建新的分离模型。绪绪 论论1.6 课程要求课程要求n掌握典型的分离技术，了解其内容、原理、特掌握典型的分离技术，了解其内容、原理、特点及具体应用点及具体应用。n做到能够针对具体过程提出最佳解决方案。做到能够针对具体过程提出最佳解决方案。n考核方式：平

22、时考核方式：平时+课程论文课程论文+考试。考试。绪绪 论论课程安排n绪论绪论 n精馏精馏n多组分精馏多组分精馏n多组分精馏多组分精馏n萃取精馏萃取精馏n共沸精馏共沸精馏n反应精馏反应精馏n盐效分离盐效分离n分子蒸馏分子蒸馏n精馏节能精馏节能n精馏节能精馏节能n吸收吸收n萃取萃取n吸附吸附n结晶结晶n超临界结晶超临界结晶n超临界萃取超临界萃取n膜分离总论膜分离总论n膜分离举例膜分离举例n讨论讨论1n讨论讨论2n讨论讨论3n讨论讨论4考核方式n平时课堂听课和讨论参与情况平时课堂听课和讨论参与情况30%(提前预约）提前预约）n小论文小论文30%（第八周交，通过评比、选择）（第八周交，通过评比、选择）

23、n期末考试期末考试40%n自学工程设计软件，解决实际问题自学工程设计软件，解决实际问题讨论话题n1在你的记忆中，对哪种分离方法最熟悉或印在你的记忆中，对哪种分离方法最熟悉或印象最深？象最深？n2 你真的能接受恒摩尔流假设吗？你真的能接受恒摩尔流假设吗？n你觉得清晰分割假设成立的比率有多大？你觉得清晰分割假设成立的比率有多大？n工厂实际过程中，多元精馏多还是二元精馏多？工厂实际过程中，多元精馏多还是二元精馏多？n3如果一个体系既可以用萃取精馏，又可以用如果一个体系既可以用萃取精馏，又可以用共沸精馏，你选择哪一种？共沸精馏，你选择哪一种？n4盐效分离、催化精馏，为什么固体参与液体盐效分离、催化精馏，为什么固体参与液体活动会有这么大的力量？还有哪些例子？活动会有这么大的力量？还有哪些例