第1章绪论20080919化工传递

1、1分离工程分离工程Separation Engineering 2任课教师简介任课教师简介姓姓 名：高华晶名：高华晶职职 称：副教授称：副教授所在院系：化工与材料工程学院所在院系：化工与材料工程学院 化学工程系化学工程系办公地址：化工实验楼办公地址：化工实验楼216216室室E-mail E-mail ：huajing_gaohuajing_3课程性质：必修、考试课程性质：必修、考试课程学分：课程学分：3 3 计划学时：计划学时：4848考核方法：闭卷考试考核方法：闭卷考试 成绩评定：平时成绩（作业、考勤）占成绩评定：平时成绩（作业、考勤）占30%30%闭卷考试卷面成绩占闭卷考试卷面成绩占70

2、%70%上课班级：化学工程与工艺上课班级：化学工程与工艺05020502、05030503上课时间：周五上课时间：周五3 3、4 4（1-181-18周）周） 2-111 2-111 周一周一3 3、4(13-184(13-18周周) 2-111) 2-111课程简介课程简介4分离工程分离工程：研究：研究分离过程分离过程中分离设备的共性规律，中分离设备的共性规律， 是混合物分离与提纯的一门工程学科。是混合物分离与提纯的一门工程学科。分离过程分离过程：将一混合物转变为组成互不相同的两：将一混合物转变为组成互不相同的两 种或几种产品的操作过程。种或几种产品的操作过程。学科分类：学科分类：一级学科：

3、化学工程与技术；一级学科：化学工程与技术；二级学科：化学工程、化学工艺、工业催化、生物二级学科：化学工程、化学工艺、工业催化、生物 化工等；化工等； 三级学科：反应工程、三级学科：反应工程、分离工程、分离工程、系统工程，传递系统工程，传递 过程等。过程等。本课程研究对象：传质分离过程本课程研究对象：传质分离过程 5课程主要学习内容课程主要学习内容第第1 1章章 绪论（绪论（6-86-8学时）学时）第第2 2章章 单级平衡过程单级平衡过程 （4 4学时）学时）第第3 3章章 多组分精馏和特殊精馏多组分精馏和特殊精馏 （8-108-10学时）学时）第第4 4章章 气体吸收（气体吸收（4 4学时）学

4、时）第第5 5章章 液液萃取液液萃取 （2 2学时）学时）第第6 6章章 多组分多级分离的严格计算（多组分多级分离的严格计算（4 4学时）学时）第第7 7章章 吸附（吸附（6 6学时）学时）第第8 8章章 结晶（结晶（2 2学时）学时）第第9 9章章 膜分离（膜分离（2 2学时）学时）第第1010章章 分离过程及设备的选择与放大（分离过程及设备的选择与放大（2 2学时）学时）6课程主要任务课程主要任务：掌握常用化工分离过程（精馏、特：掌握常用化工分离过程（精馏、特殊精馏、吸收）的基本理论、操作特性、简捷与严殊精馏、吸收）的基本理论、操作特性、简捷与严格的计算方法和强化改进分离操作的途径，了解一

5、格的计算方法和强化改进分离操作的途径，了解一些新的分离技术。些新的分离技术。预修课程预修课程：物理化学、化工热力学、传递过程、：物理化学、化工热力学、传递过程、 化工原理化工原理必要说明必要说明：（1 1）本课程在学生课前预习、自学的基础上，进行）本课程在学生课前预习、自学的基础上，进行 重点内容的课堂讲授；重点内容的课堂讲授；（2 2）本课程的重点是第）本课程的重点是第1.41.4、2 2、3 3、4 4、6 6、7 7章；章；（3 3）本课程的部分计算题要求采用计算机编程求解。）本课程的部分计算题要求采用计算机编程求解。 711陈洪钫陈洪钫, ,刘家祺编刘家祺编. .化工分离过程化工分离过

6、程M.M.北京北京: :化学工业出版化学工业出版社社,1995 ,1995 2J.D.Seader,Ernest Henley.2J.D.Seader,Ernest Henley.SeperationSeperation Process Process PrinciplesPrinciplesM.M.北京北京: :化学工业出版社化学工业出版社,2002,200233邓修邓修, ,吴俊生编著吴俊生编著. .化工分离工程化工分离工程M.M.北京北京: :科学出版社出版科学出版社出版社社,2006 ,2006 44郁浩然主编郁浩然主编. .化工分离工程化工分离工程M.M.北京北京: :中国石化出版社

7、中国石化出版社,1992,199255陈洪钫主编陈洪钫主编. .基本有机化工分离工程基本有机化工分离工程M.M.北京北京: :化学工业出版化学工业出版社社,1981,198166伍钦伍钦, ,钟理等钟理等. .传质与分离工程传质与分离工程M.M.广州广州: :华南理工大学出版华南理工大学出版社社,2005,20058分离工程分离工程（Separation EngineeringSeparation Engineering） 第第1 1章章 绪论绪论(Chapter1 Introduction )(Chapter1 Introduction )9思考题思考题掌握掌握了解了解1.1 分离过程在工业

8、生产中的地位和作用分离过程在工业生产中的地位和作用 1.2 分离过程的特征与分类分离过程的特征与分类 1.3 分离过程的集成化分离过程的集成化了解了解1.4 设计变量设计变量掌握掌握10(1) (1) 了解分离操作在工业生产中的重要地位；了解分离操作在工业生产中的重要地位；(2) (2) 掌握分离因子的定义；掌握分离因子的定义；(3) (3) 掌握传质分离过程的分类和特征；掌握传质分离过程的分类和特征；(4) (4) 了解分离过程的开发目的和方法；了解分离过程的开发目的和方法；(5) (5) 掌握分离系统的变量分析和设计变量的掌握分离系统的变量分析和设计变量的 确定方法。确定方法。11化工分离

9、技术发展过程 生产实践是分离工程形成与发展的源泉。生产实践是分离工程形成与发展的源泉。 早期人类生产活动中的分离过程，早在数千年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：社会发展中需要的物质。例：（）日光（）日光蒸发蒸发海水海水结晶结晶制盐；古书制盐；古书世本世本记载记载“皇帝皇帝时，诸侯有夙沙氏，始以时，诸侯有夙沙氏，始以海水煮乳煎成盐海水煮乳煎成盐。”；天工开天工开物物记载记载“煮酒煮酒”、“糖霜糖霜”的制作。孕育着的制作。孕育着“蒸发蒸发”、“结晶结晶”两种分离技术。两种分离技

10、术。（）农产品的（）农产品的干燥干燥；（）从矿石中提炼金、银、铜、铁等金属；（）从矿石中提炼金、银、铜、铁等金属；（熔炼）（熔炼）（）从植物中提取药物；（）从植物中提取药物；( (精馏、萃取等精馏、萃取等) )（）酿造葡萄酒时用布袋（）酿造葡萄酒时用布袋过滤过滤葡萄汁等等。葡萄汁等等。 但这些早期的人类生产活动都是以分散的手工业但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，方式进行的，主要依靠世代相传的经验和技艺，尚未尚未形成科学的体系形成科学的体系。而早期的。而早期的化学工厂是由化学家根据化学工厂是由化学家根据实验室研究结果直接建立的实验室研究结果直接建

11、立的。通过生产实践发现：。通过生产实践发现：生生产装置中的化学或物理过程与实验室玻璃器皿中的现产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象有很大的不同。而。而在不同产品的生产过程中，却有在不同产品的生产过程中，却有许多过程遵循相似的原理许多过程遵循相似的原理。由此提出的。由此提出的单元操作原理单元操作原理奠定了化学工程学科最初的理论基础奠定了化学工程学科最初的理论基础。12 现代化学工业的兴起促进分离工程的发展现代化学工业的兴起促进分离工程的发展 现代化学工业是开始于现代化学工业是开始于1818世纪产业革命以后的欧洲。当世纪产业革命以后的欧洲。当时，时，三酸两碱等无机化学工业

12、三酸两碱等无机化学工业成为成为现代化学工业的开端现代化学工业的开端。而。而1919世纪世纪以煤为基础原料的有机化工在欧洲也发展起来以煤为基础原料的有机化工在欧洲也发展起来。当时。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：当时著名的索尔维制碱的中间体从混合物中分离出来。例：当时著名的索尔维制碱法中，使用了高达法中，使用了高达2020余米的纯碱碳化塔，同时应用了余米的纯碱碳化塔，同时应用了吸收、吸收

13、、蒸馏、过滤、干燥蒸馏、过滤、干燥等分离操作。等分离操作。 但在当时，这项成就是由但在当时，这项成就是由化学家化学家在进行化学工艺过程开在进行化学工艺过程开发的同时完成的，他们并没有意识到自己同时发的同时完成的，他们并没有意识到自己同时在履行着化学在履行着化学工程师的职责工程师的职责。这时的。这时的分离技术分离技术是结合在具体的化工生产工是结合在具体的化工生产工艺的开发过程中，艺的开发过程中，单独而分散地发展的单独而分散地发展的。 化工分离技术发展过程13 单元操作和化学工程理论的形成单元操作和化学工程理论的形成 1919世纪末，世纪末，2020世纪初大规模的石油炼制业促进了化工世纪初大规模的

14、石油炼制业促进了化工分离技术的成熟与完善。分离技术的成熟与完善。单元操作单元操作概念的建立对化学工程概念的建立对化学工程的发展起了重大的作用。的发展起了重大的作用。它将用于不同的化学工艺中的同它将用于不同的化学工艺中的同样的操作样的操作，以单元操作的概念抽象出来，对其共同规律进以单元操作的概念抽象出来，对其共同规律进行研究。行研究。通过对单元操作的基础研究和所用设备的结构、通过对单元操作的基础研究和所用设备的结构、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、化工装置设计分离过程在化工工艺开发、化工过程

15、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。要的作用。Example化工分离技术发展过程14化工分离技术发展过程低沸点低沸点组分组分高沸点高沸点组分组分汽化汽化冷冷凝凝15化工分离技术发展过程16 自自2020世纪世纪5050年代以来，通过对化学工业的深入研年代以来，通过对化学工业的深入研究，究，提出提出“三传一反三传一反”（动量传递、热量传递、质（动量传递、热量传递、质量传递、化学反应工程）的概念，量传递、化学

16、反应工程）的概念，使分离工程建立使分离工程建立在更基本的质量传递基础上，从界面的分子现象和在更基本的质量传递基础上，从界面的分子现象和基本流体力学现象进行分离工程中各个单元操作的基本流体力学现象进行分离工程中各个单元操作的基础研究，并用于定量的数学模型描述分离过程、基础研究，并用于定量的数学模型描述分离过程、分析已有的分离设备、设计新的分离过程和分离设分析已有的分离设备、设计新的分离过程和分离设备。备。 随着计算机技术的飞速发展，使得从较基础的理随着计算机技术的飞速发展，使得从较基础的理论角度出发对分离过程和设备进行研究成为可能并论角度出发对分离过程和设备进行研究成为可能并减少了研究误差和失真

17、现象。减少了研究误差和失真现象。开发了复杂的数学模开发了复杂的数学模型并用于分离过程的优化型并用于分离过程的优化。化工分离技术发展过程17 进入进入2020世纪世纪7070年代以后，化工分离技术更年代以后，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。分离技术、超临界流体萃取技术等。 化工分离技

18、术发展过程 展望展望2121世纪，化工分离技术将面临着一系世纪，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列新的挑战，其中最主要的是来自能源、原料能源、原料和环境保护和环境保护三大方面。此外，化工分离技术还三大方面。此外，化工分离技术还将对农业、食品加工、城市交通和建设以及保将对农业、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。健、提高和改善人们的生活水平方面做出贡献。18 分离过程的选择除要考虑技术和经济的因素外，环境保分离过程的选择除要考虑技术和经济的因素外，环境保护和生产安全也对分离过程有所要求。护和生产安全也对分离过程有所要求。分离过程已成为分离

19、过程已成为处理处理“三废三废”防治污染环境的最常用的手段之一。防治污染环境的最常用的手段之一。 化工分离技术发展过程19 分凝、分凝、 吸收、吸收、 闪蒸、闪蒸、 精馏精馏反应反应20 闪蒸、精馏、萃取、吸收、结晶、过滤闪蒸、精馏、萃取、吸收、结晶、过滤21分离操作在化工生产中的作用分离操作在化工生产中的作用： 总之，分离过程在化工生产中占有十分重要的总之，分离过程在化工生产中占有十分重要的位位置，在提高生产过程的经济效益和产品质量中起着置，在提高生产过程的经济效益和产品质量中起着重重要的作用。在大型的石油生产过程中分离装置的投要的作用。在大型的石油生产过程中分离装置的投资资一般占整个装置投资

20、的一般占整个装置投资的505090%90%。如乙烯装置中达。如乙烯装置中达90%90%左右，能耗占左右，能耗占606080%80%。u 为化学反应提供符合质量要求的原料为化学反应提供符合质量要求的原料( (除去对反除去对反应或催化剂有害的杂质应或催化剂有害的杂质, ,减少副反应和提高收率减少副反应和提高收率) )；u 对反应产物起着提纯的作用，以得到合格产品和对反应产物起着提纯的作用，以得到合格产品和副产品并使未反应的原料得以循环使用；副产品并使未反应的原料得以循环使用；u 在环境保护和资源利用方面有着重要作用。在环境保护和资源利用方面有着重要作用。22（1 1） 清洁工艺清洁工艺 清洁工艺是

21、清洁工艺是生产工艺和防治污染生产工艺和防治污染有机地结合起来，有机地结合起来，将将污染物减少或消灭在工艺过程中，从根本上解决工污染物减少或消灭在工艺过程中，从根本上解决工业污染问题。业污染问题。 清洁工艺也称少废无废技术，是当今社会和经济清洁工艺也称少废无废技术，是当今社会和经济可持续发展的重大课题之一。可持续发展的重大课题之一。（2 2）清洁工艺的本质）清洁工艺的本质 化学工业是工业污染的大户，污染来源有：化学工业是工业污染的大户，污染来源有：未回收的原料；未回收的产品；有用和无用的副产物；未回收的原料；未回收的产品；有用和无用的副产物；原料中的杂质；工艺的物料损耗。原料中的杂质；工艺的物料

22、损耗。 所以，就化学工业而言，所以，就化学工业而言，清洁工艺的本质是合清洁工艺的本质是合理利用资源，减少或消除废料的产生。理利用资源，减少或消除废料的产生。23（3 3）清洁工艺的任务（与化工分离过程密切相关）清洁工艺的任务（与化工分离过程密切相关） 降低原材料和能源的消耗，提高降低原材料和能源的消耗，提高有效利用率、回收利有效利用率、回收利 用率、循环利用率；用率、循环利用率； 开发和采用新技术、新工艺，改善生产操作条件，以开发和采用新技术、新工艺，改善生产操作条件，以 控制和消除污染控制和消除污染； 采用生产工艺装置系统的采用生产工艺装置系统的闭路循环技术闭路循环技术（见下图（见下图) )

23、； 处理并处理并利用生产中的副产物和废料利用生产中的副产物和废料，使之减少或消除，使之减少或消除 对环境的危害；对环境的危害； 研究、开发和采用研究、开发和采用低物耗、低能耗、高效率的低物耗、低能耗、高效率的“三废三废” 治理技术治理技术。END24 一、一、分离过程分离过程是一个不改变物性的物理加工过程，它使得是一个不改变物性的物理加工过程，它使得被处理物料（组分）变得更纯净，却不产生任何新的物质。其被处理物料（组分）变得更纯净，却不产生任何新的物质。其实质是指实质是指混合物混合物在内因和外因的作用下，在在内因和外因的作用下，在分离场或分离介质分离场或分离介质中使组分有选择的反应、相变、传递

24、、迁移、截留而相互分中使组分有选择的反应、相变、传递、迁移、截留而相互分开，得到互不相同的两种或几种产品的操作，以达到产品的提开，得到互不相同的两种或几种产品的操作，以达到产品的提纯、提取、净化、浓缩、干燥或三废处理等要求。纯、提取、净化、浓缩、干燥或三废处理等要求。 混合物混合物（气、液、固）（气、液、固） 分分 离离过过 程程能量分离剂能量分离剂 ESAESA质量分离剂质量分离剂 MSAMSA产品产品1 1产品产品2 2产品产品n n25 分离过程包含在任何生产过程中。其主要任务包括：从原分离过程包含在任何生产过程中。其主要任务包括：从原料、产品、副产品中脱除杂质；循环物料的分离；从废气和

25、废水料、产品、副产品中脱除杂质；循环物料的分离；从废气和废水中脱除污染物。中脱除污染物。产品产品原料原料反应过程反应过程分离操作分离操作分离操作分离操作杂质杂质循环循环副产品副产品废气废气分离操作分离操作废水废水洁净水洁净水污染物污染物污染物污染物分离操作分离操作洁净空气洁净空气 26二、二、分离过程的特征分离过程的特征（Features of separation process ） l几种物质混合在一起的过程是自发的，是混乱度或几种物质混合在一起的过程是自发的，是混乱度或熵增加的过程。熵增加的过程。l分离某种混合物成为不同产品的过程，是熵减小的分离某种混合物成为不同产品的过程，是熵减小的过

26、程，需要外界对系统作功（或输入能量）方能进过程，需要外界对系统作功（或输入能量）方能进行。行。l分离过程是混合过程的逆过程。分离过程是混合过程的逆过程。l任一分离过程所达到的分离程度用分离因子来衡量。任一分离过程所达到的分离程度用分离因子来衡量。 27三、分离因子三、分离因子（separation factor）： 表示任一分离过程所达到的分离程度。表示任一分离过程所达到的分离程度。 2211jijisijxxxx实际产品组成间关系实际产品组成间关系（实际分离因子实际分离因子）。）。i i,j,j组分在产品组分在产品1 1中的摩尔分率的比值除以在产品中的摩尔分率的比值除以在产品2 2中的比值。

27、中的比值。分离程度以分离因子偏离分离程度以分离因子偏离1 1的程度来判断！的程度来判断！组分组分i,ji,j在产品中的含量相等，无法分离在产品中的含量相等，无法分离组分组分i i浓缩于产品浓缩于产品1 1，而组分，而组分j j浓缩于产品浓缩于产品2 2组分组分i i浓缩于产品浓缩于产品2 2，而组分，而组分j j浓缩于产品浓缩于产品1 1 1sij1sij1sij28相平衡状态组成的关系相平衡状态组成的关系（理想分离因子理想分离因子）2121jjiiijxxxxn 对于精馏：对于精馏：理想分离因子就是汽液平衡常数之比，理想分离因子就是汽液平衡常数之比，即即相对挥发度。相对挥发度。n 对于液液萃

28、取：对于液液萃取：理想分离因子就是理想分离因子就是选择性系数。选择性系数。 29 例：对海水蒸发淡化过程，产品为蒸馏水和盐溶液。例：对海水蒸发淡化过程，产品为蒸馏水和盐溶液。 分离因子：分离因子： 其中：其中：w w（waterwater）,s(salt) ,s(salt) 因盐为不挥发性物质，所以因盐为不挥发性物质，所以y ys s为趋于为趋于0 0，则分离，则分离 因子趋于无穷大。因子趋于无穷大。swswswswijyxxyxxyy n对于液固分离（蒸发、机械分离）：分离因子对于液固分离（蒸发、机械分离）：分离因子趋于无穷大。趋于无穷大。30实际分离因子与理想分离因子的关系：实际分离因子与

29、理想分离因子的关系：u 实际分离因子的定义式没有任何限制条件，基实际分离因子的定义式没有任何限制条件，基于产品的实际组成而获得分离因子值。大小受于产品的实际组成而获得分离因子值。大小受系统的平衡组成、传质速率、设备结构、分离系统的平衡组成、传质速率、设备结构、分离流程的影响。流程的影响。u 根据平衡组成得到的理想分离因子与根据实际根据平衡组成得到的理想分离因子与根据实际产品组成而得到实际分离因子都可以用来分析产品组成而得到实际分离因子都可以用来分析分离过程。通常将实际分离因子与理想分离因分离过程。通常将实际分离因子与理想分离因子之间的差别程度用效率来表示：子之间的差别程度用效率来表示：ijsi

30、j/效率 31四、分离过程的分类四、分离过程的分类（Classification of separation process） 按分离过程中按分离过程中有无传质现象有无传质现象发生分两类：发生分两类： 1 1、机械分离过程、机械分离过程 分离对象：非均相混合物分离对象：非均相混合物 特点：用机械法简单地将非均相物系分离，而相特点：用机械法简单地将非均相物系分离，而相间并无物质传递现象发生。间并无物质传递现象发生。如：过滤、沉降、离心分离、旋风分离、静电除尘等。如：过滤、沉降、离心分离、旋风分离、静电除尘等。2 2、传质分离过程、传质分离过程 分离对象：均相混合物分离对象：均相混合物 特点：相间

31、有质量传递现象发生。特点：相间有质量传递现象发生。 如：蒸馏、吸收、萃取、蒸发、干燥、结晶、吸附、如：蒸馏、吸收、萃取、蒸发、干燥、结晶、吸附、 浸取、离子交换等。浸取、离子交换等。32传质分离过程根据分离原理的不同分：传质分离过程根据分离原理的不同分：平衡分离过程和速率分离过程。平衡分离过程和速率分离过程。（1 1）平衡分离）平衡分离（Equilibrium Separation ）原理：在原理：在分离媒介分离媒介的作用下，使均相混合物分成两相系统，的作用下，使均相混合物分成两相系统，利用混合物中各组分在相平衡时在两相中的分配不同利用混合物中各组分在相平衡时在两相中的分配不同而进行的分离过程

32、。常采用平衡级（理论板）作为处而进行的分离过程。常采用平衡级（理论板）作为处理手段，并把其它影响归纳于板效率中。理手段，并把其它影响归纳于板效率中。气液传质过程气液传质过程 ：吸收、气体的增湿和减湿：吸收、气体的增湿和减湿汽液传质过程汽液传质过程 ：液体的蒸馏和精馏：液体的蒸馏和精馏液液传质过程液液传质过程 ：萃取：萃取液固传质过程液固传质过程 ：结晶、浸取、吸附、离子交换、色层分离、：结晶、浸取、吸附、离子交换、色层分离、 参数泵分离等参数泵分离等气固传质过程气固传质过程 ：固体干燥、吸附、升华等：固体干燥、吸附、升华等 33 分离媒介又称分离剂（分离媒介又称分离剂（separation a

33、gentseparation agent）包括）包括能量分离剂（能量分离剂（ESAESA）和质量分离剂（）和质量分离剂（MSAMSA）u ESAESA：传入或传出系统的热或功。：传入或传出系统的热或功。（热，压力，电，磁，辐（热，压力，电，磁，辐射等能量）。射等能量）。 如：蒸发加入热量；结晶加入冷量；精馏塔釜加入如：蒸发加入热量；结晶加入冷量；精馏塔釜加入热热量，量，塔顶加入冷量；塔顶加入冷量；u MSAMSA：加入另外一种物质使混合物变成两相。：加入另外一种物质使混合物变成两相。 如：吸收加入的吸收剂：萃取加入的萃取剂；吸附加入如：吸收加入的吸收剂：萃取加入的萃取剂；吸附加入的吸附剂。的吸

34、附剂。离子交换树脂，液膜，固膜材料等。离子交换树脂，液膜，固膜材料等。 在萃取精馏中在萃取精馏中ESAESA和和MSAMSA同时存在，塔上部加入萃取剂同时存在，塔上部加入萃取剂MSAMSA，塔釜加入热量，塔釜加入热量ESAESA。 常见平衡分离过程的分离剂见下表。常见平衡分离过程的分离剂见下表。 34过程名称过程名称原料原料分离剂分离剂分离原理分离原理闪蒸闪蒸液体液体ESAESA挥发度的不同挥发度的不同部分冷凝部分冷凝气体气体ESAESA挥发度的不同挥发度的不同精馏精馏汽、液或汽液混合物汽、液或汽液混合物ESAESA挥发度的不同挥发度的不同萃取精馏萃取精馏汽、液或汽液混合物汽、液或汽液混合物M

35、SAMSA和和ESAESA 溶剂改变组分相对挥发度溶剂改变组分相对挥发度吸收吸收气体气体MSAMSA溶解度不同溶解度不同共沸精馏共沸精馏汽、液或汽液混合物汽、液或汽液混合物MSAMSA和和ESAESA 共沸剂改变组分相对挥发度共沸剂改变组分相对挥发度液液萃取液液萃取液体液体MSAMSA溶解度不同溶解度不同蒸发蒸发液体液体ESAESA挥发度的不同挥发度的不同干燥干燥液体或固体液体或固体MSAMSA和和ESAESA 湿分蒸发湿分蒸发结晶结晶液体液体ESAESA利用利用过饱和度过饱和度吸附吸附气体或液体气体或液体MSAMSA吸附能力差别吸附能力差别离子交换离子交换液体液体MSAMSA质量作用定律质量

36、作用定律常见平衡分离过程的分离剂常见平衡分离过程的分离剂35（2 2）速率分离）速率分离（Rate Separation ）原理：利用溶液中不同组分在某种原理：利用溶液中不同组分在某种推动力推动力（如压差、浓度差、（如压差、浓度差、 温度差、电位差等）作用下，经过温度差、电位差等）作用下，经过某种介质某种介质（如半透（如半透 膜）时的膜）时的传质速率传质速率（透过率、迁移率、扩散速率）差（透过率、迁移率、扩散速率）差 异而实现分离。异而实现分离。 特点：所处理的物料和产品属于同一相态，仅有组成的差别。特点：所处理的物料和产品属于同一相态，仅有组成的差别。速率分离速率分离膜分离膜分离微滤、超滤、

37、反渗透、渗析及电渗析微滤、超滤、反渗透、渗析及电渗析场分离场分离电泳、热扩散、高梯度磁力分离电泳、热扩散、高梯度磁力分离 P8P89 936 过程集成是过程集成是2020世纪世纪8080年代发展起来的过程综合年代发展起来的过程综合领域中一个最活跃的分支。在化工领域中，过程集领域中一个最活跃的分支。在化工领域中，过程集成的目标是实施清洁工艺，使物耗和能耗最小，达成的目标是实施清洁工艺，使物耗和能耗最小，达到最大的经济效益和社会效益。到最大的经济效益和社会效益。 （一）反应过程与分离过程的耦合（一）反应过程与分离过程的耦合（二）分离过程与分离过程的耦合（二）分离过程与分离过程的耦合（三）（三）过程

38、的集成过程的集成37传统分离方法，如精馏、吸收、结晶、萃取等成熟度很高；而传统分离方法，如精馏、吸收、结晶、萃取等成熟度很高；而膜分离、超临界萃取等新型分离方法成熟度低，需要进一步研究膜分离、超临界萃取等新型分离方法成熟度低，需要进一步研究分离过程发展现状图分离过程发展现状图38（一）反应过程与分离过程的耦合（一）反应过程与分离过程的耦合 1 1、化学吸收：通过溶质与溶剂中的活性组分发生、化学吸收：通过溶质与溶剂中的活性组分发生 反应，提高传质推动力和液相传质反应，提高传质推动力和液相传质 系数，从而提高吸收率，降低能耗系数，从而提高吸收率，降低能耗 和设备投资。和设备投资。 2 2、化学萃取

39、：溶质与萃取剂之间发生化学反应。、化学萃取：溶质与萃取剂之间发生化学反应。 3 3、反应精馏：反应与精馏结合，提高分离效率；、反应精馏：反应与精馏结合，提高分离效率； 同时，借助精馏手段，提高反应收率同时，借助精馏手段，提高反应收率。39（二）分离过程与分离过程的耦合（二）分离过程与分离过程的耦合1 1、萃取结晶（加合结晶）：、萃取结晶（加合结晶）：加入有机溶剂使待结晶加入有机溶剂使待结晶的无机盐水溶液中的一部分水被萃取出来，促进无机的无机盐水溶液中的一部分水被萃取出来，促进无机盐的结晶过程。（盐的结晶过程。（正丁醇萃取结晶生产碳酸钠正丁醇萃取结晶生产碳酸钠）2 2、吸附蒸馏：气、吸附蒸馏：气

40、- -液液- -固三相分离过程，同时利用吸固三相分离过程，同时利用吸附选择性高、能耗低的优点和蒸馏处理量大、设备较附选择性高、能耗低的优点和蒸馏处理量大、设备较简单、工艺成熟的优点。特别适用于共沸物和沸点相简单、工艺成熟的优点。特别适用于共沸物和沸点相近物系的分离及需要高纯度产品的情况。近物系的分离及需要高纯度产品的情况。3 3、电泳萃取：在电场作用下，带电溶胶粒子（蛋白、电泳萃取：在电场作用下，带电溶胶粒子（蛋白质）在萃取剂中泳动速度不同的性质，实现分离。质）在萃取剂中泳动速度不同的性质，实现分离。40（三）过程的集成（三）过程的集成 1 1、传统分离过程的集成、传统分离过程的集成 例：共沸

41、精馏与萃取集成例：共沸精馏与萃取集成以丙酮为共沸剂将（环己烷苯）共沸物首先分以丙酮为共沸剂将（环己烷苯）共沸物首先分离为苯和（丙酮环己烷）共沸物，然后以水为离为苯和（丙酮环己烷）共沸物，然后以水为萃取剂，将（丙酮环乙烷）共沸物分离为环己萃取剂，将（丙酮环乙烷）共沸物分离为环己烷和丙酮水溶液，最后将丙酮水溶液分离得到丙烷和丙酮水溶液，最后将丙酮水溶液分离得到丙酮和水。酮和水。412 2 、传统分离过程与膜分离的集成传统分离过程与膜分离的集成 例：精馏与渗透蒸发的集成例：精馏与渗透蒸发的集成 发酵液脱水制备无水乙醇。在乙醇高浓区，发酵液脱水制备无水乙醇。在乙醇高浓区， 精馏的分离效率极低，在共沸组

42、成处无法分离，精馏的分离效率极低，在共沸组成处无法分离， 此时利用渗透蒸发技术可越过共沸组成点，达到此时利用渗透蒸发技术可越过共沸组成点，达到 很高的分离程度。很高的分离程度。3 3 、膜过程的集成膜过程的集成 例：超滤、反渗透与渗透蒸馏的集成例：超滤、反渗透与渗透蒸馏的集成42发展趋势发展趋势(1)(1)传统分离技术改造传统分离技术改造 如精馏筛板塔改造为效率更高的填料塔。如精馏筛板塔改造为效率更高的填料塔。(2)(2)新型分离过程开发新型分离过程开发 如膜分离、反胶团萃取、超临界萃取等。如膜分离、反胶团萃取、超临界萃取等。(3)(3)分离与反应耦合以及分离过程之间的耦合分离与反应耦合以及分

43、离过程之间的耦合 如反应精馏、吸附精馏、膜精馏等。如反应精馏、吸附精馏、膜精馏等。总趋势：总趋势： 多样化、精细化、洁净化（环境友好）。多样化、精细化、洁净化（环境友好）。 43附：分离工艺的热点研究开发课题附：分离工艺的热点研究开发课题 目标目标: : 过程节能、提高原料利用率、降低成本过程节能、提高原料利用率、降低成本一、开发低成本氧、氮和稀有气体的分离方法一、开发低成本氧、氮和稀有气体的分离方法 1 1 、工业气体的生产、工业气体的生产 2 2 、高纯度气体的生产、高纯度气体的生产二、开发酸性气体的脱除方法：二、开发酸性气体的脱除方法：新型膜材料新型膜材料三、有机物三、有机物/ /有机物

44、分离的膜过程有机物分离的膜过程四、精馏技术的改进：四、精馏技术的改进： 热串级；蒸汽压缩；化学合成与精馏的耦合；膜分离和精馏的集成等。热串级；蒸汽压缩；化学合成与精馏的耦合；膜分离和精馏的集成等。五、稀溶液的分离：五、稀溶液的分离： 反应金属络和吸附；渗透汽化；连续吸附；电渗析膜分离等。反应金属络和吸附；渗透汽化；连续吸附；电渗析膜分离等。六、手性化合物的分离：六、手性化合物的分离：HPLCHPLC；结晶；选择性手性膜渗透等。；结晶；选择性手性膜渗透等。七、废高聚物的分离回收七、废高聚物的分离回收新型吸附剂和分离膜新型吸附剂和分离膜44分离过程的开发方法（补充） Research Method

45、 of separation process分离过程的开发是研究适宜分离方法的工业化途径，以分离过程的开发是研究适宜分离方法的工业化途径，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：列目的：适宜分离方法和流程的选择；适宜分离方法和流程的选择；工艺操作条件的优化；工艺操作条件的优化；分离设备的合理选型和几何尺寸的确定。分离设备的合理选型和几何尺寸的确定。化工过程新技术开发有三个关键环节：概念形成到课题化工过程新技术开发有三个关键环节：概念形成到课题的选定、技术与经济论证的选定、技术与经济论证( (可行性可行性) )和放大技术。

46、其中，和放大技术。其中，放大放大技术技术是研究开发的核心。是研究开发的核心。 放大技术可以采用放大技术可以采用数学模型方法、逐级经验放大数学模型方法、逐级经验放大、工程、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分离操作来说，前两种方法更为常用。乏参照系统的新的分离操作来说，前两种方法更为常用。 451 1、数学模型法、数学模型法分离过程的开发方法（补充） Research Method of separation process462 2、逐级经验放大法、逐级经验放大法第次作业第次作业分离过程的开发方法（补充）

47、 Research Method of separation processEND47第章第一次作业第章第一次作业查阅文献，撰写文献综述。查阅文献，撰写文献综述。（）查阅内容：关于化工分离技术的若干新进展（）查阅内容：关于化工分离技术的若干新进展关键词：化工分离技术、新进展（新技术、展望）关键词：化工分离技术、新进展（新技术、展望）（）以能正式发表文章格式撰写（）以能正式发表文章格式撰写(具体格式参见吉林化工学院学报）具体格式参见吉林化工学院学报）（）交纸版（）交纸版（A4）和电子版（发到邮箱）和电子版（发到邮箱） huajing_（）上交时间：（）上交时间：9月月19日（周五）日（周五）（）

48、查阅方法：校园网，学术期刊（）查阅方法：校园网，学术期刊网址：网址： 用户名：用户名：db0050 密码：密码：jlhgxy 中国期刊全文数据库中国期刊全文数据库4849(1) (1) 了解分离操作在工业生产中的重要地位；了解分离操作在工业生产中的重要地位；(2) (2) 掌握分离因子的定义；掌握分离因子的定义；(3) (3) 掌握传质分离过程的分类和特征；掌握传质分离过程的分类和特征；(4) (4) 了解分离过程的开发目的和方法；了解分离过程的开发目的和方法；50 一、设计变量一、设计变量: :指在设计分离装置时，必须规定的参数。指在设计分离装置时，必须规定的参数。各独立变量之间各独立变量之

49、间约束关系数约束关系数（描述约束关系的独立方程式的数目（描述约束关系的独立方程式的数目）cvNNN描述系统的总变量数称为描述系统的总变量数称为独立变量数独立变量数 vNcNiN必须规定的参数的数目称为必须规定的参数的数目称为设计变量数设计变量数独立变量数：出入系统的各物流变量数总和及与环境的能独立变量数：出入系统的各物流变量数总和及与环境的能量交换情况。量交换情况。由相律：由相律： 任一单相物流：任一单相物流： 2 fCvN112 C+2fC （）151约束关系数约束关系数 (1)(1)物料平衡式：物料平衡式：c c个组分的物系可写出个组分的物系可写出c c个方程式；个方程式；(2)(2)能量

50、平衡式：对于一个系统只能写出能量平衡式：对于一个系统只能写出1 1个方程式；个方程式； (3)(3)相平衡关系式：能写出相平衡关系式：能写出c+2c+2个方程式，即个方程式，即P P=P=P；T T=T=T； (I = 1,2c)(I = 1,2c)(4)(4)化学平衡关系式：分离过程不涉及反应过程。化学平衡关系式：分离过程不涉及反应过程。(5)(5)内在关系：指约定的关系式，如物流间的温差、压力内在关系：指约定的关系式，如物流间的温差、压力 降、比例关系等独立的关系式。降、比例关系等独立的关系式。IIIiiffNNN 已被给定或常被给定的变量已被给定或常被给定的变量(进料物流及系统压力的变量

51、进料物流及系统压力的变量)由设计者决定的变量由设计者决定的变量Ni=Nv-Nc521 1、无浓度变化的单元、无浓度变化的单元 如分配器、泵、加热器、冷却器、换热器、全凝器、全如分配器、泵、加热器、冷却器、换热器、全凝器、全蒸蒸发发器，每一物流均可看成单相物流。器，每一物流均可看成单相物流。例例1 1：绝热下操作的分配器。：绝热下操作的分配器。 独立变量数：独立变量数：N NV VE E =3(c+2)=3c+6 =3(c+2)=3c+6 约束关系式约束关系式:物料平衡式物料平衡式 ： c c能量平衡式能量平衡式 ： 1 1内在关系式内在关系式 ：P PL1L1=P=Pl2l2； T TL1L1

52、=T=TL2L2 2 2 L1L1和和L2L2组成相同组成相同 c-1c-1 N Nc cE E =2c+2 =2c+2单元的设计变量数为：单元的设计变量数为：N Ni iE E=(3c+6)-(2c+2)=c+4=(3c+6)-(2c+2)=c+4固定设计变量：固定设计变量：N Nx xE E=c+2(1=c+2(1股进料股进料)+1()+1(压力压力)=c+3)=c+3可调设计变量：可调设计变量：N Na aE E=(c+4)-(c+3)=1=(c+4)-(c+3)=1 此可调设计变量可选为分配比：此可调设计变量可选为分配比：L1/FL1/F或或L2/F L2/F L1L12 2 53例例

53、2 2：加热器：加热器 2(2) 125evNCC 独立变量数：物料平衡式物料平衡式 C C个；个；能量平衡式能量平衡式1个个1ecNC约束条件数：4CNNNecevei设计变量数：1eaN可调设计变量数：(2股物流股物流+Q )股进料；股进料；1个压力个压力3CNex固定设计变量数：2(2) 125evNCC 独立变量数：1ecNC约束条件数：4CNNNecevei设计变量数：2CNex固定设计变量数：1eaN可调设计变量数： 542 2、有浓度变化的单元、有浓度变化的单元混合器、分相器、部分蒸发器、混合器、分相器、部分蒸发器、分凝器、简单平衡级。分凝器、简单平衡级。例例1 1：产物为平衡两

54、相的全凝器：产物为平衡两相的全凝器独立变量数：独立变量数： N Nv vE E =3(c+2)+1(Q) =3c+7 ( =3(c+2)+1(Q) =3c+7 (股物流股物流+Q )+Q )约束关系式约束关系式: :物料平衡式物料平衡式 ： c c能量平衡式能量平衡式 ： 1 1液液- -液两相平衡：液两相平衡：P P、T T、x xi i c+2c+2N Nc cE Ec+1+(c+2)=2c+3c+1+(c+2)=2c+3设计变量数为：设计变量数为：N Ni iE E=(3c+7)-(2c+3)=c+4=(3c+7)-(2c+3)=c+4固定设计变量固定设计变量:N:Nx xE E=c+2

55、(1=c+2(1进料进料)+1()+1(压力压力)=c+3)=c+3可调设计变量可调设计变量:N:Na aE E=(c+4)-(c+3)=1=(c+4)-(c+3)=1 此可调设计变量可选为全凝温度。此可调设计变量可选为全凝温度。VQL2L1 554(2)evNC独立变量数：注：注：C C个物料衡算式、一个热量衡算式个物料衡算式、一个热量衡算式C C个相平衡关系式、两相的个相平衡关系式、两相的P P、T T23ecNC约束关系式：25exNC固定设计变量数：0eaN可调设计变量数：j j平衡级平衡级,jijVyijjxL ,1,1,jijxL1,1,jijyV例例2 2：理论板（绝热，简单平衡

56、级）：理论板（绝热，简单平衡级） 注注: :股进料、一个压力股进料、一个压力4(2)evNC独立变量数：23ecNC约束关系式：25exNC固定设计变量数：0eaN可调设计变量数：52 CNNNecevei设计变量数：4CNNNecevei设计变量数： ）56装置由若干个单元所组成，各单元间用物流联结成整体。装置由若干个单元所组成，各单元间用物流联结成整体。 则装置的设计变量数：则装置的设计变量数：在联结的单元间产生的新约束关系：在联结的单元间产生的新约束关系：N Nc cu u=n(C+2),=n(C+2),其中其中n n为为连结单元间的单相物流数。连结单元间的单相物流数。装置的设计变量数为

57、：装置的设计变量数为：ieiuiNNuceiuiNNN+Nr 57 在串级内联结单元的单相物流数在串级内联结单元的单相物流数NcNux)2(2又1rN重复变量：) 1(2NnreiuiNCnNN)2()2)(1(21)52(cNcN52Nc例例1：由：由N个绝热操作的简单平衡级串联构成的简单吸收塔。个绝热操作的简单平衡级串联构成的简单吸收塔。52 cNei单元的设计变量数：1uaN58全凝全凝器器4c4 cNei回流分配器回流分配器块板的平衡串级块板的平衡串级) 1( MN5) 1(2MNc进料进料板板73 c块板的平衡串级块板的平衡串级1M5) 1(2 Mc再沸器再沸器4c2710NcNei单元间联结物流数为单元间联结物流数为9股，股，)2(CnNNNreiui9Nc123456789例例2 2：普通精馏塔：普通精馏塔rN（由（由6个单元组成）个单元组成）塔的设计变量数：塔的设计变量数：59塔的固定设计变量数：塔的固定设计变量数：( (N Nx xU U) )塔塔c+2(c+2(股进料股进料)+N()+N(压力压力)+2)+2（全凝器、分配器压力）（全凝器、分配器压力）c+N+4c+N+4塔的可调设计变量数：塔的可调设计变量数： ( (N Na aU U ) )塔塔= (= (N Ni iU U) )塔塔 - (- (N Nx xU U)