第一章 绪论分离

1、主讲：黄燕办公室：主教东703电话：613958邮箱：中文教材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. 分离过程分离过程 分离操作在化工中的重要性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特征 传质分离过程的分类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本课程的教学任务和内容 分离过程(separation processes),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

2、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。 纯组分变成混合物，是熵增自发过程，反之，混合物变成纯组分变成混合物，是熵增自发过程，反之，混合物变成纯净物则需作功。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 级借 助 一 定 的 分 离 剂 ， 实 现 混 合 物 中 的 组 分 分 级（Fractionalization）、浓缩（）、浓缩（Concentration）、富集）、富集（Enrichment）、纯化（）、纯化（Purification）、精制（）、精制（Refining）与隔离（与隔离（Isolation）等的过程称为分离过

3、程。）等的过程称为分离过程。混合物混合物（气、液、固）（气、液、固）分离过程分离过程产品产品1产品产品2产品产品n能量分离剂能量分离剂 ESA物质分离剂物质分离剂 MSA 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。化化学学工工程程学学科科的的两两个个基基本本问问题题过程的平衡过程的平衡,限度限度过程的速度过程的速度反应过程反应过程物理过程物理过程化工热力学研究的问题化工热力学研究的问题化学动力学化学动力学和反应工程和反应工程研究的问题研究的问题单元操作

4、和单元操作和传递过程研传递过程研究的问题究的问题化学动力学研化学动力学研究化学反应的究化学反应的动力学规律动力学规律化学反应工程化学反应工程研究实现过程研究实现过程的设备的设备传递过程研究传递过程研究过程的速率与过程的速率与传递机理传递机理单元操作侧重单元操作侧重过程的设备与过程的设备与工程问题工程问题分离工程研究应用质量传递原理实现组分分离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的基本原理及工程化问题 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

5、产物分离提纯，得到合格产品，使未反应的反应物循环利用。环境保护环境保护安全生产安全生产化学反应化学反应原料原料产品产品提提 纯纯（1）保证：）保证：平衡转化率，平衡转化率，反应速率；反应速率；（2）催化剂）催化剂对毒物的要对毒物的要求求分分 离离（1）未反应）未反应原料的回收；原料的回收；（2）副反应）副反应产物分离，产物分离，产品提纯产品提纯分离工程示意图 分离剂a分离剂是能量(或冷量或功)，称为能量分离剂, a分离剂是物质，成为质量分离剂。a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。ESA Energy Separating Agent MSA Mass

6、Separating Agenta 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、减压等热量、冷量、减压等) )。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) )、吸附和、吸附和离子交换离子交换( (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

7、取精馏和恒沸精馏( (热量与适当液体热量与适当液体) )。 分分 离离 过过 程程机械分离过程机械分离过程如：如： 过滤、沉降、过滤、沉降、汽液分离等。汽液分离等。 传质分离过程传质分离过程非均相分离过程非均相分离过程（平衡分离过程）（平衡分离过程）如：精馏、蒸发、如：精馏、蒸发、吸收、萃取等。吸收、萃取等。均相分离过程均相分离过程(速率分离过程速率分离过程)如：热扩散、电如：热扩散、电渗透、反渗透等。渗透、反渗透等。 利用利用机械力机械力简单的将简单的将两相混合物两相混合物相互分离的过相互分离的过程称为机械分离过程。它们的程称为机械分离过程。它们的分离对象多为两相混分离对象多为两相混合物合物

8、，分离时，分离时相间没有物质传递发生相间没有物质传递发生，它们在化学，它们在化学工程中也有很重要的作用，如过滤、沉降、离心分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。程不讨论这方面的内容。按物理化学原理的不同，传质分离可分为：按物理化学原理的不同，传质分离可分为：（二）（二）传质分离过程传质分离过程平衡分离过程平衡分离过程: :速率分离过程速率分离过程：如精馏、吸收、萃取、结晶、吸附等。如精馏、吸收、萃取、结晶、吸附等。如微滤、超滤、反渗透、电渗析等。如微滤、超滤、反渗透、电渗析等。

9、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 平衡分离过程系借助平衡分离过程系借助分离媒介分离媒介（如热能、溶剂、吸附剂等）（如热能、溶剂、吸附剂等）使使均相混合物均相混合物系统变为系统变为两相系统两相系统，再以混合物中各组分在，再以混合物中各组分在处于处于相平衡的两相中不等同的分配为依据相平衡的两相中不等同的分配为依据而实现分离。而实现分离。 分离媒介可以是分离媒介可以是能量媒介能量媒介（ESA）或）或物质媒介物质媒介（MSA），），有时也可以有时

10、也可以两种同时应用两种同时应用。根据两相状态不同。根据两相状态不同 , 平衡分离过程平衡分离过程可分为如下几类。可分为如下几类。 气液传质过程气液传质过程 : 如吸收、气体的增湿和减湿。如吸收、气体的增湿和减湿。 汽液传质过程汽液传质过程 : 如液体的蒸馏和精馏。如液体的蒸馏和精馏。 液液传质过程液液传质过程 : 如萃取。如萃取。 液固传质过程液固传质过程 : 如结晶、浸取、吸附、离子交换、色层分如结晶、浸取、吸附、离子交换、色层分 离、参数泵分离等。离、参数泵分离等。 气固传质过程气固传质过程 : 如固体干燥、吸附等。如固体干燥、吸附等。 过程名称过程名称原原 料料分离剂分离剂产产 品品分离

11、原理分离原理蒸发蒸发蒸馏蒸馏吸收吸收萃取萃取结晶结晶吸附吸附干燥干燥浸取浸取离子交换离子交换液体液体液体液体气体气体液体液体液体液体气体或液体气体或液体湿物料湿物料固体固体液体液体热热热热不挥发性液体不挥发性液体不互溶液体不互溶液体冷或热冷或热固体吸附剂固体吸附剂热热溶剂溶剂固体树脂固体树脂液体液体+蒸汽蒸汽液体液体+蒸汽蒸汽液体液体+气体气体液体液体+液体液体液体液体+固体固体固体固体+液体或气体液体或气体固体固体+蒸汽蒸汽固体固体+液体液体液体液体+固体固体蒸汽压不同蒸汽压不同蒸汽压不同蒸汽压不同溶解度不同溶解度不同溶解度不同溶解度不同过饱和过饱和吸附力不同吸附力不同湿组分蒸发湿组分蒸发溶

12、解度不同溶解度不同离子的可交换性离子的可交换性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C

13、O2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从含有N2,O2,CO2及有机化合物的

14、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+

15、固体 速率分离过程是指在某种速率分离过程是指在某种推动力推动力（浓度差、温度差、（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），利用合下），利用组分扩散速率的差别组分扩散速率的差别实现组分分离的过程。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。组成上有差别。膜分离过程膜分离过程是工业应用最多的速率分离过是工业应用最多的速率分离过程。程。热扩散分离热扩散分离也属于速率分离过程，它以温度梯度为动也属于速率分离过程，它以温度梯度为动力，利用

16、均匀的气体或液体混合物中分子力，利用均匀的气体或液体混合物中分子量下的分子（或量下的分子（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。分分离的目的。过程名称过程名称原原 料料分离剂分离剂产产 品品分离原理分离原理气体扩散气体扩散热扩散热扩散电渗析电渗析电泳电泳反渗透反渗透超过滤超过滤气体气体气体或液体气体或液体液体液体液体液体液体液体液体液体压力梯度和膜压力梯度和膜湿度梯度湿度梯度电场和膜电场和膜电场电场压力梯度和膜压力梯度和膜压力梯度和膜压力梯度和膜气体气体气体或液体气体或液体液体液体液体液体液体液体+液体液体液体液体+

17、液体液体 多孔膜中扩散的速多孔膜中扩散的速 率差异率差异 热扩散速率差异热扩散速率差异 膜对不同离子的选择膜对不同离子的选择性渗透性渗透 胶质在电场下的迁胶质在电场下的迁移速率差异移速率差异 溶质溶解度与溶剂溶质溶解度与溶剂在膜中的扩散速率在膜中的扩散速率 分子大小差异分子大小差异0.00010.0010.010.1110100um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 速率分离：膜分离过程示意速率分离：膜分离过程示意 炼油、石油化工炼油、石油化工： 石油炼制工业通过炼油过程把原油加工为汽油、石

18、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、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、染成橡胶、合成洗涤剂、溶剂、涂料、农药、染料等；料等； 炼油和石油化工过程紧密结合，各种分离操作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。是其生产过程必不可少的组成部分。 蒸

19、馏是炼油和石油工业中最主要的分离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；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；吸附精制，溶剂脱沥青和芳烃抽提等；吸附用于分子筛脱蜡、用于分子筛脱蜡、C8C8芳烃分离、烯烃和芳烃分离、烯烃和烷烃的分离等。烷烃的分离等。附：化工分离过程的研发热点附：化工分离过程的研发热点1. 低成本的低成本的N2、O2和稀有气体和稀有气体Ar、Kr、Xe的分离方法的分离方法 膜分离：高选择性，高通量的膜膜

20、分离：高选择性，高通量的膜 如聚酰亚胺膜，碳分子筛膜，含沸石膜如聚酰亚胺膜，碳分子筛膜，含沸石膜 吸附：专用吸附剂吸附：专用吸附剂Gas (air, N2/O2) separation二、流程 Gas separation by adsorption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， 2. 低成本低成本H2的分离方法的分离方法 吸附：吸附：活性炭、碳分子筛、碳纳米管活性炭、碳分子筛、碳

21、纳米管3. 酸性气体脱除酸性气体脱除石油馏分和天然气中存在的石油馏分和天然气中存在的CO2、H2S、SO2 吸收：胺类溶剂洗涤吸收：胺类溶剂洗涤 吸附吸附 膜分离：气体分离膜膜分离：气体分离膜4. CO2、CH4等温室气体的捕集方法等温室气体的捕集方法 吸附吸附 吸收吸收 膜分离膜分离5 . 有机物有机物/有机物分离有机物分离汽油中脱苯；柴油中脱芳烃；有机异构体（如二甲汽油中脱苯；柴油中脱芳烃；有机异构体（如二甲苯）分离苯）分离 特殊精馏特殊精馏 膜分离：渗透蒸发膜分离：渗透蒸发 萃取萃取 吸附吸附6. 稀溶液分离稀溶液分离 从稀溶液中回收有价值的物质，循环物料，减从稀溶液中回收有价值的物质，

22、循环物料，减少污染物排放少污染物排放 VOCs(VOCs(挥发性有机物挥发性有机物)和非挥发性有机物的脱除和非挥发性有机物的脱除 吸附：活性炭，反应金属络合吸附吸附：活性炭，反应金属络合吸附 生化处理：微生物分解生化处理：微生物分解 膜分离：气体分离，渗透蒸发膜分离：气体分离，渗透蒸发7. 异构体及手性物质分离异构体及手性物质分离 结晶结晶 吸附吸附 高效液相色谱高效液相色谱 膜分离膜分离: :手性分离膜手性分离膜8. 清洁燃料的生产清洁燃料的生产 油品脱硫、脱苯油品脱硫、脱苯 二硫化物、二硫化物、H2S、硫醇、硫醚和噻吩、硫醇、硫醚和噻吩苯、甲苯、乙苯、二甲苯苯、甲苯、乙苯、二甲苯吸附吸附

23、膜分离膜分离9. 超纯化合物的制备超纯化合物的制备 结晶结晶 吸附吸附 膜分离膜分离10 热敏性化合物分离热敏性化合物分离 膜分离膜分离 结晶结晶 吸附吸附 分子蒸馏分子蒸馏 萃取萃取（超临界萃取、反胶团萃取、（超临界萃取、反胶团萃取、双水相萃取）双水相萃取）11 海水淡化和水资源循环利用海水淡化和水资源循环利用 膜分离膜分离（反渗透、电渗析）（反渗透、电渗析） 蒸发蒸发 离子交换离子交换 蒸馏蒸馏 12 饮用水的制造饮用水的制造 膜分离膜分离 蒸发蒸发 离子交换离子交换 蒸馏蒸馏 13. 生物质加工利用生物质加工利用 蒸馏蒸馏 膜分离膜分离 超临界流体萃取超临界流体萃取 14. 同位素分离同

24、位素分离Electromagnetic separation 电磁分离电磁分离Gas centrifugation 气体离心气体离心Laser separation 激光分离激光分离15. 精馏技术的改进精馏技术的改进热串级：冷凝器放出的热量供再沸器热串级：冷凝器放出的热量供再沸器反应精馏：反应反应精馏：反应-分离一体化分离一体化耦合过程：膜分离精馏耦合过程：膜分离精馏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。 Study on structures of column plates Reactive dist

25、illation反应精馏反应精馏“神舟神舟”四号蛋白质空间电泳分离试四号蛋白质空间电泳分离试验验 地面上的重力影响使分离过程中出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，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，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。来空间制药的重要途径。 美国世纪年代在航天飞美国世纪年代在航天飞机上成功地进行了

26、垂体细胞、生长激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其分离物的纯度和制备量均比地面有很大提高。很大提高。 与过程系统工程相结合。过程系统工程主要包括系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。统模拟、系统分析、系统综合及系统优化等。a 反应分离一体化。化学反应、化工分离是化工生产反应分离一体化。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。的最终效果，对

27、生产成本起着决定性的作用。a 与节能技术相结合。与节能技术相结合。a 新型分离方法不断出现。加盐精馏、超临界萃取、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。使分离过程膜分离、离子交换、大型色谱分离等。使分离过程由由“大型化大型化”向向“精细化精细化”发展，应用范围拓宽，发展，应用范围拓宽，分离效率提高。分离效率提高。 讲授内容讲授内容 分离单元过程分离单元过程 多组分精馏、特殊精馏、吸收、萃取、吸附过程多组分精馏、特殊精馏、吸收、萃取、吸附过程 基本原理基本原理 基础知识基础知识 设计计算方法设计计算方法 培养分析实际问题的方法和解决工程问题的能力培养分析实际问题的方法和解决工程问题的能力 化工原理、化工热力学、化工原理、化工热力学、化学反应工程、化学工化学反应工程、化学工艺学等核心课程艺学等核心课程化工化工 分离分离过程过程精细化学精细化学工艺学工艺学化工过程分化工过程分析与合成析与合成化工设计化工设计化工过程化工过程控制原理控制原理与仪表与仪表 化工设备化工设备设计基础设