现代分离技术-绪论-课件

现代分离技术

ModernSeparationTechnique主要内容：《现代分离技术》是物理化学、化工原理等课程的后续课程，主要讲述了化学工业领域内常见的分离技术的原理和设计方法，并介绍了分离过程的前沿技术。通过本课程的学习，培养同学分析实际问题和解决工程问题的能力，为毕业后从事相关技术的研究和开发奠定良好的理论和技术基础。课程性质与任务参考书目1.尹芳华，钟璟主编.《现代分离技术》.北京:化学工业出版社,20092.胡小玲.《化学分离原理与技术》北京:化学工业出版社，20063.丁明玉.《现代分离方法与技术》.北京：化学工业出版社，20064.SeaderJ.D.SeparationProcessPrinciples.Wiley,19985.孙兰义.《化工流程模拟实训--AspenPlus教程》.化学工业出版社，2012绪论

特殊精馏技术

新型萃取技术

吸附与离子交换

色谱分离技术

膜分离技术

结晶天然产物分离技术手性分离技术第1章绪论1.1分离科学及其研究内容1.2分离科学的意义1.3分离过程的本质1.4分离方法的类型1.5分离方法的评价1.6分离（富集）技术的发展趋势分离工程及技术是伴随着化学工业的产生而发展的,随着化学工业以及相关工业的发展,分离工程作为它们必不可少的组成部分,也得到了补充,完善及发展;同时,分离工程技术的进步也促进了这些工业的发展。1分离技术的诞生与发展最早的分离技术可以追朔到中国夏,商朝的酿酒业中的蒸酒技术;古人制糖和盐掌握了蒸发浓缩和结晶技术;用蒸馏方法从煤焦油中提取油品.十八世纪英国工业革命,使化学工业这个巨人真正诞生和发展起来,随之分离工程也诞生并发展起来.1分离技术的诞生与发展1901年英国学者戴维斯在其著作《化学工程手册》中首先确定了分离操作的概念,1923年美国学者刘易斯和麦克亚当斯合著出版了《化工原理》,从而确立了分离工程理论.2.新世纪的分离工程与其未来新世纪全人类所面临的四大问题:环保,能源,粮食与健康医疗,每个都与化学工程及分离工程相关.现已普遍使用的分离技术,如萃取,离子交换,吸附,膜分离仍大有用武之地.1.1分离科学及其研究内容

分离（separation）的概念分离是一种假设状态，在这种状态下，不同的物质被分开了（isolation）。含有m种化学组分的混合物被分成m个常量范围。把m种化学组分分成m种纯的形式，并把它们置于m个独立的容器中。利用混合物中各组分在物理或化学性质上的差异，通过适当的装置或方法，使各组分分配至不同的空间区域或者在不同的时间依次分配至同一空间区域的过程。

富集（concentration）的概念：在分离的过程中使对象物质在某空间区域的浓度增加。从大量基体物质中将欲测量的组分集中到一较小体积的溶液中，从而提高检测灵敏度。分离与富集的关系：富集需要借助分离的手段，在分析过程中分离与富集往往是同时实现的。富集与分离的目不同，富集只是分离的目的之一。纯化（purification）：

通过分离操作使某种物质的纯度提高的过程。纯度（purity）：主组分含量高低或所含杂质多少的一个概念；纯是相对的，不纯是绝对的；不同目的对纯度的要求不同；纯度越高，成本越高。分离科学（separationscience）的定义：

研究从混合物中分离、纯化或富集某些组分以获得相对纯物质的过程的规律及其应用的一门学科。分离科学已成为一门独立的新学科

（分离科学系、分离科学专业、分离科学杂志）分离的目的确认对象物质或准确测定其含量；获取单一纯物质或某类物质以作它用；浓缩（富集）某个或某类物质；消除干扰，提高分析方法选择性和灵敏度。

分离的两种形式—组分离与单一分离组（族）分离—将性质相近的一类组分一起分离。

1.石油炼制中的轻重油分离;2.中药有效成分的分离.单一分离—将某一组分以纯物质形式分离出来。

1.工业上纯物质的制备；

2.化学标准品的制备；

3.药物对映异构体的分离。单一分离结果的主要形式相互完全分离

(a,b,c,……)(a)+(b)+(c)+……从混合物中分离出某种物质

(a,b,c,……)(a)+(b,c,……)部分分离

(a,b,c,……)(a,b)+(b,c)+……分离技术的特点分离对象种类繁多（所有天然和合成物质）分离目的各不相同（检测、制备、定性定量）分离规模差别很大（g级吨级）分离技术形形色色（过滤、萃取、离心）应用领域极为广泛（生物医药、石油、化工）分离科学的研究内容分离过程的共同规律

1.用热力学原理讨论分离体系的功、能量和热的转换关系，以及物质输运的方向和限度。

2.用动力学原理研究各种分离过程的速度与效率。

3.研究分离体系的化学平衡、相平衡和分配平衡。各种分离方法的原理及应用1.2分离科学的意义1.分离是认识物质世界的必经之路物质的物理常数的测定；物质的化学性质的研究；纯物质特异性研究。2.分离是各种分析技术的前提样品中存在干扰物质；待测组分在样品中分布不均匀；没有合适的标准参考物质；样品的物理、化学状态不适合于直接测定；样品本身剧毒或具有强放射性。3.富集（分离）延伸了分析方法的检出（下）限4.分离科学是其他学科发展的基础化学－元素的发现，新化合物的结构确定。物理－物质的物理性质研究。生物－样品前处理化工－试剂和化工产品纯化医学－治疗血友病的血液制剂。药学－药理毒理实验，新药开发材料科学－超纯硅环境－污水处理（沉淀），垃圾分类（磁力分离法）石油－除苯汽油（吸附、萃取），石油精炼（蒸馏）。5.分离科学提高了人类的生活品质自来水、纯净水（过滤、反渗透）、净水器；色拉油、脱盐酱油、精盐；室内空气净化器；香烟过滤嘴新剂型（针剂、口服液、胶囊）中药1.3分离过程的本质实例：糖的溶解与结晶糖溶于水

形成均匀溶液混合过程过程是自发的熵增加从水中取出糖

对体系做功（如蒸馏法）分离过程

过程不能自发进行熵减少

实例：己烷与水混合的实验不能自发混合剧烈搅拌或振荡混合放置（停止搅拌或振荡）自发分离

体系中除浓度差（熵效应）外，还有：水分子间的亲水相互作用势能对抗混合水分子和己烷分子间的疏水相互作用势能对抗混合水和己烷的密度差（重力势能）对抗混合

实例：Fe3+和Ti4+的混合实验（一）

混合均匀

Fe3+

Ti4+Fe3+

Fe3+

抽掉隔板Ti4+Ti4+6mol/LHCl6mol/LHCl6mol/LHCl6mol/LHCl抽调隔板后Fe3+和Ti4+将自发混合均匀，这是因为：体系中除浓度（活度）差外不存在其他势场。浓度差对化学势的贡献属熵的贡献，熵增势能驱使Fe3+和Ti4+在整个体系范围内从有序向无序变化。实例：Fe3+和Ti4+的分离实验（二）

Fe3+、Ti4+乙醚，Fe3+

抽掉隔板

6mol/LHCl

乙醚6mol/LHCl，Ti4+

结果：乙醚和水为互不相溶的两相。

Fe3+与乙醚生成离子缔合物：

C2H5OC2H5

＋

H+

(C2H5)2OH+

Fe3++4Cl

FeCl4

(C2H5)2OH++FeCl4

[(C2H5)2OH]+[FeCl4]

Ti4+留在水相Ti4+的亲水作用势能驱使Ti4+留在水相；Ti4+的浓度差产生的化学势驱使Ti4+均匀分布在整个空间；Ti4+的亲水作用势能远大于浓度差化学势，所以，Ti4+留在水相Fe3+进入乙醚相

Fe3+的浓度差产生的化学势驱使Fe3+均匀分布在整个空间；

[(C2H5)2OH]+[FeCl4]的亲溶剂（疏水）势能驱使Fe3+进入乙醚相；亲溶剂势能远大于浓度差化学势，所以，Fe3+进入乙醚相结论：分离有时是自发过程、混合有时也不能自发进行；总自由能决定体系是趋向分离、还是趋向混合，即：

G总＝势能项＋熵项＝µi＋RTlnai均相体系中只存在浓度差自发混合。非均相体系中除浓度差外，还存在各种相互作用（势能）各组分趋向于分配在低势能相。（自由能降低）1.4分离方法的类型

一般分离过程

能量或分离剂

原料（混合物）目标产物

分离装置

残余物可用于分离的物质性质物理性质力学性质密度、摩擦因素、表面张力、尺寸、质量热力学性质熔点、沸点、临界点、蒸汽压、溶解度、分配系数、吸附电磁性质电导率、介电常数、迁移率、电荷、淌度、磁化率输送性质扩散系数、分子飞行速度化学性质热力学性质反应平衡常数、化学吸附平衡常数、离解常数、电离电位反应速度反应速度常数生物学性质

生物亲和力、生物吸附平衡、生物学反应速度常数1.4分离方法的类型分离的实施两相体系分离过程通常是在多相体系中完成，两相体系占绝大多数。寻找适当的两相体系，使各种被分离组分在两相间的作用势能之差增大，从而导致它们选择性地分配于不同的相中。在分离体系中引入两相可以减少由于熵效应使分开的组分再混合，避免分离效率降低。分类一：按被分离物质的性质1.物理分离法－按被分离组分在物理性质上的差异，采用适当的物理手段进行分离。

如：离心分离、电磁分离。2.化学分离法－按被分离组分在化学性质上的差异，通过适当的化学过程使其分离。

如：沉淀分离、溶剂萃取、色谱分离、选择性溶解。3.物理化学分离法－按被分离组分在物理化学性质上的差异进行分离。

如：蒸馏、挥发、电泳、区带熔融、膜分离。分类二：按分离过程的实质1.平衡分离过程－使原混合物系形成新的相界面。利用互不相溶的两相界面上的平衡关系使均相混合物得以分离。

如：蒸馏、升华、超临界萃取、固相萃取、吸附。2.速度差分离过程－强化特殊梯度场。用于非均相混合物的分离。

如：沉降、离心、电泳、透析、反渗透。3.反应分离过程－促进化学反应达到分离。

如：沉淀、离子交换、反应晶析、反应萃取。1.5分离方法的评价回收率1.回收率=分离后组分的含量/分离前组分的含量100％2.对回收率的一般要求1％以上的组分：99％痕量组分：95％或90％根据分离目的或经济价值：灵活确定回收率指标3.回收率的测定方法

利用标准参考物质（标准样品）、合成样品、分析过的样品、标准加入法1.6分离技术选择依据（1）从确定产品纯度和回收率入手。产品纯度依据其使用目的来确定，而回收率则取决于当时能实现的技术水平；（2）通过了解混合物中目标产物与共存杂质之间在物理、化学与生物性质上的差异，并比较这些差异及其可利用行；（3）确定工艺可行且最为经济的具体分离方法。分离技术发展的成熟水平直接决定了工业化应用的程度。

1.蒸馏（精馏）2.吸收3.溶剂萃取4.结晶5.离子交换6.吸附7.固膜8.色谱9.超临界萃取10.场级分离11.亲和分离12.液膜13.双水相萃取1.7分离（富集）技术的发展趋势1.色谱