化工分离工程011-课件

分离过程

SeparationProcesses

教师：李保华2020/12/271分离过程

SeparationProcesses

教师：李本课程的任务和内容■地位：专业基础课■前期课程：物理化学、化工原理、化工热力学■重点：1.基本概念的理解2.讨论各种分离方法的特征3.对设计、分析能力的训练4.提高解决问题能力2020/12/272本课程的任务和内容■地位：专业基础课2020/12/272精品资料3精品资料3你怎么称呼老师？如果老师最后没有总结一节课的重点的难点，你是否会认为老师的教学方法需要改进？你所经历的课堂，是讲座式还是讨论式？教师的教鞭“不怕太阳晒，也不怕那风雨狂，只怕先生骂我笨，没有学问无颜见爹娘……”“太阳当空照，花儿对我笑，小鸟说早早早……”44精品资料5精品资料5你怎么称呼老师？如果老师最后没有总结一节课的重点的难点，你是否会认为老师的教学方法需要改进？你所经历的课堂，是讲座式还是讨论式？教师的教鞭“不怕太阳晒，也不怕那风雨狂，只怕先生骂我笨，没有学问无颜见爹娘……”“太阳当空照，花儿对我笑，小鸟说早早早……”66学生应掌握：◆分离过程的基本理论

◆简捷和严格计算方法

◆强化、改进操作途径

◆对新分离技术有一定了解2020/12/277学生应掌握：2020/12/277教材：面向21世纪课程教材：刘家祺.分离过程.北京:化学工业出版社,2002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。2020/12/278教材：面向21世纪课程教材：2020/12/278返回2020/12/279返回2020/12/279第一章绪论实例1：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

2020/12/2710第一章绪论实例1：糖的溶解与结晶2020/12/2710有关分离过程本质的一些描述（是否准确或全面？）分离不能自发进行（熵减少过程）分离在热力学上受阻（对抗热力学第二定律）分离是逆着大自然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。2020/12/2711有关分离过程本质的一些描述指出一切涉及热现象的宏观过程是不可实例2：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2020/12/2712实例2：己烷与水混合的实验2020/12/2712实例3：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。2020/12/2713实例3：Fe3+和Ti4+的混合实验（一）2020/12/2实例3：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]

2020/12/2714实例3：Fe3+和Ti4+的分离实验（二）2020/12/2Ti4+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2020/12/2715Ti4+留在水相2020/12/2715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）2020/12/2716结论：2020/12/27161.1分离过程在工业生产中的地位和作用1.2

传质分离过程的分类和特征1.3.分离过程的集成化

学习方法与要求2020/12/27171.1分离过程在工业生产中的地位和作用2020/12/2711.1分离过程在工业生产中的地位和作用

1.1.1分离过程在化工生产中的重要性1.1.2

分离过程在清洁工艺中的地位与作用返回2020/12/27181.1分离过程在工业生产中的地位和作用返回2020/12/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：2020/12/2719煤反应化工分离产品一般化工生产过程：2020/12/2719例1：乙烯水合生产乙醇1-固定床催化反应器；2-分凝器；3、5、9-吸收塔；4-闪蒸塔；6-粗馏塔；7-催化加氢反应器；8-脱轻组分塔；10-产品塔涉及分离过程：吸收：3、5、9；

精馏：6、8、10；闪蒸：4乙烯93%产品废水乙醚12345678910水循环乙烯水放空放空水氢水废水2020/12/2720例1：乙烯水合生产乙醇1-固定床催化反应器；2-分凝器；3、例2：二甲苯生产1-重整反应器；2、13-汽液分离器；3-压缩机；4-脱丁烷塔；5-萃取塔6-再生塔；7-甲苯塔；8-二甲苯回收塔；9-冷却器；10-结晶器；11-异构化反应器；12-熔融塔放空间二甲苯和邻二甲苯石脑油进料混合二甲苯循环混合二甲苯125678104111391233轻烃类非芳烃乙二醇芳烃苯和甲苯对二甲苯重芳烃H2H2H22020/12/2721例2：二甲苯生产1-重整反应器；2、13-汽液分离器；3-压●加氢重整后得到：轻油非芳烃苯甲苯二甲苯高级芳烃目的产物目的产物为对二甲苯邻二甲苯间二甲苯对二甲苯沸点℃144.411139.104138.351熔点℃﹣25.173﹣47.87213.263●

原料：石脑油沸程120～230K●特点：●涉及到分离过程：精馏：4、7、8萃取：5、6

结晶：102020/12/2722●加氢重整后得到：轻油非芳烃目的产物目总结：

●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2020/12/2723总结：返回2020/12/27231.1.2分离过程在清洁工艺中的地位与作用清洁工艺：生产工艺和防治污染有机的结合，将污染物减少或消灭在工艺过程中。

——面向21世纪社会和经济可持续发展的重大课题。2020/12/27241.1.2分离过程在清洁工艺中的地位与作用2020/12化学工业污染来源：未回收的原料未回收的产品有用和无用的副产原料中的杂质工艺的物料损耗2020/12/2725化学工业污染来源：未回收的原料2020/12/2725

废物最小化？2020/12/2726废物最小化？2020/12/2726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。2020/12/2727清洁工艺终合考虑：2020/12/2727与化工分离过程密切相关的有：

●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；

●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；

●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，使之减少和消除对环境的危害；

●研究、开发和采用低物耗、低能耗、高效率的“三废”治理技术。2020/12/2728与化工分离过程密切相关的有：2020/12/2728闭路循环系统：将过程所产生的废物最大限度地回收和循环使用。原料产品排除111222废物废物1—单元过程；2—处理2020/12/2729闭路循环系统：原料产品排除111222废物废物1—单元过程；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●进料提纯例：氧化反应采用纯氧●除去分离过程中加入的附加物质例：共沸剂、萃取剂●附加分离与再循环系统

例：分离废物中的有效物，循环使用2020/12/2730实现分离与再循环系统使废物最小化的方法：2020/12/27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现工业化应用

例：膜分离；热扩散；色层分离；…返回2020/12/2731上述原因促使：返回2020/12/2731

1.2传质分离过程的分类和特征一类：机械分离特点：被分离物为非均相简单的将混合物分开

如：过滤、沉降…化工原理内容二类：传质分离

包含：

平衡分离过程；速率控制分离

特点：被分离物为均相

2020/12/27321.2传质分离过程的分类和特征一类：机械分离特点1.2

传质分离过程的分类和特征1.2.1

平衡分离过程1.2.2

速率分离过程返回2020/12/27331.2传质分离过程的分类和特征1.2.1平衡分离过程1.2.1平衡分离过程分离设备混合物产品分离媒介分离媒介：能量、物质、压力平衡分离过程——借助分离媒介，使均相混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。2020/12/27341.2.1平衡分离过程分离设备混合物产品分离媒介分离媒介：平衡分离过程的分离单元操作闪蒸原料相态：

液体分离媒介：减压分离原理：挥发度（蒸汽压）有较大差别工业应用：海水淡化生产纯水；吸收液的解吸。精馏原料相态：汽、液或汽液混合物分离媒介：热量，有时用机械功

同上石油裂解气的深冷分离；苯、甲苯、二甲苯的分离。2020/12/2735平衡分离过程的分离单元操作原料分离媒介：分离原理：工业应用：吸收蒸出原料相态：气体或液体分离媒介：液体吸收剂（MSA）；加入热量（ESA）

分离原理：挥发度（蒸汽压）有较大差别工业应用：由催化裂化装置主蒸塔顶产物中回收乙烷及较轻的烃。萃取或共沸精馏原料相态：汽、液或汽液混合物液体溶剂（MSA）或塔釜加热（ESA）液体共沸剂（MSA）或塔釜加热（ESA）改变原溶液的相对挥发度

以苯酚作溶剂由沸点相近的非芳烃中分离芳烃；以醋酸丁酯作共沸剂从稀溶液中分离醋酸。MSAL或VLLL或VMSALV返回2020/12/2736原料分离媒介：分离原理：工业应用：萃取或共沸精馏原料液体溶剂1.2.2速率分离过程膜分离热扩散2020/12/27371.2.2速率分离过程膜分离2020/12/2737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。2020/12/2738速率分离:2020/12/2738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（液体和气体）溶剂、水、气体颗粒、纤维目的：溶液脱离子，气体脱离子2020/12/2739微孔过滤（MF）：推动力：压力差（～100kPa）超滤（UF）：推动力：压力差（100～1000kPa）传递机理：筛分膜类型：非对称性膜进料溶剂、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。2020/12/2740超滤（UF）：推动力：压力差（100～1000kPa）进料溶反渗透（RO）：推动力：压力差（1000～10000kPa）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溶剂、水溶质、盐目的：溶剂脱溶质，含小分子溶质溶液浓缩。2020/12/2741反渗透（RO）：推动力：压力差（1000～10000kPa）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料接受液净化液扩散液目的：大分子溶质溶液脱小分子，小分子溶质溶液脱大分子。

2020/12/2742渗析（D）：推动力：浓度差进料接受液净化液扩散液目的：大分子电渗析（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－极＋极产品阴离子交换膜阳离子交换膜进料目的：溶液脱小离子，小离子溶质的浓缩、小离子的分级。

2020/12/2743电渗析（ED）：推动力：电化学势浓电解质－＋产品阴离子交换膜热扩散：原理：

先建立稳定的温度梯度，气体中较轻的组分向热线方向飘逸，再建立稳定的浓度梯度，热线附近的气体由于密度较小流向上顶瓶；冷管壁附近的气体由于密度较大向下底瓶流动。顶瓶底瓶温度梯度冷壁热线2020/12/2744热扩散：原理：顶瓶底瓶温度梯度冷壁热线2020/12/274

速率分离过程特点：■节能

■环保优势■新的方法返回2020/12/2745

速率分离过程特点：■节能返回2020/12/21.3.分离过程的集成化

目的：实现清洁工艺

使物料能量消耗最小；

经济效益、社会效益最大。1.3.1反应过程与分离过程的耦合1.3.2分离过程与分离过程的耦合1.3.3过程的集成返回2020/12/27461.3.分离过程的集成化

目的：实现清洁工艺

1.3.1反应过程与分离过程的耦合目的：

改善不利的热力学和动力学因数，减少设备、操作费用、节约资源和能源。2020/12/27471.3.1反应过程与分离过程的耦合2020/12/2747化学吸收——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，增加传质推动力。化学萃取——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；聚合反应（催化）精馏——化学反应与精馏相结合

例：酯化、皂化、酯交换、胺化、水解…膜反应器——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，进行丁烯脱氢制丁二烯。丙烷脱氢制丙烯。2020/12/2748化学吸收——化学反应与吸收相结合2020/12/2748控制释放

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过扩散等方式释放到环境中。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。返回2020/12/2749控制释放返回2020/12/2749