化工分离过程第一章

1、1,1,化工分离工程 Chemical Separation Engineering,主讲：刘俊生 合肥学院 化学与材料工程系 E-mail: ,2,2,先修课程： 物理化学、化工热力学、化工原理 同时进行的课程： 化工工艺学、化工过程分析与模拟 选用教材： 陈洪纺 刘家祺.化工分离过程.化学工业出版社,3,3,4,4,章节目录,第一章 绪论 第二章 单级平衡过程 第三章 多组分多级分离过程分析与简捷计算 第四章 多组分多级分离的严格计算 第五章 分离设备的处理能力和效率 第七章 其它分离技术和分离过程的选择,5,5,第一章 绪论 (Introduction),一 分离操作在化工生产中的重要性

2、 二 传质过程的分类和特征 三 本课程的任务和内容,6,1.1 分离操作在化工生产中的重要性,一、 分离工程理论的形成与完善,分离技术是随着化学工业的发展而逐渐形成和发展的。,从实验室到产业,分离单元操作概念,分离工程理论形成,分离工程应用领域推广,分离工程,20世纪初,20世纪中叶,20世纪后期,科技的发展使分离技术更趋成熟和完善,9,化学工程学科的两个基本问题,过程的平衡,限度,过程的速度,反应过程,物理过程,化工热力学研究的问题,化学动力学和反应工程研究的问题,单元操作和传递过程研究的问题,化学动力学研究化学反应的动力学规律,化学反应工程研究实现过程的设备,传递过程研究过程的速率与传递机

3、理,单元操作侧重过程的设备与工程问题,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,1.1 分离操作在化工生产中的重要性,二、 工业生产中的分离过程,11,化 学 工 程 学 科,专业基础理论及专业,专业基础理论体系,专业课程体系,无机化学,有机化学,物理化学,分析化学, 生物化学,高等数学,工程数学,物理学等,化学动力学及热力学,化工原理,化工传递过程,化学反应工程,化工热力学,化工分离过程,化工工艺学,1.1 分离操作在化工生产中的重要性,基础理论体系,12,12,1.1 分离操作在化工生产中的重要性,化学工业是工业污染的大户，化工生产所造成的污染来源于： 未回收的原料；

4、 未回收的产品； 有用和无用的副产品； 原料中的杂质； 工艺的物料损耗。,13,13,1.1 分离操作在化工生产中的重要性,定义：分离过程是将混合物分成组分互不相同的两种或几种产品的操作。,一般化工生产过程：,煤 石油 天然气 生物质,化 工 原 料,反应,产品,分离,14,14,分离工程就是化学工程领域中发展较早的学科分支之一。它所研究的任一单个分离过程，一般都有可表示为：,分离过程示意图,极限程度 热力学 分离速率 动力学,15,15,什么是分离过程？,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。 借助一定的分离剂，实现混合物中组分的分级（Fractionalizat

5、ion）、浓缩（Concentration）、富集（Enrichment）、纯化（Purification）、精制（Refining）与隔离（Isolation）等的过程称为分离过程。,实例1：糖的溶解与结晶 (1) 糖溶于水 形成均匀溶液混合过程 过程是自发的熵增加 (2) 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,Example 1,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

6、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。,Question ?,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 Note: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,Example 2,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/L HCl 6mol/L HCl

7、6mol/L HCl 6mol/L HCl 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。,Example 3,实例3：Fe3+和Ti4+的分离实验（二） Fe3+ 、Ti4+ 乙醚，Fe3+ 抽掉隔板 6mol/L HCl 乙醚 6mol/L HCl，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： C2H5O C2H5 H+ (C2H5)2OH+ Fe3+ + 4 Cl FeCl4 (C2H5)2OH+ + FeCl

8、4 (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iRT lnai 均相体系中只存在浓度差

9、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）,Summary,23,23,例如：化工生产,反应（Reactive）,萃取物,（Extractive Natural raw material）,配制（Formulation）,分离,分离,分离,24,24,对分离的需求,工程应用需要纯物质（如半导体材料）； 原料提纯； 材料加工需要纯物质； 有毒有害物质或非活性物质的去除（如药物）； 测试或检测用超纯标准品； 混合物组成检测（如DNA检测）； ,25,25,反应器；原料、中间产物和产品的分离设备； 泵、换热器； note: 分离贯穿整个

10、化工过程，占有十分重要的地位。 分离过程的费用占总投资的5090。,原料 预处理 反应 分离 粗产品 精制 产品 分离工程 三废处理,典型的化工生产装置,26,26,分离的作用,作用： 1.提供符合质量要求的原料（清除对反应或催化剂有害的杂质，减少副反应，提高收率，等） 2.提纯产品以得到合格品，并使反应物循环使用。 3.在环境保护上的作用，如烟气脱硫，脱氮氧化物。,27,27,什么是化工分离工程 ？,化工分离工程是化学工程学科的重要组成部分。 化工分离工程是研究化工及其它相关过程中物质的分离和纯化方法的一门技术科学。 许多天然物质都以混合物的形式存在，要从其中获得具有使用价值的一种或几种产品

11、，必须对混合物进行分离。 在许多加工工业中，例如化工、石油化工、炼油、医药、食品、材料、冶金、生化等，必须对中间体和产物进行分离和提纯，才能使加工过程进行下去，并得到符合使用要求的产品。 还是环保工程中用于污染物脱除的一个重要环节。,28,化工分离技术的特点,化工分离技术的特点,(1)化工分离技术的多样性,(2)化工分离技术的复杂性,(3)化工分离技术的前瞻性,(4)化工分离技术的特殊性,(1) 分离技术的多样性,由于化工分离技术的应用领域十分广泛，决定了分离技术的多样性。按机理划分，大致可分成5类，它们的特点和设计方法有所不同： 生成新相以进行分离(如蒸馏、结晶)； 加入新相进行分离(如萃取

12、、吸收)； 用隔离物进行分离(如膜分离)； 用固体试剂进行分离(如吸附、离子交换)； 用外力场和梯度进行分离(如离心萃取分离和电泳等) 。,(2) 分离技术的复杂性,缺乏基础物性数据 缺乏大型塔器的可靠设计方法 化工分离技术新的挑战 能源,原料和环境保护,31,31,典型实例1 -乙烯水合生产乙醇,涉及分离过程：吸收：3、5、9； 精馏：6、8、10；闪蒸：4,32,32,例2：二甲苯生产,33,33,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, 原料：石脑油 沸程120230K, 特点：, 涉及到分离过程：精馏：4、7、8 萃取：5、6 结晶：10

13、,34,34,35,35,湿法冶炼中的矿物浸取和萃取分离过程,36,36,现代生物技术产品的分离和纯化,以重组DNA技术为标志的现代生物技术近三十年来取得了迅猛的发展。作为当代高科技的核心之一，现代生物技术将改变医学、农业、食品、能源、化学、环境保护等领域的传统面貌，促进人类社会生产力和科学技术的巨大进步。 现代生物技术的迅速发展对其下游过程，即生物技术产品的分离纯化技术提出了迫切的需求。通过发酵和动、植物细胞培养等生成的目标产物需通过一系列的分离和纯化等步骤才能获得最终的产品。据报道，生物技术产品生产中分离提纯成本一般要占其总成本的40%90%。可见，分离过程在基因工程产品生产中的重要性。,

14、37,37,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 贵重金属的提取 食品除水、除毒、病毒分离、同位数分离 三废处理,38,38,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。,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。,1单元过程；2处理,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：

15、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,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,42,42,一类：机械分离过程,特点：被分离对象为非均相混合物 目的：只是简单的将混合物分开；如：过滤、沉降,化工原理内容,二类：传质分离过程 特点：被分离对象为均相混合物，存在质量传递现象 包含： 平衡分离过程；速率控制分离,第二节 传质分离过程的分类和特征,43,43,（一）分离过程的分类,相态：,有无传质发生

16、：,单级、多级,固固、固液、固气、气液、液液、气气，,机械分离、传质分离,处理两相以上的混合物，如过滤、沉降、离心分离等。,处理均相混合物,级数：,44,44,按物理化学原理的不同，传质分离可分为：,（二）传质分离过程的分类,平衡分离过程：,速率分离过程：,借助分离剂使均相混合物变成两相系统，再利用混合物中各组分在处于相平衡的两相中的不等同分配而实现分离。,在某种推动力（浓度差、压力差、温度差、电位差等）的作用下，利用各组分扩散速率的差异实现分离。,如精馏、吸收、萃取、结晶、吸附等。,如微滤、超滤、反渗透、电渗析等。,45,45,（1）平衡分离过程,46,46,（2）速率控制分离过程,47,4

17、7,1.2.1 平衡分离过程,分离设备,混合物,产品,分离媒介,分离媒介：（1）能量媒介（ESA，energy separation agent），（2） 物质媒介（MSA, matter separation agent）,平衡分离过程借助分离媒介（如热能、溶剂和吸收剂），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。,48,48,表1-1中分离操作可略分成几大类： 1. 仅输入ESA: 蒸发, 精馏, 结晶, 干燥, 区域熔炼 (zone melting) 2. 仅输入MSA: Absorption, Extration, leachin

18、g and washing, Adsorption, Ion exchange,气提。 3. 同时加入ESA和MSA: Extration and azeotropic distillation, 带回流蒸出(水蒸汽蒸馏)。,49,49,平衡分离过程的分离单元操作,50,50,返回,51,51,1.2.2 速率分离过程,膜分离 热扩散,52,52,1.2.2 速率分离过程,定义: 是在某种推动力(浓度差、压力差、温度差、电位差等)的作用下, 有时选择透过膜的作用下, 利用各组分扩散速率的差异实现组分的分离。 特征: 这类过程所处理的原料和产品通常属于同一形态, 仅有组成上的差异。 1. 膜分离

19、-利用流体中的各组分对膜的渗透速率有差别而实现组分分离的操作。 膜的形态固态或液态 流体状态液态或气态 推动力-压力差P, 浓度差C或电位差E。,53,53,微（孔过）滤（MF）：,推动力：压力差（100kPa） 传递机理：筛分 膜类型：多孔膜,目的：溶液脱离子，气体脱离子,54,54,超滤（UF）：,推动力：压力差（1001000kPa） 传递机理：筛分 膜类型：非对称性膜,目的：溶液脱大分子，大分子溶液脱小分子，大分子分级。,55,55,反渗透（RO）：,推动力：压力差（100010000kPa） 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,目的：溶剂脱溶质，含

20、小分子溶质溶液浓缩。,56,56,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,目的：大分子溶质溶液脱小分子，小分子溶质溶液脱大分子。,57,57,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,目的：溶液脱小离子，小离子溶质的浓缩、小离子的分级。,58,58,膜分离小结,59,59,膜分离小结,60,60,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。,61,61,举例：蒸馏,蒸馏是分离液体混合物的主要方法之一。 当对液体混合物加热时，其中沸点较低（或挥发度较大）的组分更容易汽化，因此汽相中低沸点组分含量较高，将其冷凝，就得到低沸点组分含量较高的液体，从而实现了高低沸点组分的部分分离。 要实现蒸馏分离，必须是部分蒸发，而不能完全蒸干。,62,62,速率分离过程特点：,节能 环保 新的方法,化工分离技术发展的若干特点 1）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。 2）新型分离过程开发： 如膜分离、反胶团萃取