一、高等分離工程-01-緒論2011

一、高等分離工程--01-緒論2011..第一頁，共43頁。參考書高等分離工程第二頁，共43頁。如何理解“高等”？對理論和方法的深入理解和掌握對先進技術的了解，開拓視野計算能力和解決實際問題能力的提高對設計計算軟件的使用調研能力，動手能力的提高各種化工問題之間的聯系第三頁，共43頁。第一章緒論

分離工程或分離過程(separationprocesses),主要是對化學工業、石油化工、煤化工生產及相關工業生產中的分離過程進行研究的一門科學。

緒論第四頁，共43頁。

在我們生活的世界，無論是無機物還是有機物，大部分是以混合物的形式存在，許多化學過程和物理過程所得到的產品都是混合物。為了有效地利用這些物質，我們需要將它們加以提純或分離，而分離工程則為我們提供所需要的原理及方法。我們應用分離工程改變著世界。

緒論第五頁，共43頁。古代，《物原》，“軒轅臣夙沙做鹽”。《世本》“皇帝時，諸侯有夙沙氏，始以海水煮乳煎成鹽”。《中國鹽政史》謂：“世界鹽業莫先于中國，中國鹽業發源最古在昔神農時代夙沙初作煮海為鹽，號稱‘鹽宗’”。這包含現代工業中“蒸發”和“結晶”兩個分離技術。緒論第六頁，共43頁。1901年戴維斯(Davis)編著了第一本化學工程專著—《化學工程手冊》。分離工程是化學工程學科的一個重要分支。分離工程一直是化工過程中的關鍵角色緒論(1850～1907)

第七頁，共43頁。現代，分離工程起到了巨大作用化學工程涵蓋化工熱力學、傳遞過程、單元操作、傳質與分離工程、化工系統工程、化工控制過程等內容。現代化工生產中，主要包括兩個過程： 一是反應過程，它可以生產出新的物質，是化工生產中的核心 二是分離過程，它包括原料的凈化、預處理、中間產物的分離及產物的分離和提純，是得到合格產品的關鍵緒論第八頁，共43頁。1.1分離過程在化工生產中的重要作用分離過程是分離混合物的一種方法。典型的化工生產裝置通常是由一個(或多個)反應器和具有提純原料、中間產物和產品的多個分離設備以及機、泵、換熱器等構成。分離操作可以實現： I、提純原料；II、分離中間產物，減少副反應，提高產品收率；III、脫除有害物質；IV、產品提純與精制；V、對混合物進行檢測分析等。緒論第九頁，共43頁。

分離設備投資巨大，操作費用高

分離操作在化工生產中占有重要地位，對于大型石油工業和以化學反應為中心的石油化工生產過程，分離裝置投資費用占總投資的50~90%。而且在操作過程中，分離設備所消耗的能量很高。緒論第十頁，共43頁。由裂解氣生產乙烯、丙烯分離流程圖

壓縮脫酸性氣壓縮脫水冷箱脫CO脫C2H2CO2,H2S脫甲烷塔脫乙烷塔脫丙烷塔脫丁烷塔水氣冷凍丙烯丙烷乙烯乙烷富H2C4產品C4+(輕汽油)脫丙烷乙烯精餾塔丙烯精餾塔化學吸收吸附C10緒論第十一頁，共43頁。緒論第十二頁，共43頁。

環境保護離不開分離過程

隨著人類社會的不斷進步和發展，工業化進程的不斷推進，排入大氣中的污染物越來越多，如：揮發性有機污染物（VOCs)、日益嚴重的酸雨問題、溫室效應，光化學煙霧和臭氧等問題已嚴重制約經濟的發展，甚至威脅人類的生存和發展。為了治理日益嚴重的環境污染，保護人類的生存環境，也必須采用分離過程對廢氣、廢水和廢渣進行處理。緒論第十三頁，共43頁。緒論第十四頁，共43頁。第十五頁，共43頁。

能源開發與利用離不開分離工程

石油、煤、天然氣的利用，新能源的開發：生物質能、核能、氫能、燃料電池能。緒論第十六頁，共43頁。緒論第十七頁，共43頁。分離過程在其他領域的應用

分離過程除了在化工、環保及能源領域中有廣泛應用外，在其它工業領域也有巨大的用途。冶金行業：礦物中金屬的提取和精制食品工業：食物脫水、果汁提純核工業：同位素分離生化行業：生物分離，培養液和發酵液的分離

科技發展對物質純度的要求越來越高，促進了分離理論和技術的發展，一些新型分離技術不斷開發出來。反應精餾技術、變壓吸附分離技術、膜分離技術、超臨界萃取技術等等。

緒論第十八頁，共43頁。1.2分離過程基本概念

分離過程的定義：混合是自發過程，而分離是非自發過程，必須通過建立裝置、系統或過程，對混合物加入能量，才能實現。定義：將一混合物轉變為組成不相同的兩種或兩種以上產物的操作。分離工程示意圖原料物流(一股或幾股)分離劑(物質或能量)分離裝置產品1產品2(組成不同的物流)緒論第十九頁，共43頁。分離因子（分離因數）定義：

任何一種分離過程中任意兩組分間能夠達到的分離程度稱為分離因子或分離因數。數學表達式：

緒論第二十頁，共43頁。分離劑分離劑是加入到混合物系中的，使混合物分離的能量或物質。一股或幾股物流進入分離裝置，加入分離劑后引起分離作用，最后得到至少兩股不同的產品。分離劑是能量(熱量、冷量或功等)，稱為能量分離劑,分離劑是物質(或另一種原料)，成為質量分離劑。分離劑還可以是某種強制力（如壓力梯度、溫度梯度、電場力、磁場力）及特殊膜等。分離過程的特征往往由加入分離劑的性質決定。緒論第二十一頁，共43頁。分離過程按所加分離劑的不同可以分為：能量分離劑的平衡過程

這類過程的共同點是所加的分離劑均為能量(熱量、冷量、減壓等)。質量分離劑的平衡過程

吸收(以不揮發性液體作為分離劑)、氣提(以不凝性氣體作分離劑)，吸附和離子交換(分別以固體吸附劑和樹脂作分離劑)及萃取(以不互溶液體做分離)等屬于這類過程。使用一個以上分離劑的平衡過程

如萃取精餾和恒沸精餾(熱量與適當液體)。速率控制過程：

有些過程通過某種介質，在壓力、溫度、組成、電勢或其他梯度所造成的強制力的推動下，依靠傳遞速率的差別而操作，叫速率控制過程。緒論第二十二頁，共43頁。1.3分離過程的分類分離過程分為機械分離過程和傳質分離過程兩大類。機械分離過程是指分離裝置所接受的是多于一個相的非均相進料，只要簡單地分相就可以。如過濾、沉降、固-液分離和氣-液分離器等。傳質分離過程是除了機械地將不同相加以分離外，相間還發生物質的傳遞。分離對象是均相混合物，將含有不同組分的均相混合物分成組成互不相同的兩種或多種產品的操作。精餾，吸收，萃取等。

平衡分離過程

傳質分離過程

速率分離過程緒論第二十三頁，共43頁。

平衡分離過程的單元操作緒論

平衡分離過程是借助分離媒介（熱量或物質）將均相混合物分離，分離主要是根據各組分的相平衡進行，分離后的兩相呈相平衡狀態。精餾，吸收，萃取等過程均屬于平衡分離過程第二十四頁，共43頁。

平衡分離過程的單元操作以酚為溶劑從非芳香烴化合物中分離甲苯液體溶劑+熱量改變揮發度液體+蒸汽液體和(或)蒸汽萃取精餾天然氣油中除去異丁烷及相對分子量低的烴類；輕烴回收熱量揮發度液體+蒸汽液體和(或)蒸汽精餾高壓氨氣相中回收H2及N2冷量揮發度液體+蒸汽蒸汽部分冷凝閃蒸法淡化海水減壓(能量)揮發度液體+蒸汽液體閃蒸汽化實例分離劑及原理產品進料形式單元操作LVLVVLVLLLVLLLMSA第二十五頁，共43頁。真空下用水蒸氣做氣提劑的殘油(拔頂油)蒸餾氣提蒸氣+熱量溶解度液體+液/氣液體和(或)蒸汽回流式氣提原油蒸餾塔氣提側取餾出物石腦油、煤油、汽油，除去輕餾分解吸(氣提)蒸氣溶解度液體+氣體(蒸汽)液體解吸(氣提)用乙醇胺水溶液吸收燃燒氣中的CO2液體吸收劑溶解度液體+氣體氣體吸收催化裂化廠的主分餾塔塔頂餾出物中除去乙烷及相對分子量低的烴類物液體吸收劑+熱量溶解度液體+蒸汽液體和(或)蒸汽吸收蒸出實例分離劑產品進料形式單元操作V/LL/VLMSAVLMSALVMSALVVMSAVLLMSA第二十六頁，共43頁。用丙烷和甲苯基酸為溶劑從芳香烴及環烷烴中萃取鏈烷烴兩種液體溶劑溶解度兩種液體液體液液萃取(雙溶劑)

用丙烷為溶劑從殘油(拔頂油)中脫瀝青不互溶液體溶解度兩種液體液體液液萃取用乙酸丁酯為夾帶劑并與水形成恒沸物，從水-乙酸混合液中分離乙酸液體夾帶劑+熱量改變揮發度液體+氣體氣、液或氣液混合物恒沸蒸餾石腦油餾分中出去輕餾分熱量溶解度蒸汽+液體液體再沸蒸出實例分離劑產品進料形式單元操作LLVMSAMSALL?V/LLLMSAL′MSA1L?L′MSA2L第二十七頁，共43頁。從含有N2,O2,CO2及有機化合物的氣相中回收臨苯二酸酐冷量選擇性凝聚液體+固體蒸汽凝華間、對二甲苯溶液中結晶得到對二甲苯熱量或冷量過飽和度液體+固體液體結晶從尿素水溶液中蒸發水分熱量蒸汽壓不同液體+蒸汽液體蒸發在旋轉式干燥器中，用熱空氣干燥聚氯乙烯除去水分。氣體和(或)熱量水分蒸發干固體+濕氣固體干燥(固體)實例分離劑產品進料形式單元操作VVLVLMSAVLSV(V)SS(L)LS第二十八頁，共43頁。清除廢水中的洗滌劑,礦石浮選表面活性劑+鼓泡氣泡在氣液界面吸附兩種液體液體泡末分離水的軟化固體樹脂質量作用定律液體離子交換用分子篩吸附劑干燥空氣固體吸附劑吸附力強弱流體+固體氣體或液體吸附礦泥漿液的瀝取回收硫酸銅液體溶劑固體溶解度液體+固體固體瀝取(浸取)實例分離劑產品進料形式單元操作V/LV/LSLSMSALL液體+固體LL2L1V第二十九頁，共43頁。

速率分離過程的單元操作緒論速率分離過程是在某種推動力（濃度差、壓力差、溫度差、電力差等）的作用下，有時在選擇性透過膜的配合下，利用各組分擴散速度的差異實現組分的分離。第三十頁，共43頁。速率分離過程的應用范圍第三十一頁，共43頁。原料液濾液原料液濾液濃縮液原料液溶劑濃縮液混合氣滲透氣滲余氣原料液滲透蒸氣溶質或溶劑溶劑原料液濃電解質陰膜陽膜陰極陽極原料液滲透液濃縮液幾種主要的膜分離過程過程示意圖膜類型推動力傳遞機理透過物截留物微濾MF

多孔膜壓力差（~0.1MPa）篩分水、溶劑、溶解物懸浮物各種微粒超濾UF

非對稱膜壓力差（0.1~1MPa）篩分溶劑、離子、小分子膠體及各類大分子反滲透RO

非對稱膜復合膜

壓力差（2~10MPa）溶劑的溶解-擴散水、溶劑懸浮物、溶解物、膠體電滲析ED離子交換膜電位差

離子在電場中的傳遞

離子非解離和大分子顆粒

均質膜復合膜非對稱膜壓力差（1～15MPa）氣體的溶解-擴散易滲透氣體難滲透氣體

滲透汽化PVAP

均質膜復合膜非對稱膜濃度差分壓差溶解-擴散易溶解或易揮發組分

不易溶解或難揮發組分

膜蒸餾MD

微孔膜由于溫度差而產生的蒸汽壓差通過膜的擴散高蒸汽壓的揮發組分非揮發的小分子和溶劑

氣體分離GS第三十二頁，共43頁。1.4近代分離過程特征

與過程系統工程相結合。 過程系統工程主要包括系統模擬、系統分析、系統綜合及系統優化等。反應與分離結合。 反應過程與分離過程是化工生產的兩個重要環節，二者相互結合，相得益彰。化學吸收、化學萃取、反應精餾、膜反應器、膜控制釋放、膜生物反應器等新工藝不斷推廣。 分離與分離結合。 萃取結晶、吸附蒸餾、膜蒸餾、膜吸收、膜萃取等緒論第三十三頁，共43頁。與節能技術相結合。分離過程占化工過程能耗的50~90%，分離過程與節能技術密不可分新分離過程不斷出現。 加鹽精餾、分子蒸餾、超臨界萃取、膜分離、超臨界結晶、大型色譜分離等，使分離過程由“大型化”向“精細化”發展，應用范圍拓寬，分離效率提高。緒論第三十四頁，共43頁。1.5分離過程的解決方案多組分混合物的熱物性數據

純物質的物性數據可查；混合物的物性數據需計算。實際體系的相平衡常數

計算平衡常數需用活度系數、逸度系數對理想體系進行修正。集態的變化 多組分混合物分離常伴隨集態的變化，即出現新的相，計算時需確定新相的參數。需用電子計算機作為運算工具

多組分混合物分離過程的計算需反復試差、迭代或聯立求解線形或非線性方程組，計算量大。新分離工藝的出現，需構建新的分離模型。緒論第三十五頁，共43頁。1.6課程要求掌握典型的分離技術，了解其內容、原理、特點及具體應用。做到能夠針對具體過程提出最佳解決方案。考核方式：平時+課程論文+考試。緒論姓名：學號：聯系電話：電子郵件：導師：今后的研究課題（或導師的研究方向）；特長；家鄉母校以前是否學過《分離工程》或類似課程；學過哪些章節；對哪些分離技術感興趣，在以后的研究中可能用到的分離技術，對課堂教學由什么要求。推薦課堂討論案例第三十六頁，共43頁。課程安排緒論精餾多組分精餾多組分精餾萃取精餾共沸精餾反應精餾鹽效分離分子蒸餾精餾節能精餾節能吸收萃取吸附結晶超臨界結晶超臨界萃取膜分離總論膜分離舉例討論1討論2討論3討論4第三十七頁，共43頁。考核方式平時課堂聽課和討論參與情況30%(提前預約）小論文30