分离工程-朱家文-第一章绪论.ppt

第七节 复杂精馏塔的计算,分 离 工 程 华东理工大学化工学院分离工程教学组 2007年11月,分离工程,第一章：绪论 面向二十一世纪的化工分离工程,目 录,化工分离工程及其研究内容分离工程的发展促进了化学工业等过程工业的进步二十一世纪的化工分离工程：机遇与挑战,Part 1化工分离工程及其研究内容,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，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。分离过程还是环保工程中用于污染物脱除的一个重要环节。,生产实践是分离工程形成与发展的源泉,早期的化学工厂是由化学家根据实验室研究结果直接建立的。通过生产实践发现，生产用的大装置中的化学或物理过程与实验室玻璃器皿中的现象有很大的不同。而在不同产品的生产过程中，却有许多过程遵循相似的原理。由此提出的单元操作原理奠定了化学工程学科最初的理论基础。,即使是在一种产品的生产流程中，也有原理相似的不同操作步骤。,早在数千年前，人们已利用各种分离方法制作许多人们生活和社会发展中需要的物质。例如，利用日光蒸发海水结晶制盐；农产品的干燥；从矿石中提炼铜、铁、金、银等金属；火药原料硫磺和木炭的制造；从植物中提取药物；酿造葡萄酒时用布袋过滤葡萄汁；制造蒸馏酒等等。,早期人类生产活动中的分离过程,这些早期的人类生产活动都是以分散的手工业方式进行的，主要依靠世代相传的经验和技艺，尚未形成科学的体系。,近代化学工业是伴随着十八世纪开始的工业革命而崛起的。于十九世纪末开始了大规模的发展。当时，三酸二碱和以煤焦油为基础的基本有机化工等都有了一定的规模。在生产中，需要将产品或生产过程的中间体从混合物中分离出来，才可供使用。例如，当时著名的索尔维制碱法中，使用了高达二十余米的纯碱碳化塔，在其中同时进行化学吸收、结晶、沉降等分离过程，这是一项了不起的成就。,近代化学工业的兴起,但在当时，这项成就是由化学家在进行化学工艺过程开发的同时完成的，他们并没有意识到他们同时在履行着化学工程师的职责。这时的分离技术是结合在具体的化工生产工艺的开发过程中，单独而分散地发展的。,随着大量的工业实践，人们逐渐认识到，各种化工生产工艺，除了其中的核心即反应过程外，大都是由为数不多的一些基本操作组成的。这些基本操作的知识对于化工过程的正确开发和化工流程、装置的正常运行及经济性有重要的作用。在二十世纪初提出的单元操作的概念指出：任何化工生产过程不论规模如何，皆可分解为一系列名为单元操作的过程，例如粉碎、混合、加热、吸收、冷凝、浸取、沉降、结晶、过滤等。单元操作的概念包含了流体动力过程、传热过程、传质分离过程、热力过程、粉体工程等许多化工生产过程中常见的操作和过程，传质分离过程是其重要组成部分。,化学工程学科的雏形,单元操作和化学工程理论的形成,G.E.戴维斯，化学工程手册(1901)C.S.鲁宾逊，精馏原理(1922)W.K.刘易斯，W.H.麦克亚当斯，化工原理（1923）W.K.刘易斯的化工计算(1926)T.K.舍伍德的吸收与萃取(1937),单元操作概念的建立对化学工程的发展起了重大的作用。它对用于不同的化学工艺中的同样的操作，以单元操作的概念抽象出来，对其共同规律进行研究。通过对其基础研究、单元操作所用设备的结构、操作特性、设计计算方法及应用开发等多方面的研究，为分离过程在化工工艺开发、化工过程放大、化工装置设计和在化工生产中的正确应用提供了较为完整的理论体系和经济高效的分离设备，对促进化学工业的发展起到了重要的作用。,自二十世纪五十年代以来，通过对化学工程的深入研究，提出了三传一反（动量传递、热量传递、质量传递、化学反应工程）的概念。使分离工程建立在更基本的质量传递的基础上，从界面的分子现象和基本流体力学现象进行分离工程中各单元操作的基础研究，并用定量的数学模型描述分离过程，用于分析已有的分离设备，并用于设计新的过程和设备。由于计算机技术的飞速发展，使得从较基础的理论角度出发对分离过程和设备进行研究成为可能，减少了误差和失真。对一些复杂的数学模型的开发并用于分离过程的优化，使化工过程更趋成熟和完善。,分离操作是怎么实现的？,平衡分离过程：根据当体系处于平衡时物质在不同相态（气液、气固、液固等）中浓度不同而实现分离，如蒸馏、吸收、萃取、吸附、结晶等速率分离过程：根据物质分子在外力作用下迁移速率不同而实现分离，如膜分离、电泳等重力和离心分离：根据物体密度不同而实现分离，如重力沉降、旋风分离等机械分离过程：根据物体颗粒大小不同而实现分离，如筛分和过滤等其他分离过程,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。,高效的蒸馏设备：带回流的直立多级精馏塔,简单的一级蒸馏往往只能实现液体混合物的部分分离。要提高分离的效果，可以多次重复上述部分蒸发冷凝过程，即采用多级蒸馏。实现多级蒸馏的设备就是精馏塔：带回流的直立多级蒸馏设备。一般来说，只要有足够的级数，就有可能达到所希望的分离效果。,蒸馏技术的应用和发展历史,早在二千余年前人们即用蒸馏的方法制酒和芳香油。十四世纪已有较具规模的酒精生产。十八世纪从煤焦油中用蒸馏提取油品。十九世纪中叶第一个石油炼厂投产。早期的蒸馏设备能耗大、分离效果差，十九世纪中叶，人们设计了直立多级、采用回流技术的精馏塔，被认为是蒸馏技术发展中的重大突破。精馏采用回流技术，在塔内实现充分的汽、液两相多级逆流接触传质，能实现混合物的高纯度分离。目前，精馏广泛应用于炼油、化工和石油化工、轻工、食品、空气分离等工业中，是非常重要的分离技术之一。二十世纪以来，化学工业特别是石油化工的迅速发展，在生产规模和分离难度上对蒸馏提出了更高的要求，各种生产能力大、分离效率高、流动阻力低的新型蒸馏设备不断出现，常用的是各种板式塔和填料塔。不同的蒸馏方法也得到了迅速的发展，出现了恒沸精馏、萃取精馏、盐精馏、反应精馏、分子蒸馏、水蒸汽蒸馏等各种复杂蒸馏方法。,一些典型的分离单元操作,蒸馏吸收吸附萃取结晶干燥过滤,膜分离（透析、反渗透、电渗析、超滤、微滤、纳滤、渗透蒸发、气体膜分离等）新型吸附技术（模拟移动床吸附、扩张床吸附、变压吸附）层析超临界萃取分子蒸馏,Part 2分离工程的发展促进了化学工业的进步,分离过程作为化工生产中的一个不可缺少的环节，在化学工业的发展中起着重要而不可替代的作用。分离技术的发展和不断取得的技术进步不仅促进了化学工业的发展，也促进了其他相关过程工业的发展，提高了生产和技术水平。,炼油和石油化工,炼油和石油化工是现代人类工业文明中最重要的基础加工工业之一。石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、柴油、燃料油、润滑油、石油蜡、石油沥青、石油焦和各种石油化工原料等石油产品的工业。为现代人类文明提供了重要的能源和工业原料。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、合成橡胶、合成洗涤剂、溶剂、涂料、农药、染料、医药和各种中间体等重要产品。目前，国际上石油化学工业产品的销售额已占到全部化工产品的45%。在大型石油化工联合企业中，炼油和石油化工过程是紧密结合在一起的。各种分离操作是其生产过程必不可少的组成部分。,蒸馏是炼油和石化工业的最主要的基本操作过程之一。早期的炼油工业即是简单的利用釜式蒸馏将石油的轻重组分加以分离，以生产汽油、煤油和重质油等产品的过程。现在，原油仍借常压蒸馏及减压蒸馏按沸程不同进行分离。蒸馏技术的发展，例如精馏技术的开发、泡罩塔的应用，提高炼油生产中原油的分离效率，使大规模连续化的分离操作得以实现，明显降低了设备投资、操作能耗和分离成本。二十世纪中叶以来各种生产能力大、分离效率高、流动阻力低的新型塔器的出现，进一步促进了炼油工业的技术进步和发展。在炼油和石化等工业的应用中取得了明显的经济效益，,例如，美国在19501970年之间，通过对蒸馏设备的改进就创造了近二十亿美元的经济效益；在我国，用网板波纹填料对数百座旧式板式塔进行改造，使分离能力和通量均增加了3050%。除此以外，现代炼油和石化工业中还广泛应用着其它分离单元操作。例如：萃取用于溶剂脱蜡、润滑油精制、溶剂脱沥青和芳烃抽提等。吸附用于分子筛脱蜡、C8芳烃分离、烯烃和烷烃的分离等。,冶金和资源工业,核工业最初是在第二次世界大战期间由于战争的需要而获得超常规的高速发展的。其中，为了提取和纯化铀，对溶剂萃取技术，主要是萃取剂和萃取设备进行了大量的研究。铀是在工业上第一个使用溶剂萃取法提取和纯化的金属元素。在铀的溶剂萃取法提取过程中，使用的萃取剂有磷酸三丁酯（TBP）、TBP-D2EHPA-煤油混合溶剂、胺类萃取剂等。在萃取设备的研究中，开发了各种萃取设备如各种转动塔、脉动塔、振动塔和混合澄清槽等，为萃取过程的工业实现提供了可靠、经济、高效而生产能力大的分离设备。铀、钍、钚等的萃取分离过程和气体扩散法等同位素分离方法的工业实现，为核工业在战后的迅速发展提供了坚实的基础。由此而发展起来的湿法冶炼技术后来成为有色金属和无机矿产的生产的重要方法之一。,由于矿物资源的贫化，湿法冶炼，即利用酸、碱等水溶液浸取矿物，然后其中的有用组分进行分离或净化，受到了越来越多的重视，其中常用萃取进行分离和提纯。用溶剂萃取从铜矿浸取液中提取铜，是在二十世纪七十年代在湿法冶炼中取得的一项重要成就。一般认为，只要价格相当或超过铜的有色金属，都有可能用溶剂萃取方法进行提取。目前萃取已用于钴、镍、钨、钼、金、稀土等元素的生产过程。湿法提取过程也用于磷和硼等无机矿产的生产过程。例如，磷酸生产通常用热法过程，产品纯度高。但生产中能耗很高，成本高，要求磷矿的品位高。磷酸的湿法生产过程可以处理低品位的磷矿，生产成本低，因而得到了日益广泛的重视。在湿法磷酸净化的萃取法由于提取成本低，净化程度高，而得到广泛的研究和应用。分离技术的发展，使人们可以更有效地利用资源，并生产出品种更多、质量更好、价格更低的产品。,湿法冶炼中的矿物浸取和萃取分离过程,医药工业,分离技术在保证药物生产及其质量中起着关键作用。合成药物的生产类似于精细化工产品，但质量和卫生要求更严格，各种分离技术在生产中扮演着重要的角色。抗生素等发酵类医药产品的生产中，大量应用着过滤、萃取、吸附、膜分离、离子交换、结晶、干燥等分离技术。在现代基因工程产品的生产过程中，分离成本有时甚至要占到其总生产成本的90以上，并为此发展了许多新型的高精度分离技术。在天然药物（如中药等）生产现代化过程中，超临界萃取、膜分离、先进的过滤、干燥、结晶等分离技术大有用武之地。,其他,食品、乳品和饮料工业环境保护空气分离水处理、海水淡化、纯水制备材料工业,Part 3二十一世纪的化工分离工程：机遇与挑战,二十世纪下半叶掀起的新技术革命浪潮在人类文明和社会发展上将具有重大的意义。在现代生物技术、环境科学、资源与能源科学、信息技术与材料科学等高新科技的发展对分离工程提出了新的、更高的要求，有许多是传统分离技术所无能为力的，分离工程发展与高新科技的结合是现实的迫切需求，也是分离工程面临的新的机遇和挑战。,现代科学技术的迅速发展向分离工程提出了许多新的课题：,现代生物技术产品的商品化在很大程度上取决于能否将具有生物活性的产品从组成复杂的、具有许多性质相似的杂质的稀溶液中经济有效地加以分离纯化；信息工业、生物技术和医药工业、材料工业的飞速发展向分离工程提出了前所未有的纯度要求和分离精度要求；由于石油和天然气资源的逐渐枯竭，能源结构在未来几十年内将面临重大的变化。新能源的发展要求分离工程提供新的、经济有效的大规模分离方法；资源的开发向贫矿的利用转化以及海洋资源的开发利用需要更经济有效的分离技术；环境保护对分离技术提出了持续的、不断提高的需求；为了节约能源、降低设备投资和分离操作成本，对传统分离过程的改造或以新分离方法取代。,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。,以基因工程产品为代表的现代生物技术产品的分离提纯技术的开发研究是分离技术的前沿研究方向，它有着与传统化工分离技术极为不同的分离对象、系统和特点：,分离对象是具有特定的生物活性的生物大分子产品，分离过程设计中不恰当的物理和化学环境等（如温度、pH值、缓冲液选择、有机溶剂、搅拌和剪切力等）皆有可能引起其蛋白质分子结构发生改变，从而使之失活；所需要的目标产物往往存在于含有许多性质十分相似的杂质的稀溶液中，如何从这样一种复杂的稀溶液中经济有效地提取产物是生物分离技术面临的重大课题；从卫生和安全角度出发，对于治疗用基因工程产品，有着极高的纯度和同一性要求，对其中的有害杂质去除率要求极高，对分离设备材质和分离过程中引入的分离介质也有着严格的限制；,基因工程中所表达的外源蛋白在宿主细胞（如大肠杆菌）中往往以不溶解的无定形蛋白聚合体即包涵体的形式存在，如何使之分离纯化并按正确的次序和结构复性为具有活性的最终产品是一个全新的分离技术研究领域。通常，生物分离过程包括以下几个处理阶段：（1）培养液（或发酵液）的预处理和固-液分离；（2）产物提取；（3）产物纯化（精制）和（4）成品加工。许多适合于生物技术产品特点的分离技术在近几十年来得到了迅速的发展，例如离子交换层析、凝胶过滤、亲和层析等层析技术；超速离心分离技术；电泳技术、双水相萃取、反胶束萃取等。为生物技术产品的生产提供了适用的分离技术。,然而，现在的生物分离过程往往相当复杂，步骤很多，造成分离成本高和收率下降。因此，基于经济和大规模高效分离为目标的许多新的生物技术产品组合分离技术，例如亲和膜分离、亲和超滤技术、扩张床技术、高效层析技术等，已受到重视，其中有些已成功地用于生产。可以预见，随着科学技术的发展，现有的生物分离技术将不断完善，新的生物分离技术还将不断涌现，以适应不断增多的生物技术产品的产业化的需要。,日益增长的能源需求对分离技术的挑战,目前，现代人类文明的进步和发展是建立在以化石燃料为主的一次性能源的基础结构上的。然而，地球上的一次性能源资源都是有限的，由于工业生产和人民生活的需要而进行的大规模开采，已经使部分能源资源日趋枯竭，尤其是既作为能源又作为基本化工原料的石油和天然气资源。使能源和资源能持续满足未来发展的需要是放在科研工作者面前的紧迫任务。目前来看，这些任务包括，现有资源的充分利用，贫化资源的开采利用；煤、页岩油等资源的清洁、经济和有效的综合利用；新能源的开发，如太阳能、核聚变、生物能源等。分离工程的进步将对这些领域研究目标的实现和应用起到至关重要的作用。,煤等固体矿物能源资源的清洁利用,煤和油页岩是除石油以外的储藏量较为丰富的矿物能源和化工原料资源。其使用不如石油方便，且对环境污染更严重。其有效利用及其向液态燃料转化等方面，分离工程面临着许多新的课题。由于资源的分散和含量、组成的复杂和处理过程的环境保护要求，使得对分离过程的开发提出了更高的要求。在用煤合成生产液态燃料的大规模应用中，也面临着许多新的、不同于石油化工的分离问题。,现已普遍使用的许多化工分离技术如萃取、吸附、离子交换、膜分离等仍是大有用武之地的。对此，一个重要的方向是加强对使用于分离过程的高分离因子、高选择性、高容量、使用寿命长易于再生循环使用的质量分离剂（分离介质）的研究，热力学和化学在其研究中有重要的作用。另外，加强对传质和传递现象、界面现象的研究，自动控制及计算机辅助过程应用于分离工程的研究，对于强化分离过程的分离效果也具有重要的意义。,生物能源的利用,目前使用的化石燃料实际上是亿万年前通过生物转化的太阳能，按目前的消耗量，其储藏终有枯竭之时。从可再生的生物资源中获得液体燃料将是今后能源结构中的重要组成部分。甘蔗等富含糖份和淀粉的植物是将太阳能转化为化学能的理想植物。实际上，通过甘蔗制糖、发酵生产的乙醇，在一些国家已作为汽油的代用品用于汽车燃料。然而要使这种燃料真正具有经济上的竞争力，必须要解决从发酵产生的乙醇稀溶液中经济而低能耗的提取乙醇的分离技术，以降低生产成本和提高净能量产出率。虽然对此的持续研究不断地取得进步，但仍有待于更大的突破。,可控核聚变能源的开发应用,核聚变有可能成为二十一世纪的主要能源之一。可控核聚变将使轻核元素聚变成较重元素过程中释放出的巨大能量可以利用。主要的核聚变燃料是氘和氚。氚由锂和中子反应产生；氘在自然界以重水形式存在，可以从海水中提取得到。据估计海水中共约有200万亿吨重水，由此推算每升海水中含有的核聚变能约相当于300升汽油的化学能。因此可控核聚变如能实现，将成为几乎用之不竭的能源。对此，分离工程面临的任务是：如何以巨大的处理量经济地从海水中提取浓度很低的重水，这需要对高效、高通量、低成本的同位素分离富集方法进行持续的开发研究。,环境保护对分离工程提出的挑战,环境保护是工业化社会中人们面临的严峻问题。过去一百年中，随着工业化进程的发展，人类活动对环境的破坏显著加剧，对人类生存环境的危害越来越大。对于工业生产中排出的废气、废液、废渣等污染物，常用的处理方法是生物降解、化学降解和污染物的分离脱除。分离工程在环境保护中起着重要的作用。由于污染物种类繁多、性质复杂，环保分离技术必须针对这些特点进行开发研究。许多分离单元操作已用于环境保护中，例如吸收用于从工业燃烧废气中脱除二氧化硫；萃取用于从工业废水中脱除酚和其它有害有机物以及重金属离子等；吸附和离子交换用于处理放射性废水；膜分离方法用于处理汽车电泳废水；液膜分离技术用于废水中重金属离子的富集；等等。,进一步的开发研究还集中在对排放废物的综合利用上。例如对燃烧化石燃料产生的大量二氧化硫、二氧化碳等废气的脱除、回收和综合利用；其中，自工业革命以来，大气中二氧化碳的含量增加了约30，对地球温室效应的加剧产生了重要影响，是主要的环境污染源之一。同时，二氧化碳也是十分有用的资源。开发其资源化技术，有效降低其排放，是分离工程面临的重大任务。目前已有多种二氧化碳的脱除方法，如吸收法、变压吸附法和膜分离法等，用于各种工业过程中。但这些方法如直接用于环境治理中大量二氧化碳的脱除，还存在处理量小、成本过高等问题。环境治理中脱碳、固碳的问题的解决还有待于更经济有效的分离过程的开发。根除污染物在生产过程中的产生是一种理想的环境保护方法，即所谓的“零排放”生产过程或绿色生产工艺。要做到这一点需要环保研究者、分离工程研究者和各领域的工艺开发研究者共同合作，进行大量的努力。,让我们为建设更美好的地球家园而共同努力,本章结束,