分离工程黄国文第一章 绪 论4.ppt

分 离 工 程Separation Engineering,教师：黄国文Tel：13647633015 Emil：,本课程的性质和内容,地位：专业基础课前期课程：物理化学、化工原理、化工热力学目的：1.基本概念的理解 2.熟悉各种分离方法的特征 3.对设计、分析能力的训练 4.提高解决实际问题能力,课程任务 利用相平衡、热力学、动力学的微观机理，传热、传质和动量传递理论来研究化工及其它相关过程中复杂物质的分离和纯化技术，分析和解决在化工生产、设计和科研中常用的分离过程的理论和实际问题。学习要求 1）正确理解化工分离工程的有关基本概念和理论；2）理解各概念之间的联系和应用；3）掌握化工分离工程的基本计算方法；4）对新型分离技术有一定了解；5）能够理论联系实际，灵活分析和解决实际化工生产和设计中的有关问题；,教材：叶庆国.分离工程.北京：化学工业出版社，2009.1主要参考书:刘家祺.传质分离过程.北京:高等教育出版社,2005.12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,总 课 时：40（理论40）考核方式：闭卷考试总评成绩：（1）平时作业20%考勤10%（2）闭卷考试（70%）,分 离 工 程,第1章 绪论(4学时)第2章 多组分分离基础(8学时)第3章 精馏(8学时)第4章 气体吸收与解吸(8学时)第5章 多组分多级分离的严格计算第6章 分离过程及设备的效率与节能(6学时)第7章 其他分离方法(6学时),讲授内容,第1章 绪论第2章 多组分分离基础 多组分平衡计算，已知一相中的浓度，求另一相的浓度。泡点温度、露点温度、闪蒸计算。第3章精馏 过程分析：精馏中温度分布、组成分布、流量分布。简捷计算（short-cut）：确定关键组分、最少理论板、最小回流比、实际板数、实际回流比。萃取精馏和共沸精馏特殊精馏。第4章 气体吸收与解吸 过程分析；吸收的简捷计算。,讲授内容,第6章 分离过程及设备的效率与节能 分离设备效率；分离过程最小功和热力学效率；精馏过程不可逆性分析，精馏的节能技术；分离流程优化和集成。第7章 其他分离方法 吸附；液液萃取；结晶；膜分离；反应精馏；离子交换。,第一章 绪 论,1.1 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 分离过程的研究与技术开发,1.1 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,化学工业的发展,高分子化工：合成材料,新兴化学工业,1.1.1分离过程在化工生产中的重要性,现代科学技术的发展，尤其是以新能源、新材料、电子和信息技术、现代生物技术、环境保护技术、可再生资源利用技术等为代表的高新科技的兴起和发展向分离技术提出了新的艰巨挑战。这使得分离工程成为近半世纪来发展最为迅速的化学工程技术领域之一。各种膜技术、超临界流体技术、现代吸附和工业色谱技术、反应分离耦合技术等应运而生并相继获得应用。分离工程已成为化学工程的前沿研究方向之一。,化工分离的发展,分离工程及技术伴随化学工业的发展而发展,1901年 英国 戴维斯 化学工程手册分离操作概念,1923年 美国 刘易斯、麦克亚当斯 化工原理分离工程理论,20世纪中期 分离工程理论 充实和完善,20世纪后期至今 分离技术不断的深化与拓宽，涌现新型、高效、环保绿色分离手段,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。借助一定的分离剂或物理、化学、电化学推动力，实现混合物中的组分分级(Fractionalization)、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。,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：,分离操作,分离操作,分离操作,分离操作,反应过程,杂质,废水,废气,产品,清洁空气,副产品(循环),原料,洁净水,污染物（循环）,循环（未反应原料）,污染物（循环）,原料预处理,产物提纯,清洁化,清洁化,一般化工生产过程中的分离操作,分离操作贯穿整个化工过程，占有十分重要的地位,原料预处理：有机反应（速率与浓度有关）催化反应（毒物）,石脑油裂解制乙烯,裂解产物是一个复杂的混合物（200多个）,产物提纯：,聚合级乙烯：99.96%,清洁化：环保、提高原料利用率,例1：炼油加工过程,原油,石油炼制,清洁燃料气体,液化石油气,硫磺,煤油,润滑油,蜡,渣油,焦油,沥青,柴油,汽油,例2：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,乙醛,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,水,循环乙烯,水,放空,放空,水,氢,水,废水,例3：二甲苯生产,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,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,生产过程中分离操作应用总结：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 三废处理,1.1.2 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，科学发展观的要求。,反应停,氯苯甲氨环己酮，氯胺酮，K粉,青霉胺,乙胺丁醇,手性化合物的获得途径,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物原料中的杂质工艺的物料省耗,废物最小化？资源利用最优化？,清洁工艺与化工分离过程密切相关：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,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1.2.3 分离因子,按有无传质过程发生分：,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，有质量传递发生,分析分离 规模小 定量分析,制备分离 规模小 研究用材料,工业分离 规模大 经济,例:色谱分离,例:离心分离,例:精馏分离,化工厂中分离设备投资约占总投资的5090！,按分离的规模分类,按物理化学原理的不同分为：,平衡分离过程：,速率分离过程：,如精馏、吸收、萃取、结晶、吸附等。,如微滤、超滤、反渗透、电渗析等。,1.2.1 平衡分离过程,分离设备,混合物,产品1产品2产品n,分离媒介,分离媒介：能量媒介 ESA、物质媒介 MSA、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。,（气、液、固）,极限程度 热力学,热力学第二定律：混合过程自发、混乱度或熵增 S0分离过程强制、混乱度或熵减 S0,分离媒介：能量媒介 ESA、物质媒介 MSA、压力,分离媒介可以单独使用，也可以同时使用，如萃取精馏、共沸精馏。,能量媒介 ESA：指传入或传出系统的热及输入或输出系统的功。闪蒸、冷凝、精馏等。物质媒介 MSA：指分离过程中所借助的物质，如吸收过程的吸收剂、萃取过程的萃取剂及吸附过程的吸附剂。,平衡分离过程的分离单元操作,平衡分离过程的分离单元操作,1.2.2 速率分离过程,膜分离热扩散,膜有固态膜和液态膜，处理的流体可以是液体或气体。膜材料：聚砜、聚酰胺、聚碳酸酯、醋酸纤维素等。特点：该分离过程不发生相变，能耗低，分离操作在常温下进行，适用于热敏性物质的分离。,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,超滤（UF）：,推动力：压力差（1001000kPa）传递机理：筛分膜类型：非对称性膜膜孔径：120nm,目的：溶液脱大分子，大分子溶液脱小分子，大分子分级。,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，含小分子溶质溶液浓缩。,应用：海水或苦咸水的淡化和生物制品的分离和浓缩。,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。,应用：人工肾、废酸回收、溶液脱酸和碱液精制等。,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。,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。,已在工业上应用的膜过程基本特性,几种主要的膜分离过程,速率分离过程特点：,节能 环保优势 新的方法,分离速率 动力学,1.2.3 分离因子,分离因子反映：相间传质过程的平衡组成的差别；分离所依据的基本物理现象所致的传质速率的不同；分离装置结构的流动型式以及分离流程的影响。,定义：,实际分离因子,固有分离因子（理想分离因子）,汽液相平衡-相对挥发度,级效率：,实际分离设备所能达到的分离因子与理想分离因子之间的差别。,例如：精馏过程中理想分离因子就是相平衡常数之比，或相对挥发度，而板效率则表达了实际情况与平衡时的差异程度。,液液相平衡-选择性系数（分配系数）,1.2.4 分离方法的选择,分离的可行性 是否能分离 物料的物理化学性质 是否好分离 生产的处理规模 是否分离快 投资及运行的经济性 是否成本低 安全与环保 是否环保 经验借鉴 是否有成熟技术或经验参考,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 分离过程的研究与技术开发,开发方法（Research Methods）传质分离操作的开发是研究适宜分离方法的工业化途径，以期经济合理地实现规定的分离任务。分离过程开发应达到下列目的：,适宜分离方法，流程和操作条件的选择；分离设备的合理选型；分离设备几何尺寸的确定。,化工新技术开发有三个关键环节：1、概念形成到课题的选定；2、技术与经济论证(可行性)；3、放大技术。其中，放大技术是研究开发的核心。,逐级经验放大法数学模型法,开发低成本氧、氮和稀有气体的分离方法 工业气体的生产、高纯度气体的生产开发酸性气体的脱除方法 CO2、H2S、COS、SO2有机物/有机物分离的膜过程精馏技术的改进 热串级、蒸气压缩、化学合成与精馏的合成、膜分离和精馏的合成稀溶液的分离手性化合物的分离废高聚物的分离回收,目前分离工艺的热点研究课题,发展趋势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、超临界萃取等。3）分离与反应耦合以及分离过程之间的耦合：如反应精馏、吸附精馏、膜精馏等。,总趋势：多样化、精细化、经济性、高效性、环境友好,课后习题1）列出5种使用ESA和5种使用MSA的分离操作。2）比较使用ESA与MSA分离方法的优缺点。3）习题8,