化工分离过程1绪论第1讲.ppt

化工分离过程 Chemical Separation Processes,第一章 绪论,2,3,教材与参考书,教材：化工分离过程，陈洪钫 刘家祺编，化学工业出版社,4,化工分离过程,第1章 绪论第2章 单级平衡过程 第3章 多组分多级分离过程分析与简捷计算 第4章 多组分多级分离的严格计算 第5章 分离设备的处理能力和效率 第6章 分离过程的节能 第7章 其它分离技术和分离工程的选择,5,第一章 绪论,化学工业与化工过程分离操作在化工生产中的重要性传质分离过程的分类和特征本课程的教学任务和内容,6,化工分离技术发展简述,化工分离技术是随着化学工业的发展而逐渐形成和发展的。18世纪，纯碱、硫酸等无机化学工业成为现代化学工业的开端。19世纪以煤为基础原料的有机化工发展起来。开始涉及分离问题，如苯、甲苯、酚等化学品提纯应用了吸收、蒸馏、过滤、干燥等分离操作。19世纪末，20世纪初石油炼制的发展促进了化工分离技术的成熟与完善。进入20世纪70年代以后，化工分离技术更加高级化，应用也更加广泛。同时，化工分离技术与其它科学技术相互交叉渗透产生一些更新的边缘分离技术，如生物分离技术、膜分离技术、环境化学分离技术、纳米分离技术、超临界流体萃取技术等。,7,化学工业与化工过程,化学工业：对原料如石油，煤等进行化学或物理加工，改变物质的结构或组成，或合成新物质,获得各种有用产品的制造工业。化工过程(Industry Chemical Processes)：Chemical process is a chemical engineering unit in which raw materials are changed or separated into useful products.,8,化工过程,9,什么是分离过程？,The separation process is a chemical engineering unit to separate chemical mixtures into their constituents.,10,什么是分离过程？,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。,11,Why Separate?,WHY,WHY,12,化工生产过程,反应（Reactive）,萃取物（Extractive Natural raw material）,配制（Formulation）,分离,分离,分离,13,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）,14,按分离规模分类,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！,15,分离操作在化工生产中的重要性,典型的化工生产装置包括：反应器；原料、中间产物和产品分离设备；泵、换热器等。分离贯穿化工过程，占有十分重要的地位。分离装置的费用占总投资的5090。,16,分离操作在化工生产中的重要性,17,分离操作在化工生产中的重要性,化学工程学科,基础理论体系,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,化工系统工程,18,分离操作在化工生产中的重要性,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,19,分离操作在化工生产中的重要性,为化学反应过程提供符合要求的原料，清除对反应和催化剂有害的杂质，减少副反应的发生，提高产品的收率。对化学反应中的反应产物进行分离提纯，得到合格的各种化工产品，同时使未反应的反应物循环利用分离过程在环境保护和充分利用资源、实现可持续发展方面也具有重要的作用。,20,石油炼制过程基本流程,21,分离操作在化工生产中的重要性,未回收的原料；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。,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：,22,分离操作在化工生产中的重要性,与化工分离过程密切相关的化工清洁工艺包括有：降低原材料和能源的消耗，提高有效利用率、回收利用率和循环利用率；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；采用生产工艺装置的闭路循环技术；处理生产中的副产物和废物，使之减少或消除对环境的危害；研究、开发和采用低物耗、低能耗、高效率的“三废”治理技术。,因此，清洁工艺的开发和应用离不开传统分离技术的改进，新分离技术的研究、开发和工业应用，以及分离过程之间、反应和分离过程之间的集成化。,23,分离操作在化工生产中的重要性,闭路循环系统是清洁工艺的重要方面，其核心是将过程所产生的废物最大限度地回收和循环使用，减少生产过程中排出废物的数量。,生成工艺过程的闭路循环示意图 1单元过程；2处理,24,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,25,化工分离技术的多样性,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：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、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)。,26,化工分离技术的复杂性,化工分离技术的重要性和多样性决定了它的复杂性。即使对于精馏、萃取这些较为成熟的技术，多组分体系大型设备的设计仍是一项困难的工作，问题是缺乏基础特性数据和大型塔器的可靠设计方法。对于高温、高压、多组分和强非理想体系，不仅平衡数据和分子扩散系数难以准确计算，就连界面张力、粘度等物性数据也难以求得。催化剂和反应萃取之类的耦合分离技术的基础特性数据更为缺乏。大型塔器设计的放大的主要难度在于塔内两相流和传质特性十分复杂，数学模型尚不完善。沿用了百余年的平衡级模型虽然简单直观，但用于多组分分离过程的缺点已显而易见。非平衡模型被称为“可能开创板式分离设备设计和模拟新纪元”优点显著，但缺乏传质系数实验数据和模型参数过多，使其工程应用存在困难。已开发出的软件功能强大，已在工程设计中得到应用，但工程经验和中试实验仍是不可缺少的。,27,化工分离技术的前瞻性,随着能源、资源、环境、新材料等基础工业和高新技术的发展，分离技术面临着新的机遇和挑战。石化领域的分离过程必需进一步节能和降耗，充分利用能源和资源。生产装置大型化步伐正在加快，能耗和成本不断降低。在生物制药工程方面，随着基因工程和细胞工程的发展，生物药品得到迅速发展。利用CO2作为溶剂的超临界萃取具有不污染产品和选择性高等优点。色谱、电泳分离等方法由于其高效、常温常压特点而成功地应用于生产及实验室研究。随着环境意识随着环境意识的加强，“三废”处理引起了重视。从工业生态学的角度分析，许多工艺过程排出的“废物”，不再是“无用”的，而是没有完全利用的物质，“三废处理”对分离技术是一种新的挑战。,28,化工分离技术的特殊性,竞争促进了分离过程的强化，分离过程的强化包括新装置新工艺方法两个方面。任何能使设备小型化、能量高效化和有利于可持续性发展的化工分离新技术均属于分离过程的强化之列。这是化工分离技术发展的重要趋势之一。耦合分离技术受到关注。催化剂精馏、膜精馏、吸附精馏、反应萃取、络合吸附、反胶团、膜萃取、发酵萃取、化学吸附和电泳萃取等新型耦合分离技术得到了长足的发展，并实现了工业化。耦合分离技术可能解决许多传统分离难以完成的任务。电泳耦合色谱可以高效地分离维生素。信息技术推动力分离技术的发展。分离科学和技术具有多学科交叉的特点，信息技术和传统化工方法结合加速了分离技术的进步。,29,机械分离过程,分离过程的分类,分离过程,传质分离过程,平衡分离过程,速率分离过程,借助分离媒介使均相混合物形成两相,以混合物中不同组在处于平衡的两相中不同分布为依据实现混合物分离的过程,在某种推动力作用下(或在选择性膜的配合下),利用各组分扩散速度的不同实现组分分离的过程,30,机械分离过程,利用机械力简单的将两相混合物相互分离的过程称为机械分离过程。它们的分离对象多为两相混合物，分离时相间没有物质传递发生，它们在化学工程中也有很重要的作用，如过滤、沉降、离心分离、气固催化反应中固体催化剂的分离等。但本课程不讨论这方面的内容。,31,平衡分离过程,平衡分离过程系借助分离媒介（如热能、溶剂、吸附剂等）使均相混合物系统变为两相系统，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离。分离媒介可以是能量媒介（ESA）或物质媒介（MSA），有时也可以两种同时应用。根据两相状态不同,平衡分离过程可分为如下几类。气液传质过程:如吸收、气体的增湿和减湿。汽液传质过程:如液体的蒸馏和精馏。液液传质过程:如萃取。液固传质过程:如结晶、浸取、吸附、离子交换、色层分 离、参数泵分离等。气固传质过程:如固体干燥、吸附等。,32,平衡分离过程,33,速率分离过程,速率分离过程是指在某种推动力（浓度差、温度差、压力差、电位差等）的作用下（有时在选择性透过膜的配合下），利用组分扩散速率的差别实现组分分离的过程。这类过程所处理的原料和产品通常属于同一相，仅在组成上有差别。膜分离过程是工业应用最多的速率分离过程。热扩散分离也属于速率分离过程，它以温度梯度为动力，利用均匀的气体或液体混合物中分子量下的分子（或离子）向热端漂移的现象所建立起来的浓度梯度，达到组分分离的目的。,34,速率分离过程,35,速率分离过程,36,分离过程的发展趋势,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。新型分离过程开发：如膜分离、反胶团萃取、超临界萃取等。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、洁净化（环境友好）,37,化工分离过程课程的特点,化工分离过程课程的特点,研究体系的非理想性,研究体系的复杂性（多元）,过程的特殊性（特殊分离方法）,更加注重工程意识的培养,38,本课程的教学任务和内容,本课程是化学工程专业的专业基础课，在本课程的学习中要学会利用已有的专业理论知识（平衡热力学，动力学，传热，传质和动量传递理论等）研究化工生产实际中遇到的复杂体系的分离提纯技术。在本课程的学习中要加强对基本概念的理解，它们是本课程学习过程中分离过程的选择，特性分析与计算的基础。在本课程的学习中，强调将工程与工艺结合的分析问题的观点，强化设计与分析问题能力的培养，提高解决实际分离技术问题的能力。通过本课程的学习，学生应该掌握化工过程中各种常用分离过程的基本理论，操作特点，简捷和严格的设计计算方法，强化和改进操作的原则途径。同时对一些新型的分离技术的基本原理，应用及发展有一定了解。,39,阅读课本 巩固知识,