化工分離新技術(shù)

1、新技術(shù)本課程的主要目的獲得傳質(zhì)與分離操作過程及設(shè)備的基礎(chǔ)知識、 基本理論和基本應(yīng)用能力，掌握傳質(zhì)與分離過 程的本質(zhì)及其變化規(guī)律介紹新型分離方法，如膜分離、超臨界萃取、 吸附、特殊精憾等，使學(xué)生了解分離技術(shù)的發(fā) 展及新知識、新工藝、新技術(shù)。突岀工程實(shí)例介紹，簡化數(shù)學(xué)模型推理和設(shè)計(jì) 計(jì)算第匕章緒論1.1化工分離技術(shù)發(fā)展簡述化學(xué)工業(yè)是國民經(jīng)濟(jì)的重要基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)，化工產(chǎn)品遴透到人們的衣、食、住、行 等各個(gè)領(lǐng)域?；ぎa(chǎn)值是衡量一個(gè)國家國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展永平的重要標(biāo)志之一?；し蛛x技術(shù)是隨著化學(xué)工業(yè)的發(fā)展而逐漸形成和發(fā)展的?；瘜W(xué)工業(yè)具有悠久 的歷史，而現(xiàn)代化學(xué)工業(yè)是開始于18世紀(jì)產(chǎn)業(yè)革命以后的歐舖當(dāng)時(shí)，純堿、硫酸

2、等無機(jī)化學(xué)工業(yè)成為現(xiàn)代化學(xué)工業(yè)的開端。19世紀(jì)以煤為基礎(chǔ)診料的有機(jī)化工在歐 洲也發(fā)展起來。當(dāng)時(shí)的煤化學(xué)工業(yè)規(guī)模不是很大，主要著眼于苯、甲苯、酚等各種 化學(xué)品的開發(fā)。在這些化工生產(chǎn)中應(yīng)用了吸收、蒸館、過濾、干燥等分離操作。19 世紀(jì)末，20世紀(jì)初大規(guī)模的石油煉制業(yè)促進(jìn)了化工分離技術(shù)的成熟與覚善。進(jìn)入20 世紀(jì)70年代以后，化工分離技術(shù)更加高級化，應(yīng)用也更加廣泛。與時(shí)同戀，化工分 離技術(shù)與其它科學(xué)技術(shù)相互交叉滲透產(chǎn)生一些更新的邊緣分離技術(shù)，如生物分離技 術(shù)、膜分離技術(shù)、環(huán)境化學(xué)分離技術(shù)、納米分離技術(shù)、超臨界流體萃取技術(shù)等等。展望21世紀(jì)，化工分離技術(shù)將面臨著一系列新的挑戰(zhàn)，其中最主要的是來自能 源

3、、原料和環(huán)境保護(hù)三大方面。此外，化工分離技術(shù)還將對農(nóng)業(yè)、食品和食品加工、 城市交通和建設(shè)以及保健、提高和改善人們的生活水平方面做出貢獻(xiàn)。 1.2分離過程在工業(yè)生走中的地位和作用分離過程是將混合物分成組成相互不相迥的兩種或幾種產(chǎn)品的操 作。一個(gè)典型的化工生產(chǎn)裝置通常是由一個(gè)反血賢（有時(shí)多于一個(gè)） 和具有提純原料、中間產(chǎn)物和產(chǎn)品的多個(gè)分離設(shè)備以及機(jī)、泵、換熱 器等構(gòu)成。分離操作一方面為化學(xué)反應(yīng)提供符合質(zhì)量要求的原盤，清 除對反應(yīng)或催化劑有害的雜質(zhì)，減少副反應(yīng)和提高收率;另一方面 反應(yīng)產(chǎn)物進(jìn)行分離提純以得到合格的產(chǎn)品，并使未反應(yīng)的反應(yīng)物得以 循環(huán)利用。此外，分離操作在環(huán)境保護(hù)和充分利用資源方面起著特

4、別 重要的作用。因此，分離操作在化工生產(chǎn)中占有十分重要的地位，在 提高生產(chǎn)過程的經(jīng)濟(jì)效益和產(chǎn)品質(zhì)量中起舉足輕重的作用。對壓的 石油工業(yè)和以化學(xué)反應(yīng)為中心的石油化工產(chǎn)生過程，分離裝置的費(fèi)用 占總投資的5090%。無論化學(xué)、石油、冶金、食品、輕工、醫(yī)藥、生化和原子能等工業(yè)都 廣泛應(yīng)用分離過程。古代煤用于直接燃燒，、為飲食和取暖。煉焦工業(yè)的興起, 使得煤經(jīng)干餡獲得焦炭和煤氣，煤得到了初昜的合理使用。但其副產(chǎn)煤焦油 卻長期被看作無用而有毒的廢物。直到近代，發(fā)現(xiàn)煤焦油是含有多種芳香族 化合物的復(fù)雜混合物（達(dá)幾百種物質(zhì)），用分憾的方法可以使苯、酚、蔡和更 復(fù)雜的芳香族化合物分開，才使煤的綜合利用臻于完善。

5、同樣，從原油的直 接燃燒到把它分餡為溶劑油、汽油、煤油、柴油和重油（瀝青）等各種組；分并 加以利用和再加工，直到形成現(xiàn)代龐大的石油煉制和石油化工棟系。都是分 離過程成功應(yīng)用于化工生產(chǎn)的典型例子。干燥過程的應(yīng)用遍及各行各業(yè)。 谷物的含水量從收獲時(shí)約30%35%干燥到13%就可延長儲存期一*。食品 含水量低于5%,微生物難以生存，酶難以作用，可長期保持香昧和營養(yǎng)。聚氯 乙烯顆粒含水量小于千分之二，可保證聚合加工成型時(shí)不岀現(xiàn)氣泡和增加 塑料制品的強(qiáng)度。此外，建材、木材、布匹、紙張、皮革、藥物、油漆等等 無不涉及干燥。據(jù)統(tǒng)計(jì)，僅化工產(chǎn)品就有20萬種以上需要干燥作業(yè)。隨著工業(yè)的現(xiàn)代化，科學(xué)研究和生產(chǎn)技術(shù)

6、向著高質(zhì)量、高 純度、精密加工、微型化和高技來拳集嬰發(fā)展，而這些都必須 有分離過程的密切配合。就以半導(dǎo)體與電子技術(shù)為例，高質(zhì)量、 高純度的材料超純水、半導(dǎo)體錯(cuò)和硅，以及甥氣爲(wèi)、氨等，其純 度都要在99.99%以上，有的甚至達(dá)到99.9999%o這類產(chǎn)品的微 型化，使集成電路的線距僅lyni。彩色顯像管裝配希后，管內(nèi) 不得含有微粒，否則在屏幕上會因折射而出現(xiàn)閃爍亮點(diǎn)而導(dǎo)致 報(bào)廢，于是，無論載氣和裝配車間的空氣都必須經(jīng)潔凈處理到每 升氣體中所含大于0.5m的塵粒少于3.5個(gè)。僅潔凈空氣和純水 為例，就已包括了沉降、濕法洗凈、過濾、電除塵、絮凝、泡 沫分離、電滲析、超濾、反滲透以及離子交換等如此多的

7、分離 單元操作。循環(huán)水圖1-1乙烯水合生產(chǎn)乙醇的工業(yè)過程1一固企床催化反應(yīng)器；2分凝器；3、5、9吸收塔；4一閃蒸塔;6粗憎塔；7催化加反應(yīng)器；8脫輕組分塔；10產(chǎn)品塔進(jìn)料苯和混合.放空 輕怪類非芳儺芳姪 甲琴二甲苯r層町廠廠循環(huán)混合二甲苯69H211108L和鄰二甲苯重芳繪12對二甲苯圖12二甲苯生產(chǎn)流程1 一重整反應(yīng)器；2、13汽液分離器；3-壓縮機(jī)；4-脫丁烷塔；5萃取塔；6再生塔;7甲苯塔；8二甲苯回收塔；9一冷卻器；10結(jié)晶器；11 一異構(gòu)化反應(yīng)器；12熔融器事實(shí)上，在醫(yī)藥、材料、.冶金、食品、生化、原子能和環(huán) 保等領(lǐng)域也都廣泛地應(yīng)用到分離過程。例如，藥物的精制和提 純；從礦產(chǎn)中提取

8、和精選金屬；食點(diǎn)的l臭杏、除去有毒或有害 成分；抗菌素的凈制和病毒的分離；同位素的分離和重水的制 備等都離不開分離過程。隨著現(xiàn)代工業(yè)趨向大型化生產(chǎn)，所產(chǎn)生的大k慶氣、廢水、 廢渣更需集中排放。對各種形式的流出廢物進(jìn)行末端治理，使 其達(dá)到有關(guān)的排放標(biāo)準(zhǔn)，不但涉及物料的綜合利用，而且還關(guān) 系到環(huán)境污染和生態(tài)平衡。如原子能廢水中微量同位素物質(zhì)， 很多工業(yè)廢氣中的硫化氫、二氧化硫、氧化氮等都需妥善處理。 近年來，由于能源緊張，石油提價(jià)，對分離過程的能耗要求越 來越苛刻，隨之對設(shè)備性能要求也越來越高。分離技術(shù)的廚 越來越得到人們的高度重視。I需要說明的是，分離技術(shù)不僅僅應(yīng)用于化學(xué)工業(yè)。生產(chǎn)實(shí)踐證明，將

9、地球上各種各樣的混合物進(jìn)行分離和提紗是促進(jìn)科技發(fā)展、提高和改善生 活水平的一種重要途徑。由于發(fā)明了冶煉術(shù)，把金屬從礦石中分離出來， 使人類從石器時(shí)代進(jìn)入了銅器時(shí)代，開始向文明社會進(jìn)步；放射性鈾的同 位素分離成功，迎來了原子能時(shí)代；將水和空氣中微量雜質(zhì)除去的分離技 術(shù)，大幅提高了超大規(guī)模集成電器元件的成品合格率，使它得以商品化生 產(chǎn)，同時(shí)集成度也大幅提高；深冷分離技術(shù)可從混合氣體中分離出純氧、 純氮和純氫，獲得了接近絕對零度的低溫，為科學(xué)研究和生產(chǎn)技術(shù)提供了 極為廣闊的發(fā)展基礎(chǔ)，為火箭提供了具有極大推動(dòng)力的高能燃來h從水中 去除鹽和有素物質(zhì)的蒸館、吸附、萃取、膜分離等分離技術(shù)，使人們能從 取之不

10、盡的大海中提取淡水，從工、農(nóng)業(yè)污水中回收干凈水和其它有用的 東西。當(dāng)代工業(yè)的三大支柱是材料、能源和信息，這三大產(chǎn)業(yè)的發(fā)展都離 不開新的分離技術(shù)。人類生活水平的進(jìn)一步提高也有賴于新的分離技術(shù)。 在21世紀(jì)，分離技術(shù)必將日新月異，再創(chuàng)輝煌。:.1.3分離過程在清潔王今的地位和作用清潔工藝也稱少廢無廢技術(shù)，占是面向21世紀(jì)社會和經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的 重大課題，也是當(dāng)今世界科學(xué)進(jìn)步的主要內(nèi)容三一。清潔工藝就是將生產(chǎn)工 藝和防治污染有機(jī)地結(jié)合起來，將污染物減少或消滅在工藝過程中，從根本 上解決工業(yè)污染問題。開發(fā)和采用清潔工藝，既符合“預(yù)防優(yōu)于治理”的方 針，同時(shí)又降低了原材料和能源的消耗，提高企業(yè)的經(jīng)效益1

11、是保護(hù)生態(tài) 環(huán)境和經(jīng)濟(jì)建設(shè)協(xié)調(diào)發(fā)展的最佳途徑。因此清潔工藝是一和節(jié)能、低耗、高 效、安全、無污染的工藝技術(shù)。就化學(xué)工業(yè)而言，清潔工藝的質(zhì)是合理利 用資源，減少甚至消除廢料的產(chǎn)生?；瘜W(xué)工業(yè)是工業(yè)污染的大戶，化工生產(chǎn) 所造成的污染來源于：1、未回收的原料； 2、未回收的產(chǎn)品；3、有用和無用的副產(chǎn)品；4、原料中的雜質(zhì)；5、工藝的物料損耗。與化工分離過程密切相關(guān)的化工清潔工藝包括有：1、降低原材料和能源的消耗，提扁效棗1用率、回收利用率和循環(huán)利用率；.2、開發(fā)和采用新技術(shù)、新工藝，改善生產(chǎn)融條件,以控制和 消除污染；3、采用生產(chǎn)工藝裝置的閉路循環(huán)技術(shù)；4、處理生產(chǎn)中的副產(chǎn)物和廢物，使之減少或消除對環(huán)境

12、的危害；5、研究、開發(fā)和采用低物耗、低能耗、高效率的“三廢”治理 技術(shù)。因此，清潔工藝的開發(fā)和應(yīng)用離不開傳統(tǒng)分離技術(shù)的改也，新 分離技術(shù)的研究、開發(fā)和工業(yè)應(yīng)用，以及分離過程之間、反應(yīng)和分 離過程之間的集成化。1閉路循環(huán)系統(tǒng)是清潔工藝的重要方面，其核心是將過程所產(chǎn)生的廢物最大限度地回收和循環(huán)使用，減少生產(chǎn)過程中 排岀廢物的數(shù)量。圖1-3生產(chǎn)工藝過程的閉路循環(huán)示意圖1元過程；2處理如果工藝中的分離系統(tǒng)能醪有效地進(jìn)行分離和再循環(huán)，那 么該工藝產(chǎn)生的廢物就最少。實(shí)五徐專與再循環(huán)系統(tǒng)使廢物最 小化的方法有以下幾種：1、廢物直接再循環(huán)；2、進(jìn)料提純；3、除去分離過程中加入的附加物質(zhì)；14、附加分離與再循環(huán)

13、系統(tǒng)；清潔工藝除應(yīng)避免在工藝過程中生成污染物，即從源頭減 少三廢之外，生成廢物的分離、再循環(huán)利用和廢物的后處理也 是極其重要的，而這后一部分任務(wù)在多是由化工分離操作承擔(dān) 和完成的。1.4傳質(zhì)分離過程的分類和特征分離過程分為機(jī)械分扁傳更分離兩大類。過程的分離對象是由兩相以上所組 成的混合物，其目的只是簡單地將各相加以分離。 例如：過濾、沉降、離心分離、旋風(fēng)分離和靜電 除塵等。過程用于各種均相混合物的分離， 基特點(diǎn)是有質(zhì)量傳遞現(xiàn)象發(fā)生，按所依據(jù)的物理 化學(xué)原理不同，可分為兩大類：平衡分離和速萍 分離。（一）平衡分離過程平衡分離過程系借助分離媒介（如熱能、溶劑、吸附劑等）使 均相混合物系統(tǒng)變?yōu)閮上嘞?/p>

14、統(tǒng)，再以混苔物中各組分在處于相平衡 的兩相中不等同的分配為依據(jù)而實(shí)現(xiàn)分離。分離媒介可以是能量媒介（ESA）或物質(zhì)媒介（MSA）,有時(shí) 也可以兩種同時(shí)應(yīng)用。根據(jù)兩相狀態(tài)不同，平衡分離過程可分為如 下幾類。氣液傳質(zhì)過程：如吸收、氣體的增濕和減濕。汽液傳質(zhì)過程：如液體的蒸憾和精憾。H液液傳質(zhì)過程：如萃取。I液固傳質(zhì)過程：如結(jié)晶、浸取、吸附、離子交換、色層分 離、參數(shù)泵分離等。v氣固傳質(zhì)過程：如固體干燥、吸附等。I序號名稱原料相態(tài)分離媒介產(chǎn)生相態(tài)或MSA的相態(tài)分離原理工業(yè)應(yīng)用實(shí)例1閃蒸液體減壓氣體揮發(fā)度(蒸氣壓)有校大 差別由海水淡化生產(chǎn)純水2部分冷凝氣體熱 M(ESA)液體揮發(fā)度(蒸氣壓)有較大 差

15、別曲氨申回收氫氣和氮?dú)?氣、滋或氣液泯 合物熱城(ESA) W時(shí)用機(jī)械功氣體或液休揮發(fā)度(蒸氣壓)有差別石油裂無氣的深冷分離4萃取精謫氣、液或氣液混 合物液體溶劑 (MSA)和塔釜加 熱氣體或液體溶劑改變原溶液組分的 相對揮發(fā)度以苯酬作溶劑由沸點(diǎn)相 近的非芳矩中分離甲苯5共沸精堀氣、液或氣液混 合物液體共沸劑(MSA )和熱雖(ESA)汽體和液體共沸劑改變原溶液組分 的相對揮發(fā)度以醋酸丁酯作共沸劑從稀溶液中分離酯酸6吸收氣體液體吸收劑(MSA)液體，溶解度不同用乙醇胺類吸收以除去 天然氣中的C6和HS7液-液萃取液體液體萃取劑(MSA)液體不同組分在兩液相中的 溶僻度不同以丙烷作萃取劑從乘渣

16、油中脫出瀝靑8尸燥液體，更常見是固體氣體(MSA)；熱 域(ESA氣體水分熬發(fā)用熱空氣脫除聚氯乙烯 中的水分9蒸發(fā)液體熱歆氣體蒸氣壓不同由氫翹化鈉的水溶液中 蒸出水分10結(jié)晶液體冷粧或熱吐固體利用過飽和度用二甲苯混合物中結(jié)晶 分離對二甲苯11吸附氣體或液體固體吸附劑固體吸附作用的差別通過分子篩吸附空氣中 的水分12離子交換液體固休樹脂固體質(zhì)坦作用定義水的軟化13泡沫分離液體表面活性劑與 鼓泡液體(兩種)氣泡的氣液界面吸附淸除廢水中的洗滌劑； 礦行浮選14區(qū)域冶煉固休熱晁液體凝固掃勢的差別金屆的超捉純（二）速率分離些程速率分離過程是指借aS某裁推動(dòng)力，如濃度差、壓 力差、溫度差、電位差等的作用，

17、某些情況下在選擇性 透過膜的配合下，利用各組分?jǐn)U散速施的差異而實(shí)現(xiàn)混 合物的分離操作。這類過程的特點(diǎn)是所處理的物料和產(chǎn) 品通常屬于同-相態(tài)，僅有組成的差別。速率分離可分為膜分離和場分離兩大類。1、膜分離膜分離是利用液體中各組分對膜的滲透速率的來別 而實(shí)現(xiàn)組分分離的單元操作。膜可以是固態(tài)或液態(tài)，所 處理的流體可以是氣體或液體，過程的推動(dòng)力可以是莊 力差、濃度差或電位差。過輕分離目的透過組分截留組分透過組分在 料液中含呈推動(dòng)力傳遞機(jī)理膜類型進(jìn)料和透過 物的物態(tài)簡圖微濾MF涪液脫粒 子氣體脫粒 子溶液、氣 體0.02 一 10 卩m粒子大雖溶劑及 少量小分子溶 質(zhì)和大分子擁壓力差約100 kPa篩分多孔膜液體或氣體 - 濾液（水）超濾UF囲常液脫大 分子、大分子 溶液脫小分 子、大分子分 級小分子 溶液1 20 nni 大分