化工分離工程_分離過程的分類和特征

1、本課程的任務(wù)和內(nèi)容本課程的任務(wù)和內(nèi)容地位：專業(yè)基礎(chǔ)課地位：專業(yè)基礎(chǔ)課前期課程：前期課程： 物理化學、化工原理、化工熱力學物理化學、化工原理、化工熱力學重點：重點： 1.基本概念的理解基本概念的理解 2.討論各種分離方法的特征討論各種分離方法的特征 3.對設(shè)計、分析能力的訓練對設(shè)計、分析能力的訓練 4.提高解決問題能力提高解決問題能力學生應(yīng)掌握：學生應(yīng)掌握： 分離過程的基本理論分離過程的基本理論 簡捷和嚴格計算方法簡捷和嚴格計算方法 強化、改進操作途徑強化、改進操作途徑 對新分離技術(shù)有一定了解對新分離技術(shù)有一定了解教材：面向21世紀課程教材： 劉家祺.分離過程.北京:化學工業(yè)出版社, 2002主

2、要參考書: 陳洪鈁,劉家祺.化工分離過程.北京:化學工業(yè)出版社, 1995第一章第一章 緒緒 論論u1.1分離過程在工業(yè)生產(chǎn)中的地位和分離過程在工業(yè)生產(chǎn)中的地位和作用作用u1.2 分離過程的分類和特征u1.3.分離過程的集成化分離過程的集成化 學習方法與要求學習方法與要求1.1 分離過程在工業(yè)生產(chǎn)中的地位分離過程在工業(yè)生產(chǎn)中的地位和作用和作用 1.1.1分離過程在化工生產(chǎn)中的重要分離過程在化工生產(chǎn)中的重要性性 1.1.2 分離過程在清潔工藝中的地分離過程在清潔工藝中的地位與作用位與作用返回煤石油天然氣生物質(zhì)反應(yīng)化工原料分離產(chǎn)品一般化工生產(chǎn)過程：一般化工生產(chǎn)過程：u例例1：乙烯水合生產(chǎn)乙醇乙烯水

3、合生產(chǎn)乙醇1-固定床催化反應(yīng)器；固定床催化反應(yīng)器；2-分凝器；分凝器；3、5、9-吸收塔；吸收塔；4-閃蒸塔；閃蒸塔；6-粗餾塔；粗餾塔； 7-催化加氫反應(yīng)器；催化加氫反應(yīng)器；8-脫輕組分塔；脫輕組分塔；10-產(chǎn)品塔產(chǎn)品塔涉及分離過程：涉及分離過程：吸收：吸收：3、5、9； 精餾：精餾：6、8、10；閃蒸：閃蒸：4乙乙烯烯93% 產(chǎn)品產(chǎn)品廢水廢水乙乙醛醛OHHCHHC522420 12345678910水循環(huán)乙烯循環(huán)乙烯水水放放空空放放空空水水氫氫水水廢水廢水u例例2：二甲苯生產(chǎn)二甲苯生產(chǎn)1-重整反應(yīng)器；重整反應(yīng)器；2、13-汽液分離器；汽液分離器；3-壓縮機；壓縮機；4-脫丁烷塔；脫丁烷塔；

4、5-萃取塔萃取塔6-再生塔；再生塔；7-甲苯塔；甲苯塔；8-二甲苯回收塔；二甲苯回收塔；9-冷卻器；冷卻器；10-結(jié)晶器；結(jié)晶器；11-異構(gòu)化反應(yīng)器；異構(gòu)化反應(yīng)器；12-熔融塔熔融塔放放空空間二甲苯間二甲苯和鄰二甲和鄰二甲苯苯石腦油石腦油進料進料混合二甲苯混合二甲苯循環(huán)混合二甲苯循環(huán)混合二甲苯125678104111391233輕烴類輕烴類非芳烴非芳烴乙二醇乙二醇芳烴芳烴苯和甲苯苯和甲苯對二甲苯對二甲苯重芳烴重芳烴H2H2H2加氫重整后得到：輕油 非芳烴 苯 甲苯 二甲苯 高級芳烴目的產(chǎn)物 目的產(chǎn)物為對二甲苯鄰二甲苯鄰二甲苯間二甲苯間二甲苯對二甲苯對二甲苯沸點沸點144.411139.1041

5、38.351熔點熔點25.17347.87213.263 原料：石腦油 沸程120230K 特點： 涉及到分離過程：精餾：4、7、8 萃?。?、6 結(jié)晶：10總總 結(jié)：結(jié)： 原料的凈化與粗分 反應(yīng)產(chǎn)物的提純 藥物的精制和提純 精選金屬的提取 食品除水、除毒、病毒分離、同位數(shù)分離 三廢處理返回1.1.2 分離過程在清潔工藝中的分離過程在清潔工藝中的地位與作用地位與作用 清潔工藝：清潔工藝：生產(chǎn)工藝和防治污染有機的結(jié)生產(chǎn)工藝和防治污染有機的結(jié)合，將污染物減少或消滅在工藝過程中。合，將污染物減少或消滅在工藝過程中。 面向面向21世紀社會和經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展的世紀社會和經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展的重大課題。重大課題。

6、化學工業(yè)污染來源：化學工業(yè)污染來源：u未回收的原料未回收的原料u未回收的產(chǎn)品未回收的產(chǎn)品u有用和無用的副產(chǎn)有用和無用的副產(chǎn)u原料中的雜質(zhì)原料中的雜質(zhì)u工藝的物料省耗工藝的物料省耗 廢物最小化？廢物最小化？清潔工藝終合考慮： 合理的原料選擇； 反應(yīng)路徑的清潔化； 物料分離技術(shù)的選擇； 確定合理的流程和工藝參數(shù)。 核心： 化學反應(yīng) 廢物最小化首先考慮催化劑、反應(yīng)工藝和設(shè)備。與化工分離過程密切相關(guān)的有：與化工分離過程密切相關(guān)的有： 降低原材料和能源的消耗，提高有效利用率、降低原材料和能源的消耗，提高有效利用率、回收利用率、循環(huán)利用率；回收利用率、循環(huán)利用率； 開發(fā)和采用新技術(shù)、新工藝、改善生產(chǎn)操作條

7、開發(fā)和采用新技術(shù)、新工藝、改善生產(chǎn)操作條件，以控制和消除污染；件，以控制和消除污染； 采用生產(chǎn)裝置的閉路循環(huán)技術(shù)；采用生產(chǎn)裝置的閉路循環(huán)技術(shù)； 處理生產(chǎn)中的副產(chǎn)物和廢物，使之減少和消除處理生產(chǎn)中的副產(chǎn)物和廢物，使之減少和消除對環(huán)境的危害；對環(huán)境的危害； 研究、開發(fā)和采用低物耗、低能耗、高效率的研究、開發(fā)和采用低物耗、低能耗、高效率的“三廢三廢”治理技術(shù)。治理技術(shù)。閉路循環(huán)系統(tǒng)：閉路循環(huán)系統(tǒng)： 將過程所產(chǎn)生的廢物最大限度地回收和將過程所產(chǎn)生的廢物最大限度地回收和循環(huán)使用。循環(huán)使用。原原料料產(chǎn)品產(chǎn)品排除排除111222廢廢物物廢廢物物1單元過程；2處理實現(xiàn)分離與再循環(huán)系統(tǒng)使廢物最小化的方法：實現(xiàn)分

8、離與再循環(huán)系統(tǒng)使廢物最小化的方法：廢物直接再循環(huán) 例：廢水例：廢水進料提純進料提純 例：氧化反應(yīng)采用純氧例：氧化反應(yīng)采用純氧除去分離過程中加入的附加物質(zhì)除去分離過程中加入的附加物質(zhì) 例：共沸劑、萃取劑例：共沸劑、萃取劑附加分離與再循環(huán)系統(tǒng)附加分離與再循環(huán)系統(tǒng) 例：分離廢物中的有效物，循環(huán)使用例：分離廢物中的有效物，循環(huán)使用上述原因促使： 傳統(tǒng)分離過程不斷改進和發(fā)展 例：反應(yīng)精餾；吸附； 新分離方法不斷出現(xiàn)和實現(xiàn)工業(yè)化應(yīng)用 例：膜分離；熱擴散；色層分離；返回 1.2 傳質(zhì)分離過程的分類和特征一類：機械分離特點：被分離物為非均相 簡單的將混合物分開 如：過濾、沉降化工原理內(nèi)容二類：傳質(zhì)分離 包含：

9、 平衡分離過程；速率控制分離 特點：被分離物為均相 1.2 傳質(zhì)分離過程的分類和特征u1.2.1 平衡分離過程u1.2.2 速率分離過程速率分離過程返回1.2.1 平衡分離過程分離設(shè)備混合物產(chǎn)品分離媒介分離媒介：能量、物質(zhì)、壓力平衡分離過程借助分離媒介，使均相混合物系統(tǒng)變 成兩相系統(tǒng)，再以混合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)而實現(xiàn)分配。平衡分離過程的分離單元操作平衡分離過程的分離單元操作閃閃蒸蒸原料原料相態(tài)：相態(tài)： 液體液體分離媒分離媒介：介： 減壓減壓分離原分離原理：理：揮發(fā)度（揮發(fā)度（蒸汽壓）蒸汽壓）有較大差有較大差別別工業(yè)應(yīng)工業(yè)應(yīng)用：用：海水淡化生海水淡化生產(chǎn)純水；吸產(chǎn)

10、純水；吸收液的解吸收液的解吸。精精餾餾原料原料相態(tài)：相態(tài)：汽、液汽、液或汽液或汽液混合物混合物分離媒介：分離媒介：熱量，有時熱量，有時用機械功用機械功 同上同上石油裂解氣石油裂解氣的深冷分離的深冷分離；苯、甲苯；苯、甲苯、二甲苯的、二甲苯的分離。分離。吸吸收收蒸蒸出出原料原料相態(tài)相態(tài)：氣體或氣體或 液體液體分離媒分離媒介：介：液體吸收液體吸收劑（劑（MSA）；加入）；加入熱量（熱量（ESA） 分離原分離原理：理：揮發(fā)度（揮發(fā)度（蒸汽壓）蒸汽壓）有較大差有較大差別別工業(yè)應(yīng)工業(yè)應(yīng)用：用： 由催化裂化由催化裂化裝置主蒸塔裝置主蒸塔頂產(chǎn)物中回頂產(chǎn)物中回收乙烷及較收乙烷及較輕的烴。輕的烴。萃萃取取或或共

11、共沸沸精精餾餾原料原料相態(tài)相態(tài)：汽、液汽、液或汽液或汽液混合物混合物液體溶劑（液體溶劑（MSA）或塔）或塔釜加熱（釜加熱（ESA）液體共沸劑液體共沸劑（MSA）或）或塔釜加熱（塔釜加熱（ESA）改變原溶改變原溶液的相對液的相對揮發(fā)度揮發(fā)度 以苯酚作溶以苯酚作溶劑由沸點相劑由沸點相近的非芳烴近的非芳烴中分離芳烴中分離芳烴；以醋酸??；以醋酸丁酯作共沸劑酯作共沸劑從稀溶液中從稀溶液中分離醋酸。分離醋酸。MSAL或VLLL或VMSALV返回1.2.2 1.2.2 速率分離過程速率分離過程膜分離膜分離熱擴散熱擴散速率分離速率分離: : 在某種推動力（濃度差、壓力差、溫度差、電位差等）的作用下，有時在選擇

12、性膜的配合下，利用各組分擴散速率的差異實現(xiàn)組分的分離。微孔過濾（MF）：推動力：壓力差（100kPa）傳遞機理：篩分膜類型：多孔膜 進料（液體和氣體）溶劑、水、氣體顆粒、纖維目的：溶液脫離子，氣體脫離子超濾（UF）：推動力：壓力差（1001000kPa）傳遞機理：篩分膜類型：非對稱性膜進料溶劑、水膠體大分子目的：溶液脫大分子，大分子溶液脫小分子，大分子分級。反滲透（RO）：推動力：壓力差（100010000kPa）傳遞機理：優(yōu)先吸附毛細管流動溶解、擴散模型膜類型：非對稱性膜或復(fù)合膜進料溶劑、水溶質(zhì)、鹽目的：溶劑脫溶質(zhì)，含小分子溶質(zhì)溶液濃縮。滲析（D）：推動力：濃度差傳遞機理：篩分、微孔膜內(nèi)的受

13、阻擴散透過物：小分子溶質(zhì)或較小的溶質(zhì)截留物：截留0.02um離子、截留血液0.005um離子膜類型：非對稱性膜或離子交換膜進料接受液凈化液擴散液目的：大分子溶質(zhì)溶液脫小分子，小分子溶質(zhì)溶液脫大分子。 電滲析（ED）：推動力：電化學勢傳遞機理：反離子經(jīng)離子交換膜的遷移膜類型：離子交換膜濃電解質(zhì)濃電解質(zhì)極極產(chǎn)品產(chǎn)品陰離子交換膜陰離子交換膜陽離子交換膜陽離子交換膜進料進料目的：溶液脫小離子，小離子溶質(zhì)的濃縮、小離子的分級。 熱擴散：原理： 先建立穩(wěn)定的溫度梯度，氣體中較輕的組分向熱線方向飄逸，再建立穩(wěn)定的濃度梯度，熱線附近的氣體由于密度較小流向上頂瓶；冷管壁附近的氣體由于密度較大向下底瓶流動。頂瓶底

14、瓶溫度梯度冷壁熱線速率分離過程特點：速率分離過程特點： 節(jié)能節(jié)能 環(huán)保優(yōu)勢環(huán)保優(yōu)勢 新的方法新的方法返回1.3.1.3.分離過程的集成化分離過程的集成化 目的：目的：實現(xiàn)清潔工藝實現(xiàn)清潔工藝 使物料能量消耗最??；使物料能量消耗最小； 經(jīng)濟效益、社會效益最大。經(jīng)濟效益、社會效益最大。u1.3.1反應(yīng)過程與分離過程的耦合反應(yīng)過程與分離過程的耦合u1.3.2分離過程與分離過程的耦合分離過程與分離過程的耦合u1.3.3 過程過程的集成的集成返回1.3.1反應(yīng)過程與分離過程的耦合反應(yīng)過程與分離過程的耦合目的：目的： 改善不利的熱力學和動力學因數(shù)，改善不利的熱力學和動力學因數(shù)，減少設(shè)備、操作費用、節(jié)約資源

15、和能減少設(shè)備、操作費用、節(jié)約資源和能源。源。u化學吸收化學吸收化學反應(yīng)與吸收相結(jié)合化學反應(yīng)與吸收相結(jié)合 被溶解的組分與吸收劑中的活性組分發(fā)生反應(yīng)，被溶解的組分與吸收劑中的活性組分發(fā)生反應(yīng)，增加傳質(zhì)推動力。增加傳質(zhì)推動力。u化學萃取化學萃取化學反應(yīng)與萃取相結(jié)合化學反應(yīng)與萃取相結(jié)合 溶質(zhì)與萃取劑反應(yīng)。如：絡(luò)合反應(yīng)；水解；聚合溶質(zhì)與萃取劑反應(yīng)。如：絡(luò)合反應(yīng)；水解；聚合u反應(yīng)（催化）精餾反應(yīng)（催化）精餾化學反應(yīng)與精餾相結(jié)合化學反應(yīng)與精餾相結(jié)合 例：酯化、皂化、酯交換、胺化、水解例：酯化、皂化、酯交換、胺化、水解u膜反應(yīng)器膜反應(yīng)器優(yōu)良分離性能與催化反應(yīng)相結(jié)合優(yōu)良分離性能與催化反應(yīng)相結(jié)合 例：利用多孔陶瓷

16、膜催化反應(yīng)器，進行丁烯脫氫例：利用多孔陶瓷膜催化反應(yīng)器，進行丁烯脫氫制丁二烯。丙烷脫氫制丙烯。制丁二烯。丙烷脫氫制丙烯。u控制釋放控制釋放 將藥物或其他生物活性物質(zhì)以一定形式與膜將藥物或其他生物活性物質(zhì)以一定形式與膜結(jié)構(gòu)相結(jié)合，使這些活性物質(zhì)只能以一定速度通結(jié)構(gòu)相結(jié)合，使這些活性物質(zhì)只能以一定速度通過擴散等方式釋放到環(huán)境中。過擴散等方式釋放到環(huán)境中。u膜生物傳感器膜生物傳感器 由生物催化劑酶或微生物與合成膜及電極轉(zhuǎn)由生物催化劑酶或微生物與合成膜及電極轉(zhuǎn)換裝置組成，模仿生物膜對化學物質(zhì)的識別能力換裝置組成，模仿生物膜對化學物質(zhì)的識別能力制成，為酶膜傳感器和微生物傳感器制成，為酶膜傳感器和微生物傳

17、感器 。返回1.3.21.3.2分離過程與分離過程的耦合分離過程與分離過程的耦合 復(fù)合分離過程復(fù)合分離過程 優(yōu)點：優(yōu)點：集原分離過程之所長，避其所短。集原分離過程之所長，避其所短。 適用于適用于: 特殊物系的分離。特殊物系的分離。萃取結(jié)晶萃取結(jié)晶（加和結(jié)晶）（加和結(jié)晶） 分離：分離：揮發(fā)度相近的組分。揮發(fā)度相近的組分。 無機鹽生產(chǎn)（優(yōu)點：節(jié)能）無機鹽生產(chǎn)（優(yōu)點：節(jié)能） 溶劑可萃取出部分水。溶劑可萃取出部分水。 吸附蒸餾吸附蒸餾 氣一液一固三相分離過程氣一液一固三相分離過程吸附分離優(yōu)點吸附分離優(yōu)點 ： 分離因子高，產(chǎn)品濃度高，能耗低。分離因子高，產(chǎn)品濃度高，能耗低。 缺點：缺點：吸附劑用量大吸附

18、劑用量大 ，收率低。，收率低。 形成互補形成互補電泳分離電泳分離 不同蛋白質(zhì)在一定不同蛋白質(zhì)在一定pH值的緩沖溶液中，其溶解度不值的緩沖溶液中，其溶解度不同，在電場作用下，這些帶電的溶膠離子在介質(zhì)中的同，在電場作用下，這些帶電的溶膠離子在介質(zhì)中的泳動速度不同，實現(xiàn)不同蛋白質(zhì)的分離。泳動速度不同，實現(xiàn)不同蛋白質(zhì)的分離。返回1.3.3 1.3.3 過程的集成過程的集成一、傳統(tǒng)分離過程的集成一、傳統(tǒng)分離過程的集成 合理組合傳統(tǒng)分離過程，揚長避短，達合理組合傳統(tǒng)分離過程，揚長避短，達到高效、低耗和減少污染的目的。到高效、低耗和減少污染的目的。 共沸精餾與萃取集成共沸精餾與萃取集成環(huán)己烷 +苯丙酮環(huán)己烷+丙酮共沸物純苯純苯環(huán)己烷環(huán)己烷丙酮+水丙酮水水優(yōu)點：優(yōu)點：無污染無污染二、傳統(tǒng)分離