分離工程課件

目錄化工分離工程及其研究?jī)?nèi)容分離工程的發(fā)展促進(jìn)了化學(xué)工業(yè)等過(guò)程工業(yè)的進(jìn)步二十一世紀(jì)的化工分離工程：機(jī)遇與挑戰(zhàn)分離工程Part1

化工分離工程及其研究?jī)?nèi)容分離工程什么是化工分離工程？化工分離工程是化學(xué)工程學(xué)科的重要組成部分?；し蛛x工程是研究化工及其它相關(guān)過(guò)程中物質(zhì)的分離和純化方法的一門(mén)技術(shù)科學(xué)。許多天然物質(zhì)都以混合物的形式存在，要從其中獲得具有使用價(jià)值的一種或幾種產(chǎn)品，必須對(duì)混合物進(jìn)行分離。在許多加工工業(yè)中，例如化工、石油化工、煉油、醫(yī)藥、食品、材料、冶金、生化等，必須對(duì)中間體和產(chǎn)物進(jìn)行分離和提純，才能使加工過(guò)程進(jìn)行下去，并得到符合使用要求的產(chǎn)品。分離過(guò)程還是環(huán)保工程中用于污染物脫除的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。分離工程生產(chǎn)實(shí)踐是分離工程形成與發(fā)展的源泉早期的化學(xué)工廠是由化學(xué)家根據(jù)實(shí)驗(yàn)室研究結(jié)果直接建立的。通過(guò)生產(chǎn)實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，生產(chǎn)用的大裝置中的化學(xué)或物理過(guò)程與實(shí)驗(yàn)室玻璃器皿中的現(xiàn)象有很大的不同。而在不同產(chǎn)品的生產(chǎn)過(guò)程中，卻有許多過(guò)程遵循相似的原理。由此提出的單元操作原理奠定了化學(xué)工程學(xué)科最初的理論基礎(chǔ)。即使是在一種產(chǎn)品的生產(chǎn)流程中，也有原理相似的不同操作步驟。分離工程

早在數(shù)千年前，人們已利用各種分離方法制作許多人們生活和社會(huì)發(fā)展中需要的物質(zhì)。例如，利用日光蒸發(fā)海水結(jié)晶制鹽；農(nóng)產(chǎn)品的干燥；從礦石中提煉銅、鐵、金、銀等金屬；火藥原料硫磺和木炭的制造；從植物中提取藥物；釀造葡萄酒時(shí)用布袋過(guò)濾葡萄汁；制造蒸餾酒等等。這些早期的人類(lèi)生產(chǎn)活動(dòng)都是以分散的手工業(yè)方式進(jìn)行的，主要依靠世代相傳的經(jīng)驗(yàn)和技藝，尚未形成科學(xué)的體系。

早期人類(lèi)生產(chǎn)活動(dòng)中的分離過(guò)程分離工程

近代化學(xué)工業(yè)是伴隨著十八世紀(jì)開(kāi)始的工業(yè)革命而崛起的。于十九世紀(jì)末開(kāi)始了大規(guī)模的發(fā)展。當(dāng)時(shí)，三酸二堿和以煤焦油為基礎(chǔ)的基本有機(jī)化工等都有了一定的規(guī)模。在生產(chǎn)中，需要將產(chǎn)品或生產(chǎn)過(guò)程的中間體從混合物中分離出來(lái)，才可供使用。例如，當(dāng)時(shí)著名的索爾維制堿法中，使用了高達(dá)二十余米的純堿碳化塔，在其中同時(shí)進(jìn)行化學(xué)吸收、結(jié)晶、沉降等分離過(guò)程，這是一項(xiàng)了不起的成就。但在當(dāng)時(shí)，這項(xiàng)成就是由化學(xué)家在進(jìn)行化學(xué)工藝過(guò)程開(kāi)發(fā)的同時(shí)完成的，他們并沒(méi)有意識(shí)到他們同時(shí)在履行著化學(xué)工程師的職責(zé)。這時(shí)的分離技術(shù)是結(jié)合在具體的化工生產(chǎn)工藝的開(kāi)發(fā)過(guò)程中，單獨(dú)而分散地發(fā)展的。近代化學(xué)工業(yè)的興起分離工程

隨著大量的工業(yè)實(shí)踐，人們逐漸認(rèn)識(shí)到，各種化工生產(chǎn)工藝，除了其中的核心即反應(yīng)過(guò)程外，大都是由為數(shù)不多的一些基本操作組成的。這些基本操作的知識(shí)對(duì)于化工過(guò)程的正確開(kāi)發(fā)和化工流程、裝置的正常運(yùn)行及經(jīng)濟(jì)性有重要的作用。在二十世紀(jì)初提出的單元操作的概念指出：任何化工生產(chǎn)過(guò)程不論規(guī)模如何，皆可分解為一系列名為單元操作的過(guò)程，例如粉碎、混合、加熱、吸收、冷凝、浸取、沉降、結(jié)晶、過(guò)濾等。單元操作的概念包含了流體動(dòng)力過(guò)程、傳熱過(guò)程、傳質(zhì)分離過(guò)程、熱力過(guò)程、粉體工程等許多化工生產(chǎn)過(guò)程中常見(jiàn)的操作和過(guò)程，傳質(zhì)分離過(guò)程是其重要組成部分?；瘜W(xué)工程學(xué)科的雛形分離工程單元操作和化學(xué)工程理論的形成G.E.戴維斯，《化學(xué)工程手冊(cè)》(1901)C.S.魯賓遜，《精餾原理》(1922)W.K.劉易斯，W.H.麥克亞當(dāng)斯，《化工原理》（1923）W.K.劉易斯的《化工計(jì)算》(1926)T.K.舍伍德的《吸收與萃取》(1937)

單元操作概念的建立對(duì)化學(xué)工程的發(fā)展起了重大的作用。它對(duì)用于不同的化學(xué)工藝中的同樣的操作，以單元操作的概念抽象出來(lái)，對(duì)其共同規(guī)律進(jìn)行研究。通過(guò)對(duì)其基礎(chǔ)研究、單元操作所用設(shè)備的結(jié)構(gòu)、操作特性、設(shè)計(jì)計(jì)算方法及應(yīng)用開(kāi)發(fā)等多方面的研究，為分離過(guò)程在化工工藝開(kāi)發(fā)、化工過(guò)程放大、化工裝置設(shè)計(jì)和在化工生產(chǎn)中的正確應(yīng)用提供了較為完整的理論體系和經(jīng)濟(jì)高效的分離設(shè)備，對(duì)促進(jìn)化學(xué)工業(yè)的發(fā)展起到了重要的作用。同時(shí)，以此為基礎(chǔ)發(fā)展起來(lái)了以因次分析和相似論為基礎(chǔ)的實(shí)驗(yàn)研究方法和以數(shù)學(xué)模型方法為基本的理論結(jié)合實(shí)際的化學(xué)工程研究方法，也對(duì)化學(xué)工程學(xué)本身的發(fā)展作出了很大的貢獻(xiàn)。分離工程

自二十世紀(jì)五十年代以來(lái)，通過(guò)對(duì)化學(xué)工程的深入研究，提出了三傳一反（動(dòng)量傳遞、熱量傳遞、質(zhì)量傳遞、化學(xué)反應(yīng)工程）的概念。使分離工程建立在更基本的質(zhì)量傳遞的基礎(chǔ)上，從界面的分子現(xiàn)象和基本流體力學(xué)現(xiàn)象進(jìn)行分離工程中各單元操作的基礎(chǔ)研究，并用定量的數(shù)學(xué)模型描述分離過(guò)程，用于分析已有的分離設(shè)備，并用于設(shè)計(jì)新的過(guò)程和設(shè)備。由于計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，使得從較基礎(chǔ)的理論角度出發(fā)對(duì)分離過(guò)程和設(shè)備進(jìn)行研究成為可能，減少了誤差和失真。對(duì)一些復(fù)雜的數(shù)學(xué)模型的開(kāi)發(fā)并用于分離過(guò)程的優(yōu)化，使化工過(guò)程更趨成熟和完善。

分離工程分離操作是怎么實(shí)現(xiàn)的？平衡分離過(guò)程：根據(jù)當(dāng)體系處于平衡時(shí)物質(zhì)在不同相態(tài)（氣液、氣固、液固等）中濃度不同而實(shí)現(xiàn)分離，如蒸餾、吸收、萃取、吸附、結(jié)晶等速率分離過(guò)程：根據(jù)物質(zhì)分子在外力作用下遷移速率不同而實(shí)現(xiàn)分離，如膜分離、電泳等重力和離心分離：根據(jù)物體密度不同而實(shí)現(xiàn)分離，如重力沉降、旋風(fēng)分離等機(jī)械分離過(guò)程：根據(jù)物體顆粒大小不同而實(shí)現(xiàn)分離，如篩分和過(guò)濾等其他分離過(guò)程分離工程舉例：蒸餾蒸餾是分離液體混合物的主要方法之一。當(dāng)對(duì)液體混合物加熱時(shí)，其中沸點(diǎn)較低（或揮發(fā)度較大）的組分更容易汽化，因此汽相中低沸點(diǎn)組分含量較高，將其冷凝，就得到低沸點(diǎn)組分含量較高的液體，從而實(shí)現(xiàn)了高低沸點(diǎn)組分的部分分離。要實(shí)現(xiàn)蒸餾分離，必須是部分蒸發(fā)，而不能完全蒸干。分離工程高效的蒸餾設(shè)備：

帶回流的直立多級(jí)精餾塔簡(jiǎn)單的一級(jí)蒸餾往往只能實(shí)現(xiàn)液體混合物的部分分離。要提高分離的效果，可以多次重復(fù)上述部分蒸發(fā)－冷凝過(guò)程，即采用多級(jí)蒸餾。實(shí)現(xiàn)多級(jí)蒸餾的設(shè)備就是精餾塔：帶回流的直立多級(jí)蒸餾設(shè)備。一般來(lái)說(shuō)，只要有足夠的級(jí)數(shù)，就有可能達(dá)到所希望的分離效果。分離工程蒸餾技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展歷史早在二千余年前人們即用蒸餾的方法制酒和芳香油。十四世紀(jì)已有較具規(guī)模的酒精生產(chǎn)。十八世紀(jì)從煤焦油中用蒸餾提取油品。十九世紀(jì)中葉第一個(gè)石油煉廠投產(chǎn)。早期的蒸餾設(shè)備能耗大、分離效果差，十九世紀(jì)中葉，人們?cè)O(shè)計(jì)了直立多級(jí)、采用回流技術(shù)的精餾塔，被認(rèn)為是蒸餾技術(shù)發(fā)展中的重大突破。精餾采用回流技術(shù)，在塔內(nèi)實(shí)現(xiàn)充分的汽、液兩相多級(jí)逆流接觸傳質(zhì)，能實(shí)現(xiàn)混合物的高純度分離。目前，精餾廣泛應(yīng)用于煉油、化工和石油化工、輕工、食品、空氣分離等工業(yè)中，是非常重要的分離技術(shù)之一。二十世紀(jì)以來(lái)，化學(xué)工業(yè)特別是石油化工的迅速發(fā)展，在生產(chǎn)規(guī)模和分離難度上對(duì)蒸餾提出了更高的要求，各種生產(chǎn)能力大、分離效率高、流動(dòng)阻力低的新型蒸餾設(shè)備不斷出現(xiàn)，常用的是各種板式塔和填料塔。不同的蒸餾方法也得到了迅速的發(fā)展，出現(xiàn)了恒沸精餾、萃取精餾、鹽精餾、反應(yīng)精餾、分子蒸餾、水蒸汽蒸餾等各種復(fù)雜蒸餾方法。分離工程一些典型的分離單元操作蒸餾吸收吸附萃取結(jié)晶干燥過(guò)濾膜分離（透析、反滲透、電滲析、超濾、微濾、納濾、滲透蒸發(fā)、氣體膜分離等）新型吸附技術(shù)（模擬移動(dòng)床吸附、擴(kuò)張床吸附、變壓吸附）層析超臨界萃取分子蒸餾分離工程Part2

分離工程的發(fā)展促進(jìn)了化學(xué)工業(yè)等過(guò)程工業(yè)的進(jìn)步

分離過(guò)程作為化工生產(chǎn)中的一個(gè)不可缺少的環(huán)節(jié)，在化學(xué)工業(yè)的發(fā)展中起著重要而不可替代的作用。分離技術(shù)的發(fā)展和不斷取得的技術(shù)進(jìn)步不僅促進(jìn)了化學(xué)工業(yè)的發(fā)展，也促進(jìn)了其他相關(guān)過(guò)程工業(yè)的發(fā)展，提高了生產(chǎn)和技術(shù)水平。分離工程煉油和石油化工

煉油和石油化工是現(xiàn)代人類(lèi)工業(yè)文明中最重要的基礎(chǔ)加工工業(yè)之一。石油煉制工業(yè)通過(guò)煉油過(guò)程把原油加工為汽油、噴氣燃料、煤油、柴油、燃料油、潤(rùn)滑油、石油蠟、石油瀝青、石油焦和各種石油化工原料等石油產(chǎn)品的工業(yè)。為現(xiàn)代人類(lèi)文明提供了重要的能源和工業(yè)原料。石油化學(xué)工業(yè)以上述原料生產(chǎn)種類(lèi)極多、范圍極廣的各種化學(xué)品，例如塑料、合成纖維、合成橡膠、合成洗滌劑、溶劑、涂料、農(nóng)藥、染料、醫(yī)藥和各種中間體等重要產(chǎn)品。目前，國(guó)際上石油化學(xué)工業(yè)產(chǎn)品的銷(xiāo)售額已占到全部化工產(chǎn)品的45%。在大型石油化工聯(lián)合企業(yè)中，煉油和石油化工過(guò)程是緊密結(jié)合在一起的。各種分離操作是其生產(chǎn)過(guò)程必不可少的組成部分。分離工程

蒸餾是煉油和石化工業(yè)的最主要的基本操作過(guò)程之一。早期的煉油工業(yè)即是簡(jiǎn)單的利用釜式蒸餾將石油的輕重組分加以分離，以生產(chǎn)汽油、煤油和重質(zhì)油等產(chǎn)品的過(guò)程?，F(xiàn)在，原油仍借常壓蒸餾及減壓蒸餾按沸程不同進(jìn)行分離。蒸餾技術(shù)的發(fā)展，例如精餾技術(shù)的開(kāi)發(fā)、泡罩塔的應(yīng)用，提高煉油生產(chǎn)中原油的分離效率，使大規(guī)模連續(xù)化的分離操作得以實(shí)現(xiàn)，明顯降低了設(shè)備投資、操作能耗和分離成本。二十世紀(jì)中葉以來(lái)各種生產(chǎn)能力大、分離效率高、流動(dòng)阻力低的新型塔器的出現(xiàn)，進(jìn)一步促進(jìn)了煉油工業(yè)的技術(shù)進(jìn)步和發(fā)展。在煉油和石化等工業(yè)的應(yīng)用中取得了明顯的經(jīng)濟(jì)效益，例如，美國(guó)在1950～1970年之間，通過(guò)對(duì)蒸餾設(shè)備的改進(jìn)就創(chuàng)造了近二十億美元的經(jīng)濟(jì)效益；在我國(guó)，用網(wǎng)板波紋填料對(duì)數(shù)百座舊式板式塔進(jìn)行改造，使分離能力和通量均增加了30～50%。分離工程

除此以外，現(xiàn)代煉油和石化工業(yè)中還廣泛應(yīng)用著其它分離單元操作。例如：萃取用于溶劑脫蠟、潤(rùn)滑油精制、溶劑脫瀝青和芳烴抽提等。吸附用于分子篩脫蠟、C8芳烴分離、烯烴和烷烴的分離等。分離工程冶金和資源工業(yè)

核工業(yè)最初是在第二次世界大戰(zhàn)期間由于戰(zhàn)爭(zhēng)的需要而獲得超常規(guī)的高速發(fā)展的。其中，為了提取和純化鈾，對(duì)溶劑萃取技術(shù)，主要是萃取劑和萃取設(shè)備進(jìn)行了大量的研究。鈾是在工業(yè)上第一個(gè)使用溶劑萃取法提取和純化的金屬元素。在鈾的溶劑萃取法提取過(guò)程中，使用的萃取劑有磷酸三丁酯（TBP）、TBP-D2EHPA-煤油混合溶劑、胺類(lèi)萃取劑等。在萃取設(shè)備的研究中，開(kāi)發(fā)了各種萃取設(shè)備如各種轉(zhuǎn)動(dòng)塔、脈動(dòng)塔、振動(dòng)塔和混合澄清槽等，為萃取過(guò)程的工業(yè)實(shí)現(xiàn)提供了可靠、經(jīng)濟(jì)、高效而生產(chǎn)能力大的分離設(shè)備。鈾、釷、钚等的萃取分離過(guò)程和氣體擴(kuò)散法等同位素分離方法的工業(yè)實(shí)現(xiàn)，為核工業(yè)在戰(zhàn)后的迅速發(fā)展提供了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。由此而發(fā)展起來(lái)的濕法冶煉技術(shù)后來(lái)成為有色金屬和無(wú)機(jī)礦產(chǎn)的生產(chǎn)的重要方法之一。分離工程

由于礦物資源的貧化，濕法冶煉，即利用酸、堿等水溶液浸取礦物，然后其中的有用組分進(jìn)行分離或凈化，受到了越來(lái)越多的重視，其中常用萃取進(jìn)行分離和提純。用溶劑萃取從銅礦浸取液中提取銅，是在二十世紀(jì)七十年代在濕法冶煉中取得的一項(xiàng)重要成就。一般認(rèn)為，只要價(jià)格相當(dāng)或超過(guò)銅的有色金屬，都有可能用溶劑萃取方法進(jìn)行提取。目前萃取已用于鈷、鎳、鎢、鉬、金、稀土等元素的生產(chǎn)過(guò)程。濕法提取過(guò)程也用于磷和硼等無(wú)機(jī)礦產(chǎn)的生產(chǎn)過(guò)程。例如，磷酸生產(chǎn)通常用熱法過(guò)程，產(chǎn)品純度高。但生產(chǎn)中能耗很高，成本高，要求磷礦的品位高。磷酸的濕法生產(chǎn)過(guò)程可以處理低品位的磷礦，生產(chǎn)成本低，因而得到了日益廣泛的重視。在濕法磷酸凈化的萃取法由于提取成本低，凈化程度高，而得到廣泛的研究和應(yīng)用。分離技術(shù)的發(fā)展，使人們可以更有效地利用資源，并生產(chǎn)出品種更多、質(zhì)量更好、價(jià)格更低的產(chǎn)品。分離工程濕法冶煉中的礦物浸取和萃取分離過(guò)程分離工程醫(yī)藥工業(yè)分離技術(shù)在保證藥物生產(chǎn)及其質(zhì)量中起著關(guān)鍵作用。合成藥物的生產(chǎn)類(lèi)似于精細(xì)化工產(chǎn)品，但質(zhì)量和衛(wèi)生要求更嚴(yán)格，各種分離技術(shù)在生產(chǎn)中扮演著重要的角色?？股氐劝l(fā)酵類(lèi)醫(yī)藥產(chǎn)品的生產(chǎn)中，大量應(yīng)用著過(guò)濾、萃取、吸附、膜分離、離子交換、結(jié)晶、干燥等分離技術(shù)。在現(xiàn)代基因工程產(chǎn)品的生產(chǎn)過(guò)程中，分離成本有時(shí)甚至要占到其總生產(chǎn)成本的90％以上，并為此發(fā)展了許多新型的高精度分離技術(shù)。在天然藥物（如中藥等）生產(chǎn)現(xiàn)代化過(guò)程中，超臨界萃取、膜分離、先進(jìn)的過(guò)濾、干燥、結(jié)晶等分離技術(shù)大有用武之地。分離工程其他食品、乳品和飲料工業(yè)環(huán)境保護(hù)空氣分離水處理、海水淡化、純水制備材料工業(yè)分離工程Part3

二十一世紀(jì)的化工分離工程：機(jī)遇與挑戰(zhàn)

二十世紀(jì)下半葉掀起的新技術(shù)革命浪潮在人類(lèi)文明和社會(huì)發(fā)展上將具有重大的意義。在現(xiàn)代生物技術(shù)、環(huán)境科學(xué)、資源與能源科學(xué)、信息技術(shù)與材料科學(xué)等高新科技的發(fā)展對(duì)分離工程提出了新的、更高的要求，有許多是傳統(tǒng)分離技術(shù)所無(wú)能為力的，分離工程發(fā)展與高新科技的結(jié)合是現(xiàn)實(shí)的迫切需求，也是分離工程面臨的新的機(jī)遇和挑戰(zhàn)。

分離工程現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展向分離工程提出了許多新的課題：現(xiàn)代生物技術(shù)產(chǎn)品的商品化在很大程度上取決于能否將具有生物活性的產(chǎn)品從組成復(fù)雜的、具有許多性質(zhì)相似的雜質(zhì)的稀溶液中經(jīng)濟(jì)有效地加以分離純化；信息工業(yè)、生物技術(shù)和醫(yī)藥工業(yè)、材料工業(yè)的飛速發(fā)展向分離工程提出了前所未有的純度要求和分離精度要求；由于石油和天然氣資源的逐漸枯竭，能源結(jié)構(gòu)在未來(lái)幾十年內(nèi)將面臨重大的變化。新能源的發(fā)展要求分離工程提供新的、經(jīng)濟(jì)有效的大規(guī)模分離方法；資源的開(kāi)發(fā)向貧礦的利用轉(zhuǎn)化以及海洋資源的開(kāi)發(fā)利用需要更經(jīng)濟(jì)有效的分離技術(shù)；環(huán)境保護(hù)對(duì)分離技術(shù)提出了持續(xù)的、不斷提高的需求；為了節(jié)約能源、降低設(shè)備投資和分離操作成本，對(duì)傳統(tǒng)分離過(guò)程的改造或以新分離方法取代。分離工程現(xiàn)代生物技術(shù)產(chǎn)品的分離和純化

以重組DNA技術(shù)為標(biāo)志的現(xiàn)代生物技術(shù)近三十年來(lái)取得了迅猛的發(fā)展。作為當(dāng)代高科技的核心之一，現(xiàn)代生物技術(shù)將改變醫(yī)學(xué)、農(nóng)業(yè)、食品、能源、化學(xué)、環(huán)境保護(hù)等領(lǐng)域的傳統(tǒng)面貌，促進(jìn)人類(lèi)社會(huì)生產(chǎn)力和科學(xué)技術(shù)的巨大進(jìn)步?，F(xiàn)代生物技術(shù)的迅速發(fā)展對(duì)其下游過(guò)程，即生物技術(shù)產(chǎn)品的分離純化技術(shù)提出了迫切的需求。通過(guò)發(fā)酵和動(dòng)、植物細(xì)胞培養(yǎng)等生成的目標(biāo)產(chǎn)物需通過(guò)一系列的分離和純化等步驟才能獲得最終的產(chǎn)品。據(jù)報(bào)道，生物技術(shù)產(chǎn)品生產(chǎn)中分離提純成本一般要占其總成本的40%～90%?？梢?jiàn)，分離過(guò)程在基因工程產(chǎn)品生產(chǎn)中的重要性。分離工程以基因工程產(chǎn)品為代表的現(xiàn)代生物技術(shù)產(chǎn)品的分離提純技術(shù)的開(kāi)發(fā)研究是分離技術(shù)的前沿研究方向，它有著與傳統(tǒng)化工分離技術(shù)極為不同的分離對(duì)象、系統(tǒng)和特點(diǎn)：分離對(duì)象是具有特定的生物活性的生物大分子產(chǎn)品，分離過(guò)程設(shè)計(jì)中不恰當(dāng)?shù)奈锢砗突瘜W(xué)環(huán)境等（如溫度、pH值、緩沖液選擇、有機(jī)溶劑、攪拌和剪切力等）皆有可能引起其蛋白質(zhì)分子結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，從而使之失活；所需要的目標(biāo)產(chǎn)物往往存在于含有許多性質(zhì)十分相似的雜質(zhì)的稀溶液中，如何從這樣一種復(fù)雜的稀溶液中經(jīng)濟(jì)有效地提取產(chǎn)物是生物分離技術(shù)面臨的重大課題；從衛(wèi)生和安全角度出發(fā)，對(duì)于治療用基因工程產(chǎn)品，有著極高的純度和同一性要求，對(duì)其中的有害雜質(zhì)去除率要求極高，對(duì)分離設(shè)備材質(zhì)和分離過(guò)程中引入的分離介質(zhì)也有著嚴(yán)格的限制；基因工程中所表達(dá)的外源蛋白在宿主細(xì)胞（如大腸桿菌）中往往以不溶解的無(wú)定形蛋白聚合體即包涵體的形式存在，如何使之分離純化并按正確的次序和結(jié)構(gòu)復(fù)性為具有活性的最終產(chǎn)品是一個(gè)全新的分離技術(shù)研究領(lǐng)域。分離工程

通常，生物分離過(guò)程包括以下幾個(gè)處理階段：（1）培養(yǎng)液（或發(fā)酵液）的預(yù)處理和固-液分離；（2）產(chǎn)物提??；（3）產(chǎn)物純化（精制）和（4）成品加工。許多適合于生物技術(shù)產(chǎn)品特點(diǎn)的分離技術(shù)在近幾十年來(lái)得到了迅速的發(fā)展，例如離子交換層析、凝膠過(guò)濾、親和層析等層析技術(shù)；超速離心分離技術(shù)；電泳技術(shù)、雙水相萃取、反膠束萃取等。為生物技術(shù)產(chǎn)品的生產(chǎn)提供了適用的分離技術(shù)。分離工程

然而，現(xiàn)在的生物分離過(guò)程往往相當(dāng)復(fù)雜，步驟很多，造成分離成本高和收率下降。因此，基于經(jīng)濟(jì)和大規(guī)模高效分離為目標(biāo)的許多新的生物技術(shù)產(chǎn)品組合分離技術(shù)，例如親和膜分離、親和超濾技術(shù)、擴(kuò)張床技術(shù)、高效層析技術(shù)等，已受到重視，其中有些已成功地用于生產(chǎn)。可以預(yù)見(jiàn)，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)有的生物分離技術(shù)將不斷完善，新的生物分離技術(shù)還將不斷涌現(xiàn)，以適應(yīng)不斷增多的生物技術(shù)產(chǎn)品的產(chǎn)業(yè)化的需要。分離工程日益增長(zhǎng)的能源需求對(duì)分離技術(shù)的挑戰(zhàn)

目前，現(xiàn)代人類(lèi)文明的進(jìn)步和發(fā)展是建立在以化石燃料為主的一次性能源的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)上的。然而，地球上的一次性能源資源都是有限的，由于工業(yè)生產(chǎn)和人民生活的需要而進(jìn)行的大規(guī)模開(kāi)采，已經(jīng)使部分能源資源日趨枯竭，尤其是既作為能源又作為基本化工原料的石油和天然氣資源。使能源和資源能持續(xù)滿足未來(lái)發(fā)展的需要是放在科研工作者面前的緊迫任務(wù)。目前來(lái)看，這些任務(wù)包括，現(xiàn)有資源的充分利用，貧化資源的開(kāi)采利用；煤、頁(yè)巖油等資源的清潔、經(jīng)濟(jì)和有效的綜合利用；新能源的開(kāi)發(fā)，如太陽(yáng)能、核聚變、生物能源等。分離工程的進(jìn)步將對(duì)這些領(lǐng)域研究目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)和應(yīng)用起到至關(guān)重要的作用。

分離工程煤等固體礦物能源資源的清潔利用

煤和油頁(yè)巖是除石油以外的儲(chǔ)藏量較為豐富的礦物能源和化工原料資源。其使用不如石油方便，且對(duì)環(huán)境污染更嚴(yán)重。其有效利用及其向液態(tài)燃料轉(zhuǎn)化等方面，分離工程面臨著許多新的課題。由于資源的分散和含量、組成的復(fù)雜和處理過(guò)程的環(huán)境保護(hù)要求，使得對(duì)分離過(guò)程的開(kāi)發(fā)提出了更高的要求。在用煤合成生產(chǎn)液態(tài)燃料的大規(guī)模應(yīng)用中，也面臨著許多新的、不同于石油化工的分離問(wèn)題。分離工程

現(xiàn)已普遍使用的許多化工分離技術(shù)如萃取、吸附、離子交換、膜分離等仍是大有用武之地的。對(duì)此，一個(gè)重要的方向是加強(qiáng)對(duì)使用于分離過(guò)程的高分離因子、高選擇性、高容量、使用壽命長(zhǎng)易于再生循環(huán)使用的質(zhì)量分離劑（分離介質(zhì)）的研究，熱力學(xué)和化學(xué)在其研究中有重要的作用。另外，加強(qiáng)對(duì)傳質(zhì)和傳遞現(xiàn)象、界面現(xiàn)象的研究，自動(dòng)控制及計(jì)算機(jī)輔助過(guò)程應(yīng)用于分離工程的研究，對(duì)于強(qiáng)化分離過(guò)程的分離效果也具有重要的意義。分離工程生物能源的利用

目前使用的化石燃料實(shí)際上是億萬(wàn)年前通過(guò)生物轉(zhuǎn)化的太陽(yáng)能，按目前的消耗量，其儲(chǔ)藏終有枯竭之時(shí)。從可再生的生物資源中獲得液體燃料將是今后能源結(jié)構(gòu)中的重要組成部分。甘蔗等富含糖份和淀粉的植物是將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能的理想植物。實(shí)際上，通過(guò)甘蔗制糖、發(fā)酵生產(chǎn)的乙醇，在一些國(guó)家已作為汽油的代用品用于汽車(chē)燃料。然而要使這種燃料真正具有經(jīng)濟(jì)上的競(jìng)爭(zhēng)力，必須要解決從發(fā)酵產(chǎn)生的乙醇稀溶液中經(jīng)濟(jì)而低能耗的提取乙醇的分離技術(shù)，以降低生產(chǎn)成本和提高凈能量產(chǎn)出率。雖然對(duì)此的持續(xù)研究不斷地取得進(jìn)步，但仍有待于更大的突破。分離工程可控核聚變能源的開(kāi)發(fā)應(yīng)用

核聚變有可能成為二十一世紀(jì)的主要能源之一。可控核聚變將使輕核元素聚變成較重元素過(guò)程中釋放出的巨大能量可以利用。主要的核聚變?nèi)剂鲜请碗啊ｋ坝射嚭椭凶臃磻?yīng)產(chǎn)生；氘在自然界以重水形式存在，可以從海水中提取得到。據(jù)估計(jì)海水中共約有200萬(wàn)億噸重水，由此推算每升海水中含有的核聚變能約相當(dāng)于300升汽油的化學(xué)能。因此可控核聚變?nèi)缒軐?shí)現(xiàn)，將成為幾乎用之不竭的能源。對(duì)此，分離工程面臨的任務(wù)是：如何以巨大的處理量經(jīng)濟(jì)地從海水中提取濃度很低的重水，這需要對(duì)高效、高通量、低成本的同位素分離富集方法進(jìn)行持續(xù)的開(kāi)發(fā)研究。分離工程環(huán)境保護(hù)對(duì)分離工程提出的挑戰(zhàn)

環(huán)境保護(hù)是工業(yè)化社會(huì)中人們面臨的嚴(yán)峻問(wèn)題。過(guò)去一百年中，隨著工業(yè)化進(jìn)程的發(fā)展，人類(lèi)活動(dòng)對(duì)環(huán)境的破壞顯著加劇，對(duì)人類(lèi)生存環(huán)境的危害越來(lái)越大。對(duì)于工業(yè)生產(chǎn)中排出的廢氣、廢液、廢渣等污染物，常用的處理方法是生物降解、化學(xué)降解和污染物的分離脫除。分離工程在環(huán)境保護(hù)中起著重要的作用。由于污染物種類(lèi)繁多、性質(zhì)復(fù)雜，環(huán)保分離技術(shù)必須針對(duì)這些特點(diǎn)進(jìn)行開(kāi)發(fā)研究。許多分離單元操作已用于環(huán)境保護(hù)中，例如吸收用于從工業(yè)燃燒廢氣中脫除二氧化硫；萃取用于從工業(yè)廢水中脫除酚和其它有害有機(jī)物以及重金屬離子等；吸附和離子交換用于處理放射性廢水；膜分離方法用于處理汽車(chē)電泳廢水；液膜分離技術(shù)用于廢水中重金屬離子的富集；等等。分離工程

進(jìn)一步的開(kāi)發(fā)研究還集中在對(duì)排放廢物的綜合利用上。例如對(duì)燃燒化石燃料產(chǎn)生的大量二氧化硫、二氧化碳等廢氣的脫除、回收和綜合利用；其中，自工業(yè)革命以來(lái)，大氣中二氧化碳的含量增加了約30％，對(duì)地球溫室效應(yīng)的加劇產(chǎn)生了重要影響，是主要的環(huán)境污染源之一。同時(shí)，二氧化碳也是十分有用的資源。開(kāi)發(fā)其資源化技術(shù)，有效降低其排放，是分離工程面臨的重大任務(wù)。目前已有多種二氧化碳的脫除方法，如吸收法、變壓吸附法和膜分離法等，用于各種工業(yè)過(guò)程中。但這些方法如直接用于環(huán)境治理中大量二氧化碳的脫除，還存在處理量小、成本過(guò)高等問(wèn)題。環(huán)境治理中脫碳、固碳的問(wèn)題的解決還有待于更經(jīng)濟(jì)有效的分離過(guò)程的開(kāi)發(fā)。根除污染物在生產(chǎn)過(guò)程中的產(chǎn)生是一種理想的環(huán)境保護(hù)方法，即所謂的“零排放”生產(chǎn)過(guò)程或綠色生產(chǎn)工藝。要做到這一點(diǎn)需要環(huán)保研究者、分離工程研究者和各領(lǐng)域的工藝開(kāi)發(fā)研究者共同合作，進(jìn)行大量的努力。分離工程讓我們?yōu)榻ㄔO(shè)更美好的地球家園而共同努力分離工程目錄簡(jiǎn)介萃取設(shè)備萃取過(guò)程的基本原理萃取設(shè)備的設(shè)計(jì)應(yīng)用實(shí)例分離工程

液-液萃取也稱(chēng)為溶劑萃取。是一個(gè)重要的傳質(zhì)分離過(guò)程。在液-液萃取過(guò)程中，含有待分離組分（溶質(zhì)A）的液相（料液F，為溶質(zhì)A溶解于載體C的溶液，萃取后成為萃余相），與另一個(gè)與之不互溶或部分互溶的液相（溶劑S）接觸，由于溶劑S也能溶解溶質(zhì)A，但不能或極少溶解C，溶質(zhì)A通過(guò)相際傳質(zhì)進(jìn)入溶劑S，成為萃取相E，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)溶質(zhì)A的提取，即A和C的分離。這是一個(gè)包含A、C和S的三元體系的萃取過(guò)程。

如果料液中含有多種溶質(zhì)，由于溶劑S對(duì)它們的溶解度不同，也可實(shí)現(xiàn)對(duì)它們的分離。簡(jiǎn)介分離工程分離工程

由于溶質(zhì)在兩個(gè)液相中的分配平衡的限制，通常通過(guò)一次液-液平衡接觸不能完全達(dá)到分離或提取率的要求。在這種情況下，需要通過(guò)多級(jí)逆流接觸才能達(dá)到要求。分離工程

據(jù)Derry和Williams研究，最早的液-液萃取實(shí)踐在羅馬時(shí)代即有了，當(dāng)時(shí)采用熔融的鉛為溶劑從熔融的銅中分離金和銀，然后再用硫選擇性溶解銀，分別得到金和銀。1842年，E.-M.佩利諾研究了用乙醚從硝酸溶液中萃取硝酸鈾酰。1903年，L.Edeleanu用液態(tài)二氧化硫作為萃取劑從煤油中萃取芳烴，以生產(chǎn)清潔的液體燃料。這是萃取的第一次工業(yè)應(yīng)用。分離工程

對(duì)萃取技術(shù)的大規(guī)模研究和開(kāi)發(fā)始于第二次世界大戰(zhàn)期間。當(dāng)時(shí)，由于原子能研究和應(yīng)用的需要，對(duì)于鈾、釷、钚等放射性元素的萃取提取和分離進(jìn)行了開(kāi)發(fā)研究，開(kāi)發(fā)研究了具有良好分離性能的萃取劑（溶劑），并發(fā)展了相應(yīng)的萃取設(shè)備如脈動(dòng)塔和混和澄清槽等，使萃取技術(shù)迅速走向了大規(guī)模的工業(yè)應(yīng)用。當(dāng)時(shí)萃取技術(shù)應(yīng)用的另一個(gè)重要進(jìn)展是青霉素的提取，它與青霉素的深層發(fā)酵技術(shù)一起，使青霉素的大規(guī)模低成本生產(chǎn)得以實(shí)現(xiàn)，成為二十世紀(jì)醫(yī)藥工業(yè)重要的技術(shù)進(jìn)步之一。分離工程現(xiàn)在萃取技術(shù)已在各方面獲得了廣泛的應(yīng)用：煉油和石化工業(yè)中石油餾分的分離和精制，如烷烴和芳烴的分離、潤(rùn)滑油精制等；濕法冶金，鈾、釷、钚等放射性元素、稀土、銅等有色金屬、金等貴金屬的分離和提??；磷和硼等無(wú)機(jī)資源的提取和凈化；醫(yī)藥工業(yè)中多種抗生素和生物堿的分離提??；食品工業(yè)中有機(jī)酸的分離和凈化；環(huán)保處理中有害物質(zhì)的脫除等。分離工程通常在以下數(shù)種情況下，采用萃取作為分離方法比蒸餾更有效或有利：對(duì)有機(jī)或水溶液中的無(wú)機(jī)物質(zhì)的分離；被分離物質(zhì)的濃度很低(如油脂中色素和激素)；高沸點(diǎn)低含量的物質(zhì)的回收；熱敏性物質(zhì)的回收；對(duì)于依據(jù)混合物體系的化學(xué)性質(zhì)而不是揮發(fā)度而進(jìn)行分離的情況；對(duì)于非常接近于冰點(diǎn)或沸點(diǎn)的液體的分離（可利用此時(shí)溶解度差異的增加）；共沸體系的分離。分離工程萃取設(shè)備

混和澄清槽非機(jī)械攪拌塔機(jī)械攪拌塔離心萃取機(jī)分離工程

不同的萃取體系的物性（粘度、密度差和界面張力等）的變化范圍很廣，分離要求也不同。為此，萃取設(shè)備的種類(lèi)很多，以適應(yīng)各種要求。有些萃取設(shè)備和汽液接觸設(shè)備（蒸餾、吸收、汽提等）很相似，如噴淋塔、填料塔、篩板塔等，但這些設(shè)備通常只能用在物系粘度很小、密度差較大、界面張力適中以及分離要求不是很高的場(chǎng)合。由于液-液系統(tǒng)的特殊性，需要選擇適合其特點(diǎn)的設(shè)備。大部分萃取設(shè)備都需外加機(jī)械能促進(jìn)分散或兩相分離，如機(jī)械攪拌式萃取設(shè)備和離心式萃取設(shè)備。分離工程混和澄清槽

混和澄清槽是較早開(kāi)發(fā)使用的一種萃取設(shè)備。在混和澄清槽中，輕相和重相首先被引入到混和槽中，通過(guò)機(jī)械攪拌使兩相密切接觸，然后流到澄清槽中，進(jìn)行重力分相。一個(gè)設(shè)計(jì)良好的混和槽具有很高的傳質(zhì)效率，可以達(dá)到接近于單個(gè)理論平衡級(jí)的效果（80%-90%甚至更高）。分離工程混和槽和攪拌槳分離工程澄清

液相在澄清槽中主要依靠重力作用進(jìn)行分相。因此，必須有足夠的停留時(shí)間使兩相充分澄清。如果僅僅依靠重力還不足以使兩相澄清，例如產(chǎn)生了乳化現(xiàn)象，可考慮采用輔助助凝措施，如在澄清槽內(nèi)放置絲網(wǎng)助凝、電破乳、使用破乳劑等。

分離工程澄清槽分離工程箱式混和澄清槽分離工程混合澄清槽的應(yīng)用場(chǎng)合1.萃取級(jí)數(shù)很少時(shí)，如單級(jí)操作，簡(jiǎn)單易行。2.級(jí)數(shù)很多時(shí)，幾十甚至幾百級(jí)，分離要求很精細(xì)，要求保證穩(wěn)定的級(jí)效率。缺點(diǎn)：1.占地面積大；2.動(dòng)力消耗大（電機(jī)傳動(dòng)阻力）；3.密閉性差：萃取劑揮發(fā)損失，同時(shí)污染環(huán)境分離工程箱式混和澄清槽用于稀土萃取分離工程噴淋塔、填料塔和篩板塔

這三種萃取塔是由常見(jiàn)的氣液接觸設(shè)備發(fā)展而來(lái)。用噴嘴實(shí)現(xiàn)其中一個(gè)液相（分散相）在另一個(gè)液相（連續(xù)相）中的分散，靠?jī)上嗟拿芏炔顚?shí)現(xiàn)逆流流動(dòng)。這類(lèi)塔的傳質(zhì)效率不是很高。分離工程機(jī)械攪拌塔

如果界面張力較大、兩相密度差較小、液體粘度較大，單靠重力不足于使一個(gè)液相很好地分散到另一個(gè)液相中，產(chǎn)生足夠的傳質(zhì)相界面和湍動(dòng)。這些情況在液-液萃取中是常見(jiàn)的。這時(shí)，需要通過(guò)外加機(jī)械能量的方法來(lái)促進(jìn)液-液分散和流體湍動(dòng)，增加傳質(zhì)相界面，以及減少傳質(zhì)阻力。分離工程

對(duì)于填料塔和篩板塔，可以通過(guò)使流體脈動(dòng)的方法來(lái)進(jìn)行攪拌。脈動(dòng)塔在核工業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用。然而，更通常的方法是采用某種形式的轉(zhuǎn)動(dòng)攪拌（轉(zhuǎn)盤(pán)塔）或振動(dòng)攪拌（振動(dòng)板塔）的形式。在1947年以前，如果要進(jìn)行需要很多平衡級(jí)的萃取過(guò)程，可以選擇的設(shè)備主要是混和澄清槽，這需要大量的馬達(dá)、泵和復(fù)雜的管道。而各種攪拌塔的發(fā)明，使得采用結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、效率高而成本低的萃取設(shè)備成為可能。分離工程分離工程轉(zhuǎn)盤(pán)塔

轉(zhuǎn)盤(pán)塔（RDC）是一種常用的攪拌萃取塔。它的攪拌組件是由裝在中心軸上的一系列圓盤(pán)組成，依靠轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)轉(zhuǎn)盤(pán)對(duì)流體的剪切力分散液滴。裝在塔壁處的一系列定環(huán)起限制返混的作用。轉(zhuǎn)盤(pán)塔操作穩(wěn)定、通量大，在工業(yè)過(guò)程中得到了廣泛的應(yīng)用。是最常用的萃取設(shè)備之一。分離工程開(kāi)式渦輪轉(zhuǎn)盤(pán)塔

開(kāi)式渦輪轉(zhuǎn)盤(pán)塔是對(duì)轉(zhuǎn)盤(pán)塔改進(jìn)而成。主要是在轉(zhuǎn)盤(pán)面向分散相流動(dòng)方向的一面加上三片窄的泵式葉片，造成同一隔室內(nèi)上、下部分?jǐn)嚢鑿?qiáng)度的差異。其總的效果是在全塔內(nèi)形成較均勻的液滴分布（較大的傳質(zhì)比表面）、較強(qiáng)的液體湍動(dòng)和較小的返混。因而傳質(zhì)效率較轉(zhuǎn)盤(pán)塔有較大的提高。分離工程開(kāi)式渦輪轉(zhuǎn)盤(pán)塔與轉(zhuǎn)盤(pán)塔的傳質(zhì)性能的比較分離工程Karr式振動(dòng)篩板塔分離工程離心萃取機(jī)Podbielniak離心萃取機(jī)

離心萃取機(jī)特別適用于兩相密度差很小或易乳化的物系，由于物料在機(jī)內(nèi)的停留時(shí)間很短，因而也適用于化學(xué)和物理性質(zhì)不穩(wěn)定的物質(zhì)的萃取，如從發(fā)酵液中提取青霉素等抗生素。分離工程用于青霉素萃取的離心萃取機(jī)分離工程根據(jù)體系物性和分離要求選擇萃取設(shè)備萃取時(shí)物性參數(shù)：1.兩相密度差：兩相流動(dòng)的推動(dòng)力2.界面張力：影響兩相混合和分散3.粘度：影響分散相液滴穩(wěn)定性，傳質(zhì)系數(shù)大小分離工程萃取單元操作的基本理論液-液相平衡萃取平衡理論級(jí)數(shù)和萃取過(guò)程的計(jì)算液-液兩相的流動(dòng)特征液-液相際傳質(zhì)軸向混和（返混）萃取設(shè)備的設(shè)計(jì)分離工程萃取工藝條件的選擇和設(shè)備的設(shè)計(jì)基于給定的分離目標(biāo)，選擇合適的萃取劑取得萃取體系的相平衡數(shù)據(jù)確定萃取工藝路線和條件（溫度、進(jìn)料濃度、相比、級(jí)數(shù)）選擇合適的萃取設(shè)備，設(shè)計(jì)尺寸大小。分離工程萃取流程分離工程影響萃取過(guò)程的因素料液流量、組成、溫度和壓力流程安排方式溶質(zhì)的萃取率要求分離度的要求所選用的溶劑（萃取劑）操作溫度操作壓力（大于系統(tǒng)的泡點(diǎn)）最小溶劑流量、操作相比、回流比等平衡級(jí)數(shù)乳化和生成界面污物的傾向界面張力、兩相密度差、流體的粘度是否有表面活性物質(zhì)的存在萃取設(shè)備的類(lèi)型萃取設(shè)備的幾何尺寸和攪拌功率等分離工程溶劑的選擇：

理想的萃取溶劑的特點(diǎn)與被萃取相不互溶或只有很小的互溶度對(duì)被萃取組分（溶質(zhì)）具有大的飽和溶解度，對(duì)溶質(zhì)和被萃取相中的其它組分有高的選擇性必須考慮萃取后萃取相中的溶質(zhì)的回收的難易大的兩相密度差、適中的界面張力、小的粘度以及在操作條件下的穩(wěn)定性無(wú)毒、不燃或不易燃、無(wú)腐蝕性、成本低廉分離工程Feed(C+A)Solvent(S)Extract(S+A)Raffinate(C)分配系數(shù)和選擇性系數(shù)分配系數(shù)（分配比）選擇性系數(shù)（分離系數(shù)）相比分離工程液-液三元體系的等溫相圖(a)一對(duì)部分互溶組分(溶質(zhì)與溶劑完全互溶)，為大部分體系的情況；(b)兩對(duì)部分互溶組分(溶質(zhì)與溶劑部分互溶)，例如：正庚烷-苯胺-甲基環(huán)己烷、苯乙烯-乙苯-二甘醇、氯苯-水-甲乙酮等。分離工程三角相圖的解讀分離工程共軛曲線：對(duì)平衡結(jié)線的圖解關(guān)聯(lián)分離工程逆流萃取過(guò)程的平衡級(jí)數(shù)的計(jì)算F=料液的質(zhì)量流率S=溶劑的質(zhì)量流率En=離開(kāi)第n級(jí)萃取相流率Rn

=離開(kāi)第n級(jí)的萃余相流率(yi)n

=離開(kāi)第n級(jí)的萃取相中組分i的質(zhì)量分率(xi)n

=離開(kāi)第n級(jí)的萃余相中組分i的質(zhì)量分率分離工程HunterandNash圖解法乙二醇(A)-糠醛(S)-水(C)S/F=0.4，對(duì)于(xA)Rn

=0.025分離工程操作點(diǎn)和操作線分離工程平衡級(jí)數(shù)的確定對(duì)于S/F=0.4，和（xA)RN=0.025，約需2.8平衡級(jí)。分離工程直角三角圖解法分離工程多級(jí)逆流萃取的實(shí)驗(yàn)?zāi)M以四級(jí)模擬為例分離工程液-液兩相接觸的流動(dòng)特征和傳質(zhì)

液-液兩相接觸過(guò)程中，一個(gè)液相為連續(xù)相，另一個(gè)液相為分散相，分散成液滴與連續(xù)相接觸。因此，液-液兩相的流動(dòng)特征與液滴（或液滴群）的運(yùn)動(dòng)密切相關(guān)；相際傳質(zhì)即為液滴與連續(xù)相之間的傳質(zhì)。分離工程平均液滴直徑和相際比表面積

分散相被分散成一群大小不等的液滴，為方便起見(jiàn)，其平均液滴直徑由下式定義：這樣，單位液體體積的相際比表面積即為式中

D

為分散相在全部液體中所占的體積比率，稱(chēng)為分散相滯留率(dispersedphaseholdup)。分離工程特征速度

連續(xù)相和分散相在萃取設(shè)備中作逆向的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。假定連續(xù)相為重相，分散相為輕相，則連續(xù)相向下流動(dòng)，而分散相呈液滴向上運(yùn)動(dòng)。單個(gè)液滴的自由運(yùn)動(dòng)（浮升或沉降）速度稱(chēng)為終端速度ut，但液滴群的運(yùn)動(dòng)與單液滴不同，我們用特征速度uo來(lái)表征設(shè)備（萃取塔）中兩相的運(yùn)動(dòng)特征。分離工程分離工程

滑移速度（slipvelocity）是兩相的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度：式中UD和UC分別是分散相和連續(xù)相的表觀速度。假定連續(xù)相相對(duì)靜止，ur是表示分散相液滴相對(duì)于流動(dòng)相的運(yùn)動(dòng)速度，推動(dòng)力為液滴密度和液體混合物密度之差,即ur=K(ρM-ρD)g=K(ρC-ρD)(1-φD)g。

而在相同設(shè)備、相同攪拌強(qiáng)度下，單個(gè)液滴在均勻的連續(xù)相中上浮，速度為uo，uo=K(ρC-ρD)g近似地，可以認(rèn)為ur=uo(1-φD)分離工程

考慮到液滴之間相互作用對(duì)流速的影響，Gyler，Pratt等人提出了特征速度uo的概念。他們通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，對(duì)于給定的液液體系，滑移速度可表示為：

ur=uo(1-φD)uo取決于物性參數(shù)、設(shè)備結(jié)構(gòu)和攪拌強(qiáng)度，與分散相滯留率

D

、連續(xù)相和分散相的流速UC、UD無(wú)關(guān)。因此有分離工程液泛

萃取塔中兩相的逆流流動(dòng)是在重力驅(qū)動(dòng)下的液滴群和連續(xù)相的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。因此，兩相流量不能隨意增加，當(dāng)超過(guò)限度時(shí)，分散相將在塔中積累、聚并，并阻止連續(xù)相的流動(dòng)，稱(chēng)之為發(fā)生了液泛。液泛時(shí)，塔的正常操作被破壞。發(fā)生液泛的情況有兩種：1.流量過(guò)大；2.攪拌強(qiáng)度過(guò)高。應(yīng)控制流量和攪拌強(qiáng)度。分離工程液泛時(shí)，此時(shí)分離工程萃取塔內(nèi)的分散相滯留率分布是不均勻的，因此液泛常在塔內(nèi)某一局部首先發(fā)生。在大部分情況下，φD未達(dá)到(φD)f，就會(huì)發(fā)生液泛。此時(shí)，塔的通量(UD+UC)f

往往比上述公式計(jì)算的要小。例如，對(duì)于轉(zhuǎn)盤(pán)塔和Karr塔，液泛通量往往只是計(jì)算值的50%。分離工程相際傳質(zhì)

在界面無(wú)傳質(zhì)阻力的情況下，運(yùn)動(dòng)的液滴與連續(xù)相流體之間的傳質(zhì)過(guò)程包括滴內(nèi)和滴外傳質(zhì)。液滴的內(nèi)部是液體，由于受與之相對(duì)運(yùn)動(dòng)的外部流體的剪切力的影響，液滴的內(nèi)部流體可能會(huì)產(chǎn)生循環(huán)流動(dòng)和湍動(dòng)，使傳質(zhì)速率大大提高。液滴也會(huì)產(chǎn)生形狀的變化，產(chǎn)生擺動(dòng)和振動(dòng)等，這些都會(huì)影響萃取過(guò)程的傳質(zhì)行為。液滴的傳質(zhì)過(guò)程貫串液滴的形成階段、自由運(yùn)動(dòng)階段和聚并階段，但通常主要考慮自由運(yùn)動(dòng)階段的傳質(zhì)。分離工程液滴在界面張力和摩擦力作用下，產(chǎn)生內(nèi)循環(huán)分離工程滴內(nèi)傳質(zhì)停滯液滴（剛性液滴）：滴內(nèi)層流內(nèi)循環(huán):（Krong-Brink）滴內(nèi)湍流內(nèi)循環(huán):（Handlos-Baron）滴內(nèi)層流內(nèi)循環(huán)時(shí)，kD較剛性液滴提高了2.7倍。而湍流循環(huán)下，kD與擴(kuò)散無(wú)關(guān)。（理論解）分離工程滴外傳質(zhì)對(duì)停滯液滴對(duì)循環(huán)液滴對(duì)擺動(dòng)液滴分離工程傳質(zhì)系數(shù)和傳質(zhì)阻力連續(xù)相傳質(zhì)系數(shù)：分散相傳質(zhì)系數(shù)：考慮了界面阻力：當(dāng)萃取相為連續(xù)相時(shí)分離工程

理論級(jí)當(dāng)量高度法:

傳質(zhì)單元法:有效塔高的計(jì)算：分離工程傳質(zhì)單元數(shù)和傳質(zhì)單元高度（活塞流）圖中，萃取相為分散相分離工程傳質(zhì)單元高度（活塞流）

在設(shè)計(jì)工業(yè)規(guī)模的萃取塔之前，可在小規(guī)模設(shè)備中進(jìn)行傳質(zhì)實(shí)驗(yàn)，此時(shí)的流動(dòng)形態(tài)接近于活塞流。根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，求得相應(yīng)的傳質(zhì)單元高度HTU，可用于工業(yè)設(shè)計(jì)。分離工程軸向混和

萃取塔內(nèi)的流體運(yùn)動(dòng)偏離活塞流假定，統(tǒng)稱(chēng)為軸向混和。軸向混和可由下列因素形成：連續(xù)相內(nèi)由濃度梯度造成的分子擴(kuò)散以及渦流擴(kuò)散；由液滴運(yùn)動(dòng)造成的連續(xù)相環(huán)流運(yùn)動(dòng)；分散相液滴尾流造成的連續(xù)相夾帶；由機(jī)械攪拌造成的連續(xù)相和分散相循環(huán)流動(dòng)；兩相流動(dòng)的速度梯度和溝流等造成的停留時(shí)間分布。軸向混和降低了設(shè)備內(nèi)傳質(zhì)的平均濃度梯度，對(duì)傳質(zhì)有明顯的影響。分離工程軸向混和降低了傳質(zhì)推動(dòng)力分離工程描述軸向混和的擴(kuò)散模型分離工程擴(kuò)散模型中所作的簡(jiǎn)化假設(shè)：連續(xù)相和分散相的軸向擴(kuò)散分別用軸向擴(kuò)散系數(shù)定量表示；兩相的表觀速率恒定，而且在每個(gè)橫截面上均勻分布；溶質(zhì)的體積傳質(zhì)總系數(shù)恒定；兩相間只有溶質(zhì)進(jìn)行物質(zhì)傳遞；被萃取的溶質(zhì)在兩相間分配比恒定。分離工程擴(kuò)散模型的數(shù)學(xué)表達(dá)式分離工程無(wú)因次化，設(shè)則分離工程邊界條件分離工程

由于計(jì)算數(shù)學(xué)的發(fā)展，擴(kuò)散模型的微分方程組，已不再注重于模型的簡(jiǎn)化和解析求解。擴(kuò)散模型可以較好地描述連續(xù)相的軸向混和。但是，分散相實(shí)際是一群大小不等的液滴組成，而擴(kuò)散模型卻將其當(dāng)作擬均相處理，與實(shí)際情況有較大的偏差。因此，許多學(xué)者專(zhuān)門(mén)對(duì)分散相的返混進(jìn)行了研究。例如，前混模型、前混-返流模型等，可以在一定程度上較好地描述分散相的軸向混和。分離工程擴(kuò)散模型的近似解法(MiyauchiandVermeulen):

為了利用擴(kuò)散模型方便地解決工程計(jì)算問(wèn)題（用于計(jì)算塔的有效段高度），發(fā)展了多種近似計(jì)算方法。其中，Miyauchi和Vermeulen的方法應(yīng)用較廣。他們把按活塞流假定核算得到的傳質(zhì)單元高度稱(chēng)為表觀傳質(zhì)單元高度，HTUOXP=H/NTUOXP，把扣除軸向混和影響計(jì)算得到的傳質(zhì)單元高度稱(chēng)為真實(shí)傳質(zhì)高度，HTUOX=UX/(kOXa)，把由于軸向混和而增加的傳質(zhì)單元高度稱(chēng)為分散單元高度HTUOXD，這樣分離工程

設(shè)計(jì)計(jì)算的原始數(shù)據(jù)為兩相進(jìn)、出口濃度、兩相表觀流速、平衡關(guān)系、實(shí)驗(yàn)測(cè)定的或通過(guò)關(guān)聯(lián)式計(jì)算的軸向擴(kuò)散系數(shù)，以及真實(shí)傳質(zhì)單元高度HTUOX和表觀傳質(zhì)單元數(shù)NTUOXP。計(jì)算采用迭代法。（1）計(jì)算塔高的初值H0，當(dāng)萃取因子E=mUx/Uy=1時(shí)，有然后根據(jù)H0

進(jìn)行以下一系列計(jì)算：（2）計(jì)算分離工程（3）計(jì)算分散傳質(zhì)單元數(shù)NTUOXDDc

為特征尺寸，當(dāng)特征尺寸取H時(shí)，B=H/H=1分離工程（4）計(jì)算分散單元高度HTUOXD（5）計(jì)算表觀傳質(zhì)單元高度HTUOXP（6）計(jì)算塔高H比較計(jì)算值和初值，如符合預(yù)期精度則計(jì)算結(jié)束，否則繼續(xù)進(jìn)行迭代計(jì)算直至精度符合要求。分離工程萃取設(shè)備的設(shè)計(jì)，主要是在萃取過(guò)程要求已確定、萃取設(shè)備也已初步選定后，進(jìn)行設(shè)備的結(jié)構(gòu)、幾何尺寸計(jì)算和操作條件的確定。在這個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程中，通常需要進(jìn)行必要的小試和中試實(shí)驗(yàn)，以針對(duì)具體的體系，確定必要的參數(shù)。萃取設(shè)備的設(shè)計(jì)分離工程

以萃取塔為例，需要通過(guò)設(shè)計(jì)確定的有塔徑、塔高、攪拌參數(shù)（轉(zhuǎn)速或振動(dòng)頻率和振幅）以及內(nèi)部結(jié)構(gòu)等。根據(jù)兩相流量，可以確定塔的液泛點(diǎn)，進(jìn)而確定正常操作范圍，以此可以知道塔徑的大小，同時(shí)，通過(guò)特征速度的計(jì)算（通過(guò)實(shí)驗(yàn)或關(guān)聯(lián)式）可以得到有關(guān)攪拌參數(shù)和分散相滯留率，進(jìn)而獲得有關(guān)傳質(zhì)表面積的數(shù)據(jù)。分離工程

塔的高度須根據(jù)分離要求確定，對(duì)此，必須考慮軸向混和的影響。塔的內(nèi)部結(jié)構(gòu)應(yīng)根據(jù)所選塔型的結(jié)構(gòu)特征來(lái)確定。除此以外，還要確定分散相分布器和塔的絮凝段的設(shè)計(jì)，以保證良好的分散和萃取后兩相完善的分相等。分離工程轉(zhuǎn)盤(pán)塔的設(shè)計(jì)特征幾何尺寸分離工程轉(zhuǎn)盤(pán)塔內(nèi)流體的流型分離工程轉(zhuǎn)盤(pán)塔的功率消耗

全塔功耗分離工程單位質(zhì)量的液體得到的功率為一般認(rèn)為，當(dāng)功率因子時(shí)，萃取效率最高。分離工程轉(zhuǎn)盤(pán)塔的操作區(qū)域分離工程特征速度Logsdail關(guān)聯(lián)式分離工程Laddha關(guān)聯(lián)式，在無(wú)傳質(zhì)時(shí)分離工程在傳質(zhì)情況下，蘇元復(fù)等對(duì)Laddha關(guān)聯(lián)式進(jìn)行了修正，如下圖所示：圖中，橫坐標(biāo)為在區(qū)域I，Laddha式關(guān)聯(lián)結(jié)果Uo顯著低于實(shí)驗(yàn)值。分離工程蘇元復(fù)等的修正關(guān)聯(lián)式，該式與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合較好。分離工程液泛和通量分離工程Stemerding建議，對(duì)連續(xù)相的軸向混和系數(shù)上式系在直徑為64mm、300mm和640mm的轉(zhuǎn)盤(pán)塔中測(cè)定的數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)得到的，據(jù)實(shí)踐，在直徑為2180mm的轉(zhuǎn)盤(pán)塔中也適用。對(duì)分散相的軸向混和系數(shù)，據(jù)經(jīng)驗(yàn)可取軸向混和分離工程轉(zhuǎn)盤(pán)塔主體結(jié)構(gòu)參數(shù)的確定根據(jù)設(shè)計(jì)流量要求和液泛點(diǎn)，確定連續(xù)相和分散相的表觀流速，進(jìn)而確定塔徑確定轉(zhuǎn)盤(pán)直徑、定環(huán)內(nèi)徑、隔室高度等內(nèi)部結(jié)構(gòu)尺寸，同時(shí)確定操作轉(zhuǎn)速根據(jù)分離要求和相平衡確定傳質(zhì)單元數(shù)，根據(jù)軸向擴(kuò)散情況計(jì)算傳質(zhì)單元高度，確定有效段高度根據(jù)相比、流量、物料物性等，計(jì)算和設(shè)計(jì)塔的其他結(jié)構(gòu)件，如分散相的分散器、塔頂（塔底）的絮凝段等分離工程工業(yè)萃取過(guò)程舉例

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醋酸萃取

醋酸是一種常用的化學(xué)品。在醋酸的生產(chǎn)和使用過(guò)程中，經(jīng)常需要進(jìn)行醋酸-水的分離。通常，可以用普通精餾的方法進(jìn)行醋酸（b.p.=118.1℃）和水（b.p.=100.0℃）的分離。當(dāng)溶液中醋酸含量較低時(shí)，由于水的汽化潛熱很大，精餾的能耗很高，此時(shí)采用萃取的方法從經(jīng)濟(jì)上更為有利。分離工程本圖顯示了一個(gè)醋酸萃取的實(shí)例。在該實(shí)例中，欲分離的料液為含醋酸22wt%的水溶液，流量13,726kg/h（30,260lb/h）；使用乙酸乙酯（b.p.=77.1℃)為溶劑（萃取劑），流量32,250kg/h（71,100lb/h），溶劑中已飽和了水。分離工程

萃取相為輕相，其中含有溶劑和已被萃取的醋酸，萃取率達(dá)99.8%；從萃取塔底排出的萃余相（重相）主要為水，僅含有0.05wt%的醋酸。萃取過(guò)程后續(xù)為兩個(gè)精餾過(guò)程，分別對(duì)萃取相進(jìn)行溶劑和醋酸分離，獲得高純度的冰醋酸，以及從萃余相中回收溶劑。溶劑（飽和了水的乙酸乙酯）則循環(huán)使用。

在萃取過(guò)程的操作溫度（37.7℃）和操作相比（S:F=2.35）下，為了達(dá)到99.8%的萃取率，需要六個(gè)理論級(jí)（在逆流操作的前提下）的分離度。體系的物性特點(diǎn)為：液體粘度不大于1cP，兩相密度差不小于0.08g/cm3，界面張力大于30dyne/cm。分離工程選用了轉(zhuǎn)盤(pán)塔為萃取設(shè)備。塔徑為1.68m，塔高8.5m，全塔有效段用定環(huán)分為40個(gè)隔室，每個(gè)隔室高0.19m，定環(huán)內(nèi)徑1.17m。攪拌器為串聯(lián)安裝于中心軸上的一系列圓盤(pán)，直徑1m。轉(zhuǎn)速為60rpm。在萃取塔的設(shè)計(jì)中，考慮了軸向混和的影響。（如果沒(méi)有軸向混和，則有效段高度僅需5.03m，16.5ft，即塔高的34%是用于補(bǔ)償軸向混和的影響）。分離工程本章結(jié)束分離工程目錄超臨界流體及其性質(zhì)超臨界萃取及其應(yīng)用分離工程什么是超臨界流體

超臨界流體（SCF）是指物質(zhì)的壓力和溫度同時(shí)超過(guò)其臨界壓力(Pc)和臨界溫度(Tc)時(shí)的流體。即，T>Tc，P>Pc分離工程超臨界流體不是液體，也不是通常狀態(tài)下的氣體，是一種特定狀態(tài)的流體1、處于臨界點(diǎn)狀態(tài)的物質(zhì)可實(shí)現(xiàn)從液態(tài)到氣態(tài)的連續(xù)過(guò)渡，兩相界面消失，汽化熱為零。2、超過(guò)臨界點(diǎn)的物質(zhì)（T>Tc

），不論壓力有多大，都不會(huì)使其液化，壓力的變化只引起流體密度的變化。分離工程

超臨界流體萃?。⊿FE，SupercriticalFluidExtraction）是利用流體在臨界點(diǎn)附近所具有的特殊溶解性能而進(jìn)行的一種化工分離過(guò)程。分離工程超臨界萃取的發(fā)展1879年Hanney和Hogarth發(fā)表了他們研究非揮發(fā)性無(wú)機(jī)鹽，如氯化鈷、碘化鉀、溴化鉀等在超臨界乙醇中的溶解現(xiàn)象。1905年，Buchner首先研究了萘在超臨界CO2中的溶解。接著人們研究了蒽、菲、樟腦苯甲酸等揮發(fā)性有機(jī)物在超臨界CO2、甲烷、乙烷、乙烯、三氟甲烷等中的溶解現(xiàn)象。分離工程

1955年，Todd和Eling提出超臨界流體用于分離的理論，同時(shí)出現(xiàn)了相關(guān)的專(zhuān)利。20世紀(jì)70年代的能源危機(jī)，使節(jié)能成為熱點(diǎn)。無(wú)相變的超臨界流體萃取迅速發(fā)展起來(lái)，人們期待用SFE分離醇和水的混合物，替代高能耗的精餾。分離工程1978年，德國(guó)建成了超臨界流體萃取咖啡因的工業(yè)化裝置；1979年，美國(guó)的Kerr—McGee開(kāi)發(fā)了超臨界流體處理渣油的工業(yè)化裝置。分離工程

1982年，德國(guó)建成超臨界CO2萃取啤酒花的大型裝置，年處理5000噸；我國(guó)在八十年代開(kāi)始超臨界流體萃取研究，國(guó)家在“八五”期間進(jìn)行產(chǎn)業(yè)化攻關(guān)。1994年，廣州南方面粉廠從德國(guó)伍德（UHDE）公司進(jìn)口一套萃取器為300升的超臨界萃取裝置，生產(chǎn)小麥胚芽油?，F(xiàn)在最大的生產(chǎn)裝置，萃取器體積為1500升。分離工程1822年，Cagniarddelatour首次發(fā)現(xiàn)，在一定條件下，物質(zhì)可實(shí)現(xiàn)從液體到氣體的連續(xù)過(guò)渡，這就是最早觀察到的臨界現(xiàn)象（見(jiàn)圖）。

1869年，英國(guó)皇家學(xué)院的ThomasAndrews畫(huà)出了CO2的Pr(P/Pc)—Tr(T/Tc)—ρr(ρ/ρc)狀態(tài)圖。超臨界流體的PVT關(guān)系分離工程在臨界點(diǎn)上：對(duì)于理想流體，P-V-T的關(guān)系表示如下：

PV=nRT對(duì)于帶壓力的體系，1873年J.D.vanderWaals給出了如下的計(jì)算式：分離工程分離工程分離工程Soave-Redlich-Kwong方程分離工程Peng-Robinson方程分離工程對(duì)于混合物，其混合規(guī)則為：分離工程分離工程物質(zhì)在超臨界流體中的溶解度計(jì)算假設(shè)物質(zhì)溶解經(jīng)歷如下過(guò)程：（1）溶質(zhì)分子A由其主流擴(kuò)散到二相界面；（2）分子A穿過(guò)界面進(jìn)入溶劑相；（3）分子A在界面上或和溶劑相內(nèi)與溶劑分子B發(fā)生締合作用分離工程

式（1）、（2）的平衡常數(shù)可分別表示為：合并式（1）及（2）有...............(5)其平衡常數(shù)K為：分離工程

對(duì)于反應(yīng)式（1）的廣義理解為：n=0時(shí)，意味著無(wú)締合反應(yīng)，僅有A的相平衡時(shí)，K不是無(wú)意義，而是K≡1。若被萃取相中組分的摩爾濃度用x表示，超臨界相中組分的摩爾濃度用y表示。分離工程設(shè)溶劑為1；溶質(zhì)為2；溶質(zhì)與溶劑的反應(yīng)物ABn為3，且認(rèn)為y2很小，即溶質(zhì)在超臨界相中基本上以ABn的形式存在。則

（7）令y3=y

則y1=(1-y) （8）分逸度可用下式表示：(9)(10)分離工程將式（9）、（10）代入（6），整理后得： (11）將溶質(zhì)在系統(tǒng)溫度壓力下的純態(tài)定為標(biāo)準(zhǔn)態(tài)，則

（12）又有 （13）分離工程上式積分得:(14)將式（12）、（14）代入式（11）得(15)上式中n可以是小數(shù)，因?yàn)樵诰喓蠒r(shí)n個(gè)溶質(zhì)分子可以共用一個(gè)溶劑分子結(jié)合。分離工程當(dāng)n=0時(shí)，即溶質(zhì)與溶劑不締合，k≡1。對(duì)于純固體，則x2=1,γ2=1,且，并假設(shè)組分2的摩爾體積不隨壓力變化，則式（15）變?yōu)椋?16)(17)分離工程

對(duì)于純固體，其蒸汽壓較低，所以φ2*≈1，而在常壓到100atm范圍內(nèi)。Poynting修正數(shù)仍不大于2