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化工分离工程01[1]概要


分离过程
Separation Processes

教师:李保华

本课程的任务和内容
■地位:专业基础课 ■前期课程: 物理化学、化工原理、化工热力学 ■重点: 1.基本概念的理解 2.讨论各种分离方法的特征 3.对设计、分析能力的训练 4.提高解决问题能力

学生应掌握:
◆分离过程的基本理论

◆简捷和严格计算方法
◆强化、改进操作途径 ◆对新分离技术有一定了解

教材: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 主要参考书: 陈洪钫,刘家祺.化工分离过程.北京:化学 工业出版社, 1995。 吴俊生,邓修 等编著,分离工程,华 东化工学院出版社,1992。 郁浩然 主编,化工分离工程,中国石 油出版社,1992。

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第一章 绪 论
? 实例1:糖的溶解与结晶 ? 糖溶于水

? 形成均匀溶液?混合过程
? 过程是自发的?熵增加 ? 从水中取出糖 ? ?

对体系做功(如蒸馏法) ?分离过程 过程不能自发进行?熵减少

有关分离过程本质的一些描述
(是否准确或全面?)
? 分离不能自发进行(熵减少过程) ? 分离在热力学上受阻(对抗热力学第二定律) ? 分离是逆着大自然的 ? 热力学是逆着物质纯化的
指出一切涉及热现象的宏观过程是不可逆的。 它阐明了在这些过程中能量转换或传递的方向、条件和限度。 相应的态函数是熵,熵的变化指明了热力学过程进行的方向, 熵的大小反映了系统所处状态的稳定性。

实例2:己烷与水混合的实验
? ? ?

不能自发混合 剧烈搅拌或振荡?混合 放置(停止搅拌或振荡)?自发分离 水分子间的亲水相互作用势能?对抗混合 水分子和己烷分子间的疏水相互作用势能?对抗混合

体系中除浓度差(熵效应)外,还有:
? ?

?

水和己烷的密度差(重力势能)?对抗混合

?

实例3:Fe3+和Ti4+的混合实验(一)
混合均匀
Fe3+ Ti4+ 抽掉隔板 Fe3+ Ti4+ 6mol/L HCl Fe3+ Ti4+ 6mol/L HCl

6mol/L HCl 6mol/L HCl

抽调隔板后Fe3+和Ti4+将自发混合均匀,这是因为:
?

体系中除浓度(活度)差外不存在其他势场。

?
?

浓度差对化学势的贡献属熵的贡献,
熵增势能驱使Fe3+和Ti4+在整个体系范围内从有序向无序变化。

?

实例3:Fe3+和Ti4+的分离实验(二)
Fe3+ 、Ti4+
抽掉隔板 6mol/L HCl 乙醚 6mol/L HCl,Ti4+

乙醚,Fe3+

结果:乙醚和水为互不相溶的两相。 Fe3+与乙醚生成离子缔合物:
C2H5O C2H5 + H+ ? (C2H5)2OH+ Fe3+ + 4 Cl? ? FeCl4?

(C2H5)2OH+ + FeCl4? ? [(C2H5)2OH]+[FeCl4]?

Ti4+留在水相
? ? ?

Ti4+的亲水作用势能驱使Ti4+留在水相; Ti4+的浓度差产生的化学势驱使Ti4+均匀分布在整个空间;

Ti4+的亲水作用势能远大于浓度差化学势,所以,Ti4+留在水相

Fe3+进入乙醚相
? ?

Fe3+的浓度差产生的化学势驱使Fe3+均匀分布在整个空间; [(C2H5)2OH]+[FeCl4]?的亲溶剂(疏水)势能驱使Fe3+进入乙醚相 ; 亲溶剂势能远大于浓度差化学势,所以,Fe3+进入乙醚相

?

结论:
? ?

分离有时是自发过程、混合有时也不能自发进行; 总自由能决定体系是趋向分离、还是趋向混合,即:

G总=势能项+熵项=? i+RT lnai
? ?

均相体系中只存在浓度差 ?自发混合。 非均相体系中除浓度差外,还存在各种相互作用(势能 )? 各组分趋向于分配在低势能相。(自由能降低)

?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.分离过程的集成化

学习方法与要求

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
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一般化工生产过程:

石油 天然气 生物质
化 工 原 料 反应 分离

产 品

? 例1:乙烯水合生产乙醇
乙 烯 水 循环乙烯 水 放 空 放 空 乙 醚 水 93% 产品





C2 H4 ? H2 0 ? C2 H5OH

1

2

3

4

5

6
废水

7

8

9

10

废水

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

?例2:二甲苯生产 3 H2
放 混合二甲苯 循环混合二甲苯 苯和甲苯 空 轻烃类 非芳烃 芳烃 H2 乙二醇

9
1
石脑油 进料

2

3 H2 10 12

4

5

6

7

8

11

13
间二甲苯 和邻二甲 苯

重芳烃 对二甲苯

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



原料:石脑油

沸程120~230K 非芳烃 目的产物为 对二甲苯

●加氢重整后得到:轻油

苯 甲苯 二甲苯 高级芳烃 ● 特点:
沸点℃ 熔点℃ 邻二甲苯 144.411 ﹣25.173 间二甲苯 139.104 ﹣47.872

对二甲苯 138.351 13.263

● 涉及到分离过程:精馏:4、7、8 萃取:5、6 结晶:10 目的产 物

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、同 位数分离 ● 三废处理
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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。

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
? 原料中的杂质 ? 工艺的物料损耗

废物最小化?

清洁工艺终合考虑:
● 合理的原料选择; ● 反应路径的清洁化; ● 物料分离技术的选择; ● 确定合理的流程和工艺参数。 核心: 化学反应 ——废物最小化首先考虑催化剂、反应工艺 和设备。

与化工分离过程密切相关的有:
●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。
原 料
产品 1 废 物 1 废 物 排除 1

2

2

2 1—单元过程;2—处理

实现分离与再循环系统使废物最小化的方法:

●废物直接再循环
例:废水

●进料提纯
例:氧化反应采用纯氧

●除去分离过程中加入的附加物质
例:共沸剂、萃取剂

●附加分离与再循环系统
例:分离废物中的有效物,循环使用

上述原因促使:
传统分离过程不断改进和发展 例:反应精馏;吸附;…

新分离方法不断出现和实现工业化应用
例:膜分离;热扩散;色层分离;…
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1.2 传质分离过程的分类和特征
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… 二类:传质分离 包含: 平衡分离过程;速率控制分离

化工原 理内容

特点:被分离物为均相

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
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1.2.1 平衡分离过程
混合物 分离设备 产品

分离媒介

分离媒介:能量、物质、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。

平衡分离过程的分离单元操作
闪 蒸
原料 分离媒 相态: 介:

分离原 理:
挥发度( 蒸汽压) 有较大差 别

工业应用 :
海水淡化生 产纯水;吸 收液的解吸 。

减压
液体

精 馏

原料 相态: 汽、液 或汽液 混合物

分离媒介: 热量,有时 用机械功

同上

石油裂解气 的深冷分离 ;苯、甲苯 、二甲苯的 分离。

V

吸 收 蒸 出
萃 取 或 共 沸 精 馏

MSA

原料 相态 :
气体或 液体

分离媒 介:
液体吸收 剂(MSA );加入 热量( ESA)

分离原 工业应 理: 用:
挥发度( 蒸汽压) 有较大差 别 由催化裂化 装置主蒸塔 顶产物中回 收乙烷及较 轻的烃。 以苯酚作溶 剂由沸点相 近的非芳烃 中分离芳烃 ;以醋酸丁 酯作共沸剂 从稀溶液中 分离醋酸。

L或V

L

MSA

L或V

L

原料 相态 :
汽、液 或汽液 混合物

液体溶剂( MSA)或塔 釜加热(

ESA)
液体共沸剂 (MSA)或 塔釜加热(

改变原溶 液的相对 挥发度

L

ESA)

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1.2.2 速率分离过程

膜分离 热扩散

速率分离:
在某种推动力(浓度差、压 力差、温度差、电位差等)的 作用下,有时在选择性膜的 配合下,利用各组分扩散速 率的差异实现组分的分离。

微孔过滤(MF):
目的:溶液脱离子,气体脱离子
进料
颗粒、纤维

(液体和气体)

溶剂、水、 气体

推动力:压力差(~100kPa) 传递机理:筛分

膜类型:多孔膜

超滤(UF):
目的:溶液脱大分子,大分子溶液脱小分子,大 分子分级。
进料
胶体大分子

溶剂、水

推动力:压力差(100~1000kPa)
传递机理:筛分 膜类型:非对称性膜

反渗透(RO):
目的:溶剂脱溶质,含小分子溶质溶液浓缩。
进料 溶质、盐 溶剂、水

推动力:压力差(1000~10000kPa) 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

渗析(D):
目的:大分子溶质溶液脱小分子,小分子溶质溶 液脱大分子。
进 料 扩散 液 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 净化液

接受液

截留物:截留﹥0.02um离子、截留血液﹥0.005um离子
膜类型:非对称性膜或离子交换膜

电渗析(ED):
目的:溶液脱小离子,小离子溶质的浓缩、小离 子的分级。 浓电解质
产品

+ 极
阴离子交换膜

- 极
进料 阳离子交换膜

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

热扩散:
原理: 热线

顶瓶

温度 梯度
底瓶

冷壁

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。

速率分离过程特点:
■节能 ■环保优势 ■新的方法
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1.3.分离过程的集成化
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。
?1.3.1反应过程与分离过程的耦合

?1.3.2分离过程与分离过程的耦合
?1.3.3

过程的集成
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1.3.1反应过程与分离过程的耦合
目的:
改善不利的热力学和动力学因数, 减少设备、操作费用、节约资源和能 源。

?

化学吸收——化学反应与吸收相结合
被溶解的组分与吸收剂中的活性组分发生反应 ,增加传质推动力。

?

化学萃取——化学反应与萃取相结合
溶质与萃取剂反应。如:络合反应;水解;聚合

?

反应(催化)精馏——化学反应与精馏相结合
例:酯化、皂化、酯交换、胺化、水解…

?

膜反应器——优良分离性能与催化反应相结合
例:利用多孔陶瓷膜催化反应器,进行丁烯脱氢 制丁二烯。丙烷脱氢制丙烯。

?控制释放

将药物或其他生物活性物质以一定形式与膜 结构相结合,使这些活性物质只能以一定速度通 过扩散等方式释放到环境中。
?膜生物传感器

由生物催化剂酶或微生物与合成膜及电极转 换装置组成,模仿生物膜对化学物质的识别能力 制成,为酶膜传感器和微生物传感器 。
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1.3.2分离过程与分离过程的耦合
复合分离过程
优点:集原分离过程之所长,避其所短。 适用于: 特殊物系的分离。 ◆萃取结晶(加和结晶) 分离:①挥发度相近的组分。 ②无机盐生产(优点:节能)
溶剂可萃取出部分水。

◆吸附蒸馏 气一液一固三相分离过程 吸附分离优点 : 分离因子高,产品浓度高,能耗低。

缺点:吸附剂用量大 ,收率低。 ——形成互补 ◆电泳分离
不同蛋白质在一定pH值的缓冲溶液中,其溶解度不 同,在电场作用下,这些带电的溶胶离子在介质中的 泳动速度不同,实现不同蛋白质的分离。
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1.3.3 过程的集成
一、传统分离过程的集成 合理组合传统分离过程,扬长避短,达 到高效、低耗和减少污染的目的。 共沸精馏与萃取集成
环己烷 +苯 丙酮
环己烷+丙 酮共沸物 纯苯 水 环己烷 丙酮 丙酮+水



优点:无污染

二、传统分离过程与膜分离的集成
将膜技术应用到传统分离过程中 ◆渗透蒸发

用来分离挥发性液体混合物,恒沸、近沸点物系。 ◆蒸汽渗透 例:发酵液脱水制无水乙醇 水与醇形成二元共沸物,共沸点:78.15℃, x=0.894(mol) 三、膜过程的集成 优点:取长补短 例:分离悬浮液为高固体含量物料 将超滤、反渗透、渗透蒸馏组合在一起。 返回


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