2分离工程与技术第一讲

第一讲分离过程的作用和特征刘艳升中国石油大学（北京）化学科学与工程学院2011年10月20日分离过程的定义分离过程的多样性和重要性分离过程的经济意义分离过程的特征及分类分离因子新分离过程开发的一般方法分离过程的定义*分离（separation）与混合（mixing）Clausius认为：宇宙的熵趋于极大化！由热力学第二定律：一切自然过程的发生都是使熵或混乱度增加混合过程是自发过程，是熵增加的过程；混合过程是体系内能减小的过程！分离过程是反自发过程，是熵减小的过程：分离过程是体系内能增加的过程！因此，分离过程的实现需要外界提供热力学功分离过程的定义*分离（separation）与混合（mixing）1.在一杯水中加入一匙盐，盐就会迅速溶解，是一个自发过程。2.在外界没有提供任何热力学功的条件下，你根本无法完全从水中将盐完全分离出来！是一个反自发过程。分离过程的定义*分离（separation）与混合（mixing）分离过程的定义1980年，CJKing给出分离过程下了最简单的定义：将一种混合物转变成组成互不相同的两种或两种以上产物的操作过程。分离过程的多样性海水淡化一直是人类解决地球上淡水资源不足永恒的研究方向。目前通用的技术有：①蒸发/冷凝：利用水分子与盐分子挥发性的差异，由外界提供热量，使海水汽化、冷凝后得到纯水。②海水冷冻：利用冰块中不含盐极低的特性，先冷冻后加热汽化可以得到相对纯的水。③膜分离：外界加入多孔膜材料，利用水分子和盐分子渗透性的差异，实现的水提纯过程。分离过程的多样性上述所述的三种分离过程，都可以将使水和盐分子实现分离。方法①：可以得到极纯的水，方法②和方法③可以的到相对纯的水。三种方法都需要外界提供热力学功。三种方法都是产生第二相，或加入第二相。因此，分离过程具有多样性，并且每一种分离过程可以获得的产品最高纯度是不同的，都需要外界提供热力学功，绝大部分属于相际分离。分离过程的多样性分离过程多样性：构成体系的各元素（包括微观的分子和宏观的分子团等）具有多种不同的物理和化学性质，理论上，基于不同性质差异就可以构造出不同的分离过程。目前，由于人们对物质的物理和化学性质的认识是相对有限的，因此，同一体系具有许多种不同的分离方法潜力，每种分离方法各有不同的特点，但这些分离方法是否能够实现取决于在当前相关支撑科学的水平。对于在当前支撑科学水平下可以实现的分离过程的选择应具体问题具体分析。随着支撑科学的发展又会产生新的分离过程。探索新分离过程一直是化学工程发展的重点内容。各种分离方法的选择不仅仅是简单地考虑技术经济性问题，更需要考虑应用场所、相关支撑条件、技术成熟度和应用成熟度等方面。分离过程的共性问题分离过程的种类繁多，应用领域极为广泛，在任何涉及到化学加工的生产过程中，都会涉及到分离过程。所有的分离过程都有着共同的特点，即分离过程的共性问题。每种分离过程都需要外界提供热力学功；分离过程的共性问题每种分离过程都将原料分离成至少两种组成不同的产品；为了使得产品的组成达到所需的要求，所有的分离过程都要使得组分作选择性转移，这种转移过程可以通过一步或多步来完成；按照任何分离机理所进行的分离操作，至少可以得到一种较纯的产品。分离过程的共性问题非均相混合物的分离通常涉及筛分的沉降、分级和过滤等简单的操作，而均相混合物的分离需要采用更为精巧的方法；均相混合物的分离通常需要添加或产生第二相，达到和接近相平衡，最后通过非均相混合物的分离方法进行相分离。这类过程通常称为平衡级分离过程。分离过程的共性问题平衡级分离过程的第二相可以通过加入能量由体系自身产生，加入的能量称为能量分离剂（ESA）；也可以加入第二相来改变相平衡或向相界面传递的速率，所加入的物质称为质量分离剂或相转移促进剂（MSA）。分离过程的共性问题分离剂：☼能量分离剂ESA（EnergySeparatingAgent）如热，压力，电，磁，辐射等。或/和，☼质量分离剂MSA（MassSeparatingAgent）过滤介质，溶剂，吸附剂，离子交换树脂，固膜材料等。分离过程的共性问题均相体系的分离过程也有一类分离过程是利用混合物中各组分通过“筛子”或相界面迁移速度的差异，使得产物间产生浓度差。这可以通过外力如：温度，电磁、压力差等来实现。这类分离过程称为速率控制（rate-base）的分离过程。分离设备中通常是使相同的过程多次重复实现，主要目的是提高产品的纯度和降低热力学功耗。分离过程的分类从相态上分类：►均相体系的分离►非均相体系的分离非均相体系的分离也称为机械分离。均相体系的分离也称为扩散分离过程。需要外界提供热力学功，产生第二相，或/和加入第二相，再通过非均相体系的分离方法来实现。分离过程的分类均相体系热力学功和/或物质产生第二相建立浓度梯度非均相体系分离产品1产品2热力学功分离过程的分类化工传递过程操作的核心问题是相际传递过程。相际界面的大小决定了传递的效果。相分离/相分散是化工分离工程之魂！化工单元操作的核心矛盾是相分离和相分散的矛盾！分离过程的分类扩散分离过程也可以分为两类：平衡级分离过程；速率控制的分离过程。无论是平衡级分离过程还是速率控制的分离过程，都需要外界提供分离剂，ESA或/和MSA。分离过程的分类分离过程的分类传质设备与相界面积按照传质速率方程：－板式塔：a－气泡和液滴表面；－填料塔：a－填料比表面；ANKyay传质设备与相界面积板式塔填料塔（Trayedcolumn）（Packingcolumn）传质设备与相界面积精馏设备－为传质、传热过程的实现提供气液相界面积a；其中，1.a的大小主要受塔类型和气液负荷大小的限制：板式塔a有很大变化；填料塔变化较小！2.高效塔设备的设计需要控制塔内的返混，维持高的传质效率！3.塔设备的开发、选型和设计的核心问题是维持塔设备指标的平衡（传质效率、处理能力和压降等）六、传质设备与相界面积分离过程的重要性分离过程广泛应用于化学、石油、冶金、食品、轻工、医药、生化和原子能等工业。其在炼油和石化工业中的重要性无需赘述！JRFair认为分离过程是CPI（化学加工工业）的Workhorse。分离工程和反应工程并称为化学工程中的两大方向。分离过程的重要性反应工程决定了最终产品的产物结构，但很少直接生产出产品。而分离工程不仅可以生产出产品，同时也为反应过程提供服务：原料提纯中间产物的分离反应产物的分离化学加工过程可以没有反应过程，但绝大多数涉及分离过程。分离过程的重要性分离过程的重要性以反应为核心的单元装置：分离设备占总投资的50~90％，能耗占60~95％，操作费用占60％分离技术的任何技术进步都会带来巨大的经济效益和社会效益。分离因子任何分离过程可以达到的分离程度都可以用分离因子来表征：11sij22ijijxxxx11111sijsijsijj组分在产物中首先被提浓；按此机理不能实现体系分离；i组分在产物中首先被提浓；分离因子分离因子反映了：►平衡组成间的差异；►分离依据的基本物理现象所导致的传递速率不同；►反映了装置结构和流动特点对分离过程的影响；分离因子由于涉及到了装置及操作条件的影响而具有很大的不确定性。分离因子固有分离因子的定义：对于平衡级分离过程，当各产品达到简单平衡时，ij用该产品平衡组成表示；对于速率控制的分离过程，认为仅有所依据的物理现象发生，而无其他因素的影响，ij用产品组成表示。11ij22ijijxxxx分离因子ij和sij都可以用于分离过程的特性；一般用ij用于分析分离过程的特性，并通过“效率”来描述理想与实际的差异，因此ij一般对组成、温度、压力的变化不敏感！分离因子sij在数值上可能比ij更接近于1，也可能离1更远，但当ij＝1时，sij必定为1。分离因子对于二元理想体系的闪蒸过程：因此，只要体系的蒸汽压不同，就可以通过闪蒸来实现分离！11ij22//////ijijooijiiiiooijjjjjxxxxyyyxpPpxxyxpPp分离的难度分离的难度化学工程研究的矛盾化学工程研究的矛盾主要涉及两个方面：►处理能力与压降的矛盾☼主要体现与生产能力与能耗之间的矛盾。►处理能力与效率（转化率）的矛盾☼主要体现在生产能力停留时间质量（热量传递）的通量效率（转化率）之间的矛盾。►以下以相际传质过程进行说明！化学工程研究的矛盾传质通量与汽液接触时间的关系化学工程研究的一般规律新分离过程的开发开发一种新的分离过程一般包括：基础研究工艺研究工程研究等三个方面。在这些研究的基础上，一般采用的技术路线实验室小试、工业中试、工程实施、工程放大的技术路线。新分离过程的开发基础研究：针对所考虑的体系，主要涉及两个方面：文献调研：现有的分离方法，存在的问题；所考虑的体系的研究现状，以有的研究结果；可行性研究：现有分离方法与研究的技术路线的对比和分析；制定研究方案；实验研究新分离过程的开发工艺及设备研究►按照基础研究的结果，确定相关的工艺条件；►按照分离过程的特点，确定构思分离设备的构型；►分离设备的研究开发；☼经验研究；☼CFD指导下的实验研究►实验室小试。新分离过程的开发工程研究：►针对工艺开发的工程放大问题，进行相应的工艺和设备的工程化研究；►工艺流程的优化和设计；►由相关设计院所进行工程设计；►工程实施；►工业应用效能的考察分离方法的评价的主要考虑分离方法的考虑是一个CaseStudy过程，一般来讲现有分离技术评价的考虑：现有支撑条件的适应性；安稳长满优生产的考虑；技术经济性；现有生产技术的发展水平和可操作性研究；环保问题的难度；新分离过程的开发新分离技术开发中的一些考虑：►所提出的分离机理是否具有发展潜力；是当前适用的技术，还是储备技术。►现有技术水平可实现该分离机制的程度；►所设计的流程（无论优化与否）是否能够实现安稳长满优生产？►所设计的分离设备和工艺流程是否能保证：sijij新分离过程的开发►工艺和设备强化：►工艺和设备不能完全很好地实现工艺过程，但未来在解决了？支撑技术以后，具有很大的潜力；►设备存在严重的缺陷：sijijsijijsijij