化工分离工程01[1]

分离工程教师：蒋春跃制作：何寿林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、基本原理、基本公式的理解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返回第一章绪论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返回煤石油天然气生物质反应化工原料分离产品一般化工生产过程：例1：乙烯水合生产乙醇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乙烯93%产品废水乙醛OHHCHHC52242012345678910水循环乙烯水放空放空水氢水废水例2：二甲苯生产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-熔融塔放空间二甲苯和邻二甲苯石脑油进料混合二甲苯循环混合二甲苯125678104111391233轻烃类非芳烃乙二醇芳烃苯和甲苯对二甲苯重芳烃H2H2H2●加氢重整后得到：轻油非芳烃苯甲苯二甲苯高级芳烃目的产物目的产物为对二甲苯邻二甲苯间二甲苯对二甲苯沸点℃144.411139.104138.351熔点℃﹣25.173﹣47.87213.263●原料：石脑油沸程120～230K●特点：●涉及到分离过程：精馏：4、7、8萃取：5、6结晶：10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●三废处理返回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有用和无用的副产品原料中的杂质工艺的物料损耗废物最小化？清洁工艺综合考虑：●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/过程绿色化●原料绿色化：采用无毒无害原料采用可再生资源（如生物质）●产品绿色化：设计安全的化学品设计可降解的化学品●过程绿色化：采用原子经济性反应采用绿色催化剂采用绿色溶剂过程强化外场强化流程集约化装备微型化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。原料产品排除111222废物废物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；…返回思考：循环经济、产业链、工业园区等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速率分离过程返回1.2.1平衡分离过程分离设备混合物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，表征量分配系数。平衡分离过程的分离单元操作闪蒸原料相态：液体分离媒介：减压分离原理：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。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。吸收蒸出原料相态：气体或液体分离媒介：液体吸收剂（MSA）；加入热量（ESA）分离原理：挥发度（蒸汽压）有较大差别工业应用：由催化裂化装置主蒸塔顶产物中回收乙烷及较轻的烃。萃取或共沸精馏原料相态：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（ESA）改变原溶液的相对挥发度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。MSAL或VLLL或VMSALV返回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）：推动力：压力差（～100kPa）传递机理：筛分膜类型：多孔膜进料（液体和气体）溶剂、水、气体颗粒、纤维目的：溶液脱离子，气体脱离子超滤（UF）：推动力：压力差（100～1000kPa）传递机理：筛分膜类型：非对称性膜进料溶剂、水胶体大分子目的：溶液脱大分子，大分子溶液脱小分子，大分子分级。如透晰。反渗透（RO）：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进料溶剂、水溶质、盐目的：溶剂脱溶质，含小分子溶质溶液浓缩。渗析（D）：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进料接受液净化液扩散液目的：大分子溶质溶液脱小分子，小分子溶质溶液脱大分子。电渗析（ED）：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：离子交换膜浓电解质－极＋极产品阴离子交换膜阳离子交换膜进料目的：溶液脱小离子，小离子溶质的浓缩、小离子的分级。热扩散：原理：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。顶瓶底瓶温度梯度冷壁热线速率分离过程特点：■节能■环保优势■新的方法返回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过程的集成返回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,如烟气脱硫。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。返回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。返回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+丙酮共沸物纯苯环己烷丙酮+水丙酮水水优点：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1.4设计变量变量:用于设计分离装置的参数/物理量.如进料流率,浓度,压力,温度,热负荷,机械功的输入(或输出)量,传热面积大小,以及理论塔板数等.分离装置的设计:就是要确定上述物理量间相互联系,相互制约.设计变量:由于变量太多,所以设计者只能规定上述变量中的若干个变量的数值.如果设计过程中给定数值的物理量数目少于设计变量的数目,设计就不能进行.反之,给定数值的物理量过多,设计也无法进行.因此，设计的第一步不是选择变量的具体数值，而是要知道设计者所需要给定数值的变量数目。简单过程：一般按经验给出。如一处进料的二组分精馏塔：进料流率、进料浓度、进料状态、塔压、釜液浓度、馏出液浓度以及回流比。计算：精馏段理论塔板数，提馏段理论塔板数，以及冷凝器，再沸器的热负荷等。复杂过程：Ni=Nv-Nc式中：Ni为设计变量；Nv为描述系统的独立变量数；Nc为变量间的约束关系数（即描述约束关系的独立方程式的数目）。相律：对于任一物流，描述它的自由度数（强度性质的变量）f=c-C组分数；相数。对于单相物流，独立变量数为：Nv=f+1=(c-1+2)+1=c+21-指物流的数量（容量性质）约束关系：物料平衡式能量平衡式相平衡关系式化学平衡关系式内在关系式习题-pp233.气体分离与渗透蒸发这两种膜分离过程有何区别？4.在混合物分离中，固膜和固体吸附的作用有何区别？5.海水的渗透压由下式近似计算：=RTC/M式中C为溶解盐的浓度，g/cm3；M为离子状态的各种溶质的平均分子量。若从含盐0.035g/cm3的海水中制取纯水，M=31.5，操作温度298K。问反渗透膜两侧的最小压差应为多少kPa？习题-pp23解：C=0.035g/cm3=0.0351000g/L=35g/L=RTC/M=8.314[kPaL/(molK)]298[K]35[g/L]31.5[g/mol]=2752.86kPa