第一章 1.0 绪论

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1、化工分离过程化工分离过程ChemicalSeparationProcesses中文教材中文教材刘家祺 主编，李韡、吴洪、姜忠义 参编.化学工业出版社，2005年12月.传质分离过程传质分离过程第第1 1章章 绪论绪论第第2 2章章 传质分离过程的热力学基础传质分离过程的热力学基础第第3 3章章 气液传质分离过程气液传质分离过程第4章 液液传质分离过程第第5 5章章 传质分离过程的严格模拟计算传质分离过程的严格模拟计算第6章 气固、液固传质分离过程第第7 7章章 分离过程的节能优化与集成分离过程的节能优化与集成 本课程是在物理化学、化工热力学、化工原理等课程的基础上对常用的能量分离剂和质量分离剂

2、的平衡分离过程进行深入研究，重点讨论多组分多级分离过程.主要内容包括1、平衡分离过程基本原理及计算；2、分离方法选择；3、分离过程的节能及优化；教学目标教学目标-Objective 利用已学的物理化学、化工原理、物理化学、化工原理、化工热力学、传递过程化工热力学、传递过程等课程中有关相平衡热力学和动力学机理，传热、传质和动量传递理论来研究化工生产实际中复杂物系的分离和提分离和提纯纯技术。主要任务分离单元过程设计变量、多组分精馏、特殊精馏基本原理基础知识设计计算方法培养分析实际问题的方法和解决工程问题的能力讲授内容讲授内容第第1章章绪论绪论第第2章章传质分离过程的热力学基础传质分离过程的热力学基

3、础两组分平衡计算，已知一相中的浓度，求另一相的浓度。泡点温度、露点温度闪蒸计算。第第3章章气液传质分离过程气液传质分离过程设计变量（两次课）多组分精馏（两次课）特殊精馏：萃取精馏和共沸精馏（两次课）讲授内容讲授内容第第5章章传质分离过程的严格模拟计算传质分离过程的严格模拟计算平衡级的理论模型泡点法第第7章章分离过程的节能优化与集成分离过程的节能优化与集成分离过程最小功和热力学效率，精馏的节能技术，分离流程优化和集成第一章第一章 绪绪 论论Chapter1Introduction1.1 分离过程概述分离过程概述1.2 分离过程的分类分离过程的分类1.3 分离过程的特点分离过程的特点主要内容及要求

4、：主要内容及要求：了解分离操作在化工生产中的重要性，了解分离操作在化工生产中的重要性，分离过程的分类。分离过程的分类。了解化工分离过程的特点。了解化工分离过程的特点。WhatisSeparation?借助一定的分离剂，实现混合物中的组分分级（Fractionalization）、浓缩（Concentration）、富集（Enrichment）、纯化（Purification）、精制（Refining）与隔离（Isolation）等的过程称为分离过程。WhySeparate？工程应用需要纯物质（如半导体材料）；工程应用需要纯物质（如半导体材料）；Needforpurematerialinengi

5、neeringapplication(semiconductors)原料提纯；原料提纯；Preparationofrawmaterialsintotheircomponents材料加工需要纯物质；材料加工需要纯物质；Needforpurematerialformaterialsprocessing有毒有害物质或非活性物质的去除（如药物）；有毒有害物质或非活性物质的去除（如药物）；Needtoremovetoxinsorinactivecomponentsfromsolution(drugs)测试或检测用超纯标准品测试或检测用超纯标准品；Needforultrapuresamplesfortes

6、ting混合物组成检测（如混合物组成检测（如DNA检测）；检测）；Needforanalysisofthecomponentsofthemixture(DNAtesting)分离操作的重要性 分离过程是将混合物分成组成互不相同的两种或几种产品的操作。(1)原料提纯(2)产物分离提纯，以得到合格产品 (3)装置费用占总投资的5090%DistillationColumnExample:RefineryofcrudeoilRefineryforconvertingcrudeoilintoavarietyofmarketableproducts.干气液化气硫磺汽油柴油航煤润滑油石蜡燃料油焦炭沥青1.

7、2 分离过程的分类分离过程 机械分离过程 传质分离过程 平衡分离过程 速率分离过程This course covers the general principles of separation by equilibrium and rate processes.分离过程的分类分离过程的分类级数级数：相态相态：单级、多级单级、多级固固固、固固、固液、固液、固气、气气、气液、液、液液液、气液、气气气操作方式操作方式：连续、间歇、半连续连续、间歇、半连续规模规模：分析型分离、制备型分离、工业分离分析型分离、制备型分离、工业分离1.2.11.2.1分离方法按机理的分类分离方法按机理的分类phasecr

8、eationMechanismofSeparationphaseadditionbarriersolidagentforcefieldMostcommonGainingpopularityOfteninlabsPhaseCreationPhaseAdditionPhaseCreationPhase 1Phase 2FeedSeparationbyphasecreationoraddition通过相的创造和加入来进行分离通过相的创造和加入来进行分离Separationbybarrier通过障碍物分离通过障碍物分离1.2.2分离过程的分类分离过程的分类有无传质发生：有无传质发生：机械分离、传质分离

9、机械分离、传质分离处理两相以上的混合物处理两相以上的混合物如过滤、沉降、离心分离等。如过滤、沉降、离心分离等。处理均相混合物处理均相混合物按物理化学原理的不同，传质分离可分为：按物理化学原理的不同，传质分离可分为：1.2.3传质分离过程的分类传质分离过程的分类平衡分离过程：平衡分离过程：速率分离过程速率分离过程：借助分离剂使均相混合物系统变成两相系统，借助分离剂使均相混合物系统变成两相系统，再利用混合物中各组分在处于相平衡的两相中再利用混合物中各组分在处于相平衡的两相中的不等同分配而实现分离。的不等同分配而实现分离。在某种推动力（浓度差、压力差、温度差、电在某种推动力（浓度差、压力差、温度差、

10、电位差等）的作用下，利用各组分扩散速率的差位差等）的作用下，利用各组分扩散速率的差异实现分离。异实现分离。如精馏、吸收、萃取、结晶、吸附等。如微滤、超滤、反渗透、电渗析等。混合物混合物（气、液、固）（气、液、固）分分离离过过程程产品产品1产品产品2产品产品n能量分离剂能量分离剂ESA质量分离剂质量分离剂MSA极限程度极限程度-热力学热力学分离速率分离速率-动力学动力学Limits:Extent=Thermodyanmics Rate=Transport 速率分离：速率分离：膜分离过程示意膜分离过程示意Diffusion through a membranemembranefeedpermeat

11、eMicroporousMembraneSeparation主要的膜主要的膜分离过程分离过程微滤（微滤（Microfiltration）超滤（超滤（Ultrafiltration）纳滤（纳滤（Nanofiltration）反渗透反渗透（ReverseOsmosis）气体膜分离（气体膜分离（Gasseparation）渗透蒸发（渗透蒸发（Pervaporation）电渗析（电渗析（Electrodialysis）液膜分离（液膜分离（LiquidMembrane）0.00010.0010.010.1110100um离心超速离心相对密度吸收/萃取溶解性结晶温度精馏相对挥发度离子交换电渗析离子电荷凝胶

12、色谱法渗析溶解性超滤微滤纤维过滤反渗透气体扩散分子大小n平衡分离过程的单元操作以酚为溶剂从非芳香烃化合物中分离甲苯液体溶剂+热量改变挥发度液体+蒸汽液体和(或)蒸汽萃取精馏天然气油中除去异丁烷及相对分子量低的烃类；轻烃回收热量挥发度液体+蒸汽液体和(或)蒸汽精馏高压氨气相中回收H2及N2冷量挥发度液体+蒸汽蒸汽部分冷凝闪蒸法淡化海水减压(能量)挥发度液体+蒸汽液体闪蒸汽化实例分离剂及原理产品进料形式单元操作L LV VL LV VV VL LVLVLL LL LVLVLL LL LMSAMSA真空下用水蒸气做气提剂的残油(拔顶油)蒸馏气提蒸气+热量溶解度液体和(或)蒸汽回流式气提 原油蒸馏塔气

13、提侧取馏出物石脑油、煤油、汽油，除去轻馏分解吸(气提)蒸气溶解度液体+气体(蒸汽)液体解吸用乙醇胺水溶液吸收燃烧气中的CO2液体吸收剂溶解度液体+气体气体吸收催化裂化厂的主分馏塔塔顶馏出物中除去乙烷及相对分子量低的烃类物液体吸收剂+热量溶解度液体+蒸汽液体和(或)蒸汽吸收蒸出实例分离剂产品进料形式单元操作V/LV/LL/VL/VL LMSAMSAVLVLMSAMSAL LV VMSAMSAL LV VV VMSAMSAV VL LL LMSAMSA用丙烷和甲苯基酸为溶剂从芳香烃及环烷烃中萃取链烷烃两种液体溶剂溶解度两种液体液体液液萃取(双溶剂)用丙烷为溶剂从残油(拔顶油)中脱沥青不互溶液体溶解

14、度两种液体液体液液萃取用乙酸丁酯为夹带剂并与水形成恒沸物，从水-乙酸混合液中分离乙酸液体夹带剂+热量改变挥发度液体+气体气、液或气液混合物恒沸蒸馏石脑油馏分中出去轻馏分热量溶解度蒸汽+液体液体气提蒸出实例分离剂产品进料形式单元操作L LL LV VMSAMSAMSAMSAL LL L V/LV/LL LL LMSAMSAL L MSAMSA1 1L L L L MSAMSA2 2L L从含有N2,O2,CO2及有机化合物的气相中回收临苯二酸酐冷量选择性凝聚液体+固体蒸汽凝华 间、对二甲苯溶液中结晶得到对二甲苯热量或冷量过饱和度液体+固体液体结晶从尿素水溶液中蒸发水分热量蒸汽压不同液体+蒸汽液体

15、蒸发在旋转式干燥器中，用热空气干燥聚氯乙烯除去水分。气体和(或)热量水分蒸发干固体+湿气固体干燥(固体)实例分离剂产品进料形式单元操作V VV VL LV VL LMSAMSAV VL LS SV V(V)(V)S SS(L)S(L)L LS S清除废水中的洗涤剂,矿石浮选表面活性剂+鼓泡气泡在气液界面吸附两种液体液体泡末分离水的软化固体树脂质量作用定律液体离子交换用分子筛吸附剂干燥空气固体吸附剂吸附力强弱流体+固体气体或液体吸附矿泥浆液的沥取回收硫酸铜液体溶剂固体溶解度液体+固体固体沥取(浸取)实例分离剂产品进料形式单元操作V/LV/LV/LV/LS SL LS SMSAMSAL LL L液

16、体+固体L LL L2 2L L1 1V VSummary1.Morethan25differentseparationoperationsarecommerciallyimportant.近近30种分离操作在工业上具有重要地位。种分离操作在工业上具有重要地位。2.Theextentofseparationachievablebyaparticularseparationoperationdependsonexploitationofthedifferencesincertainpropertiesofthespecies.分离效率取决于组分在性质上的差异。分离效率取决于组分在性质上的差异。3

17、.Themorewidelyusedseparationinvolvethetransferofspeciesbetweentwophases,oneofwhichiscreatedbyenergytransferorthereductionpressure,orbyintroductionasaMSA.依靠依靠ESA或或MSA的传质分离过程应用最为广泛。的传质分离过程应用最为广泛。1.3 分离过程的特点原料物流原料物流原料物流原料物流(一股或几股一股或几股一股或几股一股或几股)分离剂分离剂分离剂分离剂(物质或能量物质或能量物质或能量物质或能量)分离装置分离装置分离装置分离装置产品产品产品产品

18、1 1产品产品产品产品2 2(组成不同的物流组成不同的物流组成不同的物流组成不同的物流)分离工程示意图1.3化工分离过程的特点化工分离过程的特点(1)(1)化工分离技术的多样性化工分离技术的多样性 由于化工分离技术的应用领域十分广泛，决定了分离技术的多样性。Keller于1987年总结了一些常用分离技术和应用成熟度关系图。精馏、萃取、吸收、结晶精馏、萃取、吸收、结晶等仍是当等仍是当前应用最多的分离技术。液膜分离虽然前应用最多的分离技术。液膜分离虽然构思巧妙，但技术上仍有局限性，仅在构思巧妙，但技术上仍有局限性，仅在药物缓释等方面得到了应用。药物缓释等方面得到了应用。按放大容易程度按放大容易程度

19、的递减顺序的递减顺序多级布置的容易程度多级布置的容易程度平行单元的需要平行单元的需要精馏精馏容易容易不需要不需要吸收吸收容易容易不需要不需要萃取和共沸精馏萃取和共沸精馏容易容易不需要不需要液液萃取液液萃取容易容易有时需要有时需要膜分离膜分离级间需要加压级间需要加压需要需要吸附吸附容易容易需要再生循环需要再生循环结晶结晶不容易不容易有时需要有时需要干燥干燥不方便不方便有时需要有时需要(2)(2)化工分离技化工分离技术术的复的复杂杂性性 化工分离技术的多样性决定了它的复杂性。即使对于精馏、萃取这些较为成熟的技术，多组分体系大型设备的设计仍是一项困难的工作，问题是缺乏基础特性数据和大型塔器的可靠设计

20、方法。化工分离过程的特点化工分离过程的特点 对于高温、高压、多组分和强非对于高温、高压、多组分和强非理想体系，不仅平衡数据和分子扩理想体系，不仅平衡数据和分子扩散系数难以准确计算，就连散系数难以准确计算，就连界面张界面张力粘度力粘度等物性数据也难以求得。等物性数据也难以求得。催化剂和反应萃取之类的耦合之类的耦合分离技术的分离技术的基础特性数据基础特性数据更为缺乏。更为缺乏。大型塔器设计大型塔器设计的放大的主要难的放大的主要难度在于塔内度在于塔内两相流和传质特性两相流和传质特性十分十分复杂，数字模型尚不完善。复杂，数字模型尚不完善。沿用了百余年的平衡级模型虽沿用了百余年的平衡级模型虽然简单直观，

21、但用于多组分分离过然简单直观，但用于多组分分离过程的缺点已显而易见。程的缺点已显而易见。非平衡模型非平衡模型被称为被称为“可能开创板可能开创板式分离设备设计和模拟新纪元式分离设备设计和模拟新纪元”优点优点显著，但缺乏显著，但缺乏传质系数实验数据和模传质系数实验数据和模型参数过多型参数过多，使其工程应用存在困难。，使其工程应用存在困难。已开发出的软件功能强大，已在已开发出的软件功能强大，已在工程设计中得到应用，但工程经验和工程设计中得到应用，但工程经验和中试实验仍是不可缺少的。中试实验仍是不可缺少的。(3)分离技术的广适性分离技术的广适性 随着能源、资源、环境、新材料等随着能源、资源、环境、新材

22、料等基础工业和高新技术的发展，分类技术基础工业和高新技术的发展，分类技术面临着新的机遇和挑战。面临着新的机遇和挑战。石化领域的分离过程必需进一步节石化领域的分离过程必需进一步节能和降耗，充分利用能源和资源。能和降耗，充分利用能源和资源。生产装置大型化步伐正在加快，能生产装置大型化步伐正在加快，能耗和成本不断降低。耗和成本不断降低。化工分离过程的特点化工分离过程的特点 在生物制药工程方面，随着基因在生物制药工程方面，随着基因工程和细胞工程的发展，生物药品得工程和细胞工程的发展，生物药品得到迅速发展。到迅速发展。利用利用COCO2 2作为溶剂的作为溶剂的超临萃取超临萃取具有具有不污染产品和选择性高

23、等优点。色谱不污染产品和选择性高等优点。色谱分离、电泳分离等方法由于其高效、分离、电泳分离等方法由于其高效、常温常压特点而成功地应用于实验室常温常压特点而成功地应用于实验室研究和生产。研究和生产。随着环境意识的加强，随着环境意识的加强，三废三废 处理处理引起了重视。从工业生态学的引起了重视。从工业生态学的角度分析，许多工艺过程排出的角度分析，许多工艺过程排出的 废废物物，不再是，不再是 无用无用 的，而是没有完的，而是没有完全利用的物质，全利用的物质，三废处理三废处理 对分离对分离技术是一种新的挑战。技术是一种新的挑战。专用化学品专用化学品和新材料等方面和新材料等方面 无论是高附加值的专用化学

24、品无论是高附加值的专用化学品还是纳米材料、还是纳米材料、C C6060等新材料的发展，等新材料的发展，都需要有相匹配的分离技术，也是都需要有相匹配的分离技术，也是产品成功的主要关键之一。其中有产品成功的主要关键之一。其中有的分离过程需要数百、上千个理论的分离过程需要数百、上千个理论级，有的分离过程需要在超洁净条级，有的分离过程需要在超洁净条件下进行，对分离技术有更严格的件下进行，对分离技术有更严格的要求，同时也为分离技术提供了广要求，同时也为分离技术提供了广阔的发展空间。阔的发展空间。(4)分离技术的特殊性分离技术的特殊性 竞争促进了分离过程的强化，分离竞争促进了分离过程的强化，分离过程的强化

25、包括过程的强化包括新装置、新工艺方法新装置、新工艺方法两两个方面。任何能使设备小型化、能量高个方面。任何能使设备小型化、能量高效化和有利于可持续性发展的化工分离效化和有利于可持续性发展的化工分离新技术均属于分离过程的强化之列。这新技术均属于分离过程的强化之列。这是化工分离技术发展的重要趋势之一。是化工分离技术发展的重要趋势之一。化工分离过程的特点化工分离过程的特点 耦合分离技术耦合分离技术受到关注。催化剂精馏、膜精馏、吸附精馏、反应萃取、络合吸附、反胶团、膜萃取、发酵萃取、化学吸附和电泳萃取等新型耦合分离技术得到了长足的发展，并实现了工业化。耦合分离技术可能解决许多传统分离难以完成的任务。电动

26、耦合色谱可以高效地分离维生素。本章总结分离的定义及其作用分离过程分类平衡分离过程与速率分离过程、ESA与MSA、常用分离方法分离过程特点附：化工分离过程的研发热点附：化工分离过程的研发热点1.低成本的低成本的N2、O2和稀有气体和稀有气体Ar、Kr、Xe的分离方法的分离方法膜分离：高选择性，高通量的膜膜分离：高选择性，高通量的膜如聚酰亚胺膜，碳分子筛膜，含沸石膜如聚酰亚胺膜，碳分子筛膜，含沸石膜吸附：专用吸附剂吸附：专用吸附剂Gas(air,N2/O2)separation二、流程Gasseparationbyadsorption碳分子筛制氮机，是一种新型的空气分离设备，以压缩空气为原料，碳分

27、子筛为吸附剂，采用变压吸附流程（简称P.S.A.），在常温低压下，利用空气中的氧和氮在碳分子筛中的扩散速率不同，把氧和氮加以分离，从而在不吸附相中获得带有一定压力不含油污的洁净氮气，2.低成本低成本H2的分离方法的分离方法 吸附：吸附：活性炭、碳分子筛、碳纳米管活性炭、碳分子筛、碳纳米管3.酸性气体脱除酸性气体脱除石油石油馏馏分和天然气中存在的分和天然气中存在的CO2、H2S、SO2 吸收：胺类溶剂洗涤吸收：胺类溶剂洗涤 吸附吸附 膜分离：气体分离膜膜分离：气体分离膜4.CO2、CH4等温室气体的捕集方法等温室气体的捕集方法 吸附吸附 吸收吸收 膜分离膜分离5.有机物有机物/有机物分离有机物分

28、离 汽油中脱苯；柴油中脱芳烃；有机异构体（如二甲汽油中脱苯；柴油中脱芳烃；有机异构体（如二甲苯）分离苯）分离 特殊精馏特殊精馏 膜分离：渗透蒸发膜分离：渗透蒸发 萃取萃取 吸附吸附6.稀溶液分离稀溶液分离 从稀溶液中回收有价值的物质，循环物料，减从稀溶液中回收有价值的物质，循环物料，减少污染物排放少污染物排放 VOCsVOCs和非挥发性有机物的脱除和非挥发性有机物的脱除 吸附：活性炭，反应金属络合吸附吸附：活性炭，反应金属络合吸附 生化处理：微生物分解生化处理：微生物分解 膜分离：气体分离，渗透蒸发膜分离：气体分离，渗透蒸发7.异构体及异构体及手性物手性物质质分离分离 结晶结晶 吸附吸附 高效

29、液相色谱高效液相色谱 膜分离膜分离:手性分离膜手性分离膜8.清洁燃料的生产清洁燃料的生产油品脱硫、脱苯油品脱硫、脱苯二硫化物、二硫化物、H2S、硫醇、硫醚和噻吩、硫醇、硫醚和噻吩苯、甲苯、乙苯、二甲苯苯、甲苯、乙苯、二甲苯吸附吸附膜分离膜分离9.超纯化合物的制备超纯化合物的制备 结晶结晶 吸附吸附 膜分离膜分离10热敏性化合物分离热敏性化合物分离 膜分离膜分离 结晶结晶 吸附吸附 分子蒸馏分子蒸馏 萃取萃取（超临界萃取、反胶团萃取、（超临界萃取、反胶团萃取、双水相萃取）双水相萃取）11海水淡化和水资源循环利用海水淡化和水资源循环利用 膜分离膜分离（反渗透、电渗析）（反渗透、电渗析）蒸发蒸发 离

30、子交换离子交换 蒸馏蒸馏 12饮用水的制造饮用水的制造 膜分离膜分离 蒸发蒸发 离子交换离子交换 蒸馏蒸馏 13.生物质加工利用生物质加工利用 蒸馏蒸馏 膜分离膜分离 超临界流体萃取超临界流体萃取 14.同位素分离同位素分离Electromagnetic separationGas centrifugationLaser separation15.精馏技术的改进精馏技术的改进热串级：冷凝器放出的热量供再沸器热串级：冷凝器放出的热量供再沸器反应精馏：反应反应精馏：反应-分离一体化分离一体化耦合过程：膜分离精馏耦合过程：膜分离精馏JCPT塔板(并流喷射填料塔板的传质机理与普通塔板有着本质的区别，它

31、是填料与塔板的复合体，靠填料实现传质，靠塔板实现多级并流。StudyonstructuresofcolumnplatesReactivedistillation反应精馏反应精馏“神舟神舟”四号蛋白质空间电泳分离试四号蛋白质空间电泳分离试验验 地面上的重力影响使分离过程中出地面上的重力影响使分离过程中出现沉降和对流现象，大大降低了生物材现沉降和对流现象，大大降低了生物材料的分离纯度和产量。科研人员以细胞料的分离纯度和产量。科研人员以细胞色素和牛血蛋白两种蛋白质为材料，色素和牛血蛋白两种蛋白质为材料，在太空中进行连续自由流电泳分离试验，在太空中进行连续自由流电泳分离试验，提高电泳技术的制备能力，使

32、之成为未提高电泳技术的制备能力，使之成为未来空间制药的重要途径。来空间制药的重要途径。美国世纪年代在航天飞美国世纪年代在航天飞机上成功地进行了垂体细胞、生长激机上成功地进行了垂体细胞、生长激素等多种细胞和蛋白的分离，证实了素等多种细胞和蛋白的分离，证实了其分离物的纯度和制备量均比地面有其分离物的纯度和制备量均比地面有很大提高。很大提高。化工分离过程的发展机遇化工分离过程的发展机遇 （1）提高分离过程选择性；）提高分离过程选择性；（2）从稀溶液中浓缩溶质；）从稀溶液中浓缩溶质；（3）界面现象及其调控；）界面现象及其调控；（4）提高分离过程的速率和能力；）提高分离过程的速率和能力；（5）开发分离设

33、备的适宜型式；）开发分离设备的适宜型式；（6）提高分离系统的能量效率；）提高分离系统的能量效率；（7 7）研制新型高效分离介质。）研制新型高效分离介质。发展趋势发展趋势1 1）传统分离技术改造：）传统分离技术改造：如精馏筛板塔改造为效率更高的填料塔。如精馏筛板塔改造为效率更高的填料塔。2 2）新型分离过程开发：）新型分离过程开发：如膜分离、反胶团萃取、超临界萃取等。如膜分离、反胶团萃取、超临界萃取等。3 3）分离与反应耦合以及分离过程之间的耦合：）分离与反应耦合以及分离过程之间的耦合：如反应精馏、吸附精馏、膜精馏等。如反应精馏、吸附精馏、膜精馏等。总趋势：总趋势：总趋势：总趋势：多样化、精细化、洁净化（环境友好）。多样化、精细化、洁净化（环境友好）。多样化、精细化、洁净化（环境友好）。多样化、精细化、洁净化（环境友好）。