传质分离过程-课件

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1、化工分离过程化工分离过程ChemicalSeparationProcessesclasshours:48credits:3.0化工分离化工分离过过程程ChemicalSeparationPr1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.中文教材刘家祺中文教材刘家祺主主编编，李韡、吴洪、姜忠，李韡、吴洪、姜忠义义参参编编.化学工化学工业业出出2曾用教材曾用教材20021995曾用教材曾用教材200219953TextbookJ.D.Seader,E.J.Henley.Separation Process PrinciplesJ.D.Seader19982

2、0062002TextbookJ.D.Seader,E.J.Henley4J.D.Seader20041.Developmentofnewmathematicalmethodsforsolvinglargesetsofnonlinearequationstoobtainmultiplesolutions.2.Mathematicalstudiesofcomputer-aidedprocesssynthesisanddesign.J.D.Seader20041.Development5References-BooksPhillipC.WankatSeparationProcessEngineer

3、ing(2006)J.L.Humphrey,G.E.KellerSeparationProcessTechnology(1997)Kirk-othmerEncyclopediaofChemicalTechnology.4thed,NewYork,Wiley.CaryJudsonKingSeparationprocesses(1980)ErnestJ.Henley,J.D.SeaderEquilibrium-stageseparationoperationsinchemicalengineering(1981)References-BooksPhillipC.6References-Journa

4、lsAIChEJournal,ACSChemicalEngineeringScience,Elsevier ScienceIndustrial&EngineeringChemistryResearch,ACSChemicalEngineeringTechnology,WileyReferences-JournalsAIChEJou7SeparationandPurificationTechnology，Elsevier ScienceReferences-JournalsJournalofmembraneScience,Elsevier ScienceSeparationandPurifica

5、tionTe8Fundamentalsofvariousseparationprocessesandthetoolsnecessaryforselectingthemostsuitableseparationsequenceforarequiredtask.Equilibrium-basedprocessessuchasdistillation,extraction,absorptionandstripping,adsorptionandcrystallizationaswellasrate-governedprocessessuchasmembraneseparation.Discussio

6、nofcomparativeenergyrequirements,economics,advantageanddisadvantagesofproposedseparationtasks.CourseDescriptionFundamentalsofvarioussepara9CourseobjectivevGetanoverviewonseparationprocessesrelevanttothechemicalandprocessindustryvLearnsomeoftheseseparationprocessesinvaryingdegreesofdetail:PrinciplesA

7、pplicationsCalculationsCourseobjectiveGetanovervie10Chemical Separation PrinciplesContentsChapter1SeparationProcessesChapter2Thermodynamics of Separation OperationsChapter3Mass Transfer and DiffusionChapter4Singer Equilibrium Stages and Flash CalculationsChapter5CascadesChapter6Absorption and Stripp

8、ing of Dilute MixturesChapter7Distillation of Binary MixturesChapter8Liquid-liquid Extraction with Ternary SystemsChemicalSeparationPrinciples11Chapter9Approximate Methods for Multicomponent,Multistage SeparationsChapter10Equilibrium-based Methods for Multicomponent Absorption,Stripping,Distillation

9、,and ExtrationChapter11Enhanced pproximate Methods for Multicomponent,Multistage SeparationsChapter12Rate-based Models for DistillationChapter13Batch DistillationChapter14Membrane SeparationsChapter15Adsorption,Ion Exchange,and ChromatographyContents(contd)Chapter9ApproximateMethods12传质分离过程传质分离过程第第1

10、 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传质传质分离分离过过程第程第1章章绪论绪论13教学目标教学目标-Objective 利用已学的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等课程中有关相平衡热力学和动力学机理，传关相平衡热力学和动力学机理，传热、传质和动量传递理

11、论来研究化热、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工生产实际中复杂物系的分离和提纯技术。纯技术。教学目教学目标标-Objective利用已学的物理化学、化利用已学的物理化学、化14 着重基本概论的理解，为分离过着重基本概论的理解，为分离过程的选择、特性分析和计算奠定基程的选择、特性分析和计算奠定基础。从分离过程的础。从分离过程的共性共性出发，讨论出发，讨论各种分离方法的特征。强调将工程各种分离方法的特征。强调将工程和工艺相结合的观点及设计和分析和工艺相结合的观点及设计和分析能力的训练；强调理论联系实际，能力的训练；强调理论联系实际，提高解决问题的能力。提高解决问题的能力。着

12、重基本概着重基本概论论的理解，的理解，为为分离分离过过程的程的选择选择、特性分析和、特性分析和计计算奠算奠15教学要求教学要求-Requirements掌握各种常用分离过程的基掌握各种常用分离过程的基本原理，操作特点，简捷和本原理，操作特点，简捷和严格计算方法，强化改进分严格计算方法，强化改进分离过程操作的途径，并了解离过程操作的途径，并了解一些新型分离技术。一些新型分离技术。教学要求教学要求-Requirements掌握各种常用分离掌握各种常用分离过过程的程的16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础两组分平衡计算，已知一相中的浓度，求另

13、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过程分析：e.g.精馏中温度分布、组成分布、流量分布。简捷计算（short-cut）：确定关键组分、最少理论板、最小回流比、实际板数、实际回流比。萃取精馏和共沸精馏特殊精馏。气体吸收：过程分析；吸收的简捷计算。讲讲授内容第授内容第1章章绪论绪论17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建立通用模型，求解三对角矩阵（泡点法，流率加合法）。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讲讲授内容第授内容

14、第5章章传质传质分离分离过过程的程的严严格模格模拟计拟计算算18第一章第一章 绪绪 论论第一章第一章绪绪论论19第一章第一章 绪绪 论论Chapter1Introduction1.1 传质分离过程的分类传质分离过程的分类 Classes of Separation Operation1.2 分离过程的研究和技术开发分离过程的研究和技术开发 Study on Separation Process and Development第一章第一章绪绪论论Chapter1Introductio20主要内容及要求：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

15、分类。分离过程的分类。了解化工分离过程的研发现状和发展了解化工分离过程的研发现状和发展趋势。趋势。传质传质分离分离过过程程-课课件件21WhatisSeparation?WhatisSeparation?22BasicDescriptionofOperationsOperationsareclassifiedaskeyoperationsandauxiliaryoperationsKeyOperation:involvesreactionorseparationsExamples:distillation,leaching,reactorAuxiliaryOperation:involvesn

16、ochangeinchemicalcompositionExamples:pumps,heaters,compressorsBasicDescriptionofOperation23WhatisSeparation?纯组分变成混合物，是熵增自发过程，反之，纯组分变成混合物，是熵增自发过程，反之，混合物变成纯净物则需作功。混合物变成纯净物则需作功。Mixingisinherentinnature:TheincreaseinentropyassociatedwiththerandomnessofamixturelowerstheGibbsfreeenergy.To“unmix”asolutionw

17、emustovercometheentropicdrivingforcetomix.WhatisSeparation?纯组纯组分分变变成混合物，是成混合物，是熵熵24WhatisSeparation?借助一定的分离剂，实现混合物中的组分分级借助一定的分离剂，实现混合物中的组分分级（Fractionalization）、浓缩）、浓缩（Concentration）、富集（）、富集（Enrichment）、）、纯化（纯化（Purification）、精制（）、精制（Refining）与）与隔离（隔离（Isolation）等的过程称为分离过程。）等的过程称为分离过程。WhatisSeparation?

18、借助一定的分离借助一定的分离剂剂，实现实现25WhySeparate？WhySeparate？26InHumanBodyInHumanBody27Separationprocesses:OurlifedependsontheseKidney:theperfectultrafilter静脉静脉动脉动脉肾小球肾小球输尿管输尿管Separationprocesses:Ourlif28CriticalseparationsinhumanbodySeparationofoxygenfromairandofCO2frombloodinthelungsSelectiveremovalofwaterandwa

19、steproductsofmetabolismfrombloodinthekidneysSelectiveabsorptionofnutrientsintheintestines.Criticalseparationsinhuman29InIndustryInIndustry30WhySeparate？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）；Needforpurematerialinengineeringapplication(semiconductors)原料提纯；原料提纯；Preparationofrawmaterialsintotheircomponent

20、s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；Needforultrapuresamplesfortesting混合物组成检测（如混合物组成检测（如DNA检测）；检测）；Needforanalysisofthecomponentsofthemixture(DNAtesting

21、)WhySeparate？31SeparationProcessTheseparationprocessmaybedefinedasthoseoperationswhichtransformamixtureofsubstancesintotwoormoreproductswhichdifferfromoneanotherincomposition.SeparationProcessTheseparati32AnalyticalSeparationssmallscalequantitativeanalysisPreparativeSeparationssmallscalematerialsfor

22、R&DIndustrialSeparationslargescaleeconomicalExample:ChromatographyExample:CentrifugationExample:DistillationAnalyticalSeparationsPreparat33传质传质分离分离过过程程-课课件件34DistillationColumnDistillationColumn35Example:RefineryofcrudeoilRefineryforconvertingcrudeoilintoavarietyofmarketableproducts.Example:Refinery

23、ofcrudeo36Example:Productionofp-xyleneDistillationCrystallizationExample:Productionofp-xyl37Example:Productionofp-xyleneTherearefourdifferentclassesofseparationprocessinvolvedintheproduction1.Vapor-LiquidSeparation(Hydrogenrecovery);2.Distillation(Debutanizer,Regenerator,Splitter,Recover;3.Extractio

24、n;4.CrystallizationExample:Productionofp-xyl38先修课程先修课程物理化学、化工热力学、物理化学、化工热力学、化工原理、传递过程化工原理、传递过程化工原理（化工原理（unitoperations），涉及热），涉及热力学（物理化学）、三传力学（物理化学）、三传两组分精馏两组分精馏多组分非理想物系如何分离？多组分非理想物系如何分离？先修先修课课程物理化学、化工程物理化学、化工热热力学、力学、39单元操作与分离过程单元操作与分离过程UnitOperationvs.SeparationProcess单单元操作与分离元操作与分离过过程程UnitOperation

25、vs.40单元操作单元操作尽管人们在尽管人们在1893年对单元操作就有所认年对单元操作就有所认识，但真正的提出是在识，但真正的提出是在1915年。年。ArthurDLittle（1863-1935）在给）在给MIT校校长的信中写到：长的信中写到：任何化学过程，不管规模大小，都可以任何化学过程，不管规模大小，都可以认为是由一系列可以被称为认为是由一系列可以被称为“单元操作单元操作”的过程组成的。的过程组成的。单单元操作元操作41ArthurDLittlecoinedtheterm“unitoperations”in1915todistinguishchemicalengineeringfroma

26、llotherprofessionsandalsotogivechemicalengineeringprogramsacommonfocus,andheadedupAIChEsCommitteeonChem.Eng.Educationwhichemphasizedtheunitoperationconceptalongwithaccreditationtostandardizecoursesinchemicalengineeringprograms.ArthurDLittlecoinedthe42分离过程分离过程“分离过程分离过程”形成一个独立领域的两形成一个独立领域的两个重大事件是：个重大事

27、件是：1984年年NormanLee组组织召开的分离技术工程基础会议和织召开的分离技术工程基础会议和1987年美国国家研究院的研究报告提年美国国家研究院的研究报告提出：出：“分离和纯化：迫切需要和现实分离和纯化：迫切需要和现实机会机会”，对分离过程的定义、分类、，对分离过程的定义、分类、研究目标和任务等进行了更为明确的研究目标和任务等进行了更为明确的描述。描述。分离分离过过程程“分离分离过过程程”形成一个独立形成一个独立领领域的两个重大事件是：域的两个重大事件是：198431991年，美国化学工程师协会年，美国化学工程师协会（AIChE）把国家项目委员会（）把国家项目委员会（NationalP

28、rogramCommittee）中的第二组由）中的第二组由“单单元操作组元操作组”更名为更名为“分离组分离组”，标志着，标志着单元操作向分离过程的过渡。单元操作向分离过程的过渡。1991年，美国化学工程年，美国化学工程师协师协会（会（AIChE）把国家）把国家项项目委目委员员会会44 对于大学教育来说，分离过程对于大学教育来说，分离过程是为数不多的带有纯粹工程特点是为数不多的带有纯粹工程特点的课程。同反应器和过程设计一的课程。同反应器和过程设计一样，分离过程是一门帮助化学工样，分离过程是一门帮助化学工程与工艺专业的学生建立起工程程与工艺专业的学生建立起工程概念的很好的课程。概念的很好的课程。对

29、对于大学教育来于大学教育来说说，分离，分离过过程是程是为为数不多的数不多的带带有有纯纯粹工程特点的粹工程特点的45SeparationprocessesThelegacySeparationprocessesThelega46ExamplesforearlyseparationtechniquesvSaltbyevaporatingseawater晒盐晒盐vMetalsextractedfromores冶金冶金vPerfumesextractedfromplants香料提取香料提取vVariousdrinks,medicinesextractedfromplants天然饮料和药物生产天然饮料和

30、药物生产vLiquorsdistilledfromplants果酒生产果酒生产Examplesforearlyseparation47SeparationsinModernChemicalIndustryCrucialinChemicalEngineeringMostequipments-purifyingproductsChemicalPlants50-90%capitalinvestment化工厂中分离设备投资约占化工厂中分离设备投资约占总投资的总投资的50509090 ！SeparationsinModernChemical48BasisofSeparationSize尺寸尺寸Shape

31、形状形状Charge荷电性荷电性Polarity极性极性Solubility溶解性溶解性Volatility挥发性挥发性Mobility 运动性运动性BasisofSeparationSize尺寸尺寸49DistillationSeparationdependsondistributionofcomponentsbetweengasandliquidphaseAllcomponentsdistributeatequilibriumGasphase-applicationofheatLiquidphase-removalofheatDistillationSeparationdepends50A

32、bsorption/StrippingGasmixturecontactedwithliquidAbsorption-dissolvingcomponentsofgasintoliquidStripping-masstransfergoesfromliquidtogasAbsorption/StrippingGasmixtur51AdsoprtionAsurfacephenomenonDependsonselectivebindingofasolutetoasurfaceUsedfor:GasseparationFractionationofindustrialchemicalWastetre

33、atmentDe-hydrationorde-humidificationofgasesWaterpurificationFractionationandrecoveryofbiopolymersAdsoprtionAsurfacephenomenon52ChromatographyUtilizesdifferentialmigrationvelocitiesofcomponentswithinaseparationdeviceAnovelseparationprocessUsedfor:PharmaceuticalandfinechemicalfractionationsBioseparat

34、ionEnvironmentalseparationsAnalysisofchemicalsDiagnosticsSampleanalysisforprocesscontrolChromatographyUtilizesdiffere53LiquidExtractionLiquidsolutioncontactedwithanotherinsolubleliquid.ConstituentsdistributedifferentlybetweenthetwoliquidphasesLiquidExtractionLiquidsoluti54Supercriticalfluidextractio

35、nAnovelseparationprocessUsedfor:Separationandpurificationofoils,flavoursandmedicinalcomponentsRemovalofgreasymaterialConversionofazeotropicwater-ethanolmixturetoananhydrousethanolFractionationandpurificationofpolymersSupercriticalfluidextraction55MembraneseparationprocessesNovelseparationprocessesUt

36、ilizesselectivebarrierUsedfor:BioseparationMedicalseparationsClarificationRecoveryofcellsfrombioreactorsWastetreatmentGasseparationMembraneseparationprocessesN56SeparationprocessesLiquid-liquidextraction液液萃取液液萃取Adsorption吸附吸附Filtration过滤过滤Solid-liquidextraction(leaching)固液萃取固液萃取Elutionchromatography

37、洗脱色谱洗脱色谱Membraneseparationprocesses膜分离膜分离Distillation精馏精馏Affinityseparationprocesses亲和分离亲和分离Dryingandevaporation干燥和蒸发干燥和蒸发Freeze-drying冷冻干燥冷冻干燥Precipitation沉淀沉淀Crystallization结晶结晶Electrophoresis电泳电泳Centrifugation离心分离离心分离Mechanicalsieving机械筛分机械筛分SeparationprocessesLiquid-liq57Technologicalandusematur

38、itiesofseparationprocessesTechnologicalandusematuriti58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、工业分离分离分离过过程的分程的分类级类级数：相数：相态态：单级单级、多、多级级固固固、固固、固液、固液、固气、气、59分离方法按机理的分类分离方法按机理的分类phasecreationMechanismofSeparationphas

39、eadditionbarriersolidagentforcefieldMostcommonGainingpopularityOfteninlabs分离方法按机理的分分离方法按机理的分类类phasecreationMechan60PhaseCreationPhaseAdditionPhaseCreationPhase1Phase2FeedSeparationbyphasecreationoraddition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PhaseCreationPhaseAdditionPh61Separationbybarrier通过障碍物分离通过障碍物分离Sepa

40、rationbybarrier62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分离分离过过程的分程的分类类有无有无传质发传质发生：机械分离、生：机械分离、传质传质分离分离处处理两相以上的理两相以上的63Classificatin of Separation OperationMechanicalSeparationprocesses(feedconsistingofmorethanonephaseofmatterandsimpl

41、yservestoseparationthephasesfromoneanother)HeterogeneousMixtureMasstransferSeparationprocesses(Thereisonlyonephaseinfeed)HomogeneousMixtureSettlingFiltrationCentrifugationVortrapSEPARATIONPROCESSESClassificatinofSeparationOp64MechanismofSeparationsUNMIXINGisnotaspontaneousprocessinnatureAprocessrequ

42、iringnoexternaldrivingforceReducesrandomnessandthustheentropyofthesystemSeparationsinvolvenonspontaneousprocessesUsuallythemixturetoseparateisahomogeneous,singlephase:Ifnot,thenoftenonewillphaseseparatefirstgravitycentrifugationfiltration.MechanismofSeparationsUNMI651.1 Classifications of Mass Trans

43、fer Separation Processes1.1ClassificationsofMassTr66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：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、电位差等）的作用下，利用各组分扩散速率的差位

44、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。如精馏、吸收、萃取、结晶、吸附等。如微滤、超滤、反渗透、电渗析等。如微滤、超滤、反渗透、电渗析等。按物理化学原理的不同，按物理化学原理的不同，传质传质分离可分分离可分为为：传质传质分离分离过过程的分程的分类类平衡平衡67MasstransferSeparationprocesses EquilibrationSeparationProcessesIfthemixturetobeseparatedisahomogeneoussingle-phasesolution,asecondphasemustge

45、nerallybedevelopedbeforeseparation,andthesubsequentseparationofchemicalspeciescanbeachievedbyemployingdifferenceinpartitionfordifferentspeciesbetweentwophases.Thissecondphasecanbecreatedbyanenergyseparationagent(ESA)orbyamassseparationagent(MSA).平衡分离过程平衡分离过程MasstransferSeparationproce68混合物混合物（气、液、固）

46、（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=ThermodyanmicsRate=Transport混合物（气、液、固）混合物（气、液、固）产产品品1能量分离能量分离剂剂ESA极限程度极限程度-69BackgroundMaterialforSeparationsThefundamentalsthatwewillapplytostudyseparationsinthiscourseinvolve:Materialsandenergybalan

47、ces:conservationofenergyandmatterThermodynamics:phaseequilibriumandsolutionthermodynamicsTransportphenomenaChemicalreactionkinetics:rateofconversionofonespeciestoanotherForthemostpartouranalysisofvariousseparationsprocesseswillfocusonusingphaseequilibriumandmaterialsandenergybalances.BackgroundMater

48、ialforSepara70AnMSAmaybepartiallyimmisciblewithoneormoreofthespeciesinthemixture.Inthiscase,theMSAisfrequentlytheconstituentofhighestconcentrationinthesecondphase.ApplicationofanESAinvolvesheattransferand/orworktransfertoorfromthemixturetobeseparated.Alternatively,asecondphasemaybecreatedbyreducingt

49、hepressure.ESA&MSAAnMSAmaybepartiallyimmisc71闪蒸闪蒸（Flash）部分冷凝部分冷凝（PartialCondensation）精馏精馏（Distillation）特殊精馏特殊精馏（EnhancedDistillation）萃取精馏萃取精馏（ExtractiveDistillation）共沸精馏共沸精馏（AzeotropicDistillation）萃取萃取（Extraction）、超临界流体萃取）、超临界流体萃取（SCFE）吸收吸收（Absorption）、解吸）、解吸（Desorption）结晶结晶（Crystallization）吸附吸附（Ads

50、orption）、离子交换）、离子交换（IonExchange）膜蒸馏、膜萃取、双水相萃取、反胶团萃取膜蒸馏、膜萃取、双水相萃取、反胶团萃取、变压吸附、变压吸附ExamplesofEquilibrationSeparationProcesses闪闪蒸蒸（Flash）ExamplesofEquilibr72Therate-governedseparationprocessesisusuallydiffusionundertheinfluenceofaconcentrationfield,temperaturedifference,electricalfield,etc.Aseparationof

51、speciescanbeachievedbasedondifferenceintransportrates.Separationprocessesproduceproductstreamswhicharethesamephaseoffeedstreamsandwhicharemisciblewithoneanother.Rate-governedSeparationProcesses速率分离过程速率分离过程在某种推动力（浓度差、压力差、温度差、电位差等）在某种推动力（浓度差、压力差、温度差、电位差等）的作用下，或在选择性透过膜的配合下，利用各组分的作用下，或在选择性透过膜的配合下，利用各组分扩

52、散速率的差异实现分离。扩散速率的差异实现分离。Therate-governedsepa73 膜分离过程示意膜分离过程示意膜分离膜分离过过程示意程示意74MembraneSeparationProcessesTheuseofmicroporousandnonporousmembranesassemipermeablebarriersforapplicationtodifficultandhighlyselectiveseparationisrapidlygainingadherentsinindustrialseparationprocesses.MembraneSeparationProces

53、ses75Forthemicroporousmembranes,separationiseffectedbydifferingratesofdiffusionthroughthepores;whilefornonporousmembranes,separationoccurbecauseofdifferenceinbothsolubilityinthemembraneandtherateofdiffusionthroughthemembrane.MembraneSeparationMechnismsForthemicroporousmembra76Solution-diffusionRestr

54、icteddiffusionDiffusionthroughporesBulkflowthroughporesSolution-diffusionRestrictedd77Diffusion through a membranemembranefeedpermeateDiffusionthroughamembraneme78Diffusion through a membranemembranefeedpermeatediffusionDiffusionthroughamembraneme79Diffusion through a membranemembranefeedpermeateDif

55、fusionthroughamembraneme80MicroporousMembraneSeparationMicroporousMembraneSeparatio81膜分离过程的主要特点膜分离过程的主要特点（1 1）多数膜分离过程无相变，一般能耗较低；）多数膜分离过程无相变，一般能耗较低；（2 2）一般无需另加物质，可节约资源，保护环境；）一般无需另加物质，可节约资源，保护环境；（3 3）分离与浓缩、分离与反应可同时进行，提高过）分离与浓缩、分离与反应可同时进行，提高过程效率；程效率；（4 4）通常在温和条件下进行，特别适用于热敏性物）通常在温和条件下进行，特别适用于热敏性物质分离；质分离

56、；（5 5）适用于特殊溶液体系分离，如共沸物或近沸物；）适用于特殊溶液体系分离，如共沸物或近沸物；（6 6）膜性能可灵活调节；）膜性能可灵活调节；（7 7）膜组件简单，可连续操作，易与其它过程耦合，）膜组件简单，可连续操作，易与其它过程耦合，易于自控和维修，易于放大。易于自控和维修，易于放大。膜分离膜分离过过程的主要特点（程的主要特点（1）多数膜分离）多数膜分离过过程无相程无相变变，一般能耗，一般能耗较较低低82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（Reve

57、rseOsmosis）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）主要的膜分离主要的膜分离过过程微程微滤滤（Microfiltration）83传质传质分离分离过过程程-课课件件84MembraneMaterialsMembranesareusuallyfabricatedfromnaturalfibers,syntheticpolymers,ceramics,ormetals,buttheymayalsoconsistofliquidfil

58、ms.MembraneMaterialsMembran85MembraneModulesSolidmembranesarefabricatedintoflatsheets,tubes,hollowfibers,orspiral-woundsheets.MembraneModulesSolidmembran86板框式板框式板框式板框式87管式管式管式管式88螺旋卷式螺旋卷式螺旋卷式螺旋卷式89中空纤维式中空纤维式中空中空纤维纤维式式90Summary1.Morethan25differentseparationoperationsarecommerciallyimportant.近近30种分离操

59、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.Themorewidelyusedseparationinvolvethetransferofspeciesbetweentwophases,oneofwhichiscreatedbyenergytran

60、sferorthereductionpressure,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。SummaryMorethan25different911.2 Research and Developmentin Separation Technology1.2ResearchandDevelopmenti92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。广泛，决定了分离技术的多

61、样性。KellerKeller于于19871987年总结了一些常用分年总结了一些常用分离技术和应用成熟度关系图。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。化工分离化工分离过过程的特点程的特点(1)化工分离技化工分离技术术的多的多样样性性93按放大容易程度按放大容易程度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

62、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按放大容易程度精按放大容易程度精馏馏94(2)(2)化工分离技化工分离技术的复的复杂性性 化工分离技化工分离技术的多的多样性决定了它的性决定了它的复复杂性。即使性。即使对于精于精馏、萃取、萃取这些些较为成熟的技成熟的技术，多，多组分体系大型分体系大型设备的的设计仍是一仍是一项困困难的工作，的工作，问题是缺乏基是缺乏

63、基础特性数据和大型塔器的可靠特性数据和大型塔器的可靠设计方法。方法。化工分离过程的特点化工分离过程的特点(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化工分离过过程的特点程的特点95 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，就连界面张散系数难以准确计算，就连界面张力粘度等物性数据也难以求得。力粘度等物性数据也难以求得。对对于高温、高于高温、高压压、多、多组组分和分和强强非理想体系，不非理想体系，不仅仅平衡数据和分子平衡数据和分子96 催化剂和反应萃取之类的耦合催化剂和反应萃取之类的耦合分离技

64、术的基础特性数据更为缺乏。分离技术的基础特性数据更为缺乏。大型塔器设计的放大的主要难度在大型塔器设计的放大的主要难度在于塔内两相流和传质特性十分复杂，于塔内两相流和传质特性十分复杂，数字模型尚不完善。沿用了百余年数字模型尚不完善。沿用了百余年的平衡级模型虽然简单直观，但用的平衡级模型虽然简单直观，但用于多组分分离过程的缺点已显而易于多组分分离过程的缺点已显而易见。见。催化催化剂剂和反和反应应萃取之萃取之类类的耦合分离技的耦合分离技术术的基的基础础特性数据更特性数据更为为97 非平衡模型被称为非平衡模型被称为 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

65、，但缺乏传质系数实验数据和模显著，但缺乏传质系数实验数据和模型参数过多，使其工程应用存在困难。型参数过多，使其工程应用存在困难。已开发出的软件功能强大，已在工程已开发出的软件功能强大，已在工程设计中得到应用，但工程经验和中试设计中得到应用，但工程经验和中试实验仍是不可缺少的。实验仍是不可缺少的。非平衡模型被称非平衡模型被称为为可能开可能开创创板式分离板式分离设备设计设备设计和模和模拟拟新新纪纪98(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。石化领域的

66、分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能和降耗，充分利离过程必需进一步节能和降耗，充分利用能源和资源。生产装置大型化步伐正用能源和资源。生产装置大型化步伐正在加快，能耗和成本不断降低。在加快，能耗和成本不断降低。化工分离过程的特点化工分离过程的特点(3)分离技分离技术术的广适性的广适性化工分离化工分离过过程的特点程的特点99 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。利用到迅速发展。利用COCO2 2作为溶剂的超临作为溶剂的超临萃取具有不污染产品和选择性高等优萃取具有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点。色谱分离、电泳分离等方法由于其高效、常温常压特点而成功地应用其高效、常温常压特点而成功地应用于实验室研究和生产。于实验室研究和生产。在生物制在生物制药药工程方面，随着基因工程和工程方面，随着基因工程和细细胞工程的胞工程的发发展，生展，生100 随着环境意识的加强，随着环境意识的加强，三废三废 处理引起了重视。从工业生态学的处理引起了重视。从工业生态学的角度分析