现代化工分离技术ppt课件

九组作品九组作品2013.3.20 化工分离技术是化学工程的一个重要分支，任何化工生产过程都离不开这种技术。绝大多数反应过程的原料和反应所得到的产物都是混合物，需要利用体系中各组分物性的差别或借助于分离剂使混合物得到分离提纯。随着对产品的质量及物质纯度的要求随之提高，同时煤炭与石油危机所引起的能源危机对资源利用与清洁生产也提出了要求。正因为如此，推动了人们对新型分离技术不懈的探索。一些常规分离技术，如蒸馏、吸收、萃取等不断改进、完善和发展，并使一些特色明显的新型分离技术，如膜分离、泡沫分离、超临界流体萃取以及耦合技术等得到重视和发展。化工分离中的三类分离方法化工分离中的三类分离方法 平衡分离：精馏、吸收、萃取、吸附、结晶、干燥、气体膜分离、渗透汽化膜分离、液膜分离、泡沫分离、离子交换等。速率分离：离心、沉降、过滤、超滤、微滤、纳滤、反渗透、电泳等。耦合分离：反应精馏、化学吸收、膜萃取、膜精馏、膜吸收等。发展趋势 从近年的发展来看，国内外在化工分离的前沿研究和开发可以总结为：（1）新型分离技术的研究与应用，比如膜分离技术、超临界流体技术等；（2）传统或新型分离方法或与其他强化手段的耦合分离技术，比如特殊精馏、外长强化分离、膜精馏等；（3）分离方法先进设计（软件为工具）、先进控制和安全评估。超临界CO2 萃取技术 膜分离技术：纳滤膜分离 分子蒸馏2.超临界超临界CO2萃取原萃取原理理1.概述概述3.超临界超临界CO2流体萃流程图流体萃流程图4.应用及特点应用及特点概述 超临界流体二氧化碳萃取（超临界流体二氧化碳萃取（supercritical CO2 extraction,CO2-SFE或或CO2-SCFE）技术是超临界流）技术是超临界流体萃取体萃取(superccritical fluid extraction,SCEF或或SEF)技术的一种。技术的一种。由于由于CO2具有具有无毒、无味、无臭、化学惰性，超临无毒、无味、无臭、化学惰性，超临界点低界点低(Tc=311,Pc=728 MPa），不污染环境和产），不污染环境和产品，廉价易得，不易燃易爆，使用安全品，廉价易得，不易燃易爆，使用安全等诸多优点，等诸多优点，所以所以CO2已经成为工业上首选的绿色萃取剂，成为超已经成为工业上首选的绿色萃取剂，成为超临界萃取技术中最重要的应用技术之一。临界萃取技术中最重要的应用技术之一。CO2-SFE的研究在国内研究起步晚，现在有关的研究在国内研究起步晚，现在有关CO2-SFE的的应用主要集中在环境，放射金属离子萃取，应用主要集中在环境，放射金属离子萃取，油脂工业油脂工业.超临界流体的主要特性 超临界流体的主要特性：密度类似液体，因而类似液体，因而溶剂化能力很强，压力，压力和温度微小变化可导致其密度显著变化；和温度微小变化可导致其密度显著变化；粘度接接近于气体近于气体,具有具有很强传递性能和运动速度；扩散系数比气体小，但比液体高一到两个数量级；比气体小，但比液体高一到两个数量级；介电常数，极化率和和分子行为与气液两相均有着明显与气液两相均有着明显的差别的差别;超临界流体的极性可以改变，在一定温度条超临界流体的极性可以改变，在一定温度条件下，只要改变压力或加入适宜的夹带剂即可提件下，只要改变压力或加入适宜的夹带剂即可提取不同极性的物质，可选择范围广。取不同极性的物质，可选择范围广。CO2本身是本身是非极性的，可以在超临界非极性的，可以在超临界CO2流体中加入一些流体中加入一些CH3OH，则可以萃取一些极性的化合物。，则可以萃取一些极性的化合物。超临界技术原理 超临界二氧化碳萃取分离过程的原理是利用超临界二氧化碳对某些特殊天然产物具有特殊溶解作用，利用超临界二氧化碳的溶解能力与其密度的关系。即利用压力和温度对超临界二氧化碳溶解能力的影响而进行的。在超临界状态下，将超临界二氧化碳与待分离的物质接触，使其有选择性地把极性大小、沸点高低和分子量大小的成分依次萃取出来。当然，对应各压力范围所得到的萃取物不可能是单一的，但可以控制条件得到最佳比例的混合成分，然后借助减压、升温的方法使超临界流体变成普通气体，被萃取物质则完全或基本析出，从而达到分离提纯的目的，所以超临界流体二氧化碳萃取过程是由萃取和分离组合而成的。流量计CO2钢瓶冷箱泵泵流量计分离分离萃取混合精馏柱携带剂超临界超临界CO2萃取基本流程图萃取基本流程图与传统工艺比较的优势 工业上，传统工艺中大都根据相似相溶原理采用有机溶剂作为萃取剂，但是有机溶剂在液液萃取或是固相萃取中总会或多或少带来一些环境问题，比如比较显著的废溶剂的回收问题。二次污染严重影响人们的日常生活和工作，CO2是较容易提纯与分离的气体,因此萃取物几乎无溶剂残留,也避免了溶剂对人体的毒害和对环境的污染。如脱去咖啡中的有害成分咖啡因，传统的萃取剂为有毒副作用的二氯乙烷，产生二次污染，而采用超临界CO2作为萃取剂，当有机物质荣誉超临界二氧化碳时，很容易回收，也容易操作，避免了二次污染。特点(1)可以在接近室温(35-40)及CO2气体笼罩下进行提取，有效地防止了热敏性物质的氧化和逸散。因此，在萃取物中保持着药用植物的全部成分，而且能把高沸点，低挥发度、易热解的物质在其沸点温度以下萃取出来；(2)使用SFE是最干净的提取方法,由于全过程不用有机溶剂,因此萃取物绝无残留溶媒,同时也防止了提取过程对人体的毒害和对环境的污染,是100%的纯天然；(3)萃取和分离合二为一，当饱含溶解物的CO2-SCF流经分离器时，由于压力下降使得CO2与萃取物迅速成为两相（气液分离）而立即分开，不仅萃取效率高而且能耗较少，节约成本；(4)CO2是一种不活泼的气体,萃取过程不发生化学反应,且属于不燃性气体,无味、无臭、无毒，故安全性好；(5)CO2价格便宜，纯度高，容易取得，且在生产过程中循环使用，从而降低成本；(6)压力和温度都可以成为调节萃取过程的参数。通过改变温度或压力达到萃取目的。压力固定，改变温度可将物质分离；反之温度固定，降低压力使萃取物分离，因此工艺简单易掌握，而且萃取速度快。优点和局限优点和局限性性局限性局限性 涉及高压系统涉及高压系统,大规模使大规模使用时其工艺过程和技术的用时其工艺过程和技术的要求高要求高,设备费用也大设备费用也大 优点优点 提取率高、操作温度低、中药提取率高、操作温度低、中药有效成分不被破坏、无有机溶剂有效成分不被破坏、无有机溶剂残留、工艺简单。残留、工艺简单。该技术对中药挥发油、脂肪油该技术对中药挥发油、脂肪油、香豆素、萜类、生物碱和醌类、香豆素、萜类、生物碱和醌类等有效成分的提取分离等有效成分的提取分离,基本可以基本可以独立完成独立完成,具有其他技术无可比拟具有其他技术无可比拟的优越性的优越性制冷制冷MVC-760L 压缩机压缩机 二氧化碳循环泵二氧化碳循环泵 萃取釜萃取釜 国外应用 超临界CO2萃取技术的一次性设备投资较大给普及带来一定困难，但工业生产的实践表明，操作费用较传统方法低，产品质量高，后处理费用低，经济上仍是划算的。国内应用 我国超临界超临界二氧化碳萃取技术起步于我国超临界超临界二氧化碳萃取技术起步于20世世纪纪80年代初期，经过年代初期，经过10多年的发展，该技术正处于方多年的发展，该技术正处于方兴未艾的状态。兴未艾的状态。90年代该技术开始广泛被引进用于中年代该技术开始广泛被引进用于中药提取领域。由前所述超临界二氧化碳在中药提取中药提取领域。由前所述超临界二氧化碳在中药提取中的优越性，此技术中药有效成分提取中的应用范围得的优越性，此技术中药有效成分提取中的应用范围得到了扩张到了扩张.目前，国内外采用目前，国内外采用CO2超临界萃取技术可利用的超临界萃取技术可利用的资源有：紫杉、黄芪、人参叶、大麻、香獐、青蒿草、资源有：紫杉、黄芪、人参叶、大麻、香獐、青蒿草、银杏叶、川贝草、桉叶、玫瑰花、樟树叶、茉莉花、银杏叶、川贝草、桉叶、玫瑰花、樟树叶、茉莉花、花椒、八角、桂花、生姜、大蒜、辣椒、桔柚皮、啤花椒、八角、桂花、生姜、大蒜、辣椒、桔柚皮、啤酒花、芒草、香茅草、鼠尾草、迷迭香、丁子香、豆酒花、芒草、香茅草、鼠尾草、迷迭香、丁子香、豆蔻、沙棘、麦、玉米、米糠、鱼、烟草、茶叶、煤、蔻、沙棘、麦、玉米、米糠、鱼、烟草、茶叶、煤、废油等。废油等。应用前景应用前景 SC-CO2技术作为一种新的一种萃取技术，可以提高化学过程的效率，大大减少使用有机溶剂造成的环境污染，降低核废料后期处理的费用，而萃取率却没有降低，对于核工业的发展有着非常广阔的应用前景。但是，SC-CO2萃取技术仍然处于研究阶段，要将SC-CO2技术运用到实际核废料处理过程中还需进一步开展基础和工艺技术方面研究。开发效率更高的螯合剂和研究SC-CO2萃取放射性元素过程中影响萃取效率的种种因素是发展核废料处理方法的重要方向。用SC-CO2技术进行核废料后期处理可以大量减少放射性溶剂的污染。由于SC-CO2的独特性能，它作为回收方案中的负载溶剂比传统的普勒克斯（Purex）型溶剂溶剂萃取更有优势。一、概述一、概述二、膜分离分类二、膜分离分类三、纳滤膜分离三、纳滤膜分离 膜分离是在20世纪初出现，20世纪60年代后迅速崛起的一门分离新技术。膜分离技术由于兼有分离、浓缩、纯化和精制的功能，又有高效、节能、环保、分子级过滤及过滤过程简单、易于控制等特征。因此，目前已广泛应用于食品、医药、生物、环保、化工、冶金、能源、石油、水处理、电子、仿生等领域，产生了巨大的经济效益和社会效益，已成为当今分离科学中最重要的手段之一。重要组成重要组成膜膜 膜是具有选择性分离功能的材料。利用膜的选择性分离实现料液的不同组分的分离、纯化、浓缩的过程称作膜分离。它与传统过滤的不同在于，膜可以在分子范围内进行分离，并且这过程是一种物理过程，不需发生相的变化和添加助剂。膜的孔径一般为微米级，依据其孔径的不同（或称为截留分子量），可将膜分为微滤膜、超滤膜、纳滤膜和反渗透膜，根据材料的不同，可分为无机膜和有机膜，无机膜主要还只有微滤级别的膜，主要是陶瓷膜和金属膜。有机膜是由高分子材料做成的，如醋酸纤维素、芳香族聚酰胺、聚醚砜、聚氟聚合物等等。（一）膜的结构及分类 1.膜应具备的特性：膜通量大，即在单位时间内膜透过的液体量应足够大；截留率适宜，要求对杂质有较大的截留率，对药物成分的截留率较低；机械强度高，耐冲击；化学稳定性好；抗污染能力强；孔径分布窄，截留效率高；易于维护与更换，能做到随装置规模的改变而改变；自动化水平高。微滤（微滤（MF）又称微孔过滤，它属于精密过滤，其基本原理是筛孔分离过程。微滤膜的材质分为有机和无机两大类，有机聚合物有醋酸纤维素、聚丙烯、聚碳酸酯、聚砜、聚酰胺等。无机膜材料有陶瓷和金属等。鉴于微孔滤膜的分离特征，微孔滤膜的应用范围主要是从气相和液相中截留微粒、细菌以及其他污染物，以达到净化、分离、浓缩的目的。对于微滤而言，膜的截留特性是以膜的孔径来表征，通常孔径范围在0.11微米，故微滤膜能对大直径的菌体、悬浮固体等进行分离。可作为一般料液的澄清、保安过滤、空气除菌。超滤（超滤（UF）是介于微滤和纳滤之间的一种膜过程，膜孔径在0.05um至1nm之间。超滤是一种能够将溶液进行净化、分离、浓缩的膜分离技术，超滤过程通常可以理解成与膜孔径大小相关的筛分过程。以膜两侧的压力差为驱动力，以超滤膜为过滤介质，在一定的压力下，当水流过膜表面时，只允许水及比膜孔径小的小分子物质通过，达到溶液的净化、分离、浓缩的目的。对于超滤而言，膜的截留特性是以对标准有机物的截留分子量来表征，通常截留分子量范围在1000300000，故超滤膜能对大分子有机物（如蛋白质、细菌）、胶体、悬浮固体等进行分离，广泛应用于料液的澄清、大分子有机物的分离纯化、除热源。纳滤（纳滤（NF）是介于超滤与反渗透之间的一种膜分离技术，其截留分子量在801000的范围内，孔径为几纳米，因此称纳滤。基于纳滤分离技术的优越特性，其在制药、生物化工、食品工业等诸多领域显示出广阔的应用前景。对于纳滤而言，膜的截留特性是以对标准NaCl、MgSO4、CaCl2溶液的截留率来表征，通常截留率范围在6090%，相应截留分子量范围在1001000，故纳滤膜能对小分子有机物等与水、无机盐进行分离，实现脱盐与浓缩的同时进行。反渗透（反渗透（RO）是利用反渗透膜只能透过溶剂（通常是水）而截留离子物质或小分子物质的选择透过性，以膜两侧静压为推动力，而实现的对液体混合物分离的膜过程。反渗透是膜分离技术的一个重要组成部分，因具有产水水质高、运行成本低、无污染、操作方便运行可靠等诸多优点，而成为海水和苦咸水淡化，以及纯水制备的最节能、最简便的技术.目前已广泛应用于医药、电子、化工、食品、海水淡化等诸多行业。反渗透技术已成为现代工业中首选的水处理技术。反渗透的截留对象是所有的离子，仅让水透过膜，对NaCl的截留率在98%以上，出水为无离子水。反渗透法能够去除可溶性的金属盐、有机物、细菌、胶体粒子、发热物质，也即能截留所有的离子，在生产纯净水、软化水、无离子水、产品浓缩、废水处理方面反渗透膜已经应用广泛，如垃圾渗滤液的处理。纳滤膜nanofiltration membrane 纳滤膜：是允许溶剂分子或某些低分子量溶质或低价离子透过的一种功能性的半透膜。它是一种特殊而又很有前途的分离膜品种，它因能截留物质的大小约为纳米而得名，它截留有机物的分子量大约为150500左右，截留溶解性盐的能力为298%之间，对单价阴离子盐溶液的脱盐低于高价阴离子盐溶液。被用于去除地表水的有机物和色度，脱除地下水的硬度，部分去除溶解性盐，浓缩果汁以及分离药品中的有用物质等。纳滤过程的关键是纳滤膜 对膜材料的要求是：具有良好的成膜性、热稳定性、化学稳定性、机械强度高、耐酸碱及微生物侵蚀、耐氯和其它氧化性物质、有高水通量及高盐截留率、抗胶体及悬浮物污染，价格便宜且采用的纳德膜多为芳香族及聚酸氢类复合纳德膜。应用领域应用领域 纳滤膜的应用范围很广泛，主要包括以下一些方面：1、地下水除硬度 2、地表水除有机物、色度 3、油水分离 4、乙二醇回收 5、硫酸铜回收 6、有机、无机液体分离、浓缩 7、染料提纯、浓缩、脱盐 8、天然药物分离、浓缩 9、发酵液浓缩软化软化膜软化水主要是利用纳滤膜对不同价态离子的选择透过特性而实现对水的软化。膜软化在去硬度的同时，还可以去除其中的浊度、色度和有机物，其出水水质明显优于其他软化工艺。而且膜软化具有无须再生、无污染产生、操作简单、占地面积省等优点，具有明显的社会效益和经济效益。去除水中有机物去除水中有机物纳滤膜在饮水处理中除了软化之外，多用于脱色、去除天然有机物与合成有机物(如农药等)、三致物质、消毒副产物(三卤甲烷和卤乙酸)及其前体和挥发性有机物，保证饮用水的生物稳定性等。三致物质的去除三致物质的去除消毒副产物及其前体物的去除消毒副产物及其前体物的去除消毒副产物主要包括三卤甲烷(THMs)、卤乙酸(HAAs)和可能的三氯乙醛氢氧化物(CH)。此外，纳滤出水是低腐蚀性的，对饮用水管网的使用期和管道金属离子的溶出有正面的影响，有利于保护配水系统的所有材科。挥发性有机物挥发性有机物(VOC)的去除的去除对饮用水中痕量挥发性有机物具有较高的去除率。在管道直饮水中的应用在管道直饮水中的应用纳滤可以截留二价以上的离子和其他颗粒，所透过的只有水分子和一些一价的离子(如钠、钾、氯离子)。纳滤可以用于生产直饮水，出水中仍保留一定的离子，并可降低处理费用。采用纳滤膜分离技术浓缩提纯的优点：1)、能耗极低，节省浓缩过程成本；2)、过程无化学反应、无相变化，不带入其他杂质及造成产品的分解变性；3)、在常温下达到浓缩提纯目的，不造成有效成分的破坏，工艺过程收率高；4)、可完全脱除产品的盐分，减少产品灰分，提高产品纯度；5)、可回收溶液中的酸、碱、醇等物质；6)、设备结构简洁紧凑，占地面积小；7)、操作简便，可实现自动化作业，稳定性好，维护方便。l纳滤膜分离技术常被用于取代传统工艺中的冷冻干燥、薄膜蒸发、离子交换除盐、树脂工艺浓缩、中和等工艺过程。一、概述二、原理三、过程四、应用五、与普通蒸馏的比较一、概述 分子蒸馏是一种在高真空下操作的蒸馏方法，这时蒸气分子的平均自由程大于蒸发表面与冷凝表面之间的距离，从而可利用料液中各组分蒸发速率的差异，对液体混合物进行分离。在一定温度下，压力越低，气体分子的平均自由程越大。当蒸发空间的压力很低（10-2 10-4 mmHg），且使冷凝表面靠近蒸发表面，其间的垂直距离小于气体分子的平均自由程时，从蒸发表面汽化的蒸气分子，可以不与其他分子碰撞，直接到达冷凝表面而冷凝。二、原理 分子蒸馏是一种特殊的液-液分离技术，它不同于传统蒸馏依靠沸点差分离原理，而是靠不同物质分子运动平均自由程的差别实现分离。当液体混合物沿加热板流动并被加热，轻、重分子会逸出液面而进入气相，由于轻、重分子的自由程不同，因此，不同物质的分子从液面逸出后移动距离不同，若能恰当地设置一块冷凝板，则轻分子达到冷凝板被冷凝排出，而重分子达不到冷凝板沿混合液排出。这样，达到物质分离的目的。三、过程三、过程 分子流从加热面直接到冷凝器表面。分子蒸馏过程 可发如下四步：1、分子从液相主体向蒸发表面扩散、分子从液相主体向蒸发表面扩散 2、分子在液层表面上的自由蒸发、分子在液层表面上的自由蒸发 3、分子从蒸发表面向冷凝面飞射、分子从蒸发表面向冷凝面飞射 4、分子在冷凝面上冷凝、分子在冷凝面上冷凝四、应用（一）食品工业 1、单甘酯的生产 分子蒸馏技术广泛应用于食品工业,主要用于混合油脂的分离。2、鱼油的精制 从动物中提取天然产物,也广泛采取分子蒸馏技术,如精制鱼油等8。3、油脂脱酸 4、高碳醇的精制（二）在精细化工中的应用 1、芳香油的提纯 2、高聚物中间体的纯化 3、羊毛脂的提取（三）医药工业 利用分子蒸馏技术,在医药工业中可提取天然维生素A、维生素E;制取氨基酸及葡萄糖的衍生物;以及胡萝卜和类胡萝卜素等。五、与普通蒸馏的比较五、与普通蒸馏的比较 1、普通蒸馏在沸点温度下进行分离，分子蒸馏可以在任何温度下进行，只要冷热两面间存在着温度差，就能达到分离目的。2、普通蒸馏是蒸发与冷凝的可逆过程，液相和气相间可以形成相平衡状态；而分子蒸馏过程中，从蒸发表面逸出的分子直接飞射到冷凝面上，中间不与其它分子发生碰撞，理论上没有返回蒸发面的可能性，所以，分子蒸馏过程是不可逆的。3、普通蒸馏有鼓泡、沸腾现象；分子蒸馏过程是液层表面上的自由蒸发，没有鼓泡现象。4、表示普通蒸馏分离能力的分离因素与组元的蒸汽压之比有关，表示分子蒸馏分离能力的分离因素则与组元的蒸汽压和分子量之比有关，并可由相对蒸发速度求出。5、蒸馏温度低，分子蒸馏是在远低于沸点的温度下进行操作的，只要存在温度差就可以达到分离目的，这是分子蒸馏与常规蒸馏的本质区别。6、蒸馏真空度高，分子蒸馏装置其内部可以获得很高的真空度，通常分子蒸馏在很低的压强下进行操作，因此物料不易氧化受损。7、蒸馏液膜薄,传热效率高。8、物料受热时间短，受加热的液面与加冷凝面之间的距离小于轻分子的平均自由程，所以由液面逸出的轻分子几乎未经碰撞就达到冷凝面。因此，蒸馏物料受热时间短，在蒸馏温度下停留时间一般几秒至几十秒之间，减少了物料热分解的机会。9、分离程度更高，分子蒸馏能分离常规不易分开的物质。10、没有沸腾鼓泡现象，分子蒸馏是液层表面上的自由蒸发，在低压力下进行，液体中无溶解的空气，因此在蒸馏过程中不能使整个液体沸腾，没有鼓泡现象。11、无毒、无害、无污染、无残留，可得到纯净安全的产物，且操作工艺简单，设备少。分子蒸馏技术能分离常规蒸馏不易分离的物质。12、分子蒸馏设备价格昂贵，分子蒸馏装置必须保证体系压力达到的高真空度，对材料密封要求较高，且蒸发面和冷凝面之间的距离要适中，设备加工难度大，造价高。13、产品耗能小，由于分子蒸馏整个分离过热损失少，且由于分子蒸馏装置独特的结构形式,内部压强极低,内部阻力远比常规蒸馏小,因而可大大节省能耗。优势优势 从分子蒸馏技术以上的特点可知,它在实际工业化的应用中比常规蒸馏技术具有以下明显的优势:(1)对于高沸点、热敏及易氧化物料的分离,分子蒸馏提供了最佳分离方法。因为分子蒸馏在远低于物料沸点的温度下操作,而且物料停留时间短;(2)分子蒸馏可极有效地脱除液体中的物质如有机溶剂、臭味等,这对于采用溶剂萃取后液体的脱溶是非常有效的方法;(3)分子蒸馏可有选择地蒸出目的产物,去除其它杂质,通过多级分离可同时分离2种以上的物质;(4)分子蒸馏的分馏过程是物理过程,因而可很好地保护被分离物质不受污染和侵害。综上所述，分子蒸馏技术作为一种特殊的新型分离技术,主要应用于高沸点、热敏性物料的提纯分离。实践证明,此技术不但科技含量高,而且应用范围广,是一项工业化应用前景十分广阔的高新技术。它在天然药物活性成分及单体提取和纯化过程的应用还刚刚开始,尚有很多问题需要进一步探索和研究.参考文献 徐连英等.中成药，2000.22（1）:621 Schneider G M,et al.Verlag chemie We in beim,1980，5 许有玲.世界科学技术中药现代化，1991（4）:32-28 李国忠，李楠，保宇等.化学工程，1994,33（5）:26 贡长生，张克立.绿色化工实用技术.北京：化学工业出版社.2002 詹益兴.绿色化工.长沙湖南大学出版社.2001 朱宪.绿色化学工艺.北京：化学工业出版社.2001 化工分离前沿 李军 卢英华主编 厦门大学出版社