分离工程课件

本课程的任务和内容本课程的任务和内容地位：专业基础课地位：专业基础课前期课程：前期课程：物理化学、化工原理、化工热力学物理化学、化工原理、化工热力学重点：重点：1.基本概念的理解基本概念的理解 2.讨论各种分离方法的特征讨论各种分离方法的特征 3.对设计、分析能力的训练对设计、分析能力的训练 4.提高解决问题能力提高解决问题能力本课程的任务和内容地位：专业基础课1学生应掌握：学生应掌握：分离过程的基本理论分离过程的基本理论 简捷和严格计算方法简捷和严格计算方法 强化、改进操作途径强化、改进操作途径 对新分离技术有一定了解对新分离技术有一定了解学生应掌握：2教材：陈洪钫,刘家祺.化工分离过程.北京:化学工业出版社,2019主要参考书:刘家祺.传质分离过程.北京:化学工业出版社,2019刘家祺.分离过程.北京:化学工业出版社,2019贾绍义，柴诚敬.化工传质与分离过程.北京:化学工业出版社,2000教材：3返回返回4分离工程课件5 6第一章第一章 绪绪 论论u1.1分离过程在工业生产中的地位和分离过程在工业生产中的地位和作用作用u1.2 传质分离过程的分类和特征u1.3.分离过程的集成化分离过程的集成化u1.4.化工分离过程的发展前景化工分离过程的发展前景 学习方法与要求学习方法与要求第一章 绪 论1.1分离过程在工业生产中的地位和作用71.1 分离过程在工业生产中的地位和分离过程在工业生产中的地位和作用作用 1.1.1分离过程在化工生产中的重要分离过程在化工生产中的重要性性 1.1.2 分离过程在清洁工艺中的地分离过程在清洁工艺中的地位与作用位与作用返回1.1 分离过程在工业生产中的地位和作用返回8什么叫分离过程？什么叫分离过程？u借助一定的分离剂，实现混合物中的组分借助一定的分离剂，实现混合物中的组分分级、浓缩、富集、纯化、精制与隔离等分级、浓缩、富集、纯化、精制与隔离等的过程。的过程。什么叫分离过程？借助一定的分离剂，实现混合物中的组分分级、浓9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：一般化工生产过程：煤反应化工分离产品一般化工生产过程：10u例例1：乙烯水合生产乙醇乙烯水合生产乙醇1-固定床催化反应器；固定床催化反应器；2-分凝器；分凝器；3、5、9-吸收塔；吸收塔；4-闪蒸塔；闪蒸塔；6-粗馏塔；粗馏塔；7-催化加氢反应器；催化加氢反应器；8-脱轻组分塔；脱轻组分塔；10-产品塔产品塔涉及分离过程：涉及分离过程：吸收：吸收：3、5、9；精馏：精馏：6、8、10；闪蒸：闪蒸：4乙乙烯烯93%产品产品废水废水乙乙醛醛12345678910水循环乙烯循环乙烯水水放放空空放放空空水水氢氢水水废水废水例1：乙烯水合生产乙醇1-固定床催化反应器；2-分凝器；3、11u例例2：二甲苯生产二甲苯生产1-重整反应器；重整反应器；2、13-汽液分离器；汽液分离器；3-压缩机；压缩机；4-脱丁烷塔；脱丁烷塔；5-萃取塔萃取塔6-再生塔；再生塔；7-甲苯塔；甲苯塔；8-二甲苯回收塔；二甲苯回收塔；9-冷却器；冷却器；10-结晶器；结晶器；11-异构化反应器；异构化反应器；12-熔融塔熔融塔放放空空间二甲苯间二甲苯和邻二甲和邻二甲苯苯石脑油石脑油进料进料混合二甲苯混合二甲苯循环混合二甲苯循环混合二甲苯125678104111391233轻烃类轻烃类非芳烃非芳烃乙二醇乙二醇芳烃芳烃苯和甲苯苯和甲苯对二甲苯对二甲苯重芳烃重芳烃H2H2H2例2：二甲苯生产1-重整反应器；2、13-汽液分离器；3-压12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邻二甲苯间二甲苯间二甲苯对二甲苯对二甲苯沸点沸点144.411139.104138.351熔点熔点25.17347.87213.263 原料：石脑油 沸程120230K 特点：涉及到分离过程：精馏：4、7、8 萃取：5、6 结晶：10加氢重整后得到：轻油 非芳烃 目的产物 目13总总 结：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 三废处理返回总 结：返回141.1.2 分离过程在清洁工艺中的分离过程在清洁工艺中的地位与作用地位与作用 清洁工艺：清洁工艺：生产工艺和防治污染有机的结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。合，将污染物减少或消灭在工艺过程中。面向面向21世纪社会和经济可持续发展的世纪社会和经济可持续发展的重大课题。重大课题。1.1.2 分离过程在清洁工艺中的地位与作用15化学工业污染来源：化学工业污染来源：u未回收的原料未回收的原料u未回收的产品未回收的产品u有用和无用的副产有用和无用的副产u原料中的杂质原料中的杂质u工艺的物料省耗工艺的物料省耗化学工业污染来源：未回收的原料16 废物最小化？废物最小化？废物最小化？17清洁工艺终合考虑：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 废物最小化首先考虑催化剂、反应工艺和设备。清洁工艺终合考虑：18与化工分离过程密切相关的有：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；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，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；以控制和消除污染；采用生产装置的闭路循环技术；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；环境的危害；研究、开发和采用低物耗、低能耗、高效率的研究、开发和采用低物耗、低能耗、高效率的“三废三废”治理技术。治理技术。与化工分离过程密切相关的有：19闭路循环系统：闭路循环系统：将过程所产生的废物最大限度地回收和将过程所产生的废物最大限度地回收和循环使用。循环使用。原原料料产品产品排除排除111222废废物物废废物物1单元过程；2处理闭路循环系统：原料产品排除111222废物废物1单元过程；20实现分离与再循环系统使废物最小化的方法：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：废水例：废水进料提纯进料提纯 例：氧化反应采用纯氧例：氧化反应采用纯氧除去分离过程中加入的附加物质除去分离过程中加入的附加物质 例：共沸剂、萃取剂例：共沸剂、萃取剂附加分离与再循环系统附加分离与再循环系统 例：分离废物中的有效物，循环使用例：分离废物中的有效物，循环使用实现分离与再循环系统使废物最小化的方法：21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；返回上述原因促使：返回22 1.2 传质分离过程的分类和特征一类：机械分离特点：被分离物为非均相 简单的将混合物分开 如：过滤、沉降化工原理内容二类：传质分离 包含：平衡分离过程；速率控制分离 特点：被分离物为均相 1.2 传质分离过程的分类和特征一类：机械分离特点231.2 传质分离过程的分类和特征u1.2.1 平衡分离过程u1.2.2 速率分离过程速率分离过程返回1.2 传质分离过程的分类和特征1.2.1 平衡分离过程241.2.1 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。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：25平衡分离过程的分离单元操作平衡分离过程的分离单元操作闪闪蒸蒸原料原料相态：相态：液体液体分离媒分离媒介：介：减压减压分离原分离原理：理：挥发度挥发度（蒸汽压）（蒸汽压）有较大差有较大差别别工业应工业应用：用：海水淡化生海水淡化生产纯水；吸产纯水；吸收液的解吸。收液的解吸。精精馏馏原料原料相态：相态：汽、液汽、液或汽液或汽液混合物混合物分离媒介：分离媒介：热量，有时热量，有时用机械功用机械功 同上同上石油裂解气石油裂解气的深冷分离；的深冷分离；苯、甲苯、苯、甲苯、二甲苯的分二甲苯的分离。离。平衡分离过程的分离单元操作原料分离媒介：分离原理：工业应用：26吸吸收收蒸蒸出出原料原料相态：相态：气体或气体或 液体液体分离媒分离媒介：介：液体吸收液体吸收剂剂（MSA）；）；加入热量加入热量（ESA）分离原分离原理：理：挥发度挥发度（蒸汽压）（蒸汽压）有较大差有较大差别别工业应工业应用：用：由催化裂化由催化裂化装置主蒸塔装置主蒸塔顶产物中回顶产物中回收乙烷及较收乙烷及较轻的烃。轻的烃。萃萃取取或或共共沸沸精精馏馏原料原料相态：相态：汽、液汽、液或汽液或汽液混合物混合物液体溶剂液体溶剂（MSA）或）或塔釜加热塔釜加热（ESA）液体共沸剂液体共沸剂（MSA）或）或塔釜加热塔釜加热（ESA）改变原溶改变原溶液的相对液的相对挥发度挥发度 以苯酚作溶以苯酚作溶剂由沸点相剂由沸点相近的非芳烃近的非芳烃中分离芳烃；中分离芳烃；以醋酸丁酯以醋酸丁酯作共沸剂从作共沸剂从稀溶液中分稀溶液中分离醋酸。离醋酸。MSAL或VLLL或VMSALV返回原料分离媒介：分离原理：工业应用：萃取或共沸精馏原料液体溶剂271.2.2 1.2.2 速率分离过程速率分离过程膜分离膜分离场分离场分离1.2.2 速率分离过程膜分离28速率分离速率分离:利用溶液中不同组分在某种推动力（浓度差、压力差、温度差、电位差等）作用下，经过某种介质（半透膜）时的传质速率（透过率、迁移率、扩速率）差异而实现分离。速率分离:29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，气体脱离子微孔过滤（MF）：推动力：压力差（100kPa）30超滤（UF）：推动力：压力差（1001000kPa）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。超滤（UF）：推动力：压力差（1001000kPa）进料溶31反渗透（RO）：推动力：压力差（100010000kPa）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。反渗透（RO）：推动力：压力差（100010000kPa）32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。渗析（D）：推动力：浓度差进料接受液净化液扩散液目的：大分子33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浓电解质极极产品产品阴离子交换膜阴离子交换膜阳离子交换膜阳离子交换膜进料进料目的：溶液脱小离子，小离子溶质的浓缩、小离子的分级。电渗析（ED）：推动力：电化学势浓电解质产品阴离子交换膜34速率分离过程特点：速率分离过程特点：节能节能 环保优势环保优势 新的方法新的方法返回速率分离过程特点：节能返回351.3.1.3.分离过程的集成化分离过程的集成化 目的：目的：实现清洁工艺实现清洁工艺 使物料能量消耗最小；使物料能量消耗最小；经济效益、社会效益最大。经济效益、社会效益最大。u1.3.1反应过程与分离过程的耦合反应过程与分离过程的耦合u1.3.2分离过程与分离过程的耦合分离过程与分离过程的耦合u1.3.3 过程过程的集成的集成返回1.3.分离过程的集成化 目的：实现清洁工艺 361.3.1反应过程与分离过程的耦合反应过程与分离过程的耦合目的：目的：改善不利的热力学和动力学因数，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。减少设备、操作费用、节约资源和能源。1.3.1反应过程与分离过程的耦合37u化学吸收化学吸收化学反应与吸收相结合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，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。增加传质推动力。u化学萃取化学萃取化学反应与萃取相结合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；聚合溶质与萃取剂反应。如：络合反应；水解；聚合u反应（催化）精馏反应（催化）精馏化学反应与精馏相结合化学反应与精馏相结合 例：酯化、皂化、酯交换、胺化、水解例：酯化、皂化、酯交换、胺化、水解u膜反应器膜反应器优良分离性能与催化反应相结合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。制丁二烯。丙烷脱氢制丙烯。化学吸收化学反应与吸收相结合38u控制释放控制释放 将药物或其他生物活性物质以一定形式与膜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。过扩散等方式释放到环境中。u膜生物传感器膜生物传感器 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制成，为酶膜传感器和微生物传感器。返回控制释放返回391.3.21.3.2分离过程与分离过程的耦合分离过程与分离过程的耦合 复合分离过程复合分离过程 优点：优点：集原分离过程之所长，避其所短。集原分离过程之所长，避其所短。适用于适用于:特殊物系的分离。特殊物系的分离。萃取结晶萃取结晶（加和结晶）（加和结晶）分离：分离：挥发度相近的组分。挥发度相近的组分。无机盐生产（优点：节能）无机盐生产（优点：节能）溶剂可萃取出部分水。溶剂可萃取出部分水。1.3.2分离过程与分离过程的耦合 复合分离过程40吸附蒸馏吸附蒸馏 气一液一固三相分离过程气一液一固三相分离过程吸附分离优点吸附分离优点：分离因子高，产品浓度高，能耗低。分离因子高，产品浓度高，能耗低。缺点：缺点：吸附剂用量大吸附剂用量大，收率低。，收率低。形成互补形成互补电泳分离电泳分离 不同蛋白质在一定不同蛋白质在一定pH值的缓冲溶液中，其溶解度不值的缓冲溶液中，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。泳动速度不同，实现不同蛋白质的分离。返回吸附蒸馏返回411.3.3 1.3.3 过程的集成过程的集成一、传统分离过程的集成一、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。到高效、低耗和减少污染的目的。共沸精馏与萃取集成共沸精馏与萃取集成环己烷+苯丙酮环己烷+丙酮共沸物纯苯纯苯环己烷环己烷丙酮+水丙酮水水优点：优点：无污染无污染1.3.3 过程的集成一、传统分离过程的集成环己烷+苯丙酮42二、传统分离过程与膜分离的集成二、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将膜技术应用到传统分离过程中渗透蒸发渗透蒸发 用来分离挥发性液体混合物，恒沸、近沸点物系。用来分离挥发性液体混合物，恒沸、近沸点物系。蒸汽渗透蒸汽渗透例：发酵液脱水制无水乙醇例：发酵液脱水制无水乙醇 水与醇形成二元共沸物，共沸点水与醇形成二元共沸物，共沸点:78.15，x=0.894（mol）三、膜过程的集成三、膜过程的集成优点：取长补短优点：取长补短例：分离悬浮液为高固体含量物料例：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。将超滤、反渗透、渗透蒸馏组合在一起。返回二、传统分离过程与膜分离的集成返回431.41.4化工分离过程的发展前景及机化工分离过程的发展前景及机遇遇u1.4.1化工分离过程的发展前景化工分离过程的发展前景u1.低成本的低成本的O2，氮气和稀有气体，氮气和稀有气体Ar，Ke，Xe的分离方法的分离方法u2.低成本的低成本的H2的分离方法的分离方法u3.酸性气体脱除酸性气体脱除u4.CO2、CH4等温室气体的捕集方法等温室气体的捕集方法u5.有机物有机物/有机物分离有机物分离u6.稀溶液分离稀溶液分离1.4化工分离过程的发展前景及机遇1.4.1化工分离过程的发44u7.异构体及手性物质分离异构体及手性物质分离u8.清洁燃料的生产清洁燃料的生产u9.超纯化合物的制备超纯化合物的制备u10.热敏性化合物的分离热敏性化合物的分离u11.海水淡化和水资源循环利用海水淡化和水资源循环利用u12.饮用水的制造饮用水的制造u13.生物质加工利用生物质加工利用u14.同位素分离同位素分离u15.精馏技术的改进精馏技术的改进7.异构体及手性物质分离45举例：神舟四号蛋白质空间电泳举例：神舟四号蛋白质空间电泳分离试验分离试验u地面上的重力影响使分离过程中出现沉降地面上的重力影响使分离过程中出现沉降和对流现象，大大降低了生物材料的分离和对流现象，大大降低了生物材料的分离纯度和产量。科研人员以细胞色素纯度和产量。科研人员以细胞色素C和牛和牛血蛋白两种蛋白质为材料，在太空中进行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，提高电泳技术连续自由流电泳分离试验，提高电泳技术的制备能力，使之成为未来空间制药的重的制备能力，使之成为未来空间制药的重要途径。要途径。举例：神舟四号蛋白质空间电泳分离试验地面上的重力影响使分离过46u 美国美国20世纪世纪80年代在航天飞机上成功地年代在航天飞机上成功地进行了垂体细胞、生长激素等多种细胞和进行了垂体细胞、生长激素等多种细胞和蛋白的分离，证实了其分离物的纯度和制蛋白的分离，证实了其分离物的纯度和制备量均比地面有很大提高。备量均比地面有很大提高。美国20世纪80年代在航天飞机上成功地进行了垂体细胞、生长471.4.21.4.2化工分离过程的发展机遇化工分离过程的发展机遇u1.提高分离过程的选择性提高分离过程的选择性u2.从稀溶液中浓缩溶质从稀溶液中浓缩溶质u3.界面现象及其调控界面现象及其调控u4.提高分离过程的速率和能力提高分离过程的速率和能力u5.开发分离设备的适宜型式开发分离设备的适宜型式u6.提高分离系统的能量效率提高分离系统的能量效率u7.研制新型高效分离介质研制新型高效分离介质1.4.2化工分离过程的发展机遇1.提高分离过程的选择性48u总之，化工分离过程的总趋势为总之，化工分离过程的总趋势为多样化、精细化、洁净化。多样化、精细化、洁净化。总之，化工分离过程的总趋势为多样化、精细化、洁净化。49谢谢！谢谢！50分离工程课件51