化工分离工程1ppt课件

,第,1,章 绪论,*,/67,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,/67,第,1,章 绪论,*,/67,*,化,工,分,工,程,离,化工分工程离,1,汽液相平衡的基本关系式是什么？若以活度系数计算液相逸度、逸度系数计算汽相逸度，则汽液相平衡的关系式是什么？,活度系数的计算模型哪些？逸度系数的计算模型有哪些？试分别举四种计算模型说明。,相平衡常数的计算方法有哪些？其基本关系式分别是什么？,什么是三角矩阵？什么是对角矩阵？什么是三对角矩阵？,分别示意作出一般二元共沸体系（如苯甲苯）、二元均相共沸体系（如乙醇水）、二元非均相共沸体系（如苯酚水）的xy相图。,汽液相平衡的基本关系式是什么？若以活度系数计算液相逸度、逸度,2,第1章 绪论,分离工程,第1章 绪论分离工程,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,本课程的任务和内容,概述,地位：专业基础课本课程的任务和内容概述,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,概述,学生应掌握：概述,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,概述,教材：面向21世纪课程教材：概述,教材,教材,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,1.4 设计变量,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第一章 绪 论,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,1.1 分离过程在工业生产中的地位和作用,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：,煤反应化工原料分离产品一般化工生产过程：,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,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,水,循环乙烯,水,放空,水,氢,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、5、9-吸收塔；4-闪,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,1,2,5,7,8,10,4,11,13,9,12,3,3,轻烃类,非芳烃,乙二醇,芳烃,苯和甲苯,对二甲苯,重芳烃,H2,H2,H2,6,例2：二甲苯生产1-重整反应器；2、13-汽液分离器；3-压,加氢重整后得到：轻油 非芳烃,苯 甲苯 二甲苯,高级芳烃,目的产物为对二甲苯,邻二甲苯,间二甲苯,对二甲苯,沸点,144.411,139.104,138.351,熔点,25.173,47.872,13.263,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,目的产物,加氢重整后得到：轻油 非芳烃 目的产物为对二,分离过程用于：, 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、同位素分离, 三废处理,分离过程用于：,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。,1.1.2 分离过程在清洁工艺中的地位与作用,未回收的原料,未回收的产品,有用和无用的副产,原料中的杂质,工艺的物料省耗,其他,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原料中的杂质工艺的物,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：,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。,与化工分离过程密切相关的有：,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。,1,1,1,2,2,2,原料,产品,排出,废物,废物,1单元过程；2处理,闭路循环系统：111222原料产品排出废物废物1单元过程；,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,实现分离与再循环系统使废物最小化的方法：,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；,上述原因促使：,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,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,1.2 传质分离过程的分类和特征1.2.1 平衡分离过程,1.2.1 平衡分离过程,分离设备,混合物,产品1,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。,产品2,1.2.1 平衡分离过程分离设备混合物产品1分离媒介分离媒介,平衡分离过程的分离单元操作,闪蒸,精馏,平衡分离过程的分离单元操作闪蒸精馏,闪蒸,1.原料相态：,-液体,2.分离媒介,-减压,3.分离原理,-挥发度（蒸汽压）有较大差别,4.工业应用,-海水淡化生产纯水；吸收液的解吸。,闪蒸1.原料相态：,精馏,1.原料相态：,-汽、液或汽液混合物,2.分离媒介,-热量，有时用机械功,3.分离原理,-挥发度（蒸汽压）有较大差别,4.工业应用,-石油裂解气的深冷分离；苯、甲苯、二甲苯的分离。,精馏1.原料相态：,吸收蒸出,1.原料相态：,-气体或液体,2.分离媒介,-液体吸收剂（）；加入热量（）,3.分离原理,-挥发度（蒸汽压）有较大差别,4.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。,L,或,V,MSA,L,V,吸收蒸出1.原料相态：L或VMSALV,萃取或共沸精馏,1.原料相态：,-汽、液或汽液混合物,2.分离媒介,-液体溶剂（）或塔釜加热（）,液体共沸剂（）或塔釜加热（）,3.分离原理,-改变原溶液的相对挥发度,4.工业应用,-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。,萃取或共沸精馏1.原料相态：,1.2.2 速率分离过程,膜分离,热扩散,1.2.2 速率分离过程膜分离,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。,速率分离:,微孔过滤（）：,推动力：压力差（100）,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（）：推动力：压力差（100） 进料,超滤（）：,推动力：压力差（1001000）,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（）：推动力：压力差（1001000）进料溶剂、水胶体,反渗透（）：,推动力：压力差（100010000）,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（）：推动力：压力差（100010000）进料溶剂、,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0.02离子、截留血液0.005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,电渗析（）：,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。,电渗析（）：推动力：电化学势浓电解质产品阴离子交换膜阳离,热扩散：,顶瓶,底瓶,温度梯度,冷壁,热线,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。,热扩散：顶瓶底瓶温度梯度冷壁热线原理：,节能,环保优势,新的方法,速率分离过程特点：,节能速率分离过程特点：,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,1.3.分离过程的集成化 目的：实现清洁工艺,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。,1.3.1反应过程与分离过程的耦合,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，增加传质推动力。,化学,吸收,化学,萃取,反应,精馏,优良分离性能与催化反应相结合,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。,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,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,化学反应与吸收相结合化学化学反应优良分离性能与催化反应相结,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 。,控制释放,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）,吸附蒸馏,电泳分离,1.3.2分离过程与分离过程的耦合复合分离过程 萃取结晶（,萃取结晶（加和结晶）,分离：挥发度相近的组分。,无机盐生产（优点：节能）,溶剂可萃取出部分水。,萃取结晶（加和结晶）,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,吸附蒸馏,电泳分离,不同蛋白质在一定值的缓冲溶液中，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。,电泳分离,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。,1.3.3 过程的集成一、传统分离过程的集成,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,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,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，,0.894（）,二、传统分离过程与膜分离的集成,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。,三、膜过程的集成,1.4 设计变量,1.4.1 单元的设计变量,1.4.2 装置的设计变量,1.4 设计变量1.4.1 单元的设计变量,对于复杂体系变量如何确定？,设计变量：确定设计中已知变量,例如二元精馏：,可解出：N；,对于复杂体系变量如何确定？设计变量：确定设计中已知变量可解出,化工分离工程1ppt课件,若N股物流，且有功、能交换：,1,= 2,+,变量数,自由度数(f )+物流数(一股),任意单股物流(一股、单相):,2,(2)+功进(出数)+能进(出数),约束条件数：,物料平衡式；能量平衡式；化学平衡式；其它相等条件。,N,V,、,N,C,如何确定？,若N股物流，且有功、能交换：1= 2+变量数自由度数(f ),例1.分配器,F,F,F,P,T,x,F,P,T,x,L,L,1,1,P,T,x,L,L,2,2,1.4.1 单元的设计变量,将复杂化工装置分解成简单单元，求 ：,例1.分配器FFFPTxF,PTxLL,11PTxL,设计变量分：,固定设计变量 ：,进料物流变量和系统压力,可调设计变量 ：,除 的其他变量,往往对此感兴趣！,设计变量分：往往对此感兴趣！,例2.产物为两相的全凝器,L,B,F,L,A,Q,方程,数,物料衡算,C,热量衡算,1,相平衡,C,二相T，P相等,2,23,:,e,N,C,可指定为平衡单元温度,例2.产物为两相的全凝器LBFLAQ方程数物料衡算C热量衡算,例3.简单绝热操作理论板,O,V,i,V,O,L,i,L,方程,数,物料衡算,C,热量衡算,1,相平衡,C,二相T，P相等,2,23,:,e,N,C,例3.简单绝热操作理论板OViVOLiL方程数物料衡算C热量,我把各种单元的设计变量归纳在表,12,中，你可以去查哟！,设计变量真难！,我把各种单元的设计变量归纳在表12中，你可以去查哟！设计变,重复使用一种为,1,前面进等于后面出,例4. 简单吸收塔（N块理论板串级）,V,N,1,N,L,N+1,L,1,V,0,1.4.2 装置的设计变量,由单元设计变量确定：,重复使用一种为1前面进等于后面出例4. 简单吸收塔（N块理论,吸收塔设计变量：,指定为理论板数,或关键组分吸收率,吸收塔设计变量： 指定为理论板数,例5. 简单精馏塔,查表1-2：,2,M,M+1,M+2,N,F,D,W=L,1,单元,全凝器,4,回流分配器,4,(1)板平衡串级,2(1)+5,进料板,37,(1)板平衡串级,2(1)+5,再沸器,4,1027,例5. 简单精馏塔查表1-2：2MM+1M+2NFDW=L1,9股单元物流数；,进料,2,每级压力（包括再沸器）,N,全凝器压力,1,回流分配器压力,1,合计,4,5,合计,1,1,（,D/F,）,1,进料位置,1,理论板数,1,回流温度,）,（,D,L,N,1,+,9股单元物流数；进料2每级压力（包括再沸器）N全凝器压力1回,对精馏塔归纳出简便、可靠的确定设计变量的方法：,（1）按每一单相物流有（2）个变量，计算由进料物流所确定的固定设计变量数。,（2）确定装置中具有不同压力的数目。,（3）上述两项之和即为装置的固定设计变量数。,（4）将串级单元数目、分配器的数目、侧线采出单元数目及传热单元数目相加，便是整个装置的可调设计变量，,对精馏塔归纳出简便、可靠的确定设计变量的方法：,例6. 带一个侧线采出口的精馏塔,设塔内与进料压力相等,进料变量数,2,压力等级数,1,合计,3,串级单元数,3,分配器的数目,1,侧线采出单元数目,1,传热单元数目,2,合计,7,例6. 带一个侧线采出口的精馏塔进料变量数2压力等级数1合计,人有了知识，就会具备各种分析能力，,明辨是非的能力。,所以我们要勤恳读书，广泛阅读，,古人说“书中自有黄金屋。,”通过阅读科技书籍，我们能丰富知识，,培养逻辑思维能力；,通过阅读文学作品，我们能提高文学鉴赏水平，,培养文学情趣；,通过阅读报刊，我们能增长见识，扩大自己的知识面。,有许多书籍还能培养我们的道德情操，,给我们巨大的精神力量，,鼓舞我们前进。,人有了知识，就会具备各种分析能力，,66,化工分离工程1ppt课件,