化工分离工程01PPT课件

Click to edit Master title style,Click to edit Master text styles,Second Level,Third Level,Fourth Level,Fifth Level,*,分离过程,Separation Processes,教师：李保华,本课程的任务和内容,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,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,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。,吴俊生，邓修 等编著，分离工程，华东化工学院出版社，1992。,郁浩然 主编，化工分离工程，中国石油出版社，1992。,返回,第一章 绪 论,实例1：糖的溶解与结晶,糖溶于水,形成均匀溶液,混合过程,过程是自发的,熵增加,从水中取出糖,对体系做功（如蒸馏法）,分离过程,过程不能自发进行,熵减少,有关分离过程本质的一些描述,（是否准确或全面？）,分离不能自发进行（熵减少过程）,分离在热力学上受阻（对抗热力学第二定律）,分离是逆着大自然的,热力学是逆着物质纯化的,指出一切涉及热现象的宏观过程是不可逆的。,它阐明了在这些过程中能量转换或传递的方向、条件和限度。,相应的态函数是熵，熵的变化指明了热力学过程进行的方向，,熵的大小反映了系统所处状态的稳定性。,实例2：己烷与水混合的实验,不能自发混合,剧烈搅拌或振荡,混合,放置（停止,搅拌或振荡,）自发分离,体系中除浓度差（熵效应）外，还有：,水分子间的亲水相互作用势能,对抗混合,水分子和己烷分子间的疏水相互作用势能,对抗混合,水和己烷的密度差（重力势能）,对抗混合,实例3：Fe,3+,和Ti,4+,的混合实验（一）,混合均匀,Fe,3+,Ti,4+,Fe,3+,Fe,3+,抽掉隔板,Ti,4+,Ti,4+,6mol/L HCl 6mol/L HCl 6mol/L HCl 6mol/L HCl,抽调隔板后,Fe,3+,和Ti,4+,将自发混合均匀，这是因为：,体系中除浓度（活度）差外不存在其他势场。,浓度差对化学势的贡献属熵的贡献，,熵增势能驱使,Fe,3+,和Ti,4+,在整个体系范围内从有序向无序变化。,实例3：Fe,3+,和Ti,4+,的分离实验（二）,Fe,3+,、Ti,4+,乙醚，,Fe,3+,抽掉隔板,6mol/L HCl 乙醚 6mol/L HCl，,Ti,4+,结果：,乙醚和水为互不相溶的两相。,Fe,3+,与乙醚生成离子缔合物：,C,2,H,5,O C,2,H,5,H,+,(C,2,H,5,),2,OH,+,Fe,3+,+4 Cl,FeCl,4,(C,2,H,5,),2,OH,+,+FeCl,4,(C,2,H,5,),2,OH,+,FeCl,4,Ti,4+,留在水相,Ti,4+,的亲水作用势能驱使,Ti,4+,留在水相；,Ti,4+,的浓度差产生的化学势驱使,Ti,4+,均匀分布在整个空间；,Ti,4+,的亲水作用势能远大于浓度差化学势，所以，,Ti,4+,留在水相,Fe,3+,进入乙醚相,Fe,3+,的浓度差产生的化学势驱使,Fe,3+,均匀分布在整个空间；,(C,2,H,5,),2,OH,+,FeCl,4,的亲溶剂（疏水）势能驱使,Fe,3+,进入乙醚相；,亲溶剂势能远大于浓度差化学势，所以，,Fe,3+,进入乙醚相,结论：,分离有时是自发过程、混合有时也不能自发进行；,总自由能决定体系是趋向分离、还是趋向混合，即：,G,总,势能项熵项,i,RT lna,i,均相体系,中只存在浓度差,自发混合,。,非均相体系,中除浓度差外，还存在各种相互作用（势能）,各组分,趋向于分配在低势能相,。,（自由能降低）,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,学习方法与要求,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,返回,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：,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,乙醚,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,水,循环乙烯,水,放空,放空,水,氢,水,废水,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,1,2,5,6,7,8,10,4,11,13,9,12,3,3,轻烃类,非芳烃,乙二醇,芳烃,苯和甲苯,对二甲苯,重芳烃,H,2,H,2,H,2,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,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,总 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,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。,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,工艺的物料损耗,废物最小化？,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。,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。,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。,原料,产品,排除,1,1,1,2,2,2,废物,废物,1单元过程；2处理,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,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,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,1.2.1,平衡分离过程,1.2.2,速率分离过程,返回,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：,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。,平衡分离过程的分离单元操作,闪蒸,原料,相态：,液体,分离媒介：,减压,分离原理：,挥发度（蒸汽压）有较大差别,工业应用：,海水淡化生产纯水；吸收液的解吸。,精馏,原料,相态：,汽、液或汽液混合物,分离媒介：,热量，有时用机械功,同上,石油裂解气的深冷分离；苯、甲苯、二甲苯的分离。,吸收蒸出,原料,相态：,气体或,液体,分离媒介：,液体吸收剂（MSA）；加入热量（ESA）,分离原理：,挥发度（蒸汽压）有较大差别,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。,萃取或共沸精馏,原料,相态：,汽、液或汽液混合物,液体溶剂（MSA）或塔釜加热（,ESA）,液体共沸剂（MSA）或塔釜加热（,ESA）,改变原溶液的相对挥发度,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。,MSA,L或V,L,L,L或V,MSA,L,V,返回,1.2.2 速率分离过程,膜分离,热扩散,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。,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,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。,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。,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。,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,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。,热扩散：,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。,顶瓶,底瓶,温度梯度,冷壁,热线,速率分离过程特点：,节能,环保优势,新的方法,返回,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,返回,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。,化学吸收,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。,化学萃取,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,反应（催化）精馏,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,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，进行丁烯脱氢制丁二烯。丙烷脱氢制丙烯。,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。,返回,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