化工分离过程_胡大乔_第1章绪论
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天津大学化工分离工程教案第一章绪论PPT课件
21
（2）传统分离过程与膜分离的集成 例：精馏与渗透蒸发的集成
发酵液脱水制备无水乙醇。在乙醇高浓区，精馏的 分离效率极低，在共沸组成处无法分离，此时利用 渗透蒸发技术可越过共沸组成点，达到很高的分离 程度。
（3）膜过程的集成 例：超滤、反渗透与渗透蒸馏的集成
22
发展趋势
1）传统分离技术改造： 如精馏筛板塔改造为效率更高的填料塔。
3
教材
4
J D Seeder, E J Henley. Separation Process Principles. 化学工业出版社，2002年8月。
5
分离过程
第1章 绪论 第2章 传质分离过程的热力学基础 第3章 气液传质分离过程 第4章 液液传质分离过程 第5章 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7章 分离过程的节能优化与集成
膜生物传感器：
由酶或微生物与膜及电极转换器组成，具有很 高的识别专一性，可用于在线检测。
19
（二）分离过程与分离过程的耦合
萃取结晶（加合结晶）： 加入有机溶剂使待结晶的无机盐水溶液中的一 部分水被萃取出来，促进无机盐的结晶过程。
吸附蒸馏： 气-液-固三相分离过程，同时利用吸附选择性 高、能耗低的优点和蒸馏处理量大、设备较简 单、工艺成熟的优点。特别适用于共沸物和沸 点相近物系的分离及需要高纯度产品的情况。
电泳萃取： 利用电场作用下，带电溶胶粒子（蛋白质）在 萃取剂中泳动速度不同的性质，实现分离。
20
（三）过程的集成
（1）传统分离过程的集成 例：共沸精馏与萃取集成 以丙酮为共沸剂将（环己烷／苯）共沸物 首先分离为苯和（丙酮／环己烷）共沸物， 然后以水为萃取剂，将（丙酮／环乙烷） 共沸物分离为环己烷和丙酮水溶液，最后 将丙酮水溶液分离得到丙酮和水。
（2）传统分离过程与膜分离的集成 例：精馏与渗透蒸发的集成
发酵液脱水制备无水乙醇。在乙醇高浓区，精馏的 分离效率极低，在共沸组成处无法分离，此时利用 渗透蒸发技术可越过共沸组成点，达到很高的分离 程度。
（3）膜过程的集成 例：超滤、反渗透与渗透蒸馏的集成
22
发展趋势
1）传统分离技术改造： 如精馏筛板塔改造为效率更高的填料塔。
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教材
4
J D Seeder, E J Henley. Separation Process Principles. 化学工业出版社，2002年8月。
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分离过程
第1章 绪论 第2章 传质分离过程的热力学基础 第3章 气液传质分离过程 第4章 液液传质分离过程 第5章 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7章 分离过程的节能优化与集成
膜生物传感器：
由酶或微生物与膜及电极转换器组成，具有很 高的识别专一性，可用于在线检测。
19
（二）分离过程与分离过程的耦合
萃取结晶（加合结晶）： 加入有机溶剂使待结晶的无机盐水溶液中的一 部分水被萃取出来，促进无机盐的结晶过程。
吸附蒸馏： 气-液-固三相分离过程，同时利用吸附选择性 高、能耗低的优点和蒸馏处理量大、设备较简 单、工艺成熟的优点。特别适用于共沸物和沸 点相近物系的分离及需要高纯度产品的情况。
电泳萃取： 利用电场作用下，带电溶胶粒子（蛋白质）在 萃取剂中泳动速度不同的性质，实现分离。
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（三）过程的集成
（1）传统分离过程的集成 例：共沸精馏与萃取集成 以丙酮为共沸剂将（环己烷／苯）共沸物 首先分离为苯和（丙酮／环己烷）共沸物， 然后以水为萃取剂，将（丙酮／环乙烷） 共沸物分离为环己烷和丙酮水溶液，最后 将丙酮水溶液分离得到丙酮和水。
化工分离过程1绪论第1讲.ppt
催化剂和反应萃取之类的耦合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于塔内两相流和传质特性十分复杂， 数学模型尚不完善。沿用了百余年的平衡级模型虽然简单直观，但用于 多组分分离过程的缺点已显而易见。非平衡模型被称为“可能开创板式 分离设备设计和模拟新纪元”优点显著，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。已开发出的软件功能强大，已在 工程设计中得到应用，但工程经验和中试实验仍是不可缺少的。
••••••
13
按分离规模分类
分析分离 • 规模小 • 定量分析
例: 色谱分离
制备分离 • 规模小 • 研究用材料
例: 离心分离
工业分离 • 规模大 • 经济
例: 精馏分离
化工厂中分离设备投资约 占总投资的50～90％ ！！！
14
分离操作在化工生产中的重要性
典型的化工生产装置包括： 反应器； 原料、中间产物和产品分离设备； 泵、换热器等。 分离贯穿化工过程，占有十分重要的地位。 分离装置的费用占总投资的50～90％。
分
离
过
研究体系的复杂性（多元）
程
课
程
过程的特殊性（特殊分离方法）
的
特
更加注重工程意识的培养
点
37
本课程的教学任务和内容
本课程是化学工程专业的专业基础课，在本课程的学习中要学会利用 已有的专业理论知识（平衡热力学，动力学，传热，传质和动量传递 理论等）研究化工生产实际中遇到的复杂体系的分离提纯技术。
10
WHY
Why Separate?
WHY
11Βιβλιοθήκη 化工生产过程反应（Reactive）
分离
萃取物（Extractive Natural raw material）
••••••
13
按分离规模分类
分析分离 • 规模小 • 定量分析
例: 色谱分离
制备分离 • 规模小 • 研究用材料
例: 离心分离
工业分离 • 规模大 • 经济
例: 精馏分离
化工厂中分离设备投资约 占总投资的50～90％ ！！！
14
分离操作在化工生产中的重要性
典型的化工生产装置包括： 反应器； 原料、中间产物和产品分离设备； 泵、换热器等。 分离贯穿化工过程，占有十分重要的地位。 分离装置的费用占总投资的50～90％。
分
离
过
研究体系的复杂性（多元）
程
课
程
过程的特殊性（特殊分离方法）
的
特
更加注重工程意识的培养
点
37
本课程的教学任务和内容
本课程是化学工程专业的专业基础课，在本课程的学习中要学会利用 已有的专业理论知识（平衡热力学，动力学，传热，传质和动量传递 理论等）研究化工生产实际中遇到的复杂体系的分离提纯技术。
10
WHY
Why Separate?
WHY
11Βιβλιοθήκη 化工生产过程反应（Reactive）
分离
萃取物（Extractive Natural raw material）
化工分离过程讲义(第1讲)资料
工程问题
分离过程在化工过程中的作用
为化学反应过程提供符合要求的原料，清除对反应和催化剂有害的杂质，减 少副反应的发生，提高产品的收率。
对化学反应中的反应产物进行分离提纯，得到合格的各种化工产品，同时使 未反应的反应物循环利用
分离过程在环境保护和充分利用资源、实现可持续发展方面也具有重要的作 用。
化学工业
对原料〔如石油，煤等〕原料进行化
学或物理加工加工，改变物质的结构或组 成，或合成新物质,获得各种有用产品的制 造工业．
化工过程 (Industry Chemical Processes)
Chemical process is is a chemical engineering units in which raw materials are changed or separated into usefull products
产品1 产品2 产品n
能量分离剂 ESA 物质分离剂 MSA
借助一定的分离剂，实现混合物中的组分分级（Fractionalization）、浓 缩（Concentration）、富集（Enrichment）、纯化（Purification）、精制 （Refining）与隔离（Isolation）等的过程称为分离过程。
石油炼制过程基本流程
石油化工过程框图
CO+H2 甲烷
裂解汽油
石脑油
烯乙
石油炼制
乙烯裂解炉
轻柴油
丁二烯抽提
Cl2
烯丙 食盐
氯碱装置
H2 CO+H2 空气 空气分离
甲醇合成 芳烃抽提 低压聚乙烯 氯乙烯
C4馏分 环氧氯丙烷
苯酚丙酮 丁辛醇 合成氨 烧碱
化工分离工程 第一章绪论 课件
• 测试或检测用超纯标准品； • 混合物组成检测〔如DNA检测〕； •••
第11页，共24页。
按别离的规模分类
分析别离
• 规模小 • 定量分析
制备别离
• 规模小 • 研究用材料
工业别离
• 规模大 • 经济
例: 色谱别离
例: 离心别离
例: 精馏别离
化工厂中别离设备投资约占 总投资的50～90％ ！！！
反响〔催化〕精馏： 反响与精馏结合，提高别离效率；同时，借助精 馏手段，提高反响收率。
第18页，共24页。
膜反响器： 在反响的同时，利用膜的优良别离性能，选择 性的脱除产物，从而移动化学反响平衡，提高 反响的收率、转化率和选择性。
控制释放： 将药物或生物活性物质与膜结构相结合，使其以 一定的速度通过扩散等方式释放到环境中，从而 到达控制药物浓度，延长药效时间，减少服用量 和服用次数。
教材
第4页，共24页。
J D Seeder, E J Henley. Separation Process Principles. 化学工业出版社，2002年8月。
第5页，共24页。
分离过程
第1章 绪论
第2章 传质别离过程的热力学根底
第3章 气液传质别离过程
第4章 液液传质别离过程 第5章 传质别离过程的严格模拟计算
化工分离过程 Chemical Separation Processes
第1页，共24页。
第2页，共24页。
分离过程
Separation Processes
课程简介 先修课程：
物理化学、化工热力学、传递过程、化工 原理。
同时进行的课程： 化工工艺学、化工过程分析与模拟
教材：
第3页，共24页。
第11页，共24页。
按别离的规模分类
分析别离
• 规模小 • 定量分析
制备别离
• 规模小 • 研究用材料
工业别离
• 规模大 • 经济
例: 色谱别离
例: 离心别离
例: 精馏别离
化工厂中别离设备投资约占 总投资的50～90％ ！！！
反响〔催化〕精馏： 反响与精馏结合，提高别离效率；同时，借助精 馏手段，提高反响收率。
第18页，共24页。
膜反响器： 在反响的同时，利用膜的优良别离性能，选择 性的脱除产物，从而移动化学反响平衡，提高 反响的收率、转化率和选择性。
控制释放： 将药物或生物活性物质与膜结构相结合，使其以 一定的速度通过扩散等方式释放到环境中，从而 到达控制药物浓度，延长药效时间，减少服用量 和服用次数。
教材
第4页，共24页。
J D Seeder, E J Henley. Separation Process Principles. 化学工业出版社，2002年8月。
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分离过程
第1章 绪论
第2章 传质别离过程的热力学根底
第3章 气液传质别离过程
第4章 液液传质别离过程 第5章 传质别离过程的严格模拟计算
化工分离过程 Chemical Separation Processes
第1页，共24页。
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分离过程
Separation Processes
课程简介 先修课程：
物理化学、化工热力学、传递过程、化工 原理。
同时进行的课程： 化工工艺学、化工过程分析与模拟
教材：
第3页，共24页。
天津大学化工分离工程教案第一章绪论PPT课件
2）新型分离过程开发： 如膜分离、反胶团萃取、超临界萃取等。
3）分离与反应耦合以及分离过程之间的耦合： 如反应精馏、吸附精馏、膜精馏等。
总趋势： 多样化、精细化、洁净化（环境友好）。
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第1章 完
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（2）传统分离过程与膜分离的集成 例：精馏与渗透蒸发的集成
发酵液脱水制备无水乙醇。在乙醇高浓区，精馏的 分离效率极低，在共沸组成处无法分离，此时利用 渗透蒸发技术可越过共沸组成点，达到很高的分离 程度。
（3）膜过程的集成 例：超滤、反渗透与渗透蒸馏的集成
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发展趋势
1）传统分离技术改造： 如精馏筛板塔改造为效率更高的填料塔。
极限程度＝ 热力学 分离速率＝ 动力学
13
一、分离过程在工业生产中的地位和作用
典型的化工生产装置包括： 反应器； 原料、中间产物和产品分离设备； 泵、换热器等。
分离贯穿化工过程，占有十分重要的地位。
分离装置的费用占总投资的50～90％。
14
二、传质分离过程的分类和特征
（一）分离过程的分类 级数： 单级、多级
化学萃取： 溶质与萃取剂之间发生化学反应。
反应（催化）精馏： 反应与精馏结合，提高分离效率；同时，借助 精馏手段，提高反应收率。
18
ห้องสมุดไป่ตู้
膜反应器： 在反应的同时，利用膜的优良分离性能，选择 性的脱除产物，从而移动化学反应平衡，提高 反应的收率、转化率和选择性。
控制释放： 将药物或生物活性物质与膜结构相结合，使其 以一定的速度通过扩散等方式释放到环境中， 从而达到控制药物浓度，延长药效时间，减少 服用量和服用次数。
6
分离过程
第1章 绪论
主要内容及要求： 了解分离操作在化工生产中的重要性，分
3）分离与反应耦合以及分离过程之间的耦合： 如反应精馏、吸附精馏、膜精馏等。
总趋势： 多样化、精细化、洁净化（环境友好）。
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第1章 完
24
21
（2）传统分离过程与膜分离的集成 例：精馏与渗透蒸发的集成
发酵液脱水制备无水乙醇。在乙醇高浓区，精馏的 分离效率极低，在共沸组成处无法分离，此时利用 渗透蒸发技术可越过共沸组成点，达到很高的分离 程度。
（3）膜过程的集成 例：超滤、反渗透与渗透蒸馏的集成
22
发展趋势
1）传统分离技术改造： 如精馏筛板塔改造为效率更高的填料塔。
极限程度＝ 热力学 分离速率＝ 动力学
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一、分离过程在工业生产中的地位和作用
典型的化工生产装置包括： 反应器； 原料、中间产物和产品分离设备； 泵、换热器等。
分离贯穿化工过程，占有十分重要的地位。
分离装置的费用占总投资的50～90％。
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二、传质分离过程的分类和特征
（一）分离过程的分类 级数： 单级、多级
化学萃取： 溶质与萃取剂之间发生化学反应。
反应（催化）精馏： 反应与精馏结合，提高分离效率；同时，借助 精馏手段，提高反应收率。
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ห้องสมุดไป่ตู้
膜反应器： 在反应的同时，利用膜的优良分离性能，选择 性的脱除产物，从而移动化学反应平衡，提高 反应的收率、转化率和选择性。
控制释放： 将药物或生物活性物质与膜结构相结合，使其 以一定的速度通过扩散等方式释放到环境中， 从而达到控制药物浓度，延长药效时间，减少 服用量和服用次数。
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分离过程
第1章 绪论
主要内容及要求： 了解分离操作在化工生产中的重要性，分
第一章 绪论分离
L L V L L MSA S V V
液体
液体 + 蒸汽 液体 +
固体
热量 从尿素水溶液中 蒸汽压不 蒸发水分 同 热量或冷 间、对二甲苯溶液 量 中结晶得到对二甲 过饱和度 苯 冷量 聚
液体
蒸汽
S
液体 +
固体
从 含 有 N2,O2,CO2 及 有机化合物的气相 选择性凝 中回收临苯二酸酐
单元 操作
电渗析
离子交换 精馏 结晶 吸收/萃取
凝胶色谱法
超速离心 0.1 1
离心 10 100 um
1.4 分离过程在工业中的应用
• • • • • 石油化工及煤化工 气体净化与分离 医药及食品加工 农业 其他
• 炼油、石油化工：
• 石油炼制工业通过炼油过程把原油加工为汽油、 喷气燃料、煤油、燃料油、润滑油、石蜡油、 石油沥青、石焦油和各种石油化工原料等； • 石油化学工业以上述原料生产种类极多、范围 极广的各种化学品，例如塑料、合成纤维、合 成橡胶、合成洗涤剂、溶剂、涂料、农药、染 料等； • 炼油和石油化工过程紧密结合，各种分离操作 是其生产过程必不可少的组成部分。
教学内容
1.绪论
2.多组分单级分离计算
3.多组分多级分离计算 4.吸收、萃取、吸附分离过程 5.分离过程的节能与优化
1.绪论 分离过程特征及分类
2.多组分单级分离计算
汽液平衡、泡点露点计算、 闪蒸计算 3.多组分多级分离计算 设计变量 简捷法
严格法
4. 吸收、萃取、吸附 5. 分离过程的节能与优化
参考书
《化工分离工程》 郁浩然 主编； 中国石化出版社
《化工分离过程》 陈洪钫、刘家祺 编； 化学工业出版社
分离工程 第一章 绪论
第一章绪论Chapter1 Introduction§1-1分离操作在化工生产中的地位（Position of separation process in chemical industry）化工分离技术是随着化学工业的发展而逐渐形成和发展的，生产实践是分离工程形成与发展的源泉。
先了解早期人类生产活动中的分离过程，早在数千年前，人们已利用各种分离方法制作许多人们生活和社会发展中需要的物质。
例如，利用日光蒸发海水结晶制盐；农产品的干燥；从矿石中提炼铜、铁、金、银等金属；火药原料硫磺和木炭的制造；从植物中提取药物；酿造葡萄酒时用布袋过滤葡萄汁；制造蒸馏酒等等。
这些早期的人类生产活动都是以分散的手工业方式进行的，主要依靠世代相传的经验和技艺，尚未形成科学的体系。
而早期的化学工厂是由化学家根据实验室研究结果直接建立的。
通过生产实践发现，生产用的大装置中的化学或物理过程与实验室玻璃器皿中的现象有很大的不同。
而在不同产品的生产过程中，却有许多过程遵循相似的原理。
由此提出的单元操作原理奠定了化学工程学科最初的理论基础。
现代化学工业是开始于18世纪产业革命以后的欧洲。
当时，三酸二碱等无机化学工业成为现代化学工业的开端。
而19世纪以煤为基础原料的有机化工在欧洲也发展起来。
当时的煤化学工业规模不是很大，主要着眼于苯、甲苯、酚等各种化学品的开发。
在这些化工生产中需要将产品或生产过程的中间体从混合物中分离出来。
例如，当时著名的索尔维制碱法中，使用了高达二十余米的纯碱碳化塔，同时应用了吸收、蒸馏、过滤、干燥等分离操作。
但在当时，这项成就是由化学家在进行化学工艺过程开发的同时完成的，他们并没有意识到他们同时在履行着化学工程师的职责。
这时的分离技术是结合在具体的化工生产工艺的开发过程中，单独而分散地发展的。
19世纪末，20世纪初大规模的石油炼制业促进了化工分离技术的成熟与完善。
单元操作概念的建立对化学工程的发展起了重大的作用。
化工分离过程第一章解读
G总＝势能项＋熵项＝µ i＋RT lnai
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）
例如：化工生产
反应（Reactive） 分离 萃取物 （Extractive Natural raw material） 配制（Formulation） 分离
实例3：Fe3+和Ti4+的混合实验（一）
混合均匀 Fe3+ Ti4+ 抽掉隔板 6mol/L HCl 6mol/L HCl Fe3+ Ti4+ 6mol/L HCl Fe3+ Ti4+ 6mol/L HCl
抽调隔板后Fe3+和Ti4+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。
过程的速度 单元操作和 传递过程研 究的问题
物理过程
分离工程研究应用质量传递原理实现组分分离 的基本原理及工程化问题
9
二、 工业生产中的分离过程
1.1 分离操作在化工生产中的重要性
无机化学,有机化学,物理化学,分析化学, 生物化学,高等数学,工程数学,物理学等 化学动力学及热力学 专业基础理论体系 专业基础理论及专业 化工原理 化工传递过程 化学反应工程
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。
Example 2
二 传质过程的分类和特征
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）
例如：化工生产
反应（Reactive） 分离 萃取物 （Extractive Natural raw material） 配制（Formulation） 分离
实例3：Fe3+和Ti4+的混合实验（一）
混合均匀 Fe3+ Ti4+ 抽掉隔板 6mol/L HCl 6mol/L HCl Fe3+ Ti4+ 6mol/L HCl Fe3+ Ti4+ 6mol/L HCl
抽调隔板后Fe3+和Ti4+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。
过程的速度 单元操作和 传递过程研 究的问题
物理过程
分离工程研究应用质量传递原理实现组分分离 的基本原理及工程化问题
9
二、 工业生产中的分离过程
1.1 分离操作在化工生产中的重要性
无机化学,有机化学,物理化学,分析化学, 生物化学,高等数学,工程数学,物理学等 化学动力学及热力学 专业基础理论体系 专业基础理论及专业 化工原理 化工传递过程 化学反应工程
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。
Example 2
二 传质过程的分类和特征
化工分离工程：第1章 绪论
炼油和石油化工过程紧密结合，各种分离操作 是其生产过程必不可少的组成部分。
轻烃类
其他：
食品、乳品和饮料工业 材料工业 生化工业 环境保护
分离过程的重要性
原料净化 产品提纯 有效组分回收 污染物处理
二、分离过程的分类
（一）分离过程的分类 级数： 单级、多级
（2）分离因子的意义
1）双组分中的相对挥发度
已知A、B两组分挥发度为：
A pA / xA B pB / xB
由Dalton分压定律可知：pA+pB=p，而pA=yAp，pB=yBp，
所以：
AB
A B
yA / yB xA / xB
2）液液萃取的选择性系数
已知A、B两组分在两相中的分配系数为：
kA yA / xA
溶质溶解度与溶剂 在膜中的扩散速率 分子大小差异
1.2 分离因子
（1）分离因子的定义
假设要将i、j两组分构成的混合物分离成1、2两种产品，
两种产品中两组分的含量分别用xi1、xj1、xi2、xj2表示。比
较这两个组分在两种产品中的含量关系，就可以判定这两 个组分在两种产品中的分离程度：
ij
xi1 / x j1 xi2 / x j2
此法基于对过程本质的深刻理解，将复杂过程分解 为多个较简单的子过程，再根据研究的目的进行合理简 化，得出物理模型；应用物理基本规律及过程本身的特 征方程对物理模型进行数学描述，得到数学模型，如是 微分方程,，还需建立初始条件和边界条件，对数学模 型进行分析解或数值解，得到设计计算方程。这些方程 中包含有模型参数，需通过简化试验(即不一定是实际 物系、实际操作条件)确定它们。接着，应用计算机进 行复杂过程的综合研究和寻优，得到最优结果。最后， 需进行中间试验检验结果的可靠性。
轻烃类
其他：
食品、乳品和饮料工业 材料工业 生化工业 环境保护
分离过程的重要性
原料净化 产品提纯 有效组分回收 污染物处理
二、分离过程的分类
（一）分离过程的分类 级数： 单级、多级
（2）分离因子的意义
1）双组分中的相对挥发度
已知A、B两组分挥发度为：
A pA / xA B pB / xB
由Dalton分压定律可知：pA+pB=p，而pA=yAp，pB=yBp，
所以：
AB
A B
yA / yB xA / xB
2）液液萃取的选择性系数
已知A、B两组分在两相中的分配系数为：
kA yA / xA
溶质溶解度与溶剂 在膜中的扩散速率 分子大小差异
1.2 分离因子
（1）分离因子的定义
假设要将i、j两组分构成的混合物分离成1、2两种产品，
两种产品中两组分的含量分别用xi1、xj1、xi2、xj2表示。比
较这两个组分在两种产品中的含量关系，就可以判定这两 个组分在两种产品中的分离程度：
ij
xi1 / x j1 xi2 / x j2
此法基于对过程本质的深刻理解，将复杂过程分解 为多个较简单的子过程，再根据研究的目的进行合理简 化，得出物理模型；应用物理基本规律及过程本身的特 征方程对物理模型进行数学描述，得到数学模型，如是 微分方程,，还需建立初始条件和边界条件，对数学模 型进行分析解或数值解，得到设计计算方程。这些方程 中包含有模型参数，需通过简化试验(即不一定是实际 物系、实际操作条件)确定它们。接着，应用计算机进 行复杂过程的综合研究和寻优，得到最优结果。最后， 需进行中间试验检验结果的可靠性。
天津大学化工分离工程教案第一章绪论幻灯片
WHY
Why Separate?
WHY
化工生产过程
反应（Reactive）
分离
萃取物
（Extractive Natural raw material） 配制（Formulation）
分离 分离
对分离的需求： • 工程应用需要纯物质（如半导体材料）； • 原料提纯； • 材料加工需要纯物质； • 有毒有害物质或非活性物质的去除（如药物）； • 测试或检测用超纯标准品； • 混合物组成检测（如DNA检测）；
相态： 固—固、固—液、固—气、气—液、 液—液、气—气
有无传质发生： 机械分离、传质分离
处理两相以上的混合物 如过滤、沉降、离心分离等。
处理均相混合物
（二）传质分离过程的分类
按物理化学原理的不同，传质分离可分为：
平衡分离过程： 如精馏、吸收、萃取、结晶、吸附等。 借助分离剂使均相或非均相混合物变成两相系 统，再利用混合物中各组分在处于相平衡的两 相中的不等同分配而实现分离。
•••
按分离定量分析
制备分离
• 规模小 • 研究用材料
工业分离
• 规模大 • 经济
例: 色谱分离
例: 离心分离
例: 精馏分离
化工厂中分离设备投资约 占总投资的50～90 ％ ！！！
混合物 分离过程
（气、液、固）
产品1 产品2 产品n
能量分离剂 ESA 质量分离剂 MSA
教材：
教材
J D Seeder, E J Henley. Separation Process Principles.
化学工业出版社，2002年8月。
分离过程
第1章 绪论 第2章 传质别离过程的热力学根底 第3章 气液传质别离过程 第4章 液液传质别离过程 第5章 传质别离过程的严格模拟计算 第6章 气固、液固传质别离过程 第7章 别离过程的节能优化与集成
化工分离工程
化工分离工程第一章绪论1.1概述1.1.1 分离过程的发展与分类随着世界工业的技术革命与发展,特别是化学工业的发展,人们发现尽管化工产品种类繁多,但生产过程的设备往往都可以认为是由反应器、分离设备和通用的机、泵、换热器等构成。
其中离不开两类关键操作:一是反应器,产生新物质的化学反应过程,其为化工生产的核心;-其中离不开两类关键操作:一是反应器,产生新物质的化学反应过程,其为化工生产的核心;-于是研究化学工业中具有共同性的过程和设备的规律,并将之运用于生产的“化学工程”这一学科应运而生。
分离过程可分为机械分离和传质分离两大类。
机械分离过程的对象都是两相或两相以上的非均相混合物,只要用简单的机械方法就可将两相分离,而两相间并无物质传递现象发生传质分离过程的特点是相间传质,可以在均相中进行,也可以在非均相中进行。
传统的单元操作中,蒸发、蒸馏、吸收、吸附、萃取、浸取、干燥、结晶等单元操作大多在两相中进行。
依据处于热力学平衡的两相组成不相等的原理,以每一级都处于平衡态为手段,把其他影响参数均归纳于效率之中,使其更符合实际。
它的另一种工程处理方法则是把现状和达到平衡之间的浓度梯度或压力梯度作为过程的推动力,而把其他影响参数都归纳于阻力之中,传递速率就成为推动力与阻力的商了。
上述两种工程处理方法所描述的过程,都称作平衡级分离过程。
分离行为在单级中进行时,往往着眼于气相或液相中粒子、离子、分子以及分子微团等在场的作用下迁移速度不同所造成的分离。
热扩散、反渗透、超过滤、电渗析及电泳等分离过程都属此类,称速率控制分离过程,都是很有发展潜力的新分离方法。
综上所述,分离过程得以进行的基础是在“场”的存在下,利用分离组分间物理或化学性质的差异,并采用工程手段使之达到分离。
显然,构思新颖、结构简单、运行可靠、高效节能的分离设备将是分离过程得以实施乃至完成的保证。
1.1.2 分离过程的地位广泛的应用、科技的发展、环境的需要都说明分离过程在国计民生中所占的地位和作用,并展示了分离过程的广阔前景:现代社会离不开分离技术,分离技术发展于现社会。
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Separation Process
The separation process may be defined as those operations which transform a mixture of substances into two or more products which differ from one another in composition.
Why Separate？
In Human Body
Separation processes: Our life depends on these
静脉 动脉 肾小球
输尿管
Kidney: the perfect ultrafilter
Critical separations in human body
Separation of oxygen from air and of CO2 from blood in the lungs Selective removal of water and waste products of metabolism from blood in the kidneys Selective absorption of nutrients in the intestines.
Separation processes
• • • • • • • • • • • • • • • Liquid-liquid extraction 液液萃取 Adsorption 吸附 Filtration 过滤 Solid-liquid extraction (leaching) 固液萃取 Elution chromatography 洗脱色谱 Membrane separation processes 膜分离 Distillation 精馏 Affinity separation processes 亲和分离 Drying and evaporation 干燥和蒸发 Freeze-drying 冷冻干燥 Precipitation 沉淀 Crystallization 结晶 Electrophoresis 电泳 Centrifugation 离心分离 Mechanical sieving 机械筛分
Example: Production of p-xylene
para ortho
1 . 16
para meta
1 . 02
Distillation
Crystallization
Separation processes The legacy
Examples for early separation techniques
Technological and use maturities of separation processes
100
90 Distillation 80 Absorption 70 Cry stallization Azeotropic Distillation Extraction
Principles Applications Calculations
教学目标---Objective
利用已学的物理化学、化工原理、 化工热力学、传递过程等课程中有 关相平衡热力学和动力学机理，传 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 纯技术。
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 础。从分离过程的共性出发，讨论 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 能力的训练；强调理论联系实际， 提高解决问题的能力。
分离过程 Separation process
class hours:36 credits:2
胡大乔 Email:hudaqiao@ QQ:251039726
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参考教材
Textbook
J.D.Seader, E.J.Henley. Separation Process Principles
2004
References---Books
■ Phillip C. Wankat Separation Process Engineering (2006) ■ J.L.Humphrey, G.E. Keller Separation Process Technology (1997) ■ Kirk-othmer Encyclopedia of Chemical Technology. 4th ed, New York, Wiley. ■ Cary Judson King Separation processes (1980) ■ Ernest J. Henley, J. D. Seader Equilibrium-stage separation operations in chemical engineering (1981)
What isir, N2/O2) separation
What is Separation?
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。
Mixing is inherent in nature: The increase in entropy associated with the randomness of a mixture lowers the Gibbs free energy. To “unmix” a solution we must overcome the entropic driving force to mix.
1.1 传质分离过程的分类 Classes of Separation Operation 1.2 分离过程的研究和技术开发 Study on Separation Process and Development
• 主要内容及要求： 了解分离操作在化工生产中的重要性， 分离过程的分类。 了解化工分离过程的研发现状和发展 趋势。
Course objective
Get an overview on separation processes relevant to the chemical and process industry Learn some of these separation processes in varying degrees of detail:
Salt by evaporating sea water 晒盐 Metals extracted from ores 冶金 Perfumes extracted from plants 香料提取 Various drinks, medicines extracted from plants 天然饮料和药物生产 Liquors distilled from plants 果酒生产
What is Separation?
借助一定的分离剂，实现混合物中的组分分级 （Fractionalization）、浓缩 （Concentration）、富集（Enrichment）、 纯化（Purification）、精制（Refining）与 隔离（Isolation）等的过程称为分离过程。
References---Journals
AIChE Journal, ACS
Chemical Engineering Science, Elsevier Science
Industrial & Engineering Chemistry Research, ACS Chemical Engineering Technology, Wiley
教学要求---Requirements
掌握各种常用分离过程的基 本原理，操作特点，简捷和 严格计算方法，强化改进分 离过程操作的途径，并了解 一些新型分离技术。
教学课时：36课时 考核方式：考试 成绩：70（期末）+ 15（平时到堂率）+ 15（小组presentation)
第一章 绪 论
第一章 绪 论 Chapter 1 Introduction
1998
2006
J. D. Seader
2002
J. D. Seader
1. Development of new mathematical methods for solving large sets of nonlinear equations to obtain multiple solutions. 2. Mathematical studies of computer- aided process synthesis and design.
• large scale • economical
Example: Centrifugation
Example: Distillation
Distillation Column
Example: Refinery of crude oil
Refinery for converting crude oil into a variety of marketable products.
Analytical Separations
• small scale • quantitative analysis Preparative Separations
Example: Chromatography
• small scale • materials for R&D Industrial Separations
In Industry
Why Separate？
• 工程应用需要纯物质（如半导体材料）；Need for pure material in engineering application (semiconductors) • 原料提纯； Preparation of raw materials into their components • 材料加工需要纯物质；Need for pure material for materials processing • 有毒有害物质或非活性物质的去除（如药物）；Need to remove toxins or inactive components from solution (drugs) • 测试或检测用超纯标准品； Need for ultrapure samples for testing • 混合物组成检测（如DNA检测）；Need for analysis of the components of the mixture (DNA testing) • ……