化工分离工程简介

化工分离工程
概论 第一章 精馏 第二章 吸收 第三章 新分离方法
从古到今,分离过程一直很受重视。早在古代，我国 古书《物原》上就有：“轩辕臣夙沙作盐”的记载； 《世本》也说：“黄帝时，诸侯有夙沙氏，始以海水 煮乳煎成盐”。这里已孕育着现代工业中“蒸发”和 “结晶”两个分离技术。其后， “煮酒”、“糖 霜”(冰糖)的制作都在明代宋应星所著的《天工开物》 和清代所出版的《图书集成》中有所反映。但是这时 的分离过程往往只在某一物品的生产中零星提到。 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，但化工生 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：
p A py A vA = = xA xA
pB py B vB = = xB xB
α AB
v A y A /y B = = v B x A /x B
同样，液液萃取有选择性系数β，同样是分配系数kA和kB 之比，即 k A y A /y B β AB = = k B x A /x B
0.4 过程的开发及方法
0.1分离过程的发展与分类
概 论
一是反应器，产生新物质的化学反应过程，它是化工 生产的核心； 二是分离设备，用于原料、中间产物、产品等混合物 的分离、提纯过程，它是获得合格产品的关键。 分离过程得以进行的基础是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。分 离过程可分为机械分离和传质分离两大类。 一、机械分离过程的对象都是两相和两相以上的非均 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； 二、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。主要包括平衡分离过 程和速率控制分离过程
2、三个关键环节： （1）概念形成到课题的选定； （2）技术与经济论证(可行性)； （3）放大技术，它是研究开发的核心。 放大技术可以采用数学模型方法、逐级经验放大、 工程理论指导放大和参照类似工业装置放大等方法。 对于一个缺乏参照系统的新的传质分离操作来说，前 两种方法更为常用。 3、分离过程开发应达到的目的： （1）合适的分离方法和流程； （2）优化的工艺操作条件； （3）分离设备的合理选型与几何尺寸的确定。 4、一般性原则 对于一个缺乏参照系统的新的传质分离操作，如果待 开发的过程和设备极其复杂，对它们理解甚少，那末 往往需要沿袭逐级经验放大法，试验将主要寻求设备
总之，化工生产中，原料的净制、中间产物和主 副产品之间的分离、同位素的分离和重水制备；生 化领域中抗菌素的净制、病毒的分离、生物制品的 下游技术；冶金工业中矿物的精选；甚至于半导体 和电子技术产业所需的载气氮、氦净化（每升气体 中所含大于0.5µm的尘粒少于3.5个）等都离不开分离 技术。 分离过程往往是一个十分耗能的过程。它在化工生 产的投资和操作费用中所占比例极高。以分离任务 较重的炼油厂为例，与分离有关的成本常占产品总 成本的90％左右。即使一般的化工厂，分离设备在 数量上往往超过作为核心设备的反应器．在投资上 也不亚于反应器。因此选择高效、低耗的分离技术 还与降低成本、减少能耗以及提高产品质量密切联 系。
1、化工技术开发一般包括开发基础研究、过程研究 及工程研究三个方面: (1)开发基础研究 针对项目的应用性基础研究和工艺特征研究，以实 验室研究为主体。 (2) (2)过程研究 进行工艺、产品、设备等的工程放大试验，包括模 型试验、微型中试、中间试验、原型装置试验及工业 试验的全部过程或部分过程。 (3)工程研究 包括技术经济评价、概念设计、数学模型、放大技 术及基础设计等。
科学的发展、学科的交叉提供了这种可能。在使常规分 离过程如蒸发、结晶、蒸馏、吸收、萃取、干燥等得到 不断完善和发展的同时，又衍生、开发出众多新的分离 方法，如泡沫分离、超临界萃取、固膜与液膜分离等， 展示了巨大的应用潜势。
0.3 分离因子 a、分离过程的特点：它以气、液、固三态物料为对象，
是一个不改变物性的物理加工过程，使得被处理后的物 料(组分)变得更纯净，却不产生任何新的物质。 b、分离因子的定义：
分离过程分类举例 表0-1
表0-2
原料
传质分离
分离剂 产品 分离原理
表0-3
原料 分离剂 产品 分离原理
0.2 分离过程的地位
分离过程在化学、石油、冶金、食品、轻工、医药、 生化和原子能等工业都有广泛应用。分离过程成功应 用于化工生产的典型例子： 古代煤用于直接燃烧，为饮食和取暖。炼焦工业的 兴起，使得煤经干馏获得焦炭和煤气，煤得到了初步 的合理使用。但其副产煤焦油印长期被看作无用而有 毒的废物。直到近代，发现煤焦油是含有多种芳香族 化合物的复杂混合物(达几百种物质)。用分馏的方法可 以使苯、酚、荼和更复杂的芳香族化合物分开，才使 煤的综合利用臻于完善。 原油从开始的直接燃烧到把它分馏为溶剂油、汽油、 煤油、柴油、润滑油和重油(沥青)，直到形成现代庞大 的石油炼制和石油化工体系。
差别取决于分子间化学反应平衡或分子的偶极矩和极 化强度的大小；结晶过程中溶质在溶剂中的溶解度本 Biblioteka Baidu在于各种分子的聚集能力，取决于分子的形状、大 小以及所带的电荷。
表0-4 不同的分子性质对分离因子的影响
6、经济因素 除了技术上可行性，经济上的可行性也往往是取舍某 一分离方法的决定因素。过程的经济性包括工程设计 和开发费用，设备的投资和操作费用等。 7、安全与环保 8、经验
的放大效应，得到放大判据。如果过程与设备都很简 单，或者对它的理解比较透彻，通过合理的分解和简 化完全可能得到可靠的数学模型，则试验将主要是验 证数学模型，修正模型参数。成功的开发常常采用数 学放大方法和逐级经验放大两者相结合的办法来实现。
0.5 分离方法的选择
随着科学技术的发展，分离方法愈来愈多，每种分 离方法都有它的长处和不足。在开发过程中如果需要 分离工序，首先应选择合适的方法，使之在技术上先 进、经济上合理。下面仅提供一些准则，可作选择时 参考。
α =
s ij
x i1/x j1 x i2 /x j2
（0-1）
组分i和j的通用分离因子定义为二个组分在产品1中的 摩尔分率的比值除以在产品2中的比值。显然，x的单 位可以用组分的质量分率、摩尔流量或质量流量，其 所得的分离因子值不变。
αs 由式(0-1)，若 ij ＝1，则说明组分i和j在产品中的含量 s α ij ＞1，则组分i在产 相等，意味着系统无法分离。若 品1中浓缩的程度比组分j大，而组分j在产品2中得到 浓缩。此时意味着系统得到有效的分离，且愈大愈好。 s 若α ij＜1，则反之，同样得到有效的分离,愈小愈好。 既然分离的程度可用偏离1的程度来判断，i、j可任意 s 指定，习惯上常使 α ij ≥1。 s α ij 没有任何限制条件，基于产品的实际组成而获得分
离因子值。系统的平衡组成、传质速率、设备结构、 分离流程都将影响它的大小。为方便起见将分离过程
理想化，平衡分离过程仅讨论其两相组成的平衡浓度， 速率控制过程只讨论在场的作用下的物理传递机理，把 那些较复杂的，不易定量的因素用效率来说明实际过程 与理想过程的偏差。于是得到了无上标的分离因子α ij 。 我们十分熟悉的用于判断双组分蒸馏的难易程度的相对 挥发度α。，就是理想的分离因子在精馏这个特定过程的 表达式。以v1、v2表示溶液中各组分的挥发度，气相服 从道尔顿定律，有下列表达式：
3、产品价格 4、产品热敏性 许多产品诸如生化制品、药品、食物、饮料等常会因 受热而变质或失去营养成分，有些石油化工原料如苯 乙烯会在分离过程中因受热而产生自身聚合，这时我 们应尽量首选速率控制分离过程。 5、物性与分子性质 对大多数分离过程来说，分离因子对分离方法的选择 可起指导作用，但起作用的根本原因还在于分子特性。 主要包括分子的体积、形状、偶极矩、极化强度、电 荷和化学性质等。 蒸馏操作中相对挥发度的差别取决于分子间吸引力的 强弱；萃取和吸收操作中溶质在不同溶剂中溶解度的
1、可行性 分离原理是否合理，分离条件是否具备，分离路线的 选择等等。 2、分离过程类别的选择 传质分离过程一般可分为速率控制分离过程和平衡分 离过程；而按添加剂来分，又可分为添加能量型分离 过程和添加物质型分离过程。它们各有优缺点可酌情 选用。 由于分离因子不大而采用多级分离过程时，考虑到 能量消耗的多寡，应首先选择平衡分离过程，再选择 速率控制过程。在平衡分离过程中又应首选能量添加 型次选物质添加型分离过程。对于分离因子较大的系 统，应尽量采用单级和级数不多的分离过程。利用各 组分分子在添加剂影响下具有不同迁移速率的特性优 先采用速率控制分离过程