化工分离工程_分离过程的分类和特征

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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
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1.2.1 平衡分离过程
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
第一章 绪 论
1.1分离过程在工业生产中的地位和 作用 1.2 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
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。
分离工程
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
超滤（UF）：
目的：溶液脱大分子，大分子溶液脱小分子，大 分子分级。
进料
胶体大分子
溶剂、水
推动力：压力差（100～1000kPa） 传递机理：筛分 膜类型：非对称性膜
反渗透（RO）：
目的：溶剂脱溶质，含小分子溶质溶液浓缩。
进料
溶质、盐 溶剂、水
推动力：压力差（1000～10000kPa） 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
●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。
产品
原
料
1
1
1
废
物 2
废
由催化裂化 装置主蒸塔 顶产物中回
出
热量（
别
收乙烷及较
L
ESA）
轻的烃。
萃
取
MSA
或 共
L或V
沸
精
馏
原料
相态 L：
汽、液 或汽液 L 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。
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
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一般化工生产过程：
煤
石油
化
天然气
工 原
反应
分离
产 品
生物质
料
例1：乙烯水合生产乙醇
乙
烯
循环乙烯
放 空
水
水
放 空水
氢
12
C2H4 H20 C2H5OH
345 6 7
乙
醛
水
93% 产品
8 9 10
废水
废水
目的产物为 对二甲苯
● 特点：
邻二甲苯 间二甲苯 对二甲苯
沸点℃ 熔点℃
144.411 ﹣25.173
139.104 ﹣47.872
138.351 13.263
● 涉及到分离过程：精馏：4、7、8 萃取：5、6 结晶：10
目的产 物
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
速率分离过程特点：
■节能 ■环保优势 ■新的方法
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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
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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。
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；
67 8
10 11 13
石脑油 进料
12
重芳烃 对二甲苯
间二甲苯 和邻二甲 苯
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
● 原料：石脑油 沸程120～230K
●加氢重整后得到：轻油 非芳烃 苯 甲苯 二甲苯 高级芳烃
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 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。 返回
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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）：
目的：溶液脱离子，气体脱离子
进料
颗粒、纤维
（液体和气体）
溶剂、水、 气体
推动力：压力差（～100kPa） 传递机理：筛分 膜类型：多孔膜
● 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
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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 工艺的物料省耗
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
例2：二甲苯生产
放
混合二甲苯 循环混合二甲苯
3
H2
空
轻烃类 非芳烃
苯和甲苯 芳烃
H2
乙二醇ຫໍສະໝຸດ Baidu
12
45
9
3 H2
蒸汽压） 产纯水；吸 有较大差 收液的解吸
别
。
原料 分离媒介：
石油裂解气
精
相态： 热量，有时 汽、液 用机械功
的深冷分离 ；苯、甲苯
馏
或汽液 混合物
同上
、二甲苯的 分离。
V
原料 分离媒 分离原 工业应
吸
相态 介： 理： 用：
收 蒸
L或V
MSA ：
气体或 液体
液体吸收 剂（MSA ）；加入
挥发度（ 蒸汽压） 有较大差
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 。
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1.3.2分离过程与分离过程的耦合
复合分离过程
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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。
共沸精馏与萃取集成
环己烷 +苯
环己烷+丙 酮共沸物
环己烷 丙酮+水
丙酮
水
丙酮
纯苯
水
优点：无污染
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
渗析（D）：
目的：大分子溶质溶液脱小分子，小分子溶质溶
液脱大分子。
进 料
扩散
净化液 接受液
液
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
电渗析（ED）：
目的：溶液脱小离子，小离子溶质的浓缩、小离
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） 分离：①挥发度相近的组分。
②无机盐生产（优点：节能）
溶剂可萃取出部分水。
◆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
◆电泳分离
不同蛋白质在一定pH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。
混合物 分离设备
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
原料 分离媒 分离原 工业应
闪
相态： 介： 理： 用：
蒸
减压 挥发度（ 海水淡化生
液体
子的分级。
浓电解质
产品
＋
－
极
极
阴离子交换膜
进料
阳离子交换膜
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
热扩散：
顶瓶
温度 梯度
底瓶
热线 冷壁
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。
物 2
排除
2
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；…