化工分离过程第一章

（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。 速率分离过程： 如微滤、超滤、反渗透、电渗析等。 在某种推动力（浓度差、压力差、温度差、电 位差等）的作用下，利用各组分扩散速率的差 异实现分离。
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
Note: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
Example 3
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
第二节 传质分离过程的分类和特征
一类：机械分离过程 特点：被分离对象为非均相 混合物 目的：只是简单的将混合物 分开；如：过滤、沉降… 二类：传质分离过程
1.1 分离操作在化工生产中的重要性
化 学 工 程 学 科 的 两 个 基 本 问 题
过程的平衡,限度 化工热力学研究的问题 化学动力学研 究化学反应的 动力学规律 化学反应工程 研究实现过程 的设备 传递过程研究 过程的速率与 传递机理 单元操作侧重 过程的设备与 工程问题
反应过程
化学动力学 和反应工程 研究的问题
26
什么是化工分离工程 ？
化工分离工程是化学工程学科的重要组成部分。
化工分离工程是研究化工及其它相关过程中物质的分离和
纯化方法的一门技术科学。
许多天然物质都以混合物的形式存在，要从其中获得具有
使用价值的一种或几种产品，必须对混合物进行分离。
在许多加工工业中，例如化工、石油化工、炼油、医药、
33
34
湿法冶炼中的矿物浸取和萃取分离过程
35
现代生物技术产品的分离和纯化
以重组DNA技术为标志的现代生物技术 近三十年来取得了迅猛的发展。作为当代高 科技的核心之一，现代生物技术将改变医学、 农业、食品、能源、化学、环境保护等领域 的传统面貌，促进人类社会生产力和科学技 术的巨大进步。 现代生物技术的迅速发展对其下游过程， 即生物技术产品的分离纯化技术提出了迫切 的需求。通过发酵和动、植物细胞培养等生 成的目标产物需通过一系列的分离和纯化等 步骤才能获得最终的产品。据报道，生物技 术产品生产中分离提纯成本一般要占其总成 本的40%～90%。可见，分离过程在基因工 程产品生产中的重要性。
浓度差对化学势的贡献属熵的贡献，
熵增势能驱使Fe3+和Ti4+在整个体系范围内从有序向无序变化。
实例3：Fe3+和Ti4+的分离实验（二）
Fe3+ 、Ti4+ 抽掉隔板 6mol/L HCl 乙醚 6mol/L HCl，Ti4+ 乙醚，Fe3+
结果：乙醚和水为互不相溶的两相。
Fe3+与乙醚生成离子缔合物：
2
3
章节目录
第一章 绪论 第二章 单级平衡过程
第三章 多组分多级分离过程分析与简捷计算
第四章 多组分多级分离的严格计算 第五章 分离设备的处理能力和效率 第七章 其它分离技术和分离过程的选择
4
第一章 绪论 (Introduction)
一 分离操作在化工生产中的重要性
食品、材料、冶金、生化等，必须对中间体和产物进行分 离和提纯，才能使加工过程进行下去，并得到符合使用要 求的产品。
还是环保工程中用于污染物脱除的一个重要环节。
27
化工分离技术的特点
化 工 分 离 技 术 的 特 点
(1)化工分离技术的多样性
(2)化工分离技术的复杂性
(3)化工分离技术的前瞻性 (4)化工分离技术的特殊性
化工原 理内容
特点：被分离对象为均相混合物，存在质量传递现象
包含： 平衡分离过程；速率控制分离
42
（一）分离过程的分类 级数： 相态： 单级、多级 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
处理均相混合物
43
处理两相以上的混合物，如 过滤、沉降、离心分离等。
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
基础理论体系
化 学 工 程 学 科
化工热力学 专业课程体系 化工分离过程 化工工艺学
11
1.1 分离操作在化工生产中的重要性
化学工业是工业污染的大户，化工生产所造成的污 染来源于：
未回收的原料； 未回收的产品； 有用和无用的副产品； 原料中的杂质；
工艺的物料损耗。
12
1.1 分离操作在化工生产中的重要性
23
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）； • • •
24
典型化工生产装置
反应器；原料、中间产物和产品的分离设备；
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。
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
三 本课程的任务和内容
5
1.1 分离操作在化工生产中的重要性
6
一、 分离工程理论的形成与完善
分离技术是随着化学工业的发展而逐渐形成和发展的。
从实验室到产业
分离工程
20世纪初 20世纪中叶 20世纪后期
分离单元操 作概念 分离工程理论 形成
分离工程应用 领域推广
科技的发展使分离技术更趋成熟和完善
⑤ 用外力场和梯度进行分离(如离心萃取分离和电泳等) 。
(2) 分离技术的复杂性
缺乏基础物性数据
缺乏大型塔器的可靠设计方法 化工分离技术新的挑战 能源,原料和环境保护
典型实例1 ---乙烯水合生产乙醇
涉及分离过程：吸收：3、5、9； 精馏：6、8、10；闪蒸：4
31
例2：二甲苯生产
36
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 贵重金属的提取



食品除水、除毒、病毒分离、同位数分离
三废处理
37
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；
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
定义：分离过程是将混合物分成组分互不相同的
两种或几种产品的操作。
一般化工生产过程： 煤 石油 天然气 生物质 化 工 原 料
反应
分离
产品
13
分离过程示意图
分离工程就是化学工程领域中发展较早的学科分支之一。 它所研究的任一单个分离过程，一般都有可表示为：
产品 1 产品 2
原料（混合物）
分离器
分离剂（能量或物质）
极限程度＝ 热力学 分离速率＝ 动力学
14
什么是分离过程？
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。
借助一定的分离剂，实现混合物中组分的分级
（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。
44
（1）平衡分离过程
过程名称 蒸发 蒸馏 吸收 原 料 液体 液体 气体 分离剂 热 热 不挥发性液体 产 品 液体+蒸汽 液体+蒸汽 液体+气体 分离原理 蒸汽压不同 蒸汽压不同 溶解度不同
Fe3+进入乙醚相