分离工程重点与难点-青岛科技大学教师授课教案

青岛科技大学教师授课教案
课程名称分离工程
课程性质必修
授课教师叶庆国
教师职称教授
授课对象化工工艺04级6~8班、05级AB班
授课时数 40学时
教学日期 2007年3月~6月
所用教材分离过程
授课方式课堂教学
分离工程
Separation Engineering
学时数：40小时
1、课程依据
课程依据本大纲依据化学工业出版社刘家淇编写的“化工分离过程”（2002），化学工业出版社Seader J D编写的“Seperation Process Principles”(2002)，史季芬编，“多级分离过程—蒸馏、吸收、萃取、吸附”（1991）等编写。

适用于化学工程与工艺及相近化工类专业本（专）科学生。

2、课程的性质、地位和任务
本课程是化学工程与工艺及相近化工类专业教学中一门专业基础课程，是建立在物理化学、化工原理、化工热力学、传递课程原理等技术基础课程知识之上的一门必修课程。

化工分离过程是实现化工生产过程的必不可少的重要步骤。

它在化工生产中的地位和作用，决定了本课程在化学工程及相近化工类专业人才培养中的地位和作用。

因此，化工分离过程的知识和理论在化学工程及相近化工类专业人才的知识构成中占有相当重要的分量。

本课程的主要任务是运用化工单元操作的基本知识、溶液相平衡理论、动量、热量和质量传递的原理来研究化工生产实际中复杂的物系的分离和提纯技术、分析和解决在化工生产、设计和科研中常用的分离过程的理论和实际问题；讨论分离设备的处理能力和效率，分离过程的节能技术和分离流量的选择；简要介绍膜分离、吸附、反应精馏等其它分离技术主分离过程的选择。

通过学习和应用化工分离过程的基本理论、概念和知识，掌握各种常用分离过程的基本理论，操作特点，简捷和严格的计算方法和强化、改进操作的途径，对一些新分离技术有一定的了解；通过对典型实例的分析和讨论，培养选择适宜的分离方法，进行分离过程特性分析，解决在操作和设计方面的实际问题的能力；从分离过程的共性出发，通过讨论各种分离方法的特征，培养和建立工程与工艺相结合的观点和经济学的观点，以及考虑和处理工程实际问题的能力；培养学生科学的思想方法，注重实际的求实态度。

3对学生的培养目标
教学中强调理论联系实际、工程与工艺结合，以培养学生分析和解决实际问题的能力。

通过本课程教学，要求学生牢固掌握分离过程的基本原理及应用方法，熟练进行简化计算，了解多种数值计算方法，学会实际分离过程的分析与综合，了解分离及相关工程研究的进展，学会针对工业实际正确选择分离过程及设备。

1）通过学习和应用化工分离过程的基本理论、概念和知识，掌握各种常用分离过程的基本理论，操作特点，简捷和严格的计算方法和强化、改进操作的途径，对一些新
分离技术有一定的了解；
2）通过对典型实例的分析和讨论，培养选择适宜的分离方法，进行分离过程特性分析，解决在操作和设计方面的实际问题的能力；
3）从分离过程的共性出发，通过讨论各种分离方法的特征，培养和建立工程与工艺相结合的观点和经济学的观点，以及考虑和处理工程实际问题的能力；
4）培养学生科学的思想方法，注重实际的求实态度。

4 课程内容的重点，难点，深度和广度
重点：
1）分离操作在化工生产中重要性及分离过程的分类；
2）多组分物系泡点和露点温度的计算及等温闪蒸和部分冷凝过程的计算；
3）分离系统变量分析、设计变量的确定方法；
4）多组分多级分离过程分析及简捷计算法；
5）多组分多级分离过程的严格计算（泡点法）；
6）影响汽液传质设备处理能力和级效率的因素，强化分离操作的途径；
7）提高精馏热力学效率的途径；
8）分离顺序和分离过程选择。

难点：
1）非理想体系相平衡常数计算；
2）精馏过程泡点计算法
3）分离系统的变量分析及其应用；
4）多组分多级分离过程的严格计算法；
5）汽液传质设备级效率影响因素分析。

深度：
1）多组分精馏过程分析；
2）包括化学反应的吸收过程；
3）多组分多级平衡级理论模型；
4）汽液传质设备级效率影响因素分析。

5）精馏过程热力学不可逆性分析及提高热力学效率的途径。

广度：
1）以学习平衡分离过程为主，同时了解速率分离过程；
2）以学习常见的分离过程为主，同时了解最新发展的分离技术；
3）以学习常见分离过程的基本理论、过程特点，数学模型及其求解方法为主，同时了解必要的工程（设备）和经济学的知识；
4）既学习分离过程的简捷法计算，又学习其严格计算方法；
5）涉及分离顺序和分离过程的选择。

5 课程各教学环节要求
本课程以课堂讲授为主，除此之外以习题、作业的形式进行知识的强化和巩固。

习题的类型以计算题为主，兼有问答题、证明题、思考题等形式。

要求学生通过思考，独立完成作业。

本课程为必修课，考试形式为闭卷。

6本课程与其它课程的联系
本课程的预修课有：物理化学、化工原理、化工热力学、传递过程原理。

有关的主要内容分别是：
物理化学：汽液相平衡，热力学第一定律
化工热力学：非理想汽液相平衡、热力学第二定律
化工原理：二元精馏、吸收过程与设备
传递过程原理：流体力学、传质原理
同时本课程又是《化工工艺设计与化工过程开发》的基础，它与《化工反应工程》紧密相连，只有这些课学好了才能学好这门课，做好毕业设计。

7 必要说明
1）本课程在学生课前预习、自学的基础上，进行重点内容的课堂讲授；
2）本课程的重点是第二、三和四章；
3）本课程的计算题原则上要求采用计算机编程求解。

8 教学用书及参考书
[1]陈洪钫、刘家淇编，化工分离过程，化学工业出版社，1995年。

[2]史季芬编，多级分离过程—蒸馏、吸收、萃取、吸附，化学工业出版社，1991年。

[3]King C. J.，Separation Processes ，2nd，McGraw-Hill，New，Youk，1980
[4]Wankat P C ，Equilibrium –Stag Separation in Chemical Engining，1 seviev，1988。

[5] 邓修等编著，分离工程，华东理工大学出版社，2001
[6] 郁浩然主编，化工分离工程，中国石油出版社，1992
[7] 裘元焘，基本有机化工过程及其设备，化学工业出版社，
[8] 郭天民，多元汽液平衡和精馏，化学工业出版社，
[9] R M Barrer. Diffusion in and Through Solids. Cambridge University Press, Londen, 1951
[10] 时钧，袁权，高从。

膜技术手册。

北京：化学工业出版社，2000
[11] Seader J D，Seperation Process Principles，北京：化学工业出版社，2002
[12] 刘芙蓉，分离过程及系统模拟，北京：科学出版社，2001
[13]刘家淇编，化工分离过程，化学工业出版社，2002年。

第一章绪论
Chapter1 Introduction
学时数 2学时
教学目的与要求：
了解分离工程在化工生产中的重要性，分离过程的分类以及常用的化工分离操作过程。

理解工业上常用的分离单元操作的基本原理，了解一些典型应用实例。

1）了解本课程的任务和内容，与其它课程的相互关系。

2）了解分离操作在化工生产中的重要性。

掌握分离因子的定义。

3）了解传质分离过程的分类和特征。

授课主要内容：
1.1分离操作在化工生产中的地位
1.2分离过程的特征与分类
1.3 分离过程的研究内容与研究方法
重点、难点及对学生的要求：
重点讲解分离过程的特征，区分分离因子和固有分离因子，讲解用其判断一个分离过程分离的难易程度。

讲解平衡分离的的原理和处理的手段。

重点：掌握分离过程的特征，分离因子和固有分离因子的区别，平衡分离和速率分离的原理。

难点：用分离因子判断一个分离过程进行的难易程度，分离因子与板效率之间的关系。

复习思考题
1、说明分离过程与分离工程的区别？
2、实际分离因子与固有分离因子的主要不同点是什么？
3、怎样用分离因子判断分离过程进行的难易程度？
4、什么是分离因子，它与固有分离因子有何不同？
5、按所依据的物理化学原理不同，传质分离过程可分为那两类？
6、分离过程常借助分离剂将均相混合物变成两相系统，举例说明分离剂的类型.
参考文献
[1] 刘会洲,陈家镛，过程工业中重要分离技术的新进展，化工学报，2000年S1期
[2] 费维扬,王德华,尹晔东，化工分离技术的若干新进展，化学工程，2002年01期
[3] 朱家文,房鼎业，面向21世纪的化工分离工程，化工生产与技术，2000年02期
[4] 朱家文,纪利俊,房鼎业，化工分离工程与高新科技发展，化学工业与工程技术，2000年02期
[5] 袁晴棠，分离工程的技术进步，石油化工，1994年01期
第二章单级平衡分离
Chapter2 Single stage balance separation
学时数 6学时
教学目的与要求：
在“化工热力学”课程有关相平衡理论的基础上，较为全面的了解化工过程中经常遇到的多组分物系的气液平衡，即各种单级平衡过程的计算问题。

1）了解相平衡常数的计算：状态方程法，活度系数法，活度系数法计算汽液平衡常数的简化形式。

2）熟练掌握多组分物系的泡点和露点计算
3）掌握混合物相态的判别和等温闪蒸过程的计算
4）了解绝热闪蒸过程的序贯迭代法，正割收敛法
授课主要内容：
2.1汽液相平衡及其计算
2.1.1汽液相平衡关系
2.1.2汽液平衡的分类与计算
2.2 多组分物系的泡点和露点计算
2.2.1泡点计算
2.2.2露点计算
2.3闪蒸过程的计算
2.3.1等温闪蒸
2.3.2绝热闪蒸
重点、难点及对学生的要求
熟练掌握多组分非理想体系平衡常数计算方法；重点讲解汽液相平衡关系常用的两种形式；会用相平衡常数和相对挥发度表示相平衡关系；至少会一种求算活度系数和逸度系数；泡点和露点计算要教会学生会查阅P-T-K列线图，求算烃类物质的K值，讲解例题2-3；2-4说明泡、露点的计算方法；了解平衡常数与组成有关的泡、露点计算。

以例2-8介绍等温闪蒸和部分冷凝过程的计算，了解绝热闪蒸过程的计算。

重点：多组分物系的相平衡条件；平衡常数；分离因子。

多组分物系的泡点方程、露点方程；计算方法。

等温闪蒸过程和部分冷凝过程。

闪蒸方程；闪蒸过程的计算。

难点：多组分非理想体系平衡常数计算。

多组分物系的泡点温度和泡点压力、露点温度和露点压力的计算。

等温闪蒸过程和部分冷凝过程的计算。

复习思考题
1、什么叫露点，精馏塔顶温度如何处理？
2、相平衡关系可用几种方法来表达。

3、就活度系数法计算气液平衡常数的通式，分以下几种情况进行讨论：
1）气相为理想气体，液相为理想溶液；
2）气相为理想气体，液相为非理想溶液；
3）气相为理想溶液，液相为理想溶液；
4）气相为理想溶液，液相为非理想溶液。

4、怎样判断混合物在T，P下的相态，若为两相区其组成怎样计算？
5、用逐次逼近法进行等焓闪蒸计算时，什么情况下汽化率作为内循环，温度T作为外循环，为什么？
6、简述绝热闪蒸计算的计算方法和特点。

参考文献
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第三章多组分多级分离过程分析与简捷计算
Chapter3 Multistage separation process of multi-component analysis and shortcut calculation
学时数14学时
教学目的与要求：
通过学习和应用化工分离过程的基本理论、概念和知识，掌握多组分或复杂物系设计变量的确定方法，各种常用分离过程如多组分精馏、共沸和萃取精馏、吸收和蒸出等过程的基本理论，操作特点，流程及其简捷计算方法，以及塔内的流率、浓度和温度分布特点。

1）会确定系统的独立变量数、约束关系数和设计变量数
2）了解多组分精馏过程与二组分精馏的比较分析。

掌握关键组分等概念。

3）掌握清晰分割和不清晰分割物料衡算的计算方法。

简捷法求算精馏过程理论板数的步骤。

4）掌握萃取精馏原理和萃取剂选择性的定义和影响因素以及萃取剂的选择。

5）了解萃取精馏流程和萃取精馏过程的计算
6）了解共沸物的特性和共沸组成的计算，三元物系组成的表示方法，掌握共沸精馏过程共沸剂的确定。

7）掌握简捷计算法计算萃取精馏和共沸精馏过程的理论板数。

8）了解吸收过程的特点及分类，掌握多组分吸收简捷计算法，吸收因子法
授课主要内容：
3.1分离系统的变量分析
3.1.1设计变量
3.1.2单元的设计变量
3.1.3装置的设计变量
3.2多组分精馏过程
3.2.1多组分精馏过程分析
3.2.2多级分离过程的简捷法（群法）计算
3.3特殊精馏
3.3.1萃取精馏
3.3.1.1萃取精馏过程
3.3.1.2萃取精馏的原理
3.3.1.3萃取剂的选择
3.3.1.4萃取精馏过程分析
3.3.1.5萃取精馏过程理论板数的简捷计算
3.3.2恒沸精馏
3.3.2.1恒沸物
3.3.2.2恒沸剂的选择
3.3.2.3 恒沸精馏流程
3.3.2.4恒沸精馏的计算
3.4 多组分吸收和蒸出过程
3.4.1吸收过程分析
3.4.2吸收和蒸出流程
3.4.3多组分吸收和蒸出的简捷计算法
3.4.3.1吸收过程工艺计算的基本概念
3.4.3.2吸收因子（吸收因素）
3.4.3.3吸收因子法的基本方程
3.4.3.4平均吸收因子法（Kremser-Brown克雷姆塞尔-布朗）
3.4.3.5平均有效吸收因子法
重点、难点及对学生的要求
掌握多组分或复杂物系设计变量的确定方法，多组分精馏、共沸和萃取精馏、吸收和蒸出等过程的基本原理、流程及其简捷计算方法，以及塔内的流率、浓度和温度分布特点，熟练掌握多组分多级分离工程的简捷计算方法。

通过例3-2说明关键组分等概念和总结清晰分割的两种计算方法；会推导芬思克
公式，了解不清晰分割物料衡算的计算思路。

熟悉简捷法求算精馏过程理论板数的步骤。

从萃取剂作用说明其如何改变关键组分间的相对挥发度，推导萃取剂的选择性的计算公式，总结其在萃取剂选择中所其的作用；了解图解法求算萃取精馏过程理论板数的过程。

从共沸剂作用说明其如何改变关键组分间的相对挥发度，会用三角相图计算共沸剂的用量。

与精馏过程比较说明精馏为双向传质过程而吸收为单向传质过程，推导平均吸收因子法的公式，通过例3-8说明多组分吸收简捷计算的方法，蒸出因子的公式与吸收过程一起学习。

重点：常用化工生产操作单元、装置和过程的设计变量的确定。

多组分精馏过程分析和简捷计算方法。

特殊精馏过程、流程，及其简捷计算方法。

多组分吸收和蒸出过程分析、简捷计算方法。

难点：常用化工过程设计变量的确定。

普通多组分精馏过程的物料衡算；清晰分割；非关键组分的分配。

复杂精馏过程的简捷计算。

共沸精馏流程。

多组分吸收、蒸出过程计算的平均吸收因子法和有效因子法。

复习思考题
1、什么叫清晰分割法，什么叫不清晰分割法？
2、什么是关键组分？非关键组分？分配组分与非分配组分？非关键组分是否就一定是非分配组分？
3、非清晰分割的基本思想是什么？怎样做物料的预分布？
4、怎样用简捷法计算精馏过程的理论板板数。

5、萃取精馏的实质是什么？如何提高其选择性。

6、萃取精馏的原理是什么？画出液相进料的萃取精馏流程。

7、当5.0,012>'>'X A 时，画出其萃取工艺流程。

8、甲醇（1），沸点337.7k ，丙酮（2）沸点329.4k ，溶液具有最低恒沸点，2.0,7.3281==x k L 恒的非理想溶液，如用萃取精馏分离时，萃取剂应从酮类选还是从醇类选？请说明原因。

9、什么叫恒沸精馏，画出一个二元非均相恒沸精馏流程。

10、怎样用三角相图来求解恒沸剂的用量。

11、恒沸精馏的基本原理，说明沸点相近和相对挥发度相近是否为同一概念。

12、当原溶液为二组分时，恒沸精馏和萃取精馏都可以用图解法求算，试问两者原理是否相同，为什么？
13、请指出共沸精馏与萃取精馏的主要异同。

14、简述精馏和吸收过程的主要不同点。

15、怎样用简捷法计算吸收过程的理论板板数。

16、当吸收效果不好时，能否用增加塔板数来提高吸收效率，为什么？
17、精馏有两个关键组分，而吸收只有一个关键组分，为什么？
18、组分的吸收因子是怎样定义的，推导i组分的吸收相平衡方程。

19、叙述用简捷法作吸收过程物料预分布及理论板数的步骤。

20、吸收因子如何定义？其值大小对设计塔高有何影响？
21、请解释对于一般多组分吸收塔，为什么不易挥发的组分主要在塔釜几块板上吸收，而易挥发的组分主要在塔顶的几块板上吸收？
22、试确定分配器、全凝器、分凝器的设计变量
参考文献
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第四章多组分多级分离的严格计算
Chapter4 Multistage separation process of multi-component rigorous
calculation
学时数 6学时
教学目的与要求：
通过学习复杂塔的类型，了解数学模型法求解多组分多级分离过程建立物理模型和建立平衡级理论模型的基本方法。

熟悉三对角线矩阵方程的托玛斯解法；了解精馏过程的逐板计算法和松驰法。

1）了解平衡级的基本假定，掌握多级平衡分离过程的物理模型和数学模型。

2）掌握逐板计算法原理、计算起点和步骤。

3）掌握三对角线矩阵法（泡点法）的计算原理和解法，该法的优缺点和改进方法。

4）了解流率加和法（SR法）和松驰法的计算原理。

授课主要内容：
4.1多级分离过程的模型
4.1.1模型塔
4.1.2数学模型
4.1.3计算方法
4.2逐板计算法
4.2.1计算内容与计算起点
4.2.2计算方法
4.2.3进料板的确定和计算结束的判断
4.2.4变摩尔流的逐板法
4.3三对角矩阵法
4.3.1计算原理
4.3.2ME方程
4.3.3初值的确定
4.3.4求解方法。