第1章绪论化学分离工程概要

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1、1,分离工程 Separation Engineering,2,课程性质：必修、考试 课程学分：2 计划学时：28 考核方法：闭卷考试 成绩评定：平时成绩（作业、考勤）占20% 闭卷考试卷面成绩占80% 上课班级：能源化工专业,课程简介,3,分离工程：研究化学工业和其他化学类型工业生产中 混合物分离与提纯的一门工程学科。 分离过程：将混合物分成组成互不相同的两种或几种 产品的操作过程。(机械分离和传质分离) 学科分类： 一级学科：化学工程与技术； 二级学科：化学工程、化学工艺、工业催化、应用化学、 生物化工等； 三级学科：反应工程、分离工程、系统工程，传递 过程等。 本课程研究对象：传质分离过

2、程(有质量传递现象发生：蒸馏、吸收、萃取、吸附、干燥、蒸发等）,Seperation Process,Seperation Engineering,4,Teaching content,第1章 绪论（8学时） 第2章 单级平衡过程 （8学时） 第3章 多组分精馏和特殊精馏 （10学时） 第4章 气体吸收（4学时） 第5章 液液萃取 （2学时） 第6章 多组分多级分离的严格计算（4学时） 第7章 吸附（6学时） 第8章 结晶（2学时） 第9章 膜分离（2学时） 第10章 分离过程及设备的选择与放大（2学时）,5,课程主要任务：掌握常用化工分离过程（精馏、特殊精馏、吸收、吸附）的基本理论、操作特性

3、、简捷与严格的计算方法和强化改进分离操作的途径；了解一些新型的分离技术。 预修课程：物理化学、化工原理、化工热力学、 化工传递过程 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）课堂学习重点：第1.4、2、3、4、6、7章； （3）本课程的部分计算题要求采用计算机编程求解。,6,1刘家祺.分离过程M. 北京:化学工业出版社, 2002 2 J.D.Seader,Ernest Henley.Seperation Process PrinciplesM. 北京:化学工业出版社, 2002 3陈洪钫,刘家祺编. 化工分离过程M. 北京:化学工业出版社, 19

4、95 4邓修, 吴俊生编著. 化工分离工程M. 北京:科学出版社出版社, 2006 5郁浩然主编. 化工分离工程M. 北京:中国石化出版社, 1992 6陈洪钫主编. 基本有机化工分离工程M. 北京:化学工业出版社, 1981,7,分离工程 （Separation Engineering）,第1章 绪论 (Chapter1 Introduction ),8,思考题,9,(1) 了解分离操作在工业生产中的重要地位； (2) 掌握分离因子的定义； (3) 掌握传质分离过程的分类和特征； (4) 掌握分离系统的变量分析和设计变量的确 定方法。,10,化工分离技术发展过程,生产实践是分离工程形成与发展

5、的源泉 早期人类生产、生活中的分离过程： （）古书世本记载“皇帝时，诸侯有夙沙氏，始以海水煮乳煎成盐。”；天工开物记载“煮酒”、“糖霜”的制作。 孕育着 “蒸发”、“结晶” 两种分离技术。 （）从矿石中提炼金、银、铜、铁等金属；（熔炼） （）农产品的日光 干燥 ； （）从植物中提取药物有效成份；(精馏、萃取等) （）酿造葡萄酒时，用布袋 过滤 葡萄汁等等。 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。 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

6、不同，但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。这奠定了化学工 程学科最初的理论基础。,11,现代化学工业的兴起促进分离工程的发展 18世纪：以“三酸两碱”为主的无机化学工业成为现代化学工业的开端； 19世纪：以煤为基础原料的有机化工在欧洲兴起。 著名的索尔维制碱法中，使用了高达20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。 当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。,化工分离技术发展过程,12,单元操作和化学工程理论的形成 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

7、。 单元操作概念的建立对化学工程的发展起了重大的作用。 它将用于不同的化学工艺中的同样的操作，以单元操作的概念抽象出来，对其共同规律进行研究； 通过对单元操作的基础研究和所用设备的结构、操作特性、设计计算方法及应用开发等多方面的研究，为分离过程在化工工艺开发、化工过程放大、化工装置设计和在化工生产中的正确应用，提供了较为完整的理论体系，对促进化学工业的发展起到了重要的作用。,Example,化工分离技术发展过程,13,化工分离技术发展过程,14,自20世纪50年代以来，通过对化学工业的深入研究，提出“三传一反”的概念，使分离工程建立在更基本的质量传递基础上，从界面的分子现象和基本流体力学现象进

8、行分离工程中各单元操作的基础研究，并用于定量的数学模型描述分离过程、分析已有的分离设备、设计新的分离过程和分离设备。 随着计算机技术的飞速发展，使得从基础的理论角度出发，对分离过程和设备进行研究成为可能，并减少了研究误差和失真现象，开发了复杂的数学模型，并用于分离过程的优化。,化工分离技术发展过程,15,20世纪70年代以后，化工分离技术更加高级化，应用也更加广泛。与此同时，化工分离技术与其它科学技术相互交叉渗透产生一些更新的边缘分离技术，如生物分离技术、膜分离技术、环境化学分离技术、纳米分离技术、超临界流体萃取技术等。 进入21世纪，化工分离技术将面临着一系列新的挑战，其中最主要的是来自能源

9、、原料和环境保护三大方面。 此外，化工分离技术还将对农业、食品加工、城市交通和建设以及提高和改善人们的生活水平方面做出贡献。,化工分离技术发展过程,典型的分离单元操作,16,分离过程的选择除要考虑技术和经济的因素外，环境保护和生产安全也对分离过程有所要求。 分离过程已成为处理“三废”不致污染环境的最常用的手段之一。,化工分离技术发展过程,17,1.1.1 分离过程在化工生产中的重要性 Significance of Separation Process in Chemical Industry,一般的化工生产过程：,煤 石油 天然气 生物质,化工原料,化学反应,分离,产品,Example,占据

10、重要地位,18,1.1.1 分离过程在化工生产中的重要性 Significance of Separation Process in Chemical Industry,分凝、 吸收、 闪蒸、 精馏,反应,19,分离操作在化工生产中的作用 1、原料的净化和粗分(除去对反应或催化剂有害的杂 质，减少副反应、提高反应收率)； 2、反应产物的提纯，以得到合格产品和副产品，并 使未反应的原料得以循环使用； 3、药物的精制和提纯； 4、精选金属的提取； 5、食品的除水、除毒、病毒分离、同位素分离； 6、三废处理； 在大型石油化工生产过程中，分离装置的投资一 般占整个装置投资5090%。如乙烯装置中达90

11、%左右。,1.1.1 分离过程在化工生产中的重要性 Significance of Separation Process in Chemical Industry,20,1、清洁工艺 清洁工艺是将生产工艺和防治污染有机地结合起 来，将污染物减少或消灭在工艺过程中，从根本上解 决工业污染问题，又称少废无废技术，是当今社会和 经济可持续发展的重大课题之一。 清洁工艺的本质是合理利用资源，减少或消除废 料的产生。 2、化学工业的污染来源 （1）未回收的原料； （2）未回收的产品； （3）有用和无用的副产物；（4）原料中的杂质； （5）工艺的物料损耗。,1.1.2 分离过程在清洁工艺中的地位和作用 P

12、osition and Effect of Separation Process in Depurate Technics,废物如何最小化？,21,1.1.2 分离过程在清洁工艺中的地位和作用 Position and Effect of Separation Process in Depurate Technics,化工生产的核心：,22,3、清洁工艺的任务（与化工分离过程密切相关）,1.1.2 分离过程在清洁工艺中的地位和作用,23,1.1.2 分离过程在清洁工艺中的地位和作用 Position and Effect of Separation Process in Depurate Te

13、chnics,“废物最小化”的方法？,24,4、实现分离与再循环系统“废物最小化”的方法 废物直接再循环：废水 进料净化、提纯：氧化反应采用纯氧 除去分离过程中加入的附加物：共沸剂、萃取剂循环 附加分离与再循环系统：回收废物中的有用物质，循 环使用，减小污染 上述任务绝大多数由化工分离操作完成，这些任务 促使传统分离过程的改进和发展(精馏、吸收、吸附 )及新分离方法的不断出现和工业化应用的实现 （膜分离、热扩散、色层分离、 ）。,END,1.1.2 分离过程在清洁工艺中的地位和作用 Position and Effect of Separation Process in Depurate Te

14、chnics,25,分离过程包含在任何生产过程中，其主要任务： 从原料、产品、副产品中脱除杂质；循环物料的分离； 从废气和废水中脱除污染物。,26,一、分离过程是一个不改变物性的物理加工过程。 作用：使得被处理物料（组分）变得更纯净，而不产生 任何新的物质。 实质：是指混合物在内因和外因的作用下，在分离场或分 离介质中使组分得到提纯、提取、净化、浓缩、干燥或达 到“三废”处理等要求的操作过程。,分离过程图示：,能量分离剂（ESA） 质量分离剂（MSA）,混合物,（气、液、固）,分 离 设 备,分离场 分离剂,27,二、分离过程的特征 混合过程：几种物质混合在一起的过程是自发的，是混乱度或熵增加

15、的过程； 分离过程：是熵减小的过程，需要外界对系统作功（或输入能量）方能进行； 分离过程是混合过程的逆过程。 分离过程的目的是对所需分离混合物达到生产需要的分离程度，分离程度常采用分离因子来衡量。,28,三、分离因子（Separation Factor）：表示任一分离 过程所达到的分离程度。两种定义形式：,实际产品组成间关系,任一分离过程的分离程度均可 以分离因子偏离1的程度来判断！,实际分离因子 通用分离因子,29,相平衡状态组成的关系,对于精馏 ：,理想分离因子,理想分离因子就是汽液平衡常数之比，即相对挥发度。,对于液液萃取：,理想分离因子就是分配系数。,对于液固分离（蒸发、机械分离）：分

16、离因子趋于无穷大。,30,例：对海水蒸发淡化过程，产品为蒸馏水和盐溶液。 分离因子： 其中：w（water）,s(salt) 因盐为不挥发性物质，所以ys趋向于0，则分离因子趋近于无穷大。,31,实际分离因子与理想分离因子的关系 实际分离因子既反映了实际产品组成与相间传质过程的平衡组成的差别，以及分离过程所依据的基本物理现象所致的传质速率差异，同时还反映了分离装置的结构及流体流动型式对传质的影响。 理想分离因子与实际分离因子都可以用来分析分离过程。通常将实际分离因子与理想分离因子之间的差别程度用效率来表示：,32,四、分离过程的分类 按分离过程中有无传质现象发生分两类： 1、机械分离过程 分离对象：非均相混合物 特 点：用机械法简单地组分分离，相间并无质量 传递现象发生。 如：过滤、沉降、离心分离、旋风分离、静电除尘等。 2、传质分离过程 分离对象：均相混合物 特