第一章 化工分离工程与高新科技发展,第一节 面向２１世纪的化工分离工程,１生产实践是分离工程形成与发展的源泉,1.1 分离工程理论的形成与完善 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，生产用的大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不同 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奠定了化学工程学科最初的理论基础 即使是在一种产品的生产流程中，也有原理相似的不同操作步骤,１生产实践是分离工程形成与发展的源泉,1.1 分离工程理论的形成与完善 1901年戴维斯编著的世界上第一本《化学工程手册》 1923年美国麻省理工学院，W．K．刘易斯和W．H．麦克亚当斯合著《化工原理》 1922年鲁宾逊的《精馏原理》和1926 年《蒸发》 1926 年W．K．刘易斯的《化工计算》 1937 年T．K．舍伍德的《吸收与萃取》,１生产实践是分离工程形成与发展的源泉,1.1 分离工程理论的形成与完善 分离操作可分为平衡分离过程和速率分离过程 平衡分离过程，借助于热能、溶剂和吸附剂等媒介，使均相混合物变成两相 速率分离过程在浓度差、压力差、电位差等的推动力作用下，利用各组分的扩散速率差异进行分离,1.2分离单元操作的诞生与发展,1.2.1蒸馏 1.2.2吸收 1.2.3萃取 1.2.4浸取 1.2.5结晶 1.2.6吸附 1.2.7离子交换 1.2.8过滤,1.3分离应用领域的延伸和拓宽,分离工程目前的使用已不限于化学工业和石油工业 核工业用各种分离方法提取，生物化工用分离技术对高附加值的产品进行分离，微电子工业中对空气进行净化，环境保护中对SOX、NOX的清除步骤都离不开分离工程,1.4化工分离技术的特性,1.4.1化工分离技术的重要性 1.4.2化工分离技术的多样性 1.4.3化工分离技术的复杂性,1.4.1化工分离技术的重要性,1.4.2化工分离技术的多样性,,,1.4.3化工分离技术的复杂性,缺乏基础物性数据 大型塔器的可靠设计方法,2 、分离工程的发展促进了化学工业等过程工业的进步,2.1分离技术和石油加工 2.2分离技术与化学工艺 2.3分离技术与原子能工业和核能 2.4分离技术与有色金属冶炼,湿法冶炼中的矿物浸取和萃取分离过程,2 、分离技术推动化学工业与相关工业的发展,2.5分离技术与生物化工 生物分离工程是生物技术的一个组成部分 生物技术产品是通过发酵过程、酶反应过程、动植物的细胞培养和基因重组获得的 从上述反应溶液或培养液中分离、精制出有关产品的过程，即是生物分离工程或称生物下游加工过程,2.5分离技术与生物化工,发酵工业生产氨基酸、有机酸、抗生素等 钙盐法提取柠檬酸,现用萃取法和离子交换法,2.5分离技术与生物化工,基因工程产品提纯技术的分离对象、系统和特点： (1)分离对象是具有特定的生物活性的生物大分子产品 (2)目标产物存在于含有许多十分相似的杂质的稀溶液中 (3)从卫生和安全角度出发，有着极高的纯度和同一性要求 (4)外源蛋白在宿主细胞(如大肠杆菌)中往往以不溶解的无定形蛋白聚合体即包涵体的形式存在,2.5分离技术与生物化工,生物分离过程处理阶段 (1)培养液(或发酵液)的预处理和固-液分离； (2)产物提取； (3)产物纯化(精制)； (4)产品加工,2.6 分离技术与能源和资源,主要能源如石油、天然气和煤炭为不可再生能源 炼油和石油化工提供了重要的能源和工业原料 基本操作过程 --精馏 目标:降低设备投资、操作能耗和分离成本 手段:新型填料塔与板式塔,2.6 分离技术与能源和资源,能源和资源持续满足未来发展的需要的任务: 现有资源的充分利用，贫矿和贫化资源的开采利用 粉煤、褐煤、页岩油等资源的清洁、经济和有效的综合利用 新能源的开发，如太阳能、化学电池、生物能源等,2.7分离技术与化学及天然药物制造,该领域要求高效而无污染地提取高纯的产品，并避免高温、高压以保持生物制品的活性 对分离技术、分离设备和分离剂提出了更高的要求。
2.7分离技术与化学及天然药物制造,超临界萃取、色谱分离、电泳分离等方法提取天然药物有效成分 用超临界二氧化碳萃取天然存在的脂溶性高沸点热敏性物质，如月见草油、小麦胚芽油、沙棘籽油等不饱和脂肪或脂肪酸，维生素E、紫草宁、卵磷脂、当归挥发油、蜂胶、杜仲、紫杉醇、吗啡、银杏内酯、青蒿素等药用组分,2.7分离技术与化学及天然药物制造,超临界萃取精馏从鱼油中提取EPA和DHA 模拟移动床技术用于手性拆分，用于旋光纯药物的生产,2.8 分离技术与微电子产品制备,信息工业所需的高纯原料——如锗、硅、砷化镓等半导体材料 集成电路生产中需要的试剂和光纤制造中的光导纤维,2.8 分离技术与微电子产品制备,单晶硅的生产，冶炼级的硅在氢气的保护下与氯化氢反应生成氯硅烷；再通过精馏分离得到纯净的三氯硅烷；三氯硅烷在高温下通氢还原得到高纯度的多晶硅然后再通过另一个纯化步骤，区域熔炼，得到单晶硅，以供制造集成电路之用 光纤生产中所需要的四氯化硅，其中的氢化合物的含量要求低于4×10-6，金属离子含量低于2×10-9，可以通过多次精馏来进行纯化,2.9 分离技术与环境工程,废气、废液、废渣等污染物，常用的处理方法是生物降解、化学降解和污染物的分离脱除 如吸收技术用于从工业燃烧废气中脱除二氧化硫； 萃取技术用于从工业废水中脱除酚和其它有害有机物以及重金属离子等， 吸附和离子交换技术用于处理放射性废水； 液膜分离技术用于废水中重金属离子的富集等,2.10 分离技术与新材料和其他,新材料作为分离介质在分离过程中起了主要作用 高品质新材料的合成过程依靠分离技术的不断进步,3、21世纪分离过程的研究和技术开发,3.1各类膜分离技术 原理:膜分离过程是利用不同的膜的特定选择渗透性能，在不同的推动力（压力、电场、浓度差等）作用下实现混合物分离的过程 类型:微滤、超滤、反渗析、电渗析、气体渗透、渗透汽化和液膜分离等,3.2 超临界萃取技术,超临界流体兼有气液两重性的特点，即密度接近于液体，而粘度和扩散系数又与气体相似 它具有与液体溶剂相当的萃取能力，又具有传质扩散速率快的特点,3.3 新型吸附技术,3.3.1模拟移动床吸附 利用对对二甲苯有较强吸附作用的分子筛固体吸附剂，通过固相模拟移动的方法产生两相连续逆流接触的效果 既提高了吸附剂的利用率、设备的生产能力和分离效率，又避免了固体吸附剂的磨损破裂、堵塞及固体颗粒缝间的沟流,3.3新型吸附技术,3.3.2变压吸附 固体吸附剂对不同的气体组分具有一定的吸附选择性且平衡吸附量随组分分压升高而增加 利用此特性进行加压吸附、减压脱附实现混合物的分离。
3.3新型吸附技术,3.3.3层析 亲固定相的分子在体系中移动较慢，而亲流动相的分子则较快地流出体系，从而实现了不同物质之间的分离 分为吸附层析、离子交换层析、疏水作用层析、亲和层析、固定化金属离子亲和层析、凝胶过滤层析,3.3新型吸附技术,3.3.4扩张床吸附技术 在吸附操作时其床层处于膨松的亚流化状态，但同时又保持了较低的返混，因而可以处理含较多颗粒的“脏”料液 如发酵液等，并达到良好的分离效果；在脱附时则反向以固定床方式进行 扩张床吸附将固液分离、吸附分离和浓缩集中成为一个操作过程,3.4.1 反应过程与分离过程的耦合,化学吸收：,通过溶质与溶剂中的活性组分发生反应，提高传质推动力和液相传质系数，从而提高吸收率，降低能耗和设备投资,化学萃取：,溶质与萃取剂之间发生化学反应,反应（催化）精馏：,反应与精馏结合，提高分离效率；同时，借助精馏手段，提高反应收率,3.4 分离过程的集成化,,膜反应器：,在反应的同时，利用膜的优良分离性能，选择性的脱除产物，从而移动化学反应平衡，提高反应的收率、转化率和选择性,控制释放：,将药物或生物活性物质与膜结构相结合，使其以一定的速度通过扩散等方式释放到环境中，从而达到控制药物浓度，延长药效时间，减少服用量和服用次数,膜生物传感器：,由酶或微生物与膜及电极转换器组成，具有很高的识别专一性，可用于检测,3.4.1 反应过程与分离过程的耦合,3.4.2分离过程与分离过程的耦合,,萃取结晶（加合结晶）：,加入有机溶剂使待结晶的无机盐水溶液中的一部分水被萃取出来，促进无机盐的结晶过程,吸附蒸馏：,气-液-固三相分离过程，同时利用吸附选择性高、能耗低的优点和蒸馏处理量大、设备较简单、工艺成熟的优点。
特别适用于共沸物和沸点相近物系的分离及需要高纯度产品的情况,电泳萃取：,利用电场作用下，带电溶胶粒子（蛋白质）在萃取剂中泳动速度不同的性质，实现分离,3.4.3 过程的集成,,（1）传统分离过程的集成,例：共沸精馏与萃取集成,以丙酮为共沸剂将（环己烷／苯）共沸物首先分离为苯和（丙酮／环己烷）共沸物，然后以水为萃取剂，将（丙酮／环己烷）共沸物分离为环己烷和丙酮水溶液，最后将丙酮水溶液分离得到丙酮和水,（2）传统分离过程与膜分离的集成,例：精馏与渗透蒸发的集成,发酵液脱水制备无水乙醇在乙醇高浓区，精馏的分离效率极低，在共沸组成处无法分离，此时利用渗透蒸发技术可越过共沸组成点，达到很高的分离程度,（3）膜过程的集成,例：超滤、反渗透与渗透蒸馏的集成,3.4.3 过程的集成,3.5绿色分离工程,绿色分离工程是指分离过程绿色化的工程实现 途径:对传统分离过程进行改进、优化，使过程对环境的影响最小甚至于没有 手段：开发及使用新型的分离技术 沈绍传，姚克俭，绿色化学与绿色分离工程，林产化学与工业，2001，21（3）：83~86,3.5.1传统分离过程的绿色化,对过程(如蒸馏、干燥、蒸发等)利用系统工程的方法，充分考虑过程对环境的影响，以环境影响最小(或无影响)为目标，进行过程集成。
如能量集成 ——换热网络 (HENs) ——质量交换网络(MENs) ——废物削减(WAR)算法 ——环境影响平衡理论(PEI),3.5.2 现代分离过程的绿色化,超临界技术，以无毒无害的超临界流体替代各种对人和环境有害的有机溶剂 膜分离技术是一种节能、高效、无二次污染的分离技术,3.6化工分离技术发展的若干特点,3.6.1竞争促进了分离过程的强化 新装置和新工艺方法 使设备小型化、能量高效化和有利于可持续发展的化工分离新技术 化工塔器的内件:高效塔板、规整填料和散装填料发明层出不穷 塔内件的优化匹配,,3.6.2耦合分离技术引起重视,催化剂精馏、膜精馏、吸附精馏、反应萃取、络合吸附、反胶团、膜萃取、发酵萃取、化学吸收和电泳萃取 特点：综合了两种分离技术的优点 ，可以解决许多传统的分离技术难以完成的任务 耦合分离技术比较复杂，设计放大比较困难 推动了化工数学模型和设计方法的研究,3.6.3信息技术推动了分离技术的发展,信息技术在分离过程中的运用涉及到的热力学和传递性质、多相流、多组分传质、分离过程和设备的强化和优化设计 分子模拟 分子设计 化工模拟软件的商品化 分离过程的研究已从宏观传递现象的研究深入到气泡、液滴群、微乳和界面现象 LDV(激光多普勒测速仪)、PIV(激光成像测速仪) CFD(计算流体力学)软件,3.6.4根据国情，加速分离科学和技术的发展,美国的研究工作兼具新颖性和实用性的特点 英国侧重于基础研究 法国重视核领域和数学模型的研究 德国重视实验技术和工程研究 日本在生物工程和新材料的研究方面投入了很大的力量 加拿大和澳大利亚则以资源利用为研究重点,总趋势： 多样化、精细化、洁净化（环境友好）,CA收录的化工分离技术文献数,第二节 混合物分离技术的选择,1 混合物的种类 (1)天然原料，如水、空气、矿物、动物和植物等等； (2)化学反应产物，包括产品、副产品和未转化的反应物，可能还有催化剂； (3)生物反应物，如发酵液，包括培养基、微生物体、微生物分泌物及其他产物,1 混合物的种类,混合物的相态 均相混合物—— 物质互相溶解，由溶质和溶剂组成 非均相混合物—— 由互不相溶的物质组成的 (分散相和连续。