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1、现代化工分离工程面临的机遇和挑战,清华大学化工系 费维扬,现代化工分离工程面临的机遇和挑战,一、概述； 二、分离过程面临的机遇和挑战； 三、实例分析； 四、几点思考；,一、概述,广义的化学工业(Chemical Based Industries)在国民经济中具有重要的作用； 在我国国民经济总产值中约占16.6%； 在美国、德国均占国民经济第二位;,一、概述,化学工业往往存在高物耗、高能耗和高污染的问题； 我国重复引进的问题十分严重。我国引进和消化、吸收引进技术资金之比为1:0.07,而日、韩为1:5； 分离科学和技术对化学工业的发展具有重要意义，并具有多样性和复杂性的特点；,分离科学与技术的最
2、新文献,07 AIChE Spring meeting-Separation,在能源和资源领域,16大提出，2020年我国GDP番两番，如何保证所需的能源供应？ 按汇率计算，我国单位能耗产出的GDP是日本的1/7，美国的1/4，不到世界平均水平的1/2； 按购买力平价法计算，我国高能耗工业的产品单位能耗与美国、日本的差距基本上在一倍以内； 节能降耗十分重要！过程强化十分重要！,设备大型化的挑战,1000万吨常、减压：减压塔塔径13米； 100万吨特大型乙烯：油洗塔塔径10米左右； 60万吨：对二甲苯分离：塔径10.2米; 液化气脱硫:高压、高通量； 燃煤电厂烟道气脱硫：塔径1216米； 燃煤电
3、厂烟道气脱CO2：分离要求更高；,特高分离要求的挑战,己烯-1和丁烯-1是生产高品质聚烯烃树脂的重要共聚单体，与常用的聚烯烃树脂相比，拉伸强度、抗冲击强度、抗撕裂性和经久耐用性能都明显提高。市场需求增长迅速。 在己烯-1生产新工艺中，己烯-1与副产物己烯-3等同分异构体沸点相近，精馏分离需100多个理论级，回流比极大，投资占总投资的近一半，且能耗很高。 在乙烯裂解装置的C4馏分分离工艺中，丁烯-1与异丁烯的精馏法分离需350理论级，回流比高，能耗极高。 18医用稳定轻同位素分离需理论级；,在环境保护领域,各种工业废水（如含有机物、含酸、含金属离子、含放射性物质和其他有毒物质的废水等）的回收的处
4、理； 各种工业废气的回收的处理；温室气体CO2的捕集和分离； 回收有价物料或使物料再循环； 开发绿色工艺过程中将发挥重要的作用。,在生物和医药领域,利用分子设计研制特效的新分离剂； 发酵液中各种有机酸的提取新工艺； 中草药的提取和净化新工艺的开发； CO2超临界萃取选择性高并不污染产品； 反微团、膜萃取、电泳萃取、电色谱等耦合的分离技术的开发和应用；,新材料和其他领域,超高纯单一稀土的分离； 纳米材料的制备等； 氧18，碳15等稳定同位素的分离； 光导纤维材料的生产； 性能优异的布基球C60的分离； 微电子工业中的分离过程;,二、 分离工程面临的机遇和挑战,对节能减排提出了更高的要求； 过程强
5、化受到极大的重视； 信息科学和先进实验技术相结合； 耦合分离技术广泛应用； 多尺度、多层次的研究；,News Feature : Nature 441, 802-805 (15 June 2006) The Tipping point of the iceberg,1979年（左图）到2005年(右图），北冰洋的冰川覆盖面积量减小了20,The Tipping point of the iceberg 气候变迁：冰山的警示,几十年前就有人提出，一旦经过某个不为人知的极限将会引起全球气候的剧烈变化。 这种观点在几十年来经常表达成“非线性”、“正反馈”、“滞后作用”。现在，在“转折点”这个新名字的
6、描述下，它的重要性得到了更广泛的关注。 在2004年，有45篇新闻文章提到过和全球气候变迁相关的“转折点”关键词；今年的前五个月，就有234篇这样的文章发表。 “全球变暖会达到转折点”，最近一期英国的报纸在首页上如此警告大家；“气候接近不可逆点”。,1992年通过联合国气候变化框架公约 1997年通过京都议定书，2005年正式生效 京都议定书（定量化减排） 156个国家和地区批准（美国和澳大利亚除外） 2008到2012年，主要工业发达国家的温室气体排放量要在1990年的基础上平均减少5.2，其中欧盟将种温室气体的排放削减8，美国削减7，日本削减6 控制CO2排放成为解决全球变暖的关键,国际应
7、对温室气体排放的行动,中国的二氧化碳排放总量在全球中的份额快速上升。根据IEA的统计数据，从1990年到2003年，中国二氧化碳排放总量在全球中的份额已由10.9%上升到14.9%。 中国人均二氧化碳排放一直低于世界平均水平。 中华人民共和国国民经济和社会发展第十一个五年规划纲要中提出要“控制温室气体排放取得成效”。,人类面临的严重挑战,数量极大：50万KW 的燃煤电厂每年排放300万吨CO2 ； 我国CO2年排放量占世界第二； 2005年我国火力发电为20180亿kwh，燃煤电厂排放的CO2约为18亿吨； 浓度低，温度高，体系复杂，含 Nox、SOx and O2 等； 设备体积庞大，捕集和
8、分离能耗极高；,Relative Cost of Post-Combustion CO2 Capture Technologies,Data is for a 500 MW PC power station, taken from Riemer, Audus and Smith , IEA Report Carbon Dioxide Capture from Power Stations, 2001,0,10,20,30,40,50,60,70,80,90,With MEA,Absorption,With MEA,Membrane,Contactor,With Gas,Separation,M
9、embrane,With PSA,Cost of Capture (US$/tonne CO2 avoided),实例分析,某特大型炼厂CO2年排放量为2000万吨； 可行性研究采用MEA溶剂吸收，CO2吸收率90； 吸收塔塔径11.6m,高约40m; CO2捕集和分离的成本约为60欧元/吨CO2; 另一跨国公司估计的成本约为50-70欧元/吨CO2; 目前CO2罚款为28欧元/吨CO2,估计2010年可能上升到100欧元/吨CO2;,Typical Equipment Sizes for 500 MW Brown Coal Plant (Melbourne Univ.),Flue gas r
10、ate - 2.8 kT/hr CO2 concentration - 14 mol% Recovery - 90% Solvent - 20 wt% MEA Absorber- Height: 7m, Dia.: 5 columns of 10m dia; Desorber Height: 12m, Dia.: 3 columns of 10m dia;,二、 分离过程面临的机遇和挑战,对节能减排提出了更高的要求； 过程强化受到极大的重视； 信息科学和先进实验技术相结合； 耦合分离技术广泛应用； 多尺度、多层次的研究；,化工过程强化,The term “Process Intensifica
11、tion” refers to technologies that replace large, expensive, energy-intensive equipment or processes with ones that are smaller, less costly and more efficient, or that combine multiple operations into fewer devices (or a single apparatus). -Tsouris (ORNL) and Porcelli (JVP), Chemical Engineering Pro
12、gress, 2003, 99(10), pp50,化工过程强化,化工过程强化包括新装置和新工艺两方面： (1) 设备的强化：包括新型反应器、新型热交换器、高效填料、新型塔板等； (2) 过程的强化：如反应和分离的耦合（反应精馏、膜反应、反应萃取等）、分离过程的耦合（膜吸收、膜精馏、膜萃取等）、外场作用（离心场、超声等）及其他新技术（如超临界流体等）。 化工过程强化是国内外化工界长期奋斗的目标，人们力图灵活应用化学工程的原理和方法，通过技术创新，推动化工过程强化；,1995年以来，已举行过多次化工过程强化的国际会议（每3年一次）； UEF和AIChE联合召开的 Refocusing Chem.
13、 Eng. 的研讨会上（2001， 意大利），化工过程强化被列为当前化学工程优先发展的领域之一； UEF和AIChE于2002年9月在英国爱丁堡举行过程发明和过程强化的专题研讨会。 2002年成立了Process Intensification Network (PIN)，约23个月开一次研讨会； 2003年4月 US DOE 和 AIChE 召开了过程强化的主题研讨会； CHISA06中有化工过程强化的专题会议；,对强化提出更高的要求,效率更高：大幅度提高； 能耗更低：瞄准国际先进水平； 环境友好：安全、环保、符合可恃续发展的原则； 按科学的发展观和资源节约型原则改造已有的过程工业，建设新的
14、工厂：,二、 分离过程面临的机遇和挑战,对节能减排提出了更高的要求； 过程强化受到极大的重视； 信息科学和先进实验技术相结合； 耦合分离技术广泛应用； 多尺度、多层次的研究；,信息科学和实验技术结合,CAD的应用； CFD和DPIV等相结合； 分子模拟发挥重要作用;,二、 分离过程面临的机遇和挑战,对节能减排提出了更高的要求； 过程强化受到极大的重视； 信息科学和先进实验技术相结合； 耦合分离技术广泛应用； 多尺度、多层次的研究；,耦合分离技术广泛应用,催化精馏、膜精馏、吸附精馏等； 反应萃取、膜萃取、发酵萃取、电萃取等； 用于化学吸收、吸附等新分离剂的开发； 致力于化学和化工的结合；致力于创
15、新； 应用实例：MTBE（甲基叔丁基醚）过程采用催化精馏和先进的精馏塔、萃取塔内件后，处理能力从万吨年提高到万吨年；,二、 分离过程面临的机遇和挑战,对节能减排提出了更高的要求； 过程强化受到极大的重视； 信息科学和先进实验技术相结合； 耦合分离技术广泛应用； 多尺度、多层次的研究；,生物芯片上的微尺度分离过程,Fortune1997.3.31. Microprocessors have reshaped our economy, spawned vast fortunes, and changed the way we live. Biochips could be even bigger
16、微处理器使我们的经济发生了根本改变、给人类带来了巨大的财富、改变了我们的生活方式。然而，生物芯片给人类带来的影响可能会更大,生物样品分析三大步骤和实验室微型化,医学检验室,三、实例分析,我国近年来从国外引进一批大型石化成套技术和装置，如合成氨、乙烯、重整、芳烃抽提和己内酰胺等，对加速我国化工产业现代化的步伐发挥了重要作用; 随着技术进步和时间的推移，很多引进装置的技术经济指标与国外先进水平相比，已有差距，急待进行改造。,1、超级扁环填料及其应用,应用举例 润滑油糠醛精制、润滑油酚精制、DMSO反萃塔、LPC的脱硫、汽油脱硫醇、环丁砜芳烃抽提、重芳烃抽提、丙烷脱沥青、木酚萃取、含酚废水处理、煤油水洗塔等; 裂解气洗涤、丙酮回收塔、减压塔(塔顶)、合成氨厂脱碳塔、合成氨厂再生塔、乙二醇再吸收塔等。,QH-1型填料在合成氨中应用,河北遣安化肥厂； 黑龙江化肥厂改造； 平顶山化肥厂改造； 河北元氏化肥厂净化改造； 江苏镇江化工厂醋酸工程； 吉林长山化肥厂净化改造； 山东郯城化肥厂改造； 浩良和化肥厂等;,
