化工分离工程1课件

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1、http:/,化,工,分,工,程,离,汽液相平衡的基本关系式是什么？若以活度系数计算液相逸度、逸度系数计算汽相逸度，则汽液相平衡的关系式是什么？ 活度系数的计算模型哪些？逸度系数的计算模型有哪些？试分别举四种计算模型说明。 相平衡常数的计算方法有哪些？其基本关系式分别是什么？ 什么是三角矩阵？什么是对角矩阵？什么是三对角矩阵？ 分别示意作出一般二元共沸体系（如苯甲苯）、二元均相共沸体系（如乙醇水）、二元非均相共沸体系（如苯酚水）的xy相图。,第1章 绪论,分离工程,地位：专业基础课 前期课程： 物理化学、化工原理、化工热力学 重点： 1.基本概念的理解 2.讨论各种分离方法的特征 3.对设计、

2、分析能力的训练 4.提高解决问题能力,本课程的任务和内容,概述,学生应掌握： 分离过程的基本理论 简捷和严格计算方法 强化、改进操作途径 对新分离技术有一定了解,概述,教材：面向21世纪课程教材： 刘家祺.分离过程.北京:化学工业出版社, 2002 主要参考书: 陈洪钫,刘家祺.化工分离过程.北京:化学工业出版社, 1995,概述,教材,1.1分离过程在工业生产中的地位和作用 1.2 传质分离过程的分类和特征 1.3.分离过程的集成化 1.4 设计变量 学习方法与要求,第一章 绪 论,1.1 分离过程在工业生产中的地位和作用 1.1.1 分离过程在化工生产中的重要性 1.1.2 分离过程在清洁

3、工艺中的地位与作用,煤 石油 天然气 生物质,反应,化工原料,分离,产品,一般化工生产过程：,1-固定床催化反应器；2-分凝器；3、5、9-吸收塔；4-闪蒸塔；6-粗馏塔； 7-催化加氢反应器；8-脱轻组分塔；10-产品塔,涉及分离过程：吸收：3、5、9； 精馏：6、8、10；闪蒸：4,乙烯,93% 产品,废水,乙醛,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,水,循环乙烯,水,放空,水,氢,水,废水,例1：乙烯水合生产乙醇,例2：二甲苯生产,1-重整反应器；2、13-汽液分离器；3-压缩机；4-脱丁烷塔；5-萃取塔 6-再生塔；7-甲苯塔；8-二甲苯回收塔；9-冷却器；10-结晶器； 11-异

4、构化反应器；12-熔融塔,放空,间二甲苯和邻二甲苯,石脑油进料,混合二甲苯,循环混合二甲苯,1,2,5,7,8,10,4,11,13,9,12,3,3,轻烃类,非芳烃,乙二醇,芳烃,苯和甲苯,对二甲苯,重芳烃,H2,H2,H2,6,加氢重整后得到：轻油 非芳烃 苯 甲苯 二甲苯 高级芳烃,目的产物为对二甲苯,原料：石脑油 沸程120230K,特点：,涉及到分离过程： 精馏：4、7、8 萃取：5、6 结晶：10,目的产物,分离过程用于： 原料的净化与粗分 反应产物的提纯 药物的精制和提纯 精选金属的提取 食品除水、除毒、病毒分离、同位素分离 三废处理,1.1.2 分离过程在清洁工艺中的地位与作用

5、 清洁工艺：生产工艺和防治污染有机的结合，将污染物减少或消灭在工艺过程中。 面向21世纪社会和经济可持续发展的重大课题。,未回收的原料,未回收的产品,有用和无用的副产,原料中的杂质,工艺的物料省耗,其他,化学工业污染来源,清洁工艺终合考虑： 合理的原料选择； 反应路径的清洁化； 物料分离技术的选择； 确定合理的流程和工艺参数。 核心： 化学反应 废物最小化首先考虑催化剂、反应工艺和设备。,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； 采用生产装置的闭路循环技术； 处理生产中的副产物

6、和废物，使之减少和消除对环境的危害； 研究、开发和采用低物耗、低能耗、高效率的“三废”治理技术。,闭路循环系统： 将过程所产生的废物最大限度地回收和循环使用。,1,1,1,2,2,2,原料,产品,排出,废物,废物,1单元过程；2处理,实现分离与再循环系统使废物最小化的方法： 废物直接再循环 例：废水 进料提纯 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；,1.2 传质分离过程的分类

7、和特征,一类：机械分离,特点：被分离物为非均相 简单的将混合物分开 如：过滤、沉降,化工原理内容,二类：传质分离 包含： 平衡分离过程；速率控制分离 特点：被分离物为均相,1.2 传质分离过程的分类和特征,1.2.1 平衡分离过程 1.2.2 速率分离过程,1.2.1 平衡分离过程,分离设备,混合物,产品1,分离媒介,分离媒介：能量、物质、压力,平衡分离过程借助分离媒介，使均相混合物系统变 成两相系统，再以混合物中各组分在处于相平衡 的两相中不等同的分配为依据而实现分配。,产品2,平衡分离过程的分离单元操作,闪蒸,精馏,闪蒸,1.原料相态： -液体 2.分离媒介 -减压 3.分离原理 -挥发度

8、（蒸汽压）有较大差别 4.工业应用 -海水淡化生产纯水；吸收液的解吸。,精馏,1.原料相态： -汽、液或汽液混合物 2.分离媒介 -热量，有时用机械功 3.分离原理 -挥发度（蒸汽压）有较大差别 4.工业应用 -石油裂解气的深冷分离；苯、甲苯、二甲苯的分离。,吸收蒸出,1.原料相态： -气体或液体 2.分离媒介 -液体吸收剂（MSA）；加入热量（ESA） 3.分离原理 -挥发度（蒸汽压）有较大差别 4.工业应用 -由催化裂化装置主蒸塔顶产物中回收乙烷及较轻的烃。,V,萃取或共沸精馏,1.原料相态： -汽、液或汽液混合物 2.分离媒介 -液体溶剂（MSA）或塔釜加热（ESA） 液体共沸剂（MSA

9、）或塔釜加热（ESA） 3.分离原理 -改变原溶液的相对挥发度 4.工业应用 -以苯酚作溶剂由沸点相近的非芳烃中分离芳烃；以醋酸丁酯作共沸剂从稀溶液中分离醋酸。,1.2.2 速率分离过程,膜分离 热扩散,微孔过滤（MF）：,推动力：压力差（100kPa） 传递机理：筛分 膜类型：多孔膜,目的：溶液脱离子，气体脱离子,超滤（UF）：,推动力：压力差（1001000kPa） 传递机理：筛分 膜类型：非对称性膜,目的：溶液脱大分子，大分子溶液脱小分子，大分子分级。,反渗透（RO）：,推动力：压力差（100010000kPa） 传递机理：优先吸附毛细管流动溶解、扩散模型 膜类型：非对称性膜或复合膜,目

10、的：溶剂脱溶质，含小分子溶质溶液浓缩。,渗析（D）：,推动力：浓度差 传递机理：筛分、微孔膜内的受阻扩散 透过物：小分子溶质或较小的溶质 截留物：截留0.02um离子、截留血液0.005um离子 膜类型：非对称性膜或离子交换膜,目的：大分子溶质溶液脱小分子，小分子溶质溶液脱大分子。,电渗析（ED）：,推动力：电化学势 传递机理：反离子经离子交换膜的迁移 膜类型：离子交换膜,目的：溶液脱小离子，小离子溶质的浓缩、小离子的分级。,热扩散：,原理： 先建立稳定的温度梯度，气体中较轻的组分向热线方向飘逸，再建立稳定的浓度梯度，热线附近的气体由于密度较小流向上顶瓶；冷管壁附近的气体由于密度较大向下底瓶流

11、动。,节能 环保优势 新的方法,速率分离过程特点：,1.3.分离过程的集成化 目的：实现清洁工艺 使物料能量消耗最小； 经济效益、社会效益最大。,1.3.1反应过程与分离过程的耦合 1.3.2分离过程与分离过程的耦合 1.3.3 过程的集成,1.3.1反应过程与分离过程的耦合 目的： 改善不利的热力学和动力学因数，减少设备、操作费用、节约资源和能源。,化学反应与吸收相结合 被溶解的组分与吸收剂中的活性组分发生反应，增加传质推动力。,化学 吸收,化学 萃取,反应 精馏,优良分离性能与催化反应相结合 利用多孔陶瓷膜催化反应器，进行丁烯脱氢制丁二烯，丙烷脱氢制丙烯。,化学反应与萃取相结合 溶质与萃取

12、剂反应。如：络合反应；水解；聚合,化学反应与精馏相结合 例：酯化、皂化、酯交换、胺化、水解,膜反 应器,控制释放 将药物或其他生物活性物质以一定形式与膜结构相结合，使这些活性物质只能以一定速度通过扩散等方式释放到环境中。 膜生物传感器 由生物催化剂酶或微生物与合成膜及电极转换装置组成，模仿生物膜对化学物质的识别能力制成，为酶膜传感器和微生物传感器 。,1.3.2分离过程与分离过程的耦合,复合分离过程 优点：集原分离过程之所长，避其所短。 适用于: 特殊物系的分离。,萃取结晶（加和结晶）,吸附蒸馏,电泳分离,萃取结晶（加和结晶） 分离：挥发度相近的组分。 无机盐生产（优点：节能） 溶剂可萃取出部

13、分水。,吸附蒸馏 气一液一固三相分离过程 吸附分离优点 ： 分离因子高，产品浓度高，能耗低。 缺点：吸附剂用量大 ，收率低。 形成互补,电泳分离 不同蛋白质在一定pH值的缓冲溶液中，其溶解度不同，在电场作用下，这些带电的溶胶离子在介质中的泳动速度不同，实现不同蛋白质的分离。,1.3.3 过程的集成,一、传统分离过程的集成 合理组合传统分离过程，扬长避短，达到高效、低耗和减少污染的目的。,环己烷 +苯,丙酮,环己烷+丙酮共沸物,纯苯,环己烷,丙酮+水,丙酮,水,水,优点：无污染,共沸精馏与萃取集成,二、传统分离过程与膜分离的集成 将膜技术应用到传统分离过程中 渗透蒸发 用来分离挥发性液体混合物，

14、恒沸、近沸点物系。 蒸汽渗透 例：发酵液脱水制无水乙醇 水与醇形成二元共沸物，共沸点:78.15， x=0.894（mol）,三、膜过程的集成 优点：取长补短 例：分离悬浮液为高固体含量物料 将超滤、反渗透、渗透蒸馏组合在一起。,1.4 设计变量,1.4.1 单元的设计变量 1.4.2 装置的设计变量,对于复杂体系变量如何确定？,设计变量：确定设计中已知变量 例如二元精馏：,可解出：N；,若N股物流，且有功、能交换：,1,= C+2,+,变量数NV,NV=自由度数(f )+物流数(一股),任意单股物流(一股、单相):,=C-p+2,NV=N(C+2)+功进(出数)+能进(出数),约束条件数NC

15、： 物料平衡式；能量平衡式；化学平衡式；其它相等条件。,例1.分配器,1.4.1 单元的设计变量Nie,将复杂化工装置分解成简单单元，求Nie ：,设计变量分： 固定设计变量Nxe ： 进料物流变量和系统压力 可调设计变量Nae ： 除 Nxe的其他变量,例2.产物为两相的全凝器,例3.简单绝热操作理论板,设计变量真难！,例4. 简单吸收塔（N块理论板串级）,1.4.2 装置的设计变量Niu,由单元设计变量确定：,吸收塔设计变量：,指定为理论板数 或关键组分吸收率,例5. 简单精馏塔,查表1-2：,9股单元物流数；,对精馏塔归纳出简便、可靠的确定设计变量的方法： （1）按每一单相物流有（C+2）个变量，计算由进料物流所确定的固定设计变量数。 （2）确定装置中具有不同压力的数目。 （3）上述两项之和即为装置的固定设计变量数。 （4）将串级单元数目、分配器的数目、侧线采出单元数目及传热单元数目相加，便是整个装置的可调设计变量，,例6. 带一个侧线采出口的精馏塔 设塔内与进料压力相等,人有了知识，就会具备各种分析能力， 明辨是非的能力。 所以我们要勤恳读书，广泛阅读， 古人说“书中自有黄金屋。 ”通过阅读科技书籍，我们能丰富知识， 培养逻辑思维能力； 通过阅读文学作品，我们