分离工程_朱家文_第一章绪论

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1、第七节 复杂精馏塔的计算,分 离 工 程 华东理工大学化工学院分离工程教学组 2007年11月,分离工程,第一章：绪论 面向二十一世纪的化工分离工程,目 录,化工分离工程及其研究内容 分离工程的发展促进了化学工业等过程工业的进步 二十一世纪的化工分离工程：机遇与挑战,Part 1 化工分离工程及其研究内容,什么是化工分离工程 ？,化工分离工程是化学工程学科的重要组成部分。 化工分离工程是研究化工及其它相关过程中物质的分离和纯化方法的一门技术科学。 许多天然物质都以混合物的形式存在，要从其中获得具有使用价值的一种或几种产品，必须对混合物进行分离。 在许多加工工业中，例如化工、石油化工、炼油、医药

2、、食品、材料、冶金、生化等，必须对中间体和产物进行分离和提纯，才能使加工过程进行下去，并得到符合使用要求的产品。 分离过程还是环保工程中用于污染物脱除的一个重要环节。,生产实践是分离工程形成与发展的源泉,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。 而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。,早在数千年前，人们已利用各种分离方法制作许多人们生活和社会发展中需要的物质。

3、例如，利用日光蒸发海水结晶制盐；农产品的干燥；从矿石中提炼铜、铁、金、银等金属；火药原料硫磺和木炭的制造；从植物中提取药物；酿造葡萄酒时用布袋过滤葡萄汁；制造蒸馏酒等等。,早期人类生产活动中的分离过程,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。,近代化学工业是伴随着十八世纪开始的工业革命而崛起的。于十九世纪末开始了大规模的发展。当时，三酸二碱和以煤焦油为基础的基本有机化工等都有了一定的规模。在生产中，需要将产品或生产过程的中间体从混合物中分离出来，才可供使用。例如，当时著名的索尔维制碱法中，使用了高达二十余米的纯碱碳化塔，在其中同时进

4、行化学吸收、结晶、沉降等分离过程，这是一项了不起的成就。,近代化学工业的兴起,但在当时，这项成就是由化学家在进行化学工艺过程开发的同时完成的，他们并没有意识到他们同时在履行着化学工程师的职责。这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。,随着大量的工业实践，人们逐渐认识到，各种化工生产工艺，除了其中的核心即反应过程外，大都是由为数不多的一些基本操作组成的。这些基本操作的知识对于化工过程的正确开发和化工流程、装置的正常运行及经济性有重要的作用。 在二十世纪初提出的单元操作的概念指出：任何化工生产过程不论规模如何，皆可分解为一系列名为单元操作的过程，例如粉碎、混合、加

5、热、吸收、冷凝、浸取、沉降、结晶、过滤等。单元操作的概念包含了流体动力过程、传热过程、传质分离过程、热力过程、粉体工程等许多化工生产过程中常见的操作和过程，传质分离过程是其重要组成部分。,化学工程学科的雏形,单元操作和化学工程理论的形成,G.E.戴维斯，化学工程手册(1901) C.S.鲁宾逊，精馏原理(1922) W.K.刘易斯，W.H.麦克亚当斯，化工原理（1923） W.K.刘易斯的化工计算(1926) T.K.舍伍德的吸收与萃取(1937),单元操作概念的建立对化学工程的发展起了重大的作用。它对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。通过对其基

6、础研究、单元操作所用设备的结构、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和经济高效的分离设备，对促进化学工业的发展起到了重要的作用。,自二十世纪五十年代以来，通过对化学工程的深入研究，提出了三传一反（动量传递、热量传递、质量传递、化学反应工程）的概念。使分离工程建立在更基本的质量传递的基础上，从界面的分子现象和基本流体力学现象进行分离工程中各单元操作的基础研究，并用定量的数学模型描述分离过程，用于分析已有的分离设备，并用于设计新的过程和设备。 由于计算机技术的飞速发展，使得从较基础的理论

7、角度出发对分离过程和设备进行研究成为可能，减少了误差和失真。对一些复杂的数学模型的开发并用于分离过程的优化，使化工过程更趋成熟和完善。,分离操作是怎么实现的？,平衡分离过程：根据当体系处于平衡时物质在不同相态（气液、气固、液固等）中浓度不同而实现分离，如蒸馏、吸收、萃取、吸附、结晶等 速率分离过程：根据物质分子在外力作用下迁移速率不同而实现分离，如膜分离、电泳等 重力和离心分离：根据物体密度不同而实现分离，如重力沉降、旋风分离等 机械分离过程：根据物体颗粒大小不同而实现分离，如筛分和过滤等 其他分离过程,举例：蒸馏,蒸馏是分离液体混合物的主要方法之一。 当对液体混合物加热时，其中沸点较低（或挥

8、发度较大）的组分更容易汽化，因此汽相中低沸点组分含量较高，将其冷凝，就得到低沸点组分含量较高的液体，从而实现了高低沸点组分的部分分离。 要实现蒸馏分离，必须是部分蒸发，而不能完全蒸干。,高效的蒸馏设备：带回流的直立多级精馏塔,简单的一级蒸馏往往只能实现液体混合物的部分分离。 要提高分离的效果，可以多次重复上述部分蒸发冷凝过程，即采用多级蒸馏。 实现多级蒸馏的设备就是精馏塔：带回流的直立多级蒸馏设备。 一般来说，只要有足够的级数，就有可能达到所希望的分离效果。,蒸馏技术的应用和发展历史,早在二千余年前人们即用蒸馏的方法制酒和芳香油。 十四世纪已有较具规模的酒精生产。 十八世纪从煤焦油中用蒸馏提取

9、油品。 十九世纪中叶第一个石油炼厂投产。 早期的蒸馏设备能耗大、分离效果差，十九世纪中叶，人们设计了直立多级、采用回流技术的精馏塔，被认为是蒸馏技术发展中的重大突破。 精馏采用回流技术，在塔内实现充分的汽、液两相多级逆流接触传质，能实现混合物的高纯度分离。 目前，精馏广泛应用于炼油、化工和石油化工、轻工、食品、空气分离等工业中，是非常重要的分离技术之一。 二十世纪以来，化学工业特别是石油化工的迅速发展，在生产规模和分离难度上对蒸馏提出了更高的要求，各种生产能力大、分离效率高、流动阻力低的新型蒸馏设备不断出现，常用的是各种板式塔和填料塔。 不同的蒸馏方法也得到了迅速的发展，出现了恒沸精馏、萃取精

10、馏、盐精馏、反应精馏、分子蒸馏、水蒸汽蒸馏等各种复杂蒸馏方法。,一些典型的分离单元操作,蒸馏 吸收 吸附 萃取 结晶 干燥 过滤,膜分离（透析、反渗透、电渗析、超滤、微滤、纳滤、渗透蒸发、气体膜分离等） 新型吸附技术（模拟移动床吸附、扩张床吸附、变压吸附） 层析 超临界萃取 分子蒸馏,Part 2 分离工程的发展促进了化学工业的进步,分离过程作为化工生产中的一个不可缺少的环节，在化学工业的发展中起着重要而不可替代的作用。 分离技术的发展和不断取得的技术进步不仅促进了化学工业的发展，也促进了其他相关过程工业的发展，提高了生产和技术水平。,炼油和石油化工,炼油和石油化工是现代人类工业文明中最重要的

11、基础加工工业之一。 石油炼制工业通过炼油过程把原油加工为汽油、喷气燃料、煤油、柴油、燃料油、润滑油、石油蜡、石油沥青、石油焦和各种石油化工原料等石油产品的工业。为现代人类文明提供了重要的能源和工业原料。 石油化学工业以上述原料生产种类极多、范围极广的各种化学品，例如塑料、合成纤维、合成橡胶、合成洗涤剂、溶剂、涂料、农药、染料、医药和各种中间体等重要产品。目前，国际上石油化学工业产品的销售额已占到全部化工产品的45%。 在大型石油化工联合企业中，炼油和石油化工过程是紧密结合在一起的。各种分离操作是其生产过程必不可少的组成部分。,蒸馏是炼油和石化工业的最主要的基本操作过程之一。早期的炼油工业即是简

12、单的利用釜式蒸馏将石油的轻重组分加以分离，以生产汽油、煤油和重质油等产品的过程。现在，原油仍借常压蒸馏及减压蒸馏按沸程不同进行分离。 蒸馏技术的发展，例如精馏技术的开发、泡罩塔的应用，提高炼油生产中原油的分离效率，使大规模连续化的分离操作得以实现，明显降低了设备投资、操作能耗和分离成本。二十世纪中叶以来各种生产能力大、分离效率高、流动阻力低的新型塔器的出现，进一步促进了炼油工业的技术进步和发展。在炼油和石化等工业的应用中取得了明显的经济效益，,例如，美国在19501970年之间，通过对蒸馏设备的改进就创造了近二十亿美元的经济效益；在我国，用网板波纹填料对数百座旧式板式塔进行改造，使分离能力和通

13、量均增加了3050%。 除此以外，现代炼油和石化工业中还广泛应用着其它分离单元操作。例如： 萃取用于溶剂脱蜡、润滑油精制、溶剂脱沥青和芳烃抽提等。 吸附用于分子筛脱蜡、C8芳烃分离、烯烃和烷烃的分离等。,冶金和资源工业,核工业最初是在第二次世界大战期间由于战争的需要而获得超常规的高速发展的。其中，为了提取和纯化铀，对溶剂萃取技术，主要是萃取剂和萃取设备进行了大量的研究。 铀是在工业上第一个使用溶剂萃取法提取和纯化的金属元素。在铀的溶剂萃取法提取过程中，使用的萃取剂有磷酸三丁酯（TBP）、TBP-D2EHPA-煤油混合溶剂、胺类萃取剂等。在萃取设备的研究中，开发了各种萃取设备如各种转动塔、脉动塔

14、、振动塔和混合澄清槽等，为萃取过程的工业实现提供了可靠、经济、高效而生产能力大的分离设备。铀、钍、钚等的萃取分离过程和气体扩散法等同位素分离方法的工业实现，为核工业在战后的迅速发展提供了坚实的基础。 由此而发展起来的湿法冶炼技术后来成为有色金属和无机矿产的生产的重要方法之一。,由于矿物资源的贫化，湿法冶炼，即利用酸、碱等水溶液浸取矿物，然后其中的有用组分进行分离或净化，受到了越来越多的重视，其中常用萃取进行分离和提纯。 用溶剂萃取从铜矿浸取液中提取铜，是在二十世纪七十年代在湿法冶炼中取得的一项重要成就。一般认为，只要价格相当或超过铜的有色金属，都有可能用溶剂萃取方法进行提取。目前萃取已用于钴、

15、镍、钨、钼、金、稀土等元素的生产过程。 湿法提取过程也用于磷和硼等无机矿产的生产过程。例如，磷酸生产通常用热法过程，产品纯度高。但生产中能耗很高，成本高，要求磷矿的品位高。磷酸的湿法生产过程可以处理低品位的磷矿，生产成本低，因而得到了日益广泛的重视。在湿法磷酸净化的萃取法由于提取成本低，净化程度高，而得到广泛的研究和应用。分离技术的发展，使人们可以更有效地利用资源，并生产出品种更多、质量更好、价格更低的产品。,湿法冶炼中的矿物浸取和萃取分离过程,医药工业,分离技术在保证药物生产及其质量中起着关键作用。 合成药物的生产类似于精细化工产品，但质量和卫生要求更严格，各种分离技术在生产中扮演着重要的角

16、色。 抗生素等发酵类医药产品的生产中，大量应用着过滤、萃取、吸附、膜分离、离子交换、结晶、干燥等分离技术。 在现代基因工程产品的生产过程中，分离成本有时甚至要占到其总生产成本的90以上，并为此发展了许多新型的高精度分离技术。 在天然药物（如中药等）生产现代化过程中，超临界萃取、膜分离、先进的过滤、干燥、结晶等分离技术大有用武之地。,其他,食品、乳品和饮料工业 环境保护 空气分离 水处理、海水淡化、纯水制备 材料工业,Part 3 二十一世纪的化工分离工程：机遇与挑战,二十世纪下半叶掀起的新技术革命浪潮在人类文明和社会发展上将具有重大的意义。在现代生物技术、环境科学、资源与能源科学、信息技术与材料科学等高新科技的发展对分离工程提出了新的、更高的要求，有许多是传统分离技术所无能为力的，分离工程发展与高新科技的结合是现实的迫切需求，也是分离工程面临的新的机遇和挑战。,现代科学技术的迅速发展向分离工程提出了许多新的课题：,现代生物技术产品的商品化在很大程度上取决于能否将具有生物活性的产品从组成复杂的、具有许多性质相似的杂质的稀溶液中经济有效地加以分离纯化；