绿色分离工程

分离工程绿色分离工程综述姓名专业学号任课教师完成时间11分离工程概述1.1分离工程概述化工分离工程是研究过程工业中物质分离与纯化的工程技术学科。许多天然物质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，必须对其进行分离。化工、炼油、医药、食品、冶金、材料等工业过程中大量采用分离技术，以获得符合使用要求的产品。分离技术还是环境工程中用于污染物清除的一种重要方法。分离单元操作的概念在20世纪初得以确立;分离工程的理论在20世纪中叶形成与完善:分离工程的应用领域在20世纪后期得到拓宽与推广。按物理化学原理，工业常用的分离操作可分为平衡分离过程和速率分离过程2大类。(1)平衡级分离过程，借助于热能、溶剂和吸附剂等分离剂，使均相混合物变成两相，包括气液传质过程(蒸馏、吸收等)、液液传质过程(萃取等)、气固传质过程(吸附等)、液固传质过程(离子交换、浸取等)。第一种处理方法是依据热力学平衡的两相组成不相等，以每一级都处于平衡态为手段，并把其他影响参数都归结于效率之中使其更符合实际;另一种处理方法则是把现状和达到平衡之间的浓度或压力梯度作为过程的推动力，而把其他影响参数都归结于传质阻力当中，传质速率就成为推动力和阻力之比值。(2)速率控制分离过程，分离行为在单相中进行，利用各组分的扩散速率差异进行分离，包括膜分离(超滤、反渗透等)、场分离(电泳、热扩散等)。其原理是气相或液相中粒子、离子、分子以及分子微团在场的作用下迁移速度的不同。新兴的分离技术大多属于这种类型的分离过程。无论是哪一类分离过程，都可以表示成如图1.1的形式。21绿色化学绿色化学又称环境无害化学(EnvironmentallyBenignChemistry)、环境友好化学(EnvironmentallyFriendlyChemistry)、清洁化学(CleanChemistry),即用化学的技术和方法减少或消灭对人类健康、社区安全、生态环境有害的原料、催化剂、溶剂、产物、副产物等的使用和产生。绿色化学的理想在于不再使用有毒、有害的物质,不再产生废物,不再处理废物[3]。它的目的是将现有化工生产的技术路线从“先污染、后治理”改变为“从源头上根除污染”[4]。绿色化学的研究内容随着其本身的发展,也在不断地拓展。从目前来看,其研究内容主要包括原子经济性反应和零排放、原料的绿色化、绿色溶剂、绿色催化、助剂的绿色化、新的合成路线选择、绿色化学工艺、绿色过程系统集成等[5],其主要特征包括以下几个方面[6]：(1)体现人和自然的和谐,是自然科学与社会科学发展的统一；(2)强调原子经济性反应,实现废物的零排放；(3)体现化学和化工的发展与融合,目的是实现清洁生产；(4)尽可能优先地使用催化技术；(5)工艺条件尽可能温和,以减少能耗和提高安全性。此外,绿色化学还有其明确的研究任务。主要包括[5,6]：(1)设计安全有效的目标分子；(2)寻找安全有效的反应原料；(3)寻找安全有效的合成路线；(4)寻找新的转化方法；(5)寻找安全有效的反应条件等。从科学的观点看,绿色化学是化学和化工科学基础内容的更新,是基于环境友好约束下化学和化工的融合和拓展;从环境观点看,它是从源头上根除污染;从经济观点看,它要求合理地利用资源和能源、降低生产成本,符合经济可持续发展的要求。正因为如此,科学家们认为绿色化学将是21世纪科学发展最重要的领域之一,是实现污染预防的基本和重要科学手段[2]。绿色化学的学科基础首先是化学,它是以物质的转化为核心；接着是绿色,它是以环境友好作为前提；最后是化工技术,它以实施作为最终目的。111分离工程理论的形成与完善分离单元操作的概念在20世纪初得以确立;分离工程的理论在20世纪中叶形成与完善;分离应用领域在20世纪后期得到拓宽与推广。1901年由G.E.戴维斯编著的世界上第一本《化学工程手册》在英国出版,作者在他多年的化工生产实践中,逐步将化工生产过程各步骤加以分类,归纳为若干共性单元操作。蒸发、蒸馏、吸收、结晶、透析等分离过程单元,在这本著作中3均有阐述,从而确立了分离单元操作的概念。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》出版,推出了传质与分离单元操作的定量计算方法,分离工程的理论初见端倪。20世纪20~30年代一批分离工程著作先后问世,包括C.S.鲁宾逊的《精馏原理》(1922)和《蒸发》(1926),W.K.刘易斯的《化工计算》(1926),T.K.舍伍德的《吸收与萃取》(1937)等著作,使分离工程的理论得到完善。按物理化学原理,工业常用的分离操作可分为平衡分离过程和速率分离过程2大类。(1)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,包括气液传质过程(蒸馏、吸收等)、液液传质过程(萃取等)、气固传质过程(吸附等)、液固传质过程(离子交换、浸取等)。(2)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,包括膜分离(超滤、反渗透等)、场分离(电泳、热扩散等)。这2类传质分离过程均建立了比较完整的理论。112分离单元操作的诞生与发展各类分离操作都来自生产实践且又以理论指导生产实践与技术进步,推进化学工业与相关工业的发展。1.1.1各种分离单元操作简介(1)精馏古人以蒸馏的方法制酒是精馏的最初原型。从煤焦油中提取油制品，开始用的是一般蒸馏方法，后来改进成为精馏塔。精馏方法广泛用于炼油、化工、轻工、食品等各种工业中，是最重要的分离方法之一。20世纪以来石化工业的发展在生产规模与分离难度上对精馏提出了更高的要求，各种生产能力大、分离效率高、流动阻力小的新型分离设备不断涌现出来，同时还开发出各种复杂精馏过程，如萃取分离、反应精馏、盐精馏等。(2)吸收吸收过程是物质由气相转入液相的过程。吸收操作源于生产实际，一些产品需通过吸收制得，如水吸收HCl制盐酸、吸收SO3制硫酸:一些产品在生产过程中要通过吸收对原料气进行净化，如合成气中H2S、CO2的脱除，焦炉气中苯的4脱除。(3)萃取溶质由一液相转入另一液相的过程称为萃取。20世纪初采用液态SO2从煤油中萃取芳烃，是萃取首次的工业应用。现在萃取技术的应用已经相当广泛，核工业中对放射性元素的萃取分离，石油馏分中芳烃与烷烃的分离，润滑油的精制，都不同程度地采用各种萃取技术。(4)浸取浸取是一种固液之间传质的分离方法，由于固体混合物一般是多相系，浸取常属多相系的分离。用水与溶剂浸取矿物质和天然植物中的有效成分，已有悠久的历史。(5)结晶结晶指溶质由液相趋附于溶质晶体的表面，转为固相的过程。人们早己利用太阳能蒸发海水，使食盐结晶。现在结晶已成为从不纯溶液中制取纯净固体产品的有效且经济的操作方式。许多化学产品，如染料、涂料、医药以及各种盐类都用结晶制取，制得的产品不仅有一定的纯度，而且外形美观，便于包装、运输、贮存和应用。(6)吸附吸附是物质由气相或液相趋附于固体表面的过程。用活性炭、硅胶、硅藻土脱色，脱臭，早已在工业中使用。20世纪吸附技术的应用领域不断扩大，空气分离、异构体分离、废水废气处理都采用新型的吸附技术，吸附剂也发展到分子筛、活性氧化铝、合成树脂等物质。(7)离子交换虽然人们早就发现土壤吸收馁盐的离子交换现象，但离子交换作为一种单元操作是在20世纪40年代人工合成离子交换树脂以后。目前离子交换主要用于水的软化和净化，溶液的精制与脱色，工业废水中回收贵重金属等过程。(8)过滤过滤过程由来己久，完全属于流体动力过程的机械分离过程，无论是常压过滤或加压过滤，真空过滤或离心过滤均已在各工业部门广泛使用。113分离应用领域的延伸和拓宽分离工程早期用于从矿石中提取金属和从植物中提取药物。化学工业,特别5是石油炼制和石油化工的发展,与分离操作应用关系很大。合成氨的原料气需经分离操作才能制得;原油通过精馏制得各种燃料油为石油化工提供了原料;同样,通过分离操作制得高纯度的乙烯、丙烯、丁二烯等单体才能合成各种树脂、纤维和橡胶。现在几乎所有化工产品的生产过程,都需要对原料和产品进行分离操作,分离操作高耸的塔群已经是化工厂最明显的标志了。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。1.1.2新兴的分离方法随着化学工业的发展,分离工程也处于不断发展之中。一方面,传统分离技术研究和应用不断进步,分离效率提高,处理能力加大,工程放大问题逐步得到解决,新型分离装置不断出现;另一方面,为了适应技术进步所提出的新的分离要求,对新分离方法的开发、研究和应用非常活跃,成为化学工程研究前沿之一。(1)各类膜分离技术以膜为分离介质实现混合物的分离是一种新型分离技术。膜是指两相之间的一个不连续的界面,膜可分为气相、液相、固相或它们的组合,通常是固膜(聚合物膜或无机材料膜)和液膜(乳化液膜或支撑液膜)。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。膜分离工程可分为微滤、超滤、反渗析、电渗析、气体渗透、渗透汽化和液膜分离等类型。由于膜分离过程操作条件较为温和,效率高,能耗低,已在高新科技和国民经济各部门得到广泛应用。(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。最常用的超临界流体是二氧化碳,通常在高压下萃取,然后降低压力使之脱离超临界状态,实现溶剂与被萃取物的分离。由于二氧化碳无毒、无污染的特性,超临界技术也成为绿色化学的一个重要研究方向。(3)新型吸附技术新型吸附技术,如模拟移动床、变压吸附、层析、扩张床等新分离方法在研究开发的基础上,将在工业中发挥较大的作用。6(4)反应一分离藕合技术反应一分离藕合可以利用反应促进分离或利用分离促进反应,可以提高过程产率,简化生产工艺过程,节约投资和操作费用,因而受到重视。例如,酯化反应是一种可逆反应,利用反应精馏,即把反应放在精馏塔中进行,可以在反应过程中利用精馏及时分离生成的水和酷,使反应持续向醋化的反向进行。在同一设备中完成反应和分离,可使设备投资和操作费用大为降低。1.2绿色分离工程分离技术作为传统化工过程的重要组成部分,在高新科技的发展中起着巨大的作用。化工生产过程中通常包含有多组分混合物的分离操作,用于原料的预处理、产品的分离、产品最后提纯,以及废料处理等。分离过程在整个化工过程的投资费和操作费上占很大比重,单从能耗上看,传统分离过程(如蒸馏、干燥、蒸发等)在化学工业中约占30%。现代生物技术的迅速发展,对其下游过程技术(生物技术产品的分离纯化技术)的研究提出了迫切的要求。生物技术产品中,分离纯化的成本一般要占其总成本的60一90%。通常在以小分子产品为主的传统发酵工业中,分离成本约占总成本的60%,而现代基因工程产品则有时占90%以上。因此,怎样进行绿色的分离过程具有重要意义。分离工程在化工过程中占有极其重要的地位,分离过程在一方面会由于过程排放废物,消耗能量而对环境产生污染,甚至是破坏性的影响,另一方面分离过程又是许多污染控制方法的手段,有必要在过程设计中考虑分离过程对环境可能产生的影响,为此,我们提出“绿色分离工程”的概念。绿色分离工程是指分离过程绿色化的工程实现。绿色分离工程还刚刚进入人们的视线,在绿色分离工程领域还有许多工作需要做。分离过程绿色化的途径有两种,第一种是对传统分离过程进行改进、优化,使过程对环境的影响最小;另一种是开发及使用新型的分离技术,如膜分离技术、分步结晶技术、超临界萃取技术等。绿色分离工程的研究内容大体上分为三部分。第一部分是,确立与绿色分离工程相关的概念,确定其研究的范围,突出其与传统分离工程的不同之处。第二部分是,要确定过程绿色化效果的表征、评价方法,把环境科学中的环境管理、环境风险评价、环境预测等方法引入到分离过程当中;要求研究者同时对环境科学