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化工分离工程ChemicalSeparationEngneering课程简介化工分离工程是化学工程学科的重要组成部分，是化学工程与工艺专业的一门专业必修课。本课程的任务是利用相平衡热力学、动力学的微观机理，传热、传质和动量传递理论来研究化工及其它相关过程中复杂物质的分离和纯化技术，分析和解决在化工生产、设计和科研中常用的分离过程的理论和实际问题。通过本课程的学习，要求我们1）正确理解化工分离工程的有关基本概念和理论；2）理解各概念之间的联系和应用；3）掌握化工分离工程的基本计算方法；4）能够理论联系实际，灵活分析和解决实际化工生产和设计中的有关问题；先修课程：物理化学、化工热力学、化工原理同时进行的课程：化工工艺学、化工过程分析与模拟教材：邓修，吴俊生.化工分离工程.科学出版社，2000.参考书：刘家祺主编.分离过程.化学工业出版社,2002.陈洪纺刘家祺.化工分离过程.化学工业出版社,1995.JDSeeder,EJHenley.SeparationProcessPrinciples.化学工业出版社，2002.第1章绪论第2章精馏第3章吸收第4章液液萃取第5章分离过程的节能第6章其他分离技术和分离方法的选择主要内容第1章绪论1.1概述1.2分离因子1.3过程开发及方法1.4分离方法的选择第1章绪论基本要求：1)了解分离操作在化工生产中的重要性;2)熟悉分离过程的分类;3)掌握分离因子的概念及意义;4)了解分离方法的选择;什么是分离过程？纯组分变成混合物，是熵增自发过程，反之，混合物变成纯净物则需作功。混合物（气、液、固）分离过程产品1产品2产品n能量分离剂ESA物质分离剂MSA借助一定的分离剂，实现混合物中的组分分级（Fractionalization）、浓缩（Concentration）、富集（Enrichment）、纯化（Purification）、精制（Refining）与隔离（Isolation）等的过程称为分离过程。1.1概述WHYSEPARATE?WHYWHY化工生产反应（Reactive）萃取物（ExtractiveNaturalrawmaterial）配制（Formulation）分离分离分离一、分离过程的地位•炼油、石油化工：•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、汽油、燃料油、润滑油、石蜡油、石油沥青、石焦油和各种石油化工原料等；•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、染料等；•炼油和石油化工过程紧密结合，各种分离操作是其生产过程必不可少的组成部分。•蒸馏是炼油和石油工业中最主要的分离操作过程之一。常压蒸馏和减压蒸馏按照沸程不同进行石油产品分离；•除此以外，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。•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；•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、结晶、干燥等分离技术有用武之地。•冶金工业•湿法冶炼中矿物浸取和萃取分离过程——溶剂萃取法：•铀是在工业中第一个使用溶剂萃取法提取和纯化的金属元素；•用溶剂萃取法从铜矿浸取液中提取铜，是二十世纪七十年代，在湿法冶炼中取得的一项重要成就；•湿法提取过程也用于磷和硼等无机矿产的生产过程。•其他：•食品、乳品和饮料工业•材料工业•生化工业•环境保护•分离过程的重要性•原料净化•产品提纯•有效组分回收•污染物处理典型的化工生产装置包括：反应器；原料、中间产物和产品的分离设备；泵、换热器；分离贯穿化工过程，占有十分重要的地位。分离过程的费用占总投资的50～90％。原料预处理反应分离粗产品精制产品分离工程三废处理二、分离过程的分类（一）分离过程的分类级数：相态：有无传质发生：单级、多级固—固、固—液、固—气、气—液、液—液、气—气机械分离、传质分离处理两相以上的混合物如过滤、沉降、离心分离等。处理均相混合物按物理化学原理的不同，传质分离可分为：（二）传质分离过程的分类平衡分离过程：速率分离过程：借助分离剂使均相混合物变成两相系统，再利用混合物中各组分在处于相平衡的两相中的不等同分配而实现分离。在某种推动力（浓度差、压力差、温度差、电位差等）的作用下，利用各组分扩散速率的差异实现分离。如精馏、吸收、萃取、结晶、吸附等。如微滤、超滤、反渗透、电渗析等。1）平衡分离过程过程名称原料分离剂产品分离原理蒸发蒸馏吸收萃取结晶吸附干燥浸取离子交换液体液体气体液体液体气体或液体湿物料固体液体热热不挥发性液体不互溶液体冷或热固体吸附剂热溶剂固体树脂液体+蒸汽液体+蒸汽液体+气体液体+液体液体+固体固体+液体或气体固体+蒸汽固体+液体液体+固体蒸汽压不同蒸汽压不同溶解度不同溶解度不同过饱和吸附力不同湿组分蒸发溶解度不同离子的可交换性2）速率控制分离过程过程名称原料分离剂产品分离原理气体扩散热扩散电渗析电泳反渗透超过滤气体气体或液体液体液体液体液体压力梯度和膜湿度梯度电场和膜电场压力梯度和膜压力梯度和膜气体气体或液体液体液体液体+液体液体+液体多孔膜中扩散的速率差异热扩散速率差异膜对不同离子的选择性渗透胶质在电场下的迁移速率差异溶质溶解度与溶剂在膜中的扩散速率分子大小差异1.2分离因子（1）分离因子的定义假设要将i、j两组分构成的混合物分离成1、2两种产品，两种产品中两组分的含量分别用xi1、xj1、xi2、xj2表示。比较这两个组分在两种产品中的含量关系，就可以判定这两个组分在两种产品中的分离程度：2211//jijiijxxxx•分离因子与1的偏离程度表示组分之间分离的难易程度。•当αij＝1时，两组分在两产品中的含量相同，无法实现分离；当αij接近1时，两组分在两产品中的含量相近，难以实现分离；当αij远离1时，两组分在两产品中的含量差别大，容易实现分离。•精馏中，分离因子又称为相对挥发度，它相对于汽液平衡常数而言，对温度和压力的变化不敏感，可近似看作常数，使计算简化。（2）分离因子的意义1）双组分中的相对挥发度已知A、B两组分挥发度为：由Dalton分压定律可知：pA+pB=p，而pA=yAp，pB=yBp，所以：2）液液萃取的选择性系数已知A、B两组分在两相中的分配系数为：则其选择性系数为：AAAxp/BBBxp/BABABAABxxyy//BABABAABxxyykk//AAAxyk/BBBxyk/1.3过程开发及方法（1）化工技术开发1）开发基础研究针对项目的应用性基础研究和工艺特征研究，以实验室研究为主。2）过程研究进行工艺、产品、设备等的工程放大试验，包括模型试验、微型中试、中试及工业试验等的全部或部分过程。3）工程研究包括技术经济评价、概念设计、数学模型、放大技术及基础设计等。（2）放大技术的常用方法过程放大的方法有逐级经验放大法、数学模型法、工程理论法和参照法四种，常用的是前两种。1）逐级经验放大法以小试→扩大试验→中试→工业化试验的程序，通过逐级试验获取参数来达到目的。稳妥，但耗费大。2）数学模型法根据过程的内在规律，建立准确描述过程的数学模型，通过合理的简化后，利用计算机求解得到相关的参数。（3）分离过程开发应达到的目的1）合适的分离方法和流程通常通过小试研究来实现分离方法的选择和分离流程的确定。2）优化的工艺操作条件通常是在小试数据的基础上，通过中试对工艺参数进行优化。3）合理的设备选型通过中试确定工业化过程的设备形式和几何尺寸。1.4分离方法的选择•分离的可行性是否能分离•物料的物理化学性质是否好分离•生产的处理规模是否分离快•投资及运行的经济性是否成本低•安全与环保是否环保发展趋势1）传统分离技术改造：如精馏筛板塔改造为效率更高的填料塔。2）新型分离过程开发：如膜分离、反胶团萃取、超临界萃取等。3）分离与反应耦合以及分离过程之间的耦合：如反应精馏、吸附精馏、膜精馏等。总趋势：多样化、精细化、洁净化（环境友好）。