化工分离新技术.ppt
化工分离新技术本课程的主要目的l获得传质与分离操作过程及设备的基础知识、基本理论和基本应用能力，掌握传质与分离过程的本质及其变化规律l介绍新型分离方法，如膜分离、超临界萃取、吸附、特殊精馏等，使学生了解分离技术的发展及新知识、新工艺、新技术。l突出工程实例介绍，简化数学模型推理和设计计算第一章 绪论 1.1 1.1 化工分离技术发展简述化工分离技术发展简述 化学工业是国民经济的重要基础产业，化工产品渗透到人们的衣、食、住、行等各个领域。化工产值是衡量一个国家国民经济发展水平的重要标志之一。化工分离技术是随着化学工业的发展而逐渐形成和发展的。化学工业具有悠久的历史，而现代化学工业是开始于18世纪产业革命以后的欧洲。当时，纯碱、硫酸等无机化学工业成为现代化学工业的开端。19世纪以煤为基础原料的有机化工在欧洲也发展起来。当时的煤化学工业规模不是很大，主要着眼于苯、甲苯、酚等各种化学品的开发。在这些化工生产中应用了吸收、蒸馏、过滤、干燥等分离操作。19世纪末，20世纪初大规模的石油炼制业促进了化工分离技术的成熟与完善。进入20世纪70年代以后，化工分离技术更加高级化，应用也更加广泛。与时同时，化工分离技术与其它科学技术相互交叉渗透产生一些更新的边缘分离技术，如生物分离技术、膜分离技术、环境化学分离技术、纳米分离技术、超临界流体萃取技术等等。展望21世纪，化工分离技术将面临着一系列新的挑战，其中最主要的是来自能源、原料和环境保护三大方面。此外，化工分离技术还将对农业、食品和食品加工、城市交通和建设以及保健、提高和改善人们的生活水平方面做出贡献。1.2 1.2 分离过程在工业生产中的地位和作用分离过程在工业生产中的地位和作用 分离过程是将混合物分成组成相互不相同的两种或几种产品的操作。一个典型的化工生产装置通常是由一个反应器（有时多于一个）和具有提纯原料、中间产物和产品的多个分离设备以及机、泵、换热器等构成。分离操作一方面为化学反应提供符合质量要求的原料，清除对反应或催化剂有害的杂质，减少副反应和提高收率；另一方面对反应产物进行分离提纯以得到合格的产品，并使未反应的反应物得以循环利用。此外，分离操作在环境保护和充分利用资源方面起着特别重要的作用。因此，分离操作在化工生产中占有十分重要的地位，在提高生产过程的经济效益和产品质量中起举足轻重的作用。对大型的石油工业和以化学反应为中心的石油化工产生过程，分离装置的费用占总投资的5090%。无论化学、石油、冶金、食品、轻工、医药、生化和原子能等工业都广泛应用分离过程。古代煤用于直接燃烧,为饮食和取暖。炼焦工业的兴起,使得煤经干馏获得焦炭和煤气,煤得到了初步的合理使用。但其副产煤焦油却长期被看作无用而有毒的废物。直到近代,发现煤焦油是含有多种芳香族化合物的复杂混合物(达几百种物质),用分馏的方法可以使苯、酚、萘和更复杂的芳香族化合物分开,才使煤的综合利用臻于完善。同样,从原油的直接燃烧到把它分馏为溶剂油、汽油、煤油、柴油和重油(沥青)等各种组分并加以利用和再加工,直到形成现代庞大的石油炼制和石油化工体系。都是分离过程成功应用于化工生产的典型例子。干燥过程的应用遍及各行各业。谷物的含水量从收获时约30%35%干燥到13%就可延长储存期一年。食品含水量低于5%,微生物难以生存,酶难以作用,可长期保持香昧和营养。聚氯乙烯颗粒含水量小于千分之二，可保证聚合加工成型时不出现气泡和增加塑料制品的强度。此外,建材、木材、布匹、纸张、皮革、药物、油漆等等无不涉及干燥。据统计,仅化工产品就有20万种以上需要干燥作业。随着工业的现代化,科学研究和生产技术向着高质量、高纯度、精密加工、微型化和高技术密集型发展,而这些都必须有分离过程的密切配合。就以半导体与电子技术为例,高质量、高纯度的材料超纯水、半导体锗和硅,以及载气氮、氦等,其纯度都要在99.99%以上,有的甚至达到99.9999%。这类产品的微型化,使集成电路的线距仅1m。彩色显像管装配封口后,管内不得含有微粒,否则在屏幕上会因折射而出现闪烁亮点而导致报废,于是,无论载气和装配车间的空气都必须经洁净处理到每升气体中所含大于0.5m的尘粒少于3.5个。仅洁净空气和纯水为例,就已包括了沉降、湿法洗净、过滤、电除尘、絮凝、泡沫分离、电渗析、超滤、反渗透以及离子交换等如此多的分离单元操作。事实上，在医药、材料、冶金、食品、生化、原子能和环保等领域也都广泛地应用到分离过程。例如，药物的精制和提纯；从矿产中提取和精选金属；食品的脱水、除去有毒或有害成分；抗菌素的净制和病毒的分离；同位素的分离和重水的制备等都离不开分离过程。随着现代工业趋向大型化生产，所产生的大量废气、废水、废渣更需集中排放。对各种形式的流出废物进行末端治理，使其达到有关的排放标准，不但涉及物料的综合利用，而且还关系到环境污染和生态平衡。如原子能废水中微量同位素物质，很多工业废气中的硫化氢、二氧化硫、氧化氮等都需妥善处理。近年来，由于能源紧张，石油提价，对分离过程的能耗要求越来越苛刻，随之对设备性能要求也越来越高。分离技术的应用越来越得到人们的高度重视。需要说明的是，分离技术不仅仅应用于化学工业。生产实践证明，将地球上各种各样的混合物进行分离和提纯是促进科技发展、提高和改善生活水平的一种重要途径。由于发明了冶炼术，把金属从矿石中分离出来，使人类从石器时代进入了铜器时代，开始向文明社会进步；放射性铀的同位素分离成功，迎来了原子能时代；将水和空气中微量杂质除去的分离技术，大幅提高了超大规模集成电器元件的成品合格率，使它得以商品化生产，同时集成度也大幅提高；深冷分离技术可从混合气体中分离出纯氧、纯氮和纯氢，获得了接近绝对零度的低温，为科学研究和生产技术提供了极为广阔的发展基础，为火箭提供了具有极大推动力的高能燃料；从水中去除盐和有素物质的蒸馏、吸附、萃取、膜分离等分离技术，使人们能从取之不尽的大海中提取淡水，从工、农业污水中回收干净水和其它有用的东西。当代工业的三大支柱是材料、能源和信息，这三大产业的发展都离不开新的分离技术。人类生活水平的进一步提高也有赖于新的分离技术。在21世纪，分离技术必将日新月异，再创辉煌。1.3 1.3 分离过程在清洁工艺中的地位和作用分离过程在清洁工艺中的地位和作用 清洁工艺也称少废无废技术，它是面向21世纪社会和经济可持续发展的重大课题，也是当今世界科学进步的主要内容之一。清洁工艺就是将生产工艺和防治污染有机地结合起来，将污染物减少或消灭在工艺过程中，从根本上解决工业污染问题。开发和采用清洁工艺，既符合“预防优于治理”的方针，同时又降低了原材料和能源的消耗，提高企业的经济效益，是保护生态环境和经济建设协调发展的最佳途径。因此清洁工艺是一种节能、低耗、高效、安全、无污染的工艺技术。就化学工业而言，清洁工艺的本质是合理利用资源，减少甚至消除废料的产生。化学工业是工业污染的大户，化工生产所造成的污染来源于：1、未回收的原料；2、未回收的产品；3、有用和无用的副产品；4、原料中的杂质；5、工艺的物料损耗。与化工分离过程密切相关的化工清洁工艺包括有：1、降低原材料和能源的消耗，提高有效利用率、回收利用率和循环利用率；2、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；3、采用生产工艺装置的闭路循环技术；4、处理生产中的副产物和废物，使之减少或消除对环境的危害；5、研究、开发和采用低物耗、低能耗、高效率的“三废”治理技术。因此，清洁工艺的开发和应用离不开传统分离技术的改进，新分离技术的研究、开发和工业应用，以及分离过程之间、反应和分离过程之间的集成化。闭路循环系统是清洁工艺的重要方面，其核心是将过程所产生的废物最大限度地回收和循环使用，减少生产过程中排出废物的数量。如果工艺中的分离系统能够有效地进行分离和再循环，那么该工艺产生的废物就最少。实现分离与再循环系统使废物最小化的方法有以下几种：1、废物直接再循环；2、进料提纯；3、除去分离过程中加入的附加物质；4、附加分离与再循环系统；清洁工艺除应避免在工艺过程中生成污染物，即从源头减少三废之外，生成废物的分离、再循环利用和废物的后处理也是极其重要的，而这后一部分任务在多是由化工分离操作承担和完成的。1.4 传质分离过程的分类和特征 分离过程分为机械分离和传质分离两大类。机械分离过程的分离对象是由两相以上所组成的混合物，其目的只是简单地将各相加以分离。例如：过滤、沉降、离心分离、旋风分离和静电除尘等。传质分离过程用于各种均相混合物的分离，基特点是有质量传递现象发生，按所依据的物理化学原理不同，可分为两大类：平衡分离和速率分离。（一）平衡分离过程 平衡分离过程系借助分离媒介（如热能、溶剂、吸附剂等）使均相混合物系统变为两相系统，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离。分离媒介可以是能量媒介（ESA）或物质媒介（MSA），有时也可以两种同时应用。根据两相状态不同,平衡分离过程可分为如下几类。气液传质过程:如吸收、气体的增湿和减湿。汽液传质过程:如液体的蒸馏和精馏。液液传质过程:如萃取。液固传质过程:如结晶、浸取、吸附、离子交换、色层分 离、参数泵分离等。气固传质过程:如固体干燥、吸附等。（二）速率分离过程 速率分离过程是指借助某种推动力，如浓度差、压力差、温度差、电位差等的作用，某些情况下在选择性透过膜的配合下，利用各组分扩散速度的差异而实现混合物的分离操作。这类过程的特点是所处理的物料和产品通常属于同一相态，仅有组成的差别。速率分离可分为膜分离和场分离两大类。1、膜分离 膜分离是利用液体中各组分对膜的渗透速率的差别而实现组分分离的单元操作。膜可以是固态或液态，所处理的流体可以是气体或液体，过程的推动力可以是压力差、浓度差或电位差。
