分离过程的强化和集成
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化学反应工程课程案例教学之膜反应器基本原理及应用摘要:化学反应工程是研究化学反应机理和反应堆设计的学科。
其目的是了解反应系统的特点,合理选择和设计合适的反应堆,以满足经济、安全、高效和环保材料转换过程的要求。
化学反应工程课程教学围绕反应堆设计逐步发展,反应堆设计方程主要涉及到电源组成、反应动力学、接触模式和反应堆类型。
其中,进料组成是操作参数,反应动力学是工艺的固有特征,接触方式是指反应材料(包括试剂和产品)如何通过反应堆并在反应堆接触行为中的不同位置流动。
反应器型式多种多样,在很大程度上会显著影响接触模式。
膜反应器是一种将化学反应和膜分离耦合在一起的先进反应器,可通过常规反应器和膜分离设备的有效集成,减少化工过程设备数量并实现过程提质增效。
基于此,本篇文章对化学反应工程课程案例教学之膜反应器基本原理及应用进行研究,以供参考。
关键词:化学反应工程课程;案例教学;膜反应器;基本原理;应用分析引言化学工业与人们的衣、食、住、行息息相关,是国民经济的支柱产业,其生产过程主要涉及三个步骤——原料预处理、化学反应、产品的分离与纯化。
其中,化学反应是将原料转变为化工产品的关键,是整个工业生产过程的核心。
研究化学反应如何在工业上实现的学科称为化学反应工程,即化学反应工程是一门研究化学反应工程问题的学科,它以工业反应过程和反应器的设计、开发、放大及优化为目的,是化学工程学科的重要分支。
作为大化工专业(特别是化学工程与工艺专业)的核心基础课程,化学反应工程是一门以高等数学、物理化学、物理等为先修知识、学科交叉性较强的学科,其概念、原理抽象,往往采用理论推演结合工程实践的研究方法。
更重要地是,化学反应工程的研究对象——工业规模的化学反应,其影响因素复杂多样,对于缺乏一线实践认知的学生群体,难以将反应过程设计、操作优化等实际问题的解决与理论知识联系起来。
基于上述特点,在新工科背景下,化学反应工程教学既要满足专业知识体系的基本要求,还要强调工程思维训练,突出对解决复杂工程问题的能力提高,同时提高学生的学习兴趣。
《生物分离工程》练习题一(第1~3章)一、选择题1、下列物质不属于凝聚剂的有( C )。
A、明矾B、石灰C、聚丙烯类D、硫酸亚铁2、发酵液的预处理方法不包括(C )A. 加热B絮凝 C.离心 D. 调pH3、其他条件均相同时,优先选用那种固液分离手段(B )A. 离心分离B过滤 C. 沉降 D.超滤4、那种细胞破碎方法适用工业生产( A )A. 高压匀浆B超声波破碎 C. 渗透压冲击法 D. 酶解法5、为加快过滤效果通常使用( C )A.电解质B高分子聚合物 C.惰性助滤剂 D.活性助滤剂6、不能用于固液分离的手段为( C )A.离心B过滤 C.超滤 D.双水相萃取7、下列哪项不属于发酵液的预处理:( D )A.加热B.调pHC.絮凝和凝聚D.层析8、能够除去发酵液中钙、镁、铁离子的方法是( C )A.过滤B.萃取C.离子交换D.蒸馏9、从四环素发酵液中去除铁离子,可用( B )A.草酸酸化B.加黄血盐C.加硫酸锌D.氨水碱化10、盐析法沉淀蛋白质的原理是( B )A.降低蛋白质溶液的介电常数B.中和电荷,破坏水膜C.与蛋白质结合成不溶性蛋白D.调节蛋白质溶液pH到等电点11、使蛋白质盐析可加入试剂( D )A:氯化钠;B:硫酸;C:硝酸汞;D:硫酸铵12、盐析法纯化酶类是根据( B )进行纯化。
A.根据酶分子电荷性质的纯化方法B.调节酶溶解度的方法C.根据酶分子大小、形状不同的纯化方法D.根据酶分子专一性结合的纯化方法13、盐析操作中,硫酸铵在什么样的情况下不能使用( B )A.酸性条件B碱性条件 C.中性条件 D.和溶液酸碱度无关14、有机溶剂沉淀法中可使用的有机溶剂为( D )A.乙酸乙酯B正丁醇 C.苯 D.丙酮15、有机溶剂为什么能够沉淀蛋白质( B )A.介电常数大B介电常数小 C.中和电荷 D.与蛋白质相互反应16、蛋白质溶液进行有机溶剂沉淀,蛋白质的浓度在( A )范围内适合。
A. 0.5%~2%B1%~3% C. 2%~4% D. 3%~5%17、生物活性物质与金属离子形成难溶性的复合物沉析,然后适用( C )去除金属离子。
化工分离工程正文绪论一:分离工程在工业生产中的地位和作用:1.分离工程定义:将混合物分成组成互不相同的两种或几种产品的操作 2.化工生产装置:反应器+分离设备+辅助设备(换热器、泵) 3.分离工程重要性:(1)纯化原料:清除对反应或催化剂有害的杂质,减少副反应、提高收率。
(2)纯化产品:使未反应物质循环。
(3)环境治理工程:去除污染物。
4.分离工程发展现状:5.分离过程在清洁生产中的地位和作用:废物减少(分离系统有效分离和再循环)废物直接再循环+进料提纯+除去分离过程中加入的附加物质+附加分离与再循环系统二:传质与分离过程的分类和特征: 1.过程:(1)机械分离:两相以上的混合物分离(过滤、沉降、离心分离、旋风分离、静电分离)(2)传质分离:均相混合物分离(精镏、吸收、结晶、膜分离、场分离、萃取、干燥、浸取、升华)△平衡分离过程:分离媒介(热、溶剂、吸附剂)使均相混合物变为两相体系,再以混合物中各组分在处于平衡的两相分配关系的差异实现分离。
(精镏、吸收、结晶、萃取、干燥、浸取、升华)△速率分离过程:推动力(浓度差、压力差、温度差、电位差),组分选择性透过膜,各组分扩散速度的差异实现分离(膜分离、场分离)三:分离过程的集成化:新型1.反应过程与分离过程的耦合:化学吸收、化学萃取、催化精镏、膜反应器2.分离过程与分离过程的耦合:萃取结晶、吸附蒸馏、电泳萃取3.过程的集成:传统分离过程的集成(共沸精镏—萃取、共沸精镏—萃取精镏)传统分离过程与膜分离的集成(渗透蒸发—吸附、渗透蒸发—吸收、渗透蒸发—催化精镏)膜过程集成(微滤—超滤—纳滤—反渗透)第一章蒸馏与精馏§1—1 概述一:蒸馏定义和特点:1.定义:混合物中各组分挥发度差异进行分离提纯。
2.特点:工艺流程短、使用范围广、工艺成熟;但能耗大(汽相再冷凝)二:分类:1.蒸馏方式:闪蒸、简单蒸馏、精馏、特殊精馏、反应精馏 2.操作压力:加压蒸馏、常压蒸馏、真空蒸馏 3.混合物组分:两组分精馏、多祖分精馏 4.操作流程:间歇蒸馏、连续蒸馏三:精馏操作流程:精馏段精馏段提馏段图:连续精馏操作流程图:间歇精馏操作流程1—精镏塔 2—再沸器 3—冷凝器 1—精镏塔 2—再沸器 3—全凝器 4—观察罩 5—贮槽§1—2 简单蒸馏和闪蒸组分挥发度相差较大、分离要求低——预分离一:工艺流程:图:简单蒸馏图:平衡蒸馏(闪蒸)1—蒸馏釜 2—冷凝器 3—接受器 1—加热器 2—节流阀 3—分离器1.简单蒸馏:一次进料,馏出液连续出料(出料浓度逐渐降低),釜残液一次排放——压力恒定、温度变化 2.平衡蒸馏:连续进料,连续出料(出料浓度恒定)——压力、温度恒定混合液→加热器→温度>料液泡点(分离器压力下)→节流阀(降压)→分离器→料液部分汽化、并在分离器中汽液分离(相平衡)二:原理:1.前提条件:理想物系——液相为理想溶液(拉乌尔定律);汽相为理想气体(道尔顿分压定律) 2.原理:汽液共存区饱和蒸汽线(露点线)过热蒸汽区饱和液体线(泡点线)液相区图:苯—甲苯混合液的t—x—y图图:苯—甲苯混合液的x—y图图:简单蒸馏t—x—y图图:平衡蒸馏t—x—y图(1)简单蒸馏:任何瞬间,蒸汽与液相处于平衡。
分离过程的定义分离过程是指通过某种方法或手段将一个复杂的系统、混合物或整体分解成若干个单独的组成部分或个体,以便对其进行独立研究、分析、处理或操作的过程。
分离过程旨在将混合物中的成分或元素分离出来,以满足特定的需求、目标或要求。
分离过程常见于化学、生物、环境、工程和材料科学等领域,常用的分离技术有蒸馏、萃取、过滤、离心、吸附、膜分离等。
分离过程的定义还包括分解和提取过程,既可以是为了分离有用的成分,也可以是为了去除无用或有害的成分,以实现目标的实现和优化。
分离过程的定义还可以涵盖以下几个方面:1. 实验上的定义:分离过程是指在实验室或生产过程中对混合物进行处理,将其不同的成分或阶段分开。
这种分离可以是物理性的,例如通过过滤、离心、沉淀等方法分离固体和液体的混合物;也可以是化学性的,例如通过化学反应使混合物中的成分发生变化,从而分离出想要的物质。
2. 工程上的定义:分离过程是指在工业生产中,通过特定的工艺和设备对原始物料或废弃物进行处理,从中分离出所需的产品或纯化物。
这种分离可以涉及多个步骤和技术,例如萃取、蒸馏、结晶、膜分离等。
3. 理论上的定义:分离过程是指将一个整体或复杂系统分解为可以独立研究和分析的部分。
这种分离可以是在系统层面上,例如将一个复杂的生态系统分解为不同的生物群落、物种或生态位;也可以是在分子层面上,例如通过计算化学方法将一个复杂的分子分解为其组成的键和基团。
总之,分离过程是将一个整体或混合物分解、分离为不同组成部分或阶段的过程,在实验室、工业生产和理论研究中都具有重要的应用价值。
这种过程使得我们能够更好地理解和利用复杂系统中的成分,满足不同领域的需求。
当涉及到分离过程时,还需要考虑一些关键的因素和条件。
以下是一些常见的分离过程的定义和相关概念:1. 分离因素:分离因素是指影响分离过程的因素,可以是物理性质(如沸点、溶解度、密度)或化学性质(如反应性、亲和性)。
这些因素决定了分离过程的可行性和效果。
分离⼯程整理思考题第⼀章1、说明分离过程与单元操作的区别2、什么是绿⾊分离⼯程,实现的途径及的研究进展绿⾊分离⼯程是指分离过程绿⾊化的⼯程实现。
分离过程绿⾊化的途径有两种,⼀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甚⾄于没有;即对传统分离过程的绿⾊化主要是对过程(如蒸馏、⼲燥、蒸发等)利⽤系统⼯程的⽅法,充分考虑过程对环境的影响,以环境影响最⼩(或⽆影响)为⽬标,进⾏过程集成。
⼆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。
及的研究进展针对其他各种环境影响量化评价⽅法的缺陷,近年来提出⼀种新的环境影响评价量化评价⽅法——绿⾊指数法。
该⽅法从两⽅⾯考虑过程对环境的影响:⼀是在流程级别上,环境影响评价指数表达法的开发/选取;另⼀是在化学物种层次上,环境影响性能指标的选取。
3、说明化⼯分离技术的特性1)化⼯分离技术的重要性:化⼯分离技术是化学⼯程的⼀个重要分⽀,任何化⼯⽣产过程都离不开这种技术2)化⼯分离技术的多样性:由于化⼯分离技术的应⽤领域⼗分⼴泛,原料、产品和对分离操作的要求多种多样,这就决定了分离技术的多样性3)化⼯分离技术的复杂性:化⼯分离技术的重要性和多样性决定了它的复杂性,4、化⼯分离技术发展的特点1)竞争促进了分离过程的强化。
随着科技的发展,新设备和新分离剂的应⽤⼤⼤提⾼了分离效率。
膜分离、超临界萃取等新分离技术也在迅速推⼴。
剧烈的竞争加速了分离技术发展,促进了分离过程的强化。
2)耦合分离技术引起重视。
由于耦合分离技术往往⽐较复杂,设计放⼤⽐较困难,因此也推动了化⼯数学模型和设计⽅法的研究。
3)信息技术推动了分离技术的发展。
分离科学和技术具有多学科交叉的特点,信息技术和传统化⼯⽅法的结合显得⼗分重要。
信息技术和先进测试技术的⾼速发展为化⼯多层次、多尺度的研究提供了条件。
4)根据国情,加速分离科学和技术的发展总趋势:多样化、精细化、洁净化(环境友好)5 、简述分离过程的集成化反应过程与分离过程的耦合,通过溶质与溶剂中的活性组分发⽣反应,,提⾼传质推动⼒和液相传质系数,从⽽提⾼吸收率,降低能耗和设备投资化学萃取:溶质与萃取剂之间发⽣化学反应,反应(催化)精馏:反应与精馏结合,提⾼分离效率;同时,借助精馏⼿段,提⾼反应收率,膜反应器:在反应的同时,利⽤膜的优良分离性能,选择性的脱除产物,从⽽移动化学反应平衡,提⾼反应的收率、转化率和选择性萃取结晶:加⼊有机溶剂使待结晶的⽆机盐⽔溶液中的⼀部分⽔被萃取出来,促进⽆机盐的结晶过程,吸附蒸馏:⽓-液-固三相分离过程,同时利⽤吸附选择性⾼、能耗低的优点和蒸馏处理量⼤、设备较简单、⼯艺成熟的优点。
分离过程发展的趋势分离过程发展的趋势是指在化工工艺中,不同物质之间的分离操作的趋势和发展方向。
分离过程是化工工艺中的重要环节,其目的是将混合物中的组分分离出来,以获取纯净的产品或实现组分之间的进一步转化。
随着科技的发展和人们对环境保护及资源利用的要求,分离过程的发展也面临着趋势的变化。
一、高效节能高效节能是分离过程发展的主要趋势之一。
传统的分离过程通常存在能源消耗大、工艺流程复杂、产品纯度不高等问题,因此,如何在保证分离质量的前提下降低能源消耗成为研究的热点。
随着新材料、新工艺的引入,分离设备的效率得到了提高,能耗也有了明显的减少。
例如,膜分离技术具有分离效率高、能耗低、设备体积小等特点,已经开始在生物工程、化工、环保等领域得到广泛应用。
二、多功能集成多功能集成是分离过程发展的另一个趋势。
传统的分离过程通常需要多个独立的分离单元进行操作,增加了设备的大小和复杂度。
而通过多功能集成,可以将多个分离单元进行整合,使得不同的分离操作可以在同一个设备中完成。
这样不仅可以节省空间和设备投资,还可以提高生产效率和产品质量。
例如,膜分离技术可以与吸附、吸附溶剂回收、结晶等技术结合,实现多功能的分离操作。
三、绿色环保绿色环保是分离过程发展的重要趋势。
随着人们对环境污染和资源浪费的关注度提高,传统的分离过程所使用的有机溶剂和化学试剂已经不能满足环保要求。
因此,如何开发低污染的分离剂和环保型分离工艺成为了研究的重点。
一种重要的解决方案是开发水相或水溶剂的分离工艺。
与有机溶剂相比,水相分离具有成本低、对环境污染小等优势。
此外,新型分离技术如超临界流体萃取、微悬浮浓缩等也被广泛研究和应用,以实现低污染、高效率的分离过程。
四、自动化和智能化自动化和智能化是分离过程发展的趋势之一。
随着自动化和智能化技术的不断进步,分离过程中的控制和操作更加方便快捷。
自动化技术可以实现对分离过程的实时监控和数据记录,并可以通过集成计算机控制系统来实现过程的控制和优化。
1.1、什么是绿色分离工程,实现的途径。
答:绿色分离工程是指分离过程绿色化的工程实现 。
途径:对传统分离过程进行改进、优化,使过程对环境的影响最小甚至于没有。
手段:开发及使用新型的分离技术1.2、化工分离技术的特性答:化工分离技术的重要性、化工分离技术的多样性、化工分离技术的复杂性1.3、化工分离技术发展的特点答:1、竞争促进了分离过程的强化:化工塔器的内件:高效塔板、规整填料和散装填料发明层出不穷2、耦合分离技术引起重视:综合了两种分离技术的优点 ,可以解决许多传统的分离技术难以完成的任务3、信息技术推动了分离技术的发展: 4、根据国情,加速分离科学和技术的发展 1.4 、简述分离过程的集成化答:1、反应过程与分离过程的耦合2、分离过程与分离过程的耦合3、过程的集成:(1)传统分离过程的集成(2)传统分离过程与膜分离的集成(3)膜过程的集成1.5、分离过程的种类与特性答:分离过程: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。
1、扩散式分离过程—— 涉及物质从进料向一股产品流的扩散传递。
分为平衡分离过程和速率分离过程 。
(1)蒸发、蒸馏和干燥等(根据挥发度或汽化点的不同);(2)结晶(根据凝固点的不同);(3)吸收、萃取和沥取等(根据溶解度的不同) ;(4)沉淀(根据化学反应生成沉淀物的选择性) ;(5)吸附(根据吸附势的差别);(6)离子交换(用离子交换树脂);(7)等电位聚焦(根据等电位pH 值的差别);(8)膜分离(超滤、反渗透、渗析等)、场分离(电泳、热扩散、气体扩散等)(根据扩散速率差) 2、非扩散式分离过程(即机械分离过程) —— 完成产品相的分离 。
(1)过滤、压榨(根据截留性或流动性差异) ;(2)沉降(根据密度或粒度差);(3)磁分离(根据磁性差);(4)静电除尘、静电聚结(根据电特性);(5)超声波分离(根据对波的反应特性)。
思考题第一章1、说明分离过程与单元操作的区别2、什么是绿色分离工程,实现的途径3、说明化工分离技术的特性4、化工分离技术发展的特点5 、简述分离过程的集成化和强化6、什么是低碳经济,说明与分离工程的联系7、分离过程的种类与特性8、分离方法的选择要考虑的那几方面的因素第二章1、简述精馏分离工程的特点,并说明精馏学科要取得突破性进展的局限性所在2、什么是隔板精馏,举例说明它的应用。
3、简述平衡级与非平衡级模拟计算的主要不同点4、要开发一个精馏塔模拟计算的严格算法,需对哪几点作出选择和安排,结合矩阵法的开发加以说明。
5、会推导三对角矩阵法、流量加和法的ME方程和计算原理。
6、说明松驰法的计算原理并写出松驰法的基本方程。
第三章1、间歇萃取精馏有几种类型,画出简图并加以说明2、萃取精馏的主要缺点是什么,目前的主要改进方向。
3、溶盐精馏与加盐萃取精馏的主要不同点是什么?4、怎样测定含盐体系全浓度下汽液平衡的数据。
5、反应精馏的特点表现在那几个方面,举例说明利用精馏来促进反应的反应精馏和利用反应促进分离的反应精馏过程。
6、对D↔+形式的反应精馏,要实现反应精馏各组分相对挥发度应有怎样的排列顺A+BC序,给出反应精馏流程。
7、目前用于均相反应精馏过程模拟计算有那几种方法,并写出其数学模型。
第四章1、根据膜分离过程的唯象方程,给出三种以上膜分离过程的渗透通量,并加以简单的说明。
2、说明膜性能的表示方法。
3、反渗透和超滤过程的浓差极化现象那个更严重,为什么?两种分离过程的分离机理是否相同。
4、电渗析中有几种物质传递过程,它与离子交换树脂分离、反渗透有何不同5、什么是电渗析过程的浓差极化现象,为什么其膜要能耐酸、碱、抗氧、抗氯6、给出制取高纯水的方法7、气体膜分离过程的分离系数可表示为:j j j i j i ij H D H D Q Q ==α,要得到该关系式需作那些假设,请加以推导。
8、简述液膜分离的四种机理,什么是逆向迁移和同向迁移9、画出利用搅拌槽(喷淋塔)的乳状液膜连续萃取过程的流程。
三、名词解释1、分离过程 : 将一混合物转变为组成互不相同的两种或几种产品的那些操作。
2、分离工程: 研究分离过程中分离设备的共性规律,分离与提纯的科学。
3、传统分离过程的绿色化:对过程(如蒸馏、干燥、蒸发等)利用系统工程的方法,充分考虑过程对环境的影响,以环境影响最小(或无影响)为目标,进行过程集成。
4、传质分离过程:一类以质量传递为主要理论基础、用于各种均相混合物分离的单元操作。
可分为平衡分离过程和速率分离过程两大类,遵循物质传递原理。
5、平衡分离过程:大多数扩散分离过程是不相溶的两相趋于平衡的过程,而两相在平衡时具有不同的组成,这些过程称为平衡分离过程。
6、速率控制分离过程::利用溶液中不同组分在某种推动力的作用下,经过某种介质时的传质速率差异而实现分离的过程。
7、泡点温度:是指液体在恒定的外压下,加热至开始出现第一个气泡时的温度。
8、露点温度:在恒压下冷却气体混合物,当气体混合物开始凝聚出第一个液滴时的温度。
9、汽化率:液体汽化所减少的质量占原液体质量的比率。
10、液化率:e=液化量/总加入量=L/F11、分离因子: 表示任一分离过程所达到的分离程度 表示组分i 及j 之间没有被分离 表示组分i 富集于1相,而组分j 富集于2相表示组分i 富集于2相,而组分j 富集于1相12、分离剂 : 在两种相同的或不同的材料之间、材料与模具之间隔离膜,使二者间不发生粘连,完成操作后易于分离的液剂。
种类为:(1)石膏分离剂(2)树脂分离剂(3)蜡分离剂 (4)其他分离剂如硅油、凡士林等。
13、固有分离因子: αij 称为固有分离因子,也称相对挥发度,它不受分离设备的影响。
14、机械分离过程:分离对象为两相以上的混合物,通过简单的分相就可以分离,而相间并无物质传递发生。
15、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。
16、关键组分:由设计者指定浓度或提出分离要求的两个组分称为关键组分。
我国膜分离技术综述一、本文概述膜分离技术,作为一种高效、节能、环保的分离技术,近年来在我国得到了广泛的关注和应用。
本文旨在全面综述我国膜分离技术的发展历程、现状以及未来的发展趋势,以期为相关领域的研究者和从业者提供有价值的参考。
文章首先回顾了我国膜分离技术的起源与发展历程,阐述了其在不同历史阶段的主要特点和技术进步。
接着,文章重点分析了当前我国膜分离技术的应用现状,包括在水处理、食品加工、生物医药、化工等领域的应用情况,以及在这些领域中取得的成效和存在的问题。
文章还对我国膜分离技术的发展趋势进行了展望,包括新材料的研究与应用、新技术的研发与推广、以及膜分离技术在更多领域的应用探索等方面。
文章指出,随着我国经济社会的持续发展和环保意识的不断提高,膜分离技术将在我国未来的能源、环境、生物等领域发挥更加重要的作用。
文章总结了我国膜分离技术的优势和不足,并提出了针对性的建议和对策,以期推动我国膜分离技术的持续创新和发展。
二、膜分离技术的分类和应用膜分离技术以其独特的分离原理和操作方式,被广泛应用于多个领域。
按照分离机制和孔径大小,膜分离技术主要可以分为以下几类:微滤是一种利用微孔滤膜截留液体中粒径大于1~10μm的微粒的膜分离过程。
它主要用于去除悬浮物、细菌、部分病毒及大分子有机物等。
超滤使用孔径小于1μm的滤膜,能截留分子量大于500~1000的溶质。
超滤常用于溶液的澄清、大分子物质的浓缩和分离、蛋白质溶液的脱盐与浓缩等。
纳滤膜的孔径介于超滤与反渗透之间,一般为几纳米至几百纳米,可用于分离分子量介于200~1000的溶质。
纳滤技术常用于软化水、脱除色度、去除有机物等。
反渗透利用半透膜两侧的压力差为推动力,使水分子通过半透膜而截留溶解在水中的无机盐、有机物及微生物等。
反渗透技术是海水淡化的主流技术。
电渗析是利用直流电场作为推动力进行渗析的一种膜分离方法。