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化工分离工程：第1章 绪论

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化工分离工程

化工分离工程

化工分离工程第一章绪论1.1概述1.1.1 分离过程的发展与分类随着世界工业的技术革命与发展,特别是化学工业的发展,人们发现尽管化工产品种类繁多,但生产过程的设备往往都可以认为是由反应器、分离设备和通用的机、泵、换热器等构成。

其中离不开两类关键操作:一是反应器,产生新物质的化学反应过程,其为化工生产的核心;-其中离不开两类关键操作:一是反应器,产生新物质的化学反应过程,其为化工生产的核心;-于是研究化学工业中具有共同性的过程和设备的规律,并将之运用于生产的“化学工程”这一学科应运而生。

分离过程可分为机械分离和传质分离两大类。

机械分离过程的对象都是两相或两相以上的非均相混合物,只要用简单的机械方法就可将两相分离,而两相间并无物质传递现象发生传质分离过程的特点是相间传质,可以在均相中进行,也可以在非均相中进行。

传统的单元操作中,蒸发、蒸馏、吸收、吸附、萃取、浸取、干燥、结晶等单元操作大多在两相中进行。

依据处于热力学平衡的两相组成不相等的原理,以每一级都处于平衡态为手段,把其他影响参数均归纳于效率之中,使其更符合实际。

它的另一种工程处理方法则是把现状和达到平衡之间的浓度梯度或压力梯度作为过程的推动力,而把其他影响参数都归纳于阻力之中,传递速率就成为推动力与阻力的商了。

上述两种工程处理方法所描述的过程,都称作平衡级分离过程。

分离行为在单级中进行时,往往着眼于气相或液相中粒子、离子、分子以及分子微团等在场的作用下迁移速度不同所造成的分离。

热扩散、反渗透、超过滤、电渗析及电泳等分离过程都属此类,称速率控制分离过程,都是很有发展潜力的新分离方法。

综上所述,分离过程得以进行的基础是在“场”的存在下,利用分离组分间物理或化学性质的差异,并采用工程手段使之达到分离。

显然,构思新颖、结构简单、运行可靠、高效节能的分离设备将是分离过程得以实施乃至完成的保证。

1.1.2 分离过程的地位广泛的应用、科技的发展、环境的需要都说明分离过程在国计民生中所占的地位和作用,并展示了分离过程的广阔前景:现代社会离不开分离技术,分离技术发展于现社会。

化工分离工程化工分离工程1绪论3.1 第一章绪论

化工分离工程化工分离工程1绪论3.1 第一章绪论

组分i富集于2相，而组分j富集于1相
2、固有分离因子
滁州学院 材料与化学工程学院
1.2 分 离 过
ij

yi xi
yj xj
根据汽液相平衡组成
程
的 特
3、
s ij
与 ij
的关系
征 与
将实际分离设备所能达到的分离因子与
分 理想分离因子之间的差别用效率来表示
类
效率

s ij
ij
三、分离过程的分类
滁州学院 材料与化学工程学院
(2) 计算题求解步骤和要求（也适用于考试）： a. 要写出已知条件和求解参数（20%） b. 解题步骤层次清晰，公式要准确 ( 50%) c. 已知数据和单位一起代入公式 ( 20% ) d. 计算结果(要求保留2位或3位有效数字） (10%)
考核 (1) 考勤 20% （缺勤超 3 次者没有考试资格） (2) 作业 20% （缺作业超 3 次者没有考试资格） (3) 考试（闭卷） 60%
的 模型进行数学描述，得数学模型
研
究 ③对数学模型进行分析解或数值解得到设计计算方
内 法，通过试验确定方程中的模型参数
3) 了解传质分离过程的分类和特征。 4) 掌握分离工程的特征及开发方法。
§1—1 分离操作在化工生产中的地位
滁州学院 材料与化学工程学院
一、分离工程的形成与完善
数千年前
18世纪
19世纪
19世纪末 20世纪初
海水结晶 农产品干燥
现代化工诞生 以煤为原料 初大规模的石油
三酸二碱
苯、甲苯、酚
炼制
1920s~1930s
第一章 主要内容
滁州学院 材料与化学工程学院

化工分离工程

化工分离工程
2.2 相 平 衡 关 系 的 计 算
根据分子间作用力不同,汽相可分为以下三类 (1) 理想气体的混合物 此时，P-V-T关系服从理想气体定律
ˆV p fi i
ˆV 1 fi
（2-24）
pi Pyi
二、汽液平衡的分类与计算
⑴ 汽液平衡的分类
2.2 相 平 衡 关 系 的 计 算
(2) 实际气体的理想溶液（实际气体的理想 混合物）
x g x ( 2 11) gi i i i
二、相平衡常数和分离因子 yi 定义：K i xi
精馏、吸收：称汽液相平衡常数
液液萃取：液液相平衡常数（或分配系数）
Ki xi ij — i对j的相对挥发度 K j yj xj （或分离因子）
yi
三、用 Ki ,ij 表示平衡关系
ˆV f V fi i
ˆ V f V y f V Py fi i i i i
(3) 实际气体
（2-25）
Hale Waihona Puke 二、汽液平衡的分类与计算⑴汽液平衡的分类 与此类似，液相也可分为理想溶液和实际 溶液（与实际气体对应）两类，但不存在理 想气体那样的溶液。 对理想溶液 g i 1 则： ˆ L f 0 x p 0f 0 x （2-26） fi i i i i i 三类不同汽相和两类不同液相可以组合成 以下五类汽-液平衡系统,它们的平衡常数计 算如下：
fiL
fiV
Vi L ( P pi0 ) g i pi0fi0 化简得： K i exp V fi P RT
即
Ki g i fi
L
f (T , P , xi )
V i
二、汽液平衡的分类与计算

分离工程绪论

分离工程绪论
31
1.2.2 速率分离过程
(1) 定义
是在某种推动力（浓度差，压力差，温度差，电位差
等）的作用下，有时在选择性透过膜的作用下，利用各
组分扩散速率的差异实现组分的分离。
(2) 特征
这类过程所处理的原料和产品通常属于同一形态，仅有组 成上的差异。
(3) 典型分离单元操作
膜分离-①超滤 ②反渗透 ③渗析 ④电渗析 ⑤气体渗透分离 ⑥液膜分离 热扩散 32
（4） 萃取 精馏
气体和液 体
溶剂改变 原溶液组 分的相对 挥发度
以苯酚作溶 剂由沸点相 近的非芳烃 中分离甲苯
27
1.2.1 平衡分离过程
（8）共沸精馏
名称
简图
原料 相态
分离媒介
产生相态或 MSA的相态
分离原理
工业应用实例
（ 8） 共沸精馏
汽、 液或 汽液 混合 物
液体共沸 剂（MSA） 和热量 （ESA）
平衡分离
均相混合物
速率分离
变成两相系统
原料与产品同一相， 仅组成不同 膜分离，超滤，反渗透， 渗析，电渗析,场分离
蒸发、精馏、吸收、萃取、结晶
本课程仅讨论传质分离过程。
21
1.2.1 平衡分离过程
能量媒介( ESA，energy separation agent ) - 热，功； 物质媒介（ MSA, matter separation agent）- 吸收剂，萃取剂。
原料：石脑油
沸程120～230 ℃
加氢重整后得到：轻油 非芳烃
苯 甲苯 二甲苯
高级芳烃 邻二甲苯 沸点℃ 144.411 间二甲苯 139.104
目的产物为 对二甲苯
对二甲苯 138.351

化工分离工程

化工分离工程

教材：面向21世纪课程教材：
刘家祺 分离过程:化学工业出版社, 2002
主要参考书: 陈洪钫,刘家祺化工分离过程:化学工业
出版社, 1995 吴俊生;邓修 等编著，分离工程，华东
化工学院出版社，1992。 郁浩然 主编，化工分离工程，中国石
油出版社，1992。
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第一章 绪 论
实例1：糖的溶解与结晶 糖溶于水 形成均匀溶液混合过程 过程是自发的熵增加 从水中取出糖 对体系做功如蒸馏法 分离过程 过程不能自发进行熵减少
●加氢重整后得到：轻油 非芳烃 苯 甲苯 二甲苯 高级芳烃
目的产物为 对二甲苯
● 特点：
邻二甲苯 间二甲苯 对二甲苯
沸点℃ 熔点℃
144411 ﹣25173
139104 ﹣47872
138351 13263
● 涉及到分离过程：精馏：4 7、8 萃取：5、6 结晶：10
目的产 物
总 结：
● 原料的净化与粗分
实例3：Fe3+和Ti4+的分离实验二
Fe3+ Ti4+ 6mol/L HCl 乙醚
乙醚;Fe3+ 抽掉隔板
6mol/L HCl，Ti4+
结果：乙醚和水为互不相溶的两相 Fe3+与乙醚生成离子缔合物：
C2H5O C2H5 ＋ H+ C2H52OH+ Fe3+ + 4 Cl FeCl4 (C2H5)2OH+ + FeCl4 (C2H5)2OH+[FeCl4]
分离过程
Separation Processes
教师：李保华
本课程的任务和内容
■地位：专业基础课 ■前期课程：

第1章绪论化学分离工程

第1章绪论化学分离工程

x j1 xj2
实际产品组成间关系
实际分离因子 通用分离因子

s ij
1
组分i,j在产品12中的含量相等，无法分离
s ij
1
组分i浓缩于产品1，而组分j浓缩于产品2
s ij
<1
组分i浓缩于产品2，而组分j浓缩于产品1
※任一分离过程的分离程度均可
以分离因子偏离1的程度来判断！ 28
1.2 分离过程的分类与特征
程学科最初的理论基础。
10
化工分离技术发展过程
现代化学工业的兴起促进分离工程的发展
18世纪：以“三酸两碱”为主的无机化学工业成 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兴起。
著名的索尔维制碱法中，使用了高达20余米的纯 碱碳化塔，同时应用了吸收、蒸馏、过滤、干燥 等分离操作。
安全也对分离过程有所要求。
分离过程已成为处理“三废”不
致污染环境的最常用的手段之一。
16
1.1.1 分离过程在化工生产中的重要性
Significance of Separation Process in Chemical Industry
一般的化工生产过程：
煤 石油 天然气 生物质
化
工
化学
原
反应
分离过程包含在任何生产过程中，其主要任务：
从原料、产品、副产品中脱除杂质；循环物料的分离；
从废气和废水中脱除污染物。
杂质
副产品
原料 分离操作
反应过程
产品 分离操作
原料循环
废水
洁净空气
分离操作 洁净水
污染物
分离操 分离过程的分类与特征
Classification and Features of Separation Process

化工分离工程

●采用生产装置的闭路循环技术； 闭路循环系统： 将过程所产生的废物最大限度地回收和循环 使用。
原 料 产品
1 废 物
2
1 废 物
2
1
排除 2
1—单元过程；2—处理 电镀污水综合处理闭路循环技术与装置 石煤提钒酸性废水闭路循环处理技术
清洁工艺与化工分离过程密切相关的有：
●处理生产中的副产物和废物，使之减少和消除 对环境的危害； ●研究、开发和采用低物耗、低能耗、高效率的 “三废”治理技术。
清洁工艺综合考虑：
● 合理的原料选择； ● 反应路径的清洁化； ● 物料分离技术的选择；超临界、膜分离 ● 确定合理的流程和工艺参数。 ——废物最小化首先考虑催化剂、反应工 艺和设备。
作业：查询资料，下 次课讨论
清洁工艺与化工分离过程密切相关的有：
●降低原材料和能源的消耗，提高有效利用率、 提高回收利用率、提高循环利用率； ●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；
铜铅分离无毒无污染分离技术： 浮选铜铅锌多金属硫化矿石时，因铜与铅矿物的可浮 性相近，所以无论采用全混合或部分混合浮选流程，通常总 是把铜与铅矿物选为铜铅混合精矿。因此，在多金属硫化矿 浮选中，除了优先浮选外，都有一个铜铅分离问题。这也是 选别这类矿石的关键性问题。 一种零污染金矿石分离技术及装置研制成功
实现分离与再循环系统，使废物最小化方法：
●废物直接再循环
例：废水
●进料提纯
例：氧化反应采用纯氧
●除去分离过程中加入的附加物质
例：共沸剂、萃取剂
●附加分离与再循环系统
例：分离废物中的有效物，循环使用
1.3 传质分离过程的分类和特征
分离过程
一类：机械分离

化工分离工程：第1章 绪论

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。
轻烃类
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
二、分离过程的分类
（一）分离过程的分类 级数： 单级、多级
（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：
A pA / xA B pB / xB
由Dalton分压定律可知：pA+pB=p，而pA=yAp，pB=yBp，
所以：
AB
A B
yA / yB xA / xB
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：
kA yA / xA
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：
ij
xi1 / x j1 xi2 / x j2
此法基于对过程本质的深刻理解，将复杂过程分解 为多个较简单的子过程，再根据研究的目的进行合理简 化，得出物理模型；应用物理基本规律及过程本身的特 征方程对物理模型进行数学描述，得到数学模型，如是 微分方程,，还需建立初始条件和边界条件，对数学模 型进行分析解或数值解，得到设计计算方程。这些方程 中包含有模型参数，需通过简化试验(即不一定是实际 物系、实际操作条件)确定它们。接着，应用计算机进 行复杂过程的综合研究和寻优，得到最优结果。最后， 需进行中间试验检验结果的可靠性。

化工分离工程 第一章绪论 课件

• 测试或检测用超纯标准品； • 混合物组成检测〔如DNA检测〕； •••
第11页，共24页。
按别离的规模分类
分析别离
• 规模小 • 定量分析
制备别离
• 规模小 • 研究用材料
工业别离
• 规模大 • 经济
例: 色谱别离
例: 离心别离
例: 精馏别离
化工厂中别离设备投资约占 总投资的50～90％ ！！！
反响〔催化〕精馏： 反响与精馏结合，提高别离效率；同时，借助精 馏手段，提高反响收率。
第18页，共24页。
膜反响器： 在反响的同时，利用膜的优良别离性能，选择 性的脱除产物，从而移动化学反响平衡，提高 反响的收率、转化率和选择性。
控制释放： 将药物或生物活性物质与膜结构相结合，使其以 一定的速度通过扩散等方式释放到环境中，从而 到达控制药物浓度，延长药效时间，减少服用量 和服用次数。
教材
第4页，共24页。
J D Seeder, E J Henley. Separation Process Principles. 化学工业出版社，2002年8月。
第5页，共24页。
分离过程
第1章 绪论
第2章 传质别离过程的热力学根底
第3章 气液传质别离过程
第4章 液液传质别离过程 第5章 传质别离过程的严格模拟计算
化工分离过程 Chemical Separation Processes
第1页，共24页。
第2页，共24页。
分离过程
Separation Processes
课程简介 先修课程：
物理化学、化工热力学、传递过程、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：
第3页，共24页。

化工分离工程01[1]


精选课件
11
结论：
分离有时是自发过程、混合有时也不能自发进行； 总自由能决定体系是趋向分离、还是趋向混合，即：
G总＝势能项＋熵项＝µi＋RT lnai 均相体系中只存在浓度差 自发混合。 非均相体系中除浓度差外，还存在各种相互作用（势能 ） 各组分趋向于分配在低势能相。（自由能降低）
精选课件
12
1.1分离过程在工业生产中的地位和 作用
精选课件
10
Ti4+留在水相
Ti4+的亲水作用势能驱使Ti4+留在水相； Ti4+的浓度差产生的化学势驱使Ti4+均匀分布在整个空间； Ti4+的亲水作用势能远大于浓度差化学势，所以，Ti4+留在水相
Fe3+进入乙醚相
Fe3+的浓度差产生的化学势驱使Fe3+均匀分布在整个空间； [(C2H5)2OH]+[FeCl4]的亲溶剂（疏水）势能驱使Fe3+进入乙醚相 ； 亲溶剂势能远大于浓度差化学势，所以，Fe3+进入乙醚相
精选课件
8
实例3：Fe3+和Ti4+的混合实验（一）
混合均匀
Fe3+ 6mol/L HCl
Ti4+ 6mol/L HCl
抽掉隔板
Fe3+ Ti4+ 6mol/L HCl
Fe3+ Ti4+ 6mol/L HCl
抽调隔板后Fe3+和Ti4+将自发混合均匀，这是因为： 体系中除浓度（活度）差外不存在其他势场。 浓度差对化学势的贡献属熵的贡献， 熵增势能驱使Fe3+和Ti4+在整个体系范围内从有序向无序变化。
萃取：5、6
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原料 气体
分离剂 压力梯度和膜
产品 气体
热扩散 气体或液体 湿度梯度
气体或液体
分离原理
多孔膜中扩散的速 率差异
热扩散速率差异
电渗析 电泳
反渗透 超过滤
液体 液体 液体 液体
ห้องสมุดไป่ตู้
电场和膜 电场
压力梯度和膜 压力梯度和膜
液体 液体 液体+液体 液体+液体
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
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。
（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：
WHY
Why Separate?
WHY
一、分离过程的地位
化工生产
反应（Reactive）
分离
萃取物 （Extractive Natural raw material）
配制（Formulation）
分离 分离
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；
原料 预处理 反应 分离 粗产品 精制 产品
相态： 固—固、固—液、固—气、气—液、 液—液、气—气
有无传质发生： 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
（二）传质分离过程的分类
按物理化学原理的不同，传质分离可分为：
平衡分离过程： 如精馏、吸收、萃取、结晶、吸附等。 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。
分离工程
三废处理
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％。
乙醚
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、 液化石油气、煤油、柴油、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。
轻烃类
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
二、分离过程的分类
（一）分离过程的分类 级数： 单级、多级
化工分离工程
Chemical Separation Engineering
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
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。
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：
刘家祺 主编.分离过程.化学工业出版社,2002.
参考书：
陈洪纺 刘家祺.化工分离过程.化学工业出版社, 1995. 邓修，吴俊生.化工分离工程. 科学出版社，2000.
J D Seeder, E J Henley. Separation Process Principles. 化学工业出版社， 2002.
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：
ij
xi1 / x j1 xi2 / x j2
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;
1.1 概 述
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
速率分离过程： 如微滤、超滤、反渗透、电渗析等。 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。
1）平衡分离过程
过程名称 原 料
蒸发
液体
蒸馏
液体
吸收
气体
萃取
液体
结晶
液体
吸附 气体或液体
干燥
湿物料
浸取
固体
离子交换 液体
分离剂 热 热
不挥发性液体 不互溶液体
主要内容
第1章 绪论 第2章 单级平衡过程 第3章 多组分精馏 第4章 气体吸收 第5章 液液萃取 第6章 多组分精馏的严格计算 第7章 吸附 第8章 结晶 第9章 膜分离 第10章 分离过程设备的选择与放大
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
冷或热 固体吸附剂
热 溶剂 固体树脂
产品 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
分离原理 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 气体扩散