化工分離新技術(shù)本課程的主要目的獲得傳質(zhì)與分離操作過程及設(shè)備的基礎(chǔ)知識、基本理論和基本應(yīng)用能力，掌握傳質(zhì)與分離過程的本質(zhì)及其變化規(guī)律介紹新型分離方法，如膜分離、超臨界萃取、吸附、特殊精餾等，使學生了解分離技術(shù)的發(fā)展及新知識、新工藝、新技術(shù)。突出工程實例介紹，簡化數(shù)學模型推理和設(shè)計計算第一章緒論

1.1化工分離技術(shù)發(fā)展簡述化學工業(yè)是國民經(jīng)濟的重要基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)，化工產(chǎn)品滲透到人們的衣、食、住、行等各個領(lǐng)域。化工產(chǎn)值是衡量一個國家國民經(jīng)濟發(fā)展水平的重要標志之一。化工分離技術(shù)是隨著化學工業(yè)的發(fā)展而逐漸形成和發(fā)展的。化學工業(yè)具有悠久的歷史，而現(xiàn)代化學工業(yè)是開始于18世紀產(chǎn)業(yè)革命以后的歐洲。當時，純堿、硫酸等無機化學工業(yè)成為現(xiàn)代化學工業(yè)的開端。19世紀以煤為基礎(chǔ)原料的有機化工在歐洲也發(fā)展起來。當時的煤化學工業(yè)規(guī)模不是很大，主要著眼于苯、甲苯、酚等各種化學品的開發(fā)。在這些化工生產(chǎn)中應(yīng)用了吸收、蒸餾、過濾、干燥等分離操作。19世紀末，20世紀初大規(guī)模的石油煉制業(yè)促進了化工分離技術(shù)的成熟與完善。進入20世紀70年代以后，化工分離技術(shù)更加高級化，應(yīng)用也更加廣泛。與時同時，化工分離技術(shù)與其它科學技術(shù)相互交叉滲透產(chǎn)生一些更新的邊緣分離技術(shù)，如生物分離技術(shù)、膜分離技術(shù)、環(huán)境化學分離技術(shù)、納米分離技術(shù)、超臨界流體萃取技術(shù)等等。展望21世紀，化工分離技術(shù)將面臨著一系列新的挑戰(zhàn)，其中最主要的是來自能源、原料和環(huán)境保護三大方面。此外，化工分離技術(shù)還將對農(nóng)業(yè)、食品和食品加工、城市交通和建設(shè)以及保健、提高和改善人們的生活水平方面做出貢獻。1.2分離過程在工業(yè)生產(chǎn)中的地位和作用

分離過程是將混合物分成組成相互不相同的兩種或幾種產(chǎn)品的操作。一個典型的化工生產(chǎn)裝置通常是由一個反應(yīng)器（有時多于一個）和具有提純原料、中間產(chǎn)物和產(chǎn)品的多個分離設(shè)備以及機、泵、換熱器等構(gòu)成。分離操作一方面為化學反應(yīng)提供符合質(zhì)量要求的原料，清除對反應(yīng)或催化劑有害的雜質(zhì)，減少副反應(yīng)和提高收率；另一方面對反應(yīng)產(chǎn)物進行分離提純以得到合格的產(chǎn)品，并使未反應(yīng)的反應(yīng)物得以循環(huán)利用。此外，分離操作在環(huán)境保護和充分利用資源方面起著特別重要的作用。因此，分離操作在化工生產(chǎn)中占有十分重要的地位，在提高生產(chǎn)過程的經(jīng)濟效益和產(chǎn)品質(zhì)量中起舉足輕重的作用。對大型的石油工業(yè)和以化學反應(yīng)為中心的石油化工產(chǎn)生過程，分離裝置的費用占總投資的50~90%。無論化學、石油、冶金、食品、輕工、醫(yī)藥、生化和原子能等工業(yè)都廣泛應(yīng)用分離過程。古代煤用于直接燃燒,為飲食和取暖。煉焦工業(yè)的興起,使得煤經(jīng)干餾獲得焦炭和煤氣,煤得到了初步的合理使用。但其副產(chǎn)煤焦油卻長期被看作無用而有毒的廢物。直到近代,發(fā)現(xiàn)煤焦油是含有多種芳香族化合物的復雜混合物(達幾百種物質(zhì)),用分餾的方法可以使苯、酚、萘和更復雜的芳香族化合物分開,才使煤的綜合利用臻于完善。同樣,從原油的直接燃燒到把它分餾為溶劑油、汽油、煤油、柴油和重油(瀝青)等各種組分并加以利用和再加工,直到形成現(xiàn)代龐大的石油煉制和石油化工體系。都是分離過程成功應(yīng)用于化工生產(chǎn)的典型例子。干燥過程的應(yīng)用遍及各行各業(yè)。谷物的含水量從收獲時約30%~35%干燥到13%就可延長儲存期一年。食品含水量低于5%,微生物難以生存,酶難以作用,可長期保持香昧和營養(yǎng)。聚氯乙烯顆粒含水量小于千分之二，可保證聚合加工成型時不出現(xiàn)氣泡和增加塑料制品的強度。此外,建材、木材、布匹、紙張、皮革、藥物、油漆等等無不涉及干燥。據(jù)統(tǒng)計,僅化工產(chǎn)品就有20萬種以上需要干燥作業(yè)。

隨著工業(yè)的現(xiàn)代化,科學研究和生產(chǎn)技術(shù)向著高質(zhì)量、高純度、精密加工、微型化和高技術(shù)密集型發(fā)展,而這些都必須有分離過程的密切配合。就以半導體與電子技術(shù)為例,高質(zhì)量、高純度的材料超純水、半導體鍺和硅,以及載氣氮、氦等,其純度都要在99.99%以上,有的甚至達到99.9999%。這類產(chǎn)品的微型化,使集成電路的線距僅1μm。彩色顯像管裝配封口后,管內(nèi)不得含有微粒,否則在屏幕上會因折射而出現(xiàn)閃爍亮點而導致報廢,于是,無論載氣和裝配車間的空氣都必須經(jīng)潔凈處理到每升氣體中所含大于0.5μm的塵粒少于3.5個。僅潔凈空氣和純水為例,就已包括了沉降、濕法洗凈、過濾、電除塵、絮凝、泡沫分離、電滲析、超濾、反滲透以及離子交換等如此多的分離單元操作。

事實上，在醫(yī)藥、材料、冶金、食品、生化、原子能和環(huán)保等領(lǐng)域也都廣泛地應(yīng)用到分離過程。例如，藥物的精制和提純；從礦產(chǎn)中提取和精選金屬；食品的脫水、除去有毒或有害成分；抗菌素的凈制和病毒的分離；同位素的分離和重水的制備等都離不開分離過程。隨著現(xiàn)代工業(yè)趨向大型化生產(chǎn)，所產(chǎn)生的大量廢氣、廢水、廢渣更需集中排放。對各種形式的流出廢物進行末端治理，使其達到有關(guān)的排放標準，不但涉及物料的綜合利用，而且還關(guān)系到環(huán)境污染和生態(tài)平衡。如原子能廢水中微量同位素物質(zhì)，很多工業(yè)廢氣中的硫化氫、二氧化硫、氧化氮等都需妥善處理。近年來，由于能源緊張，石油提價，對分離過程的能耗要求越來越苛刻，隨之對設(shè)備性能要求也越來越高。分離技術(shù)的應(yīng)用越來越得到人們的高度重視。

需要說明的是，分離技術(shù)不僅僅應(yīng)用于化學工業(yè)。生產(chǎn)實踐證明，將地球上各種各樣的混合物進行分離和提純是促進科技發(fā)展、提高和改善生活水平的一種重要途徑。由于發(fā)明了冶煉術(shù)，把金屬從礦石中分離出來，使人類從石器時代進入了銅器時代，開始向文明社會進步；放射性鈾的同位素分離成功，迎來了原子能時代；將水和空氣中微量雜質(zhì)除去的分離技術(shù)，大幅提高了超大規(guī)模集成電器元件的成品合格率，使它得以商品化生產(chǎn)，同時集成度也大幅提高；深冷分離技術(shù)可從混合氣體中分離出純氧、純氮和純氫，獲得了接近絕對零度的低溫，為科學研究和生產(chǎn)技術(shù)提供了極為廣闊的發(fā)展基礎(chǔ)，為火箭提供了具有極大推動力的高能燃料；從水中去除鹽和有素物質(zhì)的蒸餾、吸附、萃取、膜分離等分離技術(shù)，使人們能從取之不盡的大海中提取淡水，從工、農(nóng)業(yè)污水中回收干凈水和其它有用的東西。當代工業(yè)的三大支柱是材料、能源和信息，這三大產(chǎn)業(yè)的發(fā)展都離不開新的分離技術(shù)。人類生活水平的進一步提高也有賴于新的分離技術(shù)。在21世紀，分離技術(shù)必將日新月異，再創(chuàng)輝煌。1.3分分離過程在在清潔工藝藝中的地位位和作用清潔工藝也也稱少廢無無廢技術(shù)，，它是面向向21世紀紀社會和經(jīng)經(jīng)濟可持續(xù)續(xù)發(fā)展的重重大課題，，也是當今今世界科學學進步的主主要內(nèi)容之之一。清潔潔工藝就是是將生產(chǎn)工工藝和防治治污染有機機地結(jié)合起起來，將污污染物減少少或消滅在在工藝過程程中，從根根本上解決決工業(yè)污染染問題。開開發(fā)和采用用清潔工藝藝，既符合合“預防優(yōu)優(yōu)于治理””的方針，，同時又降降低了原材材料和能源源的消耗，，提高企業(yè)業(yè)的經(jīng)濟效效益，是保保護生態(tài)環(huán)環(huán)境和經(jīng)濟濟建設(shè)協(xié)調(diào)調(diào)發(fā)展的最最佳途徑。。因此清潔潔工藝是一一種節(jié)能、、低耗、高高效、安全全、無污染染的工藝技技術(shù)。就化化學工業(yè)而而言，清潔潔工藝的本本質(zhì)是合理理利用資源源，減少甚甚至消除廢廢料的產(chǎn)生生。化學工工業(yè)是工業(yè)業(yè)污染的大大戶，化工工生產(chǎn)所造造成的污染染來源于：：1、未回收收的原料；；2、未回收收的產(chǎn)品；；3、有用和和無用的副副產(chǎn)品；4、原料中中的雜質(zhì)；；5、工藝的的物料損耗耗。與化工分離離過程密切切相關(guān)的化化工清潔工工藝包括有有：1、降低原原材料和能能源的消耗耗，提高有有效利用率率、回收利利用率和循循環(huán)利用率率；2、開發(fā)和和采用新技技術(shù)、新工工藝，改善善生產(chǎn)操作作條件，以以控制和消消除污染；；3、采用生生產(chǎn)工藝裝裝置的閉路路循環(huán)技術(shù)術(shù)；4、處理生生產(chǎn)中的副副產(chǎn)物和廢廢物，使之之減少或消消除對環(huán)境境的危害；；5、研究、、開發(fā)和采采用低物耗耗、低能耗耗、高效率率的“三廢廢”治理技技術(shù)。因此，清潔潔工藝的開開發(fā)和應(yīng)用用離不開傳傳統(tǒng)分離技技術(shù)的改進進，新分離離技術(shù)的研研究、開發(fā)發(fā)和工業(yè)應(yīng)應(yīng)用，以及及分離過程程之間、反反應(yīng)和分離離過程之間間的集成化化。閉路循環(huán)系系統(tǒng)是清潔潔工藝的重重要方面，，其核心是是將過程所所產(chǎn)生的廢廢物最大限限度地回收收和循環(huán)使使用，減少少生產(chǎn)過程程中排出廢廢物的數(shù)量量。如果工藝中中的分離系系統(tǒng)能夠有有效地進行行分離和再再循環(huán)，那那么該工藝藝產(chǎn)生的廢廢物就最少少。實現(xiàn)分分離與再循循環(huán)系統(tǒng)使使廢物最小小化的方法法有以下幾幾種：1、廢物直直接再循環(huán)環(huán)；2、進料提提純；3、除去分分離過程中中加入的附附加物質(zhì)；；4、附加分分離與再循循環(huán)系統(tǒng)；；清潔工藝除除應(yīng)避免在在工藝過程程中生成污污染物，即即從源頭減減少三廢之之外，生成成廢物的分分離、再循循環(huán)利用和和廢物的后后處理也是是極其重要要的，而這這后一部分分任務(wù)在多多是由化工工分離操作作承擔和完完成的。1.4傳傳質(zhì)分離過過程的分類類和特征分離過程分分為機械分離和傳質(zhì)分離兩大類。機械分離過程的分離離對象是由由兩相以上上所組成的的混合物，，其目的只只是簡單地地將各相加加以分離。。例如：過過濾、沉降降、離心分分離、旋風風分離和靜靜電除塵等等。傳質(zhì)分離過程用于各各種均相混混合物的分分離，基特特點是有質(zhì)質(zhì)量傳遞現(xiàn)現(xiàn)象發(fā)生，，按所依據(jù)據(jù)的物理化化學原理不不同，可分分為兩大類類：平衡分離和和速率分離離。（一）平衡衡分離過程程平衡分離過過程系借助助分離媒介介（如熱能能、溶劑、、吸附劑等等）使均相相混合物系系統(tǒng)變?yōu)閮蓛上嘞到y(tǒng)，，再以混合合物中各組組分在處于于相平衡的的兩相中不不等同的分分配為依據(jù)據(jù)而實現(xiàn)分分離。分離媒介可可以是能量量媒介（ESA）或或物質(zhì)媒介介（MSA），有時時也可以兩兩種同時應(yīng)應(yīng)用。根據(jù)據(jù)兩相狀態(tài)態(tài)不同,平衡分分離過程可可分為如下下幾類。氣液傳質(zhì)過過程:如如吸收、、氣體的增增濕和減濕濕。汽液傳質(zhì)過過程:如如液體的的蒸餾和精精餾。液液傳質(zhì)過過程:如如萃取。。液固傳質(zhì)過過程:如如結(jié)晶、、浸取、吸吸附、離子子交換、色色層分離、參數(shù)泵泵分離等。。氣固傳質(zhì)過過程:如如固體干干燥、吸附附等。（二）速速率分離過過程速率分離過過程是指借借助某種推推動力，如如濃度差、、壓力差、、溫度差、、電位差等等的作用，，某些情況況下在選擇擇性透過膜膜的配合下下，利用各各組分擴散散速度的差差異而實現(xiàn)現(xiàn)混合物的的分離操作作。這類過過程的特點點是所處理理的物料和和產(chǎn)品通常常屬于同一一相態(tài)，僅僅有組成的的差別。速率分離可可分為膜分分離和場分分離兩大類類。1、膜分離離膜分離是利利用液體中中各組分對對膜的滲透