02化學工程與工藝的科學基礎(chǔ)

1、化工導論,第二章 化學工程與工藝的科學基礎(chǔ),主要內(nèi)容,2.1 化學工程的產(chǎn)生和發(fā)展2.2 化工過程、過程單元和單元操作2.3 化學工程的主要內(nèi)容 化工熱力學、傳遞過程、分離工程、化學反應工程、化工過程系統(tǒng)工程、化工技術(shù)經(jīng)濟2.4 化學工程進展的主要特征,2.1 化學工程的產(chǎn)生和發(fā)展,,,,,,,,,,,,,,,,,,,形成階段,發(fā)展階段,拓寬階段,（1）“化學工程”的形成階段,19世紀后半葉，制堿、制

2、酸、化肥和煤化工已發(fā)展到相當規(guī)模，技術(shù)也達到相當?shù)乃健?索爾維法制堿工藝中，碳化塔高20余米，在其中進行化學吸收、結(jié)晶、沉降等操作。規(guī)模工業(yè)階段的化工生產(chǎn)必須重視物質(zhì)的物理變化或化學變化在生產(chǎn)中的實現(xiàn)和應用。,歷史背景,歷史背景,19世紀末20世紀初，大規(guī)模的石油煉制業(yè)的崛起是產(chǎn)生“化學工程”這一新興工程技術(shù)學科的基礎(chǔ)。同煤化工相比較，煉油工業(yè)的化學背景不那么復雜，有可能、也有必要著重進行化學過程的工程問題研究，以適應大規(guī)

3、模生產(chǎn)的需要。英國化學家戴維斯（G.E.Davis，1850-1907）第一個提出“化學工程”的概念。,戴維斯（G.E.Davis),1850年生于英國伊頓，卒于1907年。曾就學于斯勞機械學院和皇家礦業(yè)學校。 在20歲以前就與溫莎煤氣廠的韋德森共同從事由煤氣中提苯的試驗。 1870年，轉(zhuǎn)入曼徹斯特的貝萊漂洗廠任化學師。 1872年，脫離貝萊漂洗廠任坎諾克－蔡斯化工廠廠長。 1880年起在曼徹斯特從事私人咨詢顧問工作，并曾任英

4、國皇家堿業(yè)視察員。1881年，他協(xié)助創(chuàng)立英國化學工業(yè)協(xié)會。1895年，任英國化學工程學會曼徹斯特分會主席。1901年，他把在曼徹斯特工學院講學的內(nèi)容，整理成為第一部化學工程專著《化學工程手冊》。,,化學工程概念的提出,身為堿業(yè)污染檢查員的G.E.戴維斯指出：化學工業(yè)發(fā)展中所面臨的許多問題往往是工程問題。各種化工生產(chǎn)工藝，都是由為數(shù)不多的基本操作如蒸餾、蒸發(fā)、干燥、過濾、吸收和萃取組成，可對它們進行綜合的研究和分析，化學工程將成為

5、繼土木工程、機械工程、電氣工程之后的第四門工程學科。但戴維斯的觀點當時在英國沒有被普遍接受。,化學工程概念的提出,1880年他發(fā)起成立英國化學工程師協(xié)會，未獲成功。盡管如此，戴維斯仍繼續(xù)根據(jù)自己的觀點搜集資料,進行整理分析。1887～1888年,他在曼徹斯特工學院作了12次演講，系統(tǒng)闡述了化學工程的任務、作用和研究對象。這些演講的內(nèi)容后來陸續(xù)發(fā)表在曼徹斯特出版的《化工貿(mào)易雜志》上，并在此基礎(chǔ)上寫成了《化學工程師手冊》，于1901年出版

6、。這是世界上第一本闡述各種化工生產(chǎn)過程共性規(guī)律的著作，出版后很受歡迎。1904年在他的助手N.斯溫丁的協(xié)助下，又出版該書的第二版。,“化學工程”的定義,“化學工程是工程技術(shù)的一個分支，化學工程從事物質(zhì)發(fā)生化學變化或物理變化的加工過程的開發(fā)和利用。通?？蓪⑦@些加工過程分解為一系列物理單元操作和化學單元過程?；瘜W工程師主要從事運用上述單元操作和單元過程進行裝置和工廠的設計、建造和操作。化學、物理和數(shù)學是化學工程的基礎(chǔ)學科，而在化學工程實踐中

7、，經(jīng)濟則占主導地位”戴維斯的貢獻在于，指出各種不同的化工過程的基本規(guī)律是相同的，其科學基礎(chǔ)是化學、物理和數(shù)學。,化學工程的建立,與英國的情況相反，戴維斯的這些活動在美國卻引起了普遍的注意，化學工程這一名詞在美國很快獲得了廣泛應用。1888年，根據(jù)L.M.諾頓教授的提議，麻省理工學院開設了世界上第一個定名為化學工程的四年制學士學位課程，即著名的第十號課程。隨后設置了化學工程專業(yè)。隨后,賓夕法尼亞大學(1892),戴倫大學(1894)

8、、密歇根大學(1898)也相繼開設了類似的課程。這些課程的開設標志著培養(yǎng)化學工程師的最初嘗試。1902年，美國《化學與冶金》工程雜志創(chuàng)刊，不久改名為《化學工程》雜志。1908年6月，美國化學工程學會正式成立。,單元操作概念的提出,美國化學家利特爾（A.D.Little，1863-1935）對化學工程早期發(fā)展也作出了重要貢獻。他曾長期從事化學工業(yè)方面的咨詢工作，1908年參予發(fā)起成立美國化學工程師協(xié)會，并擔任過該會的主席。1908年

9、，根據(jù)他的建議，麻省理工學院建立了應用化學實驗室和化學工程實用學校，讓學生接受各種化工基本操作的實際訓練。1915年，他在給麻省理工學院的一份報告中，提出了單元操作的概念，他指出：任何化工生產(chǎn)過程，無論其規(guī)模大小都可以用一系列稱為單元操作的技術(shù)來解決。,,（2）“化學工程”的發(fā)展階段,20世紀40年代至20世紀60年代左右。由于基本有機合成工業(yè)的發(fā)展，人們將有機化學工藝中的不同過程按照反應類型分為若干“單元過程”，如氧化、還原、加氫

10、、脫氫、磺化、鹵化、硝基化、烷基化、水合、水解等。標志著化學工程研究從物理變化過程（單元操作）向化學變化過程（單元過程）的深入?；崃W、傳遞過程等二級學科逐漸產(chǎn)生。,化工熱力學的誕生,化學工程面臨的許多問題，例如許多化工過程中都會遇到的高溫、高壓下氣體混合物的p-V-T關(guān)系的計算，經(jīng)典熱力學并沒有提供現(xiàn)成的方法。30年代初，麻省理工學院的H.C.韋伯教授等人提出了一種利用氣體臨界性質(zhì)的計算方法。對工程應用，已夠準確。這是化工熱

11、力學最早的研究成果。1939年韋伯寫出了第一本化工熱力學教科書《化學工程師用熱力學》。1944年耶魯大學的B.F.道奇教授寫的第一本取名為《化工熱力學》的著作出版了，于是化學工程的一個新的分支學科──化工熱力學誕生了。,“三傳一反”概念的提出,20世紀20年代以后，石油化工、有機催化、合成樹脂、合成橡膠以及流態(tài)化等化學工藝及技術(shù)相繼出現(xiàn)。20時間40年代第二次世界大戰(zhàn)期間，流化床催化裂化、丁苯橡膠合成及核燃料的分離和濃縮等研究開發(fā)

12、成功。人們通過“單元操作”的表象，發(fā)現(xiàn)所有這些操作都可以歸于流體流動、傳熱和傳質(zhì)三種現(xiàn)象，即“動量傳遞”、“熱量傳遞”和“質(zhì)量傳遞”。化學工程從單元操作研究進入了“三傳”研究階段，形成了“傳遞過程”。1957年在普渡大學召開的美國工程學科的系主任會議上，傳遞過程和力學、熱力學、電磁學等一起被列為基礎(chǔ)工程學科。1960年，威斯康星大學R.B.博德、W.E.斯圖爾德和E.N.萊特富特編寫的《傳遞現(xiàn)象》正式出版。,“三傳一反”概念的提出

13、,1913年哈伯- 博施法合成氨投入生產(chǎn)，極大地促進了催化劑和催化反應的研究。1928年釩催化劑被成功用于SO2的催化氧化。1936年發(fā)明了用硅鋁催化劑進行的粗柴油催化裂化工藝。30年代后期，德國G.達姆科勒和美國E.W.蒂利分別對反應相外傳質(zhì)和傳熱以及反應相內(nèi)傳質(zhì)和傳熱作了系統(tǒng)分析。50年代初，隨著石油化工的興起，在對連續(xù)反應過程的研究中，提出了一系列重要的概念。如返混、停留時間分布、宏觀混合、微觀混合、反應器參數(shù)敏感性、反應

14、器的穩(wěn)定性等。在1957年于阿姆斯特丹舉行的第一屆歐洲化學反應工程討論會上，宣布了化學反應工程（“一反”）學科的誕生。從此，“三傳一反”的內(nèi)涵開始建立和完善起來。,分支學科的綜合和深化,50年代中期，電子計算機開始進入化工領(lǐng)域，對化學工程的發(fā)展起了巨大的推動作用，化工過程數(shù)學模擬迅速發(fā)展。由對一個過程或一臺設備的模擬，很快發(fā)展到對整個工藝流程甚至聯(lián)合企業(yè)的模擬，在50年代后期出現(xiàn)了第一代的化工模擬系統(tǒng)。,分支學科的綜合和深化,20世

15、紀60年代，石油化工轉(zhuǎn)置的高度集中的自動化控制系統(tǒng)和化工模擬系統(tǒng)的推廣與應用，推進了化工系統(tǒng)工程（研究系統(tǒng)的模擬、分析和優(yōu)化）和化工控制工程（研究動態(tài)和反饋）等二級學科的形成。這是化學工程在綜合方面上的深化，標志著化學工程從分析為主向以綜合為主的階段。,（3）“化學工程”的拓寬階段,20世紀70、80年代以來，化學工程迎接能源問題、資源問題和環(huán)境危機的挑戰(zhàn)的同時，與高新技術(shù)緊密結(jié)合?！案咝录夹g(shù)”—包括微電子及計算機技術(shù)、光電信息技術(shù)

16、、生物工程、新材料、新能源、航天技術(shù)及環(huán)境保護技術(shù)等?；瘜W工程與新技術(shù)學科交叉滲透形成新興學科—生物化學工程、生物醫(yī)學工程、微化學工程、材料化學工程等?；瘜W工程與數(shù)學、物理、化學等基礎(chǔ)學科的聯(lián)系更加緊密。,新領(lǐng)域,a.發(fā)展新型材料（光、電器件材料，超導材料，功能高分子材料和陶瓷材料）的合成、制備、超凈化及加工方法和其他相應的化學化工技術(shù)。b.配合生物基因工程與細胞工程的發(fā)展，提供相應的生化反應工程技術(shù)和反應器，開發(fā)分離生物產(chǎn)品的新

17、方法。c.提供新的能源系統(tǒng)，提高能源利用效率，發(fā)展新的工藝方法及相應的材料和設施。d.提供減少大氣污染和水污染的新措施，改善生態(tài)環(huán)境，發(fā)現(xiàn)循環(huán)經(jīng)濟，開發(fā)零排放的化學加工綠色工藝。,2.2 化工過程、過程單元和單元操作,1. 基本概念 化工過程、過程單元、單元過程、單元操作2. 化工過程中的單元操作 流體流動與輸送 沉降與過濾 傳熱與蒸發(fā) 蒸餾 吸收

18、 萃取與浸取,化工過程,過程單元,化工生產(chǎn)從原料開始到制成目的產(chǎn)物，要經(jīng)過一系列物理的和化學的加工處理步驟，這一系列加工處理步驟，總稱為化工過程（Chemical Process）。,組成化工過程的化工機械和設備，像一些容器、儲罐、泵、壓縮機、鼓風機、加熱爐、換熱器、反應器、吸收塔、蒸餾塔等，稱為過程單元（Process Units）。,化工過程、過程單元、單元過程、單元操作,基本概念,基本概念,單元操作,單元過程,生產(chǎn)不同產(chǎn)品的

19、化學反應過程千差萬別，但就反應類型或特性而言，可歸納為若干基本的反應過程，如：氧化、還原、加氫、脫氫、磺化、水解等，這些基本的化學反應過程稱為單元過程（Unit Process）。,在過程單元中進行的物理加工處理“操作”，可分別歸納為流體流動與輸送、攪拌、粉碎、沉降、過濾、傳熱、蒸發(fā)、冷凝、吸收、蒸餾、萃取、干燥、吸附等多種，通稱為單元操作（Unit Operations）。,化工過程中的單元操作,任何化工過程無論規(guī)模大小，都可以分為一

20、系列的單元操作。單元操作是對物理變化或物理加工處理而言的?；瘜W工程師只有將各種不同的化工過程分解為單元操作來進行研究，經(jīng)過單元操作的訓練，才能掌握單元操作的共性本質(zhì)、原理和規(guī)律，才有能力使化工生產(chǎn)過程和設備設計、制造和操作控制更為合理。常用的單元操作有20多種，如流體輸送、攪拌、沉降、過濾、粉碎、顆粒分級、加熱、冷卻、蒸發(fā)、吸收、蒸餾、萃取、干燥、結(jié)晶、吸附、離子交換、膜分離等。,單元操作的作用和分類,化工過程中的單元操作,流體流

21、動與輸送,流體輸送機械： 給流體增加機械能的設備機械能 使液體 p? 轉(zhuǎn)換為其它形式 u2/2 ? 克服磨擦阻力 離心泵 液體→泵 往復泵輸送對象

22、 氣體→壓縮機、鼓風機、 通風機、真空泵,,,,,流體流動與輸送,離心泵,主要構(gòu)件和工作原理,開式葉輪 半開式 閉式 封閉葉輪 泵殼 排出汲入液體，轉(zhuǎn)換能量 (避免阻力損失，導

23、向葉輪） 軸密封：填料密封、機械密封吸入管、排出管、底閥等,,,結(jié)構(gòu)：,離心泵,利用葉輪高速旋轉(zhuǎn)的離心作用，使液體由葉輪中心向外緣并提高壓力和流速，最終以較高的靜壓力沿切向流入排出管道。,離心泵,工作原理：,往復泵,,結(jié)構(gòu)：,泵缸,活塞,活塞桿,吸入閥,排出閥,往復泵,31,工作原理：,活塞左移-工作室增大-壓強降低-出口閥關(guān)、吸入閥開-吸液,活塞右移-工作室減小-壓強升高-出口閥開、吸入閥關(guān)-排液,往復泵通過工作室容積的變化直接以

24、壓強能的形式向液體提供能量。,氣體輸送設備,通風機、鼓風機、壓縮機、真空泵,（1）氣體密度小，可壓縮，輸送機械體積較大。（2）氣體輸送要求提供的壓頭相應也更高。（3）氣體輸送機械結(jié)構(gòu)設計更為復雜。,特點：,類型：,多級低速離心鼓風機,通風機,固體輸送,皮帶運輸機、螺旋加料機、斗式提升機，屬于機械工程問題，在單元操作中討論較少。氣力輸送,皮帶式輸送機,螺旋加料機,斗式提升機,管路和閥門,化工流程中的管路設計，包括官網(wǎng)布局、管路的流

25、速、管路尺寸及材質(zhì)、管路中的閥門管件和輸送機械等。流體輸送的總費用是管路及輸送設備的折舊費用與能耗費用之和。,管路和閥門,管路系統(tǒng)需要設置閥門來調(diào)節(jié)流量或啟閉管路。最常見的閥門有截止閥和閘閥兩種。截止閥（stop valve,Globe Valve）的啟閉件是塞形的閥瓣，密封面呈平面或錐面，閥瓣沿流體的中心線作直線運動。截止閥只適用于全開和全關(guān)，不允許作調(diào)節(jié)和節(jié)流。制造和維修方便，能夠較精確的調(diào)節(jié)流量。,關(guān)閉狀態(tài),開啟狀態(tài),管

26、路和閥門,閘閥（gate valve）的啟閉件是閘板，閘板的運動方向與流體方向相垂直，閘閥只能作全開和全關(guān) 。優(yōu)點是流道通暢，流體阻力小，啟閉扭矩小。缺點是密封面易擦傷，啟閉時間較長，形體和重量較大。在管道上應用廣泛，適于制造成大口徑閥門，但不能作調(diào)節(jié)和節(jié)流。,,沉降與過濾,非均相物系,由具有不同物理性質(zhì)的分散物質(zhì)和連續(xù)介質(zhì)所組成的物系，有多個相界面。,分散相：物系中處于分散狀態(tài)的物質(zhì) 如：催化裂化煙道氣中的cat

27、.顆粒，煉廠污水 中的油滴等。,連續(xù)相：包圍分散物質(zhì)且處于連續(xù)狀態(tài)的物質(zhì)，又稱 為分散介質(zhì)。,,,氣態(tài)非均相物系：含塵氣體，含霧氣體；液態(tài)非均相物系：懸浮液，乳濁液，泡沫液。,分類,沉降與過濾,分離方法：,,沉降：,過濾：,顆粒相對于流體運動：重力沉降、離心沉降；,流體相對于固體顆粒床層運動：重力過濾、加壓過濾、真空過濾、離心過濾等。,沉降、過濾、篩分、離心分離,沉降,懸浮在流體中的固體顆

28、粒借助于外場作用力產(chǎn)生定向運動，從而實現(xiàn)與流體相分離，或者使顆粒相增稠、流體相澄清的一類操作。,分類：按外場力的不同,沉降定義：,,重力沉降：降塵室、沉降槽離心沉降：旋風分離器,降塵室,,作用：分離氣固混合物分離條件：顆粒在設備內(nèi)的停留時間大于顆粒沉降至 設備底部的沉降時間用途：可以分離氣體中粒徑為75μm以上的顆粒,結(jié)構(gòu)：,旋風分離器,用途：適用于含顆粒濃度為0.01～500g/m3、粒度不小于5μm的氣體凈化與顆粒回

29、收操作，尤其是各種氣-固流態(tài)化裝置的尾氣處理。,原理：含塵氣體由圓筒上部的進氣管切向進入，受器壁的約束由上向下作螺旋運動。在慣性離心力作用下，顆粒被拋向器壁，再沿壁面落至錐底的排灰口而與氣流分離。凈化后的氣體在中心軸附近由下而上作螺旋運動，最后由頂部排氣管排出。,B,PV 型粗旋風分離器,PV 型外置旋風分離器,PV 型單級旋風分離器,PV 型一、二級旋風分離器,過濾,濾漿——液固懸浮液，過濾的原料。濾液——過濾后得到的液體產(chǎn)

30、品。濾餅——過濾后得到的固體產(chǎn)品。,利用重力或人為造成的壓差使懸浮液通過多孔性過濾介質(zhì)，將固體顆粒截留，從而實現(xiàn)固-液分離的單元操作。,過濾定義：,過濾設備：,板框壓濾機轉(zhuǎn)筒真空過濾機,,,板框壓濾機,直接給懸浮液加壓使其穿過過濾介質(zhì)來實現(xiàn)過濾的目的，其歷史最久且已有超過100種以上的結(jié)構(gòu)。,結(jié)構(gòu)：,由交替排列的濾板、濾框與夾于板框之間的濾布疊合組裝壓緊而成。,,結(jié)構(gòu)：,操作循環(huán)由裝合、過濾、洗滌、卸餅、清理等5個環(huán)節(jié)組成,板框壓濾

31、機的型式：,嵌入式濾布的濾板,XASL /630-UB系列,XAZ /2000-UB系列,XAZ /800-UB系,轉(zhuǎn)筒真空過濾機,結(jié)構(gòu)與原理：,轉(zhuǎn)筒的多孔表面上覆蓋濾布，內(nèi)部分隔成互不相通的若干扇形過濾室。,傳熱與蒸發(fā),傳熱：,作用：,加熱原料：如原油加熱到360℃左右進入常壓塔； 冷卻產(chǎn)品：如汽、煤、柴油等產(chǎn)品的冷卻； 余熱回收：如煙道氣的余熱回收，廢熱鍋爐的應用等； 設備保溫：,,抑制傳熱,強化傳熱,推動力：,溫度差,傳熱

32、方式：,熱傳導、對流傳熱、輻射傳熱,冷熱流體的接觸方式,1、直接接觸式傳熱 直接接觸式傳熱的特點是冷、熱兩流體在傳熱器中以直接混合的方式進行熱量交換，也稱混合式換熱。 2、蓄熱式換熱 蓄熱式換熱器是由熱容量較大的蓄熱室構(gòu)成。室中充填耐火磚作為填料，當冷、熱流體交替的通過同一室時，就可以通過蓄熱室的填料將熱流體的熱量傳遞給冷流體，達到兩流體換熱的目的。,3、間壁式換熱 間壁式換熱的特點是冷、熱流體被一固體隔開，分別

33、在壁的兩側(cè)流動，不相混合，通過固體壁進行熱量傳遞。傳熱過程可分為三步：,熱流體將熱量傳給固體壁面（對流傳熱）熱量從壁的熱側(cè)傳到冷側(cè)（熱傳導） 熱量從壁的冷側(cè)面?zhèn)鹘o冷流體（對流傳熱）壁的面積稱為傳熱面積，是間壁式換熱器的基本尺寸。,,換熱器,加熱器、冷卻器、冷凝器、再沸器、蒸發(fā)器等,按用途分：,按冷熱流體接觸方式分：,直接混合式蓄熱式間壁式,廣泛使用,分類,,,,管式板式翅片式,,列管式換熱器,,封頭,管束,浮頭,殼

34、體,折流擋板,管箱,管板,管程隔板,特點,結(jié)構(gòu)緊湊，制造比較容易，傳熱面積大，處理能力大，可操作性強，適用于高溫、高壓條件下和大型裝置中。,整體分為兩部分：列管管路為管程，列管外部為殼程。,蒸發(fā),蒸發(fā)定義：,蒸發(fā)在通常意義上是指液體受熱后發(fā)生的表面氣化現(xiàn)象。在化工生產(chǎn)中，專指加熱含不揮發(fā)溶質(zhì)的溶液，令其中溶劑蒸發(fā)，使溶液濃縮得到濃溶液的一種單元操作。,例如，制鹽、制糖、海水蒸發(fā)淡化等。,,蒸餾,利用均相液體混合物中各組分飽和蒸汽壓（或沸

35、點或揮發(fā)性）的差異而使各組分得以分離。,原料的初步分離、產(chǎn)品的最后提純、中間產(chǎn)物的提取； 常溫下汽、液混合物的分離； 溶劑的回收,蒸餾的依據(jù)：,重要性：,蒸餾過程的分類：,按操作流程分,間歇蒸餾、連續(xù)蒸餾,按蒸餾方法分,簡單蒸餾、平衡蒸餾、精餾、特殊精餾,按操作壓力分,常壓蒸餾、減壓蒸餾、加壓蒸餾,按組分數(shù)分,二元蒸餾、多元蒸餾、復雜蒸餾,,混合物中各組份揮發(fā)性相差不大，要求將各組份完全分開，產(chǎn)品純度要求高。,間歇操作，需要分段收集

36、不同濃度的餾出液，不能獲得高純度的產(chǎn)品。當各組份的揮發(fā)性相差較大且對組分分離程度要求不高時使用。,簡單蒸餾,應用：,應用于實驗室，測定油品中各沸點范圍內(nèi)餾分的含量─恩氏蒸餾；,混合液的初步分離或除去混合液中不揮發(fā)的雜質(zhì)，　如土煉油。,,,,,,,,,,,,,,,,,y,原料液,x,蒸氣,,冷凝器,微分蒸餾、漸次汽化、漸次冷凝,精餾操作,原理：,相當于把許多個冷凝器和汽化器疊加起來，混合液通過多次部分氣化、部分冷凝得到分離，獲取高純度產(chǎn)

37、品。,操作流程：,包括精餾塔。再沸器（或稱蒸餾釜）和冷凝器。,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,料液, xF Feed,塔頂產(chǎn)品, xDOverhead product,,塔底產(chǎn)品, xWBottoms product,液相回流Liquid reflux,汽相回流Vapor reflux,精餾段Rectifying section,提餾段Stripping section,再沸器Reboiler,冷凝器conde

38、nser,,逐級接觸交叉流。有分為浮閥塔、泡罩塔、篩板塔等,塔設備的分類,十字架型浮閥,泡罩,F1型浮閥,船型浮閥,,篩孔板,普通型JCV浮閥,泡罩 浮閥 篩孔板,拉西環(huán)1914,鮑爾環(huán) 1948,柵板填料,規(guī)整填料 塑料絲網(wǎng)波紋填料,,階梯環(huán),金屬環(huán)矩鞍,Gempak填料,填料,具有恒沸點或 ? 接近1的物系，受相平衡的限制或經(jīng)濟合理性的制約，不能或不宜采用普通精餾方法進行分離。 解決方法一：采用特殊精餾。向精餾

39、系統(tǒng)添加第三組分，通過它對原溶液中各組分間的不同作用，提高原溶各組分間的?，使原來難以用精餾分離的物系變得易于分離。包括恒沸精餾、萃取精餾、加鹽精餾和反應精餾等。 解決方法二：采用萃取、吸附以及膜分離等其它分離方法。液,,其他蒸餾方式,吸收,吸收定義：利用混合氣體中各組分在液體中溶解度差異，使某些易溶組分進入液相形成溶液，不溶或難溶組分仍留在氣相，從而實現(xiàn)混合氣體的分離。,吸收過程在石油化工中的應用,（1）氣體混合物的分離

40、 原料氣的預處理，即除去混合氣體中的雜質(zhì)，如合成氨原料氣脫H2S、脫CO2等； 產(chǎn)物分離，物料經(jīng)過化學反應后得到的氣態(tài)混合物，可以用吸收的方法加以分離，如石油餾分裂解生產(chǎn)的乙烯、丙烯等與H2、CO等混合，可用液態(tài)烴吸收產(chǎn)物乙烯、丙烯。,吸收分類,物理吸收化學吸收,,吸收再化工生產(chǎn)中的應用,（2）氣體凈化生產(chǎn)中排出的氣體往往含有污染環(huán)境的物質(zhì)，造成危害。排放這樣的氣體前需要進行凈化，回收有利用價值的物質(zhì)。如回收煙道氣中的SO2及

41、從設備排出的溶劑蒸汽等。,（3）制取溶液用吸收劑吸收氣體中某些組分而獲得產(chǎn)品。如水吸收氯化氫制備鹽酸；硫酸吸收SO3制濃硫酸，水吸收甲醛制福爾馬林液，碳化氨水吸收CO2制碳酸氫氨等。,板式吸收塔,填料吸收塔,,吸收裝置,萃取和浸取,,依據(jù)液體混合物中各組分在所選擇的溶劑中溶解度的差異分離液體混合物的單元操作稱為液-液萃取，也稱溶劑萃取，簡稱萃?。‥xtraction） 。,萃取原理：,應用：,沸點接近或相對揮發(fā)度接近于1的物系分離：環(huán)

42、己烷和苯,恒沸物分離：乙醇和水,熱敏性物質(zhì)的分離：生化制藥，如青霉素的生產(chǎn),石油、生物、醫(yī)藥、精細、冶金及核燃料后處理等,組分濃度低且為難揮發(fā)組分的分離：從稀醋酸水溶液中回收臘,簡單的萃取過程-工藝流程,,,,,,,萃取劑(S),混合槽,沉降分離,脫除溶劑,萃取液E’,萃余液R’,S,萃取相,萃余相,-SE,-SR,,,E,R,原料液F(A+B),萃取原理：,當以液態(tài)溶劑為萃取劑，而被處理的原料為固體時，此操作簡稱浸取（Leachi

43、ng） 。用于溶質(zhì)浸出的液體稱為浸取溶劑，浸取后得到的液體稱浸取液，浸取后的殘留物稱為殘渣。,應用：,礦石浸出、中藥有效成分提取等,萃取和浸取,萃取新技術(shù)：,有機物絡合萃取、外場強化萃取、乳狀液膜萃取、膜萃取、雙水相萃取、超臨界萃取、反膠團萃取等,萃取設備,攪拌槽式的間歇萃取設備離心萃取器混合澄清槽：分級接觸萃取塔：連續(xù)微分接觸,,比較常用,,設備,特點：,以接觸級作為一個單元，每一級都為兩相提供良好的接觸,分級接觸萃取設備,萃取

44、設備,,填料萃取塔,特點,分散相和連續(xù)相逆流流動,2.3 化學工程的主要內(nèi)容,化學工程學科是適用化學加工工業(yè)的需要而產(chǎn)生的，以化學、物理、數(shù)學為基礎(chǔ)并結(jié)合其他技術(shù)來研究化工生產(chǎn)過程共同規(guī)律的工程學科。,（一）化工熱力學,定義：,化工熱力學是研究化工過程中各種狀態(tài)變化、能量轉(zhuǎn)換規(guī)律和能量有效利用的分支學科，指明反應發(fā)生的可能性、方向及其限度。,基本定律：,熱力學第一定律：表述了熱、功和內(nèi)能之間能量守恒關(guān)系。熱力學第二定律：指出了能量轉(zhuǎn)換

45、的方向問題。,化工熱力學的內(nèi)容,（1）狀態(tài)方程式,描述物質(zhì)體系的壓力、體積和溫度關(guān)系的數(shù)學式。 最早的狀態(tài)方程是1662年Boyle氣體定律，發(fā)展到現(xiàn)在，已經(jīng)出現(xiàn)了近千個狀態(tài)方程。 分類：立方型方程、多參數(shù)非立方型方程、普遍化狀態(tài)方程、基于統(tǒng)計力學微擾理論的方程、基團貢獻型狀態(tài)方程等幾類。,化工熱力學的內(nèi)容,,（2）相平衡,代表物質(zhì)體系分離過程可能進行到的程度。 研究的內(nèi)容主要包括相平衡的測量和研究方法，關(guān)聯(lián)和預測活度和逸度的模型

46、和方法等。 局部組成型：Wilson方程、UNIQUAC方程 活度系數(shù)模型： 基團貢獻法方程：UNIFAC法、ASOG法。,,化工熱力學的內(nèi)容,,（3）溶液熱力學,可分為非電解質(zhì)溶液熱力學和電解質(zhì)溶液熱力學。 非電解質(zhì)理論：維里理論、分布函數(shù)理論、微擾理論、對應狀態(tài)原理、格點相互作用模型、Flory溶液理論等。 開始：離子水化理論

47、、締合理論。 電解質(zhì)理論： 后來： Pitzer電解質(zhì)溶液理論、 Friedman電解質(zhì)溶液理論。 發(fā)展趨勢:由簡單到多元混合物，由低濃度轉(zhuǎn)向高濃度，由常溫常壓轉(zhuǎn)向高溫高壓，有經(jīng)驗半經(jīng)驗轉(zhuǎn)向統(tǒng)計力學模型，從活度計算轉(zhuǎn)向熱力學函數(shù)及分布函數(shù)計算，模型參數(shù)有回歸轉(zhuǎn)向推算。,,化工熱力學的內(nèi)容,（4）化學平衡,化學平衡是反應過程的基礎(chǔ)。 重點包括化學反應平衡常數(shù)的測定和計算方法。,（5）化

48、工數(shù)據(jù)與化工數(shù)據(jù)庫,化工數(shù)據(jù)指各種物性數(shù)據(jù)，包括熱物性（粘度、密度、導熱系數(shù)等）和熱力學參數(shù)。 化工數(shù)據(jù)庫是收集各種化工數(shù)據(jù)并加以整理，回歸得各種關(guān)聯(lián)式，并編入數(shù)據(jù)庫。,化工熱力學研究發(fā)展的新領(lǐng)域,,,流體分子熱力學定義：綜合經(jīng)典力學、分子物理學和統(tǒng)計力學方法構(gòu)造數(shù)學模型，關(guān)聯(lián)并預測流體及其混合物的熱力學性質(zhì)。研究內(nèi)容：過量性質(zhì)模型、流體的狀態(tài)方程 分子系統(tǒng)的計算機模擬定義： 從分子的形狀出發(fā)，直接獲取分子系統(tǒng)的微觀和宏觀信息

49、。 分子動力學法—考察系統(tǒng)中分子運動的時間經(jīng)歷，用時間平均 代替綜合平均，計算平衡熱力學性質(zhì)和非平衡傳遞性質(zhì)。方法： Monte-Carlo法—用統(tǒng)計力學系統(tǒng)綜合方法，按一定的概率權(quán) 重產(chǎn)生一系列構(gòu)型，再進行平均，求得微觀結(jié)構(gòu)信息和宏觀熱 力學性質(zhì)。,化工熱力學研究發(fā)展的新領(lǐng)域,臨界區(qū)熱力學研究研究內(nèi)容：研究體系在臨界點及其附近的p-V-T關(guān)系、溶解度等熱力學性質(zhì)以

50、及相應的關(guān)聯(lián)模型。 生物化工熱力學研究內(nèi)容： 測量生物化工體系的p-V-T數(shù)據(jù)、分子量、pH值、離子強度、溶解度、反應熱、平衡常數(shù)等熱力學數(shù)據(jù)和粘度等傳遞參數(shù)，研究這些參數(shù)間的關(guān)系、狀態(tài)方程、相平衡規(guī)律和化學平衡規(guī)律等 。,（二）傳遞過程,定義：傳遞過程是動量傳遞、熱量傳遞和質(zhì)量傳遞過程的總稱。,發(fā)展： 20世紀50年代，人們發(fā)現(xiàn)動量傳遞、熱量傳遞和質(zhì)量傳遞之間有相似性，開始尋求三個過程的內(nèi)在聯(lián)系。 1960年第一次出版的《傳

51、遞現(xiàn)象》，正式把三種傳遞命名為傳遞過程。 隨著數(shù)學模型研究方法的深入，傳遞過程從概念化及定性研究為主上升為理論性和定量化為主。 隨著先進的測試技術(shù)的發(fā)展，傳遞過程從宏觀向微觀發(fā)展，從單組份、單相體系相多組份、多相體系及復雜界面條件下的傳遞過程發(fā)展。,傳遞過程研究內(nèi)容,1.多組分工質(zhì)的相變傳熱、傳質(zhì)研究：主要是對水-汽體系和烴類有機物體系的相變傳熱及傳質(zhì)研究。 2.多相流的機理和流動規(guī)律研究：主要是對氣-液、氣-固、液-液、及氣-液

52、-固多相流的機理和流動規(guī)律研究。包括傳熱設備、攪拌釜式反應設備、板式塔設備內(nèi)的流場分布、氣泡大小及分布，蒸餾塔式傳質(zhì)設備塔板上流體力學特性和適宜操作區(qū)的研究，顆粒學與流態(tài)化研究。 3.設備內(nèi)的傳質(zhì)和多孔介質(zhì)的傳質(zhì)、傳熱研究。 4.非牛頓流體傳遞過程與流變性能：主要研究對象是高分子聚合物、天然再生資源和生物工程產(chǎn)物、原油和水煤漿等的流動與傳輸過程中的流變性問題等。,傳遞過程研究內(nèi)容,5.在“外場”作用下流體的特性及傳遞過程研究：外場包

53、括磁場、電場、振動力場合離心力場等。 6.傳熱規(guī)律的研究及高效傳熱設備的研究：通過比較深入的研究單相流和多相流對傳熱機理的影響，開發(fā)高效的換熱單元及設備，包括用機械或化學方法處理傳熱表面。 7.采用先進的測試手段，與計算機技術(shù)結(jié)合：從微觀的角度研究傳遞過程的機理，得到精確的傳熱、傳質(zhì)模型，為設備的放大提供依據(jù)。,傳遞過程的研究發(fā)展特點,研究體系向縱深發(fā)展：由簡單介質(zhì)（水、空氣）和簡單幾何表面向復制結(jié)構(gòu)系統(tǒng)、復雜物理狀態(tài)和復雜化學狀態(tài)

54、發(fā)展。 研究領(lǐng)域向交叉學科和邊緣學科方向發(fā)展：從傳統(tǒng)的石油化工、冶金化工、食品加工擴散到環(huán)境工程、生物工程、醫(yī)學、材料科學、微電子以及核能利用和宇宙開發(fā)等領(lǐng)域。 研究方法從宏觀向微觀發(fā)展：從流體宏觀現(xiàn)象發(fā)展到對微元體的運動規(guī)律的研究，對過程內(nèi)部的現(xiàn)象進行精密的觀察和研究。技術(shù)：激光、液晶顯示、高速攝影、圖像識別等。,（三）分離工程,地位：在各種化工生產(chǎn)中，一般必須通過分離過程才能獲取產(chǎn)品，而且分離過程是主要的耗能過程。在典型的化

55、工企業(yè)中，分離過程的投資一般占總投資的1/3。煉廠，分離過程的投資占總投資的70%以上。在美國，分離工程總能耗占全國總能耗6%以上。分離過程對各種化學加工工業(yè)的生產(chǎn)時十分重要的，分離過程的強化和分離方法的改進可能給社會帶來巨大的經(jīng)濟效益。,定義：分離過程是將一種或幾種組分的混合物分離成為至少兩種具有不同組成產(chǎn)品的過程。,（三）分離工程,根據(jù)分離組分在原料中濃度大小，分為富集、濃縮、純化、除雜等幾類。,分類：,根據(jù)采用方法的不同，分

56、為物理分離法和化學分離法。,,研究重點,根據(jù)相態(tài)的不同,非均相混合物的分離：沉降、離心、過濾、微濾、超濾等。,均相混合物的分離：蒸餾、吸收、萃取、吸附、離子交換、結(jié)晶、膜分離、電泳等。,,評價指標： 能耗大小、產(chǎn)品回收率和分離精度。,（三）分離工程,蒸餾和吸收,研究重點：,在化學加工工業(yè)中應用最廣泛。研究進展表現(xiàn)為處理量和分離效率大大增加，壓降和能耗顯著降低。,（1）發(fā)展基于新的原理的分離設備：如英國ICI公司研發(fā)

57、在離心力場中進行蒸餾（或吸收）的Higee設備，同樣處理量的Higee設備比相應的填料塔的體積縮小了1000倍。（2）分離過程中的節(jié)能技術(shù)：提高分離因子，在溶液中加入鹽類、螯合劑、萃取劑等。熱泵技術(shù)、蒸餾系統(tǒng)的優(yōu)化和熱集成技術(shù)等，也可大大降低能耗。（3）過程的模擬和優(yōu)化：多多元組分蒸餾和吸收過程用計算機進行模擬優(yōu)化和控制。,蒸發(fā)和干燥,任務：,把溶劑（主要是水）與非揮發(fā)性溶劑和固體分離。,研究重點：,根據(jù)較為完整地建立個各種傳熱理論

58、、傳質(zhì)機理和模型、對電解質(zhì)溶液理論、液體和氣體在多孔性固體中的擴散等進行研究，降低過程能耗和增大分離速率。,設備研究：,蒸發(fā)方面：發(fā)展了多效蒸發(fā)器和多種類型高效蒸發(fā)器。干燥方面：回轉(zhuǎn)爐干燥器、氣流干燥器、流化床干燥器、微波干燥器、紅外線干燥器、分子篩吸附與冷凍干燥等。,結(jié)晶,任務：,從過飽和溶液體系中使溶質(zhì)成晶體析出和通過冷卻從熔融體系中形成結(jié)晶。,研究重點：,基礎(chǔ)理論研究：固液平衡、結(jié)晶動力學、結(jié)晶器內(nèi)的流體力學、在溫度場中多次連續(xù)

59、結(jié)晶純化等。區(qū)域熔融：反復進行局部熔融和結(jié)晶，擴大應用研究。結(jié)晶過程與設備：如對水溶液結(jié)晶過程的冷卻與蒸發(fā)同時進行的設備，對熔融物系的分步結(jié)晶技術(shù)和塔式分步結(jié)晶裝置，多種分離操作同時進行的鹽析結(jié)晶、萃取結(jié)晶、乳化結(jié)晶、結(jié)合結(jié)晶等。,萃取和浸取,研究重點：,新型的綠色萃取劑的研發(fā)：起絡合反應的萃取劑的研發(fā)，助劑及其機理的研究，多元系統(tǒng)熱力學的實驗和理論研究等。加強對液-液界面現(xiàn)象及傳質(zhì)理論和傳質(zhì)動力學的研究：探索界面張力梯度、液滴分

60、散和聚并、促進相轉(zhuǎn)移的化學絡合組分等對傳質(zhì)的影響。發(fā)展新型高效萃取設備：研究設備中的兩相流動特性、軸向返混對傳質(zhì)特性的影響，建立數(shù)學模型，進行優(yōu)化設計、操作和控制。,萃取和浸取,研究重點：,開展新型萃取工藝和萃取方法研究：包括超臨界流體萃取、變溫萃取、雙水相萃取、凝膠萃取、反膠團萃取、乳化液膜及支撐液膜萃取，在外場（電場）作用下的萃取，多個過程結(jié)合的萃?。ㄈ缒ぽ腿　⒎磻腿?、離子交換與萃取等），研究過程有關(guān)的熱力學、動力學、傳質(zhì)機理與

61、模型等。與萃取工程關(guān)系較大的工藝問題：如對貧礦和多金屬共生礦的浸取和萃取的研究，以簡化流程和設備；對萃取分離的預處理和后處理的研究，特別是萃取劑的再生、乳化液膜分離中的破乳操作等。,吸附、離子交換和色譜分離,相同點：,都是根據(jù)相平衡來建立分離理論。都需要用固體或固定相。在分離過程中吸著量會不斷變化，都是在動態(tài)下操作。,發(fā)展：,吸附：出現(xiàn)了變溫吸附、變壓吸附、模擬移動床及參數(shù)泵等方法。色譜操作：發(fā)展了凝膠色譜、離子交換色譜、親和色

62、譜等。,吸附、離子交換和色譜分離,研究重點：,新型固體分離劑的研究和開發(fā)：分子篩、凝膠，或在附體載體上連接對待分離組分有特殊親和作用的基團。研究流體在固定界面上的作用機理以及在表面和多孔固體中的擴散和傳遞現(xiàn)象。多組分吸附熱力學的研究：對多組分吸附平衡，特別是含電解質(zhì)溶液的吸附平衡進行實驗研究及模型化研究。,吸附、離子交換和色譜分離,研究重點：,分離設備的模擬和放大技術(shù)研究：吸附及離子交換等動態(tài)過程，數(shù)學模擬、數(shù)值求解方法及放大技術(shù)在

63、不同深化。新過程、新設備的研究和開發(fā)：極稀溶液中分離或濃縮溶質(zhì)的過程和設備，節(jié)能動態(tài)過程的設備和方法，多個外場（溫度、離心力、磁和電場）作用下的分離過程和設備。,膜分離技術(shù),任務：,通過固體薄膜或液體薄膜來實現(xiàn)混合物的分離。,根據(jù)推動力的分離：,壓力差：微濾、超濾、納濾、反滲透濃度差：氣體分離、滲透氣化電位差：電滲析,,膜分離技術(shù),研究重點：,膜材料研制與膜的制備：利用各種高分子材料、無機材料或金屬材料制備具有超薄皮層、精細控制孔

64、徑尺寸的非對稱膜或復合膜。相轉(zhuǎn)化制膜技術(shù)、超薄復合成膜技術(shù)、核孔膜技術(shù)、多相復合成膜技術(shù)以及相關(guān)成膜機理等，采用接枝、共混、交聯(lián)、涂層等方法把特殊基團或化合物固定在膜表面進行改性等。開發(fā)新的膜過程：滲透蒸發(fā)、膜萃取、親和膜過濾、酶膜過濾、膜催化等，開展新型膜分離與其他分離或反應過程相結(jié)合的集成技術(shù)。膜污染和濃差極化機理及其防止技術(shù)：研究介質(zhì)環(huán)境、膜表面的化學改性及流體流動特性對膜污染和濃差極化的影響，認識污垢的成因以及濃差極化機理。

65、,膜分離技術(shù),研究重點：,膜分離設備的開發(fā)：膜分離設備有平板式、管殼式、螺旋板式及中控纖維式等。繼續(xù)研究開發(fā)新的高效膜分離設備，改進流體的均勻分布、減少壓降、減緩濃差極化效應和污染的影響。膜內(nèi)傳質(zhì)機理研究及膜分離過程的模擬：各種膜過程的推動力各不相同，膜材料和結(jié)構(gòu)的多樣性十分明顯，膜分離對象與膜介質(zhì)的相互作用差別甚大，需要進一步深入研究膜內(nèi)傳質(zhì)機理，提出傳質(zhì)模型，指導設計和應用。,機械分離過程,任務：,將非均相混合物進行分離，包括過濾

66、、沉降、離心沉降等。,研究重點：,新的過濾過程：采用流體與過濾介質(zhì)平行流動的錯流過濾，新助慮劑和過濾介質(zhì)的研發(fā)，深化對過濾機理認識。機械分離預處理技術(shù)：各種絮凝劑和表面活性劑的開發(fā)和作用機理研究。離心分離技術(shù)： 氣-固旋風分離器中流場分布、模型化及放大規(guī)律研究。對液-固體積或具有密度梯度的溶液進行離心分離，研究高速回轉(zhuǎn)機械的動平衡技術(shù)以及設備放大技術(shù)。,多個過程結(jié)合的分離技術(shù),研究重點：,多個分離過程的結(jié)合：如萃取與反萃取相結(jié)合的膜

67、萃取或支撐液膜萃取，膜分離與蒸發(fā)相結(jié)合的滲透汽化，電場作用下進行膜分離的電滲析，結(jié)晶與其他分離過程相結(jié)合的鹽析結(jié)晶、萃取結(jié)晶、乳化結(jié)晶等。分離與反應過程的結(jié)合：適用于可逆反應和產(chǎn)物對反應有抑制作用的生化反應。如反應蒸餾，生化反應與膜分離結(jié)合的膜反應器，反應與萃取結(jié)合的絡合萃取，反應及結(jié)晶結(jié)合的反應結(jié)晶，反應與吸附結(jié)合的絡合吸附和在超臨界萃取條件下的反應等。,強化化學作用對分離過程的影響,研究重點：,新型分離劑的制備和選擇：降低分離能耗

68、，提供分離因子，制備和選擇合適的分離劑，特別是利用鍵能較小的可逆化學絡合作用，以便分離劑的回收。加入促進劑強化相界面的傳質(zhì)速率：促進劑類似于非均相反應中的相轉(zhuǎn)移劑，弄清促進相界面?zhèn)髻|(zhì)速率的促進劑的機理。對于涉及固相的分離，如吸附、色譜分離、膜分離等，設法使具有某些官能團或單克隆抗體結(jié)合在固體表面上，發(fā)展親和吸附、親和色譜、親和過濾等。,動態(tài)分離過程和設備,研究重點：,動態(tài)分離過程相應設備：模擬移動床、參量泵、連續(xù)環(huán)狀色譜等，在動態(tài)最優(yōu)