天津大学化工分离工程完整教案

第一章  绪论一、学习目的与要求通过本章的学习，能对传质分离过程有一个总体了解。二、考核知识点与考核目标（一）、化工分离操作在化工生产中的重要性（一般）识记：化工分离操作在化工生产中的重要性分析。 （二）、分离过程的分类和特征（次重点）识记：分离过程的分类和特征，传质分离过程的分类和特征。§1.1 本课程的内容和任务§课程内容、性质与特点 该课程是化学工程专业所开设的一门专业基础课之一。分离过程是将混合物分成组成互不相同的两种或几种产品的操作，它是一门与实际生产联系极其紧密的课程，是学生在具备了物理化学、化工原理、化工热力学、传递过程原理等技术知识后的一门必修课，它利用这些课程中有关相平衡热力学、动力学机理、传热、传质和动量传递理论来研究化工生产实际中复杂物系的分离和提纯技术。由理想 理想气体 实际气体 理想溶液 实际溶液由简单复杂 二元精馏 多元精馏 单组分吸收多组分吸收§课程设置的目标开设本课程，为了使学生掌握各种常用的分离过程的基本理论、操作特点、简捷和严格计算方法和强化改进操作的途径。对一些新分离技术有一定的了解。1、注重基本概念的理解，为分离工程的选择、特性分析和计算奠定基础；2、分离过程的共性出发，讨论各种分离过程的特征；3、强调工程和工艺相结合的观点，注意设计和分析能力的训练，强调理论联系实际，提高解决问题的能力。§1.1.3与本专业其他课程的关系与该专业课相关的基础课物理化学、传递过程原理、化工原理、化工热力学等与本课程有着相当密切的关系，是本课程的技术基础课，同时本课程又是化工工艺设计与化工过程开发的基础，它与化工反应工程紧密相连，只有这些课学好了才能学好这门课,做好毕业设计。§学习方法及要求1.     理解重要公式的推导过程及推导假设，掌握公式及公式的使用范围；2.     掌握各种分离过程的基本原理、理论、操作特点，简捷法（FUG）和严格计算法及强化改进操作的途径，对设备的特殊要求；3.     该课程应用性、技能性较强，须认真地做习题，加深对所学内容的理解；4.     会用计算中常用到的手册和图表提高使用图表的能力。§ 教材和参考书教材：化工分离过程陈洪钫 刘家祺主编。参考书：化工分离过程刘家祺主编 化工出版社分离工程邓修主编 科学出版社石油化工分离工程张一安 徐心茹主编 华东理工大学出版社。有机化工分离过程，许其佑等编著，华东化工学院出版社。抓住重点，理清思路，善于分析，旨在应用。认真听课，积极思索，必要预习，独立解题。§1.2 分离操作在化工生产中的重要性（作用和地位）§ 分离过程在化工生产中的重要性无论化学、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， 总而言之，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，并展示了分离工程的广阔前景：现代社会离不开分离技术，分离技术发展于现代社会。化工生产中采用分离的目的主要有以下几点：1、 原料预处理；2、 产品的分离提纯；（苯乙烯生产）3、 环保和安全生产的需要；4、 防止催化剂中毒。§ 分离在清洁工艺中的地位和作用降低原材料和能源的消耗，提清洁工艺也称少废无废技术，是面向21世纪社会和经济可持续发展的重大课题，也是当今世界科学技术的重要内容之一。清洁工艺将生产工艺和防治污染有机结合起来，将污染物消灭在生产工艺过程中，从根本上解决工业污染问题。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，清洁工业本质是合理利用资源，减少甚至消灭废料的产生。化工清洁工艺应综合考虑合理地原料选择，反应路径的洁净化，物料分离技术的选择及确定合理的工艺流程和工业参数等。与化工分离密切相关的有：（1）       高有效利用率和循环利用率；（2）       开发和采用新技术、新工艺，改善操作条件，以控制和消除污染；（3）       采用生产工艺装置系统的闭路循环技术；（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）       研究和开发利用低物耗、低能耗、高效率的三废治理技术。闭路循环系统是清洁工艺的重要方面，其核心是将过程产生的废物最大限度地回收和循环使用，减少过程排出废物的量。实现分离与再循环系统使废物最少化的方法：（1）       废物直接再循环，如废水循环使用（丙烯腈、丁醇、丁醛生产）（2）       进料提纯  减少杂质生成副产物，减少排放量；（3）       除去分离过程加入的附加物质（如特殊精馏中的S）；（4）       附加分离与再循环系统§1.3 传质分离过程的分类和特征分离过程 （1）   机械分离 对象为两相或两相以上的混合物，只要用简单的机械方法就可将其分离，两相间不发生物质的传递。如过滤、沉淀等。（2）   传质分离用于各种均相混合物的分离，其特点是有质量传递发生，有相间传质，可以在均相中进行，也可在非均相中进行。传质分离依据物理化学原理的不同，可分为平衡分离和速率分离两大类。§ 平衡分离过程借助分离媒介（如热能、溶剂或吸附剂）使均相混合物系统变成两相系统，再以混合物中各组分在处于平衡两相中的不等同的分配为依据而实现分离。分离媒介 按两相状态的不同，平衡分离过程可分为以下几类：（1）       气液传质过程    如吸收、气体增湿或减湿；（2）       汽液传质过程 如液体精馏；（3）       液液传质过程 如萃取；（4）       液固传质分离 结晶、浸取吸附、离子交换；（5）       气固传质过程 固体干燥、吸附。对于平衡传质分离过程，工程上有两种处理方法：一、    把现状和达到平衡之间的浓度梯度或压力梯度作为过程推动力，而把其他因素都归纳于阻力中。传递速率就成为推动力和阻力之商（传热、流体输送、吸收）二、     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，得平衡级数，并把其他影响因素归纳于效率之中（如精馏）。§ 速率分离过程借助某种推动力（浓度差、温度差、压力差、电位差等），有时在选择性透过膜的配合下，利用各组分扩散速率的差异而实现组分的分离。速率分离过程可分为膜分离和场分离。该类分离传递发生于相内，无须产生新的相，所以往往是低能耗的。世界万物都是由有序自动走向无序，所有纯物质都逐渐变为混合物，而将混合物变为纯物质不能自发进行，只有外加能量方可使之进行。一般分离过程能耗：无相变分离<有相变分离；无外加物质的分离<有外加物质的分离。膜分离：利用流体中各组分对膜渗透速率的差异而实现组分的分离。分离过程发展现状见P10图1-3，图表明分离技术成熟程度和应用成熟程度。上方虽很成熟，改进余地小，但应用广，微小改进可带来巨大效益。§1.4 分离过程的集成化§ 反应过程与分离过程的耦合为改善不利的热力学和动力学因素，减少设备和操作费用，节约资源和能源，分离过程和反应过程多种形式的耦合已开发和应用。如：（1）  化学吸收 是反应和分离过程耦合的单元操作，可提高推动力和液相传质系数；（2）  化学萃取 是伴有化学反应的萃取过程，溶质与萃取剂反应可提高过程推动力和速率；（3）  反应精馏 反应和精馏结合成为一个过程，形成了精馏技术中的一个特殊领域。其一方面成为提高分离效率而将反应和精馏相结合的一种分离操作（利用反应热使液体汽化，改变组分间的），另一方面成为提高反应收率而借助于分离手段的一种反应过程（将产物及时移出提高平衡转化率，并靠物料汽化移走反应热）。若反应A+BC+D ，C的>AB的，D的<AB的，则反应精馏可从精馏塔的两端分别得到C和D（A与B的配比等于化学计量比）。目前，反应精馏已从单纯的工艺开发向过程普遍性规律研究的方向发展。工业广泛应用于酯化、酯交换、皂化、胺化、水解、异构化、硝化反应。（4）膜反应器 将合成膜的优良分离性能与催化反应相结合，在反应的同时选择性地脱除产物，使平衡转化率提高，或控制反应物的加入速度提高Y、X和S。（5）药物的控制释放 控制释放的时间和部位（一天多次改为一天一次或多天一次，减少副作用）。（6）     膜生物传感器§ 分离过程与分离过程的耦合不同分离过程耦合在一起构成复合分离过程，以集中原分离过程之所长，避其所短。适用于特殊物系的分离。如：（1）萃取结晶 是分离沸点相近的混合物的有效方法；（2）吸附蒸馏 在同一设备中进行g-l-s三相的分离过程。§ 过程的集成1.    传统分离过程的集成 共沸精馏往往与萃取集成，共沸精馏与萃取精馏集成。2.    传统分离与膜分离集成3.     膜分离集成 采用多种不同膜组合第二章 单级平衡过程通过本章的学习，使学生正确理解相平衡热力学中的基本概念;掌握平衡常数、泡点、露点和闪蒸过程的计算方法.二、知识考核点与考核目标 (一) 相平衡条件（重点）识记：相平衡条件；汽液、液液平衡表示方法.（二）相平衡常数和分离因子（重点）识记：相平衡常数和分离因子的含义；状态方程法、活度系数法表示的汽液平衡常数。应用：用状态方程法、活度系数法计算汽液平衡常数。（三） 活度系数法计算汽液平衡常数的通式及计算（重点）理解：活度系数法计算汽液平衡常数的四种简化形式。应用：用活度系数法计算汽液平衡常数的前三种简化形式计算汽液平衡常数。（四）、泡点和露点计算类型（重点）识记：泡点和露点的含义及四种计算类型。（五）、泡点温度和压力的计算（重点）应用：用汽液平衡常数前三中简化形式计算泡点温度和泡点压力。（六）露点温度和压力的计算（重点）应用：用汽液平衡常数前三中简化形式计算露点温度和露点压力。（七）闪蒸过程类型 （重点）识记：闪蒸的含义；闪蒸过程的类型及应用。（八）等温闪蒸和部分冷凝过程（重点）识记：核实闪蒸问题是否成立的两种方法。应用：汽液平衡常数与组成无关的闪蒸过程的计算。单级平衡过程是化工传质分离过程中最简单的分离过程，其是使其两相相互接触达到物理平衡，然后将两相分开，若两组分在两相中的分离因子很大，则单级平衡就足以满足预期的分离要求，否则需要多级分离。如对g-l平衡，分离因子为，若物系中     ，则单级平衡分离几乎达到完全分离，   ，则需要几个、几十甚至上百个分离级；若  ，几乎不能用普通精馏法分离。本章仅讨论单级平衡，包括g-l、l-l和g-l-l等分离过程，计算基础是物料平衡和相平衡。当有相变化或混合热很大时，还需考虑能量平衡。相平衡是研究精馏、吸收、萃取等化工中最常见的传质分离过程的基础，可用于阐述混合分离的原理、传质推动力和进行设计计算，是设计和开发单级平衡分离的关键。§2.1 相平衡§.2.1.1相平衡的关系2.1.1.1 相平衡的条件相平衡是指物系中各相保持物理平衡而共存的状态，从热力学上看，逸度是一种虚拟的压力，具有压力的单位。物理平衡时    需与物理量T、P、组成关联方可用于相平衡计算。1.     汽液平衡关系为将之与T、P组成关联引入两辅助函数逸度系数和活度系数。（1）