分离工程.PPT

分离工程与技术分离工程与技术常文贵常文贵材料与化工学院材料与化工学院2012.91课程简介课程简介 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，要求我们通过本课程的学习，要求我们 1）正确理解分离工程的有关基本概念和理论；）正确理解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；）理解各概念之间的联系和应用； 3）掌握分离工程的基本计算方法；）掌握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）能够理论联系实际，灵活分析和解决实际化工生产 和设计中的有关问题。

和设计中的有关问题2先修课程：先修课程：物理化学、化工热力学、化工原理物理化学、化工热力学、化工原理参考书：参考书：叶庆国叶庆国. .分离工程分离工程，化学工业出版社，化学工业出版社,2010,2010邓修，吴俊生邓修，吴俊生. .化工分离工程化工分离工程. . 科学出版社，科学出版社，2000.2000.刘家祺刘家祺 主编主编. .分离过程分离过程. .化学工业出版社化学工业出版社,2002.,2002.陈洪纺陈洪纺 刘家祺刘家祺. .化工分离化工分离过程过程. .化学工业出版社化学工业出版社, 2010., 2010.3主要内容主要内容第第1章章 绪论绪论第第2章章 多组分分离基础多组分分离基础第第3章章 精馏精馏第第4章章 吸收吸收第第5章章 多组分多级分离的严格计算多组分多级分离的严格计算第第6章章 分离过程及设备的效率与节能分离过程及设备的效率与节能第第7章章 其他分离方法其他分离方法4第第1章章 绪论绪论§1.1 分离工程理论的形成和特性分离工程理论的形成和特性§1.2 分离过程的特征与分类分离过程的特征与分类§1.3 分离过程的研究内容分离过程的研究内容 与研究方法与研究方法5什么是分离过程？什么是分离过程？纯组分变成混合物，是纯组分变成混合物，是熵增自发过程熵增自发过程，反之，，反之，混合物变成纯净物则需作功。

混合物变成纯净物则需作功借助一定的分离剂，实现混合物中的组分分借助一定的分离剂，实现混合物中的组分分级、浓缩、富集、纯化、精制与隔离等的过级、浓缩、富集、纯化、精制与隔离等的过程称为程称为分离过程分离过程§1.1 分离工程理论的形成和特性分离工程理论的形成和特性6什么是化工分离工程什么是化工分离工程 ？？p化化工工分分离离工工程程是是化化学学工工程程学学科科的的重重要要组成部分组成部分p化化工工分分离离工工程程是是研研究究化化工工及及其其它它相相关关过过程程中中物物质质的的分分离离和和纯纯化化方方法法的的一一门门技术科学技术科学p许许多多天天然然物物质质都都以以混混合合物物的的形形式式存存在在，，要要从从其其中中获获得得具具有有使使用用价价值值的的一一种种或或几种产品，必须对混合物进行分离几种产品，必须对混合物进行分离p在在许许多多加加工工工工业业中中，，例例如如化化工工、、石石油油化化工工、、炼炼油油、、医医药药、、食食品品、、材材料料、、冶冶金金、、生生化化等等，，必必须须对对中中间间体体和和产产物物进进行行分分离离和和提提纯纯，，才才能能使使加加工工过过程程进进行行下去，并得到符合使用要求的产品。

下去，并得到符合使用要求的产品p分分离离过过程程还还是是环环保保工工程程中中用用于于污污染染物物脱除的一个重要环节脱除的一个重要环节7混合物混合物（气、液、固）（气、液、固）分离过程分离过程产品产品1产品产品2产品产品n能量分离剂能量分离剂 ESA物质分离剂物质分离剂 MSA极限程度＝热力学极限程度＝热力学分离速率＝动力学分离速率＝动力学8化工生产化工生产反应（反应（Reactive））萃取物萃取物（（Extractive Natural raw material）配制（配制（Formulation））分离分离一、分离过程的地位一、分离过程的地位分离分离分离分离9对分离的需求对分离的需求• 工程应用需要纯物质（如半导体材料）；工程应用需要纯物质（如半导体材料）；• 原料提纯；原料提纯；• 材料加工需要纯物质；材料加工需要纯物质； • 有毒有害物质或非活性物质的去除（如药物）；有毒有害物质或非活性物质的去除（如药物）；• 测试或检测用超纯标准品；测试或检测用超纯标准品；• 混合物组成检测（如混合物组成检测（如DNA检测）；检测）； • • • 10分析分离分析分离• 规模小规模小• 定量分析定量分析制备分离制备分离• 规模小规模小• 研究用材料研究用材料工业分离工业分离• 规模大规模大• 经济经济例例: : 色谱分离色谱分离例例: : 离心分离离心分离例例: : 精馏分离精馏分离化工厂中分离设备投化工厂中分离设备投资约占总投资的资约占总投资的50～～90％％ ！！！！！！按分离的规模分类按分离的规模分类11 典型的化工生产装置包括：典型的化工生产装置包括：n 反应器；反应器；n 原料、中间产物和产品的分离设备；原料、中间产物和产品的分离设备；n 泵、换热器。

泵、换热器 原料原料 预处理预处理 反应反应 分离分离 粗产品粗产品 精制精制 产品产品 分离工程分离工程 三废处理三废处理分离贯穿化工过程，占有十分重要的地位分离贯穿化工过程，占有十分重要的地位 分离过程的费用占总投资的分离过程的费用占总投资的50～～90％ 12四种分离过程：气四种分离过程：气- -液分离；精馏；萃取；结晶液分离；精馏；萃取；结晶13p炼油、石油化工炼油、石油化工p医药工业医药工业p冶金工业冶金工业p食品、乳品和饮料工业食品、乳品和饮料工业p材料工业材料工业p生化工业生化工业 p环境保护环境保护p原料净化原料净化p产品提纯产品提纯p有效组分回收有效组分回收p污染物处理污染物处理14二、二、分离工程理论的形成与完善分离工程理论的形成与完善生产实践是分离工程形成与发展的源泉生产实践是分离工程形成与发展的源泉p早早期期的的化化学学工工厂厂是是由由化化学学家家根根据据实实验验室室研研究究结结果果直直接建立的接建立的。

p生生产产实实践践发发现现，，生生产产用用的的大大装装置置中中的的化化学学或或物物理理过过程程与与实实验验室室玻玻璃璃器器皿皿中中的的现象有很大的不同现象有很大的不同p在在不不同同产产品品的的生生产产过过程程中中，，却却有有许许多多过过程程遵遵循循相相似似的的原理p由由此此提提出出的的单单元元操操作作原原理理奠奠定定了了化化学学工工程程学学科科最最初初的理论基础的理论基础即使是在一种产品的生产流程中，即使是在一种产品的生产流程中，也有原理相似的不同操作步骤也有原理相似的不同操作步骤15 早早在在数数千千年年前前，，人人们们已已利利用用各各种种分分离离方方法法制制作作许许多多人人们们生生活活和和社社会会发发展展中中需需要要的的物物质质例例如如，，利利用用日日光光蒸蒸发发海海水水结结晶晶制制盐盐；；农农产产品品的的干干燥燥；；从从矿矿石石中中提提炼炼铜铜、、铁铁、、金金、、银银等等金金属属；；火火药药原原料料硫硫磺磺和和木木炭炭的的制制造造；；从从植植物物中中提提取取药药物物；；酿酿造造葡葡萄萄酒酒时时用用布布袋袋过过滤滤葡萄汁；制造蒸馏酒等等葡萄汁；制造蒸馏酒等等 这这些些早早期期的的人人类类生生产产活活动动都都是是以以分分散散的的手手工工业业方方式式进进行行的的，，主主要要依依靠靠世世代代相相传传的的经经验验和和技技艺艺，，尚未形成科学的体系尚未形成科学的体系。

早期人类生产活动中的分离过程早期人类生产活动中的分离过程16 近近代代化化学学工工业业是是伴伴随随着着十十八八世世纪纪开开始始的的工工业业革革命命而而崛崛起起的的于于十十九九世世纪纪末末开开始始了了大大规规模模的的发发展展当当时时，，三三酸酸二二碱碱和和以以煤煤焦焦油油为为基基础础的的基基本本有有机机化化工工等等都都有有了了一一定定的的规规模模在在生生产产中中，，需需要要将将产产品品或或生生产产过过程程的的中中间间体体从从混混合合物物中中分分离离出出来来，，才才可可供供使使用用例例如如，，当当时时著著名名的的索索尔尔维维制制碱碱法法中中，，使使用用了了高高达达二二十十余余米米的的纯纯碱碱碳碳化化塔塔，，在在其其中中同同时时进进行行化化学学吸吸收收、、结结晶晶、、沉沉降降等等分分离离过程，这是一项了不起的成就过程，这是一项了不起的成就 当当时时，，这这项项成成就就是是由由化化学学家家在在进进行行化化学学工工艺艺过过程程开开发发的的同同时时完完成成的的，，他他们们并并没没有有意意识识到到他他们们同同时时在在履履行行着着化化学学工工程程师师的的职职责责这这时时的的分分离离技技术术是是结结合合在在具具体体的的化化工工生生产产工工艺艺的的开开发发过过程程中中，，单单独独而而分分散散地地发展的。

发展的 近代化学工业的兴起近代化学工业的兴起17 随随着着大大量量的的工工业业实实践践，，人人们们逐逐渐渐认认识识到到，，各各种种化化工工生生产产工工艺艺，，除除了了其其中中的的核核心心即即反反应应过过程程外外，，大大都都是是由由为为数数不不多多的的一一些些基基本本操操作作组组成成的的这这些些基基本本操操作作的的知知识识对对于于化化工工过过程程的的正正确确开开发发和和化化工工流流程程、、装装置置的的正正常常运运行行及及经济性有重要的作用经济性有重要的作用 在在二二十十世世纪纪初初提提出出的的单单元元操操作作的的概概念念指指出出：：任任何何化化工工生生产产过过程程不不论论规规模模如如何何，，皆皆可可分分解解为为一一系系列列名名为为单单元元操操作作的的过过程程，，例例如如粉粉碎碎、、混混合合、、加加热热、、吸吸收收、、冷冷凝凝、、浸浸取取、、沉沉降降、、结结晶晶、、过过滤滤等等单单元元操操作作的的概概念念包包含含了了流流体体动动力力过过程程、、传传热热过过程程、、传传质质分分离离过过程程、、热热力力过过程程、、粉粉体体工工程程等等许许多多化化工工生生产产过过程程中中常常见见的的操操作作和和过过程程，，传传质质分分离过程离过程是其重要组成部分。

是其重要组成部分 化学工程学科的雏形化学工程学科的雏形18单元操作和化学工程理论的形成单元操作和化学工程理论的形成pG.E.戴戴维维斯斯，，《《化化学工程手册》学工程手册》(1901)pC.S.鲁鲁宾宾逊逊，，《《精精馏原理》馏原理》(1922)pW.K.刘刘易易斯斯，，W.H.麦麦克克亚亚当当斯斯，，《《化化工原理》（工原理》（1923））pW.K.刘刘易易斯斯,《《化化工工计算》计算》(1926) pT.K.舍舍伍伍德德,《《吸吸收收与萃取》与萃取》(1937) 单单元元操操作作概概念念的的建建立立对对化化学学工工程程的的发发展展起起了了重重大大的的作作用用它它对对用用于于不不同同的的化化学学工工艺艺中中的的同同样样的的操操作作，，以以单单元元操操作作的的概概念念抽抽象象出出来来，，对对其其共共同同规规律律进进行行研研究究通通过过对对其其基基础础研研究究、、单单元元操操作作所所用用设设备备的的结结构构、、操操作作特特性性、、设设计计计计算算方方法法及及应应用用开开发发等等多多方方面面的的研研究究，，为为分分离离过过程程在在化化工工工工艺艺开开发发、、化化工工过过程程放放大大、、化化工工装装置置设设计计和和在在化化工工生生产产中中的的正正确确应应用用提提供供了了较较为为完完整整的的理理论论体体系系和和经经济济高高效效的的分分离离设设备备，，对对促促进进化化学学工工业业的的发发展展起起到到了了重重要要的的作用。

作用 同同时时，，以以此此为为基基础础发发展展起起来来了了以以因因次次分分析析和和相相似似论论为为基基础础的的实实验验研研究究方方法法和和以以数数学学模模型型方方法法为为基基本本的的理理论论结结合合实实际际的的化化学学工工程程研研究究方方法法，，也也对对化化学学工工程程学学本本身身的的发发展展作作出出了很大的贡献了很大的贡献19 自自二二十十世世纪纪五五十十年年代代以以来来，，通通过过对对化化学学工工程程的的深深入入研研究究，，提提出出了了三三传传一一反反（（动动量量传传递递、、热热量量传传递递、、质质量量传传递递、、化化学学反反应应工工程程））的的概概念念使使分分离离工工程程建建立立在在更更基基本本的的质质量量传传递递的的基基础础上上，，从从界界面面的的分分子子现现象象和和基基本本流流体体力力学学现现象象进进行行分分离离工工程程中中各各单单元元操操作作的的基基础础研研究究，，并并用用定定量量的的数数学学模模型型描描述述分分离离过过程，用于分析已有的分离设备，并用于设计新的过程和设备程，用于分析已有的分离设备，并用于设计新的过程和设备 由由于于计计算算机机技技术术的的飞飞速速发发展展，，使使得得从从较较基基础础的的理理论论角角度度出出发发对对分分离离过过程程和和设设备备进进行行研研究究成成为为可可能能，，减减少少了了误误差差和和失失真真。

对对一一些些复复杂杂的的数数学学模模型型的的开开发发并并用用于于分分离离过过程程的的优优化化，，使化工过程更趋成熟和完善使化工过程更趋成熟和完善 20典型的分离单元操作典型的分离单元操作p蒸馏蒸馏p吸收吸收p吸附吸附p萃取萃取p结晶结晶p干燥干燥p过滤过滤p膜分离（透析、反渗透、电渗膜分离（透析、反渗透、电渗析、超滤、微滤、纳滤、渗透析、超滤、微滤、纳滤、渗透蒸发、气体膜分离等）蒸发、气体膜分离等）p新型吸附技术（模拟移动床吸新型吸附技术（模拟移动床吸附、扩张床吸附、变压吸附）附、扩张床吸附、变压吸附）p层析层析p超临界萃取超临界萃取p分子蒸馏分子蒸馏21分离操作是怎么实现的？分离操作是怎么实现的？p平平衡衡分分离离过过程程：：当当体体系系处处于于平平衡衡时时物物质质在在不不同同相相态态（（气气液液、、气气固固、、液液固固等等））中中浓浓度度不不同同而而实实现现分分离离，，如如蒸蒸馏馏、、吸吸收收、、萃萃取取、、吸吸附附、、结结晶等晶等p速速率率分分离离过过程程：：根根据据物物质质分分子子在在外外力力作作用用下下迁迁移移速速率率不不同同而而实实现现分离，如膜分离、电泳等分离，如膜分离、电泳等p重重力力和和离离心心分分离离：：根根据据物物体体密密度度不不同同而而实实现现分分离离，，如如重重力力沉沉降降、、旋风分离等旋风分离等p机机械械分分离离过过程程：：根根据据物物体体颗颗粒粒大大小小不不同同而而实实现现分分离离，，如如筛筛分分和和过过滤等滤等p其他分离过程其他分离过程22例：蒸馏例：蒸馏p蒸馏是分离液体混合物的主要方法之一。

蒸馏是分离液体混合物的主要方法之一p当对液体混合物加热时，其中沸点较低（或当对液体混合物加热时，其中沸点较低（或挥发度较大）的组分更容易汽化，因此汽相挥发度较大）的组分更容易汽化，因此汽相中低沸点组分含量较高，将其冷凝，就得到中低沸点组分含量较高，将其冷凝，就得到低沸点组分含量较高的液体，从而实现了高低沸点组分含量较高的液体，从而实现了高低沸点组分的部分分离低沸点组分的部分分离p要实现蒸馏分离，必须是部分蒸发，而不能要实现蒸馏分离，必须是部分蒸发，而不能完全蒸干完全蒸干23高效的蒸馏设备：高效的蒸馏设备：带回流的直立多级精馏塔带回流的直立多级精馏塔p简单的一级蒸馏往往只能实现液体简单的一级蒸馏往往只能实现液体混合物的部分分离混合物的部分分离p要提高分离的效果，可以多次重复要提高分离的效果，可以多次重复上述部分蒸发上述部分蒸发-冷凝过程，即采用冷凝过程，即采用多级蒸馏多级蒸馏p实现多级蒸馏的设备就是实现多级蒸馏的设备就是精馏塔精馏塔：：带回流的直立多级蒸馏设备带回流的直立多级蒸馏设备p一般来说，只要有足够的级数，就一般来说，只要有足够的级数，就有可能达到所希望的分离效果有可能达到所希望的分离效果。

24蒸馏技术的应用和发展历史蒸馏技术的应用和发展历史p早早在在二二千千多多年年前前人人们们即即用用蒸蒸馏馏的的方方法法制制酒酒和芳香油和芳香油p十四世纪已有较具规模的酒精生产十四世纪已有较具规模的酒精生产p十八世纪从煤焦油中用蒸馏提取油品十八世纪从煤焦油中用蒸馏提取油品p十九世纪中叶第一个石油炼厂投产十九世纪中叶第一个石油炼厂投产p早早期期的的蒸蒸馏馏设设备备能能耗耗大大、、分分离离效效果果差差，，十十九九世世纪纪中中叶叶，，人人们们设设计计了了直直立立多多级级、、采采用用回回流流技技术术的的精精馏馏塔塔，，被被认认为为是是蒸蒸馏馏技技术术发发展中的重大突破展中的重大突破p精精馏馏采采用用回回流流技技术术，，在在塔塔内内实实现现充充分分的的汽汽、、液液两两相相多多级级逆逆流流接接触触传传质质，，能能实实现现混混合合物物的高纯度分离的高纯度分离25蒸馏技术的应用和发展历史蒸馏技术的应用和发展历史p目目前前，，精精馏馏广广泛泛应应用用于于炼炼油油、、化化工工和和石石油油化化工工、、轻轻工工、、食食品品、、空空气气分分离离等等工工业业中中，，是非常重要的分离技术之一是非常重要的分离技术之一。

p二二十十世世纪纪以以来来，，化化学学工工业业特特别别是是石石油油化化工工的的迅迅速速发发展展，，在在生生产产规规模模和和分分离离难难度度上上对对蒸蒸馏馏提提出出了了更更高高的的要要求求，，各各种种生生产产能能力力大大、、分分离离效效率率高高、、流流动动阻阻力力低低的的新新型型蒸蒸馏馏设设备备不断出现，常用的是各种板式塔和填料塔不断出现，常用的是各种板式塔和填料塔p不不同同的的蒸蒸馏馏方方法法也也得得到到了了迅迅速速的的发发展展，，出出现现了了恒恒沸沸精精馏馏、、萃萃取取精精馏馏、、盐盐精精馏馏、、反反应应精精馏馏、、分分子子蒸蒸馏馏、、水水蒸蒸汽汽蒸蒸馏馏等等各各种种复复杂杂蒸馏方法蒸馏方法 26分离工程的发展促进了化学工业等过程工业的进步分离工程的发展促进了化学工业等过程工业的进步 分分离离过过程程作作为为化化工工生生产产中中的的一一个个不不可可缺缺少少的的环环节节，，在在化化学学工工业业的的发发展展中中起起着着重重要要而而不不可可替替代的作用代的作用 分分离离技技术术的的发发展展和和不不断断取取得得的的技技术术进进步步不不仅仅促促进进了了化化学学工工业业的的发发展展，，也也促促进进了了其其他他相相关关过过程程工工业业的的发发展展，，提提高高了了生生产和技术水平。

产和技术水平 27炼油和石油化工炼油和石油化工 炼炼油油和和石石油油化化工工是是现现代代人人类类工工业业文文明明中中最最重重要要的的基基础础加加工工工工业业之之一一石石油油炼炼制制工工业业通通过过炼炼油油过过程程把把原原油油加加工工为为汽汽油油、、喷喷气气燃燃料料、、煤煤油油、、柴柴油油、、燃燃料料油油、、润润滑滑油油、、石石油油蜡蜡、、石石油油沥沥青青、、石石油油焦焦和和各各种种石石油油化化工工原原料料等等石石油油产产品品的的工工业业为现代人类文明提供了重要的能源和工业原料为现代人类文明提供了重要的能源和工业原料 石石油油化化学学工工业业以以上上述述原原料料生生产产种种类类极极多多、、范范围围极极广广的的各各种种化化学学品品，，例例如如塑塑料料、、合合成成纤纤维维、、合合成成橡橡胶胶、、合合成成洗洗涤涤剂剂、、溶溶剂剂、、涂涂料料、、农农药药、、染染料料、、医医药药和和各各种种中中间间体体等等重重要要产产品品目目前前，，国国际际上上石石油油化化学学工工业业产产品品的的销销售售额额已已占占到到全全部部化化工工产品的产品的45%45% 在在大大型型石石油油化化工工联联合合企企业业中中，，炼炼油油和和石石油油化化工工过过程程是是紧紧密密结结合合在在一一起起的的。

各各种种分分离离操操作作是是其其生生产产过过程程必必不不可可少少的的组成部分组成部分 28 蒸蒸馏馏是是炼炼油油和和石石化化工工业业的的最最主主要要的的基基本本操操作作过过程程之之一一早早期期的的炼炼油油工工业业即即是是简简单单的的利利用用釜釜式式蒸蒸馏馏将将石石油油的的轻轻重重组组分分加加以以分分离离，，以以生生产产汽汽油油、、煤煤油油和和重重质质油油等等产产品品的的过过程程现现在在，，原原油油仍仍借借常常压压蒸蒸馏馏及及减减压压蒸蒸馏馏按按沸沸程程不不同同进进行分离 蒸蒸馏馏技技术术的的发发展展，，例例如如精精馏馏技技术术的的开开发发、、泡泡罩罩塔塔的的应应用用，，提提高高炼炼油油生生产产中中原原油油的的分分离离效效率率，，使使大大规规模模连连续续化化的的分分离离操操作作得得以以实实现现，，明明显显降降低低了了设设备备投投资资、、操操作作能能耗耗和和分分离离成成本本二二十十世世纪纪中中叶叶以以来来各各种种生生产产能能力力大大、、分分离离效效率率高高、、流流动动阻阻力力低低的的新新型型塔塔器器的的出出现现，，进进一一步步促促进进了了炼炼油油工工业业的的技技术术进进步步和和发发展展。

在在炼炼油油和和石石化化等等工工业业的的应用中取得了明显的经济效益，应用中取得了明显的经济效益， 例例如如，，美美国国在在1950～～1970年年之之间间，，通通过过对对蒸蒸馏馏设设备备的的改改进进就就创创造造了了近近二二十十亿亿美美元元的的经经济济效效益益；；在在我我国国，，用用网网板板波波纹纹填填料料对对数数百百座座旧旧式式板板式式塔塔进进行行改改造造，，使使分分离离能能力和通量均增加了力和通量均增加了30～～50% 29 除除此此以以外外，，现现代代炼炼油油和和石石化化工工业业中中还还广广泛泛应应用着其它分离单元操作例如：用着其它分离单元操作例如： 萃萃取取用用于于溶溶剂剂脱脱蜡蜡、、润润滑滑油油精精制制、、溶溶剂剂脱脱沥沥青和芳烃抽提等青和芳烃抽提等 吸吸附附用用于于分分子子筛筛脱脱蜡蜡、、C8芳芳烃烃分分离离、、烯烯烃烃和和烷烃的分离等烷烃的分离等 30冶金和资源工业冶金和资源工业 核核工工业业最最初初是是在在第第二二次次世世界界大大战战期期间间由由于于战战争争的的需需要要而而获获得得超超常常规规的的高高速速发发展展的的。

其其中中，，为为了了提提取取和和纯纯化化铀铀，，对对溶溶剂剂萃萃取技术，主要是萃取剂和萃取设备进行了大量的研究取技术，主要是萃取剂和萃取设备进行了大量的研究 铀铀是是在在工工业业上上第第一一个个使使用用溶溶剂剂萃萃取取法法提提取取和和纯纯化化的的金金属属元元素素在在铀铀的的溶溶剂剂萃萃取取法法提提取取过过程程中中，，使使用用的的萃萃取取剂剂有有磷磷酸酸三三丁丁酯酯（（TBP））、、TBP-D2EHPA(2-乙乙基基己己基基磷磷酸酸)-煤煤油油混混合合溶溶剂剂、、胺胺类类萃萃取取剂剂等等在在萃萃取取设设备备的的研研究究中中，，开开发发了了各各种种萃萃取取设设备备如如各各种种转转动动塔塔、、脉脉动动塔塔、、振振动动塔塔和和混混合合澄澄清清槽槽等等，，为为萃萃取取过过程程的的工工业业实实现现提提供供了了可可靠靠、、经经济济、、高高效效而而生生产产能能力力大大的的分分离离设设备备铀铀、、钍钍、、钚钚等等的的萃萃取取分分离离过过程程和和气气体体扩扩散散法法等等同同位位素素分分离离方方法法的工业实现，为核工业在战后的迅速发展提供了坚实的基础的工业实现，为核工业在战后的迅速发展提供了坚实的基础。

由由此此而而发发展展起起来来的的湿湿法法冶冶炼炼技技术术后后来来成成为为有有色色金金属属和和无无机机矿产的生产的重要方法之一矿产的生产的重要方法之一31 由由于于矿矿物物资资源源的的贫贫化化，，湿湿法法冶冶炼炼，，即即利利用用酸酸、、碱碱等等水水溶溶液液浸浸取取矿矿物物，，然然后后其其中中的的有有用用组组分分进进行行分分离离或或净净化化，，受受到到了了越来越多的重视，其中常用萃取进行分离和提纯越来越多的重视，其中常用萃取进行分离和提纯 用用溶溶剂剂萃萃取取从从铜铜矿矿浸浸取取液液中中提提取取铜铜，，是是在在二二十十世世纪纪七七十十年年代代在在湿湿法法冶冶炼炼中中取取得得的的一一项项重重要要成成就就一一般般认认为为，，只只要要价价格格相相当当或或超超过过铜铜的的有有色色金金属属，，都都有有可可能能用用溶溶剂剂萃萃取取方方法法进进行行提提取取目目前前萃萃取取已已用用于于钴钴、、镍镍、、钨钨、、钼钼、、金金、、稀稀土土等等元元素素的的生产过程生产过程 湿湿法法提提取取过过程程也也用用于于磷磷和和硼硼等等无无机机矿矿产产的的生生产产过过程程例例如如，，磷磷酸酸生生产产通通常常用用热热法法过过程程，，产产品品纯纯度度高高。

但但生生产产中中能能耗耗很很高高，，成成本本高高，，要要求求磷磷矿矿的的品品位位高高磷磷酸酸的的湿湿法法生生产产过过程程可可以以处处理理低低品品位位的的磷磷矿矿，，生生产产成成本本低低，，因因而而得得到到了了日日益益广广泛泛的的重重视视在在湿湿法法磷磷酸酸净净化化的的萃萃取取法法由由于于提提取取成成本本低低，，净净化化程程度度高高，，而而得得到到广广泛泛的的研研究究和和应应用用分分离离技技术术的的发发展展，，使使人人们们可可以以更更有有效效地地利利用用资资源源，，并并生生产产出出品品种种更更多多、、质质量量更更好好、、价价格格更低的产品更低的产品 32湿法冶炼中的矿物浸取和萃取分离过程湿法冶炼中的矿物浸取和萃取分离过程33医药工业医药工业p分离技术在保证药物生产及其质量中起着关键作用分离技术在保证药物生产及其质量中起着关键作用p合合成成药药物物的的生生产产类类似似于于精精细细化化工工产产品品，，但但质质量量和和卫卫生生要要求求更严格，各种分离技术在生产中扮演着重要的角色更严格，各种分离技术在生产中扮演着重要的角色p抗抗生生素素等等发发酵酵类类医医药药产产品品的的生生产产中中，，大大量量应应用用过过滤滤、、萃萃取取、、吸附、膜分离、离子交换、结晶、干燥等分离技术。

吸附、膜分离、离子交换、结晶、干燥等分离技术p在在现现代代基基因因工工程程产产品品的的生生产产过过程程中中，，分分离离成成本本有有时时甚甚至至要要占占到到其其总总生生产产成成本本的的90％％以以上上，，并并为为此此发发展展了了许许多多新新型型的的高精度分离技术高精度分离技术p在在天天然然药药物物（（如如中中药药等等））生生产产现现代代化化过过程程中中，，超超临临界界萃萃取取、、膜膜分分离离、、先先进进的的过过滤滤、、干干燥燥、、结结晶晶等等分分离离技技术术大大有有用用武武之之地34其他工业其他工业p食品、乳品和饮料工业食品、乳品和饮料工业p环境保护环境保护p空气分离空气分离p水处理、海水淡化、纯水制备水处理、海水淡化、纯水制备p材料工业材料工业35二十一世纪的化工分离工程：机遇与挑战二十一世纪的化工分离工程：机遇与挑战 二二十十世世纪纪下下半半叶叶掀掀起起的的新新技技术术革革命命浪浪潮潮在在人人类类文文明明和和社社会会发发展展上上将将具具有有重重大大的的意意义义在在现现代代生生物物技技术术、、环环境境科科学学、、资资源源与与能能源源科科学学、、信信息息技技术术与与材材料料科科学学等等高高新新科科技技的的发发展展对对分分离离工工程程提提出出了了新新的的、、更更高高的的要要求求，，有有许许多多是是传传统统分分离离技技术术所所无无能能为为力力的的，，分分离离工工程程发发展展与与高高新新科科技技的的结结合合是是现现实实的的迫迫切切需需求求，，也也是是分分离离工工程程面面临临的的新新的的机机遇遇和挑战。

和挑战 36现代科学技术的迅速发展向分离工程现代科学技术的迅速发展向分离工程提出了许多新的课题提出了许多新的课题p现现代代生生物物技技术术产产品品的的商商品品化化在在很很大大程程度度上上取取决决于于能能否否将将具具有有生生物物活活性性的的产产品品从从组组成成复复杂杂的的、、具具有有许许多多性性质质相相似似的的杂杂质质的的稀溶液中经济有效地加以分离纯化；稀溶液中经济有效地加以分离纯化；p信信息息工工业业、、生生物物技技术术和和医医药药工工业业、、材材料料工工业业的的飞飞速速发发展展向向分分离工程提出了前所未有的纯度要求和分离精度要求；离工程提出了前所未有的纯度要求和分离精度要求；p由由于于石石油油和和天天然然气气资资源源的的逐逐渐渐枯枯竭竭，，能能源源结结构构在在未未来来几几十十年年内内将将面面临临重重大大的的变变化化新新能能源源的的发发展展要要求求分分离离工工程程提提供供新新的的、、经济有效的大规模分离方法；经济有效的大规模分离方法；p资资源源的的开开发发向向贫贫矿矿的的利利用用转转化化以以及及海海洋洋资资源源的的开开发发利利用用需需要要更经济有效的分离技术；更经济有效的分离技术；p环境保护对分离技术提出了持续的、不断提高的需求；环境保护对分离技术提出了持续的、不断提高的需求；p为为了了节节约约能能源源、、降降低低设设备备投投资资和和分分离离操操作作成成本本，，对对传传统统分分离离过程的改造或以新分离方法取代。

过程的改造或以新分离方法取代37现代生物技术产品的分离和纯化现代生物技术产品的分离和纯化 以以重重组组DNA技技术术为为标标志志的的现现代代生生物物技技术术近近三三十十年年来来取取得得了了迅迅猛猛的的发发展展作作为为当当代代高高科科技技的的核核心心之之一一，，现现代代生生物物技技术术将将改改变变医医学学、、农农业业、、食食品品、、能能源源、、化化学学、、环环境境保保护护等等领领域域的的传传统统面面貌貌，，促促进进人人类类社社会会生生产力和科学技术的巨大进步产力和科学技术的巨大进步 现现代代生生物物技技术术的的迅迅速速发发展展对对其其下下游游过过程程，，即即生生物物技技术术产产品品的的分分离离纯纯化化技技术术提提出出了了迫迫切切的的需需求求通通过过发发酵酵和和动动、、植植物物细细胞胞培培养养等等生生成成的的目目标标产产物物需需通通过过一一系系列列的的分分离离和和纯纯化化等等步步骤骤才才能能获获得得最最终终的的产产品品据据报报道道，，生生物物技技术术产产品品生生产产中中分分离离提提纯纯成成本本一一般般要要占占其其总总成成本本的的40%～～90%可可见见，，分离过程在基因工程产品生产中的重要性。

分离过程在基因工程产品生产中的重要性38以基因工程产品为代表的现代生物技术产品的分离以基因工程产品为代表的现代生物技术产品的分离提纯技术的开发研究是分离技术的前沿研究方向，提纯技术的开发研究是分离技术的前沿研究方向，它有着与传统化工分离技术极为不同的分离对象、它有着与传统化工分离技术极为不同的分离对象、系统和特点系统和特点. .p分离对象是具有特定的生物活性的生物大分子产品，分离对象是具有特定的生物活性的生物大分子产品，分离过程设计中不恰当的物理和化学环境等（如温度、分离过程设计中不恰当的物理和化学环境等（如温度、pHpH值、缓冲液选择、有机溶剂、搅拌和剪切力等）皆值、缓冲液选择、有机溶剂、搅拌和剪切力等）皆有可能引起其蛋白质分子结构发生改变，从而使之失有可能引起其蛋白质分子结构发生改变，从而使之失活；活；p所需要的目标产物往往存在于含有许多性质十分相似所需要的目标产物往往存在于含有许多性质十分相似的杂质的稀溶液中，如何从这样一种复杂的稀溶液中的杂质的稀溶液中，如何从这样一种复杂的稀溶液中经济有效地提取产物是生物分离技术面临的重大课题；经济有效地提取产物是生物分离技术面临的重大课题；39p从卫生和安全角度出发，对于治疗用基因工程产品，从卫生和安全角度出发，对于治疗用基因工程产品，有着极高的纯度和同一性要求，对其中的有害杂质有着极高的纯度和同一性要求，对其中的有害杂质去除率要求极高，对分离设备材质和分离过程中引去除率要求极高，对分离设备材质和分离过程中引入的分离介质也有着严格的限制；入的分离介质也有着严格的限制；p基因工程中所表达的外源蛋白在宿主细胞（如大肠基因工程中所表达的外源蛋白在宿主细胞（如大肠杆菌）中往往以不溶解的无定形蛋白聚合体即包涵杆菌）中往往以不溶解的无定形蛋白聚合体即包涵体的形式存在，如何使之分离纯化并按正确的次序体的形式存在，如何使之分离纯化并按正确的次序和结构复性为具有活性的最终产品是一个全新的分和结构复性为具有活性的最终产品是一个全新的分离技术研究领域。

离技术研究领域 40 通通常常，，生生物物分分离离过过程程包包括括以以下下几几个个处处理理阶阶段段：：（（1））培培养养液液（（或或发发酵酵液液））的的预预处处理理和和固固-液液分分离离；；（（2））产产物物提提取取；；（（3））产产物物纯纯化化（（精精制制））和和（（4））成品加工成品加工 许许多多适适合合于于生生物物技技术术产产品品特特点点的的分分离离技技术术在在近近几几十十年年来来得得到到了了迅迅速速的的发发展展，，例例如如离离子子交交换换层层析析、、凝凝胶胶过过滤滤、、亲亲和和层层析析等等层层析析技技术术；；超超速速离离心心分分离离技技术术；；电电泳泳技技术术、、双双水水相相萃萃取取、、反反胶胶束束萃萃取取等等为为生生物技术产品的生产提供了适用的分离技术物技术产品的生产提供了适用的分离技术41 然然而而，，现现在在的的生生物物分分离离过过程程往往往往相相当当复复杂杂，，步步骤骤很很多多，，造造成成分分离离成成本本高高和和收收率率下下降降因因此此，，基基于于经经济济和和大大规规模模高高效效分分离离为为目目标标的的许许多多新新的的生生物物技技术术产产品品组组合合分分离离技技术术，，例例如如亲亲和和膜膜分分离离、、亲亲和和超超滤滤技技术术、、扩扩张张床床技技术术、、高高效效层层析析技技术术等等，，已已受受到重视，其中有些已成功地用于生产。

到重视，其中有些已成功地用于生产 可可以以预预见见，，随随着着科科学学技技术术的的发发展展，，现现有有的的生生物物分分离离技技术术将将不不断断完完善善，，新新的的生生物物分分离离技技术术还还将将不不断断涌涌现现，，以以适适应应不不断断增增多多的的生生物物技技术术产产品品的的产产业业化的需要化的需要42日益增长的能源需求对分离技术的挑战日益增长的能源需求对分离技术的挑战 目目前前，，现现代代人人类类文文明明的的进进步步和和发发展展是是建建立立在在以以化化石石燃燃料料为为主主的的一一次次性性能能源源的的基基础础结结构构上上的的然然而而，，地地球球上上的的一一次次性性能能源源资资源源都都是是有有限限的的，，由由于于工工业业生生产产和和人人民民生生活活的的需需要要而而进进行行的的大大规规模模开开采采，，已已经经使使部部分分能能源源资资源源日日趋趋枯枯竭竭，，尤尤其其是是既既作作为为能能源源又又作作为为基基本本化化工工原原料料的的石石油油和和天天然然气气资资源源使使能能源源和和资资源源能能持持续续满满足足未未来来发发展展的的需需要要是是科科研研工工作作者者所所面面临临的的紧紧迫迫任任务务。

目目前前来来看看，，这这些些任任务务包包括括，，现现有有资资源源的的充充分分利利用用，，贫贫化化资资源源的的开开采采利利用用；；煤煤、、页页岩岩油油等等资资源源的的清清洁洁、、经经济济和和有有效效的的综综合合利利用用；；新新能能源源的的开开发发，，如如太太阳阳能能、、核核聚聚变变、、生生物物能能源源等等分分离离工工程程的的进进步步将将对对这这些些领领域域研研究究目目标标的的实实现现和和应应用用起起到到至至关关重要的作用重要的作用 43煤等固体矿物能源资源的清洁利用煤等固体矿物能源资源的清洁利用 煤煤和和页页岩岩油油是是除除石石油油以以外外的的储储藏藏量量较较为为丰丰富富的的矿矿物物能能源源和和化化工工原原料料资资源源其其使使用用不不如如石石油油方方便便，，且且对对环环境境污污染染更更严严重重其其有有效效利利用用及及其其向向液液态态燃燃料料转转化化等等方方面面，，分分离离工工程程面面临临着着许许多多新新的的课课题题由由于于资资源源的的分分散散和和含含量量、、组组成成的的复复杂杂和和处处理理过过程程的的环环境境保保护护要要求求，，使使得得对对分分离离过过程程的的开开发发提提出出了了更更高高的的要要求求。

在在用用煤煤合合成成生生产产液液态态燃燃料料的的大大规规模模应应用用中中，，也也面面临临着着许许多多新新的的、、不不同同于于石石油油化化工的分离问题工的分离问题44 现现已已普普遍遍使使用用的的许许多多化化工工分分离离技技术术如如萃萃取取、、吸吸附附、、离离子子交交换换、、膜膜分分离离等等仍仍是是大大有有用用武武之之地地的的对对此此，，一一个个重重要要的的方方向向是是加加强强对对使使用用于于分分离离过过程程的的高高分分离离因因子子、、高高选选择择性性、、高高容容量量、、使使用用寿寿命命长长易易于于再再生生循循环环使使用用的的质质量量分分离离剂剂（（分分离离介介质质））的的研研究究，，热热力力学学和和化化学学在在其其研研究究中中有有重重要要的的作作用用另另外外，，加加强强对对传传质质和和传传递递现现象象、、界界面面现现象象的的研研究究，，自自动动控控制制及及计计算算机机辅辅助助过过程程应应用用于于分分离离工工程程的的研研究究，，对对于于强强化化分分离离过过程程的的分分离离效效果果也也具具有有重重要要的的意义45生物能源的利用生物能源的利用 目目前前使使用用的的化化石石燃燃料料实实际际上上是是亿亿万万年年前前通通过过生生物物转转化化的的太太阳阳能能，，按按目目前前的的消消耗耗量量，，其其储储藏藏终终有有枯枯竭竭之之时时。

从从可可再再生生的的生生物物资资源源中中获获得得液液体体燃燃料料将将是是今今后后能能源源结结构构中中的的重重要要组组成成部部分分甘甘蔗蔗等等富富含含糖糖份份和和淀淀粉粉的的植植物物是是将将太太阳阳能能转转化化为为化化学学能能的的理理想想植植物物实实际际上上，，通通过过甘甘蔗蔗制制糖糖、、发发酵酵生生产产的的乙乙醇醇，，在在一一些些国国家家已已作作为为汽汽油油的的代代用用品品用用于于汽汽车车燃燃料料然然而而要要使使这这种种燃燃料料真真正正具具有有经经济济上上的的竞竞争争力力，，必必须须要要解解决决从从发发酵酵产产生生的的乙乙醇醇稀稀溶溶液液中中经经济济而而低低能能耗耗的的提提取取乙乙醇醇的的分分离离技技术术，，以以降降低低生生产产成成本本和和提提高高净净能能量量产产出出率率虽虽然然对对此此的的持持续续研研究究不不断断地地取取得得进进步步，，但但仍有待于更大的突破仍有待于更大的突破 46可控核聚变能源的开发应用可控核聚变能源的开发应用 核核聚聚变变有有可可能能成成为为二二十十一一世世纪纪的的主主要要能能源源之之一一可可控控核核聚聚变变将将使使轻轻核核元元素素聚聚变变成成较较重重元元素素过过程程中中释释放放出出的的巨巨大大能能量量可可以以利利用用。

主主要要的的核核聚聚变变燃燃料料是是氘氘和和氚氚氚氚由由锂锂和和中中子子反反应应产产生生；；氘氘在在自自然然界界以以重重水水形形式式存存在在，，可可以以从从海海水水中中提提取取得得到到据据估估计计海海水水中中共共约约有有200200万万亿亿吨吨重重水水，，由由此此推推算算每每升升海海水水中中含含有有的的核核聚聚变变能能约约相相当当于于300300升升汽汽油油的的化化学学能能因此可控核聚变如能实现，将成为几乎用之不竭的能源因此可控核聚变如能实现，将成为几乎用之不竭的能源 对对此此，，分分离离工工程程面面临临的的任任务务是是：：如如何何以以巨巨大大的的处处理理量量经经济济地地从从海海水水中中提提取取浓浓度度很很低低的的重重水水，，这这需需要要对对高高效效、、高高通通量、低成本的同位素分离富集方法进行持续的开发研究量、低成本的同位素分离富集方法进行持续的开发研究47环境保护对分离工程提出的挑战环境保护对分离工程提出的挑战 环环境境保保护护是是工工业业化化社社会会中中人人们们面面临临的的严严峻峻问问题题过过去去一一百百年年中中，，随随着着工工业业化化进进程程的的发发展展，，人人类类活活动动对对环环境境的的破破坏坏显显著著加加剧剧，，对对人类生存环境的危害越来越大。

人类生存环境的危害越来越大 对对于于工工业业生生产产中中排排出出的的废废气气、、废废液液、、废废渣渣等等污污染染物物，，常常用用的的处处理理方方法法是是生生物物降降解解、、化化学学降降解解和和污污染染物物的的分分离离脱脱除除分分离离工工程程在在环环境境保保护护中中起起着着重重要要的的作作用用由由于于污污染染物物种种类类繁繁多多、、性性质质复复杂杂，，环环保保分离技术必须针对这些特点进行开发研究分离技术必须针对这些特点进行开发研究 许许多多分分离离单单元元操操作作已已用用于于环环境境保保护护中中，，例例如如吸吸收收用用于于从从工工业业燃燃烧烧废废气气中中脱脱除除二二氧氧化化硫硫；；萃萃取取用用于于从从工工业业废废水水中中脱脱除除酚酚和和其其它它有有害害有有机机物物以以及及重重金金属属离离子子等等；；吸吸附附和和离离子子交交换换用用于于处处理理放放射射性性废废水水；；膜膜分分离离方方法法用用于于处处理理汽汽车车电电泳泳废废水水；；液液膜膜分分离离技技术术用用于于废废水水中中重重金金属离子的富集；等等属离子的富集；等等48 进进一一步步的的开开发发研研究究还还集集中中在在对对排排放放废废物物的的综综合合利利用用上上。

例例如如对对燃燃烧烧化化石石燃燃料料产产生生的的大大量量二二氧氧化化硫硫、、二二氧氧化化碳碳等等废废气气的的脱脱除除、、回回收收和和综综合合利利用用；；其其中中，，自自工工业业革革命命以以来来，，大大气气中中二二氧氧化化碳碳的的含含量量增增加加了了约约30％％，，对对地地球球温温室室效效应应的的加加剧剧产产生生了了重重要要影影响响，，是是主主要要的的环环境境污污染染源源之之一一同同时时，，二二氧氧化化碳碳也也是是十十分分有有用用的的资资源源开开发发其其资资源源化化技技术术，，有有效效降降低低其其排排放放，，是是分分离离工工程程面面临临的的重重大大任任务务目目前前已已有有多多种种二二氧氧化化碳碳的的脱脱除除方方法法，，如如吸吸收收法法、、变变压压吸吸附附法法和和膜膜分分离离法法等等，，用用于于各各种种工工业业过过程程中中但但这这些些方方法法如如直直接接用用于于环环境境治治理理中中大大量量二二氧氧化化碳碳的的脱脱除除，，还还存存在在处处理理量量小小、、成成本本过过高高等等问问题题环环境境治治理理中中脱脱碳碳、、固固碳碳的的问问题题的的解解决决还还有有待待于更经济有效的分离过程的开发于更经济有效的分离过程的开发。

根根除除污污染染物物在在生生产产过过程程中中的的产产生生是是一一种种理理想想的的环环境境保保护护方方法法，，即即所所谓谓的的“零零排排放放”生生产产过过程程或或绿绿色色生生产产工工艺艺要要做做到到这这一一点点需需要要环环保保研研究究者者、、分分离离工工程程研研究究者者和和各各领领域域的的工工艺艺开开发发研研究究者共同合作，进行大量的努力者共同合作，进行大量的努力49一、分离过程的特征一、分离过程的特征§1.2 分离过程的特征与分类分离过程的特征与分类 几种物质混合在一起的过程的自发的，混乱度几种物质混合在一起的过程的自发的，混乱度或熵增加的过程，与之相反的逆过程，即或熵增加的过程，与之相反的逆过程，即分离某分离某种混合物成为不同产品的过程，是个熵减小的过种混合物成为不同产品的过程，是个熵减小的过程，不能自发进行，因此需要外界对系统作功程，不能自发进行，因此需要外界对系统作功（或输入能量）方能进行（或输入能量）方能进行混合物混合物（气、液、固）（气、液、固）分离过程分离过程产品产品1产品产品2产品产品n能量分离剂能量分离剂 ESA物质分离剂物质分离剂 MSA50 分离过程的原料可以是一股或几股物料，分离过程的原料可以是一股或几股物料，至少必至少必须有两股不同组成的产品须有两股不同组成的产品，这是由分离过程的基本，这是由分离过程的基本性质决定的。

分离作用是由于加入分离剂（媒介）性质决定的分离作用是由于加入分离剂（媒介）而引起的，分离剂可以是能量而引起的，分离剂可以是能量(ESA)或物质或物质(MSA)，有时也可两种同时应用有时也可两种同时应用 ESA是指传入系统或传出系统的热，还有输入或输是指传入系统或传出系统的热，还有输入或输出的功，消耗能量驱动泵、压缩机使系统维持流动出的功，消耗能量驱动泵、压缩机使系统维持流动状态等，状态等，MSA如吸收剂、溶剂、表面活性剂、吸附如吸收剂、溶剂、表面活性剂、吸附物质、离子交换树脂、液膜和固膜材料当物质、离子交换树脂、液膜和固膜材料当MSA与与ESA共同使用时，还可有选择性地改变组分的相对共同使用时，还可有选择性地改变组分的相对挥发度，使某些组分彼此达到完全分离，例如萃取挥发度，使某些组分彼此达到完全分离，例如萃取精馏 51二、分离过程的分类二、分离过程的分类（一）分离过程的分类（一）分离过程的分类级数：级数：相态：相态：有无传质发生：有无传质发生：单级、多级单级、多级固固——固、固固、固——液、固液、固——气、气气、气——液、液、液液——液、气液、气——气气机械分离、传质分离机械分离、传质分离对象：非均相混合物对象：非均相混合物特点：用机械法将非均相物系分离，特点：用机械法将非均相物系分离，而相间并无物质传递发生，如过滤、而相间并无物质传递发生，如过滤、沉降、离心分离、旋风分离等。

沉降、离心分离、旋风分离等 对象：对象：均相混合物均相混合物特点：相间有质量传递现象，即特点：相间有质量传递现象，即在分离过程中，原料中的某个在分离过程中，原料中的某个（或某些）组分依赖扩散作用从（或某些）组分依赖扩散作用从原料流向产品流进行分离等原料流向产品流进行分离等52按物理化学原理的不同，传质分离可分为：按物理化学原理的不同，传质分离可分为：（二）传质分离过程的分类（二）传质分离过程的分类平衡分离过程平衡分离过程：：速率分离过程速率分离过程：：借助分离剂使均相混合物变成两相系统，再利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等同分配而实现分离在某种推动力（浓度差、压力差、温度差、电在某种推动力（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位差等）的作用下，利用各组分扩散速率的差异实现分离异实现分离如精馏、吸收、萃取、结晶、吸附等如精馏、吸收、萃取、结晶、吸附等如微滤、超滤、反渗透、电渗析等如微滤、超滤、反渗透、电渗析等531）平衡分离过程）平衡分离过程过程名称过程名称原原 料料分离剂分离剂产产 品品分离原理分离原理蒸发蒸发蒸馏蒸馏吸收吸收萃取萃取结晶结晶吸附吸附干燥干燥浸取浸取离子交换离子交换液体液体液体液体气体气体液体液体液体液体气体或液体气体或液体湿物料湿物料固体固体液体液体热热热热不挥发性液体不挥发性液体不互溶液体不互溶液体冷或热冷或热固体吸附剂固体吸附剂热热溶剂溶剂固体树脂固体树脂液体液体+蒸汽蒸汽液体液体+蒸汽蒸汽液体液体+气体气体液体液体+液体液体液体液体+固体固体固体固体+液体或气体液体或气体固体固体+蒸汽蒸汽固体固体+液体液体液体液体+固体固体蒸汽压不同蒸汽压不同蒸汽压不同蒸汽压不同溶解度不同溶解度不同溶解度不同溶解度不同过饱和过饱和吸附力不同吸附力不同湿组分蒸发湿组分蒸发溶解度不同溶解度不同离子的可交换性离子的可交换性542）速率控制分离过程）速率控制分离过程过程名称过程名称原原 料料分离剂分离剂产产 品品分离原理分离原理气体扩散气体扩散热扩散热扩散电渗析电渗析电泳电泳反渗透反渗透超过滤超过滤气体气体气体或液体气体或液体液体液体液体液体液体液体液体液体压力梯度和膜压力梯度和膜湿度梯度湿度梯度电场和膜电场和膜电场电场压力梯度和膜压力梯度和膜压力梯度和膜压力梯度和膜气体气体气体或液体气体或液体液体液体液体液体液体液体+液体液体液体液体+液体液体 多孔膜中扩散的速多孔膜中扩散的速 率差异率差异 热扩散速率差异热扩散速率差异 膜对不同离子的选择膜对不同离子的选择性渗透性渗透 胶质在电场下的迁胶质在电场下的迁移速率差异移速率差异 溶质溶解度与溶剂溶质溶解度与溶剂在膜中的扩散速率在膜中的扩散速率 分子大小差异分子大小差异55三、三、 分离因子分离因子（（1）分离因子的定义）分离因子的定义 假设要将假设要将i、、j两组分构成的混合物分离成两组分构成的混合物分离成1、、2两种产品，两种产品，两种产品中两组分的含量分别用两种产品中两组分的含量分别用xi1、、xj1、、xi2、、xj2表示。

比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：个组分在两种产品中的分离程度：56p表示任一分离过程所达到的分离程度，因为分表示任一分离过程所达到的分离程度，因为分离装置的目的在于生产不同组成的产品，故以离装置的目的在于生产不同组成的产品，故以实际产品组成之间的关系来定义分离因子实际产品组成之间的关系来定义分离因子 p组分组分i和和j的实际分离因子就是的实际分离因子就是分离产物分离产物1中该两中该两组分的浓度比和分离产物组分的浓度比和分离产物2中相应浓度比之商中相应浓度比之商，，与组分浓度表示方法无关与组分浓度表示方法无关 57p分离因子与分离因子与1的偏离程度表示组分之间分离的难易程的偏离程度表示组分之间分离的难易程度p当当αij＝＝1时时,表示组分表示组分i及及j在两产品中的含量相同在两产品中的含量相同,无法无法实现分离实现分离;当当αij接近接近1时时,两组分在两产品中的含量相两组分在两产品中的含量相近，难以实现分离近，难以实现分离;当当αij远离远离1时时,两组分在两产品中两组分在两产品中的含量差别大的含量差别大,实现分离。

实现分离p ，组分，组分i富集于富集于1相相,而组分而组分j富集于富集于2相；相；p ，组分，组分i富集于富集于2相相,而组分而组分j富集于富集于1相相;p精馏中精馏中,分离因子又称为分离因子又称为相对挥发度相对挥发度,它相对于汽液平它相对于汽液平衡常数而言衡常数而言,对温度和压力的变化不敏感对温度和压力的变化不敏感,可近似看作可近似看作常数常数,使计算简化使计算简化58p分离因子反映了相间传质过程的平衡组成的差别，分离因子反映了相间传质过程的平衡组成的差别，以及分离所依据的基本物理现象所致的传质速率以及分离所依据的基本物理现象所致的传质速率不同，同时还能反映分离装置的结构的流动型式不同，同时还能反映分离装置的结构的流动型式的影响p（（2）固有分离因子（理想分离因子））固有分离因子（理想分离因子）p 根据汽液相平衡组成根据汽液相平衡组成p yi, yj, xi, xj分别为组分分别为组分i和和j的汽、液相平衡组成的汽、液相平衡组成 p 称为固有分离因子也称为称为固有分离因子也称为相对挥发度相对挥发度，它不受，它不受分离设备的影响。

分离设备的影响 59p（（3）） 与与 的关系的关系p根据平衡组成而得的理想根据平衡组成而得的理想 与根据实际产品组成与根据实际产品组成而得的而得的 都可以用来分析分离过程，当用都可以用来分析分离过程，当用 来来分析某一分离过程时，则将实际分离设备所能达分析某一分离过程时，则将实际分离设备所能达到的分离因子与理想分离因子之间的差别用效率到的分离因子与理想分离因子之间的差别用效率来表示，效率来表示，效率= / ，如精馏，理想分离因子，如精馏，理想分离因子就是相平衡常数之比，或相对挥发度，而板效率就是相平衡常数之比，或相对挥发度，而板效率则表达了实际情况与平衡时的差异程度则表达了实际情况与平衡时的差异程度p当分离过程的物理现象复杂，难以确定当分离过程的物理现象复杂，难以确定 ，则，则需由实验数据经验得需由实验数据经验得 作为参考作为参考 =1 ，则不，则不管流动情况如何，管流动情况如何， 必等于必等于1，而，而 在数值上可在数值上可能比能比 更近于更近于1，也可能离，也可能离1更远。

更远 60§1-3 分离过程的研究内容与研究方法分离过程的研究内容与研究方法一、研究内容（一、研究内容（Research Contents）） 分离过程是将一混合物转变为组成互不相分离过程是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同的两种或几种产品的那些操作 分离工程是研究分离过程各种分离设备的分离工程是研究分离过程各种分离设备的共性规律、分离与提纯的科学共性规律、分离与提纯的科学 61 本门课程本门课程---分离工程与技术分离工程与技术 以以传质分离操作传质分离操作作为研究对象，应用物理化学、作为研究对象，应用物理化学、化工热力学、传递原理和化工原理中研究的基本原化工热力学、传递原理和化工原理中研究的基本原理和知识，研究和处理传质分离过程的开发和设计理和知识，研究和处理传质分离过程的开发和设计中遇到的工程问题，包括适宜分离方法的选择，分中遇到的工程问题，包括适宜分离方法的选择，分离流程和操作条件的确定和优化，传质分离设备的离流程和操作条件的确定和优化，传质分离设备的传质特性、选型和强化，传质操作和设备的设计计传质特性、选型和强化，传质操作和设备的设计计算，以及分离操作的实验研究方法等，主要掌握常算，以及分离操作的实验研究方法等，主要掌握常用分离过程用分离过程(精确，特殊精确，吸收精确，特殊精确，吸收)的基本理论、的基本理论、操作特点，简捷和严格的计算方法和强化改进操作操作特点，简捷和严格的计算方法和强化改进操作的途径，对一些新的分离技术有一定的了解。

的途径，对一些新的分离技术有一定的了解62二、开发方法（二、开发方法（Research Methods））p传质分离操作的开发是研究适宜分离方法的工业化途传质分离操作的开发是研究适宜分离方法的工业化途径，以期经济合理地实现规定的分离任务分离过程径，以期经济合理地实现规定的分离任务分离过程开发应达到下列目的：开发应达到下列目的：p①①适宜分离方法、流程和操作条件的选择；适宜分离方法、流程和操作条件的选择；②②分离设分离设备的合理选型；备的合理选型；③③分离设备几何尺寸的确定分离设备几何尺寸的确定p化工新技术开发有三个关键环节：化工新技术开发有三个关键环节：概念形成到课题的概念形成到课题的选定、技术与经济论证选定、技术与经济论证(可行性可行性)和放大技术和放大技术其中，放大技术是研究开发的核心放大技术是研究开发的核心放大技术可以采用数学放大技术可以采用数学模型方法、逐级经验放大、工程理论指导放大和参照模型方法、逐级经验放大、工程理论指导放大和参照类似工业装置放大等方法对于一个缺乏参照系统的类似工业装置放大等方法对于一个缺乏参照系统的新的传质分离操作来说，前两种方法更为常用新的传质分离操作来说，前两种方法更为常用。

631. 化工技术开发化工技术开发 1）开发基础研究）开发基础研究 针对项目的应用性基础研究和工艺特征研究，以实验室研针对项目的应用性基础研究和工艺特征研究，以实验室研究为主 2）过程研究）过程研究 进行工艺、产品、设备等的工程放大试验，包括模型试验、进行工艺、产品、设备等的工程放大试验，包括模型试验、微型中试、中试及工业试验等的全部或部分过程微型中试、中试及工业试验等的全部或部分过程 3）工程研究）工程研究 包括技术经济评价、概念设计、数学模型、放大技术及基包括技术经济评价、概念设计、数学模型、放大技术及基础设计等础设计等642. 放大技术的常用方法放大技术的常用方法 过程放大的方法有过程放大的方法有逐级经验放大法、数学模型法、工程逐级经验放大法、数学模型法、工程理论法理论法和和参照法参照法四种，常用的是前两种四种，常用的是前两种 1）逐级经验放大法）逐级经验放大法 以小试以小试→扩大试验扩大试验→中试中试→工业化试验的程序，通过逐工业化试验的程序，通过逐级试验获取参数来达到目的稳妥，但耗费大级试验获取参数来达到目的稳妥，但耗费大步骤步骤: 进行小试，确定操作条件和设备形式。

确定的依据是最终进行小试，确定操作条件和设备形式确定的依据是最终产品质量、产量和成本，并不考虑过程的机理；小试之后进行规产品质量、产量和成本，并不考虑过程的机理；小试之后进行规模稍大的中试，以确定设备尺寸放大后的影响（放大效应）；然模稍大的中试，以确定设备尺寸放大后的影响（放大效应）；然后才能放大到工业规模的大型装置，在处理物料复杂或对选用的后才能放大到工业规模的大型装置，在处理物料复杂或对选用的分离方法缺少经验时，放大把握不大，则上述每级试验放大倍数分离方法缺少经验时，放大把握不大，则上述每级试验放大倍数就小，往往需多级中间试验，耗资大，开发周期长就小，往往需多级中间试验，耗资大，开发周期长 65p此法基于对过程本质的深刻理解此法基于对过程本质的深刻理解①①将复杂过程分解为多个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的简化，得较简单的子过程，再根据研究的目的进行合理的简化，得出物理模型；出物理模型；②②应用物理基本规律及过程本身的特征方程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，得数学模型；对物理模型进行数学描述，得数学模型；③③对数学模型进对数学模型进行分析解或数值解得到设计计算方法，通过试验确定方程行分析解或数值解得到设计计算方法，通过试验确定方程中的模型参数；中的模型参数；④④应用计算机进行复杂过程的综合研究和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。

可靠性p数学模型法尽管在方法的逻辑上合理数学模型法尽管在方法的逻辑上合理, 从方法论上说也很从方法论上说也很科学科学,与逐级经验放大方法相比与逐级经验放大方法相比, 可以节省试验费用可以节省试验费用, 缩短开缩短开发周期发周期, 结果比较可靠结果比较可靠, 但在化工中的实际应用至今仍然有但在化工中的实际应用至今仍然有限主要原因在于化工过程太复杂限主要原因在于化工过程太复杂, 可靠又合理简化的数可靠又合理简化的数学模型难以建立学模型难以建立2）数学模型法）数学模型法 根据过程的内在规律，建立准确描述过程的数学模型，根据过程的内在规律，建立准确描述过程的数学模型，通过合理的简化后，利用计算机求解得到相关的参数通过合理的简化后，利用计算机求解得到相关的参数663.分离过程开发应达到的目的分离过程开发应达到的目的 1）合适的分离方法和流程）合适的分离方法和流程 通过小试研究来实现分离方法的选择和分离流程的通过小试研究来实现分离方法的选择和分离流程的 确定 2）优化的工艺操作条件）优化的工艺操作条件 在小试数据的基础上，通过中试对工艺参数进行在小试数据的基础上，通过中试对工艺参数进行 优化。

优化 3）合理的设备选型）合理的设备选型 通过中试确定工业化过程的设备形式和几何尺寸通过中试确定工业化过程的设备形式和几何尺寸67三、分离方法的选择三、分离方法的选择p分离的可行性分离的可行性 是否能分离是否能分离p物料的物理化学性质物料的物理化学性质 是否好分离是否好分离p生产的处理规模生产的处理规模 是否分离快是否分离快p投资及运行的经济性投资及运行的经济性 是否成本低是否成本低p安全与环保安全与环保 是否环保是否环保68四、分离过程的集成化四、分离过程的集成化（一）（一）反应过程与分离过程的耦合反应过程与分离过程的耦合（二）（二）分离过程与分离过程的耦合分离过程与分离过程的耦合（三）（三）过程的集成过程的集成69（一）反应过程与分离过程的耦合（一）反应过程与分离过程的耦合化学吸收：化学吸收：通过溶质与溶剂中的活性组分发生反应，提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收率，降低能耗和设备投资。

化学萃取：化学萃取：溶质与萃取剂之间发生化学反应溶质与萃取剂之间发生化学反应反应（催化）精馏：反应（催化）精馏：反应与精馏结合，提高分离效率；同时，借助反应与精馏结合，提高分离效率；同时，借助精馏手段，提高反应收率精馏手段，提高反应收率70膜反应器：膜反应器： 在反应的同时，利用膜的优良分离性能，选择在反应的同时，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、转化率和选择性反应的收率、转化率和选择性控制释放：控制释放：将药物或生物活性物质与膜结构相结合，使其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，以一定的速度通过扩散等方式释放到环境中，从而达到控制药物浓度，延长药效时间，减少从而达到控制药物浓度，延长药效时间，减少服用量和服用次数服用量和服用次数膜生物传感器：膜生物传感器：由酶或微生物与膜及电极转换器组成，具有很由酶或微生物与膜及电极转换器组成，具有很高的识别专一性，可用于检测高的识别专一性，可用于检测71（二）分离过程与分离过程的耦合（二）分离过程与分离过程的耦合萃取结晶（加合结晶）：萃取结晶（加合结晶）：加入有机溶剂使待结晶的无机盐水溶液中的一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。

部分水被萃取出来，促进无机盐的结晶过程吸附蒸馏：吸附蒸馏： 气气- -液液- -固三相分离过程，同时利用吸附选择性固三相分离过程，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、工艺成熟的优点特别适用于共沸物和沸单、工艺成熟的优点特别适用于共沸物和沸点相近物系的分离及需要高纯度产品的情况点相近物系的分离及需要高纯度产品的情况电泳萃取：电泳萃取： 利用电场作用下，带电溶胶粒子（蛋白质）在利用电场作用下，带电溶胶粒子（蛋白质）在萃取剂中泳动速度不同的性质，实现分离萃取剂中泳动速度不同的性质，实现分离72（三）过程的集成（三）过程的集成（（1 1）传统分离过程的集成）传统分离过程的集成例：共沸精馏与萃取集成例：共沸精馏与萃取集成 以丙酮为共沸剂将（环己烷／苯）共沸物首先以丙酮为共沸剂将（环己烷／苯）共沸物首先分离为苯和（丙酮／环己烷）共沸物，然后以分离为苯和（丙酮／环己烷）共沸物，然后以水为萃取剂，将（丙酮／环乙烷）共沸物分离水为萃取剂，将（丙酮／环乙烷）共沸物分离为环己烷和丙酮水溶液，最后将丙酮水溶液分为环己烷和丙酮水溶液，最后将丙酮水溶液分离得到丙酮和水。

离得到丙酮和水73（（2 2）传统分离过程与膜分离的集成）传统分离过程与膜分离的集成例：精馏与渗透蒸发的集成例：精馏与渗透蒸发的集成发酵液脱水制备无水乙醇在乙醇高浓区，精馏的分离发酵液脱水制备无水乙醇在乙醇高浓区，精馏的分离效率极低，在共沸组成处无法分离，此时利用渗透蒸发效率极低，在共沸组成处无法分离，此时利用渗透蒸发技术可越过共沸组成点，达到很高的分离程度技术可越过共沸组成点，达到很高的分离程度3 3）膜过程的集成）膜过程的集成例：超滤、反渗透与渗透蒸馏的集成例：超滤、反渗透与渗透蒸馏的集成74发展趋势发展趋势1 1）传统分离技术改造：）传统分离技术改造： 如精馏筛板塔改造为效率更高的填料塔如精馏筛板塔改造为效率更高的填料塔2 2）新型分离过程开发：）新型分离过程开发： 如膜分离、反胶团萃取、超临界萃取等如膜分离、反胶团萃取、超临界萃取等3 3）分离与反应耦合以及分离过程之间的耦合：）分离与反应耦合以及分离过程之间的耦合： 如反应精馏、吸附精馏、膜精馏等如反应精馏、吸附精馏、膜精馏等总趋势：总趋势： 多样化、精细化、洁净化（环境友好）。

多样化、精细化、洁净化（环境友好） 75。