分离工程 授课教师：许振良 教授.

Presentation on theme: "分离工程 授课教师：许振良 教授."— Presentation transcript:

1 分离工程 授课教师：许振良 教授

2 课程内容的重点 1）分离操作在化工生产中重要性及分离过程的分类； 2）多组分物系泡点和露点温度的计算及等温闪蒸和部分冷凝过程的计算；
3）分离系统变量分析、设计变量的确定方法； 4）多组分多级分离过程分析及简捷计算法； 5）多组分多级分离过程的严格计算（泡点法）； 6）影响汽液传质设备处理能力和级效率的因素，强化分离操作的途径； 7）提高精馏热力学效率的途径； 8）分离顺序和分离过程选择。

3 课程内容的难点 1）非理想体系相平衡常数计算 2）精馏过程泡点计算法 3）分离系统的变量分析及其应用 4）多组分多级分离过程的严格计算法
5）汽液传质设备级效率影响因素分析。

4 课程内容 第一章 绪论 第二章 单级平衡过程 第三章 多组分精馏和特殊精馏 第四章 气体吸收 第五章 液液萃取
第六章 多组分多级分离过程的严格计算 第七章 分离过程的节能 第八章 吸附 第九章 膜分离

5 第一章 绪 论 1.1 传质分离过程的分类和特征 1.2 分离过程的集成化 1.3 分离因子

6 化工原理内容 1.1 传质分离过程的分类和特征 一类：机械分离 特点：被分离物为非均相 简单的将混合物分开 如：过滤、沉降… 二类：传质分离
1.1 传质分离过程的分类和特征 一类：机械分离 化工原理内容 特点：被分离物为非均相 简单的将混合物分开 如：过滤、沉降… 二类：传质分离 包含： 平衡分离过程；速率控制分离 特点：被分离物为均相

7 1.1 传质分离过程的分类和特征 平衡分离过程 速率分离过程

8 平衡分离过程——借助分离媒介，使均相混合物系统变
1.1.1 平衡分离过程 混合物 分离设备 产品 分离媒介 分离媒介：能量、物质、压力 平衡分离过程——借助分离媒介，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相平衡 的两相中不等同的分配为依据而实现分配。

9 平衡分离过程的分离单元操作 闪蒸 精馏 原料 相态： 液体 分离媒介： 减压 分离原理： 挥发度（蒸汽压）有较大差别 工业应用：
海水淡化生产纯水；吸收液的解吸。 精馏 汽、液或汽液混合物 热量，有时用机械功 同上 石油裂解气的深冷分离；苯、甲苯、二甲苯的分离。

10 吸收蒸出 萃取或共沸精馏 原料 相态： 气体或 液体 分离媒介： 液体吸收剂（MSA）；加入热量（ESA） 分离原理：
挥发度（蒸汽压）有较大差别 工业应用： 由催化裂化装置主蒸塔顶产物中回收乙烷及较轻的烃。 萃取或共沸精馏 汽、液或汽液混合物 液体溶剂（MSA）或塔釜加热（ESA） 液体共沸剂（MSA）或塔釜加热（ESA） 改变原溶液的相对挥发度 以苯酚作溶剂由沸点相近的非芳烃中分离芳烃；以醋酸丁酯作共沸剂从稀溶液中分离醋酸。 L或V MSA L V MSA L或V L

11 1.1.2 速率分离过程 膜分离 热扩散

12 速率分离: 在某种推动力（浓度差、压力差、温度差、电位差等）的作用下，有时在选择性膜的配合下，利用各组分扩散速率的差异实现组分的分离。

13 微孔过滤（MF）： 目的：溶液脱离子，气体脱离子 推动力：压力差（～100kPa） 传递机理：筛分 膜类型：多孔膜 进料 （液体和气体）
溶剂、水、气体 颗粒、纤维 推动力：压力差（～100kPa） 传递机理：筛分 膜类型：多孔膜

14 超滤（UF）： 目的：溶液脱大分子，大分子溶液脱小分子，大分子分级。 推动力：压力差（100～1000kPa） 传递机理：筛分
进料 溶剂、水 胶体大分子 推动力：压力差（100～1000kPa） 传递机理：筛分 膜类型：非对称性膜

15 反渗透（RO）： 目的：溶剂脱溶质，含小分子溶质溶液浓缩。 推动力：压力差（1000～10000kPa）
进料 溶剂、水 溶质、盐 推动力：压力差（1000～10000kPa） 传递机理：优先吸附毛细管流动溶解、扩散模型 膜类型：非对称性膜或复合膜

16 渗析（D）： 目的：大分子溶质溶液脱小分子，小分子溶质溶液脱大分子。 进料 净化液 接受液 扩散液 推动力：浓度差
传递机理：筛分、微孔膜内的受阻扩散 透过物：小分子溶质或较小的溶质 截留物：截留﹥0.02um离子、截留血液﹥0.005um离子 膜类型：非对称性膜或离子交换膜

17 电渗析（ED）： 目的：溶液脱小离子，小离子溶质的浓缩、小离子的分级。 ＋ － 极 推动力：电化学势 传递机理：反离子经离子交换膜的迁移
浓电解质 － 极 ＋ 产品 阴离子交换膜 阳离子交换膜 进料 推动力：电化学势 传递机理：反离子经离子交换膜的迁移 膜类型：离子交换膜

18 速率分离过程特点： ■节能 ■环保优势 ■新的方法

19 1.2 分离过程的集成化 目的：实现清洁工艺 使物料能量消耗最小； 经济效益、社会效益最大。
1.2 分离过程的集成化 目的：实现清洁工艺 使物料能量消耗最小； 经济效益、社会效益最大。 1.2.1 反应过程与分离过程的耦合 1.2.2 分离过程与分离过程的耦合 1.2.3 过程的集成

20 1.2.1反应过程与分离过程的耦合 目的： 改善不利的热力学和动力学因数，减少设备、操作费用、节约资源和能源。

21 化学吸收——化学反应与吸收相结合 被溶解的组分与吸收剂中的活性组分发生反应，增加传质推动力。 化学萃取——化学反应与萃取相结合 溶质与萃取剂反应。如：络合反应；水解；聚合 反应（催化）精馏——化学反应与精馏相结合 例：酯化、皂化、酯交换、胺化、水解… 膜反应器——优良分离性能与催化反应相结合 例：利用多孔陶瓷膜催化反应器，进行丁烯脱氢制丁二烯。丙烷脱氢制丙烯。

22 将药物或其他生物活性物质以一定形式与膜结构相结合，使这些活性物质只能以一定速度通过扩散等方式释放到环境中。
控制释放 将药物或其他生物活性物质以一定形式与膜结构相结合，使这些活性物质只能以一定速度通过扩散等方式释放到环境中。 膜生物传感器 由生物催化剂酶或微生物与合成膜及电极转换装置组成，模仿生物膜对化学物质的识别能力制成，为酶膜传感器和微生物传感器 。 返回

23 1.2.2分离过程与分离过程的耦合 复合分离过程 优点：集原分离过程之所长，避其所短。 适用于：特殊物系的分离。 ◆萃取结晶（加和结晶）
分离：①挥发度相近的组分。 ②无机盐生产（优点：节能） 溶剂可萃取出部分水。

24 ◆吸附蒸馏 气一液一固三相分离过程 吸附分离优点 ： 分离因子高，产品浓度高，能耗低。 缺点：吸附剂用量大 ，收率低。 ——形成互补 ◆电泳分离 不同蛋白质在一定pH值的缓冲溶液中，其溶解度不同，在电场作用下，这些带电的溶胶离子在介质中的泳动速度不同，实现不同蛋白质的分离。

25 1.2.3 过程的集成 优点：无污染 一、传统分离过程的集成 合理组合传统分离过程，扬长避短，达到高效、低耗和减少污染的目的。
共沸精馏与萃取集成 环己烷 +苯 丙酮 环己烷+丙酮共沸物 纯苯 环己烷 丙酮+水 水 优点：无污染

26 二、传统分离过程与膜分离的集成 将膜技术应用到传统分离过程中 ◆渗透蒸发 用来分离挥发性液体混合物，恒沸、近沸点物系。 ◆蒸汽渗透 例：发酵液脱水制无水乙醇 水与醇形成二元共沸物，共沸点:78.15℃， x=0.894（mol） 三、膜过程的集成 优点：取长补短 例：分离悬浮液为高固体含量物料 将超滤、反渗透、渗透蒸馏组合在一起。

27 1.3 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：

28 分离因子与1的偏离程度表示组分之间分离的难易程度。
当分离因子等于1时，两组分在两产品中的含量相同，无法实现分离； 当接近1时，两组分在两产品中的含量相近，难以实现分离； 当远离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。

29 （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：
由Dalton分压定律可知：pA+pB=p，而pA=yAp，pB=yBp，所以： 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： 则其选择性系数为：

30 第二章 单级平衡过程 授课教师：许振良 教授

31 内容： 各组分物系汽液平衡 单级平衡过程的计算

32 第二章 单级平衡过程 第一节 相平衡 第二节 多组分物系的泡点和露点计 第三节 闪蒸过程的计算

33 第一节 相平衡 2.1.1 相平衡条件 2.1.2 相平衡常数的计算

34 2.1.1 相平衡条件 一、相平衡条件 相平衡：由混合物或溶液形成若干相，这些相保持物理 平衡而共存状态。 热力学上看—物系的自由焓最小
动力学上看—相间表观传递速率为零

35 相平衡条件：

36 1.汽液平衡 i f 引入逸度系数 ： i g 引入活度系数 ：

37 汽液平衡关系式：

38 2.液液平衡 基准态相等 由（2-7）：

39 二、相平衡常数和分离因子 定义： 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） —

40 ij i K a , 三、用 表示平衡关系

41 2.1.2 相平衡常数的计算 一、状态方程法 二、活度系数法

42 一、状态方程法 由（2-8）： 由P—V—T关系计算 L i V f ,

43 推导略 以V为自变量： 以P为自变量：

44 (2-16)推导： 积分后得（2-16）

45 （2-15）、（ 2-16）适用于气、液、固相，是计算 的普遍化方法。
（2-15）、（ 2-16）适用于气、液、固相，是计算 的普遍化方法。 注意： 只要知道状态方程 就可代入求

46 1.用Van der waals方程计算 Van der waals方程： ——a、b为Van der waals常数

47 将（2-15）积分后代入以上结果：

48

49 ● i=1时求汽相逸度系数；i=2时求液相逸度系数。
汽相：用y求a、b 液相：用x求a、b ●(1)式有三个根 注意：

50 2.用维里方程计算 汽相哟！ 维里方程的截断式：

51 的计算：

52 ● 为简单流体 的对比第二维里系数，计算： ● 为校正函数，计算： ● 为二元相互作用参数，计算： ——用于烷烃相当成功

53 二元常数 的平均值 ij k i j 水 醇 醚 酮 烃 0.4 0.15 0.10 0.13 0.05 0.35 0.1

54 由（2-16）：

55 ∴由（2-16）： P为自变量 同样由（2-15）： V为自变量

56 用（2—31）解的步骤： 1.用状态方程〈4〉求Vt (两个根 返回)、 注意： 检验： 〈 4〉式有实根，取大根，否则用（2—30）求取。
检验： 〈 4〉式有实根，取大根，否则用（2—30）求取。 2.由（2—31）求 注意： 维里方程的适宜范围：

57 3.采用R-K方程计算 特点： 1.比多参数状态方程简单 2.适宜于气、液态

58 R-K方程：

59 第三章多组分精馏和特殊精馏 授课教师：许振良 教授

60 第三章 多组分多级分离过程分析与简捷计算 第一节 设计变量 第二节 多组分精馏过程 第三节 萃取精馏和共沸精馏

61 第一节 设计变量 设计变量：确定设计中已知变量，可分为固定设计变量和可调设计变量。 3.1.1 单元的设计变量 3.1.2 装置的设计变量

62 N , 变量数 ： 数 出 能进 功进 ） （ 换： 股物流，且有功、能交 若 物流数（一股） 自由度数（ 单相）： 任意单股物流（一股、
变量数 ： 数 出 能进 功进 ） （ 换： 股物流，且有功、能交 若 物流数（一股） 自由度数（ 单相）： 任意单股物流（一股、 ) ( 2 1 + = - C N f V p 如何确定？ C V N , 约束条件数 ： 物料平衡式 能量平衡式 化学平衡式 其它相等条件 V N

63 e i N 3.1.1 单元的设计变量 e i N 将复杂化工装置分解成简单单元，求 ： 例1.分配器 F P T x , L 1 2

64 u i N 3.1.2 装置的设计变量 重复使用一种为1 由单元设计变量确定： 前面进等于后面出

65 对精馏塔归纳出简便、可靠的 确定设计变量的方法： （1）按每一单相物流有（C+2）个变 量， 计算由进料物流所确定的固 定设计变量数。 （2）确定装置中具有不同压力的数目。 （3）上述两项之和即为装置的固定设计变量数。 （4）将串级单元数目、分配器的数目、侧线采出单元数目及传热单元数目相加，便是整个装置的可调设计变量，

66 第二节 多组分精馏过程 3.2.1 多组分精馏过程分析 3.2.2 最小回流比 3.2.3 最少理论塔板数
3.2.4 实际回流比、理论板数、进料位置

67 3.2.1 多组分精馏过程分析 一、关键组分 1.关键组分的引出 一般精馏： 对于设计型计算，5个可调设计变量为： 5 = u a N

68 i、j为在精馏中起关键作用的组分，称关键组分。
键组分，表示：LK，下标：l j：挥发度小的组分，称重关 键组分，表示：HK，下标：h

69 a 关键组分的特点 ◆LK和HK形成分离界线，且 越小， ◆ ◆精馏中： LK绝大多数在塔顶出现，在釜中量严格控制；
分离越难。 ◆ ◆精馏中： LK绝大多数在塔顶出现，在釜中量严格控制； HK绝大多数在塔釜出现，在顶中量严格控制。 ◆只有无LNK，且 较大，塔顶可采出纯LK； 只有无HNK，且 较大，塔釜可采出纯HK。 h l a

70 关键组分的指定方法 ◆指定回收率 ◆指定控制量 关键组分的指定原则 由工艺要求决定 j ；
h W l D j ； 关键组分的指定原则 由工艺要求决定 注意：同一组分，规定了一端的回收率，另一端的量已确定。不能重复！

71 3.2.2 最小回流比 恒浓区——精馏塔中全部浓度不变的区域 1. 时，恒浓区出现的情况 R 二元精馏： 恒浓区：一个，出现在 进料板
时，恒浓区出现的情况 m R 二元精馏： 恒浓区 恒浓区：一个，出现在 进料板

72 ——上恒浓区 ——下恒浓区 所有组分为分配组分 只有LNK为非分配组分 只有HNK为非分配组分 LNK和HNK都为非分配组分

73 2. 的计算 R a 采用Underwood法计算： 该法假设：1.恒摩尔流 2. 在全塔可看成常数 依据：恒浓区概念
的计算 m R 采用Underwood法计算： 该法假设：1.恒摩尔流 在全塔可看成常数 h i a 依据：恒浓区概念 关联式：相平衡、物料平衡

74 3.2.3 最少理论板数 N x y = 最少理论板数 意义：◆操作前的准备工作 ◆ 测出 特点：★ F=D=W=0 ★ L=V；L/V=1
m N 特点：★ F=D=W=0 ★ L=V；L/V=1 ★ 操作线方程： ★ 板效率 最高 i n x y , 1 = +

75 3.2.4 实际回流比、理论板数、进料位置 一、实际回流比R 由操作费、设备费确定 由经验取： R=（1.1～1.5）Rm 二、理论板数 1 Gilliand图和拟合形式，用Gilliand图简便、但不准确 2 Erbar and Maddox关联图：比Gilliand图精确，误差4.4%

76 三、适宜进料位置的确定

77 第三节 萃取精馏和共沸精馏 3.3.1 萃取精馏 3.3.2 共沸精馏

78 3.3.1 萃取精馏 一、流程 A B S A，B 特点： 1. 二塔串联； 2. S为难挥发组分， 一般在近于塔顶 加入。

79 二、萃取精馏原理和溶剂选择 a 1.溶剂的作用 ★ 对原溶液1、2组分产生不同的作用，提高 ★ 稀释原溶液： 2. 溶剂的选择 12
考虑分子极性 选择在极性上更类似于HK的化合物作溶剂，降低HK的挥发度。 例：分离甲醇（沸点64.7℃），丙酮（沸点65.5℃） 考虑能否形成氢键： S加入后形成的溶液： 仅有氢键生成，则呈现负偏差；仅有氢键断裂，则呈现正偏差。 考虑其他因素：不起化学反应，溶解度大，无毒，不腐蚀，低廉等。

80 3.3.2 共沸精馏 共沸物（恒沸物）： 定压下，加热溶液使之蒸发，从始到终x、y、T不变的溶液。 共沸点（恒沸点）： 共沸时的温度。
对共沸物： 一个汽相，一个液相， —均相 一个汽相，多个液相， —非均相

81 共沸剂的选择 一般原则: 1.分离负偏差共沸物或沸点相近的混合物 a.共沸剂仅与一个组分形成二元正偏差共沸物。
b.分别与两组分形成二元正偏差共沸物，且共沸点有明显差别。 c.与两组分形成三元正偏差共沸物，共沸点温度显著低。 2.分离二元正偏差共沸物 a.共沸剂与一个组分形成二元正偏差共沸物，共沸温度明显低。 b.形成三元正偏差共沸物，共沸点温度显著低。

82 第四章 气体吸收 授课教师：许振良 教授

83 第四章 吸收和解吸过程 4.1 吸收过程特点 4.2 吸收与解吸 4.3 多组分吸收和解吸的简捷计算法

84 4.1吸收过程特点 吸收过程特点 吸收目的产物的同时也吸收了其他组分 ——多组分吸收 端点条件： 复杂塔 T、X顶、釜预分配难
待吸收气体 吸收液 未吸收气体 吸收 剂 复杂塔 T、X顶、釜预分配难 吸收剂组成与解吸有关

85 吸收分类 物理吸收 无化学反应。——进行了大量研究 化学吸收 1.可逆反应的化学吸收过程 难点：汽液平衡，化学反应速率 2.不可逆反应的化学吸收过程 难点：连串反应、不是瞬时完成的 反应。

86 4.2 吸收与解吸 一个完整的吸收分离过程一般包括吸收和解吸两部分。 解吸：从溶液中释放出溶解吸收的溶质气体的操作，称为～ 解吸的方法：
加热，因温度升高，溶解度降低； 减压，因压力降低，溶解度降低； 惰性气体与溶液逆流接触，一般采用过热蒸汽，一方面由于较高温度，另一方面由于惰性气体可以降低溶质气体的分压，从而带出溶质气体。

87 图5-1 吸收与解吸联合操作

88 溶剂的选择 溶剂又称吸收剂，选择良好的吸收剂是设计吸收过程的重要一环； 选择原则
吸收剂对溶质应有较大的溶解度，以提高吸收速率，减少吸收剂的用量； 同时为了便于吸收剂的再生回用，其溶解度应随操作条件的改变有显著的差异； 吸收剂对溶质应有良好的选择性，即对于混合气中待吸收组分的溶解度要大，对其余组分的溶解度要小； 溶剂的挥发性要小，即蒸气压低，以减少溶剂的损失量； 溶剂的粘度要低，这样有利于气、液接触，提高吸收速率，也便于输送； 无毒； 难燃； 腐蚀性小； 易得价廉； 易于再生利用； 不污染环境。

89 4.3 多组分吸收和解吸的简捷计算法 应用： 初始阶段设计 分析操作情况 提供电算初值

90 A=L/KV —— i组分的吸收因子或因素（省i）
一 吸收因子法 1. 吸收因子和蒸出因子 吸收过程定义： A=L/KV —— i组分的吸收因子或因素（省i） a、无因次数群； b、L/V ↑，K↓ —— A ↑，有利于吸收； c、分离要求一定：A ↑，N ↓ N一定： A ↑，吸收程度 ↑ —— A的大小说明 吸收难易。 蒸出过程定义： S=KV/L=1/A —— i组分的蒸出因子或因素

91 二 平均吸收因子法

92 第五章 液液萃取 5.1 液液萃取概述 5.2 萃取流程 5.3 逆流萃取的计算

93 5.1 液液萃取概述 1. 液液萃取过程的特点 (1) 萃取过程的传质前提是两个液相之间的相互接触。
(2) 两相的传质过程是分散相液滴和连续相之间相际传质 过程。 (3) 两相间的有效分散是提高萃取效率的有效手段。 (4) 两相的分离需借助两相的密度差来实现。 (5) 液液萃取过程可以在多种形式的装置中通过连续或间 歇的方式实现。

94 2. 萃取剂的选择 (1) 萃取剂应具备的特点 ①萃取剂中至少要有一个能与被萃物形成萃合物的官能团。常见的萃取官能团通常是一些包含N、O、P、S的基团。 ②萃取剂中还应包含具有较强亲油能力结构或基团，如长链烃、芳烃等，以利于萃取剂在稀释剂中的溶解，并防止被萃相对它的溶解夹带损失。

95 (2)萃取剂选择要点 ①选择性好 表现为分离系数大。 ②萃取容量大 表现为单位体积或单位质量溶解萃合物多 ③化学稳定性强 耐酸碱、抗氧化还原、耐热、无腐蚀。 ④易与原料液相分层 不乳化、不产生第三相。 ⑤易于反萃或分离 便于萃取剂的重复利用。 ⑥安全性好 无毒或低毒、不易燃、难挥发、环保。 ⑦经济性好 成本低、损耗小。

96 3. 分配比 达到萃取平衡时，被萃物在两相中的浓度比称为被萃物的分配比，也称为分配系数。
其中， CA(O)为被萃物A在萃取相（有机相）中的浓度；CA(α) 为被萃物A在被萃相（水相）中的浓度。 分配比D的值越大，被萃物越容易进入萃取相。 D通常不是常数，要受萃取体系和萃取条件的影响，应根据实验来测定；D=0，表示待萃取物完全不被萃取，D=∞，表示完全被萃取。

97 5.2 萃取流程 1.错流流程 2.逆流萃取 3.分馏萃取 1 2 3 S1 R2 S3 S2 R1 R3 E2 E3 E1 F 1 2 3
W R E S F 3.分馏萃取

98 5.3 逆流萃取的计算 同于吸收过程 N-1 N n-1 n n+1 1 2 溶剂 , + v V 萃取液 l L 萃余液 进料

99 第六章 多组分多级分离过程的严格计算 第一节 逐板计算法 第二节 三对角矩阵法（省略）

100 第一节 逐板计算法 讨论：1.恒摩尔流 方法：交替使用操作线、平衡线方程 2.用相对挥发度或相平衡常数表示平衡关系 模型塔：
- N L ， V 变量规定：Na=5 饱和液体温度 LK的回收率 HK的回收率 回流比 最适宜进料位置

101

102 逐板计算法

103 适宜进料位置：完成分离任务理论板最少的进料位置
进料位置的确定： 适宜进料位置：完成分离任务理论板最少的进料位置 操作点 N NF,OP j 板 进料板

104 进料位置的近似确定法： 从上向下计算： 从下向上计算： 板改换操作线方程 板为进料板， — 1 + j 板改换操作线方程 板为进料板， —

105 过早的改换操作线方程会导致不合理的结果：
y x

106 计算起点的确定 二元精馏： 计算起点：塔顶或塔釜 多元精馏： 误差小的一端开始 计算起点：从物料分配

107 计算起点由估计值确定，估计值稍有误差，会对逐板计算影响很大，一轮计算后，要用非关键组分校核和修正。
若从上向下计算完成后，用LNK校核：

108 一般情况： 萃取精馏：被萃取组分在塔釜回收率高，从釜计算。 共沸精馏：共沸物在塔顶能准确估计，从顶开始

109 第七章 分离过程的节能 授课教师：许振良 教授

110 第七章 分离过程的节能 第一节 分离的最小功和热力学效率 第二节 精馏的节能技术 第三节 分离顺序的选择

111 第一节 分离的最小功和热力学效率 等温分离最小功 非等温分离和有效能 净功消耗和热力学效率

112 传热速率： ◆ ◆ ◆

113 7.1.3 净功消耗和热力学效率 一般分离过程： 通常，分离过程所需的能量多半是以热能形式而不是以功的形式提供的。 一般以W净计算能量：
净功消耗：— W净=W入—W出 一般分离过程： 原料 产物 QC QR TC TR

114 第二节 精馏的节能技术 7.2.1 精馏过程的热力学不可逆 7.2.2 多效精馏 7.2.3 低温精馏的热泵
第二节 精馏的节能技术 7.2.1 精馏过程的热力学不可逆 多效精馏 低温精馏的热泵 7.2.4 设置中间冷凝器和中间再沸器的精馏

115 7.2.1 精馏过程的热力学不可逆性 逆过程 即：使过程尽量接近可 ● ● 热力学不可逆性： 1.通过一定压力梯度动量传递
） 分离 净 （非等温可逆过程： B W D = - 热力学不可逆性： 1.通过一定压力梯度动量传递 2.通过一定温度梯度热量传递 3.通过一定浓度梯度质量传递（或不同化学位物流直接混合）

116 使净功降低的方法： 降低压差 减少温差 减少浓度与平衡浓度差 1）塔设备 若N越多，使△P↑，不可逆性越大
降低压差 减少温差 减少浓度与平衡浓度差 1）塔设备 若N越多，使△P↑，不可逆性越大 可使：气速↓，液层高度↓；使△P↓ 但是：气速↓，生产能力不变时D↑，投资费↑ 液层高度↓，板效率↓ 改进方式：1. 选择合适的塔径、液层高度 2. 改板式塔为高效填料塔

117 2）再沸器、冷凝器 若传热温差小，不可逆性减小 但是：传热面积↑，设备费用↑ 液层高度↓，板效率↓ 改进方式：1. 采用高效换热器 2. 改进操作方式 3）传热推动力、传质推动力 精馏操作：Ln+1，Vn-1进入n板， 对Vn，Ln在 n 板温度和浓度相互不平衡

118 多效精馏 多效精馏：能量减少30—40% 特点：高压塔气相采出是低压塔塔釜的热源； 用一倍的热处理两倍之多进料。

119 7.2.3 低温精馏的热泵 用于：组分沸点差较小的低温精馏 采用：膨涨阀、压缩机 三种：1. 外部制冷剂 2. 压缩塔顶蒸汽
低温精馏的热泵 用于：组分沸点差较小的低温精馏 采用：膨涨阀、压缩机 三种：1. 外部制冷剂 2. 压缩塔顶蒸汽 3. 用再沸器气体闪蒸

120 7.2.4 设置中间冷凝器和中间再沸器的精馏 1. 使操作向可逆精馏方向趋近 2. 采用中等温度的再沸器和冷凝器 特点：沿全塔布置的换热元件能大大降低塔顶、塔釜负荷 提馏段：蒸汽流率自下而上稳定增加 精馏段：液体回流量自上而下稳定增加

121 第三节 简单分离顺序的合成 一、分离顺序数 将混合物ABCDE··· (按挥发度降低排列）分离为纯组分。 二元： A 一个塔， AB
一种方案 三元： ABC AB C A B ABC A BC B C 二个塔， 二种方案

122 三个塔，五种方案 A ABCD A AB 四元： ABC ABCD B B C C BCD 顺序流程 D CD D 按相对挥发度递减采出
按相对挥发度递增采出 四元： 顺序流程 A ABCD AB B C CD D A ABCD ABC B C BC D ABCD A BCD B C D BC 按相对挥发度交错采出的逆序流程 三个塔，五种方案

123 二 确定分离顺序的经验法 经验法（启发法）优点： 普通塔经验法： 1.按相对挥发度递减顺序分离 依据：Underwood式：
不用对所有可能的分离顺序进行考察，在不作设计和设备费用估计情况下，很快选出好顺序。 普通塔经验法： 1.按相对挥发度递减顺序分离 依据：Underwood式： 馏出物中：1. 组分数少，Vm少，热负荷低； 2. 若混合物中含低沸物，使之不进入后面塔。

124 大。 提馏段热力学不可逆性 反之，若 精馏段热力学不可逆性 ， 更接近与 ） 比（ 使（ 定；若 后，塔釜蒸汽蒸发量一 规定
釜采出相差不大） 尽可能对分（塔顶与塔 提 精 , 1 . 3 ) ( W D V L R >> << -  = +

125 4. 分离要求高的组分最后分 分离要求：纯度、回收率 纯度高，N多，此时无关键组分，使塔径减小。 5. 含量多的组分先分 使后面能量降低、塔径减小。 6. 特殊组分先分 特殊组分：热敏性、强腐蚀性、易爆、易燃等。 注意：1. 以上经验互相冲突，要综和考虑主要方面； 2. 不须得到纯组分时，采用侧线采出来减少塔数目。

126 第八章 吸附 授课教师：许振良 教授

127 吸附分离 8.2.1 吸附原理和吸附剂 8.2.2 吸附平衡 8.2.3 吸附速率

128 8.2.1 吸附原理和吸附剂 一、吸附原理 由吸附质单个原子、离子和分子与固体表面之间存在有相互作用力，气体和液体有着吸着于固体的趋势，通常形成单分子层，有时也形成多分子层。 ——吸附现象 选择性吸附继而再生是分离气体或液体混合物的基础。大多数情况下，吸附剂对吸附质的亲和力比原子之间的共价键要弱，所以吸附是可逆的。随温度的升高或被吸附质分压的降低，吸附质被解吸。 由吸附质与吸附剂分子间化学键的作用所引起的吸附称化学吸附。

129 吸附的键能 吸附剂/ 吸附质之间的亲和力可用于选择性分离（如右图），吸附过程需要一个适合的键能范围。如果键强度太弱，则几乎没有物质被吸附，如果键能太强，则解吸困难。

130 化学吸附： 由吸附剂与吸附质分子间化学键的作用所引起的吸附称为化学吸附，该过程的特点是吸附过程放出的热量与化学反应热相当；过程往往不可逆。化学吸附多涉及一些表面催化反应（加氢催化剂中镍催化剂对氢的吸附）。

131 二、吸附剂 活性碳 沸石分子筛 吸附剂 硅胶 活性氧化铝

132 吸附剂的主要特征： 1. 多孔结构 ； 2. 较大的比表面积 选择性吸附是吸附剂的关键性质。根据吸附剂表面的选择性，吸附剂又分为： 1. 疏水吸附剂； 2. 亲水吸附剂 影响吸附剂性能的主要因素： 1. 化学组成； 2. 制造方法

133 8.2.2 吸附平衡 吸附平衡： 在一定条件下，当流体（气体或液体）与固体吸附剂接触时，流体中的吸附质将被吸附，经过足够长的时间，吸附质在两相中的浓度不再变化，达到吸附平衡。 吸附平衡关系决定了吸附过程的方向和极限，是吸附过程的基本依据。 吸附平衡关系通常用等温下吸附剂中吸附质的含量与流体相中吸附质的浓度或分压间的关系表示（等温曲线）。

134 一、气体吸附平衡 一、单组分气体吸附平衡 吸附等温线： 吸附平衡时的吸附容量q： q=f（T，P） 若T不变，q=f（P） ——吸附等温线
五类实验吸附等温线:

135 相对压力P/P0 吸附量 I Ⅱ Ⅳ Ⅲ Ⅴ

136 І类：简单，适应单分子层吸附，常用于处于临界温度以上的气体；
Ⅱ类：复杂，与多分子层吸附有关，气体温度低于临界温度，压力较低，但接近饱和蒸汽压。第一吸附层的吸附热大于后继吸附层的吸附热，后者等于冷凝。 ——显示出强吸附能力，是人们希望的。 Ⅲ类： 只有在高压下才变的易吸附，相应于多层吸附，少见。 Brunauer提出：微孔尺寸可限制吸附层数由于发生毛细管冷凝现象，在达到饱和蒸汽压前，显示出很大吸附程度。 Ⅳ Ⅴ类：是Ⅱ Ⅲ类因毛细管冷凝现象而演变。在多分子吸附区域出现滞后现象。

137 Ⅳ Ⅴ类： 滞后圈的上行吸附的分支表示多层吸附和毛细管冷凝同时发生，而在曲线的下行解析分支，则仅有毛细管冷凝现象。 不同类型的吸附等温线反映了吸附剂吸附过程的不同机理，因此提出了多种吸附理论和表达吸附平衡关系的吸附等温关系式。 然而对于实际固体吸附剂，由于复杂的表面和孔结构，很难符合理论的吸附平衡关系，因此提出了很多经验的、使用的吸附等温关系式。

138 8.2.3 吸附速率 当含有吸附质的流体与吸附剂接触时，将进行吸附过程。 吸附速率： 单位时间内被吸附的 吸附质的量。
——是吸附过程设计和操作的重要参数。

139 吸附机理 吸附质在吸附剂的多孔表面上的 吸附过程分四步：
1. 吸附质由流体主体通过分子扩散与对流扩散穿过薄膜或边界层传递到吸附剂外表面，称为外扩散过程。 2. 吸附质通过孔扩散从吸附剂的外表面传递到微孔结构的 内表面，称微内扩散过程。 3. 吸附质沿孔表面的表面扩散。 4. 吸附质被吸附在孔表面上。 对于化学吸附：吸附质与吸附剂之间有健的 形成，第四步可能较慢，甚至是控制步骤。 对于物理吸附：由于吸附速率仅取决于吸附质分子与孔表面的碰撞频率和定向作用，几乎是瞬间完成的，吸附速率由前三步控制。统称为扩散控制。

140 吸附机理 气（液）相主体 液膜 ● 被吸附分子 吸附剂 返回

141 第九章 膜分离 授课教师：许振良 教授

142 第一节 膜分离技术 膜的作用： 选择渗透 适用： 1.热敏性物质 ——可常温操作 2.特殊溶液 ——可用于大分子、无机盐、蛋白质溶液等

143 第一节 膜分离技术 分离用膜和膜分离设备 反渗透 超滤与微滤 电渗析 其它膜分离

144 9.1.1 分离用膜和膜分离设备 一、膜种类 天然膜 生物膜 天然物质改性膜 人工膜 无机膜 金属膜 非金属膜 有机膜 均质膜 微孔膜
分离用膜和膜分离设备 一、膜种类 天然膜 生物膜 天然物质改性膜 人工膜 无机膜 金属膜 非金属膜 有机膜 均质膜 微孔膜 非对称性膜 复合膜 离子交换膜 二、设备：板框式 卷式 管式

145 截留率：表示膜对溶质的截留能力，可用小数或百分数表示。
膜性能： 1.分离透过性 a. 透过通量 单位时间通过单位膜面积的物理量。 b. 分离效率 用截留率表示：（R） 截留率：表示膜对溶质的截留能力，可用小数或百分数表示。

146 c. 分离系数： （ ） a d. 通量率减系数 膜渗透通量随时间减少

147 2. 物化稳定性 强度、耐温、耐压性等 二、分离设备 （1）板框式膜具 ↑

148 （2）卷式膜具 由四层组成 膜 盐水 中心管 多孔支撑材料 进料液隔网 淡化水流

149 （3）管式膜具 纤维束管 中心分布管 透过液 浓缩液 料液

150 9.1.2 反渗透 透过：溶剂 截留：水中无机离子、胶体物质、大分子溶液 应用： 海水、苦咸水淡化； 废水处理； 锅炉用水软化；
乳品、果汁浓缩； 生产产品、生物制剂的分离、浓缩。

151 一、基本原理 盐水溶液： 膜 纯水 P1 溶液 P2 a. P1=P2 P1 P2 C. P2﹣P1>∏ P1 P2 P1<P2

152 溶液中水反渗透，使溶液增浓。 对于实际反渗透过程： 溶剂渗透时，少量溶质也渗透，两边都有溶质，溶质与水之间各有渗透压，对于正常操作：

153 二、过程机理与传质方程 1.过程机理（不成熟） 1）是否筛分机理 反渗透采用膜孔径：2nm 不通过离子： 无机离子直径：0.1—0.3nm
小于孔径 所以：不存在筛分机理

154 ⅰ）水优先吸附膜表面，形成纯水层厚度t=1nm ⅱ）无机离子受排斥，不能进入纯水层，价数越高，斥力越强。
2）选择吸附——毛细孔流动模型 多孔膜 界面上的脱盐水 ⅰ）水优先吸附膜表面，形成纯水层厚度t=1nm ⅱ）无机离子受排斥，不能进入纯水层，价数越高，斥力越强。 ⅲ）当膜孔径≤2t时，透过的是纯水，孔径增大，溶质开始透过，越大，透过溶质越多。 ∴孔径为2t时称临界孔径。

155 2. 传质方程 通过膜的水渗透通量：

156

157 浓差极化对过程的不利影响： 减轻浓差极化的有效途径： 方法： 1）使 2）使截留率下降 3）XAi高于溶解度时，会出现沉淀，使膜阻力增加。
提高传质系数 方法： 增加料液流速；增加湍流速度；提高温度；清洗膜面。

158 p 反渗透过程通量与下列因数有关： ( 1 ) 操作压差 ：△P △P↑ ,使 JW=A（△P -△）↑ 但有能耗大。∴ 选择适当的 △P
( 2 ) 操作温度:T T↑,使纯水的透过系数A↑，J↑ 但受膜耐温所限。 ( 3) 料液流速 流速大,传质系数大。 但溶质的渗透通量JA大。 p

159 （4）料液的浓缩程度 浓缩程度高，水回收率高。 但：① 有效压差小； ② 污染膜。 （5）膜材料与结构 （主要研究方向）

160 超滤与微滤

161 一、过程原理： 1. 超滤过程 膜: 非对称性膜,表面活性层孔径10-200Å微孔， 能截留分子量500以上大分子或胶体微粒。
压差: MPa 原理: 原料液在压差作用下，小分子物质与小分子量 物质透过膜上微孔,流到低压侧。 机理: 筛分机理。

162 超滤： 应用：1. 纯水制造 电子工业：超纯水；医药工业：注射剂、眼药水。 2. 废水处理 回收有用的物质 3. 产品加工
进料 溶剂、水 胶体大分子 应用：1. 纯水制造 电子工业：超纯水；医药工业：注射剂、眼药水。 2. 废水处理 回收有用的物质 3. 产品加工 各种大分子物质分离，浓缩。

163 2. 微滤过程(微孔过滤) 10 膜: 微孔，均质的多孔膜，孔径0.02-10μ微孔， 能截留直径为0.05-10 μ 的微粒或分子量大于
的高分子。 压差: MPa 原理: 原料液在压差作用下，小分子物质与小分子量物质透过膜上微孔，流到低压侧。 机理: 筛分机理。 6 10

164 二、过程与操作 1.透过通量 溶剂: 溶质: 2.影响因数 (1) 操作压差(推动力) 压差大，通量大，能耗大；
一般取一较好值(接近于凝界渗透通量时压差)

165 (2)料液流速 采用错流装置，使料液与膜面平行流动。 流速高，传质系数大，有利于提高渗透通量； 但：膜面压降大，能耗大。 因此：可采用湍流促进器，脉冲流动等提高流速。 (3)温度 温度高，料液粘度小，扩散系数大，有利于提高渗透通量。 (4)截留液浓度 浓度增加，浓度边界层增厚，易形成凝胶层，使渗透通量减小。

166 电渗析 电渗析：在直流电场的作用下，利用离子交换膜的选择渗透性，产生阴阳离子的定向迁移。

167 一、电渗析的基本原理 1.采用的膜 阳膜： 例：磺酸型，R-SO3H 由高分子材料制成，具有粒子交换基团的薄膜。 分：阳离子交换膜——阳膜
阴离子交换膜——阴膜 阳膜： 例：磺酸型，R-SO3H ——-SO3H为活性基因 在水中离解，产生 ， 进入水溶液。 阴膜： 例：季胺型， 为活性基团， 在水中离解，产生 ， 进入水中。

168 操作中： 阳膜中带负电荷的基团“ ”吸引溶液中带正电荷的离子，排斥带负电荷的离子； 阴膜中带正电荷的基因“ ”吸引带负电荷的离子，排斥带正电荷的离子 这种现象称：反粒子迁移 即：与膜所带电荷相反的离子穿过膜的现象称反粒子迁移。

169 2.电渗析过程 阳膜 阴膜 - 阳级 阴级 + — 1 2 3 4 5 N + a - Cl 浓缩室 淡化室

170 过程： 1. 两电极间交替放置阴阳离子膜； 2. 在二膜形成的隔室中充入含离子水溶液； 3. 接上电源后，溶液中带正点荷离子在电场作用下，向阴极方向运动，易穿过阳膜，被阴膜挡住，带负电荷离子反之。 4. 结果 2、4隔室中离子浓度增加，3室离子浓度下降。

171 电渗析的条件： 1. 直流电场 使溶液中的阳、阴离子作定向运动 2. 离子交换膜的选择透过 使溶液中离子作反离子迁移

172 二、电渗析中传递过程 （1）反粒子迁移； （2）同名离子迁移； （3）电解质离子迁移； （4）水的渗透； （5）渗漏； （6）水的电渗析。 三、电极反应和电极电位 浓、淡隔室及膜中导电：离子型 电极上导电：电子型

173 腐蚀设备。 ；另外 ， 产生 减少，极水呈酸性； HCl Cl O OH . 1 例：食盐水溶液 四种离子： 电极反应：
在阳极：（氧化反应） 特点： 腐蚀设备。 ；另外 ， 产生 减少，极水呈酸性； HCl Cl O OH 2 . 1 -

174 在阴极：（还原反应） 一般操作中： 要按一定时间调换电极；并排除或加入水。

175 9.1.5 其它膜分离 1.气膜分离 利用气体混合物中各组分在致密膜中渗透速率的不同使各组分分离的过程。 基本原理： 溶解——扩散模型
1. 在膜高压侧，气体混合物中的渗透组分溶解在膜的表面上； 2. 从膜的高压侧通过分子扩散传递到膜低压侧； 3. 在低压侧解吸到气相。

176 2. 液膜分离 传质机理： 二步萃取过程： 从原料液到膜液； 再从膜液到接受液。
将第三种液体展成膜状分隔两个液相，由三液相所形成的两个相界面上的传质分离过程。 传质机理： 二步萃取过程： 从原料液到膜液； 再从膜液到接受液。

177

178 课程内容结束! Thanks!

179 复习考试

180 该课程重点顺序： 第三章 多组分分离过程分析与简捷计算 第二章 单级平衡过程 第四章 多组分多级分离的严格计算 第六章 分离过程的节能 其它

181 概念部分： 1. 各种方法的基本原理要清晰。 2. 会对问题推导与分析。 3. 能回答问题。 4. 对分离方案会选择、基本流程会设计。

182 计算部分： 1. 每种大型、复杂的计算要有清晰的思路和方法。 2. 计算过程要灵活。

183 考试一般题型： 概念部分： 问答、选择、填空、判断、流程设计、计算等。 计算部分： 基本计算 注意： 1. 无试差 2. 不须记复杂的经验公式

184 结语 分离过程发展方向： 1. 基础物性数据计算 2. 新型分离方法的研究与开发

185 预祝大家取得好成绩 我终于通过考试了…