《分离技术概论》第1章-概论(1)

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1、浙江大学生物工程研究所2022年5月27日1分离技术概论浙江大学材料与化工学院陈欢林教授、张林博士浙江大学生物工程研究所2022年5月27日2绪论 分离技术定义 分离的作用与意义 分离过程的分类 新型分离技术进展 本课程教学方案 浙江大学生物工程研究所2022年5月27日3分离技术定义分离技术定义浙江大学生物工程研究所2022年5月27日4分离技术的定义分离技术的定义二种或多种物质的混合是一个自发过程，而要将混合物分开或将其变成产物，必须采用适当的分离手段（技术）并耗费一定的能量或分离剂。待分离的混合物可以是原料、中间产物或废弃物料，制得产物的组成依需求而定，仍然可以是混合物，也可以为纯度极高

2、的单体。浙江大学生物工程研究所2022年5月27日5分离的作用与意义分离的作用与意义浙江大学生物工程研究所2022年5月27日6分离技术及其在过程工程中的意义分离技术及其在过程工程中的意义 分离技术系指利用物理、化学或物理化学等基本原理与方法将某种混合物分成两个或多个组成彼此不同的产物的一种手段。 在工业规模上，通过适当的技术与装备，耗费一定的能量或分离剂来实现混合物分离的过程称为分离工程。 分离工程通常贯穿在整个生产工艺过程中，是获得最终产品必不可少的一个重要环节。浙江大学生物工程研究所2022年5月27日7工业生产过程中的地位工业生产过程中的地位 在化工生产过程中，分离方面的基建投在化工生

3、产过程中，分离方面的基建投资通常占资通常占5090，所消耗的能量也往，所消耗的能量也往往占绝大部分，例如：往占绝大部分，例如：1. 在聚乙烯生产过程中，精制所消耗的能在聚乙烯生产过程中，精制所消耗的能量占总能量的量占总能量的94；2. 在醋酸生产中，精制所消耗的能量为总在醋酸生产中，精制所消耗的能量为总能耗的能耗的98。浙江大学生物工程研究所2022年5月27日8例例1 酒精生产工艺酒精生产工艺（薯干发酵法、乙烯直接合成）（薯干发酵法、乙烯直接合成）精馏蒸馏初馏)(2526126(1222125126COOHHCOHCOHCOHCn（发酵糖化酶）糖化蒸煮（淀粉酶）浙江大学生物工程研究所2022

4、年5月27日9无水酒精的制取方法无水酒精的制取方法 恒沸精馏恒沸精馏 收率收率 8290 残留物多残留物多 加盐精馏 离子交换 分子筛吸附 渗透汽化渗透汽化 收率：收率：8996 残留物少残留物少浙江大学生物工程研究所2022年5月27日10 例例2 合成氨生产工艺合成氨生产工艺焦炭、空气焦炭、空气造气造气 除尘、脱硫除尘、脱硫 变换变换 脱碳、脱碳、脱硫脱硫压缩压缩 合成合成 合成氨（其中弛放气回收）合成氨（其中弛放气回收） 脱CO：铜氨液吸收 脱CO2： 热碳钾法、甲醇法 弛放气回收：（膜分离法） 增产5， 节能0.58106kJ/吨浙江大学生物工程研究所2022年5月27日11例例 3

5、离子膜法电解制液碱离子膜法电解制液碱 隔膜法 汞法 离子膜法NaOH 50 50 50Na2CO3 0.09 0.03 0.04NaCl 1.0-1.2 0.003 0.005 投资 100 95.5 80.0 浙江大学生物工程研究所2022年5月27日12例例4 谷氨酸生产谷氨酸生产（蛋白质水解、合成、发酵法）（蛋白质水解、合成、发酵法） 发酵液提取： 等电点提取等电点提取离心分离离心分离 中和脱色中和脱色真空真空结晶结晶 干燥干燥 )(6126(1222125126（谷氨酸（发酵糖化酶）糖化水解（水解酶）OHCOHCOHCn浙江大学生物工程研究所2022年5月27日13谷氨酸提取方法谷氨酸

6、提取方法 等电点法：收率6070，母液含1.8 离子交换法：工艺长、占地大、耗酸碱、废液多，操作严、提取率高 盐酸盐法：收率85，Zn污染环境 金属盐法：锌、钙盐法，国内未采用 电渗析法：提取率电渗析法：提取率85，酸碱用量减半，酸碱用量减半浙江大学生物工程研究所2022年5月27日14分离技术与日常生活分离技术与日常生活 洗脸、刷牙的自来水、饮用的纯净水大多洗脸、刷牙的自来水、饮用的纯净水大多通过对来自江河湖海的水处理后获得的；通过对来自江河湖海的水处理后获得的； 食用的果汁、生啤、白糖、食盐等分别通食用的果汁、生啤、白糖、食盐等分别通过蒸发、膜滤、结晶、电渗析等方法制得；过蒸发、膜滤、结晶

7、、电渗析等方法制得； 汽车所用的汽油、煤油等都是通过对原油汽车所用的汽油、煤油等都是通过对原油加氢反应除去硫磺并经分馏制得。加氢反应除去硫磺并经分馏制得。 浙江大学生物工程研究所2022年5月27日15分离技术与环境保护作用分离技术与环境保护作用 加油站在汽车加油过程中释放的汽油，有机溶剂加油站在汽车加油过程中释放的汽油，有机溶剂在储运过程中的挥发；在储运过程中的挥发； 由汽车排放的尾气、旅游大巴放出的黑烟、氮氧由汽车排放的尾气、旅游大巴放出的黑烟、氮氧化合物，喷气机喷出的白雾等，造成了严重的空化合物，喷气机喷出的白雾等，造成了严重的空气污染。气污染。 及时去除空气中气溶胶（及时去除空气中气溶

8、胶（PM2.5颗粒物）、易挥颗粒物）、易挥发有机物（发有机物（VOCs）、降低）、降低NOX、SO2、CO和和CO2等均需要快速有效的新型分离技术。等均需要快速有效的新型分离技术。 浙江大学生物工程研究所2022年5月27日16分离技术与人类健康、保健分离技术与人类健康、保健 人工肾人工肾筛分透析脱出尿酸筛分透析脱出尿酸血液透析血液透析; 人工肺人工肺供氧和去除供氧和去除CO2血液氧合血液氧合; 人工肝人工肝 置换及吸附置换及吸附血液脱毒。血液脱毒。 调节人体平衡、维持生活、延长寿命调节人体平衡、维持生活、延长寿命浙江大学生物工程研究所2022年5月27日17分离技术与能源再生利用分离技术与能

9、源再生利用 按当前年消耗量，化石燃料难以持久：按当前年消耗量，化石燃料难以持久： 除煤可维持二三百年外，核能铀在内的其除煤可维持二三百年外，核能铀在内的其它能源，只有六十年左右的用量，开发新它能源，只有六十年左右的用量，开发新能源与提高利用率成为必要。能源与提高利用率成为必要。 如贫矿铀的富集新技术、氢能源开发、燃如贫矿铀的富集新技术、氢能源开发、燃料电池的应用、风能与水能的利用等均需料电池的应用、风能与水能的利用等均需要有高效而经济的分离技术。要有高效而经济的分离技术。浙江大学生物工程研究所2022年5月27日18 新型分离技术开拓与发展的新型分离技术开拓与发展的必切性必切性科技发展与探索的

10、需求科技发展与探索的需求 （新材料、新产品、新工艺）（新材料、新产品、新工艺）资源利用与清洁生产的需求资源利用与清洁生产的需求 （节能、增产）（节能、增产）生态环境保护的需求生态环境保护的需求 （环保与综合利用）（环保与综合利用）浙江大学生物工程研究所2022年5月27日19科技发展与探索的需求科技发展与探索的需求 随着现代生产和科学技术的飞速发展，人民随着现代生产和科学技术的飞速发展，人民生活水平的逐步提高，对分离技术提出了越生活水平的逐步提高，对分离技术提出了越来越高的要求。来越高的要求。 典型例：典型例：1.半导体工业中所需的高纯度气体氩、氦及半半导体工业中所需的高纯度气体氩、氦及半导体

11、材料硅和锗等；导体材料硅和锗等；2.天然铀矿中天然铀矿中U235仅为仅为07左右，扩散、膜左右，扩散、膜分离、高速离心分离；分离、高速离心分离；3.航天领域的载人空间飞行器及空间站舱内空航天领域的载人空间飞行器及空间站舱内空气的净化、气的净化、CO2的去除、饮用水的制备及生的去除、饮用水的制备及生活废水的再利用等。活废水的再利用等。浙江大学生物工程研究所2022年5月27日20资源利用与清洁生产需求资源利用与清洁生产需求 人类赖以生存的三大资源：能源、水、矿物人类赖以生存的三大资源：能源、水、矿物 可再生资源生产能源产品，例如，农副产品纤可再生资源生产能源产品，例如，农副产品纤维素分解发酵生产

12、酒精、玉米芯生产木糖醇等；维素分解发酵生产酒精、玉米芯生产木糖醇等； 能源的危机促使人们对工业过程中的能耗技术能源的危机促使人们对工业过程中的能耗技术进行改造等进行改造等; 在沿海城市，利用充足的海水资源，进行苦咸在沿海城市，利用充足的海水资源，进行苦咸水脱盐、海水淡化将是缓解沿海城市缺水的主水脱盐、海水淡化将是缓解沿海城市缺水的主要途径之一。要途径之一。浙江大学生物工程研究所2022年5月27日21生态环境保护的需求生态环境保护的需求 我国的环境状况： 废、污水排放总量约占世界10以上，国民生产总值约占世界的3； 空气中易吸入颗粒物（PM2.5）、二氧化硫、VOCs、温室气体等的大幅度或成倍

13、超标，对大气造成了极为严重的污染； 固体废弃物堆积量已超过60亿吨，占地约75万亩。浙江大学生物工程研究所2022年5月27日22常规分离技术改良与新型分离技术常规分离技术改良与新型分离技术的产生的产生 促使一些常规分离技术，如蒸馏、吸收、萃取、吸附、结晶等不断改进和发展，更使一些特色明显的新型分离技术，如膜分离、泡沫分离、超临界流体萃取、印迹分离，以及集成技术等得到重视和开发。浙江大学生物工程研究所2022年5月27日23分离过程的分类分离过程的分类浙江大学生物工程研究所2022年5月27日24分离过程的几个概念分离过程的几个概念分离过程通常由原料、产物、分离剂及分离装置组成；分离剂加到分离

14、系统中使过程得以实现的能量或物质，或两者并用；分离装置分离过程得以实施的必要物质设备，它可以是某个特定的装置，也可指从原料到产品之间的整个流程。浙江大学生物工程研究所2022年5月27日25分离过程分类分离过程分类 机械分离机械分离 传质分离传质分离(平衡分离、速率控制分平衡分离、速率控制分离离) 反应分离反应分离浙江大学生物工程研究所2022年5月27日26机械分离机械分离机械分离：机械分离： 分离装置中，利用机械力简单地将两相混合物相互分离的过程称为机械分离过程，它的分离对象大多是两相混合物，分离时，相间无物质传递发生。 浙江大学生物工程研究所2022年5月27日27几种典型的机械分离过程

15、名 称原料相态分离剂产物相态分离原理应用实例过 滤液固压 力液固粒径过滤介质孔径浆状颗粒回收沉 降液固重 力液固密度差浑浊液澄清离心分离液固离心力液+固固液相颗粒尺寸结晶物分离旋风分离气固(液) 惯性力气固(液) 密度差催化剂微粒收集电除尘气固电场力气固微粒的带电性合成氨气除尘浙江大学生物工程研究所2022年5月27日28传质分离传质分离 传质分离可以在均相或非均相混合物中进行，在均相中有梯度引起的传质现象发生； 可以分为平衡分离和速率控制分离两大类。浙江大学生物工程研究所2022年5月27日29 平衡分离 依据被分离混合物各组分在不互溶的两相平衡分配组成不等的原理进行分离的过程，常采用平衡级

16、概念作为设计基础。浙江大学生物工程研究所2022年5月27日30几种典型的平衡分离过程名称名称原料相态原料相态分离剂分离剂产物相态产物相态原理原理应用实例应用实例蒸发蒸发液液热热液汽液汽物质沸点物质沸点稀溶液浓缩稀溶液浓缩闪蒸闪蒸液液热减压热减压液汽液汽相对挥发度相对挥发度海水脱盐海水脱盐蒸馏蒸馏液或汽液或汽热热液汽液汽相对挥发度相对挥发度酒精增浓酒精增浓热泵热泵气或液气或液热或压力热或压力二气或二液二气或二液吸附平衡吸附平衡CO2/He分离分离吸收吸收气气液体吸收剂液体吸收剂液气液气溶解度溶解度碱吸收碱吸收COCO2 2 萃取萃取液液不互溶萃取剂不互溶萃取剂二液相二液相溶解度溶解度芳烃抽提芳

17、烃抽提吸附吸附气或液气或液固体吸附剂固体吸附剂液或气液或气吸附平衡吸附平衡活性炭吸附苯活性炭吸附苯离子交换离子交换液液树脂吸附剂树脂吸附剂液液吸附平衡吸附平衡水软化水软化萃取蒸馏萃取蒸馏液液热萃取剂热萃取剂汽液汽液挥发度、溶解度挥发度、溶解度恒沸物分离恒沸物分离结晶结晶液液热热液固液固糖液脱水糖液脱水浙江大学生物工程研究所2022年5月27日31速率控制分离速率控制分离 依据被分离组分在均相中的传递速依据被分离组分在均相中的传递速率差异而进行分离的，例如利用溶率差异而进行分离的，例如利用溶液中分子、离子等粒子的迁移速度、液中分子、离子等粒子的迁移速度、扩散速度等的不同来进行分离。扩散速度等的不

18、同来进行分离。浙江大学生物工程研究所2022年5月27日32几种典型的速率控制分离过程几种典型的速率控制分离过程名称名称原料相原料相分离剂分离剂产物产物原理原理应用实例应用实例气体渗透气体渗透气气压力、膜压力、膜气气浓度差、压差浓度差、压差富氧、富氮富氧、富氮反渗透反渗透液液膜、压力膜、压力液液克服渗透压克服渗透压海水淡化海水淡化渗析渗析液液多孔膜多孔膜液液浓度差浓度差血液透析血液透析渗透蒸发渗透蒸发液液致密膜、负压致密膜、负压液液溶解、扩散溶解、扩散醇类脱水醇类脱水泡沫分离泡沫分离液液表面能表面能液液界面浓差界面浓差矿物浮选矿物浮选色谱分离色谱分离气或液气或液固相载体固相载体气或液气或液吸附

19、浓度差吸附浓度差难分体系分离难分体系分离区域熔融区域熔融固固温度温度固固温差温差金属锗提纯金属锗提纯热扩散热扩散气或液气或液温度温度气或液气或液温差引起浓差温差引起浓差气态同位素分离气态同位素分离电渗析电渗析液液电场、膜电场、膜液或气液或气电位差电位差氨基酸脱盐氨基酸脱盐(膜膜)电电 解解液液(膜膜) 电场电场液液电位差电位差液碱生产液碱生产浙江大学生物工程研究所2022年5月27日33反应分离 化学反应通常能将反应物转化为目的产物，如果这类可转化为目的产物的反应物存在于混合物中，则我们可籍助于化学反应将其从混合物中分离出来或直接把它去除。 化学反应的种类很多，可分为可逆与不可逆反应、均相与非

20、均相反应、热化学反应、电化学反应、(光)催化反应等。浙江大学生物工程研究所2022年5月27日34几种典型的反应分离技术分离种类原料相分离剂代表性的技术应用实例可逆反应可再生物再生剂离子交换、反应萃取水软化不可逆反应一次性转化物 催化剂反应吸收、反应结晶烟道气中SO2吸收分解反应生物分解反应生物体微生物生物降解有机废水厌氧生物处理电化学反应电反应物电、膜双极膜水解反应湿法精炼光反应光反应物光烟道气CO2生物转化浙江大学生物工程研究所2022年5月27日35各种分离技术的成熟度和应用度各种分离技术的成熟度和应用度浙江大学生物工程研究所2022年5月27日36本课程教学方案浙江大学生物工程研究所2

21、022年5月27日37本课程的教学目的本课程的教学目的 分离技术是专门研究化工过程中混合物的分离、提取与纯化的一门专业课程，主要内容涉及特种精馏、新型萃取分离、吸附、离子交换与色谱、膜分离、结晶、泡沫分离、磁分离、分子印迹分离，以及耦合与集成技术等。 通过对分离技术的学习，使学生加深对分离技术的基本原理和方法的理解，拓宽知识面，了解分离技术的发展新动向； 通过例题演示和习题练习，使学生掌握分离过程的选择原则和有关过程设计方法, 在化工分离过程方面初步具有开拓、创新与应变能力，以适应飞速发展的科学技术和生产的需要，满足人才市场的需求。浙江大学生物工程研究所2022年5月27日38考试成绩组成1.

22、 平时习题 20%2. 读书报告 20%3. 考试 60%浙江大学生物工程研究所2022年5月27日39主要参考书 1. 刘家祺，分离过程，化工出版社，2002； 2. 邓修、吴俊生，化工分离工程，科学出版社，2000； 3. J.D.Seader,E.J.Henley, Separation Processes Principles, 化工出版社，2002； 4. A.A.Garcia et al., Bioseparation Process Science, 清华大学出版社，2002 5。大矢睛彦著，张瑾译，分离的科学与技术，中国轻工出版社，1999 6。何潮洪，化工原理，化工出版社，2001 7。E.L.Cussler, 扩散流体系统中的传质，化工出版社，2002浙江大学生物工程研究所2022年5月27日40