1、分离过程的进展段占庭2004.6.13目 录1.精馏技术的进展2.萃取分离技术3.吸附分离技术4.膜分离技术5.结晶分离技术6.精细化工中的分离工程与清洁生产技术7.石油化工中的分离工程与节能技术8.结论概 论 现代化学工程 现代化工： 基础化工：三酸二碱（传统煤化工） 化肥工程:（传统煤化工） 石油化工：合成塑材、合成纤维、合成橡胶 精细化工：制药、农药、燃料、助剂、日化等 生物化工：环境化工、农业化工、资源化工等 现代化工涉及到：人民的衣、食、住、行、健康 以及能源、资源、环境等重大问题。现代化工发展的特点 1.生产规模大型化原油常减压蒸馏装置：50万吨/年500万吨/年1000万吨/年。
2、乙烯裂解装置： 5万吨/年30万吨/年80万吨/年120万吨/年。精馏塔：直径达18米反应器：几百立方米 2.产品纯度趋向试剂化产品质量要求愈来愈纯杂质含量几个PPM 3.生产装置的最佳化从单个设备设计到单元操作的优化整个生产过程过程和系统优化。 化学工程是过程工业的技术基础 现代化学工程的重要性日益突出 反应工程工程放大 分离工程精密分离 化工系统工程最优化 化学工程的基础 化工热力学 传递过程原理化学、化工工艺与化学工程的关系化学工程化学工艺化学仪表控制工艺与过程结合设备与过程结合目前企业缺乏工程技术，在许多关键技术和装备上落后。光重视产品开发，不重视工程技术的研究原料精制反应反应产物的分
3、离、纯化反应与分离的相辅相成 1.1.什么叫分离工程什么叫分离工程 定义：分离工程是一门研究分离过程与设备的技术科学。 分离过程是化工生产的重要组成部分，包括原料的净化，产品的精制提纯，物料的浓缩，混合物的分离等。分离过程有多种，主要包括精馏、吸附、结晶等等。 广义：凡是一个混合物分离成二个以上组成彼此不同产品的生产过程，都属分离过程。 条件：分离过程是混合的反过程，不可能自发进行。 1）分离的基础推动力 被分离组分具有某种物理或化学性质的差异 2）加入能量分离剂 必须与外界进行能量与质量交换，外加能量或质量分离剂 3）分离的实施分离设备 在设备内进行流体流动，传质、传热和反应过程。 分离科学
4、是一门研究被分离组分在空间移动和再分布的宏观和微观变化规律的学科。分离工程的发展 历史：在“化工刊物” 上记载我国古代酿酒、制糖早已采用蒸馏、结晶等分离技术。发源于我国，发展于欧洲石油化工生产。 （1）手工作坊阶段 小批量，间歇，实验室，经验和工艺。 （2）单元操作阶段 十九世纪中，石油化工发展，精馏、吸附成为化工重要单元，连续化，传质过程，相似理论，准数，半理论半经验。 （3）分离科学阶段 20世纪70年代，对分离技术提出更高要求，原有单元操作应用面越来越广，各种新分离技术不断出现。 分离工程发展趋势 1）高效节能：如膜分离 2）种类越来越多：物理、化学等等 3）单一过程向组合过程发展 4）
5、操作方式不断改进：间歇连续周期循环 5）操作条件：向低温高压发展，适应生物等特点分离技术在国民经济中的重要意义分离技术在国民经济中的重要意义 应用面广：资源、环境中的化工分离过程。 影响深远：是提高工程经济效益的有力途径，称为提高质量、降低物耗、能耗的分离技术。 （1）提高质量 精细化工不精，产品质量与国际标准差一个档次，目前国内粗品多，精品紧缺。 1-氨基蒽醌98%，9万元/吨 （2）提高收率、降低物耗 煤油，拔出率1%，效益几个亿 溶媒回收，各个药厂，每月上千万元 （3）降低能耗 精馏节能，溶液浓缩等 （4）资源的深加工和综合利用 有害物质的去除，有用物质的提取 植物油脂 天然香料传质分离
6、过程的理论探讨 目的意义：目的意义： 原有的单元操作应用面愈来愈广 新分离技术迅速发展 需要系统的探讨传质分离过程的共同原理和规律 定义：定义：J.KingJ.King 分离过程是将一个混合物分离成两个以上组成彼此不同的产品的生产过程 性质：不可能自行进行，需要以下条件 1）分离的基础 2）分离剂 3）分离设备 传统的传质理论：传统的传质理论： 单相扩散传质过程：Fick定律，推动力两相接触的传质过程：双膜理论，表面更新理论，表面渗透理论，双阻力理论等，传质速率方程)/(LCDNAcCKFNA问题：组分相界面是如何传递的？不能解释热扩散，反渗透等传质分离机理。矛盾：浓度差引起的扩散传质是一种高
7、浓度向低浓度迁移的过程，而分离过程是不可能自发进行的。 非平衡热力学的观点：非平衡热力学的观点： 传质分离过程的进行必然同外界发生能量或质量的交换，因此： 1）系统是一个开放体系，而不是封闭体系 2）体系属于非平衡态，而不是平衡态 分离过程：分离过程： 组成的变化必然与系统熵的变化有关，而熵的变化可分为两部分sdsddsie其中：des为熵流项，体系与环境进行能量或质量交换所引起的dis：体系内部不可逆过程所产生的 传质分离过程的机理传质分离过程的机理：体系能量或质量交换环境 ds0,但desW空，不利于生产能力提高空，不利于生产能力提高筛筛 板板浮浮 阀阀水平喷出水平喷出 相互干扰不利于生产
8、能力提高相互干扰不利于生产能力提高 浮浮 喷喷水平喷出，无干扰同一方向，不断加速有利于生产能力提高不利于汽液接触 塔板上合理的气液流动，交错排列的斜孔。水平喷 出，无互相干扰。气体分布均匀，避免气流不断加 速，有稳定液层。 （2） 吸取多降液管板(MD板)的降液管结构，形成 三种类型的斜孔塔板： 1.斜孔单溢流塔板，塔径8002000, 减压，常压。 2.斜孔多溢流塔板，L, 塔径D1500，大液体负 荷塔。 3.斜孔多溢流边沿气密封塔板，塔径D800，小塔。 2.热模对比实验 （3） 斜孔塔板的主要特点: 生产能力大：在同样情况下，比浮阀塔约 高3040%。 塔板效率高：一般等于或稍高于浮阀
9、板。 有一定弹性：一般=2.53.0，可满足生产要 求，结构简单，加工成本低，不 堵塞目前已在一百多座塔中应用，是一种性能较好的塔板。（4） 改进的复合型斜孔塔板，操作弹性可达34， 是性能更为优异的通用型塔板。 减压精馏结果减压精馏结果常压精馏结果常压精馏结果装置名称装置名称 塔径塔径(mm) 体系体系 实验内容实验内容 研究目的研究目的 小型冷模 150空气-水 流体力学现象 确定塔板结构 小型热模 150酒精-水 精馏效应 传质效果 冷模放大 600空气-水 流体力学数据 放大效应 热模放大 600苯-甲苯,乙苯-苯乙烯 大塔板效率 工业体系的精馏效率 冷模 600空气-水-氧 流体力学
10、,氧解析 与浮阀塔对比 热模 800苯-甲苯,乙苯-苯乙烯 常、减压精馏 与浮阀塔对比 表表 斜孔塔板的实验研究过程斜孔塔板的实验研究过程 一种复合斜孔塔板 为了提高斜孔塔板的弹性，我们设计了一种复合的斜孔塔板，由二部分斜孔组成： 交错排列的固定斜孔7080% 定向排列的浮动斜孔 2030% 前者是汽液接触的主要区域。后者可以起二个作用：一是导向孔(类似Linde板)，推动两侧液体流动，减少死区和返混；二是调节开孔率(类似浮舌), 增加操作弹性。 其特点：其特点： 1.宽的操作弹性范围, =34 2.高的生产能力, 开孔率S=1517% 3.低的液层和阻力 这种塔板已获专利授权，专利号：942
11、08510.8 它的性能明显优于舌形、浮舌、网孔、林德板以及导向浮阀等等。 . 5 1 2 3 4 1.降液管 2.溢流堰 3.固定斜孔 4.浮阀斜孔 5.受液盘复合斜孔塔板板面布置图（单溢流） 2.填料的发展与新型填料 1)填料的种类哈埃派克环阶梯环拉西环环型类隔板环螺旋环十字格环环勒辛环米字内筋井字内筋鲍尔环比阿雷茨基环短拉西环鞍型类马鞍型矩鞍型 鞍型改进矩型鞍鞍环类莱佛厄派克环（环鞍）金属环矩鞍（鞍环） 2 2）填料的发展）填料的发展 （1）改变形状，增加接触面积 拉西环佰松环马鞍鲍尔环 形状愈来愈复杂 （2）改善表面润湿，增加有效面积 突出物环麦克马洪等 丝网，高效填料 （3）改善分布
12、，采用规则填料 波纹板丝网波纹多孔波纹 刺孔波纹拉孔波纹等 3 3）填料塔的若干问题）填料塔的若干问题 （1）各种填料的分离效果 根据F.R.I专家介绍，在工业塔上实验认为：各种填料的HETP只与其尺寸有关： 散装：1”500mm 规则：350 2”700mm 250 70”1000mm 150 （2）散装填料与规则填料 在大液量时，规则填料不稳定，有悬浮和易堵塞时，规则填料不如散装填料。在成本和阻力，规则优于散装填料。 （3）填料塔性能的关键是分布器 初始分布液体分布器 重要 塔内液体再分布 更重要 而目前没有好的液体再分布器 根据F.R.I工业实验H6英尺，效果下降 （4）目前填料塔存在的
13、问题 a.成本高，整塔填充用量大 b.易堵塞，不适于聚合、悬浮物料体系 c.大液相负荷下，易返混和短路，效率下降 d.不适于多侧线采出塔 4 4）精馏塔改造与选型的若干问题）精馏塔改造与选型的若干问题 （1）各种精馏塔其要求不同 提高生产能力为主的塔 提高分离效率的塔 要求阻力小的塔 塔内液相负荷很大的塔 物料易堵塞、自聚的塔 （2）各种精馏塔各有优缺点 选型时主要考虑的因素 生产能力、分离效率、阻力、弹性、 结构、成本、堵塞、检修等 各种塔板和填料都有优点和缺点 关键在于选型是否合适（方案） （3）各种精馏塔存在的问题不同 具体情况要具体分析 限制塔生产能力的因素 气相负荷 夹带量 液相负荷
14、 溢流量新精馏方法的研究新精馏方法的研究 问题提出： 当前生产发展的主要矛盾： 六十年代：生产能力，扩大设备 八十年代:产品质量、成本，采用新技术 提高工厂的经济效益是当前生产发展的主要矛盾。 设备结构的改进不解决本质问题 例1.兰化丙烯聚乙腈萃取精馏塔 例2.燕化碳四抽提萃取精馏塔 例3.燕化丙酮精馏塔 许多难分离物料的分离是普通精馏方法所不能解决的，因此需要进行新精馏方法的研究。 1）沸点相近组分的分离加盐萃取精馏 2）高纯物质的生产技术反应精馏技术 3）高沸点热敏物质的精馏真空精馏技术 （一）加盐萃取精馏技术（一）加盐萃取精馏技术 1.1.加盐萃取精馏原理加盐萃取精馏原理 提出：普通精馏
15、很难分离沸点相近的组分 萃取精馏的主要缺点： 溶剂比大，一般S/F，5-10以上。因而引起：液相负荷高，板效率低（20-25%）塔能力小。溶剂循环量大：物耗、能耗高。 关键：分离剂 盐效应 盐对汽液平衡的影响 机理： 宏观：盐溶、盐析 沸点上升、蒸汽压下降 微观：介电常数、静电力 分子缔合 溶盐精馏 把盐效应应用于精馏、分离剂为固体溶盐 几种溶盐精馏的方式 缺点：盐的回收循环困难 分析综合优点 缺点萃取精馏溶剂为液体 溶剂比大易于工业应用 分离效果差溶盐精馏演的分离效果好 盐是固体，回收盐用量小 循环困难加盐萃取精馏、溶剂+盐 2.2.加盐萃取精馏的研究加盐萃取精馏的研究 实验研究 1）盐和溶
16、剂的选择 2）含盐体系的汽液平衡 3）加盐萃取精馏的工艺实验 技术指标的比较 以乙醇-水体系、与国外先进技术比较生产方法溶剂比S/F理论板数乙二醇萃取精馏5：149加盐萃取精馏1：116-18该技术成果，荣获：北京市科技成果一等奖，国家发明奖三等奖，日内瓦国际发明青铜奖。 3.3.工业应用工业应用 1）加盐萃取精馏制取无水乙醇 在生产无水乙醇各种工艺的比较 加盐萃取精馏生产无水乙醇的产品质量和经济效益： 质量：水含量1000元 目前已在国内广泛应用。 2）提纯叔丁醇 粗叔丁醇88%，有共沸点，分离困难。 中试结果，产品质量，纯度99%，已具备工业应用条件。 3）回收异丙醇 共沸精馏能耗大，苯污
17、染 加盐萃取精馏，回收异丙醇节能30%以上 已设计1.2万吨/年异丙醇装置投产成功 4）提浓和回收稀盐酸 大量稀盐酸的回收难题，污染环境 加盐萃取精馏，破坏共沸点，从稀盐酸生产试剂盐酸、废水排放酸0.1%以下反应精馏技术反应精馏技术 反应与精馏的结合： 平田（日）精馏反应 Holve（英）反应精馏 提高反应转化率 改变相对挥发度 1.反应萃取精馏制取高纯丙酮、丁酮 可逆反应于精馏，极大的提高分离效果 分离剂：溶 剂 溶 盐 反应剂 作用力：范德华 离子静电力 络合健力 可逆反应的设计可逆反应的设计 对有机物脱水：对有机物脱水：乙二醇+NaOH乙二醇钠+H2O流程原料反应萃取精馏精馏回收溶剂产品
18、 1.1.反应萃取精馏制取高纯丙酮、丁酮反应萃取精馏制取高纯丙酮、丁酮 实验：丙酮、丁酮脱水 溶剂比：1：1 理论板4-5块 产品水含量10-3）短程蒸馏，阻力小 汽化冷凝结合的真空精馏技术 热分离 相变（汽化冷凝） 部分汽化 汽相 液相 部分冷凝 易挥发组分 难挥发组分 特点：分离剂热能，径向流动短程精馏，达到阻力很小、分离效果高。 卧式塔卧式塔 由水平卧式塔，包括加热部件和冷凝部件组成，1986年批准发明专利。 分离效果：每米8-10理论板 0 应用 1)维生素E的分离提纯 原料（92%）产品纯度99.5%，真空度0.2 通过小试鉴定。 2）单碳脂肪醇的分离 原料：混合醇 C14C16C1
19、8C20等 产品：单碳醇 C1696% C1898% 已通过中试鉴定 2.2.真空精馏分离脂肪酸真空精馏分离脂肪酸 目前植物油厂在油脂精炼过程中产生大量皂脚，经过酸化得到混合脂肪酸，一般采用蒸馏和二次压榨的老工艺。 流程如下：混合酸蒸馏一次压榨二次压榨固体酸二压液体酸液体酸脱色 这种生产工艺复杂，劳动强度大，污染严重，产品质量差，固体酸中有大量的不饱和酸，液体酸中有大量的饱和酸。 真空精馏分离脂肪酸新工艺真空精馏分离脂肪酸新工艺 直接用真空精馏分离：工艺简单，易于扩大生产规模，可以得到高质量的产品。 固体酸（棕榈酸C1495%）碘值95% ）碘值120 无色液体 具有很好的经济效益，正在进行中
20、试 3.3.真空精馏法生产真空精馏法生产1 1氨基蒽醌氨基蒽醌 老工艺的主要问题 产品质量差：纯度98%，收率90%，减少污染 正在进行中试。三、精馏过程的节能1.多效精馏甲醇水该用双效精馏可节能40联氨食盐水三效蒸馏蒸汽用量仅为单塔的35 F 1 2 3 W D2 D1 D3 多效精馏工艺流程 2.热泵精馏丙稀丙烷采用热泵精馏再沸器所需热能仅为原塔的1015目前还在研究吸收式热泵精馏热泵精馏适用于温差较小的精馏体系 F W D 开式循环热泵精馏 F W D 闭式循环热泵精馏 3.热耦蒸馏一般三组分精馏分离需要两个再沸器和两个冷凝器，而采用热耦蒸馏只需要一个再沸器和一个冷凝器，节能2025。 A B C 热偶精馏示意图 D 压缩机 减压阀 F 提 馏 段 精 馏 段 膨胀机 S.R.V 精馏 F W 0,2,CCTm， 2,2,CCTm， 2,2,BBTm， 0,2,BBTm， D D W 0,1 ,BBTm ， 1 ,1 ,CCTm ， F 1 ,1 ,BBTm ， 0,1 ,CCTm ， FT FT Q Q Q Q 常规精馏与“塔内换热”精馏的对比
