分离科学与技术概述.docx
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分离科学与技术概述
分离科学与技术SeparationScienceandTechnology
清华大学化工系
主要内容
¾分离科学与技术的作用
1日常生活中的分离技术
2生命体中的分离现象
3分离工程—现代文明的支柱之一
¾分离科学与技术的基础
1基本原理和关键参数
2若干主要分离技术和设备
¾分离科学与技术前沿方向¾个人体会
什么是分离?
为什么要分离?
如何实现分离?
……..“分类精灵”想开来,……..
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我国古书《物原》、《世本》有“黄帝时,诸侯有凤沙氏,始以海水煮乳煎成盐”。
明代的《天工开物》和清代的《图书集成》有“煮酒”、“糖霜”(冰糖的制作记载
<<天工开物>>
酒盐
糖
<<天工开物>>
分离科学与技术早已存在于人类生产生活中,与日常生
活紧密联系。
水净化
芳香物、油料、色素
气体净化
生命体中的分离现象
生命体需要的最基本的物质:
氧气和水
分离过程是保持生命活力的关键过程。
•超纯水、超纯溶剂,99.99%,99.9999%
•核燃料铀-235,钚-239等提取,要求从含量小于1%的原料中提取铀或钚,提取率达到99.9%,去污率为106-108。
•彩电显像管的原料之一就是纯度为99.999%的钇。
能源保障
原油
常压炉减压炉常
压
塔
减压塔汽油
回流
煤油轻柴油重柴油接抽空系统减压一线减压二线减压三线减压渣油
经济资源+战略资源:
水
电渗析
机械过滤微、超滤
精密过滤
阴阳离子混合柱
紫外灯
阴离子交换
阳离子交换
原水
超纯水
杂质含量:
Fe<1ppb,Na<0.5ppb,Cu<0.5ppb,
Ca<1ppb,Mg<0.1ppb,Zn<0.5ppb
生命健康保障:
药物分离
细胞破碎
加热,絮凝等
细胞分离成品加工
高度纯化
初步纯化
细胞碎片分离
发酵液
生命健康保障:
药物分离
硫酸调pH
加热,絮凝等
过滤机去除菌丝体
缓冲液反萃取
乙酯萃取
缓冲液反萃取
丁酯萃取
青霉素发酵液
结晶,干燥
青霉素盐
生命健康保障:
医疗器械
Blood
PurifiedBlood
Water
Water
Dialysis
HollowFiber
血液
血液
毒素
大分子微胶囊
胰岛素微胶囊
化学工程学科诞生以来,分离工程就是化学工程学科的两大核心之一。
分离过程的投资占化工企业投资总额的50-90%。
分离工程-现代文明的支柱之一
主要内容
¾分离科学与技术的作用
1日常生活中的分离技术
2生命体中的分离现象
3分离工程—现代文明的支柱之一
¾分离科学与技术的基础
1基本原理和关键参数
2若干主要分离技术和设备
¾分离科学与技术前沿方向¾个人体会
分离过程定义
利用物理或化学方法在某种设备内通过能量和物质的迁移
来实现将一混合物转化成互不相同的二种或两种以上混合
物或纯物质的过程。
分离设备+分离剂原料控制条件
产品
分离过程的要素:
处理对象、产品要求、分离方法与设备
分离过程的对象:
多相多组份体系
分离过程的目标:
经济、可行、环境友好地得到高品质产
品或去除杂质组分
宇宙的熵趋于极大
-克劳修斯
将盐置于水中,盐就溶解并趋向于形成一种组成完全均匀的溶液。
没有什么简单的方法能使水和盐再度分离。
热力学第二定律指出,一切自发过程均使宇宙的熵或混乱度增加。
因此要
分离某种混合物成为不同组成的产品,对该混合物供给相当的热力学功。
如果A和B两种物质混合物的自由焓小于两种纯物质
的自由焓之和,则会自发混合。
实现完全分离所需
要消耗的最小能量W
应大于或至少等于混合自由焓。
min
Wmin≥ΔGm=ΔHm-TΔSm
实际上分离过程的能量是最小能量的许多倍!
(1力学能:
机械能、流体动能、位能;
(2热能;
(3电能;
(4化学能:
浓度差、化学结合能;
(5光能;
(6核能。
热力学性质反应速度性质生物学方面的性质
反应平衡常数,化学吸附平衡常数,离解常数,电离电位反应速度常数
生物学亲和力,生物学吸附平衡,生物学反应速度常数物理性质
化学性质
力学性质热力学性质电、磁性质输送性质密度,摩擦系数,表面张力,尺寸(几何结构,质量熔点,沸点,临界点,蒸气压,溶解度,分配系数,吸附平衡电导率,介电常数,迁移率,电荷,淌度,磁化率扩散系数,分子运动速度
主要特征:
•尺寸•形状•荷电性质•极性•溶解度•挥发性•迁移速率涉及的主要基础知识:
•物质和能量守恒定律
•化工热力学:
相平衡、溶液理论•传递过程原理
•化学反应动力学
传质分离方法
机械分离方法
分离方法
速率控制分离过程平衡控制分离过程
分离规模•分析型分离技术•制备型分离技术•工业型分离技术
分离模式•间歇
•连续
•半连续
•精馏(蒸馏
•萃取(液液萃取、固液浸取•吸收
•吸附
•色谱分离
•膜分离
•过滤
•亲核分离
•干燥
•蒸发
•沉淀
•结晶
•电泳
•离心分离
单位时间单位面积的分离设备所能通过的物质总量
两种待分离组分在两种产品中的分率比值之比,即
2
21
1//jijiijxxxx=α通量(处理量:
回收率:
是指所得到产品的量与原料中该物质总量的比值。
分离因子:
问题:
如何选择一个合适的分离过程呢?
1技术可行的
2经济可行的•分离体系的性质
•分离方法的选择
•产品要求
•特殊性质(如热敏性,放射性等•经济性
•安全性
•环境因素
•经验因素
•…...
主要内容
¾分离科学与技术的作用
1日常生活中的分离技术
2生命体中的分离现象
3分离工程—现代文明的支柱之一
¾分离科学与技术的基础
1基本原理和关键参数
2若干主要分离技术和设备
¾分离科学与技术前沿方向¾个人体会
¾温室气体捕集分离装备与技术
¾有机气体、有机水溶液、金属离子回收
¾生物大分子、手性药物、同分异构体分离技术¾可再生资源的前处理和高效分离技术
•分离过程的选择性不高
•分离过程的能源及环境效益仍不能满足要求•跨学科交叉领域中新问题的发现和研究仍待加强•对于新材料及新对象的认识还较肤浅
•缺乏对于相界面传递的微观机理的认识
前沿方向例一:
微化工系统EffectiveEffectivemixingmixingEffectiveEffectivemassmassandandheatheattransfertransferHighHighselectivityselectivityInherentInherentsafetysafetyNumbering-upNumbering-upmethodmethodEnableEnablecontrolcontrol
前沿方向例一:
微化工系统
前沿方向例一:
微化工系统100μmwide×100μmhighThemeasuredchannelcontinuephaseflow560μmwide×500μmhigh100μmwide×100μmhighdispersedphaseflowcontinuephaseflow100μmwide×100μmhigh
前沿方向例二:
分离功能材料新材料:
自组装自组织材料、仿生材料、膜、吸附剂、树脂、微胶囊、传感材料、光电材料、灵敏材料、生物相容材料,环境材料、纳米及粉体材料、复合材料等
前沿方向例二:
分离功能材料红外光源信号接收筛板mm\60A/D板塔体\65取样口双探头光纤照相法红外光纤探针在线测量技术
前沿方向例二:
分离功能材料
前沿方向例二:
分离功能材料新型微胶囊制备技术单分散中空溶剂微球
几点体会•分离学科成为化学工程核心之一是历史的必然;•工程学科要与重大需求相结合,要特别注重解决本地区的问题,这就是前沿问题;•要善于学习,注重借鉴其他学科的最新进展,化学、化工、生物、材料等学科的交叉将为化工学工程学科的发展提供基础;•绿色、安全、高效和可控是化工学科的目标。
谢谢!