《化工工艺学》教案第四章产物的分离和提纯.docx

1、化工工艺学教案第四章产物的分离和提纯第四章产物的分离和提纯 产物是指从反应器中出来的物料。大多数反应产物都是混合物，它包括未反应掉的原料和反应生成物。气相反应器和气固相反应器的产物主要是气体产物和夹带的催化剂粉尘；液相反应器的产物主要是液体产物与液固混合物；气液相和气液固三相反应器的产物则有气体产物、液体产物和液固混合物。 产物的分离和提纯是化工生产中的重要环节，它不仅可以由产物中分离出所需要的产品，并进一步提纯至一定产品的规格，还可以使未反应的物料得以循环利用。因此，产物的分离和提纯操作对保证产品质量和生产过程的经济效益起着重要作用。一、分离方法概述第一节产物分离的原则 在化工生产中，产物的

2、分离方法可分成机械分离和传质分离两大类。一般来讲，非均相混合物的分离主要采用机械分离法；均相混合物的分离采用传质分离法。1机械分离 机械分离法用于分离非均相混合物。非均相混合物分为气态非均一系和液相非均一系两大类。在工业生产中，用于分离气态非均一系混合物的分离方法有重力沉降、惯性除尘、旋风分离、静电分离、湿法洗涤和纤维过滤等。用于液相非均一系的分离方法，按照其原理，大致可分为两类。 第一类方法取决于分散相和连续相之间的密度差，属于这一类的有浮选法、重力沉降法和离心沉降法。第二类分离方法对两相密度差没有要求，而以具有过滤介质为前提，利用过滤介质对分散相物制裁的截留作用而实现分离操作。属于这类的方

3、法有滤饼过滤、深层过滤、筛滤、滤芯式过滤等。2传质分离 传质分离方法主要用于各种均相混合物的分离，其特点是在分离过程中有质量传递现象。工业上常用的传质分离过程又分为两大类，即在相间进行质量传递的平衡分离过程和在相内进行质量传递的分离过程。 (1)平衡分离过程。 多数传质分离操作是通过相平衡时原料中各组分在两相中的不同分配来实现的，这类分离操作通称为平衡分离过程，例如蒸馏、吸收和萃取操作。为了实现平衡分离过程，将混合物分离成均匀的单一相溶液(气体、液体或固体)，需要在混合物中添加分离剂来产生或移出一相。分离剂有能量分离剂(EsA)和质量分离剂(MsA)两类。精馏等操作应用EsA，吸收和萃取操作采

4、用MSA；而在萃取精馏和恒沸精馏操作中两种分离剂都要应用。由下述表41列出了属于平衡分离过程的连续分离单元操作。表41平衡分离过程名称原料相态分离媒介分离剂产生产物相态分离原理工业应用实例闪蒸液体减压气体挥发度(蒸汽压)有较大差别由海水淡化生产纯水部分冷凝气体热量液体和气体挥发度(蒸汽压)有较大差别由氨中回收氢气和氮气精馏气、液或气液混合物热量、有时用机械功气体和液体挥发度(蒸汽压)有差别石油裂解气的深冷分离萃取精馏气、液或气液混合物液体溶剂和塔釜加热气体和液体溶剂改变原溶液组分的相对挥发度以苯酚作溶剂，由沸点相近的非芳烃中分离甲苯吸收蒸出气体或液体液体吸收剂加入热量气体和液体溶解度不同由催化

5、裂化装嚣主蒸馏塔顶产物中回收乙烷及较轻的烃吸收气体液体吸收剂液体和气体溶解度不同用乙醇胺类吸收以除去天然气中的c02和H2S蒸出液体气提气气体溶解度不同原油蒸馏塔侧线抽出的石脑油、煤油和柴油馏分的气提带有回流的蒸出(水蒸气蒸馏)气液或气液混合物气提蒸汽和热量气体和液体溶解度不同原油的减压蒸馏(水蒸气为气提剂)再沸蒸出液体热量气体溶解度不同从石脑油馏分中脱除轻组分共沸精馏气、液或气液混合物液体共沸剂和热量气体和液体共沸剂改变原溶液组分的相对挥发度以乙酸丁酯作共沸剂从稀溶液中分离乙酸液一液萃取液体液体萃取剂两种液体不同组分在两液相中的溶解度不同以丙烷作萃取剂从重渣油中脱除沥青液一液萃取(双溶剂)液

6、体两个萃取剂两种液体不同组分在不同萃取剂中的溶解度不同以丙烷、甲酚为双溶剂，从芳烃和环烷烃原料中分离链烷烃干燥液体，更常见是固体气体、热量气体、干燥的固体水分蒸发用热空气脱除聚氯乙烯中的水分蒸发液体热量气体和液体蒸汽压不同由氢氧化钠的水溶液中蒸出水分结晶液体冷量或热量固体和母液利用过饱和度由二甲苯混合物中结晶分离对二甲苯续表名称原料相态分离媒介分离剂产生产物相态分离原理工业应用实例凝聚蒸汽冷量固体和气体选择性地凝聚邻苯二甲酸酐的精制浸取固体液体溶剂液体和固体渣固体的溶解度用水浸取矿渣中的硫酸铜吸附气体或液体固体吸附剂气体或液体吸附作用的差别通过分子筛吸附空气中的水分离子交换液体固体树脂固体树脂

7、和液体质量作用定律水的软化(2)在相内进行质量传递的分离过程。这类传质分离操作的共同特点是依靠原料中不同组分在某种推动力(如压差、浓度差、电位差)作用下经过某种介质(如半透膜)时的传质速度差异而实现分离。如膜分离、热扩散和气体扩散。表42汇总若干种在相内进行质量传递的分离过程。单元过程相态分离方法分离工具工业举例加压扩散气态通过离心力建立压力梯度离心力同位素混合物的分离气体扩散气态压力下流经多孔隔板多孔隔板铀同位素分离反渗透液态压力梯度克服渗透压膜水脱盐渗透气态或液态压力下流体流经半透膜膜异丙醇脱水渗析液态穿过膜的扩散速度差膜由人造丝液体中回收提纯苛性钠泡沫分馏液态选取的界面浓度泡沫界面酶和染

8、料分离色谱分离气态或液态在固体表面及内部选取的浓度固体混合溶剂蒸汽的回收区域熔融固态液体穿过金属块移动温度梯度锗的提纯热扩散气态和液态产生浓度梯度的温度温度梯度气态同位素混合物分离电解液态电场电场和膜氢和氚的分离电渗析液态电场加充电膜膜和电场水脱盐二、基本原理1气体产物的分离(1)气体的净制即除去气体产物中的固体颗粒和雾滴。按照净制原理不同，将气体净制方法分成以下四类：气体的机械净制利用重力、惯性力和离心力等机械力的作用使微粒从气体中分离出来；典型设备为重力沉降室、惯性除尘器和旋风分离器。气体的湿法净制使气体与液体接触，用液体洗去气体中的微粒，从而使气体净化所用设备是各种湿式洗涤器。气体过滤净

9、制气体通过过滤介质时微粒被截留而使气体净化。典型设备为袋式过滤器。气体的电净制使气体通过高压电场，其中的微粒在电场的作用下沉降，从而使气体净化，所用设备为电除尘器。(2)从气体产物中分离出要用的物质。当气体产物仅含有两种或两种以上气体组分时，称为气相均一体系。气相均一系的分离方法为冷凝、吸收和吸附。冷凝是将压缩气体或饱和蒸汽冷却降温，使气体或蒸汽转变为液体的过程。掌握一定的温度和压力，可将气体中的某些组分冷凝成液体而另一些组分仍为气体，可使气体产物分为不同的部分。吸收是用适当的液体与气体产物相接触，使气体进入液体变为溶液的过程。选择不同的吸收剂和不同的操作条件，可使气体产物中某组分被吸收而进入

10、溶液，从而使气体产物中不同组分分离。吸附是某些分子在多孔性固体吸附剂表面上浓集的过程。选择适当的吸附剂就可以吸附气体或液体产物中的某些组分而不吸附其余的组分，从而使气体产物得以分离。2液体产物的分离液体产物通常含有两种以上的液体组分，往往也会带有少量固体杂质或结晶。液体本身既有完全互溶的溶液，又有互不溶解的液体混合物，还有溶质分散在液相主体中的乳液。(1)从液体产物中除去固体颗粒。当液体产物中含有的固体颗粒很少时，这些固体颗粒如果是杂质，则必须予以除去。如果这些固体颗粒是有用的结晶，而这些结晶又不妨碍液体在管道中的流动和液体的其它加工则不必对这些液体进行处理，待这些结晶物大量生成后，按照加工固

11、液混合物的方法进行加工。如果这些有用的结晶颗粒会妨碍液体在管道中的流动或妨碍进行下一步加工，则须除去这些结晶颗粒。除去液体产物中少量固体颗粒的方法，与液体原料的净制方法相同。(2)从不互溶的液体中除去其中一种液体。当液体产物由两种不互溶的液体组成时，一般均用沉降法进行分离。对于要求分离很彻底，而沉降法又达不到分离要求的少量不溶性液体杂质，可以采取吸附法进行处理。例如产品的脱色和除臭就是从液体产物中除去少量的有机物杂质。另外，也可以用吸附法从水溶液中除去少量油，或从油中脱除少量的水。(3)溶液增浓。当液体产物为稀溶液，而希望得到较浓的溶液时，用蒸发的方法。即通过加热使溶液在沸腾情况下气化，使其中

12、部分溶剂由于气化而除去，从而使溶液浓度增大。例如将稀烧碱溶液变为浓溶液就用蒸发的方法。(4)将互溶的液体分离成不同组分。如果液体产物是互溶的两种液体或多种液体，若要将它们分成单独的或几组物质，需要用精馏、萃取等方法。对于不同组分在相同温度下具有不同挥发度的溶液，可采用使溶液蒸发，汽液平衡，再将蒸汽冷凝，使溶液中的组分离的精馏方法。萃取是利用不同物质在溶剂中具有不同溶解度，使液体产物中的不同组分分离的方注(5)将液体产物全部或部分变为固体。将液体产物全部变为固体，称做凝固，是固体熔化的逆过程，通常都用冷却和冷冻的方法降低液体的温度以使液体全部变为固体。将溶液中的固体溶质分离出来的方法称为结晶结晶

13、可以看做固体溶解的逆过程，通常用降低温度、减少溶剂和进行盐析等方法来实现，将乳液中的固体溶质分离出来的办法称为凝聚，在乳液中加进凝聚剂破坏乳化状态，就能将呈粒状的固体物质分离出来。3固体产物的分离(1)固液分离。常用的以取得固体产物为目的固液分离方法是过滤，过滤的基本原理是利用多孔的过滤介质将悬浮液中的固体颗粒挡住，而让液体通过，从而使液体同固体分离过滤结束后，要用水或其它溶剂冲洗滤饼，以使附着在滤渣颗粒表面的滤液和滞留在滤饼内孔隙中的滤液溶到水中或其它溶剂中而被带走，洗涤后滤饼经加工后，可以得到较纯净的固体产物。(2)固体的干燥。工业生产中的固体干燥主要指从固体物料中除去少量水分，还包括从浆

14、状物或溶液中除去大量水分而直接得到含水量很低的固体产物；后者实质上包含了蒸发和干燥两个连续阶段，有时还包括结晶过程。干燥过程中须将物料加热以促使水分更快气化，根据热能传给湿物料的方式可将干燥分为传导干燥、对流干燥、辐射干燥与介电加热干燥，其中对流干燥应用最广。干燥过程中将汽化了的水蒸气带走的介质称为干燥介质，也称为载湿体。工业上多用空气作干燥介质，有时也用烟道气或其它惰性气体作干燥介质。三、分离流程的设计1明确分离目标在化工产品分离系统设计中，首先要确定产品的质量指标、纯度要求、对杂质含量的要求等。一般而言，产品纯度是据产品的使用目的来确定的。而回收率或产品总收率则在很大程度上决定着分离过程的

15、经济性，所以经济性最佳就成为确定回收率的主要依据。2确定可行的分离方法充分了解被分离混合物中各组分在物理、化学以及生物学方面的性质，避免在分离过程中产物的分解、聚合、变质和被污染，选择合适的分离方法，热敏的产物不能过热，易聚合还要添加阻聚剂，万不得已不要在分离流程中逗留太长太久，然后选择可以进行分离并且是最为经济的分离方法。在选择分离方法时，还需要考虑分离规模和能量的消耗。一般来说，建设工厂的投资与其规模的0.6次方成正比，但这只适用于大型工厂。当规模小于某种程度后，与规模相关的投资就成为定值。这是因为工艺过程所必需的管道、仪表、泵类、贮罐等的投资与规模大小无关，而这些却占据着工厂投资的较大部

16、分。此外，规模小与规模大同样要使用很多操作人员，规模变小所投入的劳动力却不会相应减少。因此，对于较小规模，要尽量选择操作简单的能够实现自动化操作的分离方法。分析分离所需的能量，最好能够利用自然的能量。当规模比较大时，首先要考虑能否利用热能。可以利用热能且相对挥发度(分离系数)大于105，就应毫不犹豫地选择蒸馏法。若相对挥发度小于105，则可采用萃取法等其它分离法与蒸馏法相互组合而构成的分离过程。在热能无法利用时就只能选择速率差分离法。3设计分离流程时的经验规则和注意事项工业上分离方法很多，可以设计出很多方案，把数以千计的方案逐个进行技术经济比较，当然未尝不可，但可能徒然增加工作量，因为许多参数

17、不可知也未必准确。工程必须有经验，一些经验规则有很重要的参考价值：(1)反应产物有固体物的，不论它们是目的产物还是废弃物，一般要率先分离出来，免使管道设备堵塞，流程不顺。(2)反应产物中对目的产物尤其有害的物质必须首先除去，甚至不惜能量的利用合理与否，这是工艺的要求。通常产品的收得率在经济上是最重的砝码，因为最终的产品利润最大。不能因为考虑能量的“合理”，而牺牲了产品的收率。(3)反应产物中对后工艺有害的物质，首先分离。比如精馏过程，从能量上考虑应当由挥发度从低到高逐级取出，但有时高沸点物质会聚合，会凝絮甚或较黑较脏，也要先把它分出。然后再降温从低沸物到高沸物地分离。这第一步似乎浪费_r能量但

18、对流程和工艺有利。(4)产物中，尽量优先把未反应原料分出来，循环使用，如果原料宝贵更应如此。(5)把最难分离的组分或要求特高的产物应从分离系统中先取出粗产物，再设计精制分离方案。不要希望过早地拿出来，更不主张一次分离就得到高纯产物。(6)尽量选用简单的分离方法，能用机械分离的先用机械法。一般是机械法一物理法一物理化学法一化学法的顺序，无论从操作和能量上都有可能。(7)一般情况下或者先取出最少的组分，或者先取出最多的组分。(8)一般情况下分离的流程先易后难，容易除去的先除去，容易拿到的先拿到。(9)尽量把多种杂质一次性除去，再研究从杂质中回收有用副产物。(10)能用精馏的地方尽量采用简单精馏，除

19、非有充分理由，不主张率先考虑萃取精馏、夏应精馏、共沸精馏等。精馏过程仍是先易后难，最难分离的组分最后精馏。(11)尽量利用热源，节省能量。(12)尽量采用先进技术和先进设备。第二节分离和精制技术在具体设计分离流程时，对各分离单元操作进行深入了解，要熟悉各分离单元操的适用范围和条件，熟悉各类分离设备的性能，必要时每个分离设备的选用，都要现场试验。国外主张分离设备订货时，拿物料到厂家去调试，这就可见，分离流程的变化多端，分离设备的碍性各异。为此，我们不妨对分离技术作一个鸟瞰。气固分离和除尘由于气固非均相混合物中分散相和连续相具有不同的物理性质，故工业上一般采用机械方法对两相进行分离。其基本操作遵循

20、流体力学基本规律，依靠分散相和连续相之间的相对运动来实现非均相混合物的分离。1机械力分离法(1)重力沉降法。重力沉降法是利用含：霉嘉微粒气流中的粒子借助自身的重力作用自然沉降的原理，实现气固分离的方法。重力沉降的典型设备为重力沉降室。图41为一种简单的重力沉降室。重力沉降室适用于分离粒径较大的固体颗粒。当粒子的沉降速度大于13envs，即粒子的直径大于50tinl时，可选用重力沉降室进行气固分离操作。其净化效率不超过40，70-，只能作为气体的初步净化装置。除尘效率低和体积大是重力沉降室的显著缺点，但因其具有结构简单、投资少、维护管理容易和压力损失小等优点，在第一级除尘中仍得到一定的应用。(2

21、)惯性沉降法。惯性沉降法是利用颗粒运动的惯性效应将其从气流中分离出来的方法。惯性除尘器可分为碰撞式和回转式两类。碰撞式是当含尘气体撞击到挡板后，尘粒失去惯性力而靠重力作用沿挡板落下；回转式是含尘气体从入口进入后，粉尘靠惯性力冲至下部灰斗，气体和惯性较小的细粉尘则穿过挡板而从出口排出。惯性除尘器中有一种称为百叶式除尘器，常作为粉尘的浓缩器与其它除尘器组合成机组，可以获得较高的净化效率。图42所示为百叶式惯性除尘器与旋风除尘器组成的机组。有试验表明组合除尘效率高，可基本除净20脚颗粒。惯性除尘器净化效率不高，通常用于除去大颗粒和密度大的粉尘。(3)离心沉降法。是利用旋转的气流所产生的离心力，将颗粒

22、从气流中分离出来的方法。由于颗粒受到的离心力远远高于重力，故该法可分离很小的细粒，一般在10tma左右，高效的可分离出5tma的细粒。其分离设备是各种旋风分离器。旋风分离器的结构如图43所示。旋风分离器的效率一般可达7080，影响旋风分离器效率的有以下一些因素。分离器的结构形式对分离效率影响很大；出口管径愈小则效率愈高，锥形适当加长，可提高效率。分离器的直径减小，分离效率可提高。增加入口流速对提高效率有利，但入口流速过高不仅会增大阻力，而且会增强返混，因而通常取入口流速为1226ms。尘粒的粒径和密度愈大，分离效率愈高。气体温度和粘度增大，引起效率下降。灰斗的气密性对分离效率影响很大，当泄灰阀

23、处漏气量达到进气量的15左右时，除尘效率几乎降到零。从以上情况可知，旋风分离器适于捕集颗粒大、密度大的粉尘。对于一定的含尘气体应选择合适的结构和入口流速，尽量减小分离器的直径。而对任一台旋风分离器，都要保持不漏气，这样才会使分离效率提高。当气体处理量很大而又需要采用小直径的分离器时，往往将若干直径较小的旋风分离器并联起来，形成一个旋风分离器机组：当要求净化效率较高，采用一级旋风分离不能满足要求时，可将两台或三台旋风分离器串联起来，成为串联式旋风分离器组。旋风分离器结构简单，制造，安装和维护管理容易，投资少，占地小，除尘效率较高。对于515tln以上的颗粒物，捕集分离效率可达80左右。旋风分离器

24、不宜处理湿度很高和粘着性的尘粒，不宜处理纤维粉尘。旋风分离器的缺点是不能充分除去小于微米级的粉尘，气流阻力大，粉尘对器壁磨损较严重。因此，旋风分离器多用于要求不十分严格的除尘和初级除尘。2过滤分离法使含尘气体通过过滤介质将粉尘分离而使气体净化的方法。该法可将101_tln的微粒有效地捕集下来，是各种分离方法中分离效率最高而又稳定的一种。过滤分离设备主要有袋式过滤除尘器，颗粒层除尘器和其它形式过滤器等。(1)袋式过滤器。袋式过滤器的形式很多，可以买到定型产品，也可以土法自制，按滤袋形状可分为圆形和扁形，也可以有切换式把滤袋拿出更换。一般含尘气体从滤袋外部进入，粉尘阻于滤袋之外，振动或自然抖落进入

25、集灰斗，滤后气体从滤袋内的上出口管送出。袋式除尘器是一种高效气固分离设备，可捕集的固体粒子的粒径较宽。其平均除尘效率可达99.5以上，对1btm以上的粒子捕集效率可达98以上；对微细粒子也有较高的捕集效率，能有效地收集0.10.5tma的粒子。并且其结构简单，使用灵活，维护容易，能量消耗较小。存在问题是其应用受到滤布的耐温、耐腐蚀性能的限制，不适用于带电荷的或粘结性、吸湿性强的粉尘捕集。按照清灰方式的不同，将袋式除尘器分为简易清灰式、机诫振动清灰式、逆气流反吹风式、气环反吹风式、脉冲喷吹式、回转反吹式和联合清灰式等各种除尘器。袋式除尘器的滤袋可用天然纤维和合成纤维制成纤维布、毛呢、毛毡等再做成

26、袋子，用于不同场合。(2)颗粒层除尘器。颗粒层除尘器是利用一层硅石、砾石等粒状物料作为过滤介质的除粒也会沉积到电晕电极上。(4)清灰。当粉尘在集尘电极表面上沉积到一定厚度，就用机械振打等方法将沉积的粉尘层清除掉，使之落入下部灰斗中而定期排出。电晕电极上也会有少量粉尘附着，隔一定时间也需进行清灰。如图4一12所示为管式电除尘器。集尘电极以蜂窝形排列的叫蜂窝式电除尘器电除尘器还可按粉尘载电区和分离区的空问布置不同，分为单区电除尘器和双区电除尘器；按清灰方式分为干式电除尘器和湿式电除尘器。电除尘器具有除尘效率高，运转费用少，压力损失低，处理气量大等优点，可以应用于高温高压的场合，能连续操作，并且可以

27、完全自动化，也可以用于处理要求除尘效果很好的含微细粉尘的气体。电除尘器的净化效率最高可达9999以上，但从经济效果考虑，一般控制净化效率在9599之间。电除尘器的主要缺点是设备庞大，消耗钢材多，一次投资高，对安装要求严格，运行管理较复杂。在化工生产中，电除尘器有时用于除去气体中的水雾和酸雾，称为电除雾器。二、液体分离1液相非均一系分离液相非均一系是由液体和悬浮于其中的固体颗粒，或者指一种或数种不相溶液体所组成的多相分散系统。如果液体中含有的固体颗粒很少，并且这些固体颗粒是杂质，则必须予以除去。如果液体中的固体颗粒是有用的结晶，而这些结晶又不妨碍液体在管道中的流动和液体的其它加工，则不必对这些结

28、晶进行处理，待这些结晶大量生成后，按照加工固液混合物的方法进行加工下面看重介绍以取得产物为目的固液分离方法及设备。(1)过滤与洗涤。过滤的基本原理是利用多孔的过滤介质将悬浮液中的固体颗粒挡住，而让液体通过，从而使液体与固体分离。对于以取得固体产物为目的的固液分离，常需在过滤结束后对滤饼进行洗涤。洗涤是用水或其它溶剂冲洗滤饼，以使附着在滤渣颗粒表面的滤液和滞留在滤饼内孔隙中的滤液溶到水或其它溶剂中而被带走。经加工后的杂质含量亦大大减少，可以得到较纯净的固体产物。如果目的是为了取得滤液，则经过洗涤可使存留在滤饼中的滤液得到回收，以得到更多的产品。洗涤液可与母液分开或合并处理。在满足洗涤要求的前提下

29、，洗涤用水或其它溶剂的用量应尽可能的少，一方面是为了节约用水量及动力消耗；另一方面，若滤液还需蒸发浓缩时，过多的水势必还要消耗大量的热能。为减少洗涤水用量，应改善洗涤水的均匀分布，并采用逆流洗涤法。(2)过滤设备。过滤设备种类很多，按过滤介质的不同可分为粒状介质过滤器，织物介质过滤器和微孔管过滤器；按照过滤推动力的不同可分为重力过滤、真空过滤、加压过滤和离心过滤；按照操作方式不同可分为问歇式和连续式两类。问歇式过滤设备有双底过滤器、叶滤机、压滤机等；连续式过滤设备有转鼓真空过滤机、圆盘真空过滤机、离心过滤机和长网过滤机等。粒状介质过滤器。这种过滤器一般为圆形槽或方形池，底部有多孔假底，假底上铺砂石作为过滤介质。过滤可在常压下由重力作用进行，亦可加压进行。过滤器间