精细化工工程

null精细化工过程及装备精细化工过程及装备魏慧英 山东大学化学与化工学院 Email: weihuiying@sdu.edu.cn Mobile phone:13953119580 目录目录教材及参考书 精细化工简介 第一章　加热技术 第二章　冷冻技术　 第三章　极限技术 第四章　多组分精馏 第五章　过滤 第六章　膜分离技术 第七章　干燥 第八章　粉碎 第九章　混合与乳化参考教材参考教材李春燕，陆辟疆 主编. 精细化工装备. 北京：化学工业出版社，1996 姚玉英 主编. 化工原理 张联科 主编. 化工热力学 天津大学 编. 物理化学null精细化工 fine chemical engineering精细化工 fine chemical engineering精细化工是精细化学工业的简称，化学工业中生产精细化学品的经济领域。精细化学品这个名词,沿用已久,原指产量小、纯度高、价格贵的化工产品，如医药、染料、涂料等。但是，这个含义还没有充分揭示精细化学品的本质。近年来，各国专家对精细化学品的定义有了一些新的见解，欧美一些国家把产量小、按不同化学结构进行生产和销售的化学物质，称为精细化学品(fine chemicals)；把产量小、经过加工配制、具有专门功能或最终使用性能的产品,称为专用化学品(specialty chemicals)。中国、日本等则把这两类产品统称为精细化学品。 精细化工的分类精细化工的分类由于各国的分类方法不尽相同，精细化学品包括的范围也不完全一致。目前，中国精细化学品大体上包括：医药、农药、染料、涂料、颜料、信息技术用化学品（包括感光材料、磁材料等）、化学试剂和高纯物质、食品添加剂、饲料添加剂、催化剂、胶粘剂、助剂、表面活性剂、香料等。随着国民经济的发展，精细化学品的开发和应用领域将不断开拓，新的门类将不断增加。精细化工的特点精细化工的特点①品种多、更新快，需要不断进行产品的技术开发和应用开发，所以研究开发费用很大，如医药的研究经费,常占药品销售额的8％～10％。这就导致技术垄断性强、销售利润率高。 ②产品质量稳定，对原产品要求纯度高,复配以后不仅要保证物化指标,而且更注意使用性能，经常需要配备多种检测手段进行各种使用试验。这些试验的周期长，装备复杂，不少试验项目涉及人体安全和环境影响。因此，对精细化工产品管理的法规、较多。如药典（见《中华人民共和国药典》、《英国药典》）、农药管理法规等。对于不符合规定的产品，往往国家限令其改进，以达到规定指标或禁止生产。 ③精细化工生产过程与一般化工生产不同，它的生产全过程，不仅包括化学合成（或从天然物质中分离、提取），而且还包括剂型加工和商品化，由两个部分组成。其中化学合成过程,多从基本化工原料出发,制成中间体，再制成医药、染料、农药、有机颜料、表面活性剂、香料等各种精细化学品。剂型加工和商品化过程对于各种产品来说是配方和制成商品的工艺，它们的加工技术均属于大体类似的单元操作。 ④大多以间歇方式小批量生产。虽然生产较长，但规模小，单元设备投资费用低，需要精密的工程技术。 ⑤产品的商品性强，用户竞争激烈，研究和生产单位要具有全面的应用技术，为用户提供技术服务。第一章 加热技术 第一节 电加热技术第一章 加热技术 第一节 电加热技术电加热方式 电阻加热 电热管，点焊机，电阻炉 电弧加热 电焊 感应加热 交变磁场中的导体因感应电流生热，如感应炉 介质加热 调频电场中的介质高速位移摩擦生热，如微波炉 红外加热 第二节　辐射加热技术第二节　辐射加热技术一、热辐射的基本概念 热传递的三本基本形式：传导（conduction）、对流(convection)、辐射(radiation)。 热传导：物体中电子、原子、分子的运动而传导能量的过程。 热对流：液体从一区域运动到另外一区域所造成的能量传递。 热辐射：物体利用本身的温度以电磁波形式向空间传递热能的过程。辐射的基本特点是可以在真空中传播。而热传导和对流只能发生在固液气体中。二、热辐射基本定律二、热辐射基本定律(一) 普朗克定律 普朗克定律描述了黑体单色辐射力E0λ和波长λ、绝对温度T之间的关系 null可见： 1. 辐射力随波长变化有一个极值。 2. 温度增高，辐射力增大，且最大值向左移动。 3. 图中某一温度曲线下的面积即为黑体辐射力。可见，随温度增高面积增大，黑体辐射力增大。第三节　红外线和远红外线加热 一、基本原理第三节　红外线和远红外线加热 一、基本原理红外线波长：0.72~1000μm 红外线再分为近红外和远红外： 0.72~2.5μm　近红外 2.5~1000μm 远红外 物体吸收红外的原因是物体的分子运动的频率（固有频率）与射入红外线的频率相等时，产生共振使分子运动振幅大增，激烈摩擦生热。故应使红外线频率与加热物体分子的固有频率相一致。二、红外线加热装置二、红外线加热装置构成：辐射器；加热箱；反射集光装置；控温装置等。 （－）辐射器 常用的涂料有： 钛－锆系、铝系、二氧化硅等。 （二）加热箱 （三）反射集光装置 反射罩：用金属银、铬等制成。 （四）温度控制装置 红外和远红外加热干燥的优点是： 速度快，惯性小、装置简单、投资少、维护方便、温度均匀。第四节　高频加热 一、基本原理第四节　高频加热 一、基本原理可分为：高频感应加热；高频介质加热；高频等离子加热；微波加热。 高频感应加热　加热的物料主要是导电材料和半导体材料。高频介质加热高频介质加热介电常数大于1的物质称（电）介质。如玻璃、云母、聚乙烯等。电介质在高频磁场中，由于分子的剧烈运动产生热量。第五节　微波加热 一、基本原理第五节　微波加热 一、基本原理微波：超高频电磁波，波长1.0－0.001m，频率为300－300,000MHz。是由于分子偶极子振动产生热量，与高频加热不同之处是工作频段不同。高频加热是静电现象，而微波加热是辐射现象。第六节　传感器第六节　传感器一、传感技术 传感器：将工程上各种非电量信号按一定规律转换为电量信号的装置。 二、传感器的组成 传感器由敏感元件、转换元件、测量电路组成三部分组成。三、传感器的类型三、传感器的类型(一) 按传送的物理量分类 光传感器 温度传感器 力学量传感器(压力、速度、位移等) 气体传感器(火灾报警，煤气、酒精等) (二) 按工作原理分类 变阻型、变磁型、半导体型(光敏型、气敏型等)四、几种常用的传感器的原理及其使用四、几种常用的传感器的原理及其使用(一) 温度传感器 例如，热电偶，铂电阻 (二) 金属应变片式 金属丝的电阻值的变化与金属丝的伸长或缩短间存在比例关系 (三) 磁敏传感器(略) (四) 光敏传感器 有光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管。第二章　冷冻技术第二章　冷冻技术第一节　基本概念 物料温度降低到比环境温度更低的温度的操作，称为冷冻或制冷。 冷冻过程必需做功。一、冷冻操作的物理基础一、冷冻操作的物理基础1-4-5-6-1面积为低温时取热Q1；2-3-5-6-2为高温所放热Q2；两者之差为功W。二、冷冻系数二、冷冻系数T1和T2分别为冷冻剂吸热和放热时的温度。对于理想冷冻机，为逆卡诺循环，冷冻系数为三、冷冻能力三、冷冻能力冷冻能力用W或kW表示。 过去曾用kcal/h, 1 kcal/h=1.163W 　　　 1 cal=4.187J 一般家用空调的制冷量为几千瓦。 通常所说的p是指电源功率马力 　　　1马力（HP）＝735W 还有用冷冻吨表示，是24小时内将1吨0℃水冷为0℃冰所需之热量。第二节　蒸汽压缩式制冷循环 Vapor-compression refrigeration第二节　蒸汽压缩式制冷循环 Vapor-compression refrigeration电冰箱工作原理电冰箱工作原理实际的蒸气压缩制冷循环实际的蒸气压缩制冷循环制冷过程的温熵图制冷过程的温熵图压焓图压焓图P：等压线 H：等焓线 t: 等温线 S：等熵线 V: 等容线压焓图压焓图制冷过程压焓图制冷过程压焓图冷冻的致冷量＝i5-i1 冷凝器放热量＝i2-i4 功＝i2-i1 冷冻系数＝（i1-i5）/(i2-i1)冷冻剂冷冻剂冷冻剂的基本要求 1　气化潜热要大 2　临界温度要高 3　饱和压力不宜太高 4　凝固点要低 5　比容要小，以减少冷冻装置的体积 6　对环境友好null氨与氟里昂12较常用第三节　吸收式制冷（利用热能制冷）第三节　吸收式制冷（利用热能制冷）利用热能，废气，废液等。 采用沸点较高的作吸收剂；沸点较低的作冷冻剂。例如，氨－水系统；水－溴化锂溶液系统。双效溴化锂吸收式制冷第五节　深度冷冻 deep refrigeration第五节　深度冷冻 deep refrigeration一　基本概念 一般冷至－100℃以下，称深度冷冻。 一般采用高压气体膨胀来获得低温。 普通制冷深冷三、林德循环三、林德循环点此看林德循环动画林德循环温熵图林德循环温熵图视频：低温实验等视频：低温实验等 点此观看第三章　极限技术第三章　极限技术 极限技术包括： 极高温、极低温、极高压、极低压（高真空）、超微颗粒、无重力技术等。第一节　超高温技术第一节　超高温技术一、一般概念 超高温一般指4000～15000℃的温度。此时几乎所有物质变成等离子体。 等离子体 Plasma 是电离气体，由电子、离子了、原子、分子或自由基等粒子组成的集合体。 已开发的超高温技术：直流电弧喷枪；氢氧喷枪；石墨电极电弧炉等。 　　人类所能产生的最高温度是5.1亿摄氏度，约比太阳的中心热30倍，该温度是美国新泽西州普林斯顿等离子物理实验室中的托卡马克核聚变反应堆利用氘和氚的等离子混合体于1994年5月27日创造出来的。 二、超高温技术的应用二、超高温技术的应用1　热等离子体喷涂　工件表面涂上超硬耐磨的材料。如，飞机涡轮发动机的叶片，漆包机的导轮。 2　制造金刚石 3　制备超微颗粒 4　制备超高纯物质　在超高温下使杂质溢出而得到超高纯物质。第二节　超低温技术第二节　超低温技术一、一般概念 普冷　273～120K，即0～153℃ 低温　120～0.3K，即－153℃以下 超低温　0.3K以下 获得方法： 1　采用液态气体 2　顺磁盐绝热去磁制冷法。原理是： 顺磁物在磁场中原子磁矩有序排列，熵减少，放热，移走热量，去掉外磁场，熵增加而吸热，此时绝热，故起降温作用。反复进行此过程，达制冷效果。 据新华社2003年9月15日消息,由德国、美国、奥地利等国科学家组成的一个国际科研小组，日前改写了人类创造的最低温度纪录：他们在实验室内达到了仅仅比绝对零度高0.5纳开尔文的温度(即0.5×10-9K)，而此前的纪录是比绝对零度高3纳开。这是人类历史上首次达到绝对零度以上1纳开以内的极端低温。 二、超低温技术的应用二、超低温技术的应用1　低温粉碎 2　低温农药（液氮） 3　食品低温冷冻 第三节　超高压技术第三节　超高压技术超高压一般是千MPa的数量级。 一、超高压的实现 1　各向等压加压装置。用水压、油压或其它外压加压； 2　爆炸冲击产生高压。二、超高压技术的应用二、超高压技术的应用高压反应，如制备金刚石； 高压下热分解法制备氢； 低温高压下可得，液氢、固氢、金属氢。第四节　超真空技术第四节　超真空技术一、超真空的概念 指压力在10－6～10－10Pa 二、超真空应用 表面科学中超真空中对材料表面进行研究； 粒子加速器； 真空电子管 获得真空的设备获得真空的设备扩散泵， 离子泵， 升华泵， 吸附泵， 低温泵等。 null扩散泵（diffusion pump）工作原理扩散泵（diffusion pump）工作原理工作物质高速从喷口处喷出，在喷口处形成低压，对周围气体产生抽吸作用而将气体带走。 null吸气剂离子泵 getter ion pump 吸气剂离子泵 getter ion pump 将被抽气体分子电离，并在电磁场或电场的作用下将其输送到泵的吸附表面而被吸气剂捕集的一种真空泵。吸气剂离子泵是一种无污染的超高真空泵，极限压力可达10－10帕。 吸气剂真空泵分为蒸发离子泵和溅射离子泵两种。 蒸发离子泵  由电离抽气作用与蒸发（或升华）活泼金属的吸附作用相结合的真空泵。钛丝被加热连续不断地蒸发、沉积在冷却的泵体内壁上，形成新鲜的钛膜而吸附抽气。 溅射离子泵　气体离子在阴极板上引起溅射，溅射出的活性金属钛在阳极筒及泵壁上形成新鲜钛膜，活泼气体分子（如氧、氮等）会被新鲜钛膜吸附而被抽除。 null钛升华泵 titanium sublimation pump钛升华泵 titanium sublimation pump当钛蒸发器被通电加热后，钛就大量升华，新鲜钛沉积在器壁四周，并与碰撞到器壁钛膜上的活性气体原子形成稳定的固态化合物。气体通常以分子形式撞到钛膜上，如 H2O 或 N2 等。对气体分子的捕集形成对气体的抽速。这就是钛升华泵的工作原理。钛升华泵的工作范围在 10 -2 至 10 -9 Pa ，对活性气体的抽速特别是对氢气的抽速极快，可快速帮助系统达到超高真空。分子筛吸附泵 molecular sieve adsorption pump分子筛吸附泵 molecular sieve adsorption pump在低温下靠分子筛的物理吸附作用实现抽气的真空泵。分子筛吸附泵结构简单、无油污染、无振动噪声，是获得无油真空常用的真空泵，常用作无油真空机组的前级泵或超高真空机组的维持泵。 分子筛（人造沸石）为多微孔型结构的碱金属铝硅酸盐，体内有许多空腔状晶胞，其间有微孔相通。 null低温泵　cryopump 利用低温表面冷凝气体的真空泵，又称冷凝泵。 低温泵　cryopump 利用低温表面冷凝气体的真空泵，又称冷凝泵。 在低温泵内设有由液氦或制冷机冷却到极低温度的冷板。它使气体凝结，并保持凝结物的蒸汽压力低于泵的极限压力，从而达到抽气作用。低温抽气的主要作用是低温冷凝、低温吸附和低温捕集。 nullRotary vane mechanical pumpsnull水环式真空泵水环式真空泵电影　真空技术第五节　超微粒技术第五节　超微粒技术一、超微颗粒的特性 表面积大 表面张力大 颗粒间结合力大 铁系合金其磁性更强 对光有强烈的吸收能力 熔点比块状金属低 化学活泼性强 在低温时几乎没有热阻二、超微颗粒材料的应用二、超微颗粒材料的应用精密陶瓷的原料 高效催化剂 电子工业有广泛的应用，磁记录材料，敏感元件等。 第六节　无重力技术第六节　无重力技术一、无重力环境下的特点 二、无重力环境的产生 三、无重力环境下生产的产品无重力烫（发）无重力烫（发）所谓无重力则是要在较蓬松的基础上表现轻的感觉。第四章　多组分精馏和特殊精馏 muti-component distillation and special distillation第四章　多组分精馏和特殊精馏 muti-component distillation and special distillation 三个以上组分的精馏分离，称多组分精馏。 特殊精馏是指恒沸精馏、萃取精馏等。用于相对挥发度接近1或恒沸物的分离。 看电影　fraction distillation第一节　多组分精馏第一节　多组分精馏相律　f=c-p+2 多组分系统，组分数越多计算越复杂 N个组分进行分离，需要N－1个塔。 多组分溶液的气液平衡关系，一般采用平衡常数法和相对挥发度法。一、多组分系统的气液平衡 一、多组分系统的气液平衡 （一）相平衡常数Ki 当系统的气液两相在恒定的温度和压强下达到平衡时，液相中某组分的组成与该组分在气相中的平衡组成的比值，称为组分i在此温度、压强下的平衡常数，即Ki－平衡常数（下标 i 表示溶液中任意组分）理想系统 气相为理想气体、液相为理想溶液的物系称为理想系统。 理想系统 气相为理想气体、液相为理想溶液的物系称为理想系统。 对于理想气体，任意组分i的分压可用分压定律表示，pi=pxi；对于理想溶液，任意组分i的平衡分压可用拉乌尔定律表示， pi=pi*xi。气液达到平衡时，上两式相等，即：（二）相对挥发度(relative volatility)（二）相对挥发度(relative volatility)挥发度的定义： vA=pA/xA　　　　pA: A在气相中的分压; xA: A在液相中的摩尔分数 相对挥发度的定义：一般取易挥发组分对难挥发组分相对挥发度之比定义为相对挥发度 α＝vA/vB=(pA/xA)/(pB/xB) 根据相对挥发度的定义，得： 气液平衡组成与相对挥发度的关系气液平衡组成与相对挥发度的关系上式等号右边的分子、分母同除以　　　　　并将（3）代入上式 同理可得同理可得（1） （2）（1）/（2）得一般，若精馏塔中相对挥发度变化不大，则用相对挥发度法计算平衡关系较为简便，若变化较大，则用平衡常数法计算较为准确。 非理想系统的气液平衡（有三种情况）非理想系统的气液平衡（有三种情况）1．气相是非理想气体，液相是理想溶液 修正的Raoult定律和Dalton分压定律为平衡时，两相的逸度相等可见，在压力较高时，要用逸度代替压力计算相平衡常数。2．气相为理想气体，液相为非理想溶液2．气相为理想气体，液相为非理想溶液非理想溶液遵循修正的拉乌尔定律气相为理想气体，故上两式相等，则3.　两相均为非理想溶液（气相为非理想气体，液相为非理想溶液） 3.　两相均为非理想溶液（气相为非理想气体，液相为非理想溶液） 此时，Raoult和Dalton定律都用活度和逸度表示：平衡时，两相的逸度相等，即上两式相等，得到烃类的K值可由p-T-K图上近似查出。(三）泡点的计算(三）泡点的计算已知液相组成与总压，计算泡点温度及平衡气相组成。因为先假设泡点温度，根据已知的压强和所设的温度，求出平衡常数，再利用上式校核是否等于1。 例如，已知常压下苯、甲苯、二甲苯混合液的浓度，求泡点。 先假设一个泡点温度，可以求出每一纯组分的蒸气压p*，以及然后，看　　　　　？若不等于1，再重新假设一个泡点温度反复试探， 最后可以得到泡点。（四）露点的计算（四）露点的计算已知气相组成和总压 ，计算露点温度和平衡液相组成 ，同样露点温度的计算也使用试差法，即先假设一个露点温度，根据此温度和已知的压强求出相平衡常数，代入上式看是否为1。 例如，已知一个气体混合系统各组分的组成，求压力为1.38MPa的露点。 压力较高，用p-T-K列线图计算。首先，假设一个露点温度，由p-T-K图上查出每个组成的Ki。再看是否（五）多组分混合液气化率的计算（五）多组分混合液气化率的计算将多组分溶液部分气化，两相的量和组成随压强和温度而变化 。对一定量的原料液作物料衡算有 总物料 F=V+L （1） 任一组分 　　　　　　 （2） 将（2）写成 ∴将（1）L=F－V 代入可得V/F 为汽化率；当物系的温度和压强一定时，可用上式计算气化率及相应的气液两相组成。 气化率及两相组成的计算步骤气化率及两相组成的计算步骤根据 若已知压强与温度，可求相平衡常数出Ki，再假设一个气化率V/F，可求出各yi，看yi之和是否为1。若为1，则气化率正确，从而可以求出xi。二、多组分精馏的物料恒算二、多组分精馏的物料恒算主要是理论板数的计算。但是多组分系统各组分的确定极为困难，为简化计算引入关键组分的概念。 （一）关键组分 选取最关心的两个组分（一般是挥发度相邻的两个组分），规定它们在塔顶和塔　底的组成，这样来确定理论板数和其它组分。其中，挥发度高的称为轻关键组分，挥发度低为称为重关键组分。null当分离由组分A、B、C、D和E（按挥发度降低的顺序排列）所组成的混合液，根据分离要求规定B为轻关键组分，C为重关键组分。因此，在馏出液中有组分A、B及限量的C，而比C更重的组分（D和E）在馏出液中只有极微量或没有。同样，在釜液中有组分E、D、C及限量的B，比B还轻的组分A在釜液中含量极微或不出现。清晰分割和非清晰分割清晰分割和非清晰分割清晰分割 若两关键组分的挥发度相差较大，且两者为相邻组分，此时可认为比重关键组分还重的组分全部在塔底产品中，比轻关键组分还轻的组分全部在塔顶产品中，这种情况称为清晰分割。 When the two key components are adjacent in the rank of order of volatility, such as a choice is called “Sharp Separation”; Only these two components will appear in both top and bottom products. 非清晰分割情况 若两关键组分不是相邻组分，则塔顶和塔底产品中必有中间组分，或若进料中非关键组分的相对挥发度与关键组分的相差不大，则塔顶产品中就含有比重关键组分还重的组分，塔底产品中含有比轻关键组分还轻的组分，上述二种情况称为非清晰分割。nullnullnull（二）非清晰分割的组分分布（二）非清晰分割的组分分布用Fenske公式计算 计算中作以下假设： （1）在任何回流比下操作时，各组分在塔顶和塔底产品中的分配情况与全回流操作时的相同。（∵在全回流时推导出芬斯克方程） （2）非关键组分在产品中的分配情况与关键组分的相同。此法称为Hengsterbeck法。三、最小回流比Rm三、最小回流比Rm最小回流比minimum reflux ratio　用无限多塔板才能满足分离要求所需要的回流比，称最小回流比Rm。 一般用Underwoodw公式估算。基本假设是： 1　各组分的相对挥发度为常数； 2　塔内气相和液相均为恒摩尔流求最小回流比的两个公式求最小回流比的两个公式q为进料中的液相分率；θ为方程的根。 αi为组分i对最重组分或重关键组分的相对挥发度。 求解时先用试差法由（4－27）求出θ值，将其代入到（4－28）求出Rm。（4－27） （4－28）四、用简捷法计算理论板数四、用简捷法计算理论板数步骤：先用Fenske方程计算出最小理论板数，再用Gilliland关联图求理论板数。 （一）用Fenske方程计算最小理论板数 最小理论板数　全回流时所需理念板数为最少。（二）用Gilliland关联图求理论板数（二）用Gilliland关联图求理论板数曲线左端表示最小回流比，此时N→∞；曲线右端表示全回流，此时R →∞，N＝Nmin。 求理论板层数的步骤 （1）先按设计条件求出最小回流比Rmin，并选择操作回流比R。一般R=(1.2～2)Rmin。 （2）计算全回流下的最少理论板层数Nmin。 （3）然后利用图Gilliland图确定全塔理论板层数N。五、逐板计算法（略）五、逐板计算法（略）以后介绍化工过程的计算机模拟时介绍计算机模拟算法。第二节　特殊精馏（Special distillation）第二节　特殊精馏（Special distillation）包括恒沸精馏、萃取精馏、反应精馏。 一、恒沸精馏(azeotropic distillation ) 若在两组分恒沸液中加入第三组分（称为夹带剂），该组分能与原料液中的一个或两个组分形成新的恒沸液，从而使原料液能用普通精馏方法予以分离，这种精馏操作称为恒沸精馏。 恒沸精馏可分离具有最低恒沸点的溶液、具有最高恒沸点的溶液以及挥发度相近的物系。 乙醇－水系统的恒沸精馏（苯为夹带剂）在原料液中加入适量的夹带剂苯，苯与原料液形成新的三元非均相恒沸液（相应的恒沸点为64.85℃，恒沸摩尔组成为苯0.539、乙醇0.228、水0.233）。只要苯的加入量适当，原料液中的水可全部转入到三元恒沸液中，从而使乙醇—水混合液得以分离。 塔顶蒸汽进入冷凝器4中冷凝后，部分液相回流到塔1，其余的进入分层器5，在器内分为轻重两层液体。轻相返回塔1作为补充回流。重相送入苯回收塔2，以回收其中的苯。塔2的蒸汽由塔顶引出也进入冷凝器4中，塔2底部的产品为稀乙醇，被送到乙醇回收塔3中。塔3中塔顶产品为乙醇—水恒沸液，送回塔1作为原料，塔底产品几乎为纯水。在操作中苯是循环使用的，但因有损耗，故隔一段时间后需补充一定量的苯。乙醇－水系统的恒沸精馏（苯为夹带剂）挟带剂的选择挟带剂的选择对夹带剂的要求是： ①夹带剂应能与被分离组分形成新的恒沸液，最好其恒沸点比被分离物的沸点低，一般两者沸点差不小于10℃； ②新恒沸液所含夹带剂的量愈少愈好，以便减少夹带剂用量及汽化、回收时所需的能量； ③新恒沸液最好为非均相混合物，便于用分层法分离； ④无毒性、无腐蚀性，热稳定性好； ⑤来源容易，价格低廉。 二、萃取精馏二、萃取精馏萃取精馏（extractive distillation） 向原料液中加入第三部分（称为萃取剂或溶剂），以改变原有组分间的相对挥发度而达到分离要求的特殊精馏方法。 要求萃取剂的沸点较原料液中各组分的沸点高得多，且不与组分形成恒沸液，容易回收。 分离苯—环己烷溶液的萃取精馏流程示意图 分离苯—环己烷溶液的萃取精馏流程示意图 原料液进入萃取精馏塔1中，萃取剂（糠醛）由塔1顶部加入，以便在每层板上都与苯相结合。塔顶蒸出的为环已烷蒸汽。为回收微量的糠醛蒸汽，在塔1上部设置回收段2（若萃取剂沸点很高，也可以不设回收段）。塔底釜液为苯—糠醛混合液，再将其送入苯回收塔3中。由于常压下苯的沸点为80.1℃，糠醛的沸点为161.7℃，故两者很容易分离。塔3中釜液为糠醛，可循环使用。在精馏过程中，萃取剂基本上不被汽化，也不与原料液形成恒沸液，这些都是有异于恒沸精馏的。 萃取剂的选择萃取剂的选择选择适宜萃取剂时，主要应考虑： ①萃取剂应使原组分间相对挥发度发生显著的变化； ②萃取剂的挥发性应低些，即其沸点应较原混合液中纯组分的为高，且不与原组分形成恒沸液； ③ 无毒性、无腐蚀性，热稳定性好； ④ 来源方便，价格低廉。恒沸精馏与萃取精馏的比较恒沸精馏与萃取精馏的比较　　(1) 恒沸剂的选择，一定要符合能生成恒沸物的条件。而其用量也是受所形成的恒沸物组成所控制的，因此可供选择作为恒沸剂的数目不如萃取精馏中的溶剂多，且萃取精馏中溶剂的用量不像恒沸剂的用量受到条件的控制。 　　(2) 萃取精馏中溶剂的沸点比原溶液中各组分的沸点都高，为系统中的最重组分，它将从塔釜流出。而恒沸精馏中的恒沸剂并不受此限制，它也可能是系统中最轻的组分。在恒沸精馏过程中，很多情况下恒沸剂是从塔顶以恒沸物形式馏出。 　　(3) 由于一般恒沸精馏中的恒沸剂是从塔顶引出，所以能耗比较大。只有当恒沸物中含恒沸剂组分较少，使恒沸剂用量少时，恒沸精馏的能耗才有可能比萃取精馏小。 　　(4)恒沸精馏既可用于连续操作，也可用于间歇操作，而萃取精馏则只能用于连续操作，不宜于间歇作。 　　(5) 在热敏性组分存在时，因恒沸精馏可以在比萃取精馏低的温度下进行，故恒沸精馏比萃取精馏有利。 　　(6) 在萃取精馏中溶剂的回收比较简单，其流程也比较 简单。而恒沸精馏中恒沸剂的回收相对要比较复杂，故其流程也比萃取精馏复杂。第五章　过滤　Filtration第五章　过滤　Filtration第一节　过滤理论　动画：过滤.swf 过滤基本方程：其中 V　滤液体积；Ve过滤介质的当量过滤体积； S　滤饼的压缩性指数；在0～1，不可压缩滤饼为S＝0； μ黏度； r′滤饼的比阻； v　滤饼体积与滤液体积之比。第二节　板框式过滤设备 plate and frame presses第二节　板框式过滤设备 plate and frame pressesnull板框式压滤机动画板框式压滤机动画板框式压滤机（过滤） 板框式压滤机（过滤阶段） 板框式压滤机（洗涤） 板框式压滤机（洗涤阶段） 另外，还有全自动板框式压滤机。机械挤压式连续压滤机机械挤压式连续压滤机密闭加压耙式过滤机密闭加压耙式过滤机真空过滤机盘式真空过滤机　　　　　　　　　转鼓真空过滤机真空过滤机离心过滤机 Centrifugal filter离心过滤机 Centrifugal filternull叶滤机叶滤机叶滤视频 叶滤机动画.swf圆盘过滤视频第六章　膜分离技术 　Membrane separation 第六章　膜分离技术 　Membrane separation 膜分离第一节　基本概念第一节　基本概念一、膜的分类几种主要分离膜的分离过程几种主要分离膜的分离过程null续上表膜的分类膜的分类还可以按膜的材料来分类 无机膜（玻璃中空纤维等）、高分子膜等； 按物理形态分类 对称膜，不对称膜，复合膜。见下图。 对称膜(a)和非对称膜(b)对称膜(a)和非对称膜(b)多孔支撑层致密皮层多孔膜无孔膜（a）一体化膜复合膜致密皮层（b）null按膜的形状分类 平板膜，管式膜，中空纤维膜。nullnullnull中空纤维膜分离示意动画中空纤维超过滤膜结构图中空纤维超过滤膜结构图nullnull三、膜分离的特点三、膜分离的特点1　耗能少。无相变及化学反应。 2　在常温下分离，不破坏对热不稳定的物质。 3　适用范围广。无机，有机，生物等。 4　操作方便，易于自动控制。 第二节　膜分离的机理第二节　膜分离的机理一、反渗透膜的透过机理 渗透；渗透平衡；反渗透 一般反渗透膜的孔径为2nm，而一般无机离子的直径为0.1～0.3nm。因此机械筛分作用无法解释截留无机离子的现象。 目前主要有如下几种理论： 氢键理论；扩散－毛细孔流动理论；优先吸附－毛细孔流理论；溶解扩散理论。氢键理论氢键理论一级结合水　靠氢键与膜紧密结合的结合水为一级结合水。不能溶解溶质。 二级结合水　与膜疏松结合的结合水为二级结合水，可以溶解溶质。 在外界压力作用下，水分子一连串的氢键缔合与解离过程，从一个活化点移向另外一个活化点，直到进入膜的多孔层。优先吸附－毛细孔流理论优先吸附－毛细孔流理论水被优先吸附在膜的表面，形成纯水层。而无机离子受到排斥，不能进入纯水层。 溶解扩散理论 水和溶质都可以在膜内溶解和扩散。而溶质的扩散系数比水的扩散系数小得多。 超过滤膜的透过机理超过滤膜的透过机理主要为机械筛分机理（还有吸附作用等）第三节　膜分离技术的应用第三节　膜分离技术的应用一、反渗透膜分离 海水淡化，废水处理等。二、超滤膜分离二、超滤膜分离电泳漆废水回收四、气体渗透分离 gas permeation四、气体渗透分离 gas permeation　　一种以分压差作为推动力，利用各组分渗透率的差别，分离气体混合物的膜分离操作。 例如，利用富氧膜分离空气，因膜对氧和氮的渗透性不同，可以得到富氧空气。五、渗透蒸发分离 pervaporation (permeation-vaporation) 五、渗透蒸发分离 pervaporation (permeation-vaporation) 渗透蒸发是利用液体中各组分在膜中的溶解和扩散的差别，在两侧组分的蒸气分压差的推动力下，易渗透组分透过膜并部分蒸发，从而达到分离目的的一种膜分离方法。 可用于传统分离手段较难处理的恒沸物及近沸点物系的分离。具有一次分离度高、操作简单、无污染、低能耗等特点。 渗透蒸发分离示意图(真空中气化)渗透蒸发分离示意图(真空中气化)应用情况应用情况自1982年在巴西建立了渗透蒸发乙醇脱水制无水乙醇的小型工业装置以来,至今已经建立了超过100套的渗透蒸发工业装置.其中最大的一套乙醇脱水工业装置所用膜面积为2100平,可年产4万吨99.8%的无水乙醇.六、渗析和电渗析分离 Dialysis and electrodialysis六、渗析和电渗析分离 Dialysis and electrodialysis渗析是利用多孔膜两侧溶液的浓度差使溶质从浓度高的一侧通过膜孔扩散到浓度低的一侧从而得到分离的过程。 最常见的应用是医学上对肾病患者进行血液透析。电渗析电渗析是基于离子交换膜能选择性地使阴离子或阳离子通过的性质，在直流电场的作用下使阴阳离子分别透过相应的膜以达到从溶液中分离电解质的目的，目前主要用于水溶液中除去电解质(如盐水的淡化等)、电解质与非电解质的分离和膜电解等。 电渗在苦咸水淡化，饮用水及工业用水制备方面展示了巨大的优势。 食盐生产电渗析器示意图 食盐生产电渗析器示意图 A：阴离子膜，K：阳离子膜；D：稀室，C：浓室渗析和电渗析电影渗析和电渗析电影渗析实验电影 电渗析电影七、液膜分离技术 liquid membrane separation七、液膜分离技术 liquid membrane separation液膜分离技术是1965年由美国埃克森（Exssen）研究和工程公司的黎念之博士提出的一种新型膜分离技术。直到80年代中期，奥地利的J. Draxler等科学家采用液膜法从粘胶废液中回收锌获得成功，液膜分离技术才进入了实用阶段。 液膜是一层很薄的液体膜。它能把两个互溶的、但组成不同的溶液隔开，并通过这层液膜的选择性渗透作用实现物质的分离。根据形成液膜的材料不同，液膜可以是水性的，也可是溶剂型的。 七、液膜分离技术 liquid membrane separation七、液膜分离技术 liquid membrane separation液膜有乳化型和支撑型。乳化型液膜如下图所示null(W/O)/W (水-油-水)乳化型液膜的特点 (emulsion liquid membrane, ELM)乳化型液膜的特点 (emulsion liquid membrane, ELM)制备容易，膜极薄，表面积大，传质速度快，处理效率高。 动力是膜两侧浓度差； 选择性是各组分在膜内的溶解性不同。 液膜相区分为：外相，内相，膜相。支撑型（固定型）液膜 Supported liquid membrane支撑型（固定型）液膜 Supported liquid membrane将液体充于固体支撑体内的微孔内形成的液膜形式。 特点： 稳定性好，不需要破乳。支撑液膜示意图八、其它新型膜分离技术八、其它新型膜分离技术（一）膜反应 膜生物反应器；气相膜反应等 （二）膜蒸馏 （三）膜萃取膜反应膜反应最早的膜反应器是利用超滤膜将生物存放在膜内，实现生物固化，微生物发酵和细胞培养等。 反应过程中膜的作用是： （1）将催化剂与其它物质分离 （2）分离反应物和产物 （3）膜本身作为催化剂。膜蒸馏(Membrane Distillation)膜蒸馏(Membrane Distillation)膜蒸馏是一种用于处理水溶液的新型膜分离过程。膜蒸馏中所用的膜是不被料液润湿的多孔疏水膜，膜的一侧是加热的待处理水溶液，另一侧是低温的冷水或是其它气体。由于膜的疏水性，水不会从膜孔中通过，但膜两侧由于水蒸汽压差的存在，而使水蒸汽通过膜孔，从高蒸汽压侧传递到低蒸汽压侧。这种传递过程包括三个步骤：首先水在料液侧膜表面汽化，然后汽化的水蒸汽通过疏水膜孔扩散，最后在膜另一侧表面上冷凝为水。膜蒸馏的主要特点及应用特点：可利用余热或太阳能等，设备简单，易自动化。 膜蒸馏主要应用在两个方面： 一是纯水的制备，如海水淡化、电厂锅炉用水的处理等； 二是水溶液的浓缩，如热敏性水溶液的浓缩、盐的浓缩结晶等。膜蒸馏的主要特点及应用膜蒸馏有下列几种：膜蒸馏有下列几种：真空膜蒸馏真空膜蒸馏吹描气体膜蒸馏吹描气体膜蒸馏膜萃取（Membrane Extraction） 膜萃取（Membrane Extraction） 膜萃取是膜过程与液-液萃取过程相结合的分离技术，用微孔膜将两个液相分隔开，传质过程在微孔膜表面进行。该过程无需密度差，避免了常规萃取操作中相的分散与凝聚过程，减少了萃取剂在料液中的夹带，有较高的传质速率。黎念之 (Norman N. Li)  博士小传黎念之 (Norman N. Li)  博士小传黎念之化学工程学家。美国国籍 1932年12月25日生于中国上海，原籍湖南湘潭。  1954年获台湾大学化学工程学士学位。 1959年获美国密执安州立韦恩大学硕士学位 1963年获美国史蒂文斯理工学院博士学位 1995年迄今任北美膜科学学会会长和恩理（NL） 化学技术公司董事长。 1990年起任美国国家工程院院士 1996年起任台湾“中央研究院”院士    1998年当选为中国科学院外籍院士 2000年获被誉为化学工业界诺贝尔奖的普金奖章 2001年荣获世界化工大会授予的终身成就奖 膜科学的主要奠基人之一。他发明的液体膜技术已形成一项重要的技术。著作13部，论文及专利共有一百五十余篇（项），应邀在美国、中国、日本、欧洲等地作学术演讲一百二十余次，担任过约六十次重大国际化学、化工、膜科学学术会议主席。第七章　干燥 drying第七章　干燥 drying干燥过程 利用热能使固体湿物料中的湿分汽化而除去的单元操作。 干燥过程的本质 被除去的湿分从固相转移到气相中( 固相为被干燥的物料，气相为干燥介质)。在去湿过程中， 湿分发生相变，耗能大、费用高。 干燥过程分类 按照热能供给湿物料的方式,干燥可分 为以下四种 传导干燥、对流干燥、辐射干燥、介电加热干燥。 其中，对流干燥在工业上应用最为广泛，使用的干燥介质多为空气。对流干燥 Convection drying对流干燥 Convection drying对流干燥 干燥介质直接与湿物料接触，热能以对流方式传递给物料，产生蒸汽被干燥介质带走。其干燥过程如图所示，是一种传热和传质同时进行的过程。物料中水份的性质物料中水份的性质平衡水分与自由水分，结合水分与非结合水分是两种概念不同的区分方法。   ●自由水分是在干燥中可以除去的水分，而平衡水分是不能除去的，自由水分和平衡水分的划分除与物料有关外，还决定于空气的状态。   ●非结合水分是在干燥中容易除去的水分，而结合水分较难除去。是结合水还是非结合水仅决定于固体物料本身的性质，与空气状态无关。细胞壁内的，毛细孔内的水分属于结合水。物料的总水分、平衡水分、自由水分、结合水分、非结合水分之间的关系见图示。物料的总水分、平衡水分、自由水分、结合水分、非结合水分之间的关系见图示。干燥速率曲线干燥速率曲线将干燥速率对物料湿含量作图得到的曲线，称为干燥速率曲线, 如图所示。 图中横座标为干基含水量X, 纵座标为干燥速率R，即单位时间内在单位表面积上汽化的水分质量。恒速干燥速率恒速干燥速率此时，物料表面水份的蒸发速率与物料内部水分向表面的蒸发速率相等W 干燥水分的重量，kg S 传热面积 Q 空气传给物料的热量, J rw tw℃时水的汽化潜热, J/kg kH 以湿度为推动力的传质系数，kg/m2·h Hw tw时的饱和湿度 H 热空气的湿度干燥时间的计算干燥时间的计算(一)恒速干燥阶段的干燥时间 从初始含水量X1降至临界含水量X0所需要的时间τ1为Gc 绝干物料重量，kg F 干燥面积， m2 U0 干燥速率 (二)降速干燥阶段的干燥时间(二)降速干燥阶段的干燥时间当干燥速率与含水量X呈线性关系时，所需要的干燥时间τ2为X* 平衡含水量 X2 最终含水量干燥设备干燥设备箱式干燥器（loft drier）回转圆桶干燥器回转圆桶干燥器回转圆桶干燥器(rotary drier)回转圆桶干燥器(rotary drier)优点 不断翻动，加速了干燥速率。 机械化程度高，生产能力大，对物料适应性强。 缺点： 设备笨重，占地大。 点此看动画真空耙式干燥器 Vacuum rake drier真空耙式干燥器 Vacuum rake drier特别适用于干燥热敏性物料，在高温下易氧化的物料、或干燥时易板结的物料，以及干燥中排出的蒸汽须回收的物料。干燥完毕后物料为粉末状，所以对于成品为粉末状的物料较为适用，干燥完毕后可直接包装，无需粉碎。耙式真空干燥机进料含水率可达90%，被干燥物料有浆状、膏状、粒状、粉状或纤维状，干燥后物料水份可达1%，甚至0.5%。在固体醇钠(钾)的生产工艺中得到了广泛地应用。 null真空耙式干燥器结构示意图真空耙式干燥器结构示意图通道式干燥器（Channel drier）通道式干燥器（Channel drier）null滚筒式干燥器滚筒式干燥器间接加热的连续干燥器，适用于溶液、悬浮液、胶体溶液等流动性物料的干燥。 优点：动力消耗少，干燥时间和干燥强度易调节。 点击观看　滚筒（薄膜）干燥器动画滚筒式干燥器null气流干燥（pneumatic dryer ）点击观看 气流干燥器动画01 气流干燥动画02 喷雾干燥(spray dryer)喷雾干燥(spray dryer)观看喷雾干燥动画流化床干燥器(fluidized bed drier)流化床干燥器(fluidized bed drier)流化床干燥器动画01 液化床干燥器02null喷动床干燥器干物料喷动床干燥器 湿物料SZG系列双锥回转真空干燥机 SZG系列双锥回转真空干燥机 YZG系列圆通型 FZG系列方形静态真空干燥机 YZG系列圆通型 FZG系列方形静态真空干燥机 第八章 粉碎 pulverizing第八章 粉碎 pulverizing粉碎 对固体物料施加外力，使之分裂为尺寸更小的颗粒或小块的操作，称为固体粉碎。 第一节 粉碎的基本概念和理论 一、粉碎的目的 1 增加表面积； 2 提高多组分的混合度； 3 颜料等需要一定的粒度； 4 特殊情况下的需要，例如氧化铬与氧化铅一起粉碎时形成铬酸铅。 二、固体颗粒的粒度和粒度分布二、固体颗粒的粒度和粒度分布(一) 粒度 granularity 球型颗粒 粒度即为直径； 非球型颗粒 以表面积Sp为基准： 以颗粒体积为基准： 目数与粒度目数与粒度 目数 粒度/μm 5     3900         10     2000         16     1190       20     840         25     710         30     590         35     500         40     420         45     350         50     297       60     250         　     　 80     178         　     　 100   150         　     　 120   124         　 140   104 170   89 200   74 230   61 270   53 325   44 400   38目数的定义 在1英寸（25.41mm）距离内的经线（或：纬线）数量就是目数。如：在1英寸（25.41mm）距离内的经线（或：纬线）有500条（分别用500条经线和500条纬线编制成1平方英寸的网，有250000个网孔），就是500目。 (二)粒度分布 (二)粒度分布 全部颗粒中粒度小于d的所有颗粒的粒数占全部颗粒数的百分数，称为粒数的累积分布函数AN(d). 将累积分布函数对粒度d微分,得频率分布函数f(d) 其意义为，粒度为1单位范围内颗粒数目占的百分率。 null(四) 粒度分布的函数式(四) 粒度分布的函数式粒度分布曲线可由实验确定，也可由分布函数描述。有如下几种： 1 对数正态分布式 dGM为几何平均粒度；σG为几何标准差。 2 平方根正态分布式2 平方根正态分布式与对数正态分布式比较，知是以 代替 lgd。3 Rosin-Rammler分布式3 Rosin-Rammler分布式是经常使用的经验分布式Rd是粒度大于d的物料体积或质量的百分率；dRM为罗-拉平均粒度；n为常数。 当d=dRM时，Rd=36.8, 或罗-拉平均 粒度的定义为大于此粒度的物料占总质量或体积的百分率为36.8%。三、粉碎方法与粉碎力三、粉碎方法与粉碎力粉碎 用机械或其它方法克服固体物料内部的凝聚力而使其分裂的操作。 粉碎分为：破碎和磨碎。 破碎： 大块变为小块 磨碎： 小块变为粉未 粉碎比：x=d1(粉碎前)/d2(粉碎后) 粉碎力：主要有三种，挤压力；冲击力；剪切力(或摩擦力)。另外还有研磨力和劈裂力。粉碎方法粉碎方法干法粉碎 湿法粉碎 低温粉碎 干燥粉碎 用热空气干燥同时进行粉碎； 自身粉碎 指不用钢球等，靠自身撞击作用进行粉碎。 其它方法 如重晶石熔于食盐，再溶于水；微孔物质高压下压入水份，快速改变压力而爆炸。四、粉碎的能耗理论和粉碎速率四、粉碎的能耗理论和粉碎速率(一)粉碎能耗的机理 粉碎需要消耗两方面的能量： (1) 变形能，即使不发生裂解，也将消耗转为热； (2) 新表面所需要的表面能，与表面大小有关； (3) 颗粒间摩擦所消耗的能量。 (三)粉碎速率(三)粉碎速率设Rd为粒度大于d的物料体积或质量的百分率，粉碎速率K为与粒度有关的系数；m为常数。 设粉碎开始时的Rd为Rd0，对上式积分有五、粉碎规则五、粉碎规则1 被粉碎的物料只需粉碎到需要的程度即可，不要过度粉碎。 2 粉碎前过筛，通过筛孔的不必要再粉碎。 3 粉碎比较大时要分步进行。实验表明，粉碎比在4时效率最高。 4 粉碎操作尽可能不要合并其它操作。常见的粉碎过程常见的粉碎过程铅酸电池 色母料，油漆 石英砂 建筑用石子 面粉 咖啡 第二节 粉碎设备 Comminution machine第二节 粉碎设备 Comminution machine一、影响物料可粉碎性的因素 1 受压力而破裂的强度； 2 硬度； 3 脆性。 二、对粉碎设备的一般要求 颗粒要均匀；耗能要小；粉碎很细的物料时要防爆炸 易燃易爆的物料要用湿法粉碎。null四、粉碎设备四、粉碎设备(一)颚式破碎机 Jaw crusher 主要用于粗碎和中碎颚式破碎机动画颚式破碎机动画点此观看工作原理 工作过程动画 (二) 辊式破碎机 Roller-type breaker (三)锤击式粉碎机 breaker pulverizer or hammer crusher (三)锤击式粉碎机 breaker pulverizer or hammer crusher 用于粉未涂料的生产中，属中细粉碎设备。锤式粉碎机工作原理图锤式粉碎机工作原理图锤式粉碎机的一般形式锤式粉碎机的一般形式锤式粉碎机动画锤式粉碎机动画锤式粉碎机 锤式破碎机(四)反击式粉碎机 Impact breaker(四)反击式粉碎机 Impact breaker(五)盘击式粉碎机(盘磨机) Disk grinder(五)盘击式粉碎机(盘磨机) Disk grinder五 研磨设备五 研磨设备以摩擦力或剪切力为主要粉碎力的设备。 (一)盘式磨碎机 (二) 盘磨(二) 盘磨(三) 球磨机和棒磨机 ball mill and rod mill(三) 球磨机和棒磨机 ball mill and rod mill以摩擦力和冲击力为粉碎力的设备 看球磨机动画nullnull球磨机照片球磨机照片摆式磨机摆式磨机振动磨振动磨砂磨机砂磨机(四) 辊磨机(四) 辊磨机辊磨机的磨辊表面有光滑的和带有齿槽的，分别称为光辊或齿辊。双辊式粉碎机结构示意图双辊式粉碎机结构示意图点此看动画点此看动画(五)气流粉碎机 gas stream disintegrater(五)气流粉碎机 gas stream disintegrater是一种高效的干法超微粉碎设备。 扁平式气流粉碎机扁平式气流粉碎机照片扁平式气流粉碎机照片null超音速气流喷射粉碎机超音速气流喷射粉碎机椭圆气流粉碎机椭圆气流粉碎机(六)胶体磨 Colloid mill(六)胶体磨 Colloid mill胶体 粒度1～1000nm. 胶体磨可粉碎到1μm以下，一般用湿法操作。 工作原理：胶体磨是由电动机通过皮带传动带动转齿（或称为转子）与相配