《工艺学绪论》PPT课件.ppt

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1、现 代 分 离 技 术Modern Separation Technique 主要内容：主要内容：n现代分离技术现代分离技术是物理化学、化工原理等课程是物理化学、化工原理等课程的后续课程，主要讲述了化学工业领域内常见的的后续课程，主要讲述了化学工业领域内常见的分离技术的原理和设计方法，并介绍了分离过程分离技术的原理和设计方法，并介绍了分离过程的前沿技术。的前沿技术。n通过本课程的学习，培养同学分析实际问题和解通过本课程的学习，培养同学分析实际问题和解决工程问题的能力，为毕业后从事相关技术的研决工程问题的能力，为毕业后从事相关技术的研究和开发奠定良好的理论和技术基础。究和开发奠定良好的理论和技术

2、基础。课程性质与任务课程性质与任务参考书目参考书目1.尹芳华，钟璟主编.现代分离技术.北京:化学工业出版社,20092.胡小玲.化学分离原理与技术北京:化学工业出版社，20063.丁明玉.现代分离方法与技术.北京：化学工业出版社，20064.Seader J.D.Separation Process Principles.Wiley,19985.孙兰义.化工流程模拟实训-Aspen Plus教程.化学工业出版社，2012 绪论绪论 特殊精馏技术特殊精馏技术 新型萃取技术新型萃取技术 吸附与离子交换吸附与离子交换 色谱分离技术色谱分离技术 膜分离技术膜分离技术 结晶结晶 天然产物分离技术天然产物

3、分离技术 手性分离技术手性分离技术第第1 1章章 绪论绪论1.1 分离科学及其研究内容1.2 分离科学的意义1.3 分离过程的本质1.4 分离方法的类型1.5 分离方法的评价1.6 分离（富集）技术的发展趋势n分离工程及技术是伴随着化学工业的产生而发展的,随着化学工业以及相关工业的发展,分离工程作为它们必不可少的组成部分,也得到了补充,完善及发展;同时,分离工程技术的进步也促进了这些工业的发展。1分离技术的诞生与发展分离技术的诞生与发展n最早的分离技术可以追朔到中国夏最早的分离技术可以追朔到中国夏,商商朝的酿酒业中的蒸酒技术朝的酿酒业中的蒸酒技术;古人制糖和古人制糖和盐掌握了蒸发浓缩和结晶技术

4、盐掌握了蒸发浓缩和结晶技术;用蒸馏用蒸馏方法从煤焦油中提取油品方法从煤焦油中提取油品.十八世纪英十八世纪英国工业革命国工业革命,使化学工业这个巨人真正使化学工业这个巨人真正诞生和发展起来诞生和发展起来,随之分离工程也诞生随之分离工程也诞生并发展起来并发展起来.1分离技术的诞生与发展分离技术的诞生与发展n1901 1901 年英国学者戴维斯在其著作年英国学者戴维斯在其著作化学化学工程手册工程手册中首先确定了分离操作的概中首先确定了分离操作的概念念,1923,1923 年美国学者刘易斯和麦克亚当年美国学者刘易斯和麦克亚当斯合著出版了斯合著出版了化工原理化工原理,从而确立从而确立了分离工程理论了分离

5、工程理论.2.新世纪的分离工程与其未来n新世纪全人类所面临的四大问题新世纪全人类所面临的四大问题:环保环保,能源能源,粮食与健康医疗粮食与健康医疗,每个都与化学每个都与化学工程及分离工程相关工程及分离工程相关.现已普遍使用的现已普遍使用的分离技术分离技术,如萃取如萃取,离子交换离子交换,吸附吸附,膜膜分离分离仍大有用武之地仍大有用武之地.1.1 分离科学及其研究内容分离科学及其研究内容 分离（分离（separation）的概念）的概念n分离是一种假设状态，在这种状态下，不同的物质被分开了（isolation）。n含有m种化学组分的混合物被分成m个常量范围。n把m种化学组分分成m种纯的形式，并把

6、它们置于m个独立的容器中。n利用混合物中各组分在物理或化学性质上的差异，通过适当的装置或方法，使各组分分配至不同的空间区域或者在不同的时间依次分配至同一空间区域的过程。富集（富集（concentration）的）的概念：概念：n在分离的过程中使对象物质在某空间区域的浓度增加。n从大量基体物质中将欲测量的组分集中到一较小体积的溶液中，从而提高检测灵敏度。分离与富集的关系：分离与富集的关系：n富集需要借助分离的手段，在分析过程中分离与富集往往是同时实现的。n富集与分离的目不同，富集只是分离的目的之一。纯纯化（化（purification）：）：通过分离操作使某种物质的纯度提高的过程。纯纯度（度（p

7、urity）：）：n主组分含量高低或所含杂质多少的一个概念；n纯是相对的，不纯是绝对的；n不同目的对纯度的要求不同；n纯度越高，成本越高。分离科学（分离科学（separation science）的定）的定义义：研究从混合物中分离、纯化或富集某些组分以获得相对纯物质的过程的规律及其应用的一门学科。n分离科学已成为一门独立的新学科 （分离科学系、分离科学专业、分离科学杂志）n分离的目的分离的目的1.确认对象物质或准确测定其含量；2.获取单一纯物质或某类物质以作它用；3.浓缩（富集）某个或某类物质；4.消除干扰，提高分析方法选择性和灵敏度。分离的两种形式组分离组分离与与单一分离单一分离n组（族）分

8、离组（族）分离将性质相近的一类组分一起分离。1.石油炼制中的轻重油分离;2.中药有效成分的分离.n单一分离单一分离将某一组分以纯物质形式分离出来。1.工业上纯物质的制备；2.化学标准品的制备；3.药物对映异构体的分离。单单一分离一分离结结果的主要形式果的主要形式n相互完全分离 (a,b,c,)(a)+(b)+(c)+n从混合物中分离出某种物质 (a,b,c,)(a)+(b,c,)n部分分离 (a,b,c,)(a,b)+(b,c)+n分离技分离技术术的特点的特点1.分离对象种类繁多（所有天然和合成物质）2.分离目的各不相同（检测、制备、定性定量）3.分离规模差别很大（g级吨级）4.分离技术形形色

9、色（过滤、萃取、离心）5.应用领域极为广泛（生物医药、石油、化工）分离科学的研究内容分离科学的研究内容n分离过程的共同规律 1.用热力学原理讨论分离体系的功、能量和热的转换关系，以及物质输运的方向和限度。2.用动力学原理研究各种分离过程的速度与效率。3.研究分离体系的化学平衡、相平衡和分配平衡。n各种分离方法的原理及应用1.2 分离科学的意义分离科学的意义1.分离是分离是认识认识物物质质世界的必经之路世界的必经之路n 物质的物理常数的测定；n 物质的化学性质的研究；n 纯物质特异性研究。2.2.分离是各种分析技术的前提分离是各种分析技术的前提n样品中存在干扰物质；n待测组分在样品中分布不均匀；

10、n没有合适的标准参考物质；n样品的物理、化学状态不适合于直接测定；n样品本身剧毒或具有强放射性。3.富集（分离）延伸了分析方法的检出（下）限富集（分离）延伸了分析方法的检出（下）限4.分离科学是分离科学是其他学科发展的基础其他学科发展的基础n化学元素的发现，新化合物的结构确定。n物理物质的物理性质研究。n生物样品前处理n化工试剂和化工产品纯化n医学治疗血友病的血液制剂。n药学药理毒理实验，新药开发n材料科学超纯硅n环境污水处理（沉淀），垃圾分类（磁力分离法）n石油除苯汽油（吸附、萃取），石油精炼（蒸馏）。5.分离科学提高了人类的生活品质分离科学提高了人类的生活品质n自来水、纯净水（过滤、反渗透

11、）、净水器；n色拉油、脱盐酱油、精盐；n室内空气净化器；n香烟过滤嘴n新剂型（针剂、口服液、胶囊）中药1.3 分离过程的本质分离过程的本质实例：糖的溶解与结晶实例：糖的溶解与结晶n糖溶于水糖溶于水 形成均匀溶液混合过程 过程是自发的熵增加n从水中取出糖从水中取出糖 对体系做功（如蒸馏法）分离过程 过程不能自发进行熵减少 实例：己烷与水混合的实验实例：己烷与水混合的实验n不能自发混合n剧烈搅拌或振荡混合n放置（停止搅拌或振荡）自发分离 体系中除浓度差（熵效应）外，还有：体系中除浓度差（熵效应）外，还有：n水分子间的亲水相互作用势能对抗混合n水分子和己烷分子间的疏水相互作用势能对抗混合n水和己烷的

12、密度差（重力势能）对抗混合 n实例：实例：Fe3+和和Ti4+的混合实验（一）的混合实验（一）混合均匀 Fe3+Ti4+Fe3+Fe3+抽掉隔板 Ti4+Ti4+6mol/L HCl 6mol/L HCl 6mol/L HCl 6mol/L HCl抽调隔板后Fe3+和Ti4+将自发混合均匀，这是因为：n体系中除浓度（活度）差外不存在其他势场。n浓度差对化学势的贡献属熵的贡献，n熵增势能驱使Fe3+和Ti4+在整个体系范围内从有序向无序变化。n实例：实例：Fe3+和和Ti4+的分离实验（二）的分离实验（二）Fe3+、Ti4+乙醚，Fe3+抽掉隔板 6mol/L HCl 乙醚 6mol/L HCl

13、，Ti4+结果结果：乙醚和水为互不相溶的两相。Fe3+与乙醚生成离子缔合物：C2H5O C2H5 H+(C2H5)2OH+Fe3+4 Cl FeCl4 (C2H5)2OH+FeCl4 (C2H5)2OH+FeCl4 Ti4+留在水相留在水相nTi4+的亲水作用势能驱使Ti4+留在水相；nTi4+的浓度差产生的化学势驱使Ti4+均匀分布在整个空间；nTi4+的亲水作用势能远大于浓度差化学势，所以，Ti4+留在水相留在水相Fe3+进入乙醚相进入乙醚相n Fe3+的浓度差产生的化学势驱使Fe3+均匀分布在整个空间；n(C2H5)2OH+FeCl4的亲溶剂（疏水）势能驱使Fe3+进入乙醚相；n 亲溶剂

14、势能远大于浓度差化学势，所以，Fe3+进入乙醚相进入乙醚相结论：结论：n分离有时是自发过程、混合有时也不能自发进行；n总自由能决定体系是趋向分离、还是趋向混合，即：G总势能项熵项iRT lnain均相体系中只存在浓度差 自发混合。n非均相体系中除浓度差外，还存在各种相互作用（势能）各组分趋向于分配在低势能相。（自由能降低）1.4 分离方法的类型分离方法的类型 一般分离过程一般分离过程 能量或分离剂 原料（混合物）目标产物 分离装置 残余物可用于分离的物质性质可用于分离的物质性质物理性质物理性质力学性质力学性质 密度、摩擦因素、表面张力、尺寸、质量密度、摩擦因素、表面张力、尺寸、质量热力学性质热

15、力学性质 熔点、沸点、临界点、蒸汽压、溶解度、分配系数、吸附熔点、沸点、临界点、蒸汽压、溶解度、分配系数、吸附电磁性质电磁性质 电导率、介电常数、迁移率、电荷、淌度、磁化率电导率、介电常数、迁移率、电荷、淌度、磁化率输送性质输送性质 扩散系数、分子飞行速度扩散系数、分子飞行速度化学性质化学性质热力学性质热力学性质 反应平衡常数、化学吸附平衡常数、离解常数、电离电位反应平衡常数、化学吸附平衡常数、离解常数、电离电位反应速度反应速度 反应速度常数反应速度常数生物学性质生物学性质 生物亲和力、生物吸附平衡、生物学反应速度常数生物亲和力、生物吸附平衡、生物学反应速度常数1.4 分离方法的类型分离方法的

16、类型n分离的实施分离的实施 两相体系两相体系1.分离过程通常是在多相体系中完成，两相体系占绝大多数。2.寻找适当的两相体系，使各种被分离组分在两相间的作用势能之差增大，从而导致它们选择性地分配于不同的相中。3.在分离体系中引入两相可以减少由于熵效应使分开的组分再混合，避免分离效率降低。分类一：按被分离物质的性质分类一：按被分离物质的性质1.物理分离法物理分离法按被分离组分在物理性质上的差异，采用适当的物理手段进行分离。如：离心分离、电磁分离。2.化学分离法化学分离法按被分离组分在化学性质上的差异，通过适当的化学过程使其分离。如：沉淀分离、溶剂萃取、色谱分离、选择性溶解。3.物理化学分离法物理化

17、学分离法按被分离组分在物理化学性质上的差异进行分离。如：蒸馏、挥发、电泳、区带熔融、膜分离。分类二：按分离过程的实质分类二：按分离过程的实质1.平衡分离过程使原混合物系形成新的相界面。利用互不相溶的两相界面上的平衡关系使均相混合物得以分离。如：蒸馏、升华、超临界萃取、固相萃取、吸附。2.速度差分离过程强化特殊梯度场。用于非均相混合物的分离。如：沉降、离心、电泳、透析、反渗透。3.反应分离过程促进化学反应达到分离。如：沉淀、离子交换、反应晶析、反应萃取。1.5 分离方法的评价分离方法的评价回收率回收率1.回收率=分离后组分的含量/分离前组分的含量1002.对回收率的一般要求n1以上的组分：99n

18、痕量组分：95或90n根据分离目的或经济价值：灵活确定回收率指标3.回收率的测定方法 利用标准参考物质（标准样品）、合成样品、分析过的样品、标准加入法1.6 分离技术选择依据分离技术选择依据（1）从确定产品纯度和回收率入手。产品纯度依 据其使用目的来确定，而回收率则取决于当 时能实现的技术水平；（2）通过了解混合物中目标产物与共存杂质之间 在物理、化学与生物性质上的差异，并比较 这些差异及其可利用行；（3）确定工艺可行且最为经济的具体分离方法。分离技术发展的成熟水平直接决定了工业化应用的程度。1.蒸馏（精馏）2.吸收 3.溶剂萃取 4.结晶 5.离子交换 6.吸附 7.固膜8.色谱 9.超临界

19、萃取 10.场级分离 11.亲和分离 12.液膜 13.双水相萃取 1.7 分离（富集）技术的发展趋势分离（富集）技术的发展趋势1.1.色谱将成为最有效和应用最广泛的分离技术色谱将成为最有效和应用最广泛的分离技术n分离与连续检测的结合使分析效率大大提高、使分析过程更易于自动化；n色谱分离模式和固定相丰富多彩，使色谱技术“无所不能”。n高效的分离性能使复杂样品的分离得以实现；n制备色谱是天然产物、生物医药产品制备与纯化的最有力的工具；n色谱与其他分析技术的联用提高了色谱方法的灵敏度和定性分析能力。2.2.不同分离技术相互渗透形成新的分离方法不同分离技术相互渗透形成新的分离方法n萃取色谱法（ext

20、raction chromatography）：(1)溶剂萃取与色谱技术相结合；(2)液体有机萃取剂涂渍或键合到惰性载体上作固定相；(3)固定相表面的萃取剂具有配位或螯合能力；(4)流动相为水溶液，被测金属离子因与固定相中萃取剂形成配合物或螯合物而由水相（流动相）转移到固定相；(5)是阳离子的高效和高选择性分离技术。n沉淀浮选：在捕集剂存在下，痕量金属离子与沉淀剂生成共沉淀或胶体，然后加入反电荷表面活性剂，通入气泡进行浮选分离。是一种从大体积溶液中分离富集痕量元素的有效方法。n液膜分离：被分离组分在互不相容的两液相间通过选择性渗透、化学反应、萃取或吸附等多种物理化学过程而实现分离。3.3.分离富集技术的自动化分离富集技术的自动化n自动化可以提高分离操作的重现性；n分离技术的自动化是分析自动化的前提。n全自动溶剂萃取仪、全自动固相萃取仪4.4.分离与测定的有机结合分离与测定的有机结合n色谱法、测汞仪等是分离与测定技术有机结合的典范；n分离技术与适当的测定方法结合是分析自动化的需要。