作者：廖传华、江晖、黄诚 著
出版社：化学工业出版社
格式: AZW3, DOCX, EPUB, MOBI, PDF, TXT
分离技术、设备与工业应用试读：
前言
在现代过程工业生产中，分离工程一方面为反应提供符合质量要求的原料；另一方面对反应产物进行分离提纯，得到合格的产品，并且使未反应的物料可以循环利用，对生成的三废进行末端治理。因此，分离工程在提高过程工业生产过程的经济效益和社会效益中起着举足轻重的作用。目前，分离工程已广泛应用于医药、材料、冶金、食品、生化、原子能和环境治理等过程工业。可见，分离工程对于过程工业的技术进步和经济的持续发展起着至关重要的作用。为此，在江苏高校品牌专业建设工程资助项目（PPZY2015A022）的资助下，我们组织策划了这本《分离技术、设备与工业应用》，除理论阐述外，还针对各种分离设备列举了工业应用实例，具有很强的实践性，力求使读者能通过本书的学习，对目前过程工业中涉及的分离设备及其应用特性有一个概括性的了解。
全书共分13章。第1章根据过程工业所用原料和生产产品的特性，提出了对分离过程与设备的要求；第2章介绍了蒸馏和精馏过程；第3章介绍了特殊精馏；第4章介绍了吸收过程；第5章介绍了气-液传质设备及其工业应用；第6章介绍了液-液萃取设备及其工业应用；第7章介绍了超临界流体萃取设备及其应用；第8章介绍了吸附设备及其工业应用；第9章介绍了干燥设备及其工业应用；第10章介绍了过滤设备及其工业应用：第11章介绍了膜分离设备及其工业应用；第12章介绍了结晶设备及其工业应用；第13章介绍了几种生物分离技术。
全书由南京工业大学廖传华、江晖和南京三方化工设备监理有限公司黄诚著，其中第1章～第3章、第5章、第7章、第12章、第13章由廖传华著，第4章、第6章、第9章、第11章由江晖著，第8章、第10章由黄诚著，全书由廖传华统稿。
全书从选题到材料的收集整理、文稿的编写及修订等方面都得到了南京工业大学黄振仁教授的大力支持，在此深表感谢。南京三方化工设备监理有限公司赵清万、许开明、李志强，南京工业大学李政辉对本书的撰写工作提出了大量宝贵的建议，南京朗润机电进出口公司朱海舟提供了大量图片资料，研究生赵忠祥、闫正文、王太东、李洋、刘状、汪威、李亚丽、廖玮、宗建军等在资料收集与文字处理方面提供了大量的帮助，在此一并表示衷心的感谢。
本书的写作与修订工作历时三年，虽经多次审稿、修改，但由于作者水平有限，不妥及疏漏之处在所难免，敬请广大读者不吝赐教。在写作过程中参考了大量的相关资料，但书中没有一一列出，在此谨对原文作者致以衷心的感谢。著者2017年8月于南京工业大学第1章 绪论1.1 分离技术的发展
在原始社会，人类完全靠大自然中“天生”的东西来解决生活中的一切需要。为了求得生存和改善生活条件，人类不断地与大自然进行斗争，在改造客观世界中形成了生产力，并使之不断发展。随着生产力自低级向高级发展，人类不断改善自己的物质生活，同时也创造了文化。
地球上的物质，绝大多数是与其他物质混在一起的（称为混合物）。天然存在的单纯物质少之又少。生产实践证明，将地球上的各种各样混合物进行分离和提纯是提高生产和改善生活水平的一种重要途径。由于发明了冶炼术，把金属从矿石中分离出来，使人类从石器时代进入铜器时代，大大提高了生活的质量，开始向文明社会进军。放射性铀的同位素的分离成功，迎来了原子能时代，原子能的和平利用使我们的生活水平又大大提高了一步。将水和空气中微量杂质除去的分离技术，大幅度提高了超大规模集成电器元件的成品合格率，使它得以实现商品化生产。深冷分离技术使我们从混合气体中分离出纯氧、纯氮和纯氢，获得了接近绝对零度的低温，为科学研究和生产技术提供了极为宽广的发展基础，为火箭提供了具有极大推力的高能燃料。从水中除去盐和有毒物质的蒸馏、吸附、萃取等分离技术，使我们能从取之不尽的大海中提取淡水，从工业、农业污水中回收干净水和其他有用的物质。
在工业生产中，很多生产过程处理的物料为流程性物料，如气体、液体、粉体等。从原材料到最后产品的生产过程中要进行一系列的化学、物理过程，以改变物质的状态、结构、性质。过程工业是以流程性物料为主要处理对象、完成上述各种过程或其中某些过程的工业生产的总称。过程工业中进行的各种过程往往在密闭状态下连续进行，它遍及几乎所有现代工业生产领域。化学工业是最传统、典型的过程工业，化肥、石油化工、生物化工、制药、农药、染料、食品、炼油、轻工、热电、核工业、公用工程、湿法冶金、环境保护等生产过程大都处理流程性物料，处理过程中几乎都包含改变物质的状态、结构、性质的生产过程。在这些过程中都需要使用各种类型的分离设备以完成生产过程中原料和产品的分离与提纯。
过程工业是国民经济的重要基础产业，其产品渗透到人们的衣、食、住、行等各个领域。过程工业的产值是衡量一个国家国民经济发展水平的重要标志之一。其显著的特点是所用原料广泛，生产工艺不同，产品品种繁杂，性质各异。但归纳起来，各个产品的生产工艺都遵循相同的规律：即原料预处理、加工精制、产品后处理。原料的预处理是过程工业生产前必要的准备工作，因为存在于自然界的原料多数是不纯的。例如，石油是由多种烃类化合物为主组成的混合液体；煤是组分复杂的固体混合物。其中有生产过程需要的物质，也有生产过程不需要的甚至是有害的物质。如果直接采用这样的原料进行化学反应，让那些与反应无关的多余组分一起通过反应器，轻则影响反应器的处理能力，使生成的产物组成复杂化；重则损坏催化剂和设备，使反应无法顺利进行，因此反应前的分离操作往往是必不可少的。当使用气体（或液体）原料时，预处理包括采用一定的分离手段，对原料气进行制备、净化和配制，要求制得的原料具有一定的组成、浓度和纯度，尽量少含杂质（特别是有害杂质）。当使用矿物原料时，预处理包括选矿、配矿、粉碎、筛分，有时还需要干燥或煅烧。原料矿粉应具备一定的组成（或品位）及一定的细度，以利于化学反应。产品的后加工，主要是指对从反应器出来的中间产物或粗产品进行分离和提纯以及对未反应物的回收利用。因为绝大多数有机化学反应都不可能百分之百地完成，而且除主反应外，尚有副反应发生，这样从反应器出来的产物往往是由目的产物、副产物以及未反应的原料组成的。要得到产品，必须进行分离。最常用的分离方法有冷冻冷凝、精馏分离和结晶分离。未反应物的回收利用常常采取循环作业。此外，固体产品的造粒成型、干燥和包装也是产品后加工不可缺少的内容。
通常所说的“三传一反”即概括了过程工业生产过程的全部特征。“三传”为动量传递、热量传递和质量传递（化工单元操作），“一反”为化学反应过程。质量传递过程是自然界和工程技术领域普遍存在的现象。敞口容器中的水向空气中蒸发；糖块在水中溶解；用吸收方法脱除烟气中的二氧化硫；从植物中提取药物；催化反应中反应物向催化剂迁移等都是常见的质量传递过程。在近代化学工业的发展中，传质分离过程起到了特别重要的作用。几乎没有一个过程工业的生产不包含对原料或反应产物的分离提纯操作，从原油中分离出各种燃料油、润滑油和石油化工原料到有机、无机、精细化学品的合成，都离不开对混合物的分离。
分离技术是随着化学工业的发展而逐渐形成和发展的。化学工业具有悠久的历史，而现代化学工业开始于18世纪产业革命以后的欧洲。当时，纯碱、硫酸等无机化学工业成为现代化学工业的开端。19世纪以煤为重要原料的有机化工在欧洲也发展起来。当时的煤化学工业规模还没有十分巨大，主要着眼于苯、甲苯、酚等各种化学产品的开发。在这些化工生产中应用了吸收、蒸馏、过滤、干燥等操作。19世纪末～20世纪初大规模的石油炼制业促进了化工分离技术的成熟与完善。到20世纪30年代在美国出版了第一部《化学工程原理》，50年代中期提出传递过程原理，把单元操作进一步解析成三种基本传递过程，即动量传递、热量传递和质量传递以及三者之间的联系。进入20世纪70年代以后，化工分离技术向更加高级化的方向发展，应用更加广泛。与此同时，分离技术与其他科学技术相互交叉渗透产生了一些更新的边缘分离技术，如生物分离技术、膜分离技术、环境化学分离技术、纳米分离技术、超临界流体萃取技术等。21世纪，分离技术将面临着一系列新的挑战，其中最主要的是来自能源、原料和环境保护三大方面。此外，分离技术还将对农业、食品和食品加工、城市交通和建设以及保健方面做出贡献。
中国是世界文明古国之一，古代劳动人民在长期的生产实践中，在科学技术和化学工艺等方面有不少发明创造，对于中国社会的发展和世界文明曾做出过卓越的贡献。如陶瓷、冶金、火药、燃料、酿酒、染色、造纸和无机盐等的生产技术，一直到西方出现资本主义以前，都走在世界前列。现代许多化工生产都是在古代化学工艺的基础上发展起来的。
近年来，科技人员在传质过程及设备的强化和提高效率、分离技术研究和过程模型、分离新技术开发几个主要方面做了大量的工作，取得了一批成果。对板式塔的研究已深入到板式塔内气、液两相流动的动量传递及质量传递的本质研究，开发了新型填料和复合塔；对萃取、蒸发、离子交换、吸附、膜分离等过程也做出了有意义的研究和开发工作。通过这些研究成果的工业应用，改进和强化了现有生产过程和设备，在降低能耗、提高效率、开发新技术和设备、实现生产控制和工业设计最优化等方面发挥了巨大的作用，同时也促进了过程工业的进一步发展。
当代工业的三大支柱是材料、能源和信息。这三大产业的发展都离不开新的分离技术。人类生活水平的进一步提高也有赖于新的分离技术。在21世纪，分离技术必将日新月异，再创辉煌。1.2 分离技术的应用
过程工业涉及的范围非常广泛，以石油、天然气为原料的化学工业包括石油加工、基本有机化工、无机化工、高分子合成、精细化学品合成等，而任何一个工业生产过程都包含分离技术的应用。事实上，在实际过程工业生产中，无论在基础建设阶段，还是在正常生产过程中，尽管反应器是至关重要的设备，但分离设备在整个流程中的数量远远超过反应设备，在投资上也不在反应设备之下，而消耗于分离的能量和操作费用在产品成本中也占有很大的比例，因此，对分离过程必须予以应有的重视。
以石油化工为例。以地下原油为原料生产汽油、煤油、柴油、润滑油和基础化工产品。从原油的初馏、催化裂化、加氢催化、催化重整到润滑油的生产，所有工艺过程都离不开分离操作。如常压塔、减压塔、吸收塔、汽提塔、抽提塔、芳香烃蒸馏塔等都是典型的分离过程。以直馏汽油为原料，生产各种轻质芳香烃为目的的催化重整装置包括原油的预处理（预分馏和预加氢）、催化重整、溶剂油抽提和芳香烃精馏四个部分。此生产过程除催化重整属化学反应外，原油的预处理（预分馏和预加氢 ）、溶剂油抽提和芳香烃精馏均属于分离过程。实际上，现代炼油厂中的前、后处理工序占用着企业的大部分设备投资和操作费用。由此可见，分离技术对提高生产过程的经济效益和产品质量起着举足轻重的作用。大型石油工业和以化学反应为核心的化工生产过程，分离装置的费用占总投资的50%～60%。
在某些化工生产装置中，分离操作就是整个过程的主体部分，如石油裂解气的深冷分离，碳四馏分分离生产丁二烯，和上述的芳烃分离等过程。在无机化工和有机化工中，虽然产品品种繁多，但是所有生产工艺过程仍然离不开“三传一反”，也就是离不开分离过程。
在冶金、食品、生化和原子能等工业也都广泛地应用到分离过程。例如，从矿产中提取和精选金属；食品的脱水、除去有毒或有害组分；抗生素的净制和病毒的分离；同位素的分离和重水的制备等都要采用分离技术。
随着现代工业趋向大型化生产，所产生的大量废气、废水、废渣更加集中排放，对它们的处理不但涉及物料的综合利用，而且还关系到环境污染和生态平衡。如原子能废水中微量同位素物质，很多工业废气中的硫化氢、二氧化硫、氧化氮等都需要妥善处理。近年来，由于能源紧张，石油提价，对分离过程的能耗要求越来越苛刻，随之对设备性能的要求也越来越高。分离技术的应用越来越得到人们的高度重视。
上述种种原因都促使对常规分离过程如精馏、吸收、吸附、萃取、结晶、蒸发等不断进行改进和发展；同时新的分离技术与方法，如超临界流体萃取、固膜与液膜分离、热扩散、色层分离等也不断出现和得到工业化应用。1.3 分离过程的分类和特征
分离过程可分为机械分离和传质分离两大类。机械分离过程的分离对象是由两相以上所组成的混合物，其目的只是简单地将各相加以分离，如过滤、沉降、离心分离、旋风分离和静电除尘等。传质分离过程用于各种均相混合物的分离，其特点是有质量传递现象发生。按所依据的物理化学原理不同，工业上常用的传质分离过程又可分为两大类，即平衡分离过程和速率分离过程。（1）平衡分离过程
平衡分离过程系借助于分离媒介（如热能、溶剂、吸附剂等）使均相混合物系统变为两相体系，再以混合物中各组分在处于平衡的两相中分配关系的差为依据而实现分离。
分离媒介可以是能量媒介（ESA）或物质媒介（MSA），有时也可以两种同时应用。ESA是指传入系统或传出系统的热；还有输入或输出的功。MSA可以只与混合物中一个或几个组成部分互溶，此时，MSA常是某一相中浓度最高的组分。例如，吸收过程中的吸收剂，萃取过程中的萃取剂等。MSA也可以和混合物完全互溶。当MSA与ESA共同使用时，还可选择性地改变组分的相对挥发度，使某些组分彼此达到完全分离，如萃取精馏。
根据两相状态不同，平衡分离过程可分为如下几类。
①气液传质过程：如吸收、气体的增湿和减湿，液体的蒸馏与精馏。
②液液传质过程：如萃取。
③液固传质过程：如结晶、浸取、吸附、离子交换、色层分离、参数泵分离等。
④气固传质过程：如固体干燥、吸附等。
上述的固体干燥、气体的增湿与减湿、结晶等操作同时遵循热量传递和质量传递的规律，一般列入传质单元操作。表1-1列出了工业常用的基于平衡分离过程的分离单元操作。表1-1 工业常用的基于平衡分离过程的分离单元操作（2）速率分离过程
速率分离过程是指借助于某种推动力，如浓度差、压力差、温度差、电位差等的作用，某些情况下在选择性透过膜的配合下，利用各组分扩散速率的差异而实现混合物的分离操作。这类过程的特点是所处理的物料和产品通常处于同一相态，仅有组成的差别。
速率分离可分为膜分离和场分离两大类。
①膜分离 膜分离是利用流体中各组分对膜的渗透速率的差别而实现组分分离的单元操作。膜可以是固态或液态，所处理的流体可以是气体或液体，过程的推动力可以是压力差、浓度差或电位差。表1-2对几种主要的膜分离过程做了简单的描述。表1-2 几种主要的膜分离过程
此外，属于膜分离技术的尚有渗透蒸发、膜蒸馏等。
②场分离 场分离包括电泳、热扩散、高梯度磁力分离等。
热扩散属场分离的一种，以温度梯度为推动力，在均匀的气体或液体混合物中出现分子量较小的分子（或离子）向热端漂移的现象，建立起浓度梯度，以达到组分分离的目的。该技术用于分离同位素、高黏度的润滑油，并预计在精细化工和药物生产中可得到应用。
传质分离过程的能量消耗是构成单位产品成本的主要因素之一，因此降低传质分离过程的能耗受到全球性的普遍重视。膜分离和场分离是一种新型的分离操作，由于其具有节约能耗，不破坏物料，不污染产品和环境等突出优点，在稀溶液、生化产品及其他热敏性物料分离方面有着广阔的应用前景。研究和开发新的分离方法和传质设备，优化传统传质分离设备的设计和操作，不同分离方法的集成化，化学反应和分离过程的有机结合，都是值得重视的发展方向。1.4 分离过程的集成
过程集成是20世纪80年代发展起来的过程综合领域中一个最活跃的分支。在过程工业领域中，过程集成的基本目标是实施清洁工艺，使物料及能源消耗最小，达到最大的经济效益和社会效益。1.4.1 反应过程与分离过程的耦合
为改善不利的热力学和动力学因素，减少设备投资和操作费用，节约资源和能源，分离过程与反应过程多种形式的耦合已经开发和应用。
化学吸收是反应和分离过程耦合的单元操作，当被溶解的组分与吸收剂中的活性组分发生反应时，增加了传质推动力和液相传质系数，因而提高了过程的吸收率，降低了设备的投资和能耗。
化学萃取是伴有化学反应的萃取过程。溶质与萃取剂之间的反应类型很多，例如络合反应，水解、聚合、离解及离子积聚等。萃取机理也多种多样，例如中性溶剂络合、螯合、离子交换、离子缔合、协同效应等。
反应和精馏结合成一个过程，形成了蒸馏技术中的一个特殊领域——反应（催化）精馏。它一方面成为提高分离效率而将反应和精馏相结合的一种分离操作；另一方面则成为提高反应收率而借助于精馏分离手段的一种反应过程。目前，已从单纯工艺开发向过程普遍性规律研究的方向发展。反应精馏在过程工业中的应用是很广泛的，例如酯化、酯交换、皂化、胺化、水解、异构化、烃化、卤化、脱水、乙酰化和硝化等过程。催化精馏的典型应用是甲基叔丁基醚的生产。
膜反应器是将合成膜的优良分离性能与催化反应相结合，在反应的同时，选择性地脱除产物，以移动化学反应平衡，或控制反应物的加入速率，提高反应的收率、转化率和选择性。如多孔陶瓷膜催化反应器进行丁烯脱氢制丁二烯，丙烯脱氢制丙二烯；对氧化反应，用膜控制氧的加入量，减少深度氧化。膜反应器还用于控制生化反应中产物对反应的抑制作用，用膜循环发酵器进行乙醇等发酵制品的连续生产和用膜反应器进行辅酶反应等都具有很好的开发前景。
控制释放是将药物或其他生物活性物质以一定形式与膜结构相结合，使这些活性物质只能以一定的速率通过扩散等方式释放到环境中。其优点是可将药物浓度控制在需要的浓度范围内，延长药效作用时间，减少服用量和服用次数。这在医药、农药、化肥的使用上都极有价值。
膜生物传感器是模仿生物膜对化学物质的识别能力制成的，它由生物催化剂酶或微生物与合成膜及电极转换装置组成为酶膜传感器或微生物传感器。这些传感器具有很高的识别专一性，已用于发酵过程中葡萄糖、乙醇等成分的在线检测。目前膜生物传感器已作为商品进入市场。1.4.2 分离过程与分离过程的耦合
不同的分离过程耦合在一起构成复合分离过程，能够集中原分离过程之所长，避其所短，适用于特殊物系的分离。
萃取结晶亦称加合结晶，是分离沸点、挥发度等物性相近组分的有效方法及无机盐生产的节能方法。对于无机盐结晶，某些有机溶剂的加入使待结晶的无机盐水溶液中的一部分被水萃取出来，促进了无机盐的结晶过程。例如，以正丁醇为溶剂萃取结晶生产碳酸钠。对于有机物结晶，溶剂的加入使原物系中某有机组分形成加合物，而使另一组分结晶出来。例如，以2-甲基丙烷为加合剂能从邻甲酚和酚的混合物中分离出酚。
吸附蒸馏是吸附和蒸馏在同一设备中进行的气-液-固三相分离过程。吸附分离具有分离因子高、产品纯度高和能耗低等优点，但吸附剂用量大，收率低。而传统的蒸馏过程处理能力大，设备比较简单，工艺成熟。由这两个分离过程耦合的复合蒸馏过程能充分发挥各自的优势，弥补了各自的不足。它特别适用于共沸物和沸点相近物系的分离及需要高纯度产品的情况。
不同蛋白质在一定pH值的缓冲溶液中，其溶解度不同，在电场作用下，这些带电的溶胶粒子在介质中的泳动速度不同，利用这种性质可以实现不同蛋白质的分离，该法称之为电泳分离。而电泳萃取是电泳与萃取耦合形成的新分离技术。电泳萃取体系由两个（或多个）不相混的连续相组成，其中一相含有待分离组分，另一相是用于接受被分离组分的溶剂，两相中分别装有电极，由于电场的作用，消除了对流的不利影响，提高了收率和生产能力。该分离技术在生物化工和环境工程中有较大的应用潜力。1.4.3 过程的集成（1）传统分离过程的集成
精馏、吸收和萃取是最成熟和应用最广的传统分离过程，大多数过程工业产品的生产都离不开这些分离过程。在流程中合理组合这些过程，扬长避短，才能达到高效、低耗和减少污染。
共沸精馏往往与萃取集成。例如，从环己烷/苯二元共沸物生产纯环己烷和苯，选择丙酮为共沸剂，由于丙酮与环己烷形成二元最低共沸物，所以从共沸精馏塔底得到纯苯，丙酮/环己烷共沸物的分离则采用以水为萃取剂的萃取过程，环己烷产品为萃取塔的一股出料，另一股出料是丙酮水溶液，经精馏塔提纯后，丙酮返回共沸精馏塔进料，水返回萃取塔循环使用。由于此流程分别采用了丙酮和水两个循环系统，整个过程基本上没有废物产生，并且能耗较低，符合了清洁工艺的基本要求。
共沸精馏与萃取精馏的集成也是常见的，例如，使用极性和非极性溶剂从含丙酮、甲醇、四亚甲基氧和其他氧化物的混合物中分离丙酮和甲醇。（2）传统分离过程与膜分离的集成
传统分离过程工艺成熟，生产能力大，适应性强；膜分离过程不受平衡的限制，能耗低，适于特殊物系或特殊范围的分离。将膜技术应用到传统分离过程中，如吸收、蒸馏、萃取、结晶和吸附等过程，可以集各过程的优点于一体，具有广阔的应用前景。
渗透蒸发和蒸汽渗透可应用于有机溶剂脱水，水中少量有机物的脱除以及有机物之间的分离，特别适于恒沸、近沸点物系的分离。将它作为补充技术与精馏组合在一起，在过程工业生产中发挥了特殊的作用。例如，发酵液脱水制无水乙醇，在乙醇高浓区，精馏的分离效率极低，在共沸组成处无法分离。而恰恰在这一区域，渗透蒸发能达到很高的分离程度。所以渗透蒸发和精馏集成是降低设备费和操作费的最有效的方案。
类似的过程还有：蒸汽渗透、精馏的集成流程进行异丙醇脱水；渗透蒸发、吸附剂集成用于吸附剂再生过程；渗透蒸发、吸收集成用于回收溶剂；渗透蒸发、催化精馏组合方案生产甲基叔丁基醚等。（3）膜过程的集成
膜分离过程的类型很多，各有不同的特点和应用，它们的集成无疑能取长补短，提高总体效益。例如，悬浮液原料的浓缩可采用一个膜过程的集成方案，将超滤、反渗透和渗透蒸馏组成在一起，能得到高固体含量的浓缩物产品，操作费用大大降低。1.5 分离过程的选择
选择分离过程最基本的原则是经济性。然而经济性受到很多因素的制约，这些因素包括对市场的预测、过程的可靠性、技术改造带来的风险和资金情况等。在这方面，分离过程与任何其他过程没有区别。下面以两个极端情况为例说明这些因素的影响。
①单位产品价值高和市场寿命短的产品。
②大吨位产品，但生产厂家多，市场竞争激烈。
对于第一种情况，应选择成熟的分离方法。因为其经济效益取决于在出现竞争之前就占领市场，且应在仍然畅销时销售尽可能多的产品。然而，如果市场信息已证明该产品有持续的生命力，那么按原设计扩建生产装置是可取的。随着时间的推移和激烈竞争，该产品已属于第二种情况。
对于第二种情况，过程开发和设计受时间和投资的制约。然而，设计者应着眼于生产装置的经济效益，尽可能深入细致地开展工作，通过对多种方案的开发和评价，选择在经济上接近最优的方法，提高产品的竞争能力。
在选择分离过程中，首先要规定产品的纯度和回收率。产品的纯度取决于它的用途，回收率的规定应保证过程的经济性。回收率本应是过程设计最佳化的一个变量，但实际上由于受设计工作量的限制，常按经验确定。
影响选择分离过程的因素归纳如下。1.5.1 可行性
分离过程在给定条件下的可行性分析能筛选掉一些显然不合适的分离方法。例如，若分离丙酮和乙醚二元混合物，由于它们是非离子型有机化合物，因此可以断定用离子交换、电渗析和电泳等方法是不合适的，因为这些分离过程所基于的性质差异，对该物系不存在。
过程的可行性分析应考察分离过程所使用的工艺条件。在常温、常压下操作的分离过程，相对于要求很高或很低的压力和温度等苛刻的过程，应优先考虑。
对大多数分离过程，分离因子反映了被分离物质可测的宏观性质的差异。对精馏而言，相应的宏观性质是蒸汽压。对吸收和萃取而言，是溶解度等。这些宏观性质的差异归根结底反映了分子本身性质的差异。表1-3表示了各种分离过程的分离因子对分子性质的依赖性。从表1-3可以看出，在确定不同分离过程的分离因子时，不同的分子性质的重要性基本上是不同的。例如，精馏过程中，分离因子反映为蒸汽压，最终反映了分子间力的强弱。而在结晶过程中，分离因子主要反映了各种分子会聚在一起的能力，这时分子的大小和形状等这些简单的几何因素就显得更重要了。表1-3 分离因子对分子性质差异的依赖性注：表中1代表决定性作用（必须具备差别）；2代表重要作用；3代表次要作用（也许还要通过其他性质）；4代表作用小；0代表无作用
对于任何给定的混合物，按分子性质及其宏观性质的差异选择可能的分离过程是十分有用的。例如，如果混合物中各组分的极性相差很大，就有可能采用精馏过程；如果各组分的挥发度相差不大，则可能采用极性溶剂进行萃取或萃取精馏。如果极性大的分子以很低的浓度存在于混合物中，那么采用极性吸附剂的吸附过程可能是合适的。1.5.2 分离过程的类型
由各类分离过程在应用中的优缺点，可归纳出某些选择原则。
一般说来，采用能量分离剂的过程，其热力学效率较高。这是因为对采用质量分离剂的过程，由于向系统中加入了另一个组分，以后又要将它分离必定要花费能量。因此，选用有质量分离剂的过程，它一般应有比能量分离剂过程更大的分离因子。萃取精馏和（或）萃取选择的原则是，其分离因子按精馏<萃取精馏<萃取的次序增加。
不同分离过程采用多级操作的难易程度是不同的。膜分离过程和其他速率控制过程采用多级操作比较复杂，因为需要把分离剂加到每一级，还常常要把每一级放在彼此隔开的容器内。另一方面，精馏塔却可以把多级放在一个设备中；各种形式的色层分离可在一个装置中提供更多的分离级，适用于分离因子接近于1和纯度要求很高的分离情况。与此相反，膜分离过程最适用于分离因子较大的系统。
比较各类分离过程，精馏是应用能量分离剂的平衡过程，从能量消耗的观点看，它是合理的。精馏过程不必加入有污染作用的质量分离剂，并且易在一个设备内分为多级。因此在选择分离过程时，精馏应是首先考虑的对象。通常不采用精馏操作的因素是，产品因受热而损害（表现在产品的变质、变色、聚合等方面），分离因子接近于1，以及需要苛刻的精馏条件。
由于能源价格上涨，有人对取代精馏的过程做了评价。其结论是，共沸精馏、萃取精馏、萃取和变压吸附的应用有明显的增长，结晶和离子交换有一定程度的增加。1.5.3 生产规模
分离过程的生产规模与分离方法的选择密切相关。例如，很大规3模的空气分离装置（空气处理量超过2832m/h），采用低温精馏过程最经济，而小规格的空气分离装置往往采用变压吸附或中空纤维气体膜分离等方法更为经济。又如在选择海水淡化方案时，当进料量小于680×10L/d时，选择反渗透比多级闪蒸或蒸发更经济，但对于很大的装置则情况正好相反。
任何所选择的分离过程必须适于工业生产规模。在工业装置中常见到两或三条生产线并行操作。若生产线再多，则整个装置显得庞大。对于高价值产品，最多可允许十条生产线并行操作。
很多分离过程的单机设备有一个极限的生产能力，它限制了采用该分离操作的生产规模。在某些情况下，最大生产能力表示了某些物理现象对过程的制约；在另外一些情况下则反映了制造工业装置的水平。1.5.4 设计的可靠性
在影响分离过程选择的所有因素中，设计的可靠性是最重要的。然而设计的可靠性不能定量地确定，因为它与在工业装置设计之前的大量试验工作密切相关。有关几个分离过程可靠性的情况简述如下。（1）精馏
经过多年工业规模设备的扩大试验和工业实践，已经建立了可靠的精馏设计方法。只要给出被分离混合物中有关组分的物性数据和各二元组分的气液平衡数据，就可以完成整个精馏过程的设计。偶尔也需要对某些小规模设备进行实验，但是精馏过程的放大方法是所有分离方法中最可靠的。（2）吸收
与精馏相似，已建立了可靠的设计方法。对于工程上广泛遇到的物系，可根据物性数据、气液平衡数据和设备结构参数等进行设计，几乎不必做实验即可完成设计。对于不熟悉的新物系或新设备，一般只需测定气液平衡关系、必要的热力学和传递性质以及板效率数据即可。（3）萃取
如果已知被分离组分和所选择的萃取溶剂之间的相平衡关系以及物系中有关的物性数据（如密度、表面张力、黏度等），即可完成萃取过程的初步设计。该法可用于溶剂的选择、确定操作条件和萃取设备选型等，有足够的可靠性。然而，并未达到精馏设计那样的准确程度。因此在同类装置中进行小规模试验是必要的，而设备的放大以借助于萃取设备的专利最为可靠。若使用公开发表的计算方法，则应评价放大方法的可靠性。（4）结晶
结晶设备的设计是很困难的。仅有相平衡和物性数据尚不能预测结晶过程，因此台架实验总是需要的。在设计结晶过程之前，通常需要在小型工业装置上做中试。即使如此，在实际工业装置生产出合格产品之前仍需调整操作，而且不可避免会有失败的情况。然而，因为结晶过程往往能提供最纯净的产品，与其他分离方法相比，结晶所消耗的能量最少，所以应用前景十分广阔。随着广泛地使用和大规模地试验，设计的可靠性将增强。（5）吸附
如果在所选择的吸附床层上，有实测的吸附等温线数据和能够确定物料传质特性的一定数量的小试结果，那么能够对吸附设备和操作循环做可靠的设计。如果所处理的物料包含几个吸附组分，则通常必须用实际混合物进行试验，因为多组分等温线性能一般不能由单组分等温线来预测。（6）反渗透
反渗透设备的设计通常需先做实验。在单个膜组件或小型实验设备上，用实际物料进行小试。试验的目的不仅仅是为了确定膜的操作特性，而且也要确定原料的预处理方法，以防止膜件堵塞和受损。当小试提供了可靠的设计依据之后，反渗透设备的设计是有把握的，因为大规模的反渗透装置不过是由大量的膜组件并联构成的，应能重复小试结果。（7）气体膜分离
对反渗透过程的论述完全适用于气体膜分离。（8） 超滤
超滤过程的设计必须以广泛的台架实验结果为基础，并且往往还需中间试验。通过试验不仅确定设备设计，而且确定适宜的操作条件（如操作循环比）。超滤设备有多种结构类型，若要选择最适宜结构，必须逐一进行试验，因为不可能通过其他数据预测特定超滤设备的结构特性。同时也必须通过试验确定超滤所透过或截留的组分，以及它们随时间和操作条件而变化的情况。因为膜的截留相对分子质量仅仅是标定值，与实际应用有较大的差别。（9）离子交换
虽然离子交换系统能借助少量小试结果进行设计。但一般推荐进行中试，因为在工业装置中出现的床层堵塞和交换能力降低的现象在小试中难以观察，同时只有在中试中才能模拟工业装置再生阶段所采用的大循环量操作工况。（10）渗析和电渗析
对反渗透的论述完全适用于选择性膜的渗析和电渗析。（11）电泳
电泳目前还仅使用于小批量分离过程。提高生产能力的唯一方法是在工业装置中对实际物料进行实验，确定其分离特性。因此，电泳过程可靠的放大方法也只是设计多条并联生产线，以便扩大生产能力。1.5.5 分离过程的独立操作性能
一般来说，在单个分离设备中完成预期的分离要求是最经济的，然而在生产中将不同类型的分离过程组织在一起共同完成分离任务的情况是常见的。分离流程的繁简是影响产品经济性的重要因素。（1）精馏
如果被分离的组分间不形成共沸物，一个二元混合物在单个精馏塔中可分离成纯组分。在多元混合物情况下，采用侧线出料可得到多于两个纯组分的馏分。含M个组分的混合物在M-1个塔中可得到完全的分离。（2）吸收
吸收流程有两种类型。一类是吸收剂不需要再生的流程，吸收塔底直接得到产品或中间产品。对于脱除气体中微量杂质的吸收塔，吸收液可直接排放或送去废水处理。另一类是吸收剂需要再生的流程，吸收塔必须与解吸塔集成，溶质解吸后吸收剂循环使用。（3）萃取
若萃取液本身就是产品，并且萃取溶剂不污染萃取液，那么仅用一个萃取设备即可完成分离任务，但这种情况是不多见的。实际上为得到要求纯度的产品，必须从萃取液中回收萃取物，并且通常也必须回收溶解在萃余相中的少量溶剂，以避免溶剂损失或污染萃余产品。为此最常采用的辅助分离过程是精馏。（4）结晶
不形成共熔体的二元固体溶液通过逆流多级熔融结晶可分离为纯组分。但很多系统生成共熔体，所以结晶过程必须与破坏共熔的辅助分离过程相配合。
在溶液结晶情况下，通常一个产品是结晶，另一个是母液。固体产品继而进行洗涤和过滤，得到纯的结晶产品。（5）吸附
吸附过程是选择性地附着一个或多个组分在固体吸附剂上。如果吸附剂需要再生或以被吸附质作为产品，则吸附必须与再生相结合。（6）反渗透
反渗透的产品是纯溶剂和被浓缩溶液，所以它不是一个完整的分离过程。如果希望完全分离或使溶剂有高回收率，则必须附加其他过程。（7）气体膜分离
通过采用高选择性的膜和降低膜的低压侧渗透组分的分压，或采用多级的完全级联操作，从理论上可实现二元气体混合物的完全分离。然而，只采用膜分离方法达到高纯度和高回收率是不经济的，应辅助以其他分离过程。（8）超滤
如果不同的高分子溶质的分子尺寸有足够大的差别（如相差10倍），理论上超滤能将它们完全分离。当分子尺寸差别不十分大时，通过级联仍可能实现完全的分离。在任何情况下，超滤的两产品都是稀溶液，如果要求纯产品，尚需辅助分离过程。（9）离子交换
离子交换类似于吸附，需要再生阶段，回收产品和使床层再生。此外，经离子交换的产物通常是水溶液。如果要求纯产品，尚需附加操作。对于水的净化，无离子水为离子交换产品，不需进一步加工。（10）渗析和反渗析
这两个过程类似于萃取，是选择传质过程，不能达到混合物的完全分离。如果希望得到纯产品，需辅助过程。与萃取不同的是，溶剂不含污染产品，因膜两侧的溶剂是相同的。1.6 分离设备
应用于平衡分离过程的设备，其功能是提供两相密切接触的条件，进行相际传质，从而达到组分分离的目的。性能优良的传质设备一般应满足以下要求。
①单位体积中，两相的接触面积应尽可能大，两相分布均匀，避免或抑制短路及返混。
②流体的通量大，单位设备体积的处理量大。
③流动阻力小，运转时动力消耗低。
④操作弹性大，对物料的适应性强。
⑤结构简单，造价低廉，操作调节方便，运行可靠安全。
传质设备种类繁多，而且不断有新型设备问世，可按照不同方法进行分类。
按所处理物系的相态可分为：气液传质设备（用于蒸馏及吸收等），液液传质设备（用于萃取等），气固传质设备（用于干燥、吸附），液固传质设备（用于吸附、浸取、离子交换等）。
按两相的接触方式可分为：分级接触设备（如各种板式塔，多级混合-澄清槽、多级流化床吸附等）和微分接触设备（如填料塔、膜式塔、喷淋塔、移动床吸附柱等）。在级式接触设备中，两相组成呈阶梯式变化，而在微分接触设备中，两相组成沿设备高度连续变化。
按促使两相混合和实现两相密切接触的动力可分为两类：一类是依靠流体自身所具有的能量分散到另一相中去的设备，如大多数的板式塔、填料塔、流化床、移动床等；另一类是依靠外加能量促使两相密切接触的设备，如搅拌式混合-澄清槽、转盘塔、脉冲填料塔、往复式筛板塔等。
此外，对于气固和液固传质设备，还可按固体的动动状态分为固定床、移动床、流化床和搅拌槽等。其中流化床传质设备采用流态化技术，将固体颗粒悬浮在流体中，使两相均匀接触，以实现强化传热、传质和化学反应的目的。
传质设备在石油、化工、轻工、冶金、食品、医药、环保等工业部门的整个生产设备中占很大比例。因此，合理选择设备，完善设备设计，优化设备操作，对于节省投资、减少能耗、降低成本、提高经济效益有着十分重要的意义。第2章 蒸馏和精馏
在过程工业生产中，所使用的原料或粗产品多是由若干组分组成的液体混合物，经常需要将它们进行一定程度的分离，以达到提纯或回收有用组分的目的。互溶液体混合物的分离方法很多，蒸馏和精馏只是其中最常用的一种方法。2.1 蒸馏的特点与分类2.1.1 蒸馏的特点
蒸馏是分离液体均相混合物最早实现工业化的典型单元操作。它是通过加热造成气液两相体系，利用混合物中各组分挥发度的差别达到组分分离与提纯的目的。
众所周知，液体具有挥发而成为蒸汽的能力，但不同液体在一定温度下的挥发能力各不相同。例如：将一瓶酒精和一瓶水同时置于一定温度下，瓶子中的酒精比水挥发得快。如果在一定压力下，对酒精和水混合液进行加热，使之部分汽化，因酒精的沸点低易于汽化，故在产生的蒸汽中，酒精的含量将高于原始混合液中酒精的含量。若将汽化的蒸汽全部冷凝，便可获得酒精含量高于原始混合液的产品，使酒精和水得到某种程度的分离。习惯上，我们把混合物中挥发能力高的组分（如酒精）称为易挥发组分或轻组分，把挥发能力低的组分（如水）称为难挥发组分或重组分。
蒸馏是目前应用最广泛的一类液体均相混合物的分离方法。除了蒸馏应用的历史悠久、技术比较成熟外，蒸馏分离还具有以下特点。
①通过蒸馏操作，可以直接获得所需要的产品，不像吸收、萃取等分离方法，还需要外加吸收剂或萃取剂，并需要进一步使所提取的组分与外加组分再进行分离，因而蒸馏操作流程通常较为简单。
②蒸馏分离适用的范围广泛，它不仅可以分离液体混合物，而且可通过改变操作压力使常温常压下呈气态或固态的混合物在液化后得以分离。例如，将空气液化，再用精馏方法获得氧、氮等产品；再如，脂肪酸的混合物，可用加热使其熔化，并在减压下建立气液两相系统，用蒸馏方法进行分离。对于挥发度相等或相近的混合物，可采用特殊精馏方法分离。
③蒸馏是通过对混合物加热建立气液两相体系的，气相还需要再冷凝液化，因此需要消耗大量的能量（包括加热介质和冷却介质）。另外，加压或减压将消耗额外的能量。蒸馏过程中的节能是个值得重视的问题。2.1.2 蒸馏的分类
工业蒸馏过程有多种分类方法。（1）按蒸馏方式可分为平衡（闪蒸）蒸馏、简单蒸馏、精馏和特殊精馏
平衡蒸馏和简单蒸馏常用于混合物中各组分的挥发度相差较大，对分离要求又不高的场合；精馏是借助回流技术来实现高纯度和高回收率的分离操作，它是应用最广泛的蒸馏方式。如果混合物中各组分的挥发度相差很小（相对挥发度接近于1）或形成恒沸液时，则应采用特殊蒸馏。若精馏时混合物组分间发生化学反应，称反应精馏，这是将化学反应与分离操作耦合的新型操作过程。对于含有高沸点杂质的混合液，若它与水互不相溶，可采用水蒸气蒸馏，从而降低操作温度。对于热敏性混合液，则可采用高真空下操作的分子蒸馏。（2）按操作压力分为加压蒸馏、常压蒸馏和真空蒸馏
常压下为气态（如空气、石油气）或常压下泡点为室温的混合物，常采用加压蒸馏；常压下，泡点为室温至150℃左右的混合液，一般采用常压蒸馏；对于常压下泡点较高（一般高于150℃）或热敏性混合物（高温下易发生分解、聚合等变质现象），宜采用真空蒸馏，以降低操作温度。（3）按被分离混合物中组分的数目可分为两组分精馏和多组分精馏
工业生产中，绝大多数为多组分精馏，但两组分精馏的原理及计算原则同样适用于多组分精馏，只是在处理多组分精馏过程时更为复杂些，因此常以两组分精馏为基础。（4）按操作流程分为间歇精馏和连续精馏
间歇蒸馏主要应用于小规模、多品种或某些有特殊要求的场合，工业中以连续蒸馏为主。间歇蒸馏为非稳态操作，连续蒸馏一般为稳态操作。2.1.3 精馏操作流程
精馏分离过程可连续操作，也可间歇操作。精馏装置系统一般应由精馏塔、塔顶冷凝器、塔底再沸器等相关设备组成，有时还要配原料预热器、产品冷却器、回流用泵等辅助设备。
图2-1所示为典型的连续精馏操作流程。通常，将原料加入的那层塔板称为加料板。在加料板以上的塔段，上升气相中难挥发组分向液相中传递，易挥发组分的含量逐渐增高，最终达到了上升气相的精制，因而称为精馏段。塔顶产品称为馏出液。加料板以下的塔段（包括加料板），完成了下降液体中易挥发组分的提出，从而提高塔顶易挥发组分的收率，同时获得高含量的难挥发组分塔底产品，因而将之称为提馏段。从塔釜排出的液体称为塔底产品或釜残液。图2-1 连续精馏操作流程1—精馏塔；2—再沸器；3—冷凝器
图2-2所示为间歇精馏操作流程。与连续精馏不同之处是：原料液一次加入釜中，因而间歇精馏塔只有精馏段而无提馏段；同时，间歇精馏釜液组成不断变化，在塔底上升汽量和塔顶回流液量恒定的条件下，馏出液的组成也逐渐降低。当釜液达到规定组成后，精馏操作即被停止，并排出釜残液。图2-2 间歇精馏操作流程1—精馏塔；2—再沸器；3—全凝器；4—观察罩；5—贮槽
应予指出，有时在塔底安装蛇管以代替再沸器，塔顶回流液也可依靠重力作用直接流入塔内而省去回流液泵。2.2 简单蒸馏和平衡蒸馏
对于组分挥发度相差较大、分离要求不高的场合（如原料液的组分或多组分的初步分离），可采用简单蒸馏和平衡蒸馏。2.2.1 装置流程
简单蒸馏又称微分蒸馏，是一种间歇、单级蒸馏操作，其装置如图2-3所示。原料液分批加到蒸馏釜1中，通过间接加热使之部分汽化，产生的蒸汽随即进入冷凝器2中冷凝，冷凝液作为馏出液产品排入接收器3中。随着蒸馏过程的进行，釜液中易挥发组分的含量不断降低，与之平衡的气相组成（即馏出物组成）也随之下降，釜中液体的泡点则逐渐升高。当馏出液平均组成或釜液组成降低至某规定值后，即停止蒸馏操作。通常，馏出液按组成分段收集，而釜残液一次排放。图2-3 简单蒸馏装置1—蒸馏釜；2—冷凝器；3—接收器
平衡蒸馏又称闪蒸，是一种连续、稳态的单级蒸馏操作。平衡蒸馏的装置如图2-4所示。被分离的混合液先经加热器升温，使之温度高于分离器压力下液料的泡点，然后通过节流阀降低压力至规定值，过热的液体混合物在分离器中部分汽化，平衡的气液两相及时被分离。通常分离器又称闪蒸塔（罐）。图2-4 平衡蒸馏装置1—加热器；2—节流阀；3—分离器2.2.2 简单蒸馏及平衡蒸馏的原理
理想物系的相平衡是相平衡关系中最简单的模型。所谓理想物系是指液相和气相应符合以下条件。
①液相为理想溶液，遵循拉乌尔定律。
②气相为理想气体，遵循道尔顿分压定律。当总压不太高时（一4般不高于10kPa）时，气相可视为理想气体。
用相图来表示气液平衡关系比较清晰、直观，而且说明蒸馏原理及分析过程的影响因素也非常方便。
在恒定总压下，溶液的平衡温度随组成而变，温度与液（汽）相的组成关系可用温度组成图或t-x-y图表示。图2-5所示是在总压为101.3kPa下测得的苯-甲苯混合液的平衡温度-组成图。图中的上曲线为t-y线，称饱和蒸汽线（或露点线）。下曲线为t-x线，称饱和液体线（或泡点线）。上述的两条曲线将t-x-y图分为三个区域：饱和液体线以下为液相区，饱和蒸汽线以上为过热蒸气区，两曲线包围的区域为气液共存区。气液共存区内的自由度为1，即是说，若温度指定之后，则两个平衡相的组成也就随之而定。图2-5 苯-甲苯混合液的t-x-y图
图2-6是101.3kPa的总压下，苯-甲苯混合物系的x-y图，它表示不同温度下互成平衡的气液两相组成y与x的关系。图中对角线x=y的直线供查图时参考用。对于理想物系，气相组成y恒大于液相组成x，故平衡线位于对角线上方。平衡线偏离对角线越远，表示该溶液越易分离。x-y图可通过t-x-y图做出。常见两组分物系常压下的平衡数据，可从物理化学或化工手册中查得。在双组分蒸馏的图解计算中，应用一定总压下的x-y图非常方便快捷。图2-6 101.3kPa的总压下，苯-甲苯混合物系的x-y图
应用t-x-y图，可以求取任一沸点的气液相平衡组成，或者求取理想平衡时的温度。在恒定总压下，组成为x，温度为t（图2-5中的点1A）的混合液升温至t（点J）时达到该溶液的泡点，产生的第一个气2泡组成为y（点C）。同样，组成为y、温度为t（点B）的过热蒸汽14冷却至温度t（点H）时达到混合气的露点，凝结出第一个液滴的组3成为x（点Q）。当某混合物系的总组成与温度位于点K时，则此物1系被分成互成平衡的气液两相，其液相和气相组成分别用L、G两点表示。两相的量由杠杆规则确定。
简单蒸馏过程的任何瞬间，气相与釜中液体处于相平衡状态。组成为x的混合液在蒸馏釜中被加热至泡点温度t而汽化，与之相平F1F1衡的蒸汽组成为y，且y>x，将蒸汽全部冷凝，即得到易挥发组F1F1F1分含量高于原始溶液的馏出物。随着过程的进行，蒸汽不断的引出，釜中料液的易挥发组分含量不断减少，相应产生的蒸汽组成也随之降低，而釜内溶液的泡点则逐渐升高。则x>x>x>…，与此相对应，F1F2F3y>y>y>…，而t 在平衡蒸馏过程中，闪蒸器内压力及温度均保持恒定，蒸汽与液相处于平衡，即在闪蒸器内通过一次部分汽化使混合液得到一定程度的分离。图2-8中将闪蒸过程表示在t-x-y图中，原料液组成为x，经F过一次部分汽化，得到相互平衡的气相组成y和液相组成x，并且DWx 从以上的讨论可以看出，无论是简单蒸馏还是平衡蒸馏，在一定的汽化率下均不能得到纯度较高的产品，为了对混合物进行较高纯度的分离，应采用精馏操作。2.3 双组分精馏 精馏是利用混合液中各组分间挥发度的差异以实现高纯度分离的一种操作。平衡蒸馏仅通过一次部分汽化和部分冷凝，只能部分地分离混合液中的组分，若进行多次的部分汽化和部分冷凝，便可使混合液中各组分几乎完全分离。2.3.1 精馏的原理 设想如图2-9所示的多次部分汽化和多次部分冷凝流程。图2-9 多次部分汽化和多次部分冷凝示意图1，2，2'—分离器 组成为x的原料液经加热器加热至温度为t进入分离器1中，由F1于混合液体中各组分的沸点不同，当在一定温度下部分汽化时，低沸点物在气相中的浓度较液相高，而液相中高沸点物的浓度较气相高，于是通过一次部分汽化，产生气相流量为V、组成为y，与液相流量11为L、组成为x的平衡两相，且必有y>x>x，参见图2-10的t-x-y111F1图。图2-10 多次部分汽化和冷凝的t-x-y图 组成为y的蒸汽经冷凝后送入分离器2中部分冷凝，此时产生气1相组成为y与液相组成为x'的平衡两相，且y>y，但V 同理，若将分离器1所得到的组成为x的液体加热，使之部分汽1化，在分离器2'中得到y'与x成平衡的气液两相，且x 由此可见，每一次部分汽化和部分冷凝，都使气液两相的组成发生了变化，而同时多次进行部分汽化和多次部分冷凝，就可将混合液分离为纯的或比较纯的组分。但是，图2-9所示过程设备过于庞杂，设备费用极高；部分汽化需要加入热量，而部分冷凝又需要取走热量，能量消耗也极大；同时，每经一次部分汽化和部分冷凝都会产生一部分中间产物，致使最终得到的纯产品量极少。为解决上述问题，可将中间产物（部分冷凝的液体及部分汽化的蒸汽）分别返回它们前一分离器中，如图2-11所示。为得到回流的液体，图2-11上半部最上一级需设置部分冷凝器；为得到上升的蒸汽，图2-11下半部最下一级需设置部分汽化器。这样就使整个流程改进成“精馏”流程。图2-11 有回流的多次部分汽化和多次部分冷凝示意图1，2，2'—分离器 工业上是将图2-11的每个分离器做成一块板，将许多板叠起来成为一个多块板的塔，或在一个圆形的塔内装有一定高度的填料。板上液层或填料表面是气液两相进行传热和传质的场所。如图2-12所示为一精馏塔。下面由加热釜（再沸器）供热，使釜中残液部分汽化后蒸汽逐板上升，塔中各板上液体处于沸腾状态。顶部冷凝后得到的馏出物部分作回流入塔，从塔顶引入后逐板下流，使各板上保持一定液层。上升蒸汽和下降液体呈逆流流动，在每块板上相互接触进行传热和传质。原料液于中部适宜位置处加入精馏塔，其液相部分也逐板向下流入加热釜，气相部分则上升经各板至塔顶。由于塔底部几乎是纯难挥发组分，因此塔底部温度最高，而顶部回流液几乎是纯易挥发组分，因此塔顶部温度最低，整个塔内的温度，由下向上逐渐降低。图2-12 精馏塔中物料流动示意图 由塔内精馏操作分析可知，为实现精馏分离操作，除了具有足够层数塔板的精馏塔以外，还必须从塔底产生上升蒸汽流，以建立气液两相体系。因此，塔底上升蒸汽流和塔顶液体回流是建立过程连续进行的必要条件。回流是精馏与普通蒸馏的本质区别。2.3.2 全塔物料衡算 为简化精馏计算，通常引入塔内恒摩尔流动的假定。 ①恒摩尔气流 在塔内没有中间加料（或出料）的条件下，各层板的上升蒸汽摩尔流量相等。 精馏段V=V=V=…=V=常数123 提馏段V'=V'=V'=…=V'=常数123 但两段的上升蒸汽摩尔流量不一定相等。 ②恒摩尔液流 在塔内没有中间加料（或出料）的条件下，各层板的下降液体摩尔流量相等。 精馏段L=L=L=…=L=常数123 提馏段L'=L'=L'=…=L'=常数122
试读结束[说明：试读内容隐藏了图片]