平衡分离过程的基本原理

割丝安安 2024-11-17 16:42:11

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平衡分离原理：是借助分离媒介(如热能、溶剂或吸附剂)使均相混合物系统变成两相系统，再以混合物中各组分在处于相平衡的两相中不等同的分配为依据而实现分离。分离媒介可以是能量媒介(esa)或物质媒介(msa)、有时也可两种同时应用。esa是指传人或传出系统的热，还有输入或输出的功。msa可以只与混合物中的一个或几个组分部分互溶或吸附它们。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等。msa也可以和混合物完全互溶。当msa与esa共同使用时，还可有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，例如萃取精馏。当被分离混合物中各组分的相对挥发度相差较大时，闪蒸或部分冷凝即可充分满足所要求的分离程度。如果组分之间的相对挥发度差别不够大，则通过闪蒸及部分冷凝不能达到所要求的分离程度，而应采用精馏才可能达到所要求的分离程度。当被分离组分间相对挥发度很小，必须采用具有大量塔板数的精馏塔才能分离时，就要考虑采用萃取精馏。在萃取精馏中采用msra有选择地增加原料中一些组分的相对挥发度，从而将所需要的塔板数降低到比较合理的程度。一般说来，msa应比原料中任一组合的挥发度都要低。msa在接近塔顶的塔板引入，塔顶需要有回流．以限制msa在塔顶产品中的含量。如果由精馏塔顶引出的气体不能完全冷凝，可从塔顶加入吸收剂作为回流，这种单元操作叫做吸收蒸出(或精馏吸收)。如果原料是气体，又不需要设蒸出段，便是吸收。通常，吸收是在室温和加压下进行的，无需往塔内加入esa。气体原料中的各组分按其不同溶解度溶于吸收剂中。解吸是吸收的逆过程，它通常是在高于室温及常压下，通过气提气体(msa)与液体原料接触，来达到分离的目的。由于塔釜不必加热至沸腾，因此当原料液的热稳定性较差时，这一特点显得很重要。如果在加料板以上仍需要有气液接触才能满足所要求的分离程度，则可采用带有回流的解吸过程。如果解吸塔的塔釜液体是热稳定的，可不用msa而仅靠加热沸腾，则称为再沸解吸。能形成员低共沸物系统的分离，采用一般精馏是不合适的，常常采用共沸精馏。例如，为使醋酸和水分离，选择共沸剂醋酸丁酪(msa)，它与水所形成的最低共沸物由塔顶蒸出，经分层后，酯再返回塔内，塔釜则得到纯醋酸。液液萃取是工业上广泛采用的分离技术，有单溶剂和双溶剂之分，在工业实际应用中有多种不同形式。干燥是利用热量除去固体物料中湿分(水分或其他液体)的单元操作。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。蒸发一般是指通过热量传递，引起汽化使液体转变为气体的过程。增湿和蒸发在概念上是相近的，但采用增湿或减湿的目的往往是向气体中加入或除去蒸汽。结晶是多种有机产品以及很多无机产品的生产装置中常用的一种单元操作。用于生产小颗粒状固体产品。结晶实质上也是提纯过程。因此，结晶的条件是要使杂质留在溶液里，而所希望的产品则由溶液中分离出来。升华就是物质由固体不经液体状态直接转变成气体的过程，一般是在高真空下进行。主要应用于由难挥发的物质中除去易挥发的组分。例如硫的提纯，苯甲酸的提纯，食品的熔融干燥。其逆过程就是凝聚，在实际中也被广泛采用，例如由反应的产品中回收**。浸取广泛用于冶金及食品工业。操作方式分间歇、半间歇和连续。浸取的关键在于促进镕质由固相扩散到液相，对此最为有效的方法是把固体减小到可能的最小颗粒。固液和液液系统的主要区别在于前者存在级与级间输送固体或固体泥浆的困难。吸附的应用一船仍限于分离低浓度的组分。近年来由于吸附剂及工程技术的发展，使吸附的应用扩大了．已经工业化的过程有多种气体和有机液体的脱水和净化分离。离子交换也是一种重要的单元操作。它采用离子交换树脂有选择性地除去某组分，而树脂本身能够再生。一种典型的应用是水的软化，采用的树脂是钠盐形式的有机或无机聚合物，通过钙离子和钠离子的交换，可除去水中的钙离子。当聚合物的钙离子达饱和时，可与浓盐水接触而再生。泡沫分离是基于物质有不同的表面性质，当惰性气体**鼓泡时，某组分可被选择性地吸附在从溶液上升的气泡表面上，直至带到溶液上方泡沫层内浓缩并加以分离。为了使溶液产生稳定的泡沫，往往加入表面活性剂。表面化学和鼓泡特征是泡沫分离的基础。该单元操作可用于吸附分离溶液中的痕量物质。区域熔炼是根据液体混合物在冷凝结晶过程小组分重新分布的原理，通过多次熔融和凝固，制备高纯度的金属、半导体材料和有机化合物的一种提纯方法。目前已经用于制备铝、镑、锑、铜、铁、银等高纯金属材料。上述基本的平衡分离过程经历了长时期的应用实践，随着科学技术的进步和高新产业的兴起，日趋完善不断发展，演变出多种各具特色的新型分离技术。在传统分离过程中，精馏仍列为石油和化工分离过程的首位，因此，强化方法在不断地研究和开发。例如，从设备上广泛采用新型塔板和高效填料；从过程上开发与反应或其他分离方法的耦合。随着生物化工学科的发展，适用于分离提纯含量微小的生物活性物质的新型萃取过程应运而生。双水相萃取即属此列，它是出于亲水商聚物溶液之间或高聚物与无机盐溶液之间的不相容性，形成了双水相体系，依据待分离物质在两个水相中分配的差异，而实现分离提纯。反胶团萃取为另一新型萃取过程，反胶团是油相中表面活性剂的浓度超过临界胶团浓度后形成的聚集体，它可使水相中的极性分子“溶解”在油相中。用于从水相中提取蛋白质和其他生物制品。新型多级分步结品技术是重复地运用部分凝固和部分熔融，利用原料中不同组分问凝固点的差异而实现分离。与精馏相比，能耗可大幅度下降，设备费也低于棺馏。该技术已用于混合**、硝基氯苯的分离，精荼的生产，**提取和蜡油分离等工业生产中。变压吸附技术是近几十年来在工业上新崛起的气体分离技术。其基本原理是利用气体组分在固体吸附材料上吸附特性的差异，通过周期性的压力变化过程实现气体的分离。该技术在我国的工业应用有十多年的历史，已进入世界先进行列，由于其具有能耗低、流程简单、产品气体纯度高等优点，往工业上迅速得到推广。例如，从合成氨尾气、甲酵尾气等各种含氢混合气中制纯氢；从含二氧化碳或一氧化碳混合气中制纯二氧化碳、一氧化碳；从空气中制富氧、纯氮等。超临界流体萃取技术是利用超临界区溶剂的高溶解性和高选择性将溶质萃取出来，再利用在临界温度和临界压力以下溶解度的急剧降低，使溶质和溶剂迅速分离。超临界萃取可用于天然产物中有效成分和生化产品的分离提取。食品原料的处理和化学产品的分离精制等。膜萃取是以膜为基础的萃取过程，多孔膜的作用是为两液相之间的传递提供稳定的相接触面，膜本身对分离过程一般不具有选择性。该过程的特点是没有萃取过程的分散相，因此不存在液泛、返混等问题。类似的过程还有膜气体吸收或解吸，膜蒸馏。 20210311

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