化工分离工程讲稿(通用7篇)
1.化工分离工程讲稿 篇一
化工分离技术进展
摘要 : 任何化工生产过程无论是石油炼制,还是生物制品的精制、纳米材料的制备等都离不开化工分离技术。化工分离技术是化学工程的一个重要分支。分离过程是耗能过程,设备数量多,规模大,在化工厂的设备投资和操作费用中占着很高的比例,对过程的技术经济指标起着重要的作用。因此设计时要求选择高效低耗的分离技术。随着环保要求的不断提高,三废处理和综合利用对分离技术提出了很多特殊的要求。伴随着新产品的不断出现,对分离技术的要求也越来越高。总之,化工分离技术也是在不断地朝着多样性和复杂性的方向发展。关键词 : 化工生产; 化工分离技术; 发展;
Chemical separation technology progress
Abstract:Any chemical production process of oil refining, or biological products refined, such as the preparation of nanometer materials is inseparable from the chemical separation technology.Chemical separation technology is an important branch of chemical engineering.Separation process is energy consumption process, equipment number, large scale, in the chemical plant equipment investment and operation cost accounts for a high proportion, technical and economic index in the process of the plays an important role.Therefore, inexpensive design when asked to select efficient separation technology.With the constant improvement of the requirements of environmental protection, “three wastes” treatment and comprehensive utilization of separation technology put forward many special requirements.With the appearance of new products, is becoming more and more high to the requirement of separation technology.All in all, chemical separation technology is also in constant development in the direction of the diversity and complexity..Key words: Chemical production;Chemical separation technology;Development
引言
一个完整的化工过程,从原料的精制,中间产物的分离,产品的提纯和废水、废气的处理都有赖于化工分离技术。绝大多数反应过程的原料和反应所得到的产物都是混合物,需要利用体系中各组分物性的差别或借助于分离剂使混合物得到分离提纯。它往往是获得合格产品、充分利用资源和控制环境污染的关键步骤。本文主要论述了传统化工分离技术的改进和新分离技术的发展及其应用前景。
1.化工分离技术概述
伴随着化工过程的发展,衍生出了诸多常规的化工分离技术,如蒸馏、结晶、萃取、吸收、吸附、离心萃取分离、电泳等。化工分离技术虽然有了很大的发展,但是一些新兴分离技术由于受到操作条件和材料的限制而不能广泛应用到工业化生产中。因此,精馏、萃取、吸收、结晶等最为常规的分离工艺仍是当前使用最多的分离技术。但是这并不影响到新化工分离工艺的研究和发展,相信随着科学技术的进步,这些新型工艺会得到广泛的应用
2.化工分离技术的新进展
2.1 膜分离技术 2.1.1发展概况
膜分离技术是借助膜的选择渗透作用,对混合物中溶质和溶剂进行分离、分级、提纯和富集,其过程一般不发生相变,且在常温下进行。以膜为基础的其他分离过程,如膜溶剂革取、膜气体吸收、膜蒸馏、膜反应器及膜分离与其他分离过程相结合的集成膜过程,也正在日益得到重视和发展。与有相变的分离方法相比,膜分离技术能耗较低。适用于热敏性物质及许多特殊溶液体系的分离,是一项简单、快速、高效、选择性好、经济节能的新技术,已广泛地用于水处理、湿法冶金、生物化工、医药工业、食品工业、环境保护等方面。膜分离技术作为一门新兴的化工分离单元操作已在各个科学技术领域发挥愈来愈大的作用。2.1.2分离过程的形式
膜分离过程可以分为渗析式膜分离、过滤式膜分离和液膜分离三种形式[2]。1)渗析式膜分离
被处理的溶液置于固体膜的一侧,另一侧的接受液是接纳渗析组分的溶剂或溶液。料液中的某些溶质或离子在浓度差、电位差的推动下,透过膜进入接受液中而被分离出去。渗 析式膜分离有渗析和电渗析等方式。2)过滤式膜分离
被处理的溶液或混合气体置于固体的一侧。在压力差的作用下,部分物质透过膜而成为渗滤液或渗透气,留下部分则为滤余液或渗余气。由于组分的分子大小和物质有区别,它们透过膜的速率有差异,因而透过部分与留下部分的组成不同,实现了组分的分离。过滤式膜分离有超滤、微滤、渗透和气体渗透等方式。3)液膜分离
该过程涉及三个液相,料液是第一液相,接受液是第二液相,处于二者之间的液膜为第三液相。液膜必须与料液和接受液互不混溶,液液两相间的传质分离操作类似于萃取和反萃取,溶质从料液进入液膜相当于萃取L2J。液膜分离可以看作是萃取与反萃取两者的结合。2.1.3 膜分离技术的发展趋势
膜技术开发的焦点是膜的选择
性、过程的比产值及操作可靠性,同时继续开发功能性的高分子膜材料和无机膜材料,乃至仿生膜材料仍是今后膜技术开发的另一个重要课题。2.2 离子液体在化工分离中的应用 2.2.1 离子液体概述
室温离子液体是指室温下呈液态的离子化合物。离子液体已经在诸如聚合反应、选择性烷基化和胺化反应、酰基化反应等方面得到应用,并显示出反应速率快、转化率高、反应的选择性高、催化体系可循环重复使用等优点。此外,离子液体在溶剂萃取、物质的分离和纯化、废旧高分子化合物的回收、燃料电池和太阳能电池、工业废气中二氧化碳的提取、地质样品的溶解、核燃料和核废料的分离与处理等方面也显示出良好的应用前景。总之,离子液体的无恶臭、无污染、不易燃、易与产物分离、易回收、可反复多次循环使用、使用方便等优点,使它成为传统挥发性溶剂的理想替代品。它有效地免除了使用传统有机溶剂所造成的严重的环境、健康、安全以及设备腐蚀等问题为名符其实的环境友好的绿色溶剂,适合于当前所倡导的清洁技术和可持续发展的要求,已经越来越被人们广泛认可和接受[3]。2.2.2 离子液体在萃取中的应用
萃取过程可以用来从原料液中提取回收有用组分或去除有害组分,以达到综合利用资源、消除污染的目的。传统的萃取溶剂均为分子型溶剂,而离子液体则为由阴离子和阳离子组成的液体,它可与水或有机溶剂形成两相,根据溶质在两相中的不同分配系数达到萃取的目的。离子液体主要应用在有机物如生物制品、芳烃的分离及油品的脱硫脱氮等过程中,也可用于无机金属离子的萃取过程中。2.2.3 离子液体的发展趋势
从目前的研究结果来看,离子液体作为分离剂具有良好的分离性能,但离子液体的再生问题至今没有深入的研究。作为一个完整的分离流程,通过萃取分离后的离子液体需与目标化合物分离后再循环使用,少量溶解到原料中的离子液体也需回收,从而实现真正意义上的零污染。今后应针对不同体系,研究离子液体的再生方法,从而节省运行成本,并节约资源。随着人们对离子液体认识的不断深人,离子液体将会在化工分离过程中逐步取代传统的有机溶剂,实现环境友好的清洁化工分离过程,给人类带来一个面貌全新的绿色化工高科技产业。
2.3 耦合分离技术
近年来,诸如催化剂精馏、膜精馏、吸附精馏、反应萃取、络合吸附、反胶团、膜萃取、发酵萃取、化学吸收和电泳萃取等新型耦合分离技术得到了长足的发展,并成功地应用于生产。它们综合了两种分离技术的优点,具有独到之处。催化精馏在2FGH等工艺中的成功应用和反应萃取在己内酰胺工艺中的成功应用充分说明了这类新方法具有简化流程、提高收率和降低消耗的特出优点。耦合分离技术还可以解决许多传统的分离技术难以完成的任务,因而在生物工程、制药和新材料等高新技术领域有着广阔的应用前景。如发酵萃取和电泳萃取在生物制品分离方面得到了成功的应用。采用吸附树脂和有机络合剂的络合吸附具有分离效率高和解析再生容易的特点[1]。2.4 超临界CO2萃取技术
2.4.1 超临界流体CO2萃取技术概述
目前,超临界流体技术主要包括超临界流体萃取、超临界水氧化、超临界流体中的重结 晶、超临界色谱和超临界流体中的化学反应。超临界流体萃取作为一种高新技术受到人们的青睐,而且发展日趋成熟,被广泛应用于医药、化工、石油、食品、疏水性染料、环保、塑料、纳米材料、脂质体制备等诸多领域。超临界萃取剂可分为极性和非极性两大类。在各种萃取剂中,由于CO2的临界温度和临界压力较低,可在接近室温条件下萃取,不会破坏生物活性物质和热敏性物质;再加上CO2具有低沸点、低粘度、低表面张力、无毒无害、不易燃易爆等优点,故CO2成为一种最常用的超临界萃取剂。因此,超临界CO2萃取技术一直是分离技术中最活跃的领域,并有“绿色分离技术”之称。2.4.2超临界CO2萃取原理
超临界流体兼有液体和气体的优点,既具有气体的低粘度和高扩散系数,又具有液体的高密度。因而具有很好的传质、传热和渗透性能。对许多物质有很强的溶解能力,而且,在临界点附近流体的这种特性对压力和温度的变化非常敏感,即SCF的密度仅是温度和压力的函数,温度和压力的微小变化,就可引起密度的大幅度改变。因此超临界流体既是一种 良好的分离介质,又是一种良好的反应介质[4]。2.4.3 萃取效果的影响因素[4] 1)萃取压力的影响
萃取压力是影响超临界CO2密度的重要参数。温度一定,随萃取压力 的增加,超临界CO2的溶解能力增加; 但压力达到一定值后,溶解能力反而变小,这是由于在高压下超临界相密度随压力变化缓慢所致。
2)萃取温度的影响
萃取温度对萃取效果的影响较为复杂。在一定压力下,一方面,升高温度有利于溶质挥发和扩散,从而利于萃取,另一方面,温度升高时流体密度减小,即溶解能力的减小,又不 利于萃取,因此萃取温度对萃取效率 的影响常有一个最佳值。对于CO2在临界点附近,升高温度导致其溶解能力下降;在高压区,升高温度导致其溶解能力提高。3)萃取时间的影响
在一定条件下,萃取率随萃取时间的增加而增大,直到分离组分大部分被萃取出而达到最大值。之后由于溶质组的减少,传质推动力减小,萃取率降低。4)粒度的影响
粒度越小,物料与超临界CO2接触的比表面积就越大,利于向物料内部迁移,从而增强了传质效果,利于萃取。但粒度过小会增加表面流动阻力,甚至产生沟流现象,反而不利于萃取。因此,粒度也有一个最佳值。2.4.4超临界CO2萃取技术的展望[5] 超临界CO2萃取技术作为一项新技术,有广阔的应用前景,但也有局限性,存在着一些问题,如分离过程在高压下进行,对设备的要求较高,萃取釜间歇操作,对提取效率较差的物质还需选用适宜的夹带剂等。但是超临界CO2萃取技术在刚刚起步的30年里就得到了人们如此广泛的关注和青睐,并取得了优异的成果,相信在不久的将来,在更深入细致的研究开发下,超临界CO2萃取技术在提取分离方面必能做出更大的贡献,从而在 医药等领域完全实现工业化道路。
3.化工分离技术的发展趋势
随着新材料的发明与应用,一些传统的分离工艺必定会得到进一步的改进与优化,而新兴的化工分离技术会得到进一步的普及应用。像膜分离技术,离子液体,耦合分离技术以及超临界CO2萃取技术等不仅仅会在化工领域大显身手,也会在医药,生物工程方面崭露头角,为科技的进步,人类的前进做出巨大的贡献。
参考文献:
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2.化工分离工程讲稿 篇二
1 采用PBL教学模式
基于问题式学习 (Problem-Based Learning, 简称PBL) 的教学模式最早出现在20世纪60年代中期的美国医学教育中。PBL教学强调把学习设置于复杂的、有意义的问题中, 通过让学生合作解决实际问题来学习隐含于问题背后的科学知识, 培养学生解决问题的技能和自主学习的能力[2]。课堂上, 教师将自己的课堂教学思维方法“复制”传授给学生, 让学生掌握本知识系统所需的合理思维路线和基本分析方法, 在听课的同时与老师一起参与分析构筑知识体系, 使学生的思维过程与教师的讲课过程并行演进 (对较好的或大部分学生) , 或随后沿思维“路标”跟进 (对反应相对较慢的学生) , 实现学生的能动思维。课堂外, 精心设计问题, 根据学生已经掌握的知识水平和下一步希望学生掌握的内容进行问题设计, 同时要确保学生在分析问题和解决问题过程中具有足够的可利用资源、资料收集的多途径和良好的探究学习环境, 便于学生的自主活动。利用参考书和文献提高学生的阅读量, 培养学生的专业兴趣和工程思维, 给学生提供更丰富、更真实的学习经历。PBL模式的教学过程逐渐形成教师和学生间的学术对话, 锻炼学生提问题、想问题和辨问题能力, 促进学生思维的培养和探究知识的兴趣提升, 同时也是对教师自身教学方法、能力和知识水平的更高考验。
2 改变考核方式
注重在实践中培养学生的综合能力, 改变传统以解题式作业为主的方式, 强调学生的主动探索创新精神。尝试大作业与小作业相结合的作业模式, 在利用小作业强化学生建模及计算能力的同时, 采用研究型和调研型的大型作业。可以考虑学习完一种新型分离方法后, 让学生与实习工厂实际联系, 运用课本知识和查阅文献资料, 完成工艺改进并以小论文的形式提交。初步的教学改革实践表明, 学生独立获取、归纳、综述信息和科技写作能力得到改善, 创新能力和实践能力有了明显进步, 课堂教学效果也有了很大提高。
3 树立新型教学理念
3.1 关注科技前沿
随着社会的发展, 分离工程的使用已不限于化学工业和石油工业, 它已逐渐渗透到核能开发、生物技术研究、环境保护和信息工程等行业[3]。同时, 生产对分离技术的要求越来越高, 安排介绍科学发展前沿及化学行业的具体应用必不可少。新型分离技术发展迅速, 膜分离、新型萃取分离、色谱分离、电渗析、特种精馏、泡沫吸附分离、层析技术、耦合与集成技术等新技术层出不穷。在授课中, 充分利用多媒体工具, 介绍和展示分离过程的原理、工艺图及设备图和学科前沿的新进展。这些新型分离技术普及给化工类学生, 可以使学生适应高新技术快速发展的步伐, 使毕业生在化工分离过程方面具有初步的创新与应变能力, 满足人才市场的需要。
3.2 强化工程意识, 建立清洁观念
学生通过工业实习, 对工厂中各种常规和特殊分离过程及其各种形式的分离设备有了一定的了解。利用工厂实例来弥补课堂教学的缺陷, 引导学生的思维方式从以科学、严谨、抽象、演绎为主的“理”与以综合、归纳、合理简化为主的“工”结合起来, 使其建立用理论指导工程技术及技术经济的观点[4]。通过处理工厂实际问题和独立设计并完成实验, 不仅提高了课堂教学的吸引力, 并最终能达到强化学生工程意识, 提高学生创新能力和总体素质的目的。另外, 帮助学生建立清洁工艺的观念。清洁工艺是面向21世纪社会和经济可持续发展的重大课题, 将生产工艺和防治污染有机地结合起来, 将污染物减少或消灭在工艺过程中, 从根本上解决工业污染问题。此过程离不开对传统分离技术的改进, 对新型分离技术的研究、开发和工业应用, 以及分离过程之间、反应与分离过程之间的集成耦合。讲授时注意结合各类分离方法的发展情况, 有选择的针对新型分离技术、工艺及设备进行经济和环境保护方面的分析比较, 使学生能适应化学工业清洁化发展的要求。
3.3 注重实践教学
实践教学是实现培养人才目标的重要方面, 对提高学生的综合素质, 培养学生的动手操作能力和动脑思考能力, 提高学生创造性思维能力, 使学生成为一个复合型人才具有不可替代的作用。具体措施包括: (1) 调整理论教学与实践教学的比例。在坚持“厚基础、宽专业”的原则下, 适当压缩一些理论教学课时, 提高实践教学的比例。 (2) 增加实践教学的环节。实践教学形式可多样化, 包括教学实验、实习课程设计、业务实习过程实践、社会调查研究、课外科技活动、科研训练、各类学科竞赛和参加生产实践等。在实践教学中, 充分尊重学生的主体地位, 允许学生按照教学要求自行设计实验方案, 发挥学生的想像力和创造力。 (3) 制订相对独立的实践教学计划。围绕学生必须具备的能力和技能来设计实践教学环节, 统筹安排, 并用教学文件的形式固定下来。 (4) 建立现代的综合实验教学模式。在实验内容上实现由验证性试验向综合性、设计性试验转变, 突出创新性和实践性, 以培养学生的专业基本操作为中心, 鼓励学生自主设计分离路线, 进行相关物质的纯化, 培养学生利用所学知识分析解决问题的能力。
3.4 教学科研结合
在教学过程中, 把相关的科研工作内容带入课堂, 结合教材内容加以分析和发挥, 丰富了课堂教学内容, 加深了学生对所学化工分离工程知识的理解, 激发了他们的学习积极性、求知欲和探索精神, 有利于培养其创新思维方法和能力, 为其将来从事科研工作、开发和利用本地资源生产化工产品提供思路、奠定理论基础, 同时对报考研究生的学生也具有引导作用。当然, 这也督促教师要不断钻研该课程的前沿知识, 提高自身科研素质和教学水平。
4 加强学生计算机编程和计算机软件应用能力的培养
分离过程研究开发的方法包括解析法和模型法。它是在对过程有了一定深度的理解后, 利用化学工程分析及基础数据建立理论模型, 再利用现有生产装置或类似生产装置的结果与计算机计算结果对比, 修正模型后以此为根据进行新的设计计算[5]。计算过程复杂, 多采用计算机编程求解, 过程的实现需要学生具有一定的计算机能力。但教学中发现许多学生的计算机编程解决实际问题的能力不够, 因此建议在分离工程课程教学前开设相关化工计算软件课程。化工模拟软件在化工计算与设计中显示出越来越重要的作用, 可以实现数值计算及流程模拟等多种功能[6,7]。采用模拟技术提高计算效率、开阔思路、巩固基本概念、进行多因素考察和实现整体优化。随着CHEMCAD、ASPENPLUS、PRO II等模拟软件的出现, 学生可以使用这些通用模拟软件完成化工分离过程计算, 计算效率大幅提高, 教学重点也可由编程转变为过程分析, 深化了学生对分离过程本质的理解, 激发了学生的学习兴趣, 从而达到拓展教学内容和强化能力培养的目的。同时此类软件紧密联系工业生产, 有助于增加学生的就业机会。
5 开通网络课程
网络课件是河南省教育厅“新世纪网络课程建设工程”项目, 它是以现代化的信息技术为手段, 开发出适合远程传输的便于交互式学习的大信息量的网上教育软件[8]。课件主要板块包括:课程首页, 内容导航, 课程简介, 教学大纲, 练习思考, 在线习题, 网络课程, 相关链接, 师生交流和网上答疑。网络课件通过形象生动的教学媒体介入, 为学生提供了丰富准确的教学内容及详实科学的教学资料。网络的跨时空性、强大的交互功能又可加快分离工程知识的补充更新, 帮助学生了解本学科相关的最新科技动态, 拓展了本课程教育的时间与空间。网络课件更为学生利用课后时间自学提供了极大的方便, 使学生的学习富于独立性和创造性, 能充分发挥学生自我管理、自我教育的实践功能, 从而促使学生独立观察、分析能力的发展和主动获取信息、处理信息能力的培养。
6 合理结合多媒体与传统教学手段
多媒体教学是指在多媒体平台上, 借助预先制作的多媒体教学课件来组织实施的教学活动。它具有直观性、容量大、可重复性和深刻性等优点, 变抽象为形象, 将传统教学手段难以展示的各分离单元操作及其设备工作原理用动画、影像、图像等方式在课堂上模拟演示[9,10], 为学生提供了丰富的教学内容及详实的教学资料, 使得课堂教学生动有趣。但其弊端在于颠倒了教与学的主导与主体关系, 不利于课堂师生情感交流, 不利于发挥学生的想象力, 不能突出课堂内容的重难点。因此多媒体的使用应取决于课堂教学的内容, 要根据具体内容进行传统板书与多媒体教学的合理结合, 既发挥多媒体教学的优势, 又发挥教师的主导作用。通过对教学过程的设计和灵活多变的操作, 把握好多媒体使用时机, 正确处理好多媒体和粉笔、黑板、普通教具、语言表达等传统教学手段之间的关系, 正确处理好多媒体教学时间与课堂讲解、板书、交互、反思时间的关系, 通过两者的优势互补, 突出教学重难点, 使多媒体在教师的驾驭下发挥最佳教学功能, 从而达到预期的教学目的。
7 结语
经过数十年来对化学工程专业《化工分离工程》课程的教学改革和探索, 我们已经初步建立了一套可行的教学方法, 提高了学生分析解决问题的能力, 有利于学生工程素质的培养, 使学生初步具有了从事化学工程行业的环境适应能力、技术改造能力和科学技术能力, 切合了化学工程专业的培养目标。今后, 我们还需要积极不断地研究和探索新的教学方法, 使课程教学质量得到更大的提高。
参考文献
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3.化工分离工程讲稿 篇三
【摘 要】计算机软件的成熟发展对《化工分离工程》课程的传统式教学提出了新的要求,并为该课程的进一步完善与发展提供了有利的平台。本文提出通过应用计算机软件完善《化工分离工程》课程中严格计算等相关章节的内容,促进学生对分离过程中严格计算的理解。
【关键词】课程建设;化工分离工程;严格计算;模拟软件
《化工分离工程》是一门关于化工过程的专业课,它是通过综合运用数学、物理、化学等基础知识,分析和解决化工生产中各种物理过程的工程科学[1]。目前该课程学习的重点是使学生掌握各种常用传质分离过程的基本原理与操作特点,以及相关各个过程的简捷计算。然而对于其中严格计算的相关部分大多停留在进行概念性的介绍,并无法让学生进行严格计算相关的实质性计算操作与锻炼。
计算机软件如今发展成为化工过程设计的强大工具。这类软件包含各种的单元操作模块,并且有着庞大的物性数据库,既可以进行单个设备的相关计算,也可进行整个化工生产流程的计算。在《化工分离工程》课程教学中尝试引入一些化工模拟软件(如:ASPEN PLUS,PRO /II或者CHEM CAD[2]以及计算软件(如:MATLAB)[3]辅助,希望以此能提高课程相关习题的难度,增强实用性,同时进一步提高学生对实际分离过程的认识与理解。
《化工分离工程》课程中多组份精馏与吸收是其重点,其中多组份精馏是重中之重,涉及到最基础的气液平衡常数相关计算,泡点露点计算,简单平衡级闪蒸问题计算,多组份精馏简捷计算以及其严格计算。下面对计算机软件在提升《化工分离工程》课程教学问题进行初步的探讨。
一、气液平衡基础
(一)相平衡常数
相平衡常数等的计算按照分类可由状态方程法和活度系数法进行求解,其中分别涉及到逸度系数与活度系数的求解,这些混合物的热力学性质绝大多都比较复杂,不能手算完成;如果使用MATLAB计算软件则可快速准确的求解出这些基础数据,结论更为准确与直观。
(二)泡点露点(温度/压力)计算
泡点露点计算方面,教学中通常仅针对平衡常数与组成无关的情况下的计算,并且计算过程仍需要假设迭代计算,计算量较大。而对于平衡常数与组成有关的情况下的计算则是仅仅进行粗略的介绍,因为在组成未知的情况下无法求得逸度系数与活度系数,还必须对活度系数与逸度系数进行试差,因此学生仅仅掌握计算流程即可并无实际的计算要求。如果通过MATLAB计算软件可轻松方便的对平衡常数与组成有关的情况进行计算。并且如若在此引入化工模拟软件的辅助,则可对精馏塔的塔顶温度,塔底温度以及压力变化的模拟数据与MATLAB的计算数据进行对比,使得学生更为形象直观的了解精馏塔的操作压力与各种公用工程介质使用温度之间的联系,为将来实际工作中如何选择分离塔操作压力和进行过程热集成打下了基础。
(三)简单平衡级
简单平衡级中闪蒸的计算较为重要,与泡点露点计算相似,教学中仍然着重于平衡常数与组成无关的情况下的计算,而对于平衡常数与组成有关的情况下的计算则由于平衡常数除了温度和压力外还是组成的函数,需要初估组成然后迭代求至汽化率收敛,然后再估算组成并计算平衡常数,重新迭代汽化率,直至组成无变化。整个过程迭代繁琐计算量大,教学中往往只进行简单介绍。此处如果配以MATLAB计算软件与化工模拟软件辅助则可准确迅速的进行计算,且可进行模拟数据与计算数据的对比与讨论,从而进一步掌握计算方法的内在含义。
二、多组份普通精馏与特殊精馏的简捷计算
(一)多组份普通精馏简捷计算
多组份精馏普通简捷计算方面,整体使用FUG法求解。其中最少理论塔板数利用Fenske方程进行求解,之前需要确定关键组分,估算塔顶塔底温度算出相对挥发度,然后通过Fenske方程进行求解,过程较为复杂需要进行验证非关键组分的含量,其计算量较大。如果在此配有MATLAB进行辅助,可省去繁琐的计算过程时间,使学生有更多的时间对于关键组分的选取,清晰分割的划分,分配与非分配组分的定义从计算中有一个更直观的了解与认识。
(二)萃取精馏与共沸精馏的过程分析
特殊精馏中萃取精馏与共沸精馏的方面概念性知识较多,过程分析是其重点。在此若配以化工模拟软件,则可让学生更为直观的了解萃取溶剂,共沸剂等的流速,温度浓度变化对整个特殊精馏过程的影响,并可进行萃取剂与共沸剂的选择操作,从而更直观的认识溶剂的亲和性以及共沸剂的极性与共沸点对精馏体系的影响。
三、吸收过程的过程分析
吸收过程章节,简捷计算较为简单,简化各板的吸收因子后,计算无需迭代假设。吸收过程由于其放热过程以及单项传质,使其过程分析较为重要特别是四种主要热效应的解读方面。在此如果配以化工模拟软件,通过较为接近实际的模拟吸收塔,了解吸收过程热效应对整个塔温度的影响以及单项传质对塔内流速的影响,使得学生更为形象与直观的了解与掌握吸收过程。
四、过程的严格计算
这部分中主要涉及的MESH方面的建立与求解,其中重点介绍了方程解离法中三对角矩阵法与逐板计算法的计算流程。计算中,描述精馏模型的MESH方程组求解困难,且求解过程通常还包括各种气液平衡数据的计算、多种矩阵运算和数值算法、求解热力学性质和物性时用到的插值和参数拟合等,计算非常复杂。目前的教学往往停留在简略介绍的阶段。在此如果配以MATLAB计算软件与化工模拟软件,则可大大简化计算的难度并缩短了计算时间,还可通过模拟软件中类似的模块对各个过程的严格计算使得学生对其有更为详细的了解,并且对于多组分精馏以及多组份吸收有更深刻的理解。例如:ASPEN PLUS 里的RadFrac模块就是采用严格计算方法中的逐板法。由于软件计算的效率高,模拟计算耗时少,所以在课堂教学中可选用真实精馏塔作为模拟实例进行讲解,使得学生更直观与深入的了解各工艺参数对设备分离效率和设备参数的影响。
综上所述,传统的教学方法对于实践性很强的《化工分离工程》课程来说,效果并不十分理想。通过计算机软件可以更加直观地展示分离过程的操作情况和分离设备内部结构,使得复杂结构形象化与直观化。
参考文献:
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4.化工分离工程讲稿 篇四
今天我们的实验内容是“氨基酸的离子交换色谱分离”。大家翻到书本第69页。我们的实验目的有三个:
1)了解层析法的概念、特点和分类; 2)复习氨基酸的理化性质;
3)掌握离子交换层析分离生物大分子的原理和方法。
今天实验题目是氨基酸的离子交换色谱分离。所以首先向同学们介绍离子交换色谱。顾名思义,离子交换色谱,就是分离过程是基于离子交换的原理而进行的。具体来说,就是基于带相反电荷的分子的相互吸引。也就是异种电荷相互吸引、同种电荷相互排斥。所以,按照带电荷的正负,离子交换层析一般分为两种类型,一种是阳离子交换色谱,填料上结合有带负电荷的基团,可以与溶液中带正电荷的样品结合;另一种是阴离子交换色谱,填料上结合带正电荷的基团,可以与溶液中带负电荷的样品结合。那么,我们今天使用的是阳离子交换柱,就是你们桌子上的黄色填料。
离子交换色谱是利用样品的带电性质进行的分离。那么,氨基酸的带电性是怎么样的呢?这是基于氨基酸的组成。氨基酸是一种兼性离子。什么是兼性离子呢?就是在溶液中既可以带正电荷,又可以带负电荷。氨基酸包含一个氨基,可以作为氢离子的受体,这是氨基酸成为阳离子;氨基酸又带有一个羧基,可以作为氢离子的供体,这时氨基酸成为阴离子。有这个性质,引申出一个等电点的概念,也就是氨基酸所带净电荷为0的状态。在PH小于等电点时,氨基酸带负电荷,当PH大于等电点时,氨基酸带正电荷。
如何利用离子交换色谱分离两种不同的氨基酸?
因为离子交换色谱根据“同种电荷相斥,异种电荷相吸”原理分离样品,而不同的氨基酸具有不同的等电点,它们在溶液中可能携带相反电荷。所以,我们将溶液调到一特定pH值,让一种氨基酸携带正电荷,使之与离子柱结合;同时,让另一种氨基酸携带负电荷,使之保留在溶液中。
在我们的实验中,我们需要分离天冬氨酸与赖氨酸,天冬氨酸的等电点时2.97,赖氨酸的等电点时9.74。我们可以看到,存在三种情况:
1)pH < 2.97,Asp与Lys均带正电荷
2)2.97 < pH < 9.74,Asp带负电荷,Lys带正电荷 3)pH > 9.74,Asp与Lys均带负电荷 是不是只有第二种情况符合我们之前说的方案?
因此,我们的实验基本步骤是:上样,样品液:0.005 mol/L 的Asp与Lys溶于0.02 mol/L HCl中形成的混合液(pH < 2)。1)先用pH5.3的柠檬酸缓冲液洗脱;2)pH 12 的氢氧化钠溶液洗脱。
1)平衡,向层析柱加入pH 5.3的柠檬酸缓冲液,直到流出液的pH与洗脱液的pH相同为止,用pH试纸检查。
2)上样。降低液面至填料表面上方1 厘米左右,加入0.5毫升氨基酸混合液样品。
3)向层析柱加入pH 5.3的柠檬酸缓冲液进行洗脱。
4)用短试管收集天冬氨酸。每管5毫升,收集1-5管。
5)向层析柱加入pH 12的NaOH缓冲液进行洗脱。每管5毫升,用短试管收集6-12管。
6)测定。取0.5毫升收集液于长试管中,加入1毫升pH5.3柠檬酸缓冲液,0.5毫升茚三酮,混合后在100℃加热25分钟,然后水冷却5-10分钟,加入3毫升60%乙醇稀释,用分光光度计在570 nm处检测。
7)绘制洗脱曲线。
8)再生色谱柱:用蒸馏水洗至流出液为中性。
注意事项:
1)柱子不能干。始终保持柱面上方有液体。
2)液体流速与柱面上方液面高度有关,液面越高,流速越快。可以适当增高液面,加大流速,对结果没有影响,可以节省时间。
3)建议大家分工合作。一组进行分离实验,一组进行后面的检测实验。思考题:
1.何为色谱法?其特点是什么?
2.离子交换树脂有几类,各类有何特点?
3.我们这次用的是阳离子交换色谱,假如使用阴离子交换色谱,该如何设计实验?
5.化工安全演讲稿 篇五
我演讲的题目是:夯实化工企业安全基础,是构建化工企业安全长效机制的基础。
首先,我觉得大家都很幸运能在这里。为什么这么说?比起现在躺在医院的人,我们是幸运的;与灾区人民相比,我们是幸运的。
安全是企业的灵魂,是企业生存和发展的基础。员工人身安全得不到保障,企业就无法成长发展;公民人身安全得不到保障,国家就不会富强。人以个体的形式出现在社会中,社会中的每一个公民都像珠子,被和谐而顽强的生命力串在一起,形成一个不可分割的生命体。线一旦失去了生命力,珠子就滑下来,就没有这样的生命体了。所以,我们每个人的力量,无论是在社会上,还是在企业里,都是不可忽视的。
基础不牢。现实生活中,少数化工企业只注重生产,而忽视安全,生产不科学。地方管理,老经验,无视标准规范。人们常说,安全规则是由血液制定的。面对千百条鲜活的生命,总有人视而不见,对用血泪写成的操作规则麻木不仁。“小散,少次勤运”,烟花爆竹安全生产的“十一”字诀。十一个短字,保障未知企业财产和职工生命安全。美国杜邦公司是一家生产炸药的军工企业,但杜邦老板却敢夸说在杜邦公司工作比走在路上安全,因为杜邦有一套规范来保证企业的安全运营,哪怕一个桶放在指定的圆圈里。
许多化学事故是由设备落后和科学技术低下引起的。推动科技发展,引进新技术,提高安全装备水平和科技含量,是我们的紧迫责任。提高化工设备自动化程度,优化生产工艺,打造一流的信息化化工企业,建设数字化化工企业,是化工企业安全发展的必由之路。
我曾经给他们讲过我看过的一篇文章,至今记忆犹新。一家火电公司在化工厂工作的时候,一位日本专家曾经对施工人员说:“你们中国人确实有不怕死的宝贵精神,你们在工地上不戴安全帽。在日本,厂长和经理见面时,安全帽都绑得很紧。”这是对违规的极大讽刺。一针见血地说明,有些人的安全意识淡薄无知,对自己的轻视是对家庭和社会的犯罪。安全的警钟应该永远响。劝那些可悲的“勇者”,收起你的愚蠢和无知。有人说安全生产的难点在于自己,在于自己的安全意识。今天想想还是有道理的。启动“安全生产月”,颁布实施《安全生产法》,严格执行“两票三制”。
这不全是为了安全生产,也是领导和员工用血的教训做出的努力和决心。安全隐患就像一只狡猾的狐狸,躲着,等着,看着我们的违法行为,等着一个吞噬我们健康生活的机会。“工作一分钟安全60秒”,我们每个人都应该这样做。
谁都知道,青春的灿烂之花,会在安全的沃土上灿烂绽放,会因肆虐的意外而变得冷漠。展望未来,我们每个人都任重道远,肩负重任。在新的形势和新的目标下,我们的一举一动都应该更加稳健和成熟。当我们看到鲜红的太阳从地面升起,金色的沙漠上布满了管道,每一个静止的、运动的生命体都被渲染得轰轰烈烈,美不胜收。我们不禁感叹:人生如此美好,如此精彩!但是,有两个词很重要,因为没有这两个词,我们就无法感受和拥有这一切美好的东西,那就是安全!
作为化工行业的工作者,让我们记住这些惨痛的教训!让我们更加努力学习,全面提高自身素质,夯实化工安全基础,真正构建化工安全生产长效机制。进一步解放思想,增强忧患意识和责任感,努力打造化工行业长效安全机制,为和谐企业打造美好未来!
6.制药分离工程 篇六
1.举例说明制药分离工程原理与分类。
答:原理:利用待分离的物质中的有效活性成分与共存杂质之间在物质、化学及生物学性质上的差异进行分离 分类:(1)机械分离:过滤,重力沉降,离心分离,旋风分离和静电除光等;
(2)传质分离:①速度分离工程:
1、膜分离:超滤;
2、场分离:电泳。
②平衡分离工程:
1、气体传质过程:吸收气体的增湿与减湿;
2、气液传质过程:精馏;
3、液液传质过程:液液萃取;
4、液固传质过程:浸取;
5、气固传质过程:固体干燥。2.工业上常用的传质分离过程包括?举例说明它们的特点。答:(1)平衡分离过程:借助分离媒介(如热能,溶剂或吸附剂)使均相混合物系变为两系统,再以混合物中各组分在处于平衡的两相中分配关系的差异为依据而实现分离。其传质推动力为偏离平衡态的浓度差。
(2)速率分离:在某种推动力(如浓度差,压力差,温度差,电位梯度和磁场梯度等)作用下,有时在选择性透过膜的配合下,利用更组分扩散速率的差异实现组分的分离。这类过程的特点是所处理的物料盒产品通常属于同一相态,仅有组成差别。
第二章 固液萃取
1.试结合固液提取速率公式说明提高固液提取速率的措施包括哪些? 答:速率方程J=[1/(k-1+L/D)](C1-C3)=K*△C
浸出的总传质系数:K=1/(k-1+L/D)
措施(1)药材的粒度:药材粉碎细些,与浸取的溶剂的接触面愈大,扩散面愈大,故扩散速率越快,浸出的效果愈好;
(2)浸取温度:温度的升高能使植物组织软化,促进膨胀,增加可溶性成分的溶解和扩散速率,促进有效成分的浸出;
(3)浸取的时间:浸取时间与浸取量程正比;
(4)浓度差:浓度差越大,浸取速率越快,适当地运用和扩大浸取过程的浓度差,有助于加速浸取过程和提高浸取速率;
(5)浸取的压力:适当提高浸取压力会加速浸润过程,提高提取速率。2.选择浸取溶剂的基本原则有哪些?试对常用的水和乙醇溶剂的适用范围进行说明。答:基本原则:(1)对溶质的溶解度足够大,以节省溶剂用量;
(2)与溶剂之间有足够大的沸点差,以便于采取蒸馏等方法回收利用;
(3)溶质在溶剂中的扩散系数大和粘度小;
(4)价廉易得,无毒,腐蚀性小等。
适用范围:水作为有机溶剂经济易得,而且极性大,溶解范围广。药材中的生物碱盐类,苷,苦味质。有机酸盐,鞣质、蛋白质、糖、树胺、色毒、多糖类(果胶、黏液质、菊糖、淀粉等)以及酶和少量的挥发油都能被水浸出;
乙醇是一种半极性溶剂。由于乙醇溶解性能介于极性与非极性之间。所以乙醇能溶解水中溶解的某些成分,同时也能溶解非极性溶剂所能溶解的一些成分,只是溶解度不同。例如:乙醇含量在90%以上时,适于浸取挥发油,有机酸,树脂,叶绿素等;乙醇含量在50%~70%时,适用于浸取生物碱,苷类等;乙醇含量在50%以下时,适于浸取苦味质,蒽醌类化合物等。3.简述超声协助浸取的作用原理及影响因素。
答:作用原理:超声波热学机理,超声波机械机制,超声波空化作用;
影响因素:超声波的频率、强度、溶剂(张力、粘度、蒸汽压)。系统静压及液体中气体种类及含量等。
4.简述微波协助的作用原理及影响因素。
答:作用原理:一方面是利用微波透过萃取剂达到物料内部,由于物料腺细胞系统含水量高,水分子吸收微波能产生大量的热量,所以能加速被加热时细胞内温度迅速升高,液态水气化产生的压力将细胞膜和细胞壁冲破。形成微小的孔洞,进一步加热导致细胞内部和细胞壁水分减少,细胞收缩,表面出现裂纹孔洞或裂纹的存在使胞外溶剂容易进入细胞中,固体表面的液膜通常是由极性强的萃取剂所组成的,在微波辐射作用下,强极性分子将瞬时极化并以2.45*109次/s的速度做极性变性运动,这就可能对液膜产生一定的微观“扰动”影响,使附在固相周围的液膜变薄,溶剂与溶质之间的结合力受到一定程度的削弱,从而使固液浸取的扩散过程所受到的阻力减小。
影响因素:萃取剂的选择;Ph值得影响;物料中水含量的影响;微波剂量;萃取时间;基本物质。
第三章 液液萃取
1.固液浸取与液液萃取各有何特点?在操作过程中的影响因素有何相同与不同点? 答:(1)特点:固液浸取以液态溶剂为萃取剂,被处理的原料为固体,利用混合物在溶剂中溶解度的差异分离物质;液液萃取以液态溶剂为萃取剂,被处理的原料为液体,利用溶质在两个相之间的不同分配实现分离;
(2)相同点:都需考虑操作温度,Ph,反应时间
不同点:固液浸取还需考虑:药材的粒度,溶剂及用量及提取次数,浓度差,浸取压力;
液液萃取需考虑:萃取剂的选择,原溶剂的条件,盐析,带溶剂,乳化和破乳。
2.试给出分配系数与选择性系数β的定义。答:分配系数kA表示原料液中加入萃取剂后形成平衡的两个液相,溶质A在萃取相E与萃余相R中的分配关系。kA=A在E中的浓度/ A在E中的浓度=yA/xA。
选择性系数β表示萃取剂的选择性 β= kA/kB=溶质A在E,R相中的分配系数/稀释剂B在E,R相中的分配系数。
3.在液液萃取过程,选择萃取剂的理论依据和基本原则有哪些? 答:理论依据:溶质在两个液相之间的不同分配。
基本原则:①萃取剂的选择性与选择性系数;②萃取剂与原溶剂的互溶度;
③萃取剂的物理性质;
④萃取剂的化学性质;
⑤萃取剂的回收;
⑥萃取剂的价格,对设备腐蚀性小和安全性好。
4.给出液泛的定义,如何避免液泛?
答:定义:分散相和连续相在萃取塔内做逆向流动时,两相之间的流动阻力随两相流速的增加而增加,当流速增加到一定程度时,两流体相互之间会产生严重夹带而造成的液体倒流现象。
避免方法:①控制适当的液气比;②控制适当的负荷;③保证液体清洁,不易发泡;④保证塔板清洁无垢。
5.给出液体返混的定义,如何避免返混?
答;定义:塔内有一部分液体的流动滞后于主体流动,或者向相反方向运动,或者产生不规则的漩涡运动。
避免方法:①减小液体与塔壁之间的摩擦,增大靠近塔壁连续相液体的流速;②使分散相液滴大小均匀;③避免塔内产生局部漩涡运动。
第四章 超临界流体萃取
3.试对超临界萃取中夹带剂的作用机理,优点和问题进行讨论。
答:作用机理:①溶剂的密度;②溶剂与夹带剂分子间的相互作用。
优点:①可大大增加被分离组分在超临界流体中的溶解度;
②在加入与溶质起特定作用的适宜夹带剂时,可使该溶剂的选择性(或分离因子)大大提高。
问题:①萃取段需要夹带剂与溶质的相互作用能改善溶质的溶解度和选择性;
②溶剂分离段,夹带剂与超临界溶剂应能较易分离,同时夹带剂应与目标产物也能容易分离;
③在食品,医药工业中应用还应考虑夹带剂的毒性等问题,使用的夹带剂不能对原料和物品造成污染。
4.试对超临界萃取应用于天然产物和中药有效成分提取的优势与局限性进行评价。答:优势:①萃取能力高;②操作参数易于控制;③溶剂可循环使用(回收方便);④特别适于热敏性物质,且能实现无溶剂残留;⑤反应时间快,周期短;⑥流程简单,操作方便。
局限性:①投资较大,对工作人员素质要求较高,因而投资风险大;
②主要适用于高附加值,热阻性成分的萃取分离;
③天然产物组分复杂,近似组分多,单独使用超临界萃取技术满足不了对产品纯度的要求,常与其他先进技术结合。
5.影响超临界萃取传质速率的因素有哪些?
7.化工分离工程讲稿 篇七
装有分子筛的吸附塔是变压吸附分离工艺的核心部机, 在分子筛微孔中, 不同组分具有不同的扩散吸附速率, 从而实现对氮气和氧气的分离。如果吸附没有达到平衡, 那么在气相中氮气或者氧气就会被富集, 并形成相应的产品气体。然后再将压力减小, 将吸附到的杂质和废气排除掉, 就能实现再生[1]。
在变压吸附分离装置中具有两个吸附塔, 第一个吸附塔的作用是吸附氮气或氧气, 另一个吸附塔的作用是脱附再生。两个吸附塔在气动阀门的作用下能够交替工作, 从而连续产生氮气或者氧气。气动阀门的启闭主要是由PLC程序控制器进行自动控制。
变压吸附分离工艺的优点在于运行参数稳定、能耗低、维修便利, 其大多为撬装式组合结构, 能够实现无人操作。但其缺点也非常明显, 生产出的氮气或者氧气具有较差的纯度, 气体压力较低。产品纯度会对设备尺寸、设备能力产生较大的影响, 这是由于变压吸附分离工艺的规模本身较小。一般情况下变压吸附产品的最小气体压力约为0.4MPa, 最大气体压力约为0.8MPa, 制氮纯度能够达到95%~99.9%, 制氧纯度能够达到93%±2%。根据当前的国内技术水平, 单套产品的最大变压吸附制氮处理量能够达到1000Nm3/h, 最大变压吸附制氧往往难以达到500Nm3/h。当前成熟产品在氮纯度达到或超过99.99% 的情况下, 制氮能力仅为600Nm3/h, 在氧纯度为95%~99%的情况下, 制氧能力能够达到6000Nm3/h[2]。
2膜分离工艺
不同气体在膜中有不同的扩散和溶解系数, 以此为依据可以进行气体分离, 这也是膜分离技术的技术原理。混合气体在膜两侧压力和驱动力的压力差的作用下, 产生不同的渗透速率。二氧化碳、氢气、水汽、氧气具有较快的渗透速率, 其会在膜的渗透侧富集起来。氩气、氮气具有较慢的渗透速率, 其会在滞留侧被滞留而富集, 从而实现混合气体的分离。
膜分离工艺的优点在于启动速度快、占地面积小、能耗低、 噪音小、设备结构紧凑, 并且能够实现无人操作。膜分离设备结构比较简单, 可以做成集装箱式、撬装式或者箱式, 安装起来比较便利, 5~15分钟之内就可以将合格的产品气体提供出来, 具有较快的运行速率。但是由于设备结构简单, 膜的质量会直接影响膜分离设备的使用寿命。而且一旦膜发生老化, 要对其进行更换或者维修比较不便。膜分离工艺的另一个缺点在于具有有限的分离能力, 产品气体的纯度较低, 氮气产品的纯度约为95%~99%, 氧气产品的纯度约为45%, 往往用于对产品气体纯度要求不高的行业, 例如医用行业、污水处理行业和富氧燃烧等等。
3低温精馏工艺
氮气和氧气具有不同的沸点, 利用这一特性, 通过低温精馏工艺能够实现氮气和氧气的分离。气体的沸点会受到温度和压力的影响, 跟精馏工艺中使用低温、高压的环境, 先对空气进行液化, 然后由精馏塔进行传质传热, 将空气中的氮气和氧气分离开来[3]。
低温精馏工艺的优点在于气体压力足、气体纯度高、产气量大, 能够满足化工企业的生产需求。然而企业具有负荷调节范围小、启动时间长、操作复杂的缺点, 在需要稳定量和大剂量的连续供气情况下比较适用。随着工业的发展, 低温精馏工艺中引进了DCS控制系统, 对其缺点有了一定的改善。以用户需求为根据, 低温精馏工艺又具有以下几种工艺流程。
(1) 全精馏无氢制氩。全精馏无氢制氩技术是以规整填料技术为基础的, 主要应用于大中型设备。其目的是获得产品氩。工艺流程是先通过传统工艺来获得工艺氩, 进而对工艺氩进行低温蒸馏, 将其中的氮气去除掉, 得到所需的产品氩。其优点在于操作便利、流程简单、稳定安全、气体纯度高。但是却具有较低的可靠性, 在制备过程中会消耗氢气, 产生较高的费用, 而且具有较高的危险性。
(2) 规整填料。规整填料具有3个方面的优势:首先, 其具有较低的能耗, 可以连续进行热交换。填料表面由于回流液而形成液膜, 从而降低上塔阻力, 汽、液之间具有不同的流路, 极大地降低了填料上塔的阻力。其次, 氩、氮、氧具有较高的分离率, 上塔的操作压力能够降低15%~20%, 并降低下塔的压力, 有利于氩、氮、氧的分离, 从而提高气体的提取率。能够提高5%~10%的氩提取率, 1%~3%的氧提取率。第三, 能够进行大范围的操作和变动。填料塔的气液接触具有连续性, 填料塔中具有较少的持有量, 因此在一定的范围内能够进行较大的变动, 填料塔具备40%~120%的负荷范围, 以及较快的变工况操作。
(3) 内压缩和外压缩流程。
3结语
本文对当前化工企业中常用的3种空气分离装置工艺流程进行了简要的介绍, 这3种空气分离装置工艺流程都各有优缺点, 化工企业要根据自己的实际需要选择合适的空气分离装置工艺流程, 并不断对空气分离技术进行改进。
参考文献
[1]陈锦伟.浅谈空气分离技术的发展和改进[J].化工管理.2015 (18) .
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