从单元操作到分离过程_姜忠义

2005年11月Nov.2005化 学 工 业 与 工 程

CHEMICAL INDUS TRY AND ENGINEERING 第22卷 增刊Vol.22 Supplement

收稿日期:2005-10-31

作者简介:姜忠义(1966-),男,天津大学化工学院教授。联系人:姜忠义,E -mail:zhyjian g @https://www.360docs.net/doc/a614499816.html, 。

文章编号:1004-9533(2005)增刊-0056-04

从单元操作到分离过程

姜忠义,吴 洪,唐韶坤,刘家祺,李士雨

(天津大学化工学院,天津300072)

摘要:Arthur Little 首次提出的单元操作的概念包括了分离混合物的一系列不同的方法,在化学工程科学的发展中具有重要贡献。随着科学技术的不断发展,最初的单元操作以及后继出现的单元操作逐步交叉、渗透和融合而形成了相对独立的分离过程领域。本文主要介绍从单元操作到分离过程的这种发展和演变历史,对单元操作与分离过程加以比较,并强调分离过程课程开设的重要性和必要性:筛选适宜的分离剂、选择和设计优化的分离方法和技术、降低分离过程的能耗、开发新的分离方法。

关键词:分离过程;单元操作;比较;发展历史

From Unit Operation to Separation Processes

JIANG Zhong -yi,W U Hong,TANG Shao -kun,LIU Jia -qi,LI Sh-i yu

(School of Chemical Engineering and Technology,Tianjin Universi ty,Tianjin 300072,China)

1 前言

目前,分离过程逐渐形成了一个具有鲜明工程技术特点的相对独立的领域,在工业过程中得到越来越广泛的应用。欧美日和我国等许多国家高校的本科生和研究生培养方案中均设置了分离过程作为专业课。20世纪90年代起,美国化学工程师协会(AIChE)就开始下设分离过程分会,美国化学会(ACS)开始下设两个分离科学与技术分会。世界各地每年都要召开分离过程领域的多个学术会议。为满足科学研究成果交流的需要,创办了多种有关分离过程领域的专门学术期刊,如Separation and Purification Methods,Separation and

Purification

Technology;Separation Science and Technology,Journal of

Membrane

Science,

Journal

of

Chromatography;

Adsorption,Solvent E xtraction and Ion Exchange,Fluid Phase Equilibria,Journal of Supercritical Fluids 等等。

而30多年以前的情形却不是这样,分离过程尚未形成一个专门的领域,单元操作概念则处于绝对

的支配地位。分离过程之所以能够发展成为一个专

门的领域主要是由于下述原因:单元操作分类逐渐明晰。新型分离方法不断出现; 三传 特别是质量

传递研究日益深入;许多最初仅用于分析的方法逐步成为能够用于分离的方法;工业化和大规模的分离技术的需求与日俱增;化学工业正在迅速向着绿色化方向发展。而对分离过程发展起到推动作用的历史事件当推第二次世界大战期间的Manhattan 工程中同位素分离方法的研究。因此可以说,绝大多数的单元操作演变为分离过程领域可以看作化学工程发展历史的一个缩影。

2 单元操作

[1]

2 1 单元操作概念的提出

1950年Bro wn 等人这样描述了单元操作概念的起源:单元操作尽管人们在19世纪90年代末期就有所认识,但正式的提出则是在1915年,Arthur Little 博士在给麻省理工学院校长的报告中写到:任何化工过程,不管其规模多大多小,都可以认为由一

系列可以称为 单元操作 的过程所组成。这些 单元操作 包括干燥、结晶、过滤、蒸发和电解等等。由于当时科学技术的发展水平所限,这些单元操作的数量并不多,在一个具体的化工过程中也可能只会用到它们中的一些。

根据Little博士的定义,单元操作可以看作化工过程中的一个个通用的构建模块,它们可以按照不同的需要被组装到各个具体的过程中。各种单元操作的内在特性在不同的应用场合基本相同,只是具体的操作条件和设备条件会有所区别。

2 2 单元操作概念的发展过程

2 2 1 从教科书看单元操作概念的发展过程

麻省理工学院的Walker、Lewis和McAdams撰写的 化学工程原理 于1923年正式出版。这是第一本基于Little的观点来系统讲述单元操作概念的教材。该书的主要内容包括:流体流动、传热、燃烧、加热炉、气体发生装置、挤压和研磨、过滤、蒸发、蒸馏、吸收、萃取、增湿、空气调节和干燥。书中涉及了6种单元操作。

另一本关于单元操作的教科书,是由美国密歇根大学的George Granger B ro wn和他的多位同事于1950年编写完成的。他们把单元操作按照物质的状态加以分类:首先是涉及固相分离的单元操作,然后是涉及液相和气相分离的单元操作,接下来讲述了包括多种分离方法的多级操作,最后是传热和传质。Lehigh大学的Foust和他的同事们在1962年编写了一本类似的教科书。该书中把单元操作分为平衡级操作和速率操作,两者均以动量传递、热量传递和质量传递为基础。Macabe和Smith于1956年、1967年、1976年编著的教科书以及Harriott于1985年和1993年编著的教科书沿用多年,这两本书的体系与前述教科书基本相同,只不过把单元操作按照流体力学、热量传递及其应用、质量传递及其应用,含有固体粒子的操作等。这些教科书都是把单元操作分为流体流动、传热和传质,也就是人们非常熟悉的 三传 。

在 Mass Transfer Operations 一书中,Treybal把传质操作从 三传 中独立出来系统论述。由于大多数的分离过程是基于相平衡,因此该书的大部分内容是讨论平衡分离过程。首先讨论了扩散和传质,然后是气-液操作、液-液操作和固-液操作。Sher wood、Pigford和Wilke等在传质的基础理论和操作原理方面进行过深入的阐述。2 2 2 从级联理论及分析化学、色谱和分离科学发展看单元操作的发展过程

1)级联理论及其相关概念的提出:在分离任务中,经常会遇到一些待分离物系的分离因子接近于1的情形,采用级联操作往往不可避免。前面提到的第二次世界大战期间的Manhattan工程中就迫切需要同位素的分离特别是高纯U235和氘的分离方法,由于当时这些分离用到了许多平衡级和能量,因此促使人们开始注意并努力开发新型分离方法。在三传理论的指导下对候选的分离方法进行筛选以获得设备费、操作费和能量费用尽可能节约的过程设计。GE公司的Karl Cohen、Kellogg公司的Manson Benedict提出了级联理论的概念,并指出理想级联下指速率分离过程如气体扩散或热扩散等所需级数最少、能耗也最低。

针对同位素分离开发出的速率分离过程的特点是:过程为不可逆,根据组分通过一个 障碍物 的传递速度的不同实现分离,从原料到产品没有相变发生。显然,这些速率分离过程与Foust提出的速率过程有所区别。Benedict把级联理论扩展到 潜在可逆 和 部分可逆 的平衡分离过程以及在精馏过程中普遍存在的方块级联。理想级联和方块级联的最本质区别是理想级联在各级之间都有回流,而方块级联则在中间各级之间没有回流。归纳一下可以看出,Cohen、Benedict等人在同位素分离方面的工作已经提出了许多有用的概念,其中包括对于分离过程中能量需求理论以及 有用能 概念; 潜在可逆 、 部分可逆 和 不可逆 过程的明确区分;理想蒸馏的概念,设置中间回流、中间冷凝器和中间再沸器、热偶合等可以有效节约精馏过程的能耗。

应当指出,精馏塔热偶合的概念同时也得益于空气分级精馏过程的发展。 潜在可逆 、 部分可逆 和 不可逆 过程现在分别被称为加入能量分离剂、质量分离剂的平衡分离过程和速率分离过程。

2)分析化学、色谱和分离科学:众所周知,分离在分析化学中一直占据重要位置,无论是定性分析还是定量分析。历史上,用于分析化学的分离方法与用于化工过程的分离方法有着很大的差别。造成这种差别的原因主要有:定量分析中要求完全清晰的分离,不太考虑分离过程的成本和规模,而成本和规模等对于化工过程则是不可回避的决定因素。这样就会遇到一些情形,有些分离方法在分析化学中广泛使用,而在化工过程中则很少或者根本没有使

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用。当然,有不少分离方法在化工过程和分析化学均使用,如溶剂萃取。

20世纪40年代至60年代间产生了气相色谱和液相色谱分离方法。迄今为止,已经成为化学分析的普遍方法。受过程的固有特性制约,传统的色谱分离处理能力非常小,从而阻碍了色谱技术在化工过程中的大量应用。然而,由于色谱分离温和的操作条件和很高的选择性,色谱分离可以用来进行生物分子的分离纯化,而不会引起生物分子的变性;加之色谱处理能力的不断提高,色谱分离在化工过程中的应用越来越多。

另一种值得一提的是膜分离过程。自从Leob-Sourirajan成功研制出用于海水和苦咸水纯化的不对称醋酸纤维素膜以来,膜分离技术得到迅速的发展。

3 分离过程[2~4]

现在让我们把目光转向从单元操作和传质操作到分离过程的发展过程。

Bird、Ste wart和Lightfoot撰写的 传递现象 (Transport Phenomena)的出版对于分离过程和技术的发展起了很大的促进作用,该书出版不久,有关传递现象的课程就开始陆续开设,课程的内容包括流体力学、热量传递和质量传递等。

此外,专门介绍每一种分离方法的教科书相继出版。比较著名的教科书有Robinson Gilliland (1922,1930,1939,1950)Hengstebeck(1961)Van Winkle(1967)关于精馏方面的教科书,Treybal (1951,1963)有关萃取的教科书、Sher wood和Pigford (1937,1952)有关吸收和萃取的教科书、Mantell (1945,1951)有关吸附的教科书和Helfferich(1962)有关离子交换的教科书。显然,如果只把每一种分离方法中的传递现象分别认识,而忽略其内在联系,那么对于各种单元操作之间的内在联系和共性规律就会难以把握。因此,有必要开设一门涉及多种分离方法或全部分离方法的课程 分离过程。

20世纪60年代,出版了几本更为综合性的分离过程专著。Hanson(1962)和Holland(1963)提出了关于精馏和萃取过程的数值计算法(严格计算法)。B Smith提出了二元物系的多级精馏、共沸和萃取精馏、吸收和萃取的设计和分析方法。Oliver (1966)以石化工业中的常用分离过程为研究对象,将相平衡、工艺过程和设备的计算方法和选择原则等进行了系统阐述。

1967年Pratt主编了第一本综合性论述分离过程原理的专著。建立在Cohen和Benedict等人的级联理论、分离最小功和有用能损失等的基础上,Pratt 对平衡分离过程和速率分离过程进行了详细比较,对于二元精馏进行了广泛和深入的分析。与此同时,King于1971和1980年两次编写了 分离过程 (Separation Processes)一书。该书概括了各种常见的分离方法;解释了多级操作和逆流的依据,逆流过程、错流过程和并流过程的特点和处理能力;介绍了固定床和洗脱色谱方法。分别讨论了关于二元和多元组分的单级和多级精馏过程的分析解法、图解法和数值解法。受Hengstebeck的启发,King采用普遍化的McCabe-Thiele图解法来求解多级分离过程(包括多组分精馏和多组分的非精馏过程)的组成变化。以Benedict和Pratt等人的工作为基础,King的书中还专门设了一章讲述分离过程的能量需求,包括过程可逆性、有用能消耗等。该书还对分离方法的选择、分离顺序的选择和优化设计等内容作了介绍。Seader于1998年编写了 separation process principles ,就工业过程中广泛应用的平衡级分离过程和速率分离过程的原理、特点以及应用进行了非常系统的描述,目前,该书在许多国家得到使用。

近年来,Sc hweitzer、Rousseau等还分别编写了分离技术方面的手册和专著。对工业生产中的分离设备、各种分离过程及其选择等进行了详尽的阐述。

分离过程形成一个独立领域与下面两个事件不无关系:1984年华裔科学家、美国工程院院士Norman Lee组织召开的分离技术工程基础会议和1987年美国国家研究院的研究报告 分离和纯化:迫切需要和现实机会 。1991年美国化学工程师协会把国家项目委员会(National Progra m Committee)中的第二组由单元操作组更名为分离组,从而标志着单元操作向分离过程的过渡。

概括起来,分离过程与单元操作的主要区别在于:分离过程侧重分离方法的共性规律,而单元操作则侧重分离方法的个性规律;分离过程侧重多组分非理想物系,而单元操作则多侧重二元理想物系。从哲学的观点,两者之间显然具有不可割裂的关系。把分离过程作为一个独立领域对于提高单元操作的能力和效率都有帮助,原因如下:1)用来分析和提高不同分离过程中达到的分离程度的方法是相似的。

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2)许多分离设备应用的分离原理相同,比如逆流操作和多级操作的概念就具有很强的通用性。3)以分离过程的知识为基础,把握分离过程的共性,对于从候选的分离方法中选择出完成特定分离任务需要的适宜方法以及确定合理的分离序贯是很有帮助的。

4)把握分离过程的共性对于分离过程可以帮助我们设计、筛选和制备出完成特定分离任务的质量分离剂。5)对于各种分离方法的分析比较帮助我们了解某一或某些分离过程的极限,从而选择确定出合适的分离方法,判断分离方法的可用性与否。6)对于分离过程的共性理解促进了新型分离方法的开发。这方面的例子有Othmer等人开发的特殊精馏, Gidding等人开发的场分离方法,以及目前非常热门的膜分离方法。7)对于分离过程的共性规律的认识可以使我们把分离过程应用到不同的场合和规模,从分析性分离、制备性分离到大规模的工业分离,同时有助于改善设计和操作条件以获得更高的分离程度,节约能量,降低设备费。

4 结束语

分离过程近年来得到了快速发展,新型分离技术不断被开发出来,分离过程的应用领域也在不断拓宽,从石油化工到生物、环境、医药工业、食品、能源等等。

对于大学教育来说,分离过程是为数不多的带有纯粹工程特点的课程。同反应工程一样,分离过程是一门帮助化学工程与工艺(技术)专业的本科生和研究生建立工程观点和强化工程意识的很好的课程。

参考文献:

[1]McCABE W L,SMITH J C,HARRIOTT P.Unit Operations

of Chemical Engineering(6th ed)[M].McGraw-Hill,2001.

[2]SEADER J D,HE NLEY,ERNES T J.Separation Process

Principles(1st ed)[M].Wiley-VC H,1998.

[3]NOB LE R D,AGRAWAL R.Separations Research Needs for

the21s t Century[J].Ind Eng Chem Res(Commentary),

2005,44(9):2887-2892.

[4]刘家祺.分离过程[M].北京:化学工业出版社,2002.

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