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出版者:Elsevier Science

作者:Zhigang Lei

出品人:

页数:370

译者:

出版时间:2005-4-7

价格:USD 300.00

装帧:Hardcover

isbn号码:9780444516480

丛书系列:

图书标签:

• 蒸馏
• 精馏
• 萃取
• 吸附
• 膜分离
• 分离技术
• 化工工艺
• 过程强化
• 精细化工
• 分离过程

先进分离技术：从理论基础到工业应用 导论：复杂体系分离的必要性与挑战 在现代化学工业、制药、精细化工乃至环保领域，高效、精准地分离和提纯混合物是实现产品质量控制、提高资源利用率和降低环境影响的核心环节。许多重要的化学过程，例如石油精炼、天然气处理、生物制药中的目标产物提取等，都面临着复杂的混合物体系，其中组分性质的微小差异往往决定了分离的难度和成本。传统的单元操作，如简单的蒸馏、萃取，在处理高沸点、低相对挥发度、共沸或热敏性物质时，其效率和能耗往往难以满足当代工业的要求。 本书旨在系统梳理和深入探讨一系列非传统且高效的先进分离技术。我们关注的重点在于那些能够突破传统热力学限制或通过优化传质/传热过程实现更高分离效能的方法。本书将从基础的物理化学原理出发，逐步深入到这些技术的工程实现、优化策略以及在不同工业领域的具体应用案例。 第一部分：精馏的极限与新型热力学分离策略 本部分将首先回顾经典精馏的局限性，特别是针对共沸物和恒沸物体系。在此基础上，我们将详细介绍如何通过引入第三组分或改变操作条件来“欺骗”热力学平衡，实现传统方法无法完成的有效分离。 第1章：共沸物与恒沸物的理论突破 共沸物的形成是由于组分间复杂相互作用导致的相平衡限制。本章将深入分析修正Raoult定律在描述非理想溶液中的不足，引入Wilson、NRTL、UNIQUAC等活动系数模型，并探讨如何利用这些模型精确预测共沸点的行为。随后，我们将聚焦于热压蒸馏（Pressure Swing Distillation）的原理，分析其对共沸物分离的适用范围、操作流程设计以及能耗评估。 第2章：反应精馏与化学辅助分离 当反应动力学与分离过程耦合时，可以实现热力学上的不可能，即利用化学反应将平衡限制性产物从液相或气相中不断移除，从而驱动反应向更高转化率进行。本章将详细阐述反应精馏（Reactive Distillation, RD）的机理，包括酯化反应、醚化反应（如MTBE的生产）在反应精馏塔中的集成设计。我们将讨论催化剂的选择（固定床与分散型催化剂）、反应器-分离器的一体化设计挑战，以及过程的非线性动力学控制。 第3章：萃取精馏与溶剂的选择性 萃取精馏是利用选择性溶剂改变组分相对挥发度的经典策略。本章将侧重于溶剂的选择与设计。我们将探讨衡量萃取剂优劣的关键指标，包括选择性、分配系数、热负荷、回收难度以及环境友好性。针对烯烃/烷烃分离、芳烃/脂肪烃分离等典型案例，我们将分析不同溶剂（如NMP、Sulfolane）的特性，并深入探讨萃取精馏塔的塔板效率和溶剂循环经济性设计。 第二部分：膜分离技术在复杂体系中的应用 膜分离技术以其低能耗、易于放大、操作温和的特点，成为处理热敏性或低挥发性体系的有力工具。本部分将侧重于超越传统气体分离的液-液、蒸气渗透等高级膜应用。 第4章：渗透蒸发与蒸汽渗透 渗透蒸发（Pervaporation, PV）是处理低浓度水溶液（如有机溶剂脱水）的理想技术。本章将详述有机/水体系的膜分离机理，重点介绍聚合物膜、无机膜在分离过程中的传质阻力模型。我们将分析渗透通量与膜结构（如自由体积理论）的关系。对于蒸汽渗透（Vapor Permeation, VP），我们将讨论其在分离饱和烃与不饱和烃、或处理高温工艺气流中的优势，包括膜材料对分子尺寸和亲和力的选择性差异。 第5章：反应膜分离技术（Catalytic Membrane Reactors） 将膜分离与催化反应相结合，可以实现对热力学平衡的在线突破。本章将深入探讨反应膜反应器的设计与优势，特别是针对氢气在化学平衡反应（如甲醇合成、脱氢反应）中的原位移除。我们将分析膜的选择性对反应转化率的提升作用，并讨论反应动力学与膜传质速率之间的耦合优化问题，这对高价值化学品的生产至关重要。 第三部分：吸附与色谱分离的精细化工程 对于痕量杂质去除、高纯度产品制备或立体异构体的分离，吸附和色谱技术展现出不可替代的优势。本部分将聚焦于工业化吸附过程的优化与新型吸附剂的开发。 第6章：模拟移动床（SMB）的放大与优化 模拟移动床（Simulated Moving Bed, SMB）技术是工业色谱分离的主流。本章将详细解析SMB的四个基本操作区（吸附、解吸、进料、洗脱）的划分原理和流程设计。我们将构建并分析用于二元或多组分体系的SMB动态模型，重点探讨如何通过优化进料速率、洗脱剂流速和切换时间，最大化设备产率和纯度，同时最小化溶剂消耗。案例分析将涵盖手性药物分离和异构体分离。 第7章：变温/变压吸附（TSA/PSA）的能效提升 针对气体和液体体系的吸附分离，变温吸附（TSA）和变压吸附（PSA）是核心技术。本章将探讨新型吸附剂，如金属有机框架（MOFs）和共价有机框架（COFs）的合成与性能，分析其高比表面积和可调孔径结构如何提高吸附容量和选择性。在工程设计层面，我们将关注如何通过优化吸附剂床层设计、再生周期控制以及热能梯级利用，显著降低TSA过程的能源强度。 第四部分：新型物理场辅助分离技术 本部分将介绍那些利用外部物理场（如电场、超声波）来增强传质或改变相平衡的创新分离方法，这些技术通常具有极高的选择性或极低的能耗潜力。 第8章：电化学分离与场强化传质 电化学分离技术在水处理和离子分离领域正显示出巨大潜力。本章将介绍电渗析（Electrodialysis, ED）和电容去离子化（Capacitive Deionization, CDI）的原理及其在脱盐和特定离子富集中的应用。此外，我们将讨论电场在液-液萃取或气液吸收过程中的“场强化”效应，即利用电场对界面张力和传质系数的影响，实现更快速的质量传递。 第9章：超临界流体技术的高效性 超临界流体萃取（Supercritical Fluid Extraction, SFE），尤其是利用超临界二氧化碳（scCO2），因其无毒、易于回收的特性，在食品和制药行业得到广泛应用。本章将深入探讨超临界流体溶解度的热力学基础，特别是如何通过精确控制压力和温度来调节溶剂的溶解能力，实现对复杂天然产物的高效、选择性提取和脱除。同时，我们将涉及超临界流体色谱（SFC）在分析和制备纯化中的优势。 结论与展望 本书的最后一章将对所讨论的先进分离技术进行综合对比分析，探讨如何根据特定的物料特性、产品纯度要求和经济约束，选择最优的分离工艺组合（工艺流程集成，Process Intensification）。未来的趋势将指向过程的深度集成、智能化控制以及对环境可持续性的极致追求。本书为从事化学工程、分离科学和过程优化的工程师及研究人员，提供了一套全面的、面向工业实践的先进分离技术工具箱。

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