第1章　緒論

1.1　分離技術的發展

在原始社會，人類完全靠大自然中“天生”的東西來解決生活中的一切需要。為了求得生存和改善生活條件，人類不斷地與大自然進行斗爭，在改造客觀世界中形成了生產力，并使之不斷發展。隨著生產力自低級向高級發展，人類不斷改善自己的物質生活，同時也創造了文化。

地球上的物質，絕大多數是與其他物質混在一起的（稱為混合物）。天然存在的單純物質少之又少。生產實踐證明，將地球上的各種各樣混合物進行分離和提純是提高生產和改善生活水平的一種重要途徑。由于發明了冶煉術，把金屬從礦石中分離出來，使人類從石器時代進入銅器時代，大大提高了生活的質量，開始向文明社會進軍。放射性鈾的同位素的分離成功，迎來了原子能時代，原子能的和平利用使我們的生活水平又大大提高了一步。將水和空氣中微量雜質除去的分離技術，大幅度提高了超大規模集成電器元件的成品合格率，使它得以實現商品化生產。深冷分離技術使我們從混合氣體中分離出純氧、純氮和純氫，獲得了接近絕對零度的低溫，為科學研究和生產技術提供了極為寬廣的發展基礎，為火箭提供了具有極大推力的高能燃料。從水中除去鹽和有毒物質的蒸餾、吸附、萃取等分離技術，使我們能從取之不盡的大海中提取淡水，從工業、農業污水中回收干凈水和其他有用的物質。

在工業生產中，很多生產過程處理的物料為流程性物料，如氣體、液體、粉體等。從原材料到最后產品的生產過程中要進行一系列的化學、物理過程，以改變物質的狀態、結構、性質。過程工業是以流程性物料為主要處理對象、完成上述各種過程或其中某些過程的工業生產的總稱。過程工業中進行的各種過程往往在密閉狀態下連續進行，它遍及幾乎所有現代工業生產領域?；瘜W工業是最傳統、典型的過程工業，化肥、石油化工、生物化工、制藥、農藥、染料、食品、煉油、輕工、熱電、核工業、公用工程、濕法冶金、環境保護等生產過程大都處理流程性物料，處理過程中幾乎都包含改變物質的狀態、結構、性質的生產過程。在這些過程中都需要使用各種類型的分離設備以完成生產過程中原料和產品的分離與提純。

過程工業是國民經濟的重要基礎產業，其產品滲透到人們的衣、食、住、行等各個領域。過程工業的產值是衡量一個國家國民經濟發展水平的重要標志之一。其顯著的特點是所用原料廣泛，生產工藝不同，產品品種繁雜，性質各異。但歸納起來，各個產品的生產工藝都遵循相同的規律：即原料預處理、加工精制、產品后處理。原料的預處理是過程工業生產前必要的準備工作，因為存在于自然界的原料多數是不純的。例如，石油是由多種烴類化合物為主組成的混合液體；煤是組分復雜的固體混合物。其中有生產過程需要的物質，也有生產過程不需要的甚至是有害的物質。如果直接采用這樣的原料進行化學反應，讓那些與反應無關的多余組分一起通過反應器，輕則影響反應器的處理能力，使生成的產物組成復雜化；重則損壞催化劑和設備，使反應無法順利進行，因此反應前的分離操作往往是必不可少的。當使用氣體（或液體）原料時，預處理包括采用一定的分離手段，對原料氣進行制備、凈化和配制，要求制得的原料具有一定的組成、濃度和純度，盡量少含雜質（特別是有害雜質）。當使用礦物原料時，預處理包括選礦、配礦、粉碎、篩分，有時還需要干燥或煅燒。原料礦粉應具備一定的組成（或品位）及一定的細度，以利于化學反應。產品的后加工，主要是指對從反應器出來的中間產物或粗產品進行分離和提純以及對未反應物的回收利用。因為絕大多數有機化學反應都不可能百分之百地完成，而且除主反應外，尚有副反應發生，這樣從反應器出來的產物往往是由目的產物、副產物以及未反應的原料組成的。要得到產品，必須進行分離。最常用的分離方法有冷凍冷凝、精餾分離和結晶分離。未反應物的回收利用常常采取循環作業。此外，固體產品的造粒成型、干燥和包裝也是產品后加工不可缺少的內容。

通常所說的“三傳一反”即概括了過程工業生產過程的全部特征?！叭齻鳌睘閯恿總鬟f、熱量傳遞和質量傳遞（化工單元操作），“一反”為化學反應過程。質量傳遞過程是自然界和工程技術領域普遍存在的現象。敞口容器中的水向空氣中蒸發；糖塊在水中溶解；用吸收方法脫除煙氣中的二氧化硫；從植物中提取藥物；催化反應中反應物向催化劑遷移等都是常見的質量傳遞過程。在近代化學工業的發展中，傳質分離過程起到了特別重要的作用。幾乎沒有一個過程工業的生產不包含對原料或反應產物的分離提純操作，從原油中分離出各種燃料油、潤滑油和石油化工原料到有機、無機、精細化學品的合成，都離不開對混合物的分離。

分離技術是隨著化學工業的發展而逐漸形成和發展的。化學工業具有悠久的歷史，而現代化學工業開始于18世紀產業革命以后的歐洲。當時，純堿、硫酸等無機化學工業成為現代化學工業的開端。19世紀以煤為重要原料的有機化工在歐洲也發展起來。當時的煤化學工業規模還沒有十分巨大，主要著眼于苯、甲苯、酚等各種化學產品的開發。在這些化工生產中應用了吸收、蒸餾、過濾、干燥等操作。19世紀末～20世紀初大規模的石油煉制業促進了化工分離技術的成熟與完善。到20世紀30年代在美國出版了第一部《化學工程原理》，50年代中期提出傳遞過程原理，把單元操作進一步解析成三種基本傳遞過程，即動量傳遞、熱量傳遞和質量傳遞以及三者之間的聯系。進入20世紀70年代以后，化工分離技術向更加高級化的方向發展，應用更加廣泛。與此同時，分離技術與其他科學技術相互交叉滲透產生了一些更新的邊緣分離技術，如生物分離技術、膜分離技術、環境化學分離技術、納米分離技術、超臨界流體萃取技術等。21世紀，分離技術將面臨著一系列新的挑戰，其中最主要的是來自能源、原料和環境保護三大方面。此外，分離技術還將對農業、食品和食品加工、城市交通和建設以及保健方面做出貢獻。

中國是世界文明古國之一，古代勞動人民在長期的生產實踐中，在科學技術和化學工藝等方面有不少發明創造，對于中國社會的發展和世界文明曾做出過卓越的貢獻。如陶瓷、冶金、火藥、燃料、釀酒、染色、造紙和無機鹽等的生產技術，一直到西方出現資本主義以前，都走在世界前列?，F代許多化工生產都是在古代化學工藝的基礎上發展起來的。

近年來，科技人員在傳質過程及設備的強化和提高效率、分離技術研究和過程模型、分離新技術開發幾個主要方面做了大量的工作，取得了一批成果。對板式塔的研究已深入到板式塔內氣、液兩相流動的動量傳遞及質量傳遞的本質研究，開發了新型填料和復合塔；對萃取、蒸發、離子交換、吸附、膜分離等過程也做出了有意義的研究和開發工作。通過這些研究成果的工業應用，改進和強化了現有生產過程和設備，在降低能耗、提高效率、開發新技術和設備、實現生產控制和工業設計最優化等方面發揮了巨大的作用，同時也促進了過程工業的進一步發展。

當代工業的三大支柱是材料、能源和信息。這三大產業的發展都離不開新的分離技術。人類生活水平的進一步提高也有賴于新的分離技術。在21世紀，分離技術必將日新月異，再創輝煌。