吸附/吸收耦合單元操作的化學工程基礎研究結題摘要

提出了一種新型的化工單元操作-吸附/吸收耦合技術。眾所周知，選取適宜的分離劑是特殊分離過程的關鍵技術。本課題以溶劑（包括有機溶劑和離子液體） MOFs 材料所組成的混合分離劑替代工業(yè)上單一的揮發(fā)性溶劑，以期充分發(fā)揮出MOFs細顆粒材料的優(yōu)點，從熱力學和動力學兩方面強化某些氣體分離過程（合成氣甲醇洗脫碳）。本項目研究了溶劑的分子結構、MOFs材料的微觀結構以及它們之間的混合配比對分離性能的影響規(guī)律，建立了適合模型分離物系的預測型熱力學模型。同時，建立與吸附/吸收耦合操作相匹配的高效導向篩板的氣液固三相CFD數(shù)學模型，優(yōu)化高效導向篩板結構參數(shù)，并連同預測型熱力學模型一起為全塔尺度的平衡級模型、非平衡級模型和平衡級 Murphree 板效率模型輸入必要的模型參數(shù)。數(shù)學模型的計算值與冷模和熱態(tài)實驗結果對比，驗證了數(shù)學模型的準確性，并作必要的參變性能分析，期望從科學層面構建吸附/吸收耦合單元操作的化學工程基礎。 2100433B

提出了一種新型的化工單元操作-吸附/吸收耦合技術。眾所周知，選取適宜的分離劑是特殊分離過程的關鍵技術。本課題擬以溶劑（包括有機溶劑和離子液體） MOFs材料所組成的混合分離劑替代工業(yè)上單一的揮發(fā)性溶劑，以期充分發(fā)揮出MOFs細顆粒材料的優(yōu)點，從熱力學和動力學兩方面強化某些氣體分離過程（合成氣甲醇洗脫碳）。研究溶劑的分子結構、MOFs材料的微觀結構以及它們之間的混合配比對分離性能的影響規(guī)律，建立適合模型分離物系的預測型熱力學模型。同時，建立與吸附/吸收耦合操作相匹配的高效導向篩板的氣液固三相CFD數(shù)學模型,優(yōu)化高效導向篩板結構參數(shù)，并連同預測型熱力學模型一起為全塔尺度的平衡級模型、非平衡級模型和平衡級 Murphree板效率模型輸入必要的模型參數(shù)。將數(shù)學模型的計算值與冷模和熱態(tài)實驗結果對比，驗證數(shù)學模型的準確性，并作必要的參變性能分析，期望從科學層面構建吸附/吸收耦合單元操作的化學工程基礎。

按接觸、分離的方式，吸附操作可分為靜態(tài)間歇吸附法和動態(tài)連續(xù)吸附法兩種 。

廢水吸附處理法靜態(tài)間歇吸附法

把一定數(shù)量的吸附劑投入反應池內的廢水中，使吸附劑和廢水充分接觸，經(jīng)過一定時間達到吸附平衡后，利用沉淀法或再輔以過濾將吸附劑從廢水中分離出來。反應池有兩種類型，一種是攪拌器型，利用攪拌器在整個池內進行快速攪拌，使吸附劑與廢水進行接觸反應；另一種為泥漿接觸型，反應槽構造和循環(huán)澄清池的反應室型式相同，在池內保持一定濃度的吸附劑。為了防止吸附劑被處理水帶出，影響出水水質，可投加一定量的混凝劑。如果希望通過一次吸附就把污染物的濃度降到所要求的程度，吸附劑的吸附容量就不能充分利用，因此往往采用多次吸附、分離的方法，以減少吸附劑用量。泥漿接觸型反應池依流動方式有順流一級吸附、順流多級吸附和逆流多級吸附等工藝流程。

廢水吸附處理法動態(tài)連續(xù)吸附法

動態(tài)連續(xù)吸附法是在流動條件下進行吸附的過程，相當于連續(xù)進行多次吸附，即在廢水連續(xù)通過吸附劑填料層時，吸附去除其中的污染物 。這種方法是在流動條件下進行吸附,相當于連續(xù)進行多次吸附,即在廢水連續(xù)通過吸附劑填料層時，吸附去除其中的污染物。其吸附裝置有固定床、膨脹床和移動床等型式。各種吸附裝置可單獨、并聯(lián)或串聯(lián)運行，按水流方向可分為上向流式和下向流式兩種，按承受的壓力可分為重力式和壓力式兩種。得到廣泛使用的是固定床吸附系統(tǒng)。

（1）固定床吸附系統(tǒng)

固定床吸附系統(tǒng)構造類似快濾池。當吸附劑吸附污染物達到飽和時，把吸附柱中失效的吸附劑全部取出,更換新的或再生的吸附劑。為了充分利用吸附劑的吸附容量，可采用多級串聯(lián)吸附方式。但多級患聯(lián)系統(tǒng)會增加投資費用和電能消耗。處理水量較大時，應用兩個或更多的固定床并聯(lián)運行是經(jīng)濟的。在這種情況下，應使各吸附柱更換吸附劑的時間相互錯開，從各吸附柱流出的處理水的水質雖然各不相同，但混合后仍可得到合乎要求的出水水質，從而使吸附劑的消耗率降到最低程度。

（2）移動床吸附裝置

移動床吸附裝置是逆流運行方法的一種改進裝置。移動床有吸附劑連續(xù)移動和間歇移動兩種型式。通常所說的移動床是指間歇移動吸附裝置。移動床具有裝置小、占地面積少、費用低、出水水質穩(wěn)定等優(yōu)點，但裝置復雜，運行管理不方便，須定期開啟、關閉閥門，各類閥門磨損較快。此外，移動床不能頻繁地反沖洗，進水應設置預處理設備，以保證進水中懸浮固體在10毫克/升以下。

吸附法的每個單元操作通常包括三個步驟。

（1）使廢水和固體吸附劑接觸，廢水中的污染物被吸附劑吸附；

（2）將吸附有污染物的吸附劑與廢水分離；

（3）最后進行吸附劑的再生或更新。

化學工程包括單元操作、化學反應工程、傳遞過程、化工熱力學、化工系統(tǒng)工程、過程動態(tài)學及控制等方面。

化學工程單元操作

構成多種化工產(chǎn)品生產(chǎn)的物理過程都可歸納為有限的幾種基本過程，如流體輸送、換熱（加熱和冷卻）、蒸餾、吸收、蒸發(fā)、萃取、結晶、干燥等。這些基本過程稱為單元操作。對單元操作的研究，得到具有共性的結果，可以用來指導各類產(chǎn)品的生產(chǎn)和化工設備的設計。在20世紀初，對化學工程的認識雖只限于單元操作，但卻開拓了一個嶄新的領域和出現(xiàn)了一些從事嶄新職業(yè)的化學工程師。這些化學工程師不同于以往的化工生產(chǎn)工作者，他們經(jīng)歷過化學工程這一專門學科的訓練，故有能力使化工生產(chǎn)過程和設備設計、制造和操作控制更為合理。直到今天，各個單元操作的研究還是有著極為重要的理論意義和應用價值，而且是為了適應新的技術要求，一些新的單元操作不斷出現(xiàn)并逐步充實進來。

化學工程化學反應工程

化學反應是化工生產(chǎn)的核心部分，它決定著產(chǎn)品的收率，對生產(chǎn)成本有著重要影響。盡管如此，在早期因其復雜性而阻礙了對它的系統(tǒng)研究。直到20世紀中葉，在單元操作和傳遞過程研究成果的基礎上，在各種反應過程中，如氧化、還原、硝化、磺化等發(fā)現(xiàn)了若干具有共性的問題，如反應器內的返混、反應相內傳質和傳熱、反應相外傳質和傳熱、反應器的穩(wěn)定性等。對于這些問題的研究，以及它們對反應動力學的各種效應的研究，構成了一個新的學科分支即化學反應工程，從而使化學工程的內容和方法得到了充實和發(fā)展。

化學工程傳遞過程

是單元操作和反應工程的共同基礎。在各種單元操作設備和反應裝置中進行的物理過程不外乎三種傳遞：動量傳遞、熱量傳遞和質量傳遞。例如，以動量傳遞為基礎的流體輸送、反應器中的氣流分布；以熱量傳遞為基礎的換熱操作 , 聚合釜中聚合熱的移出 ; 以質量傳遞為基礎的吸收操作，反應物和產(chǎn)物在催化劑內部的擴散等。有些過程有兩種或兩種以上的傳遞現(xiàn)象同時存在 , 如氣體增減濕等。作為化學工程的學科分支 , 傳遞過程著重研究上述三種傳遞的速率及相互關系，連貫起一些本質類同但表現(xiàn)形式各異的現(xiàn)象。

化學工程化工熱力學

是單元操作和反應工程的理論基礎，研究傳遞過程的方向和極限，提供過程分析和設計所需的有關基礎數(shù)據(jù)。因此，化學工程的學科分支也可以分兩個層次：單元操作和反應工程較多地直接面向工業(yè)實際，傳遞過程和化工熱力學較多地從基礎研究角度，支持前兩個分支。通過這兩個層次使理論和實際得以密切結合。

化學工程其他問題

隨著生產(chǎn)規(guī)模的擴大和資源、能源的大量耗用，使得早先并不顯得很重要的問題逐漸突出起來。例如能量利用問題，設計和操作優(yōu)化問題，在大型生產(chǎn)中都十分重要。由于化工過程中，各個過程單元相互影響，相互制約，因此很有必要將化工過程看作一個綜合系統(tǒng)，并建立起整體優(yōu)化的概念。于是系統(tǒng)工程這一學科在化學工程中得到了迅速的發(fā)展，也取得了明顯的效果，形成了化工系統(tǒng)工程。它是系統(tǒng)工程方法與單元操作和化學反應工程這兩個學科分支相結合的產(chǎn)物。為了保持操作的合理和優(yōu)化，過程動態(tài)特性和控制方法也是化學工程的重要內容。