第1章　绪论

1.1　分离技术的发展

在原始社会，人类完全靠大自然中“天生”的东西来解决生活中的一切需要。为了求得生存和改善生活条件，人类不断地与大自然进行斗争，在改造客观世界中形成了生产力，并使之不断发展。随着生产力自低级向高级发展，人类不断改善自己的物质生活，同时也创造了文化。

地球上的物质，绝大多数是与其他物质混在一起的（称为混合物）。天然存在的单纯物质少之又少。生产实践证明，将地球上的各种各样混合物进行分离和提纯是提高生产和改善生活水平的一种重要途径。由于发明了冶炼术，把金属从矿石中分离出来，使人类从石器时代进入铜器时代，大大提高了生活的质量，开始向文明社会进军。放射性铀的同位素的分离成功，迎来了原子能时代，原子能的和平利用使我们的生活水平又大大提高了一步。将水和空气中微量杂质除去的分离技术，大幅度提高了超大规模集成电器元件的成品合格率，使它得以实现商品化生产。深冷分离技术使我们从混合气体中分离出纯氧、纯氮和纯氢，获得了接近绝对零度的低温，为科学研究和生产技术提供了极为宽广的发展基础，为火箭提供了具有极大推力的高能燃料。从水中除去盐和有毒物质的蒸馏、吸附、萃取等分离技术，使我们能从取之不尽的大海中提取淡水，从工业、农业污水中回收干净水和其他有用的物质。

在工业生产中，很多生产过程处理的物料为流程性物料，如气体、液体、粉体等。从原材料到最后产品的生产过程中要进行一系列的化学、物理过程，以改变物质的状态、结构、性质。过程工业是以流程性物料为主要处理对象、完成上述各种过程或其中某些过程的工业生产的总称。过程工业中进行的各种过程往往在密闭状态下连续进行，它遍及几乎所有现代工业生产领域。化学工业是最传统、典型的过程工业，化肥、石油化工、生物化工、制药、农药、染料、食品、炼油、轻工、热电、核工业、公用工程、湿法冶金、环境保护等生产过程大都处理流程性物料，处理过程中几乎都包含改变物质的状态、结构、性质的生产过程。在这些过程中都需要使用各种类型的分离设备以完成生产过程中原料和产品的分离与提纯。

过程工业是国民经济的重要基础产业，其产品渗透到人们的衣、食、住、行等各个领域。过程工业的产值是衡量一个国家国民经济发展水平的重要标志之一。其显著的特点是所用原料广泛，生产工艺不同，产品品种繁杂，性质各异。但归纳起来，各个产品的生产工艺都遵循相同的规律：即原料预处理、加工精制、产品后处理。原料的预处理是过程工业生产前必要的准备工作，因为存在于自然界的原料多数是不纯的。例如，石油是由多种烃类化合物为主组成的混合液体；煤是组分复杂的固体混合物。其中有生产过程需要的物质，也有生产过程不需要的甚至是有害的物质。如果直接采用这样的原料进行化学反应，让那些与反应无关的多余组分一起通过反应器，轻则影响反应器的处理能力，使生成的产物组成复杂化；重则损坏催化剂和设备，使反应无法顺利进行，因此反应前的分离操作往往是必不可少的。当使用气体（或液体）原料时，预处理包括采用一定的分离手段，对原料气进行制备、净化和配制，要求制得的原料具有一定的组成、浓度和纯度，尽量少含杂质（特别是有害杂质）。当使用矿物原料时，预处理包括选矿、配矿、粉碎、筛分，有时还需要干燥或煅烧。原料矿粉应具备一定的组成（或品位）及一定的细度，以利于化学反应。产品的后加工，主要是指对从反应器出来的中间产物或粗产品进行分离和提纯以及对未反应物的回收利用。因为绝大多数有机化学反应都不可能百分之百地完成，而且除主反应外，尚有副反应发生，这样从反应器出来的产物往往是由目的产物、副产物以及未反应的原料组成的。要得到产品，必须进行分离。最常用的分离方法有冷冻冷凝、精馏分离和结晶分离。未反应物的回收利用常常采取循环作业。此外，固体产品的造粒成型、干燥和包装也是产品后加工不可缺少的内容。

通常所说的“三传一反”即概括了过程工业生产过程的全部特征。“三传”为动量传递、热量传递和质量传递（化工单元操作），“一反”为化学反应过程。质量传递过程是自然界和工程技术领域普遍存在的现象。敞口容器中的水向空气中蒸发；糖块在水中溶解；用吸收方法脱除烟气中的二氧化硫；从植物中提取药物；催化反应中反应物向催化剂迁移等都是常见的质量传递过程。在近代化学工业的发展中，传质分离过程起到了特别重要的作用。几乎没有一个过程工业的生产不包含对原料或反应产物的分离提纯操作，从原油中分离出各种燃料油、润滑油和石油化工原料到有机、无机、精细化学品的合成，都离不开对混合物的分离。

分离技术是随着化学工业的发展而逐渐形成和发展的。化学工业具有悠久的历史，而现代化学工业开始于18世纪产业革命以后的欧洲。当时，纯碱、硫酸等无机化学工业成为现代化学工业的开端。19世纪以煤为重要原料的有机化工在欧洲也发展起来。当时的煤化学工业规模还没有十分巨大，主要着眼于苯、甲苯、酚等各种化学产品的开发。在这些化工生产中应用了吸收、蒸馏、过滤、干燥等操作。19世纪末～20世纪初大规模的石油炼制业促进了化工分离技术的成熟与完善。到20世纪30年代在美国出版了第一部《化学工程原理》，50年代中期提出传递过程原理，把单元操作进一步解析成三种基本传递过程，即动量传递、热量传递和质量传递以及三者之间的联系。进入20世纪70年代以后，化工分离技术向更加高级化的方向发展，应用更加广泛。与此同时，分离技术与其他科学技术相互交叉渗透产生了一些更新的边缘分离技术，如生物分离技术、膜分离技术、环境化学分离技术、纳米分离技术、超临界流体萃取技术等。21世纪，分离技术将面临着一系列新的挑战，其中最主要的是来自能源、原料和环境保护三大方面。此外，分离技术还将对农业、食品和食品加工、城市交通和建设以及保健方面做出贡献。

中国是世界文明古国之一，古代劳动人民在长期的生产实践中，在科学技术和化学工艺等方面有不少发明创造，对于中国社会的发展和世界文明曾做出过卓越的贡献。如陶瓷、冶金、火药、燃料、酿酒、染色、造纸和无机盐等的生产技术，一直到西方出现资本主义以前，都走在世界前列。现代许多化工生产都是在古代化学工艺的基础上发展起来的。

近年来，科技人员在传质过程及设备的强化和提高效率、分离技术研究和过程模型、分离新技术开发几个主要方面做了大量的工作，取得了一批成果。对板式塔的研究已深入到板式塔内气、液两相流动的动量传递及质量传递的本质研究，开发了新型填料和复合塔；对萃取、蒸发、离子交换、吸附、膜分离等过程也做出了有意义的研究和开发工作。通过这些研究成果的工业应用，改进和强化了现有生产过程和设备，在降低能耗、提高效率、开发新技术和设备、实现生产控制和工业设计最优化等方面发挥了巨大的作用，同时也促进了过程工业的进一步发展。

当代工业的三大支柱是材料、能源和信息。这三大产业的发展都离不开新的分离技术。人类生活水平的进一步提高也有赖于新的分离技术。在21世纪，分离技术必将日新月异，再创辉煌。