先进化工材料关键技术丛书--高纯度化学品精馏关键技术

本书围绕高纯度化学品精馏制造这一主题，系统总结本行业技术发展现状、相平衡热力学研究、塔板与填料研究、微量杂质分离技术、特殊精馏技术、流程优化方法以及节能减排技术等内容。本书汇集了高纯度化学品精馏领域的基本概念与原理、工程应用技术、工业应用实例和包括著者团队在内的新近研究成果。本书是著者多年研究与应用工作的深厚总结，梳理的研究内容和列举的工程案例均具有较强的实用性和代表性。

高纯度化学品是高端化工、电子信息、航空航天、医疗健康等领域的基础化学原料，在制造业发展中占有先导地位。例如芯片行业中先进制程的晶圆制造，必须用到高纯电子特气（如电子级二氯二氢硅）、电子级氢氟酸等高端高纯度化学品。虽然目前我国高纯度化学品的研究发展成果已日益涌现，但在产品的应用覆盖程度及产品纯度等方面仍与国际领先技术相距较远，已在部分领域成为亟待解决的“瓶颈”问题。
分离提纯技术是高纯度化学品生产的核心之一。譬如当今的芯片制造行业，电路集成度的不断提高，电子化学品纯度要求的不断升级，使现有分离提纯技术面临极大挑战，同时也推动其不断发展。此外，分离提纯技术的进步，也能提升生产过程的技术经济指标，有助于构建更加清洁低碳的生产方式。先进高纯度化学品分离关键技术的创新和突破，不仅是我国高新科技产业发展的需要，也是我国化学工业由大变强的追求。
混合物的分离，应根据其组分的具体物化性质采取适宜的提纯方法。文献报道的高纯度化学品提纯方法就有精馏、分子蒸馏、升华、气体吸收、化学处理、树脂交换、膜分离、结晶等多种。而其中精馏作为当前工业应用最广泛的化工分离技术，在所有分离方法中长期占据着主导地位，它相对成熟可靠，易于放大，因此以精馏方法制备高纯度化学品具有重要的现实意义与经济价值。
然而，高纯度化学品精馏往往存在分离难度大、传质效率低、操作能耗高等问题。高纯度化学品中杂质为痕量，与产品组分的相对挥发度接近于1甚至形成共沸，同时气液传质速率也受到限制，往往需要增大精馏的回流比以实现产品纯度的提升，这使得在可行性、经济性、环保性上对现有精馏技术提出了极大挑战。还需指出的是，虽然20世纪以来精馏分离技术得到了很大程度的发展，但目前部分高纯度化学品精馏过程的设计尚处于半经验阶段，在高纯度化学品精馏方面还有一些问题亟待解决。例如，部分高纯度化学品的相平衡与热力学研究、高效率精馏塔板和填料的开发、高纯度化学品中微量杂质的脱除、高纯度化学品生产中的分离节能技术、精馏与其他反应/分离技术的耦合技术等，都需要进一步深入研究。
本书分为九章。前三章主要梳理了高纯度化学品精馏的基本概念和基本原理：第一章对高纯度化学品行业的相关现状与发展趋势等进行了概述；第二章对精馏分离的原理和方法进行了介绍；第三章则介绍了精馏中的相平衡热力学研究。第四章介绍了精馏传质塔内件的过程强化方法及新型塔内件的研究进展。第五章讨论了高纯精馏分离中微量杂质的分离。第六章介绍了特殊精馏技术和精馏与其他技术的耦合。第七章、第八章分别介绍了高纯度化学品精馏的节能技术与低排放技术。第九章结合工业应用实例介绍了部分高纯度化学品的分离提纯方法。
本书由李群生编著。同时，本书的顺利完成离不开团队的共同努力。北京化工大学化工学院李梦圆、顾翼东、郭瑾、胡柏锋、吴清鹏、薛嘉星、庞逸文、郑宇洋、胡南等为本书的编写和校验工作也做出了贡献，在此对他们的辛勤付出表示衷心的感谢。
本书的部分成果是在北京化工大学化工资源有效利用国家重点实验室、国家自然科学基金委员会的支持下取得的，涉及的研究受到了“973计划”项目（2013CB733603）、国家自然科学基金面上项目（20476005）等的资助。本书中部分成果获国家科学技术进步奖二等奖（“高纯/超高纯化学品精馏关键技术与工业应用”）、教育部科学技术进步奖一等奖（“高纯度化学品精馏过程强化关键技术开发及应用”）等。
本书结合了编著者团队及国内外相关研究团队在高纯度化学品精馏，尤其是在相平衡研究、新型高效塔内件开发、精馏工艺开发与优化等方面的长期研究和应用的成果，同时力求理论与实践结合，引入大量的工程应用实例，以帮助有关科研工作者和工程技术人员加深对高纯度化学品精馏的认识。但限于编著者的经验、水平和精力，书中内容难免有疏漏、不妥之处，敬请读者指正。

李群生
2023年6月

李群生，北京化工大学教授、博士生导师，中国石油和化学工业联合会传质与分离工程重点实验室主任，“集成电路高纯化学品制备技术”教育部工程研究中心主任，国际欧亚科学院院士，中国化工学会会士，获侯德榜化工科学技术成就奖、中华国际科学交流基金会杰出工程师奖，享受国务院特殊津贴。担任中国化工学会高纯化学品工艺与装备专业委员会主任委员、中国能源学会专家委员会副主任委员、全国塔器技术专家委员会委员、中国石油和化学工业联合会电子化学品工作组理事、中国氯碱工业协会氯化聚乙烯专业委员会专家组成员、中国盐业总公司技术委员会委员、《现代化工》编委等。
李群生教授主要从事传质与分离工程领域的理论与实验研究和工业应用工作，在电子化学品、石油化工、煤化工等行业，以及高纯度/超高纯度化学品分离提纯、高黏度及易自聚等复杂物系精馏、化工生产节能减排碳中和等研究领域拥有多项代表性的科研和应用成果。发表论文400余篇，出版专著1部。作为第一完成人获国家科学技术进步奖二等奖2项，中国专利金奖1项，省部级科学技术进步奖和技术发明奖一等奖9项、二等奖5项，中国专利优秀奖2项，等等。

《高纯度化学品精馏关键技术》是“先进化工材料关键技术丛书”（第二批）的一个分册。
本书围绕高纯度化学品精馏这一主题，系统论述了本领域技术发展现状、相平衡热力学研究、塔板与填料研究、微量杂质分离技术、特殊精馏及精馏耦合技术、流程优化方法以及节能减排技术等内容。本书汇集了高纯度化学品精馏领域的基本概念与原理、工程应用技术、工业应用实例和包括编著者团队在内的新近研究成果。
《高纯度化学品精馏关键技术》是多项国家和省部级成果的系统总结，提供了大量基础研究和代表性工程案例，可供化工、材料等领域的科研人员、工程技术人员、生产管理人员以及高等院校相关专业师生参考。

第一章 绪论	001
第一节　高纯度化学品概述	002
第二节　高纯度化学品精馏关键技术分类	003
一、高效精馏传质元件开发技术	003
二、微量杂质脱除技术	004
三、特殊精馏及精馏耦合技术	004
四、精馏节能及低排放技术	004
第三节　高纯度化学品精馏关键技术先进性及发展趋势	005
一、解决物系复杂且杂质含量极微分离难题的技术先进性	005
二、解决杂质与产品沸点极为相近分离难题的技术先进性	006
三、高纯度化学品精馏关键技术发展趋势	007
第四节　高纯度化学品精馏技术的研究意义	007
一、集成电路领域高纯度化学品需求现状	008
二、高纯度化学品的未来市场走向	009
参考文献	009
 
第二章 高纯度化学品精馏分离的原理和方法	011
第一节　高纯度化学品分离相平衡简介	012
第二节　高纯度化学品精馏分离原理	013
一、蒸馏	013
二、连续精馏	014
三、间歇精馏	016
四、其他种类的精馏	019
第三节　高纯度化学品精馏流程模拟简介	022
第四节　高纯度化学品精馏分离方法	028
一、湿电子化学品的精馏	028
二、三氯氢硅的精馏	029
三、氯乙烯单体的精馏	030
四、电子特气的精馏	034
参考文献	037

第三章 高纯度化学品精馏的相平衡研究	039
第一节　高纯度化学品的气液相平衡研究	040
一、气液相平衡的理论与模型	040
二、气液相平衡的测试方法	043
三、离子液体的气液相平衡研究	048
四、活度系数模型的关联	050
五、离子液体在萃取精馏中的应用研究	052
第二节　高纯度化学品的固液相平衡研究	059
一、固液相平衡的理论与模型	060
二、固液相平衡的研究方法	070
三、溶解热力学分析	071
参考文献	078

第四章 高效率精馏塔板与填料的研究	083
第一节　塔板强化传质机理及方法	084
一、减小板上液面梯度和滞留返混	085
二、增加气液两相接触面积	092
第二节　塔板的CFD研究	094
一、塔板上的气液两相流场分布模型	095
二、塔板CFD模拟研究现状	097
第三节　新型高效精馏塔板的开发	105
一、导向筛板/导向浮阀复合塔板的开发与研究	105
二、新型导向立体喷射填料塔板的开发与研究	109
第四节　高效率填料的开发与研究	112
一、填料发展概述	112
二、散堆填料	113
三、规整填料	117
第五节　填料的流体力学性能研究	121
一、液泛气速	121
二、压降	122
三、持液量	124
第六节　填料的传质性能	125
一、有效相界面积	125
二、填料传质动力学参数	127
第七节　计算流体力学在填料研究中的应用	130
一、整体平均CFD模型	130
二、单元综合CFD模型	130
三、多尺度模型	131
四、高效丝网规整填料的多尺度CFD模拟研究	132
参考文献	135

第五章 微量杂质的分离和脱除	141
第一节　高纯度化学品中微量杂质的分离技术发展现状	142
第二节　吸附的原理与微量杂质脱除应用研究	143
第三节　膜分离和除雾技术原理与微量杂质脱除应用研究	149
一、膜分离技术	149
二、除雾技术	151
第四节　微量杂质分离与脱除实例	154
一、电子级硫酸微量杂质脱除	154
二、电子级氢氟酸微量杂质脱除	157
三、电子级四氟化碳微量杂质脱除	160
参考文献	162

第六章 特殊精馏及精馏耦合技术	165
第一节　萃取精馏	166
一、萃取精馏原理	166
二、萃取剂的选择	167
三、萃取剂的筛选方法	168
四、萃取精馏的工业应用	170
第二节　共沸精馏	171
一、共沸精馏的分类	171
二、共沸精馏的原理	172
三、残余曲线图	173
四、共沸剂的选择	175
五、共沸精馏的工业应用	176
第三节　反应精馏	177
一、反应精馏概述	177
二、反应精馏塔的设计与优化	180
三、反应精馏的工业应用	181
第四节　精馏-结晶耦合技术	184
一、结晶技术概述	184
二、结晶的特点和分类	185
三、熔融结晶技术及新装置	186
四、精馏-结晶耦合技术	190
五、精馏-结晶耦合技术的工业应用	191
第五节　精馏-膜分离耦合技术	194
一、渗透蒸发、蒸气渗透机理模型	194
二、精馏-膜分离耦合技术	196
三、精馏-膜分离耦合技术的工业应用	198
参考文献	200

第七章 高纯度化学品精馏的节能技术	203
第一节　精馏系统的优化	204
一、操作压力优化	205
二、进料位置优化	207
三、回流比优化	209
四、采出比优化	210
五、正交试验设计	212
第二节　多塔差压集成精馏节能技术	214
一、多塔差压集成精馏的发展	214
二、能耗公式推导	216
三、参数调节	217
四、差压精馏经济效益分析	224
五、工业应用	226
第三节　中间换热器的精馏节能技术	227
一、中间换热技术在精馏过程中的节能原理	227
二、中间换热技术在特殊精馏塔中的应用	231
三、中间换热技术在隔壁精馏塔中的应用	233
第四节　热泵精馏技术	237
一、热泵精馏概述	237
二、新型热泵技术	238
三、工业应用	239
第五节　热管节能技术在高纯度化学品精馏中的应用	241
一、热管节能技术基本原理	241
二、热管节能技术的分类	242
三、工业应用	244
第六节　低温余热回收技术	244
一、多阶梯换热技术	245
二、工业应用	245
参考文献	246

第八章 高纯度化学品精馏的低排放技术	249
第一节　间歇精馏在高纯度化学品精馏减排中的应用	250
一、间歇精馏工艺流程	250
二、间歇精馏操作方式	253
三、间歇精馏的设计	256
四、高纯度丙酮间歇精馏减排	256
第二节　新型高效塔器减排	258
一、高效导向筛板	258
二、新型高效填料	260
三、多晶硅精馏减排	260
四、精乙酸甲酯精馏减排	263
五、乙炔精制减排	264
六、高纯度聚氯乙烯精馏减排	265
七、高纯度乙酸乙烯酯精馏减排	266
参考文献	267

第九章 高纯度化学品精馏的工业应用	271
第一节　高纯度甲醇的制备	272
一、高纯度甲醇生产现状	272
二、高纯度甲醇主要精馏技术	273
三、高纯度甲醇其他制备工艺研究	273
四、相关技术工业应用	273
第二节　精萘的制备	275
一、精萘生产现状	275
二、精萘主要精馏技术	276
三、精萘其他制备工艺研究	276
四、相关技术工业应用	278
第三节　高纯度三氯氢硅的制备	280
一、高纯度三氯氢硅生产现状	280
二、高纯度三氯氢硅主要精馏技术	280
三、相关技术工业应用	284
第四节　光纤级四氯化硅的制备	285
一、光纤级四氯化硅生产现状	285
二、光纤级四氯化硅主要精馏技术	286
三、光纤级四氯化硅其他制备工艺研究	287
四、相关技术工业应用	287
第五节　电子级三氟化氮的制备	288
一、电子级三氟化氮生产现状	288
二、电子级三氟化氮主要精馏技术	289
三、电子级三氟化氮其他制备工艺研究	291
四、相关技术工业应用	292
第六节　电子级三甲基镓的制备	294
一、电子级三甲基镓生产现状	294
二、相关技术工业应用	295
第七节　超净高纯试剂的制备	295
一、超净高纯试剂生产现状	295
二、相关技术工业应用	297
参考文献	301

索引	303