多组分多级分离过程分析与简捷计算.ppt

第三章 多组分多级分离过程分析与简捷计算,教师：何寿林 制作：何寿林,多组分精馏： 1.组分数C2 2.求解数目较多方程 变量分析 3塔内分布复杂过程分析 4计算 简捷法：Fenske-Undewood-Gilliland法 共沸精馏图解法 萃取精馏简化法 吸收因子法 逆流萃取集团法 逐板法：严格计算（非本章内容）,返回,第三章 多组分多级分离过程分析与简捷计算,第一节 设计变量 第二节多组分精馏过程 第三节 萃取精馏和共沸精馏 第四节 吸收和蒸出过程 第五节 萃取过程,第一节 设计变量,3.1.1 单元的设计变量 3.1.2 装置的设计变量,返回,设计变量：确定设计中已知变量 例如二元精馏： 可解出：N；,变量数 ：,返回,3.1.1 单元的设计变量,将复杂化工装置分解成简单单元，求 ：,例1.分配器,例2.产物为两相的全凝器,例3.简单绝热操作理论板,设计变量真难！,返回,3.1.2 装置的设计变量,由单元设计变量确定：,吸收塔设计变量：,指定为理论板数 或关键组分吸收率,例5. 简单精馏塔,查表31：,9股单元物流数；,对精馏塔归纳出简便、可靠的 确定设计变量的方法： （1）按每一单相物流有（C+2）个变 量， 计算由进料物流所确定的固 定设计变量数。 （2）确定装置中具有不同压力的数目。 （3）上述两项之和即为装置的固定设计变量数。 （4）将串级单元数目、分配器的数目、侧线采出单元数目及传热单元数目相加，便是整个装置的可调设计变量，,例6. 带一个侧线采出口的精馏塔 设塔内与进料压力相等,返回,二个极限条件：,第二节 多组分精馏过程,第二节 多组分精馏过程,3.2.1 多组分精馏过程分析 3.2.2 最小回流比 3.2.3 最少理论塔板数和组分分配 3.2.4 实际回流比、理论板数、进料位置,返回,3.2.1 多组分精馏过程分析,一、关键组分 1.关键组分的引出 一般精馏： 对于设计型计算，5个可调设计变量为：,i、j为在精馏中起关键作用的组分，称关键组分。 i：挥发度大的组分，称轻关 键组分，表示：LK，下标：l j：挥发度小的组分，称重关 键组分，表示：HK，下标：h,对于精馏中的非关键组分： 设 为非关键组分i对HK的相对挥发度。,4. 关键组分的指定原则 由工艺要求决定,例：ABCD（按挥发度依次减少排列）混合物分离 工艺要求按AB与CD分开：,则：B为LK；C为HK,工艺要求先分出A：,则：A为LK；B为HK,二、设计计算多组分精馏过程的复杂性,1. 确定后，顶釜浓度未确定 物料衡算确定顶釜浓度,二种方法： 清晰分割法 假设LNK全部从塔顶采出； 假设HNK全部从塔釜采出。,非清晰分割法 各组分在顶、釜都有可能存在。,流量分布、温度分布、浓度分布复杂 流量分布 分子汽化潜热相近，可视为恒摩尔流 例：苯甲苯物系（图34） 苯甲苯异丙苯物系（图35） 分子汽化潜热不相近，V、L有变化， 但V/L变化不大,温度分布 泡点与组成密切相关，温度分布接近组成分布形状。（图34），（图36）。,浓度分布 1.进料板附近各组分浓度变化较大，原因是 引入的组分包含全部组成。,2.对非关键组分 精馏段：HNK迅速消失； LNK以接近于常数浓度在进料板以上各 板中出现，接近顶部急剧增加，在出料 液中达到最高。 提馏段：LNK迅速消失； HNK在再沸器中浓度最高，从釜向上几 板下降较大，然后变化不大，一直延伸到 进料板。,3.关键组分 变化复杂 若无LNK时：HK分别在二段出现两个最高点，LK表现象LNK。（图37） 若无HNK时：LK分别在二段出现两个最高点， HK表现象HNK。（图38） 有LNK、HNK，且都不同时出现在顶、釜时： LK在精馏段出现一个最大值，然后降到所规定的浓度； HK在提馏段出现一个最大值，然后降到所规的浓度。 （图39）,返回,3.2.2 最小回流比,1. 时，恒浓区出现的情况,恒浓区精馏塔中全部浓度不变的区域,二元精馏：,恒浓区：一个，出现在 进料板,多元精馏： 定义：顶釜同时出现的组分分配组分 只在顶或釜出现的组分非分配组分 一般：LK、HK和中间关键组分为分配组分； 非关键组分可以是分配组分，也可以是非分配组分。,多元精馏特点： 各组分相互影响，存在上、下恒浓区 所有进料组分中有非分配组分的影响 恒浓区位置不一定在进料板处,依据：恒浓区概念,关联式：相平衡、物料平衡,Underwood公式：,误差：1020%,返回,3.2.3 最少理论板数和组分分配,1.最少理论板数,采用Fenske方程求最少理论板数，推导如下：,用（1）、（2）式推导Fenske方程：,设塔顶采用全凝器（板序由上向下）：,以次类推：,Fenske方程的各种形式：,Fenske方程说明：,返回,2. 非关键组分分配,列方程；,将D、W代入表中，完成物料衡算表（略）,2. 求最少理论板数,3. 核实清晰分割的合理性,5.调整 以前面结果为初值，进行试差,例33：计算 已知：1。 2. 分离要求,解：选甲苯为LK，异丙苯为HK，二甲苯为中间关键组分。物料分配时要对二甲苯试差,1. 设 （依据相对挥发度估计）其他组分按清晰分割法处理，初算结果如下表。,核算中间组分：,核算LNH组分B：,核算中间组分：,5. 重复3的计算，完善物料衡算表,返回,3.2.4 实际回流比、理论板数、进料位置,一、实际回流比R 由操作费、设备费确定 由经验取： R=（1.11.5）Rm,二、理论板数,用Gilliand图简便、但不准确，回归的经验式为：,已知X，由（316）或（317）解出y,三、适宜进料位置的确定,例34 分离烃类混合物 例31 求出Rm=1.306； 例32求出Nm=6.805和物料衡算表 本题求N，进料位置 解：1.求R R=1.25Rm=1.634,三、确定进料位置,塔中实际板为18块,四、不同回流比下物料分配的比较 不同回流比物料分配如图（314）,对于操作情况，R=(1.22)Rm,由Fenske方程： 对全回流情况,结论：可用操作回流比下的物料分配，采用 Fenske方程计算Nm。,简捷计算法步骤： 1.由工艺要求选LK，HK，物料分配得出,返回,1.问题的引出,分离乙醇水混合物,分离丁烯-2丁烷,问题：如何分离 的混合物？,第三节 萃取精馏和共沸精馏,2.特殊精馏 在 和 的溶液中加入一个新组分S，使它对原溶液中各组分产生不同作用，从而改变原溶液组分之间相对挥发度，使系统变的易于分离。 及：特殊精馏为既加能量又加质量分离剂的精馏。,原溶液加新组分后形成最低共沸物从塔顶采出。 共沸精馏，S为共沸剂,原溶液加新组分后不形成共沸物且S沸点最高，从塔釜采出 萃取精馏，S为萃取剂或溶剂,第三节 萃取精馏和共沸精馏,3.3.1 萃取精馏 3.3.2 共沸精馏,返回,3.3.1 萃取精馏,一、流程,特点： 1. 二塔串联; 2. S为难挥发组分， 一般在近于塔顶 加入.,二、萃取精馏原理和溶剂选择,1.溶剂的作用,由三元物系Margules方程：,将上式代入（320）：,恢复,分析（326）：,讨论：,(327）成立的必要条件：,溶剂的作用：,体现：原溶液沸点差不大（ ）非理想性不很强时，, 稀释原溶液：,体现：当原溶液沸点差大，非理想性很强时， 加S后，浓度下降，而 增加，由（323）： 小，突出了 作用。,返回,补充作业： 在萃取精馏中，已知60时：,2. 溶剂的选择,考虑分子极性 选择在极性上更类似于HK的化合物作溶剂，降低HK的挥发度。 例：分离甲醇（沸点64.7），丙酮（沸点65.5）,a.选烃作溶剂，丙酮为难挥发组分2； b.选水作溶剂，甲醇为难挥发组分2。,极性顺序：由小到大,考虑能否形成氢键 S加入后形成的溶液： 仅有氢键生成，则呈现负偏差； 仅有氢键断裂，则呈现正偏差。（表32）,考虑其它因数 1. 沸点高、不与1、2组分共沸，不起化学反应。 2. 溶解度大。 3. 溶剂比（溶剂/进料）不得过大。 4. 无毒、不腐蚀、低廉、易得。,三、萃取精馏过程分析,1.塔内流量分布,设S为纯组分，在塔顶采出为0。,2. 塔内溶剂浓度分布 由于S量大，挥发性小，可视为S浓度恒定 作为简化计算。,分析：,分析（345）、（347）：,图解法或解析法 设 在全塔恒定，将1、2、S三元看成1、2元处理。,四、萃取精馏过程计算,例：35 求S/F；N,浓度和温度的确定:,补充作业： 采用溶剂S来萃取精馏组分1、2的混合物，溶剂看成不挥发的纯组分，回流比R=2.25，塔内看成恒摩尔流，露点进料（q=0），已知条件如后页； 求：（1）板上溶剂浓度； （2）最少理论板数； （3）用所给式说明溶剂作用。,返回,3.3.2 共沸精馏,共沸物（恒沸物）： 定压下，加热溶液使之蒸发，从始到终x、y、T不变的溶液。 共沸点（恒沸点）： 共沸时的温度。 对共沸物： 一个汽相，一个液相， 均相 一个汽相，多个液相， 非均相,一、共沸物的特性和共沸组成的计算 科诺瓦洛夫定律指出：适用于二元和多元 Px曲线极值点，相当于汽液平衡相组成相等。,共沸参数（x、T、P）预测：,已知 x、T、P 任一个参数，可求出另外二个。,例36 已知P=86.659kPa，求共沸时x、T。,另外：,B：二元非均相共沸物（都为正偏差共沸物）,系统正偏差较大时： 形成二个液相，一个汽相共沸物。,1形成非均相共沸物。,3不形成共沸物。,2形成均相共沸物。,适用情况：,若互溶度很小：,平衡计算：,同时考虑：1.汽液平衡；2.液液平衡,2. 三元系,科诺瓦洛夫定律也能应用,A：相图（立体图） Px图：,1.三侧面表示三个二元系P(T)-x图。 2.理想系，压力面是平面； 正偏差物系，压力面位于平面之上； 负偏差物系，压力面位于平面之下。 3.三元共沸点对应压力极值点。 4.用平行于底面的平面切割压力（温度）面。得到一系列等压（等温）曲线。,B；脊、谷、鞍点,设 m正偏差共沸物，（或最低共沸物） M负偏差共沸物，（或最高共沸物）,对于压力面： 三个二元m(或M),有三元共沸物存在. (图320) 二个m，或一个m与一个低沸点组分，使压力面产生脊； 二个M，或一个M与一个高沸点组分，使压力面产生谷。 （图321） 有脊又有谷，会出现鞍点，为鞍点共沸物.(图322),C：三元均相共沸组成的计算,二、共沸剂的选择 一般原则: 1.分离负偏差共沸物或沸点相近的混合物 a.共沸剂仅与一个组分形成二元正偏差共沸物。 b.分别与两组分形成二元正偏差共沸物，且共沸点有明显差别。 c.与两组分形成三元正偏差共沸物，共沸点温度显著低。 2.分离二元正偏差共沸物 a.共沸剂与一个组分形成二元正偏差共沸物，共沸温度明显低。 b.形成三元正偏差共沸物，共沸点温度显著低。,例1.分离环己烷(1)苯(2),共沸剂的选取。 沸点：T1=80.8 T2= 80.2 特点：1、2形成正偏差（或最低）共沸物 （共沸点：T=77.4 X2=0.54） 方法： 1.找出与1、2形成共沸物的物质。 2.筛选 在所有能形成共沸物的物质中选出共沸点低于77.4 的物质。（丙酮、甲醇） 3.相图分析确定：,分离情况： 丙酮作共沸剂，塔顶分出环己烷与丙酮； 甲醇作共沸剂，塔顶分出三元共沸物。,例2.分离氯仿(沸点61.2) 丙酮(沸点56.4 ),共沸剂的选取。 特点：形成负偏差共沸物。,选二硫化碳为共沸剂：,塔顶：二硫化碳丙酮 共沸点；39.3 塔釜： 较纯的氯仿。,例3.分离乙醇水,共沸剂的选取。 特点：形成一个三元共沸物，三个二元共沸物。,选苯为共沸剂：,总之： 1. 显著影响1、2组分平衡关系 2. S易回收、分离 3. 量少、汽化潜热小 4. 溶解度大、不起化学反应 5. 无腐蚀、无毒 6. 价廉、易得。,三、分离共沸物的双压精馏过程,利用不同压力下，共沸组成不同分离。 例：分离甲乙酮水,物料衡算：二个塔作一个整体,四、二元非均相共沸物的精馏,系统本身形成非均相共沸物 流程 例：分离正丁醇（1）水（2）,与均相共沸物精馏比较：, 采用普通精馏能分离非均相共沸物。,计算 1.精馏段操作线方程 (n、n+1塔釜物料衡算）,2.提馏段操作线方程,3. 全塔物料衡算,例37. 共沸精馏的简捷计算分离苯酚(1)水(2),由于塔顶有一共沸物，恒浓区可能出现在进料板或精馏段（相当于只有HNK为非分配组分的情况）。,a.设恒浓区出现在进料板,b.设恒浓区出现在塔顶,分析a、b： 精馏塔从下向上V分布越来越小，当小到（Vmin=）755时塔顶会出现恒浓区；因此，不可能在进料板出现（Vmin=）260的恒浓区。 取二者中最大值 Vmin=260,2. 求N,流程：图331，图332 （略） 计算： 特点：1.非理想性强；（形成共沸物） 2.变量多；（加了S） 简捷计算法：基本有机化工分离工程 P186 严格计算：电 算 （第四章）,四、多元共沸精馏过程,返回,第四节 吸收和蒸出过程,3.4.1 吸收过程特点与流程 3.4.2 多组分吸收和蒸出过程分析 3.4.3 多组分吸收和蒸出的简捷计 算法 3.4.4 化学吸收,返回,3.4.1吸收过程特点与流程 一、操作目的 净化和精制气体 分离气体混合物 制备溶液或中间产品 二、吸收过程特点 吸收目的产物的同时也吸收了其他组分 多组分吸收 端点条件：,复杂塔 T、X顶、釜预分配难 吸收剂组成与解吸有关,物系 平衡态： 汽相: 组分沸点差大，有些组分接近于临界点 非理想气体 液相: 吸收剂量大 稀溶液 平衡关系表达式：,流量 L从上向下；V从下向上 不恒定 每板温度Tn 由于溶解热大，Tn与溶解吸收量有关，难预测，不能用泡、露点方法计算Tn，要用热量衡算求Tn。 平衡数据、溶解热数据、动力学数据等研究的不充分。 逆过程为蒸出。,三、分类,物理吸收 无化学反应。进行了大量研究 化学吸收 1.可逆反应的化学吸收过程 难点；汽液平衡，化学反应速率 2.不可逆反应的化学吸收过程 难点：连串反应、不是瞬时完成的 反应。,四、流程,用蒸汽或惰性气体的蒸出塔,用再沸器的蒸出塔,用一般精馏塔,返回,3.4.2 多组分吸收和蒸出过程分析 一、设计变量数和关键组分,吸收塔 Nx： 吸收剂 C+ 2 原料气 C+2 压力等级数 N 和 C+C+4+N Na： 串级单元数 1,蒸出塔 Nx： 蒸出剂 C+ 2 吸收液 C+2 压力等级数 N 和 C+C+4+N Na： 串级单元数 1,Na的指定： 操作型计算：指定 N 设计型计算：指定 一个关键组分分离要求,二、单相传质过程 精馏过程：双相传质过程 吸收过程：单相传质过程 不能视为恒摩尔流（图335 a ） 三、吸收塔内组分分布 图335 c、d 分布曲线： 从物系挥发度看 C1、C2最大，进塔几乎不被吸收，塔顶稍有变化。 C5、C4最小，进塔立即吸收，上部几乎不变。 C3适中 ，上段吸收快，在塔某板出现最大值。,一般情况： 1. 不同组分在不同段吸收程度不同 2. 难溶组分（LNK），一般只在靠近塔顶几级被吸收，其他级吸收较小； 易溶组分（HNK），一般只在靠近塔釜几级被吸收。 3. 关键组分在全塔范围内被吸收。,四、溶解热 取决于 与 的相对大小 1. 如果在塔顶 明显大于 上升气体热量传给吸收剂，吸收放出热量全部由 带走，尾气出口温度与进塔吸收剂温度相近，在塔釜温度分布出现极大值。 2. 明显大于 下降液体热量传给上升气体，吸收放出热量大部分由 带走，吸收液在下降中被气体冷却，接近于原料气入口温度条件下出塔。 与 相近，热效应明显 出塔气体与吸收液温度超过入口，热量分配取决于不同位置因吸收而放热情况。,M,L,另： 1. 若吸收剂挥发性明显，在塔釜几块板上部分汽化，使该汽化的吸收剂与进料气中吸收剂的含量趋于平衡。 于是有一个相反作用： 吸收放出热量加热液体吸收剂汽化冷却液体 塔中部出现温度极大值 2. 溶解热的影响 溶解热大，温度变化大，对吸收率影响大 a、温度升高，相平衡常数大，吸收推动力小。 b、由于吸收过程要放热，使汽液温差大，除发生传热过程外，还有传质过程发生。 复杂性大,返回,3.4.3 多组分吸收和蒸出的简捷计算法,一、吸收因子法 1.吸收因子和蒸出因子 吸收过程定义： A=L/KV i组分的吸收因子或因素（省i） a、无因次数群； b、L/V ，K A ，有利于吸收； c、分离要求一定：A ，N N一定： A ，吸收程度 A的大小说明 吸收难易。 蒸出过程定义： S=KV/L=1/A i组分的蒸出因子或因素,用A、S表示平衡关系：,2.HortonFrankli 方程 （哈顿富兰克林）,n 板物料衡算：,用（374）表示各组分在各板汽相量；,依次类推；n=N时,讨论（380）： 1. 计算吸收率的普遍式； 2. 式中K= f（T、P、组成），而组成不知。