化工分离过程(第17讲)(第3章习题课).ppt

化工分离过程 Chemical Separation Processes,第三章 多组分多级分离过程 分析与简捷计算 习题课,2,习题课,3,习题课大纲,1 重要知识点回顾 2 习题解答 习题解答 习题3-10, 3-12（杨世金主讲） 3 思考题 4 自由交流环节,4,1.1 设计变量 1.2 多组分精馏过程（普通精馏） 1.3 萃取精馏和共沸精馏（特殊精馏） 1.4 吸收和蒸出（解吸）过程,1 重要知识点回顾,5,1.1 设计变量,在任何涉及传热和传质的物理分离过程的设备设计过程中，首要的工作就是进行工艺条件独立变量的规定。,设计者首先要确定出需指定变量的具体数目，再选择变量的具体数值。,6,1.1 设计变量,设：Nv系统的独立变量数 Nc描述这些独立变量之间的约束关系数,设计变量：,确定设计变量数,（3-1）,7,1.1 设计变量,独立变量数 Nv=出入系统的各股物流的独立变量数+ 系统与环境的能量（热、功）交换数,NV=N(c+2)+功进(出)数+能进(出)数,若有N股物流，且有功、能交换：,任意单股物流（一股、单相）：,8,1.1 设计变量,Nc变量之间的约束关系数（独立方程数）包括： （1）物料平衡式 （2）能量平衡式 （3）相平衡式 （4）化学平衡关系式 （5）内在关系式,（对c 组分体系有c个）,（对一个体系只有1个）,（对c组分相体系有c（-1）个）,（只考虑无化学反应体系的分离过程，不考虑该约束条件）,（指约定的关系，例如：物流间的温差，压力降的关系式等）,9,1.1 设计变量,固定设计变量,指确定进料物流的那些变量(例如，进料的组成和流量等)以及系统的压力。,需要设计者确定的变量,设计变量,可调设计变量,10,1.1 设计变量,注意：其中可调设计变量为1的有三类单元。 （分配器、侧线采出单元、换热单元）,各种单元的设计变量归纳在P56的表3-1中， 请大家自己推算（考点）。,表中共15种单元。,组合单元：3种,简单单元：12种,有浓度变化的：6种,无浓度变化的：6种,11,1.1 设计变量,（1）按每一股单相物流有（c+2）个变量，计算进料物流所 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，分配器数，侧线采出单元数以及传热单 元的数目相加，便是装置的可调设计变量数。 （*表3-1中Na=1的单元） （5）装置的设计变量：,简便、可靠的确定装置设计变量的郭氏原则：,12,1.2 多组分精馏过程,对于多组分精馏，待定的可调设计变量数仍是2，所以只能指定两个组分的浓度，通常，把由设计者指定分离要求的这两个组分称为关键组分。 其中 相对易挥发的组分称为轻关键组分（LK） 相对不易挥发的组分称为重关键组分（HK）,设ih为非关键组分i对HK的相对挥发度。,13,1.2 多组分精馏过程,多组分精馏物系组成,轻非关键组分（LNK），轻组分 轻关键组分（LK） 中间组分 重关键组分（HK） 重非关键组分（HNK），重组分,挥 发 性 降 低,14,1.2 多组分精馏过程,清晰分割 馏出液中除了重关键组分(HK)之外，没有其它重组分； 釜液中除了轻关键组分(LK)之外，没有其它轻组分。,非清晰分割：各组分在顶釜均可能存在。,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。,15,1.2 多组分精馏过程,计算最小回流比的Underwood（恩德伍德）公式：,（3-3a）,假设： 1、各组分相对挥发度是常数； 2、塔内汽液相流率为恒摩尔流。,（3-3b）,16,1.2 多组分精馏过程,最小回流比Rm的解法：,1. 在 lr, hr中设 值 试差确定 值； 2. 将值代入（3-3a）式 Rm。,（3-3b）,参见例3-1,注意：若LK、HK挥发度不相邻，可在lr, hr之间试差 出几个值，解出几个Rm，然后取平均值。,17,1.2 多组分精馏过程,最少理论板数（对应全回流） 由于全回流操作时，使每块理论板分离能力达到 最大，完成相同的分离要求，所需理论板最少，并称 其为最少理论板数。,意义：操作前的准备工作 测出Nm,18,1.2 多组分精馏过程,芬斯克推导了全回流时二组分和多组分精馏的严格解。 塔顶采用全凝器，假设所有板都是理论板，从塔顶第一块理论板往下计塔板序号。,Fenske（芬斯克）公式推导前提,全回流操作下联立物料衡算式和平衡关系式推导可得Fenske方程。,Fenske（芬斯克）公式推导方程,19,1.2 多组分精馏过程,Fenske方程的几种形式,20,1.2 多组分精馏过程,组分分配：将Fenske方程变形可得各组分流量分配。,（3-12）,对于非关键组分i有物料衡算式：,21,1.2 多组分精馏过程,将（3-12）式与上式联立得：,22,1.2 多组分精馏过程,对于无中间组分的体系： 如A(LNK)、B(LK)、C(HK)、D(HNK)组成的体系， 先假定清晰分割，计算理论板数，再校验是否清晰分割。,清晰分割假定比较适用的情况： 轻重关键组分的分离程度较高，轻组分的挥发度比LK的挥发度大得多，而重组分的挥发度比HK的挥发度小得多。,求解Nm和组分分配需要注意的问题：,对于有中间组分的体系： 如A(LNK)、B(LK)、C(中间组分)、D(HK)、E(HNK) 组成的体系，则根据C的相对挥发度是靠近B还是靠近D来假定C在塔顶和塔釜的分配。,参见例3-2,参见例3-3,23,1.2 多组分精馏过程,一.实际回流比R： 由操作费、设备费确定，由经验取：,最小回流比和最少理论板是精馏操作的极限状态，实际生产过程中，为了实现对两个关键组分之间规定的分离要求，回流比和理论板数必须大于它们的最小值。,二.实际理论板数N：,1.吉利兰图（Gilliand图） 2.Erbar and Maddox关联图,24,1.2 多组分精馏过程,图3-12 吉利兰图,图3-13 耳波和马多克思图,25,1.2 多组分精馏过程,三、确定进料位置,（1）芬斯克公式既可求全塔最少理论板数，也可单用于精 馏段和提馏段，从而确定进料位置。,（2）Kirkbride法,（3-18）,26,1.2 多组分精馏过程,多组分精馏过程的简捷计算法步骤：,1、由工艺要求选LK和HK，假设清晰分割或假设回收率， 得出物料分配；,2、分别由露点方程和泡点方程计算塔顶和塔底温度，由此 计算全塔平均相对挥发度；,3、由Fenske方程计算最少理论板数，验证清晰分割或回收 率（以产品是否合格为依据）；,4、由Underwood方程计算最小回流比；,5、确定实际N、R和适宜进料位置;,6、由热量衡算计算塔顶冷凝器和塔底再沸器热负荷。,参见例3-4,27,多组分精馏的FUG法计算框图,28,1.3 萃取精馏和共沸精馏,萃取精馏是向原料液中加入第三组分(称为萃取剂或溶剂),以改变原有组分间的相对挥发度而达到分离要求的特殊精馏方法。 要求萃取剂的沸点较原料液中各组分的沸点高得多,且不与组分形成共沸液,容易回收。萃取精馏常用于分离各组分挥发度差别很小（ 1.05）的 溶液。,29,1.3 萃取精馏和共沸精馏,图3-15 萃取精馏流程,特点：,塔1 萃取精馏塔 塔2 溶剂回收塔,1. 两塔串联； 2. S为难挥发组分，一般在进料上方加入。 3. 溶剂回收段一般有6-7块塔板。,30,1.3 萃取精馏和共沸精馏,（3-26）,溶剂的选择性不仅决定于溶剂的性质和浓度，而且也和原溶液的性质和浓度有关。,31,1.3 萃取精馏和共沸精馏,一. 溶剂的作用,（1）对原溶液1、2组分产生不同的作用，提高12,体现：原溶液沸点差不大（ A12 0）非理想性不很强时， 若：A1S0; A2S0，有： A1S- A2S0，加S后， 12/s/121,（2）稀释原溶液,体现：原溶液沸点差大，非理想性很强时，12 1 加S后，浓度下降，而xS增加，由(3-23)： A12(1-xS)(1-2x1)值小，突出了PiS作用。,32,1.3 萃取精馏和共沸精馏,二. 溶剂的选择,1）沸点要较被分离组分高，以避免和系统中的任何组分 形成共沸物；,6）无毒、不腐蚀、价格低廉、易得。,5）溶剂比（溶剂/进料）不得过大；,2）溶剂与被分离物系有较大的溶解度（防止分层）；,3）溶剂在操作中热稳定性要好（可长期循环使用）；,4）溶剂不与任何组分发生化学反应（缔合、络合等）；,33,1.3 萃取精馏和共沸精馏,将塔分为四部分,精馏段：,提馏段：,塔 釜：,溶剂回收段：,当进料为饱和蒸汽时， ； 当进料为液相或汽液混合物时， 。,溶剂在塔釜中浓度有明显跃升。,若0，,34,1.3 萃取精馏和共沸精馏,萃取精馏过程计算的依据是选择的萃取剂的特点为沸点高，挥发度小，由塔顶引入后几乎全部进入塔釜，因而萃取剂在塔内各级上的浓度恒定不变。 萃取剂的存在仅改变了原组分间的相对挥发度，采取适当的相对挥发度数据后，计算萃取精馏过程时就可以不考虑萃取剂的存在，因而应以脱溶剂为基准进行物料衡算。,萃取精馏过程平衡级数的简捷计算,参见例3-5,35,1.3 萃取精馏和共沸精馏,共沸精馏（Azeotropic Distillation）又称恒沸精馏，其分离原理与萃取精馏基本相同，不同之处是共沸剂（夹带剂，携带剂）在影响原溶液组分的相对挥发度的同时，还要与原溶液中一个或多个组分形成共沸物。,共沸物（恒沸物Azeotrope）是指处于平衡状态下，气相和液相组成完全相同时的混合溶液。两种（或几种）液体形成的共沸点混合物。,36,1.3 萃取精馏和共沸精馏,二元均相共沸物的特征为：,（3-49）工程方程,又知：,（3-50）校核方程,（1）二元系,37,1.3 萃取精馏和共沸精馏,共沸参数（x、T、P）预测：,式中：,已知x、T、P任一个参数，可求出另外二个。,已知：ixi关系式；PiST关系式,参见例3-6,38,1.3 萃取精馏和共沸精馏,39,1.3 萃取精馏和共沸精馏,（2）三元系,三元均相共沸组成的计算也可按二元一样进行：,三个方程包括T，P，x1,x2,(x3=1-x1-x2)； 故已知T，可解出P，x1,x2; 已知P可解出T,x1,x2。,40,1.3 萃取精馏和共沸精馏,一般地，若压力变化明显影响共沸组成时，则采用两个不同操作压力的双塔流程可实现二元均相共沸物的分离。 如甲乙酮（MEK）-水（H2O）的分离过程。,在大气压力下（0.103MPa） 该物系形成二元正偏差共沸物， 共沸组成为65（MEK）； 在0.7MPa时，共沸组成变化为 50（MEK），如果原料中含 MEK小于65，欲得到纯甲乙 酮和水。分离过程如何设计？,MEK-H2O在不同压力下的T-x-y图,41,1.3 萃取精馏和共沸精馏,分离甲乙酮水：利用不同压力下，共沸组成不同分离。,工艺流程图：,相图：,42,1.3 萃取精馏和共沸精馏,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 示例：分离正丁醇（1）- 水（2）,43,1.3 萃取精馏和共沸精馏,接近共沸组成的原料蒸汽在冷凝器中冷凝后便分成两个液相，一为富水液相，另一为富丁醇相。醇相经过分层器后返回丁醇塔作为回流，高纯度的正丁醇从塔底引出，而接近共沸组成的蒸汽将从塔顶采出。分层器后的水相被送入水塔，从塔顶部出来的是接近共沸组成的蒸汽，塔釜则获得纯水。,图3-27 分离非均相共沸物的流程,示例：分离正丁醇（1）- 水（2）,44,1.3 萃取精馏和共沸精馏,两种特殊精馏基本原理相同，都是通过加入适量的质量分离剂，改变组分之间的相互作用，增大组分的挥发度差异，实现精馏分离。,共沸精馏和萃取精馏的比较,共同点：,1、都加入另一组分； 2、使相对挥发度增大； 3、计算过程所用的基本关系都是物量衡算、热量衡算 和相平衡关系。,45,1.3 萃取精馏和共沸精馏,1、萃取精馏萃取剂量大且受限制；共沸精馏共沸剂量少。 2、共沸精馏会形成共沸物，从塔顶蒸出；萃取精馏不形成共 沸物，从塔釜离开。 3、一般共沸精馏能耗大。 4、共沸精馏即可连续操作，又可间歇操作；萃取精馏只能连 续操作。 5、有热敏性组分存在时，共沸精馏有利。 6、萃取精馏中溶剂回收简单，且流程也比较简单。,不同点：,46,1.4 吸收和蒸出过程,吸收是根据气体混合物中各组分在液体溶液中物理溶解度或化学反应活性的不同而将混合物分离的传质单元操作。 如果气体溶质以物理溶解方式溶于液体中称为物理吸收。 如果气体溶质溶于液相之后能与溶剂（或活性组分）发生化学反应称为化学吸收。,47,1.4 吸收和蒸出过程,吸收过程的流程,48,1.4 吸收和蒸出过程,物理吸收过程和精馏过程的比较,相同点：均属于传质分离过程。,不同点： 精馏过程是气液相双向传质，利用组分的挥发度的不同实现分离，物理吸收过程是气相分子向液相的单方向分子扩散和传质过程，利用组分在吸收剂中溶解度的不同实现分离。 精馏指定两个关键组分的分离要求，而吸收只能指定一个关键组分。,49,1.4 吸收和蒸出过程,不同点： 精馏引入能量媒介，吸收引入物质媒介。 精馏塔一般是一股进料两股出料，吸收塔有两股进料和两股出料。 由于吸收液从塔顶注入，富气（原料气）由塔底加入，吸收过程放出溶解热，因此吸收塔内从塔顶到塔釜，关键组分气、液相浓度都是上升的，一般情况下，温度也是逐步上升的。精馏塔内可视作恒摩尔流计算，并可按清晰分割和非清晰分割对物料进行预分配。,50,1.4 吸收和蒸出过程,设计计算的已知条件：,入塔原料气流率VN+1(m3/h)或(kmol/h)； 入塔原料气组成yN+1(摩尔分数) ； 吸收塔的操作温度T()和压力P(kPa); 吸收剂的种类和组成； 对原料气中某一组分（关键组分）的分离要求关。,设计计算的任务：,完成分离任务所需的理论板数N； 完成分离任务所需的吸收剂量L0； 塔顶尾气量v1和组成y1; 塔釜吸收液量lN和组成xN。,吸收过程的简捷计算,51,1.4 吸收和蒸出过程, HortonFranklin方程,（3-80）,平均吸收因子法,（3-81）,52,1.4 吸收和蒸出过程,吸收过程设计计算的步骤：,选定关键组分及其吸收率； 确定最小液气比和操作液气比 ； 计算理论板数N（3-82）； 计算其它组分吸收率； 求v1，y1，L0，lN，xN等。,参见例3-8,53,1.4 吸收和蒸出过程,气体溶质从气相主体到液相主体，共经历了三个过程，即：气膜扩散溶解（反应）液膜扩散,化学吸收溶质传递机理,气膜扩散 液膜扩散 化学反应 共同决定 吸收过程 的总速率,54,1.4 吸收和蒸出过程,化学吸收的类型,图3-41a 瞬时反应,图3-41b 快速反应,55,1.4 吸收和蒸出过程,图3-41c 中速反应,图3-41d 慢速反应,化学吸收的类型,56,1.4 吸收和蒸出过程,反应-扩散方程,图3-42 化学吸收微元液膜,57,1.4 吸收和蒸出过程,一级不可逆反应,该反应的扩散反应微分方程为：,（3-100）,58,1.4 吸收和蒸出过程,（1）快速反应，M1，则：,则溶质到达液相主体之前已完全反应，在这种情况下， cAL=0，则有：,（3-105）,（2）慢速反应：,此时，吸收过程的液相分传质系数与物理吸收相同。,（3-106）,59,1.4 吸收和蒸出过程,二级不可逆反应,扩散反应方程为 ：,（3-109）,（3-108）,（1）瞬时反应,（3-110） （3-111）,（2）快速反应,（3-113）,（3-114）,60