化工分离工程 重点.doc

精馏是借助多级平衡手段提高产品（液体混合物）纯度的一种蒸馏操作。精馏操作的原理是利用待分离组分间的相对挥发度的差异，通过逐级平衡实现组分分离。普通精馏不适合于以下状况的物料：1、相对挥发度接近1的组分；2、待分离组分间形成恒沸物；3、待分离组分是热敏物质；4、待分离组分是难挥发组分，且含量低。理论板符合以下三条假设： 1）进入该板的不平衡物流在其间充分接触传质，使离开该板的汽液两相物流间达到了相平衡； 2）在该板上发生接触的汽液两相各自完全均匀，板上各点汽相浓度和液相浓度各自都相同； 3）该板上充分接触后的汽液两相实现了完全机械分离，不存在夹带、泄漏。相平衡常数K组分i的相平衡常数定义为：Wilson方程特点：1、仅需用二元参数即能预计多元系的活度系数；2、适用范围广，对极性互溶系统有较高的正确度；3、活度系数方程包括了温度影响。缺点：不能预计液液平衡时的活度系数。NRTL方程特点：1、适用于汽液平衡（VLE），也适用于液液平衡（LLE）；2、需要有关二元系的三个模型参数才能预测多元相平衡；3汽液平衡的预测精度比威尔逊差，含水系统预计精度甚好。UNIQUAC方程 特点：具有NRTL的优点，适用于分子大小相差悬殊的混合物。关键组分：进料中按分离要求选取的两个组分（大多是挥发度相邻的两个组分），它们对物系的分离起着控制作用，且它们塔顶或塔底产品中的回收率或含量通常是给定的，因而在设计计算中起着决定性作用。挥发度大的为轻关键组分，挥发度小的称重关键组分。芬斯克方程：用于计算全回流操作时，达到规定分离要求所需要的最少理论板数Nm。恩德吾特方程：用来估计达到规定分离要求所需的最小回流比。 吉利兰关联式：常用的特殊精馏 萃取精馏：添加萃取剂改变体系中各组分的汽液平衡关系。 恒沸精馏：添加物与分离组分形成恒沸物改变汽液平衡关系。反应精馏：添加物与体系中的某组分反应生成新物质，从而改变原分离体系的汽液平衡关系。萃取精馏是通过加入适当选择的分离媒介以改善被分离组分间的气液平衡关系。恒沸物的形成是由于组成溶液的各组分分子间不相似，混合时引起与理想溶液偏差的结果。实际板与理论板的差异 板上汽液两相平衡的差异。理论板假设流体离开板时，汽液两相达到平衡；而实际板往往未真正达到平衡。 板上两相混合程度的差异。理论板假设板上汽液两相各自完全均匀混合；而实际板通常都存在不均匀现象。 板上停留时间的差异。理论板假定板上流体均匀流动，停留时间 一致；而实际板流动不均匀，停留时间有明显差异。 两相夹带的差异。理论板假设流体离开板时两相完全分离；而实际板往往存在汽相雾沫夹带和液相泡沫夹带。系统物性对板效率的影响（1）液相粘度粘度高，气泡大，传质界面小；粘度高，液相扩散系数小，传质速率降低。所以，粘度高的液相板效率较低。温度升高能降低粘度，提高板效率。（2）相对挥发度相对挥发度大，相当于汽相溶解度低，平衡线斜率m大，液相流动阻力大，板效率低。（3）表面张力和表面张力梯度泡沫状态时，表面张力对板效率的影响较小；喷射状态时，其影响有所增加。表面张力梯度的影响分三种情况： 正系统：轻组分表面张力低于重组分的。适合于在泡沫状态下操作。 负系统：轻组分表面张力高于重组分的。适合于在喷射状态下操作。 中性系统：两组分表面张力接近。两种状态操作均可。正系统更适合在泡沫状态下操作，负系统则在喷射态下操作更好，这是因为正系统泡沫稳定性好，不易破裂而聚并，因此传质面积大，有利于效率提高，对负系统，情况刚好相反，泡沫不稳定，传质面积小，效率降低。负系统之所以适合喷射状态下操作，是因为此时液滴不稳定，易破碎断裂成更细液滴，气液两相传质界面变大，有利于提高效率；相反，正系统液滴稳定，不利于相界面增大，效率降低。第三章吸收是利用液体处理气体混合物，根据气体混合物中各组分在液体中溶解度的不同，而达到分离目的传质过程。相平衡曲线比较物理吸收，溶质的浓度ci气相中的平衡分压pi呈线形关系，不存在浓度界限（适宜高压或高浓度气体的脱除）。 气膜控制的条件是：易容气体 液膜控制的条件是：难容气体化学吸收，ci有极限，pi 急剧升高而超过同浓度下的物理溶解之平衡分压；适用于低压、低浓度下高净化度的吸收过程。双膜论理论要点 流动状态 气液接触界面两侧有一层稳定的滞流膜，它不同于流体力学的滞流边界层。 传递方式 在膜两侧的主体流动区内物质的浓度趋于一致，滞流膜内的传质方式以分子扩散来实现，传质阻力由气相主体、气膜、界面、液膜和液相主体的阻力叠加而成，但主要集中在气膜和液膜层。 界面状况 界面无阻力，气液两相在界面立即达到平衡。当两种吸收的推动力相同时，化学吸收速率与物理吸收速率之比就称为化学吸收的增强因子，通常大于1。第四章利用组分在两个互不相溶的液相中的溶解度差而将其从一个液相转移到另一个液相的分离过程称为液液萃取，也叫溶剂萃取，简称萃取。具有处理量大、分离效果好、回收率高、可连续操作以及自动控制等特点。待分离的一相称为被萃相，萃取后成为萃余相，用做分离剂的相称为萃取相。萃取相中起萃取作用的组分称为萃取剂，起溶剂作用的组分称为稀释剂或溶剂。达到萃取平衡时，被萃物在两相中的浓度比称为被萃物的分配比，也称为分配系数。相比：萃取体系中萃取相与被萃相的体积比。分离系数又称为分离因子，表示被萃相中两种物质可被某种萃取剂所分离的难易程度，它等于这两种物质在相同萃取条件下的分配比之比。分离系数值越远离1，两种物质越容易分离；反之则不容易。超临界流体：物质在的温度和压力分别超过其临界温度(Tc)和临界压力(pc)时形成的流体(SCF)。超临界流体具有接近液体密度，即具有类似液体的溶解能力，而粘度和扩散速度接近气体。临界点附近的压力和温度变化对密度影响非常敏感，很小的温度压力都会引起较大变化。超临界流体萃取的优点：用超临界流体萃取具有与液体相近的溶解能力，比液体溶剂渗透快，渗透深，能更快达到萃取平衡。操作参数主要为压力和温度，比较容易控制。超临界流体萃取集精馏和液液萃取特点于一体，可能分离一些常规方法难以分离的物系。超临界流体可在常温下操作，故特别适合于热敏性、易氧化物质的提取和分离。反胶束是表面活性剂在有机溶剂中自发形成的纳米尺度的一种聚集体。双水相萃取是利用溶质在水油两相的疏水性差异不同达到分离目的。双水相萃取的特点系统的含水量多达75%-90%，两相界面张力极低(10-610-4N/m)，有助于保持生物活性和强化相际间的质量传递，也有易乳化的问题；分相时间短（特别是聚合物/盐系统），一般只有5-15min；易于连续操作；目标产物的分配系数一般大于3，有较高收率；分离过程更经济。用于生物分离的高聚物体系有：聚乙二醇（PEG）/葡萄糖（Dextran）和PEG/Dextran硫酸盐体系。第五章 分离顺序的选择1、首选分离方法为能量分离剂的方法（如普通精 馏），其次选用是使用分离剂的方法（如吸收，液液萃取和特殊精馏）。因为后者须增设质量分离剂的回收设备。但关键组分的相对挥发度小于1.05时，普通精馏在经济上不合算。2、易分离的组分先分；若有A、B、C、D四组分，其含量相差不大。3、易挥发组分先分；即按料液中各组分的挥发度递减的次序从塔顶蒸出，可减少再沸器与全凝器的负荷。 4、尽可能对分（料液的等摩尔分割）；当DB时，塔主体可逆性增大，能耗可以节省。5、量多的组分先分；含量最多的组分分离后，避免了该组分在后面塔中的多次蒸发、冷凝，减少了后继塔的负荷，当然比较经济。6、分离要求高和最困难分离的组分后分；由于高纯度分离的塔要求很多的板数，即塔较高，如还有其他非关键组分存在，塔中汽、液相流率将增大，要用较大的塔径，使投资增加。7、有特殊组分的要先分；易腐蚀的组分、热敏性组分 第六章泡沫分离技术就是根据表面吸附原理，籍鼓泡使溶液内的表面活性物质聚集在气液界面(气泡表面)，上浮至溶液主体上方形成泡沫层，将泡沫层与液相主体分开，就可达到浓缩表面活性物质和净化液相主体的目的。液膜分离技术就是以液膜为分离介质、以浓差为推动力的液-液萃取与反萃过程结合为一体的分离过程。有快速、节能、高效的优点。液膜通常由溶剂（水或有机溶剂）、表面活性剂和添加剂组成。液膜分离机理1. 选择性渗透在液膜设计时，根据被分离组分的性质，选择能溶解它的溶剂成膜，其余组分则不能溶解于膜相，从而达到分离的目的。2. 滴内化学反应在内相中包含能与外相被分离组分反应的物质，当被分离物质进入内相后立即被反应掉。这样就保持内相中被分离组分含量始终很低，维持较高的传质推动力。3. 膜相化学反应在膜相中包含能与外相被分离组分反应的物质，内相中包含更强的反应物质。这样膜相生成的产物在内相中再被反应，同时还原出膜相中原来的反应物，从而实现连续的反应传质过程。4. 膜相吸附在膜相中包含能吸附外相被分离组分的物质，外相中的被分离组分被吸附在膜相的外表层。吸附完成后，分离出包裹内相的乳化层，破乳后，所吸附的物质就转移到内相溶液中实现分离。 脱丁烷塔为饱和液体进料，料液组成如表所示。按工艺规定，丁烷为轻关键组分，在塔顶产品中的收率为98.1%；异戊烷为重关键组分，在塔底产品中的收率为94.2%；进料量为F=983kmol/h。 请用清晰分割法估算塔顶和塔底产品的产量和组成。根据清晰分割法原理，塔顶产品中所含组分为： 丙烷(1) 异丁烷(2) 丁烷(3) 异戊烷(4) 含量： d1 d2 d3 d4摩尔分率： xD1 xD2 xD3 xD4 塔底产品中所含组分为： 丁烷(3) 异戊烷(4) 戊烷(5) 己烷(6) 含量： b3 b4 b5 b6摩尔分率： xB3 xB4 xB5 xB6塔顶产品中各组分含量计算： 丙烷： d1=9830.011=10.8 kmol/h 异丁烷： d2=9830.169=166.1 kmol/h 丁烷： d3=0.9819830.446=430.1 kmol/h 异戊烷： d4=(1-0.942) 9830.1135=6.5 kmol/h 产品总量： D=d1+ d2+ d3+ d4=613.5kmol/h塔顶产品中各组分的摩尔分率计算：丙烷： xD1=d1/D=0.0176 异丁烷：xD2=d2/D=0.2707丁烷： xD3=d3/D=0.7011 异戊烷： xD4=d4/D=0.0106塔底产品中各组分含量计算： 丁烷： b3=(1-0.981) 9830.446=8.3 kmol/h 异戊烷： b4=0.9429830.1135=105.1 kmol/h 戊烷： b5=9830.1205=118