分离工程期末知识总结.ppt

分离工程 分离过程基本概念定义 将一混合物转变为组成不相同的两种或两种以上产物的操作 分离工程示意图 第一章绪论 第一章绪论 分离过程分为机械分离过程和传质分离过程两大类 机械分离过程是指分离装置所接受的是多于一个相的非均相进料 只要简单地分相就可以 如过滤 沉降 固 液分离和气 液分离器等 传质分离过程是除了机械地将不同相加以分离外 相间还发生物质的传递 分离对象是均相混合物 将含有不同组分的均相混合物分成组成互不相同的两种或多种产品的操作 精馏 吸收 萃取等 平衡分离过程传质分离过程速率分离过程 分离过程的分类 第二章单级平衡过程 重点掌握 2 1相平衡及其计算 2 2多组分物系的泡点和露点计算 2 3闪蒸过程的计算 掌握 掌握 相平衡的定义在一定的条件下 当一个多相系统中各相的性质和数量不随时间变化时 即保持物理平衡 则称此系统处于相平衡 第二章单级平衡过程 相平衡的实质 热力学上看 物系的Gibbs自由能最小动力学上看 相间表观传递速率为零相平衡准则 各相的温度相等 压力相等 每个组分的化学位 逸度 相等 第二章单级平衡过程 相平衡关系的表示方法 1 相图主要用来表示二元组分体系的相平衡关系 包括恒压下的t x图和y x图 以及恒温下的p x图 2 相平衡常数K组分i的相平衡常数定义为 3 分离因子 相对挥发度 组分i对组分j的相对挥发度定义为 分离因子 表示组分间分离的难易程度 汽液平衡关系式 状态方程法活度系数法 第二章单级平衡过程 第二章单级平衡过程 活度系数法计算汽液平衡常数 计算Ki的普遍化形式 用于严格计算 第二章单级平衡过程 为i组分的饱和蒸汽压 活度系数法计算汽液平衡常数的简化形式 思考题 1 什么叫相平衡 相平衡常数的定义是什么 相平衡关系可用几种方法来表达 2 就活度系数法计算汽液平衡常数的通式 分以下几种情况进行讨论 1 汽相为理想气体 液相为理想溶液 2 汽相为理想气体 液相为非理想溶液 3 汽相为理想溶液 液相为理想溶液 4 汽相为理想溶液 液相为非理想溶液 第二章单级平衡过程 泡点计算依据的方程 相平衡关系 摩尔分率的归一化方程 相平衡常数关联式 以上方程组共有3c 2个变量 独立方程数2c 2个 自由度为c 给定p和c 1个xi 方程有唯一解 第二章单级平衡过程 泡点温度的计算 Ki与组成无关 假定T 已知P 得到Ki Kixi f T Kixi 1 yes T yi no 调整T 泡点方程 计算过程 平衡常数与组成无关的露点计算 露点方程 第二章单级平衡过程 露点计算 等温闪蒸过程 已知 求 液化率 汽化率 给定料液的量和组成 计算在指定压力和温度条件下闪蒸得到的汽相量和组成 以及剩余的液相量和组成 第二章单级平衡过程 1 进行闪蒸计算之前 需要核实闪蒸问题是否成立 在给定的T P下 计算 1 进料处于泡点 饱和蒸汽 1 可能为汽液两相区 1 进料为过冷液体 1 进料处于露点 饱和液体 1 可能为汽液两相区 1 进料为过热蒸汽 泡点方程 露点方程 只有当TB T TD时 才构成闪蒸问题 第二章单级平衡过程 汽液平衡常数与组成无关 令料液的汽化率为e 即 则有 将相平衡关系式 带入组分物料平衡式 得到液相和汽相组成计算式 计算收敛时 目标函数为 闪蒸方程Rachford Riceeq 第二章单级平衡过程 思考题 什么叫泡点 什么叫露点 精馏塔塔顶的温度和塔釜的温度分别是什么 简述求解泡露点的思路 对于泡点温度 Kixi 1 应如何调整温度 怎样判断闪蒸问题在给定的T P下是否成立 等温闪蒸的通用闪蒸方程 Rachford Rice方程 的形式 第三章多组分精馏 1 会确定系统的独立变量数 约束关系数和设计变量数 2 了解多组分精馏过程与二组分精馏的比较分析 掌握关键组分等概念 3 掌握多组分精馏过程计算 清晰分割和不清晰分割物料衡算的计算方法 4 掌握简捷法求算精馏过程理论板数的步骤 5 了解萃取精馏和共沸精馏过程的概念和异同点 多组分精馏 确定设计变量数遵循的一般原则 设计变量数 系统的独立变量数 变量之间的约束关系数 20 例1 绝热分配器 出入物流变量数 C 2 3 能量交换数 0 Nv 3C 6 物料衡算式 能量衡算式 相平衡关系式 内在关系式 C 1 0 L1和L2的T P 组分浓度相等 2 C 1 Nc 2C 2 Nie Nve Nce C 4 多组分精馏 21 设计变量Ni可进一步分为 固定设计变量Nx 可调设计变量Na Nx 进料物流变量数 系统的压力 固定设计变量Nx 进料 压力 C 2 1 可调设计变量Na Ni Nx C 4 C 3 1 分配比 Ni Nx 多组分精馏 22 对于多组分精馏 通常 把由设计者指定分离要求的这2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 多组分精馏 23 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 那么 根据组分是否在精馏塔的两端都出现 可分为分配组分和非分配组分 例 A B C D挥发性逐渐减小 精馏工艺要求按AB与CD分开 则 B为LK C为HK A为LNK D为HNK B和C在塔顶和塔釜均出现 为分配组分 A和D仅在塔顶或塔釜出现 为非分配组分 多组分精馏 多组分精馏 多组分精馏的特点 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 多元精馏特点 各组分相互影响 最小回流比下 存在上 下恒浓区 所有进料组分受非分配组分的影响 恒浓区位置不一定在进料板处 多组分精馏 多组分精馏中的恒浓区 1 轻 重组分均为非分配组分 4 轻 重组分均为分配组分 2 重组分为非分配组分 轻组分为分配组分 3 重组分为分配组分 轻组分非为分配组分 有两个 夹点 最小回流比概念 最小回流是精馏操作的另一极限 操作回流比一定要大于最小回流比 最小回流比的计算公式 恩德伍德公式 27 最小回流比 计算最小回流比的Underwood 恩德伍德 公式 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 i 组分i的相对挥发度 xiD m 最小回流比下馏出液中组分i的摩尔分数 xiF 进料中组分i的摩尔分数 q 进料热状态参数 进料液相分率 方程的根 对于c组分系统有c个根 取 LK HK的根 最少理论塔板数 全回流 D 0 R L D 全回流是精馏操作的一个极限 上限 全回流操作时 精馏段操作线和提馏段操作线重合 完成分离需要的理论板数最少 说明 全回流时不向塔内进料 也不从塔内取出产品 装置的生产能力为0 因此对正常生产并无意义 但全回流对精馏过程的理论计算 开工阶段及实验研究等具有重要意义 最少理论板数只与分离要求有关 与进料组成无关 30 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 物料分配得出D W xi D xi w 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 多组分精馏 1 试确定分配器 全凝器 分凝器的设计变量 2 什么是关键组分 非关键组分 分配组分与非分配组分 非关键组分是否就一定是非分配组分 3 什么是清晰分割法和不清晰分割法 叙述其原理 4 试分析多组分精馏在最小回流情况下 恒浓区出现的位置 按清晰分割处理 分只有轻非关键组分的物系 只有重非关键组分的物系两种情况论述 5 怎样用简捷法计算精馏过程的理论板板数 思考题 特殊精馏 当待分离组分之间形成共沸物或相对挥发度接近1时 用普通精馏是无法实现分离或是经济上不合理的 此时 向体系中加入一种适当的新组分 通过与原体系中各组分的不同作用 改变组分之间的相对挥发度 使系统变得易于分离 这类既加入能量分离剂又加入质量分离剂的精馏称为特殊精馏或增强精馏 特殊精馏 1 共沸精馏 加入的S组分和原溶液中的一个或几个组分形成最低共沸物 该共沸物与其它组分的相对挥发度有明显差异 S组分以共沸物的形式从塔顶馏出 2 萃取精馏 加入的S组分改变原溶液中各组分的挥发度 S的沸点较原有各组分的高而从塔釜采出 萃取精馏和恒沸精馏的比较 1 都加入另一组分形成非理想溶液共同点 2 使相对挥发度增大 3 计算过程所用的基本关系式都是物料衡算 热量衡算和相平衡关系不同点 萃取精馏不形成恒沸物 从塔釜离开恒沸精馏形成恒沸物 从塔顶蒸出 第四章气体吸收 吸收的定义 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 气体吸收 吸收与精馏操作的相同点 平衡分离过程 热 质同传过程 由质量守恒方程求解吸收与精馏的不同点 原理不同吸收是根据各组分溶解度不同进行分离的 精馏利用组分间相对挥发度不同使组分分离 塔式不同精馏有简单塔和复杂塔 最简单的吸收为复杂塔 36 传质形式不同吸收过程 单向传质 气相传质到液相 需外加吸收剂 精馏过程 双向传质 液相传质到汽相 汽相传质到液相 不需加质量分离剂 温度范围 变化不同汽相 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 稀溶液吸收要采用热量衡算来确定温度的分布 37 物料的预分布不同精馏可按清晰分割和非清晰分割进行物料的预分布吸收每端既有进料 又有出料需在确定满足关键组分分离要求所需的理论板数的同时 做出物料预分布 38 精馏有两个关键组分 吸收有一个关键组分 组分分布不同精馏过程 关键组分的浓度分布有极大值 非关键组分在进料级上下形成几乎恒浓的区域吸收过程 轻组分 即难溶组分 一般只在靠近塔顶的几级被吸收 而在其余级上变化很小重组分 易溶组分 主要在塔底附近的若干级上被吸收关键组分在全塔范围内被吸收 39 吸收因子 i组分的吸收因子 吸收因子因组分而异 A值的大小可以说明在某一具体的吸收塔中过程进行的难易程度 吸收因子与操作条件有关 解吸过程 分离要求一定 A N N一定 A 吸收程度 i组分的解吸因子 2 关键组分的吸收因子A关 K关一般取全塔平均温度和压力下的数值 1 理论板数的直接求解 已知关键组分的吸收率 再求出关键