化工流程模拟实训：Aspen_Plus教程_第7章分离单元模拟PartA

1、第第7章章 分离单元模拟分离单元模拟Part A 蒸馏基础知识蒸馏基础知识 n蒸馏依据蒸馏依据 蒸馏过程利用均相液体混合物中各组分饱和蒸蒸馏过程利用均相液体混合物中各组分饱和蒸 汽压（或沸点或挥发性）的差异而使各组分汽压（或沸点或挥发性）的差异而使各组分 得以分离得以分离 蒸馏基础知识蒸馏基础知识 n蒸馏过程的分类蒸馏过程的分类 按操作流程分按操作流程分 间歇蒸馏、连续蒸馏间歇蒸馏、连续蒸馏 按蒸馏方法分按蒸馏方法分 简单蒸馏、平衡蒸馏、精馏、特殊精馏简单蒸馏、平衡蒸馏、精馏、特殊精馏 按操作压力分按操作压力分 常压蒸馏、减压蒸馏、加压蒸馏常压蒸馏、减压蒸馏、加压蒸馏 按组分数分按组分数分 二

2、元蒸馏、多元蒸馏、复杂蒸馏二元蒸馏、多元蒸馏、复杂蒸馏 n通过相对挥发度表示的汽液平衡关系通过相对挥发度表示的汽液平衡关系 蒸馏基础知识蒸馏基础知识 PTfKxKy iiii , 在蒸馏分离过程中，系统的温度、压力时刻在蒸馏分离过程中，系统的温度、压力时刻 在发生变化，导致相平衡常数在发生变化，导致相平衡常数K K 也在不断变化，也在不断变化， 给计算过程带来很大不便，为了避免这个问题，给计算过程带来很大不便，为了避免这个问题， 考虑能否找出另一参数来表达相平衡关系，而这考虑能否找出另一参数来表达相平衡关系，而这 一参数随着操作条件的变化并不明显一参数随着操作条件的变化并不明显 n挥发度挥发度

3、 蒸馏基础知识蒸馏基础知识 表示物质挥发能力的大小表示物质挥发能力的大小 对纯组分：对纯组分： o Pv 对混合液体：对混合液体： B B B A A A x P v x P v 对理想溶液：对理想溶液： B o BBA o AA xPPxPP o BB o AA PvPv Tfv n相对挥发度相对挥发度 蒸馏基础知识蒸馏基础知识 定义：定义： 混合物中两组分挥发度之比，用来表示挥发能混合物中两组分挥发度之比，用来表示挥发能 力的差异力的差异 对二元物系，通常用对二元物系，通常用轻组分的挥发度比上重组轻组分的挥发度比上重组 分的挥发度分的挥发度 低压：低压： BB AA B A xP xP v

4、 v / / 理想物系理想物系 0 0 B A P P 高压：高压： B A K K 同样适用于同样适用于 低压理想物系低压理想物系 n相对挥发度表示的相平衡关系相对挥发度表示的相平衡关系 蒸馏基础知识蒸馏基础知识 二元物系：二元物系： xx yy xx yy xy xy K K BA BA BB AA B A 1/ 1/ / / / / x x y ) 1(1 以以表示的相平衡方程表示的相平衡方程 n讨论讨论 蒸馏基础知识蒸馏基础知识 BA BA xx yy / / 是衡量组分是否易于分离的标志是衡量组分是否易于分离的标志 B A B A x x y y 1 不能用蒸馏的方法分离不能用蒸馏的

5、方法分离 与与1.01.0偏离越大，两组偏离越大，两组 分越易分离分越易分离 01.0 1.0 x y =1 1 2 3 1 2 3 1时，时，yx，可分离可分离 n简单蒸馏简单蒸馏 蒸馏基础知识蒸馏基础知识蒸馏方式蒸馏方式 操作及流程操作及流程 y 原料液原料液 x蒸气蒸气 xD1xD2xD3 冷凝器冷凝器 微分蒸馏、微分蒸馏、 渐次汽化、渐次冷凝渐次汽化、渐次冷凝 n简单蒸馏简单蒸馏 相图分析相图分析 蒸馏基础知识蒸馏基础知识蒸馏方式蒸馏方式 t/t/ C C x(y)x(y) 0 01.01.0 露点线露点线 泡点线泡点线 y y x xF F 蒸汽一形成就离开系统蒸汽一形成就离开系统

6、（釜内）液相（釜内）液相x 越来越小，越来越小， 温度温度T 越来越高越来越高 出釜气相出釜气相y 越来越小越来越小 不稳定过程不稳定过程 n平衡蒸馏平衡蒸馏 闪闪 蒸蒸 罐罐 塔顶产品塔顶产品 yA xA 加加 热热 器器 原料液原料液 塔底产品塔底产品 Q 减减 压压 阀阀 闪蒸闪蒸 混合物在加热或冷却过混合物在加热或冷却过 程中，程中，气、液两相共存气、液两相共存，并，并 保持平衡状态，将气、液两保持平衡状态，将气、液两 相分开，以使混合物得到一相分开，以使混合物得到一 定程度的分离，这种分离方定程度的分离，这种分离方 式称为平衡蒸馏式称为平衡蒸馏 操作及流程操作及流程 蒸馏基础知识蒸馏

7、基础知识蒸馏方式蒸馏方式 n平衡蒸馏相图分析平衡蒸馏相图分析 蒸馏基础知识蒸馏基础知识蒸馏方式蒸馏方式 t/ C x(y) 01.0 露点线露点线 泡点线泡点线 xyxF 气液两相气液两相只有一次相平衡只有一次相平衡; 釜内组分含量釜内组分含量x、蒸汽相组成蒸汽相组成 y 符合相平衡方程符合相平衡方程; 蒸馏后：蒸馏后：xxFy，有分离有分离 作用，但分离程度有限作用，但分离程度有限，不能，不能 得到高纯度组分。得到高纯度组分。 平衡蒸馏是平衡蒸馏是液体的一次部分汽化液体的一次部分汽化或或蒸汽的一次部分冷凝蒸汽的一次部分冷凝的的 蒸馏操作蒸馏操作 汽、液相组成极汽、液相组成极 限能达到多少？限

8、能达到多少？ n平衡级平衡级 蒸馏基础知识蒸馏基础知识精馏原理精馏原理 模型：模型： 使原未达到平衡的的汽、液两相接触，两相将向使原未达到平衡的的汽、液两相接触，两相将向 平衡趋近，若接触平衡趋近，若接触足够充分、气液充分混合足够充分、气液充分混合，离，离 开时汽、液两相将达到平衡，此种设备称为一个开时汽、液两相将达到平衡，此种设备称为一个 平衡级平衡级 一次部分汽化和一次部分冷凝一次部分汽化和一次部分冷凝 蒸馏基础知识蒸馏基础知识精馏原理精馏原理 t/ C x(y) 0 1.0 yFyx t/ C x(y) 0 1.0 xFyx tF tF 一次部分汽化一次部分汽化一次部分冷凝一次部分冷凝

9、n分析分析 x1xFy1，一次部分汽化与一次部分汽化与 一次部分冷凝皆一次部分冷凝皆有分离作用有分离作用 全部汽化或全部冷凝无分全部汽化或全部冷凝无分 离作用离作用 受平衡的限制，一次部分气受平衡的限制，一次部分气 化与一次部分冷凝化与一次部分冷凝分离作用有分离作用有 限限，得不到较高纯度产品，得不到较高纯度产品 蒸馏基础知识蒸馏基础知识精馏原理精馏原理 n多次部分汽化和多次部分冷凝多次部分汽化和多次部分冷凝 流程：流程： xF y1 y2 y3 （冷凝后作为产品冷凝后作为产品y yD D ） ） x1 x1 x2 （冷凝后作为产品冷凝后作为产品x xW W） x2 x3 y1 y2 蒸馏基础

10、知识蒸馏基础知识精馏原理精馏原理 n分析分析 多次部分汽化后：多次部分汽化后： xF x x x =xW ， ， 液相中重组分得到提浓液相中重组分得到提浓； 多次部分冷凝后：多次部分冷凝后： xFy y y =yD ， ， 汽相中轻组分得到提浓汽相中轻组分得到提浓； t/ C x(y) 0 1.0 xF x1 x2 x3 x1 x2 y1 y2 y3 y1 y2 x xW Wy yD D 蒸馏基础知识蒸馏基础知识精馏原理精馏原理 t/ C x(y) 0 1.0 xF x1 x2 x3 x1 x2 y1 y2 y3 y1 y2 x xW Wy yD D 特点：特点： 中间产品多中间产品多 最终产

11、品（最终产品（xW，yD）收率低收率低 设备复杂，能耗高，能量利用设备复杂，能耗高，能量利用 不合理不合理 如何改善？如何改善？ 蒸馏基础知识蒸馏基础知识精馏原理精馏原理 多次部分汽化和多次多次部分汽化和多次 部分冷凝的共同实现部分冷凝的共同实现 x xF F y y1 1 y y2 2 y y3 3 x x1 1 x x1 1 x x2 2 x x2 2 x x3 3 y y1 1 y y2 2 y y3 3 x xw w x xD D 蒸馏基础知识蒸馏基础知识精馏原理精馏原理 分析：分析： 多次部分冷凝时，每一级均需要多次部分冷凝时，每一级均需要低温高浓低温高浓的液相回流的液相回流 多次部

12、分汽化时，每一级均需要多次部分汽化时，每一级均需要高温低浓高温低浓的汽相上升的汽相上升 产品收率提高产品收率提高 可得到较纯产品可得到较纯产品 能量利用合理能量利用合理 缺点：设备仍很复杂缺点：设备仍很复杂 t/ C x(y) 0 1.0 xF x1 x2 x3 x1 x2 y1 y2 y3 y1 y2 x xW Wx xD D ？ 蒸馏基础知识蒸馏基础知识精馏原理精馏原理 n精馏塔精馏塔 料液料液, , x xF F FeedFeed 塔顶产品塔顶产品, , x xD D O v e r h e a d O v e r h e a d productproduct 塔底产品塔底产品, , x

13、 xW W B o t t o m s B o t t o m s productproduct 液相回流液相回流 Liquid refluxLiquid reflux 汽相回流汽相回流 Vapor refluxVapor reflux 精馏段精馏段 Rectifying sectionRectifying section 提馏段提馏段 Stripping sectionStripping section 再沸器再沸器 ReboilerReboiler 冷凝器冷凝器condensercondenser 各参数变化：各参数变化： 沿塔自上而下沿塔自上而下 T 逐渐升高逐渐升高 液相液相x 逐渐减

14、小逐渐减小 汽相汽相y 逐渐减小逐渐减小 蒸馏基础知识蒸馏基础知识精馏原理精馏原理 蒸馏基础知识蒸馏基础知识精馏原理精馏原理 塔板上汽、液两相接触良好，完全混合，接触充分，致使汽、塔板上汽、液两相接触良好，完全混合，接触充分，致使汽、 液两相在离开该板时达到平衡，则称该板为一块理论板液两相在离开该板时达到平衡，则称该板为一块理论板 理论板：理论板： n精馏段和回流的作用精馏段和回流的作用 蒸馏知识预备蒸馏知识预备精馏原理精馏原理 将上升汽相中轻组分提浓，将上升汽相中轻组分提浓， 最终在塔顶得到合乎要求最终在塔顶得到合乎要求 的轻组分产品的轻组分产品 提供低温高浓的液相作提供低温高浓的液相作 为

15、精馏介质，保证精馏为精馏介质，保证精馏 过程的正常进行过程的正常进行 精馏段作用：精馏段作用： 回流作用：回流作用： n提馏段和再沸器的作用提馏段和再沸器的作用 蒸馏知识预备蒸馏知识预备精馏原理精馏原理 提馏段的作用：提馏段的作用： 使下降的液相中重组分得到提使下降的液相中重组分得到提 浓，最终在塔底得到合乎要求浓，最终在塔底得到合乎要求 的重组分产品的重组分产品 再沸器的作用：再沸器的作用： 提供高温低浓的汽相作为精馏介提供高温低浓的汽相作为精馏介 质，保证精馏的正常进行质，保证精馏的正常进行 蒸馏基础知识蒸馏基础知识理论板数计算理论板数计算 n精馏段操作线方程精馏段操作线方程 1 2 3

16、n n+1 V, y1 D, xD L, xD Vn+1 yn+1 Ln, xn 总物料衡算：总物料衡算：DLV nn 1 轻组分物料衡算：轻组分物料衡算： Dnnnn DxxLyV 11 D n n n n n x V D x V L y 11 1 恒摩尔流假定成立，令回流比为恒摩尔流假定成立，令回流比为 D L R DRVRDL1 Dn Dn Dnn x DRD D x DRD RD x DL D x DL L x V D x V L y 1 11 1 R x x R R y D nn 说明：说明： 物流量与组成均为物流量与组成均为物质的量物质的量表示表示 物义：精馏段任意相邻塔板间相遇的

17、汽、液两流组成物义：精馏段任意相邻塔板间相遇的汽、液两流组成 之间的关系之间的关系 恒定恒定R yR yn+1 n+1 x xn n 为一 为一直线直线 蒸馏基础知识蒸馏基础知识理论板数计算理论板数计算 n精馏段操作线方程精馏段操作线方程 蒸馏基础知识蒸馏基础知识理论板数计算理论板数计算 n提馏段操作线方程提馏段操作线方程 V, yW L, xW m m+1 L, xm V, ym+1 总物料衡算：总物料衡算：WVL 轻组分物料衡算：轻组分物料衡算： Wmm WxyVxL 1 整理得：整理得： Wmm x V W x V L y 1 Wmm x WL W x WL L y 1 W x y 0

18、1.0 1.0 xD a b xW c d e 1 R xD WL WxW 11 1 R x x R R y D nn WL Wx x WL L y W mm 1 精馏段操作线：精馏段操作线： 斜率：斜率： 1 R R 截距：截距： 1 R xD 提馏段操作线：提馏段操作线： 斜率：斜率： WL L 截距：截距： WL WxW 过点（过点（x xD D， x xD D） 过点（过点（x xW W， x xW W） n操作线方程在操作线方程在y-x相图上的表示相图上的表示 n进料热状况及进料热状况参数进料热状况及进料热状况参数 1.进料段物料衡算进料段物料衡算 L L F V V 物平：物平：L

19、VVLF 热平：热平： LVLVF HLVHLHHVFH 由于相邻两层板的温度和浓度变化不由于相邻两层板的温度和浓度变化不 大，可认为大，可认为 VV HH LL HH LVLVF HLVHLHHVFH 蒸馏基础知识蒸馏基础知识理论板数计算理论板数计算 n进料热状况及进料热状况参数进料热状况及进料热状况参数 )()( LVFV HHLLHHF LV FV HH HH F LL 进进料料的的摩摩尔尔汽汽化化热热 蒸蒸汽汽所所需需热热量量每每摩摩尔尔进进料料汽汽化化为为饱饱和和 LV FV HH HH q 令令 进料热状况参数进料热状况参数 qFLL FqVV)1 ( 液相分率液相分率 蒸馏基础知

20、识蒸馏基础知识理论板数计算理论板数计算 n进料热状况及进料热状况参数进料热状况及进料热状况参数 (1)饱和液体进料饱和液体进料 TF=Tb， HF=HL =1=1 L L L L F F V V V V （1 1）饱和液体，）饱和液体，q=q=1 1 LV FV HH HH q (2)饱和蒸汽进料饱和蒸汽进料 TF=Td，HF=HV =0=0 LV FV HH HH q L L F V V （2 2）饱和蒸气）饱和蒸气，q=q=0 0 蒸馏基础知识蒸馏基础知识理论板数计算理论板数计算 n进料热状况及进料热状况参数进料热状况及进料热状况参数 10 LV FV HH HH q (3)气液两相进料气

21、液两相进料 TbTFTd 、HLHFHV L L F V V （3 3）汽液两相）汽液两相 ，00qq1 1 蒸馏基础知识蒸馏基础知识理论板数计算理论板数计算 蒸馏基础知识蒸馏基础知识理论板数计算理论板数计算 n进料热状况及进料热状况参数进料热状况及进料热状况参数 (4)(4)过冷液体进料过冷液体进料 T TF FTTb b 、H HF FHq1 1 (5)(5)过热蒸汽进料过热蒸汽进料 T TF FTTd d 、H HF FHHV V 0 LV FV HH HH q L L L L F F V V V V （5 5）过热蒸汽）过热蒸汽，qq0 0 蒸馏基础知识蒸馏基础知识理论板数计算理论板数

22、计算 n理论塔板数理论塔板数Nt的计算的计算逐板计算法逐板计算法 y1 y1 x1 x2 y2 1 2 ym-2 xm-2 xm-1 ym-1 m-1 n-1 m-2 W, xW F, xF D, xD 计算工具：计算工具： 相平衡方程：相平衡方程： y y xor x x y 111 操作线方程：操作线方程： 11 1 R x x R R y D nn Wmm x WL W x WL L y 1 （A） （B） （C） 蒸馏基础知识蒸馏基础知识理论板数计算理论板数计算 计算步骤：计算步骤： y1 y1 x1 x2 y2 1 2 ym-2 xm-2 xm-1 ym-1 m-1 n-1 m-2

23、W, xW F, xF D, xD 全凝器、泡点回流、饱和液相进全凝器、泡点回流、饱和液相进 料（泡点进料或料（泡点进料或q =1=1） ; . )( )( 13 )( 2 )( 2 )( 1 )( 1 Fn A n B n B AB A D xx yxy xy xxy 精馏段操作线精馏段操作线 相平相平 （全凝器）（全凝器） n理论塔板数理论塔板数Nt的计算的计算逐板计算法逐板计算法 蒸馏基础知识蒸馏基础知识理论板数计算理论板数计算 n理论塔板数理论塔板数Nt的计算的计算逐板计算法逐板计算法 为为止止 相相平平提提馏馏段段操操作作线线 Wm CAC xx yxyx . 3 )( 2 )( 2

24、 )( 1 则精馏段则精馏段N = n-1， ，提馏段提馏段N2= m-1（不包括再沸器）不包括再沸器） 理论板数理论板数NT = N1+N2 = n+m-2（不包括再沸器）不包括再沸器） 若若xn-1xFxn，则第则第n n板板 为进料板为进料板(提馏段第一块板提馏段第一块板）：x1=xn 蒸馏基础知识蒸馏基础知识理论板数计算理论板数计算 y y1 1 x xW W 1 1 2 2 3 3 4 4 5 5 6 6 7 7 8 8 9 9 1010 a a q q 线线 d d e e y y x x 0 01.01.0 1.01.0 y y2 2 y y3 3 y y6 6 x xF F x x2 2x x1 1 x xD D b b n回流量增大的极限是将塔顶汽相冷凝后全部回流量增大的极限是将塔顶汽相冷凝后全部 送回顶层塔板作回流，称为送回顶层塔板作回流，称为全回流全回流 R =L/D D =0, W =0, F =0 精馏段和提馏段操作线为对角线精馏段和提馏段操作线为对角线 y=x 每层塔板的分离能力