化工分离工程

1、化工别离工程第一章绪论1.1 概述1.1.1 别离过程的开展与分类随着世界工业的技术革命与开展,特别是化学工业的开展,人们发现尽管化工产品种类繁多,但生 产过程的设备往往都可以认为是由反响器、别离设备和通用的机、泵、换热器等构成.其中离不开两类关键操作：一是反响器,产生新物质的化学反响过程,其为化工生产的核心；-其中离不开两类 关键操作：一是反响器,产生新物质的化学反 应过程,其为化工生产的核心；-于是研究化学工业中 具有共同性的过程和设备的规律,并将之运用于生产的“化学工程这一 学科应运而生.别离过程可分为机械别离和传质别离两大类.机械别离过程的对象都是两相或两相以上的非均相混合物,只要用简

2、单的机械方法就可将两相别离,而两相间并无物质传递现象发生传质别离过程 的特点是相间传质,可以在均相中进行,也可以在非均相中进行.传统的单元操作中,蒸发、蒸储、 吸收、吸附、萃取、浸取、枯燥、结晶等单元操作大多在两相中进行.依据处于热力学平衡的两相组成不相等的原理,以每一级都处于平衡态为手段,把其他影响参数均归纳于效率之中,使其更符 合实际.它的另一种工程处理方法那么是把现状和到达平衡之间的浓度 梯度或压力梯度作为过程的推 动力,而把其他影响参数都归纳于阻力之中,传递速率就成为推动力与阻力的商了 .上述两种工程 处理方法所描述的过程,都称作平衡级别离过程.别离行为在单级中进行时,往往着眼于气相或

3、液 相中粒子、离子、分子以及分子微团等在场 的作用下迁移速度不同所造成的别离 .热扩散、反渗 透、超过滤、电渗析及电泳等别离过 程都属此类,称速率限制别离过程,都是很有开展潜力的新别离 方法.综上所述,别离过程得以进行的根底是在“场的存在下,利用别离组分间物理或化学性质 的差异,并采用工程手段使之到达分 离.显然,构思新奇、结构简单、运行可靠、高效节能的别离 设备将是别离过程得以实 施乃至完成的保证.1.1.2 别离过程的地位广泛的应用、科技的开展、环境的需要都说明别离过程在国计民生中所占的地位和作用,并展示 了别离过程的广阔前景：现代社会离不开别离技术,别离技术开展于现社会.1.2 别离分子

4、组分i和J的通用分高因一 f a l 11为二组分在严品l中的摩尔分率的比值除以在产品 2中的 比值.显然,r的单位可以用组分的质量分率、摩尔流量或质量流量 ,其所得的别离因子值不变.1.3 过程开发及方法(1 )开发根底研究：针对工程的应用性根底研究和工艺特征研究,以实验室研究为主体(2 )过程研究：进行工艺、产品、设备等的工程放大试验,包括模型试验、徽型中试、中间试验、 原型装置试验及工业试验的全部过程或局部过程.(3 )工程研究：包括技术经济评价、概念设计、数学模型、放大技术及根底设计等所以,化工新技术开发不外乎三个关键环节：概念形成到课题的选定、技术与经济论证(可行性)和放大技术.其中

5、, 放大技术是研究开发的核心.1 .逐级经验放大其根本步骤是：进行小试,确定操作条件和设备形式,以及可望到达的技术经济指标. 确定的依据是 最终产品质量、产量和本钱,并不考虑过程的机理.小试之后进行规模稍大的中试 ,以确定设备尺寸 放大后白影响(放大效应),然后才能放大到工业规模的大型装置 .2 .数学模型方法此法基于对过程本质的深刻理解,将复杂过程分解为多个较简单的子过程,再根据研究的目的进行合 理简化,得出物理模型.3 .4别离方法的选择1可行性要选择适宜的别离方法,首先应考查它的可行性.也就是说,应用该方法是否可能获得所期望的结 果.通过可行性判断,可以筛选适宜的别离方法.第二章精谓蒸储

6、(Distillation ):借助液体混合物中各组分挥发性的差异而进行别离的一种操作方法.简单蒸储(simple distillation) :混合液受热局部汽化,产生的蒸汽进入冷凝器种冷凝,分批收 集不同组成的储出液产品.平衡蒸储(equilibrium distillation) :釜内液体混合物被局部汽化,使气相与液相处于平衡状态, 然后将气相与液相分开,是一种单级蒸储操作.精储(rectification):液体混合物屡次进行局部冷凝或局部汽化后,最终可以在气相中得到较纯的易挥发组分,而在液相中得到较纯的难挥发组分.精储计算：物料衡算,热量衡算,相平衡关系 计算方法：双组份常用图解法

7、；多组分常用简捷法、严格计算法 普通精储不适用以下物料的别离：(1)待别离组分间的相对挥发度很接近于 1.此时,它们的别离需要很多理论板数和很大的回流比, 因此设备投资和操作费用很大,不经济.一般认为,当别离所需的理论板数大于100时,精储已不适用.(2)待别离组分形成恒沸物,此时相对挥发度等于 1,平衡的汽液两相组成一样,普通精储无法实 现别离.(3)待别离物料是热敏性的,或是在高温下易发生聚合、结垢、分解等不良反响的.(4)待回收的组分是难挥发组分,且在料液中含量很低.此时能量消耗太大,不经济.理论板、板效率和填料的理论板当量高度理论板:进入该板的不平衡的物流发生了充分的接触传质,离开了两

8、相的物流间到达了平衡；在该 板上发生传质接触的汽液两相各自完全混合,板上各点的汽相和液相浓度各自一样；该板上充分接 触后的汽液两相实现了机械上的完全别离,离开该板的汽流中不夹带雾滴,液流中不夹带气泡,也 不存在漏液.板效率:Emv二 yj - yj 1式中,分子为汽相经实际板接触传质后的增浓值；分母那么为经理论板后的增浓值；效率为两者之比 值.点效率、莫夫里板效率(干板效率)、湿板效率、总板效率理论板数只与相平衡关系、规定的别离要求和精储操作参数(进料热状况、回流比和液气比)有关, 表征物料到达规定别离要求的难易.系统物性对板效率的影响液相粘度：粘度高产生的气泡大,两相接触差,液相扩散系数小,

9、效率低；相对挥发度：相对挥发度大那么气相溶解度低,液相阻力大,板效率低；外表张力：外表张力对板效率影响相当小.二元精储计算图解法：在x-y图上作出平衡线和操作线、对角线和曲,精储段在精储段操作线与平衡线之间画得的梯级即为精储段的理论板数,在提储段操作线与平衡线画出的梯级数为提储段的理论板数.汽液平衡关系；相邻两板之间汽液两相组成的操作关系；原料液的组成；进料热状况；操作回流比;别离程度 精储段各组分的摩尔汽化燃相等；气液接触时因温度不同而交换的的显热可以忽略不计；塔的热损失可以 忽略不计操作线方程y =()x ()Xd提储段操作线方程y =Sx-1XbVbVbFeed stage consid

10、erations冷液进料、饱和液体、气液混合进料、饱和蒸汽进料、过热蒸汽进料进料热状态参数q：饱和蒸汽的摩尔焰原 料的摩尔焰q 二饱和蒸汽的摩尔焰-饱 和液体的摩尔焰q线方程：y=3 q -1)x-(言)平衡级与进料板位置确实定精微的简捷计算多组分精储 关键组分:进料中按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料的别离起限制 作用.挥发度大的称为轻关键组分LK,它在塔釜中的浓度必须加以限制,不能大于某个规定值； 两组分中挥发度大的称为重关键组分HK ,为到达别离要求,它在塔顶产品中的含量必须加以控 制.料液中比轻关键组分更易挥发的组分为轻非关键组分 LNK ,简称为轻组分；比重关键

11、组分更 难挥发的组分称为重非关键组分HNK ,简称为重组分.在多组分精储中,只在塔顶或塔釜出现的组分为非分配组分；而在塔顶和塔釜均出现的组分那么为分 配组分.LK和HK肯定同时在塔顶和塔釜出现,是当然的分配组分.多组分精储过程特性：对二组分精储,设计变量值被确定后,很容易用物料衡算式,汽液平衡式和热量衡算式从塔的任何 一端出发作逐板计算,无需进行试差.但在多组分精储中,由于不能指定储出液和釜液的全部组成,要进行逐板计算,必须先假设一端的组成,然后通过反复试差求解 精储塔的别离要求通常有两个,它们可以是产品的纯度和流量或回收率,但至少有一个应是纯 度.多组分精储与二组分精储在含量分布上的区别：在

12、多组分精储中,关键组分的含量分布有极大值；非关键组分通常是非分配的,即重组分通常仅出 现在釜液中,轻组分仅出现在储出液中；重、轻非关键组分分别在进料板下、上形成几乎恒浓的区 域；全部组分均存在于进料板上,但进料板含量不等于进料含量,塔内各组分的含量分布曲线在进 料板处是不连续的.在精储塔中,温度分布主要反映物流的组成,而总的级间流量分布那么主要反映了热量衡算的限制 最小理论板数Mn：精储塔在操作过程中,将塔顶蒸气全部冷凝,其凝液全部返回塔顶作为回流,称 此操作为全回流total reflux ,回流比R为无穷大R= °°.此时通常不进料,塔顶、塔底不采 出.故精储塔内气、液

13、两相流量相等,L = V,两操作线斜率均为1,并与对角线重合.由于全回流 操作时,使每块理论板别离水平到达最大,完成相同的别离要求,所需理论板数最少,并称其为最 小理论板数NU.芬斯克方程最小回流比Rmin：minXd - yeYe -Xe恩特伍德方程估算最小回流比:Q：iBXFi =1 -q二. iB 一 丁适宜回流比N -NminN 1= 0.75 1 R - Rmin0.5668多组分精储的FUGS捷计算方法 首先用芬斯克方程计算最少理论板数；计算给定条件下的最小回流比；应用吉利兰经验关联 式估算所需理论板数.FUGt适合于新塔的设计计算,习惯需要指定以下三个变量：实际回流流率与最小回流

14、流率之比； 参 考组分通常是重关键组分的切割程度；另一组分通常为轻关键组分的切割程度 精微的简捷计算例题-见课件严格的多组分精储计算精储的定态数学模型MES由程：组分物料衡算M,相平衡关联E,摩尔分率加和归一S,热量衡算H组分物料衡算M 方程:uij+wij+lij+vij-vi,j+1-li,j-1-fij=0i=1,c; j= 1,N相平衡关联E方程:i=1,c; j= 1,N摩尔分率加和归一S方程:j= 1,N热量衡算HP方程:j=1,N为进行精微的严格计算,除 MESH1型方程组外,q , hj和叶的关联式必须知道.基于上述定态数学模型的操作型算法可归并为两大类：1分块求解；2联列解.

15、王-亨克Wang-Henke 的三对角矩阵法属于分块解法.王-亨克算法的计算框图泡点法BP法ASPEN PLUS型流程模拟软件流程模拟的优越性第三章吸收吸收的定乂吸收别离过程的用途:获得产品、别离气体混合物、气体的净化、回收有用组分吸收剂不需要解吸再生的吸收装置：如硫酸吸收SO制HSO、水吸收HCl制盐酸、吸收甲醛制福尔马林、碱7吸收CO或SO制碳酸氢盐或硫酸盐等.流程图吸收剂进行解吸的吸收装置：1 .吸收剂价廉,但必须解吸后再弃去的吸收装置液化废气中提取氯；2 .减压冷再生流程合成氨中CO的解吸3 .气提冷再生流程氧化法吸收HS4 .间接蒸汽再生流程吸收过程的分类: 物理吸收：吸收剂与溶质之间没有化学反响发生；化学吸收：液相中发生化学反响.塔设备：填料塔：结构简单,造价低廉,制造方便,体积大,重量大,传质效率不高,操作稳定性差,容易 发生沟流现象板式塔：单位处理量大,重量小,清理检修方便,制造麻烦,投资费用大泡罩塔、筛板塔、浮伐 塔板式塔特性的比较填料塔本章重点填料的要求比外表积要大；能够提供大的流体通量；液体的再分布性能要好；填料装填后,床层结构均匀堆放的形状有利于液体向四周均匀分布既能垂直上下传递,而且能够横向传递要有足够的机械强度.填料塔中的传质速率渗透论传质开始时,气液两相各自内部的浓度是一致的,两者一开始接触就开始传质,气相溶质不断 溶解到液相中,接触时