精馏分离过程的进展课件

分离过程的进展段占庭2004.6.13分离过程的进展段占庭1目录1.精馏技术的进展2.萃取分离技术3.吸附分离技术4.膜分离技术5.结晶分离技术6.精细化工中的分离工程与清洁生产技术7.石油化工中的分离工程与节能技术8.结论目录2概论现代化学工程现代化工：基础化工：三酸二碱（传统煤化工）化肥工程:（传统煤化工）石油化工：合成塑材、合成纤维、合成橡胶精细化工：制药、农药、燃料、助剂、日化等生物化工：环境化工、农业化工、资源化工等现代化工涉及到：人民的衣、食、住、行、健康以及能源、资源、环境等重大问题。概论现代化学工程3现代化工发展的特点1.生产规模大型化原油常减压蒸馏装置：50万吨/年—500万吨/年—1000万吨/年。乙烯裂解装置：5万吨/年—30万吨/年—80万吨/年—120万吨/年。精馏塔：直径达18米反应器：几百立方米2.产品纯度趋向试剂化产品质量要求愈来愈纯杂质含量<几个PPM3.生产装置的最佳化从单个设备设计到单元操作的优化整个生产过程过程和系统优化。现代化工发展的特点1.生产规模大型化4化学工程是过程工业的技术基础现代化学工程的重要性日益突出反应工程——工程放大分离工程——精密分离化工系统工程——最优化化学工程的基础化工热力学传递过程原理化学工程是过程工业的技术基础5化学、化工工艺与化学工程的关系化学工程化学工艺化学仪表控制工艺与过程结合设备与过程结合目前企业缺乏工程技术，在许多关键技术和装备上落后。光重视产品开发，不重视工程技术的研究原料精制反应反应产物的分离、纯化反应与分离的相辅相成化学、化工工艺与化学工程的关系化学化学仪表工艺与过程结合目前61.什么叫分离工程定义：分离工程是一门研究分离过程与设备的技术科学。分离过程是化工生产的重要组成部分，包括原料的净化，产品的精制提纯，物料的浓缩，混合物的分离等。分离过程有多种，主要包括精馏、吸附、结晶等等。广义：凡是一个混合物分离成二个以上组成彼此不同产品的生产过程，都属分离过程。1.什么叫分离工程7条件：分离过程是混合的反过程，不可能自发进行。1）分离的基础——推动力被分离组分具有某种物理或化学性质的差异2）加入能量——分离剂必须与外界进行能量与质量交换，外加能量或质量分离剂3）分离的实施——分离设备在设备内进行流体流动，传质、传热和反应过程。分离科学是一门研究被分离组分在空间移动和再分布的宏观和微观变化规律的学科。条件：分离过程是混合的反过程，不可能自发进行。8分离工程的发展历史：在“化工刊物”上记载我国古代酿酒、制糖早已采用蒸馏、结晶等分离技术。发源于我国，发展于欧洲石油化工生产。（1）手工作坊阶段小批量，间歇，实验室，经验和工艺。（2）单元操作阶段十九世纪中，石油化工发展，精馏、吸附成为化工重要单元，连续化，传质过程，相似理论，准数，半理论半经验。（3）分离科学阶段20世纪70年代，对分离技术提出更高要求，原有单元操作应用面越来越广，各种新分离技术不断出现。

分离工程的发展历史：在“化工刊物”上记载我国古代酿酒、制糖9分离工程发展趋势1）高效节能：如膜分离2）种类越来越多：物理、化学等等3）单一过程向组合过程发展4）操作方式不断改进：间歇—连续—周期循环5）操作条件：向低温高压发展，适应生物等特点分离工程发展趋势1）高效节能：如膜分离10分离技术在国民经济中的重要意义

应用面广：资源、环境中的化工分离过程。影响深远：是提高工程经济效益的有力途径，称为提高质量、降低物耗、能耗的分离技术。（1）提高质量精细化工不精，产品质量与国际标准差一个档次，目前国内粗品多，精品紧缺。1-氨基蒽醌<95%，7万元/吨，>98%，9万元/吨分离技术在国民经济中的重要意义应用面广：资源、环境中的化工11（2）提高收率、降低物耗煤油，拔出率1%，效益几个亿溶媒回收，各个药厂，每月上千万元（3）降低能耗精馏节能，溶液浓缩等（4）资源的深加工和综合利用有害物质的去除，有用物质的提取植物油脂天然香料（2）提高收率、降低物耗12传质分离过程的理论探讨目的意义：原有的单元操作应用面愈来愈广新分离技术迅速发展需要系统的探讨传质分离过程的共同原理和规律定义：J.King分离过程是将一个混合物分离成两个以上组成彼此不同的产品的生产过程性质：不可能自行进行，需要以下条件1）分离的基础2）分离剂3）分离设备传质分离过程的理论探讨目的意义：13传统的传质理论：单相扩散传质过程：Fick定律，推动力两相接触的传质过程：双膜理论，表面更新理论，表面渗透理论，双阻力理论等，传质速率方程问题：组分相界面是如何传递的？不能解释热扩散，反渗透等传质分离机理。矛盾：浓度差引起的扩散传质是一种高浓度向低浓度迁移的过程，而分离过程是不可能自发进行的。传统的传质理论：两相接触的传质过程：双膜理论，表面更新理论，14非平衡热力学的观点：传质分离过程的进行必然同外界发生能量或质量的交换，因此：1）系统是一个开放体系，而不是封闭体系2）体系属于非平衡态，而不是平衡态分离过程：组成的变化必然与系统熵的变化有关，而熵的变化可分为两部分其中：des为熵流项，体系与环境进行能量或质量交换所引起的dis：体系内部不可逆过程所产生的非平衡热力学的观点：其中：des为熵流项，体系与环境进行能量15传质分离过程的机理：体系能量或质量交换环境ds<0（虽然dis>0,但des<0）驱使系统向有序位移：L.Prigcginc非平衡可能是有序之源的著名观点传质分离过程的机理：体系能量或质量交换环境ds<0（虽然16传质分离过程的进行必然同外界发生能量或质量的交换，因此：1）系统是一个开放体系2）体系属于非平衡态，而不是平衡态传质分离过程的进行必然同外界发生能量或质量的交换，因此：17在外加场作用下的平衡其中：des为熵流项，体系与环境进行能量或质量交换所引起的dis：体系内部不可逆过程所产生的分离过程：非平衡热力学的观点组成的变化必然与系统熵的变化有关，而熵的变化可分为两部分在外加场作用下的平衡其中：des为熵流项，体系与环境进行能量18精馏分离过程的进展课件19热力学的概念：任何不可逆过程均可写作广义的热力学流和广义的热力学的乘积之和。不可逆过程流JK力XK扩散物质流ji热传导热流化学反应反应速率热力学势就是产生广义热力学力的总称：包括自由能，化学位等等热力学的概念：扩散物质流ji热传导热流化学反应反应速率热力学20传质分离过程与化学反应过程的相似：化学反应过程：K1K2CA+B传质分离过程：desdisB（产品）+C（产品）A（混合物）传质分离过程与化学反应过程的相似：K1K2CA+B传质分离过21理想的传质分离过程：组成改变引起的即为分离的“最小功”在特殊情况下：例如吸收：扩散时的流：在极稀溶液时：Fick定律成立理想的传质分离过程：组成改变引起的即为分离的“最小功”在特殊22结论本文对传质分离过程原理进行了初步的理论探讨，认为分离体系的热力学势是广义的传质推动力，系统与外界进行能量或质量交换所引起的熵流是产生传质分离的根本原因，可以较好的解释各种分离过程的机理，为寻找和开发新的分离过程提供理论依据，为强化和改进各种分离过程指出方向。结论本文对传质分离过程原理进行了初步的理论探讨，23精馏技术的进展一、精馏设备的进展1.塔板的发展与斜孔塔板2.填料的发展与新型填料3.塔的改造与选型二、新精馏方法的研究1.问题的提出2.加盐萃取精馏3.反应精馏技术4.真空精馏技术三、精馏过程的节能1.精馏过程的节能2.精馏过程的改进与优化3.萃取—精馏联合过程4.精馏操作的新方法精馏技术的进展一、精馏设备的进展24前言精馏是一种最重要的分离技术特点：1.普遍性：分离基础为沸点差（挥发度不同）2.简单、方便：分离剂是热能3.适于连续化大规模生产前言精馏是一种最重要的分离技术25发展：发源于古代酿酒、炼油。19世纪中由于石油化工的发展而成为化工生产中最重要的单元操作20世纪国外发展三个阶段：50年代：生产规模扩大浮阀塔板为代表精馏设备的研究60年代：计算机汽液平衡严格计算精馏过程的模型化，色谱技术70年代：精细化工精密分离，特殊精馏精馏方法能源危机节能技术，热泵精馏，多效精馏

我国精馏技术的现状，在许多方面已接近国际先进水平。发展：26精馏设备的进展1.塔板的发展与斜孔塔板1）新型塔板的发展方向（1）采用喷射操作，提高允许气速。从百叶窗板，舌形板，浮动喷射板到网孔塔板，垂直筛板等新型塔板。主要特点：采用喷射操作，提高允许气速操作状态转变：泡罩筛板舌形等鼓泡泡沫喷射缺点：弹性差，效率低精馏设备的进展1.塔板的发展与斜孔塔板泡罩筛板舌形等鼓泡泡沫27百叶窗塔板百叶窗塔板28（2）采用浮动结构，增大操作范围从浮阀板的出现，以及在此基础上的一系列改进，浮动喷射，浮动舌形，角钢塔板，矩形浮阀，管子浮阀，锥心浮阀，浮动筛板等等。共同特点：采用浮动结构，可以调节开孔率，增大操作范围，适应负荷变化，ф=5-9。缺点：结构复杂，可靠性差。（3）采用导向孔等，减少液面落差和返混最突出的是林德板（LindeTray），采用导向孔，利用气流推动液体流动，减少液面落差，防止返混，达到高效低租的目的，适应减压精馏的需要。缺点：导向孔设计复杂。（2）采用浮动结构，增大操作范围29导向塔板导向塔板30（4）采用多溢流管结构，改进液流通道最典型的是MD板MD板主要是对溢流管进行改进，采用长条形降液管端悬在泡沫层，相邻两层塔板降液管交错90度，由于降低了单位堰长的液流强度，缩短了液流路程，使板上液层较低，汽液分布均匀，提高液体负荷，降低板间距。缺点：检修不便，液膜控制体系效率下降。（4）采用多溢流管结构，改进液流通道31MD塔板MD塔板322）斜孔塔板的研究与应用(1)斜孔塔板的结构思想阻碍塔板生产能力提高的主要因素：a.在高气相负荷下，产生过量的液沫夹带，引起效率η下降。b.在高的气液负荷下，塔板阻力太大，造成液泛关键：塔板上气液流动是否合理。塔板上汽液流动的分析：理论分析：实际操作的最大允许气速远低于理论值。真正影响液沫夹带的是局部速度。2）斜孔塔板的研究与应用33直喷，局部速度WO>W空，不利于生产能力提高筛板直喷，局部速度WO>W空，不利于生产能力提高筛板34浮阀水平喷出相互干扰不利于生产能力提高

浮阀水平喷出相互干扰不利于生产能力提高35浮喷水平喷出，无干扰同一方向，不断加速有利于生产能力提高不利于汽液接触浮喷水平喷出，无干扰36塔板上合理的气液流动，交错排列的斜孔。水平喷出，无互相干扰。气体分布均匀，避免气流不断加速，有稳定液层。（2）吸取多降液管板(MD板)的降液管结构，形成三种类型的斜孔塔板：1.斜孔单溢流塔板，塔径800—2000,减压，常压。2.斜孔多溢流塔板，L↑,塔径D＞1500，大液体负荷塔。3.斜孔多溢流边沿气密封塔板，塔径D＜800，小塔。塔板上合理的气液流动，交错排列的斜孔。水平喷37精馏分离过程的进展课件382.热模对比实验（3）斜孔塔板的主要特点:生产能力大：在同样情况下，比浮阀塔约高30—40%。塔板效率高：一般等于或稍高于浮阀板。有一定弹性：一般Φ=2.5—3.0，可满足生产要求，结构简单，加工成本低，不堵塞目前已在一百多座塔中应用，是一种性能较好的塔板。（4）改进的复合型斜孔塔板，操作弹性可达3—4，是性能更为优异的通用型塔板。2.热模对比实验39减压精馏结果减压精馏结果40常压精馏结果常压精馏结果41装置名称塔径(mm)体系实验内容研究目的小型冷模150空气-水流体力学现象确定塔板结构小型热模150酒精-水精馏效应传质效果冷模放大600空气-水流体力学数据放大效应热模放大600苯-甲苯,乙苯-苯乙烯大塔板效率工业体系的精馏效率冷模600空气-水-氧流体力学,氧解析与浮阀塔对比热模800苯-甲苯,乙苯-苯乙烯常、减压精馏与浮阀塔对比表斜孔塔板的实验研究过程

装置名称塔径(mm)体系实验内容研究目的小型冷模42一种复合斜孔塔板为了提高斜孔塔板的弹性，我们设计了一种复合的斜孔塔板，由二部分斜孔组成：①交错排列的固定斜孔70—80%②定向排列的浮动斜孔20—30%前者是汽液接触的主要区域。后者可以起二个作用：一是导向孔(类似Linde板)，推动两侧液体流动，减少死区和返混；二是调节开孔率(类似浮舌),增加操作弹性。一种复合斜孔塔板为了提高斜孔塔板的弹性，我们设计了一种复合的43精馏分离过程的进展课件44精馏分离过程的进展课件45其特点：1.宽的操作弹性范围,Φ=3—42.高的生产能力,开孔率S=15—17%3.低的液层和阻力这种塔板已获专利授权，专利号：94208510.8它的性能明显优于舌形、浮舌、网孔、林德板以及导向浮阀等等。其特点：461.降液管2.溢流堰3.固定斜孔4.浮阀斜孔5.受液盘复合斜孔塔板板面布置图（单溢流）1.降液管2.溢流堰3.固定斜孔4.472.填料的发展与新型填料1)填料的种类哈埃派克环阶梯环拉西环环型类隔板环螺旋环十字格环θ环勒辛环米字内筋井字内筋鲍尔环比阿雷茨基环短拉西环鞍型类马鞍型矩鞍型鞍型改进矩型鞍鞍环类莱佛厄派克环（环→鞍）金属环矩鞍（鞍→环）2.填料的发展与新型填料哈埃派克环阶梯环拉西环环型类隔板环螺482）填料的发展（1）改变形状，增加接触面积拉西环—佰松环—马鞍—鲍尔环形状愈来愈复杂（2）改善表面润湿，增加有效面积突出物—θ环—麦克马洪等丝网，高效填料（3）改善分布，采用规则填料波纹板—丝网波纹—多孔波纹—刺孔波纹—拉孔波纹等2）填料的发展493）填料塔的若干问题（1）各种填料的分离效果根据F.R.I专家介绍，在工业塔上实验认为：各种填料的HETP只与其尺寸有关：散装：1”—500mm规则：3502”—700mm25070”—1000mm150（2）散装填料与规则填料在大液量时，规则填料不稳定，有悬浮和易堵塞时，规则填料不如散装填料。在成本和阻力，规则优于散装填料。3）填料塔的若干问题50（3）填料塔性能的关键是分布器初始分布——液体分布器重要塔内液体再分布更重要而目前没有好的液体再分布器根据F.R.I工业实验H>6英尺，效果下降（4）目前填料塔存在的问题a.成本高，整塔填充用量大b.易堵塞，不适于聚合、悬浮物料体系c.大液相负荷下，易返混和短路，效率下降d.不适于多侧线采出塔（3）填料塔性能的关键是分布器51精馏分离过程的进展课件52精馏分离过程的进展课件53精馏分离过程的进展课件544）精馏塔改造与选型的若干问题（1）各种精馏塔其要求不同提高生产能力为主的塔提高分离效率的塔要求阻力小的塔塔内液相负荷很大的塔物料易堵塞、自聚的塔4）精馏塔改造与选型的若干问题55（2）各种精馏塔各有优缺点选型时主要考虑的因素生产能力、分离效率、阻力、弹性、结构、成本、堵塞、检修等各种塔板和填料都有优点和缺点关键在于选型是否合适（方案）（2）各种精馏塔各有优缺点56（3）各种精馏塔存在的问题不同具体情况要具体分析限制塔生产能力的因素气相负荷夹带量液相负荷溢流量（3）各种精馏塔存在的问题不同57新精馏方法的研究问题提出：当前生产发展的主要矛盾：六十年代：生产能力，扩大设备八十年代:产品质量、成本，采用新技术提高工厂的经济效益是当前生产发展的主要矛盾。新精馏方法的研究问题提出：58设备结构的改进不解决本质问题例1.兰化丙烯聚乙腈萃取精馏塔例2.燕化碳四抽提萃取精馏塔例3.燕化丙酮精馏塔许多难分离物料的分离是普通精馏方法所不能解决的，因此需要进行新精馏方法的研究。1）沸点相近组分的分离—加盐萃取精馏2）高纯物质的生产技术—反应精馏技术3）高沸点热敏物质的精馏—真空精馏技术设备结构的改进不解决本质问题59（一）加盐萃取精馏技术1.加盐萃取精馏原理提出：普通精馏很难分离沸点相近的组分萃取精馏的主要缺点：溶剂比大，一般S/F，5-10以上。因而引起：液相负荷高，板效率低（20-25%）塔能力小。溶剂循环量大：物耗、能耗高。关键：分离剂盐效应盐对汽液平衡的影响机理：宏观：盐溶、盐析沸点上升、蒸汽压下降微观：介电常数、静电力分子缔合（一）加盐萃取精馏技术60溶盐精馏把盐效应应用于精馏、分离剂为固体溶盐几种溶盐精馏的方式缺点：盐的回收循环困难分析综合优点缺点萃取精馏溶剂为液体溶剂比大易于工业应用分离效果差溶盐精馏演的分离效果好盐是固体，回收盐用量小循环困难加盐萃取精馏、溶剂+盐溶盐精馏优点缺点萃取612.加盐萃取精馏的研究实验研究1）盐和溶剂的选择2）含盐体系的汽液平衡3）加盐萃取精馏的工艺实验技术指标的比较以乙醇-水体系、与国外先进技术比较生产方法溶剂比S/F理论板数乙二醇萃取精馏5：149加盐萃取精馏1：116-18该技术成果，荣获：北京市科技成果一等奖，国家发明奖三等奖，日内瓦国际发明青铜奖。2.加盐萃取精馏的研究生产方法溶剂比S/F理论板数乙二醇萃取62精馏分离过程的进展课件633.工业应用1）加盐萃取精馏制取无水乙醇在生产无水乙醇各种工艺的比较加盐萃取精馏生产无水乙醇的产品质量和经济效益：质量：水含量<0.2%，化工部优质奖效益：每吨，利税>1000元目前已在国内广泛应用。2）提纯叔丁醇粗叔丁醇88%，有共沸点，分离困难。中试结果，产品质量，纯度>99%，已具备工业应用条件。3.工业应用643）回收异丙醇共沸精馏能耗大，苯污染加盐萃取精馏，回收异丙醇节能30%以上已设计1.2万吨/年异丙醇装置投产成功4）提浓和回收稀盐酸大量稀盐酸的回收难题，污染环境加盐萃取精馏，破坏共沸点，从稀盐酸生产试剂盐酸、废水排放酸<0.1%以下3）回收异丙醇65反应精馏技术反应与精馏的结合：平田（日）精馏反应Holve（英）反应精馏提高反应转化率改变相对挥发度1.反应萃取精馏制取高纯丙酮、丁酮可逆反应于精馏，极大的提高分离效果分离剂：溶剂溶盐反应剂作用力：范德华<离子静电力<络合健力反应精馏技术反应与精馏的结合：66精馏分离过程的进展课件67可逆反应的设计对有机物脱水：乙二醇+NaOH乙二醇钠+H2O流程原料反应萃取精馏精馏回收溶剂产品1.反应萃取精馏制取高纯丙酮、丁酮实验：丙酮、丁酮脱水溶剂比：1：1理论板4-5块产品水含量<0.05%可逆反应的设计乙二醇+NaOH乙二醇钠+H2O流程原料反应萃682.催化酯化精馏生产乙酯、丁酯利用精馏分离反应产物，提高反应的转化率酯化反应存在的酸腐蚀等问题采用无酸催化剂解决：催化条件与精馏条件的矛盾反应精馏过程的设计为酯化反应过程提供先进技术2.催化酯化精馏生产乙酯、丁酯69真空精馏技术真空精馏分离高沸点热敏物质在石油化工、精细化工中的地位和意义：1.汽化冷凝结合的真空精馏原理：真空精馏中分离效果与阻力的矛盾，塔板与填料的研究，达到高效、低阻的困难，普通精馏与分子蒸馏的比较：普通精馏：分离基础：相对挥发度不同分离剂：热能、轴向流动实现分离：相变、组分在二相间分配不同汽液接触、扩散传质真空精馏技术真空精馏分离高沸点热敏物质在石油化工、精细化工中70分子蒸馏：分离原理：组分分子量不同，在高真空下分子的平均自由程不同。特点：高真空（>10-3）短程蒸馏，阻力小汽化冷凝结合的真空精馏技术热分离相变（汽化冷凝）部分汽化汽相液相部分冷凝易挥发组分难挥发组分特点：分离剂热能，径向流动短程精馏，达到阻力很小、分离效果高。分子蒸馏：71精馏分离过程的进展课件72卧式塔由水平卧式塔，包括加热部件和冷凝部件组成，1986年批准发明专利。分离效果：每米8-10