化工分离工程教学课件PPT.ppt
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1、1.2 传质分离过程的分类和特征,一类:机械分离,特点:被分离物为非均相;将混合物简单分离,如:过滤、沉降,化工原理内容,二类:传质分离特点:被分离物为均相;包括:平衡分离过程,速率控制分离。,1.2.1 平衡分离过程,分离媒介:能量、物质、压力。,借助分离媒介,使均相混合物系统分离为两相系统,再以混合物中各组分在处于相平衡的两相中不等同的分配关系为依据而实现分离。,1.2.2 速率分离过程,膜分离热扩散,第2章 单级平衡过程,2.1 相平衡 2.2 多组分物系的泡点和露点计算2.3 闪蒸过程的计算2.4 液液平衡过程的计算2.5 多相平衡过程,进行闪蒸计算之前,需要核实闪蒸问题是否成立!,核
2、实方法:,第一步:假设闪蒸温度为进料的泡点温度,则Kizi=1,若Kizi1,说明,第二步:假设闪蒸温度为进料的露点温度,则(ziKi)=1,若(ziKi)1,说明,只有当TBTTD 时,才构成闪蒸问题。,反之,若Kizi1,则为过冷液体;若(ziKi)1,则为过热蒸汽。,TTB;,TTD;,3.1 设计变量3.2 多组分精馏过程3.3 萃取精馏3.4 共沸精馏3.5 反应精馏和加盐精馏,第3章 多组分精馏和特殊精馏,例3.绝热简单平衡级,3.1.2 装置的设计变量,例4.简单吸收塔(N块理论板串级),吸收塔设计变量:,指定为理论板数或关键组分吸收率,3.1 多组分精馏过程,3.2.1 多组分
3、精馏过程分析3.2.2 最小回流比3.2.3 最少理论塔板数和组分分配3.2.4 实际回流比和理论板数3.2.5 多组分精馏的简捷计算方法,3.2.1 多组分精馏过程分析,一、关键组分(Key Components),Na=串级数(2)分配器(1)侧线采出(0)传热单元(2)=5(可调设计变量),对于多组分精馏,待定设计变量数仍是2,所以只能指定两个组分的浓度,其他组分的浓度则相应确定。,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。,根据组分是否在精馏塔的两端都出现,可分为分配组分(distributing component)和非分配组分(nondistribution compo
4、nent)。,清晰分割(sharp split or sharp separation):馏出液中除了重关键组分之外,没有其它重组分;釜液中除了轻关键组分之外,没有其它轻组分。,定义AB为相对挥发度的几何平均值:,代入(3-7)式,可解出最少理论板数Nm:,(3-8),Fenske方程,(1)进料板位置:把进料当作塔顶(或塔釜)。,(2)各段理论板数:,(3)组分分配:将Fenske方程变形可得各组分 流量分配。,列方程;,将D、W代入表中,完成物料衡算表:,2.求最少理论板数:,3.核实清晰分割的合理性:,4.调整 以前面结果为初值,进行试差,解得:D=38.54,W=61.47。完成物料衡
5、算表:,例33:计算已知:1。2.分离要求,解:选甲苯为LK,异丙苯为HK,二甲苯为中间关键组分。物料分配时要对二甲苯试差。,1.设(依据相对挥发度估计),其他组分按清晰分割法处理,初算结果如下表。,2.由初算结果核算,核算中间组分:,核算LNH组分B:,核算中间组分:,5.重复3的计算,完善物料衡算表,3.2.4 实际回流比、理论板数、进料位置,一、实际回流比R塔顶液相回流是保证精馏塔连续稳定操作的 必要条件;回流比是影响精馏塔设备投资和操作费用的 重要因素;回流比是精馏过程设计计算的重要参数。,由经验取:R=(1.11.5)Rm,当 R ROP,总费用随R的增大而急剧增加;当R ROP,总
6、费用随R的减少而急剧增加。,二、理论板数,有了实际回流比和最少理论板数,求实际理论板数常用的经验方法有:Gilliland图、Erbar-Maddox图。,适用于相对挥发度变化不大的情况,适用于非理想性较大的情况,图3-9 Gilliland图 图3-10 Erbar-Mddox,Gilliand图和拟合形式:,用Gilliand图简便、但不准确,回归的经验式为:,已知X,由(316)或(317)解出y。,在操作回流比下精馏段与提馏段理论板数之比等于在全回流下用Fenske方程分别计算得到的精馏段与提馏段理论板数之比。,三、适宜进料位置的确定,例3-4 分离烃类混合物 例3-1 求出Rm=1.
7、306;例3-2求出Nm=6.805和物料 衡算表;本题求N,进料位置。解:1.求R R=1.25Rm=1.634,3.确定进料位置,塔中实际板为18块,运用Fenske方程,采用进料和馏出液中关键组分的摩尔比计算精馏段Nm。,2.萃取精馏的原理和溶剂的选择,(1)溶剂的作用,设组分1和组分2组成的混合物,加入溶剂S进行分离。,常压下的相对挥发度:,液相活度系数可由三组分Margules方程求算:,若(p1S/p2S)与温度关系不大,x1=x1,则:,溶剂的作用:改变组分间的相互作用;稀释作用。,提高溶剂的选择性可以:,1)提高xS,即加大溶剂用量稀释作用;,2)选择适宜溶剂,改变组分相互作用
8、,如使 A1S变大(正偏差),A2S变小(负偏差),从而提高相对挥发度。,与原溶液和溶剂的性质有关,(3-24),溶剂的选择性,极性因素,非烃类混合物考虑分子极性 例:分离甲醇(沸点64.7),丙酮(沸点65.5),a.选烃作溶剂,丙酮为难挥发组分,提高甲醇的挥发度;b.选水作溶剂,甲醇为难挥发组分,提高丙酮的挥发度;,极性顺序:由小到大,考虑同系物,分离甲醇和丙酮混合物:可选择溶剂:甲乙酮,甲丙酮,甲基异丁酮等;或 乙醇,丙醇,水,丁醇等。烃类物质 lnS12(V1-V2)与分子体积差成正比(V1-V2)/V1 5%,主要考虑物理作用,选极性高的溶剂(V1-V2)/V1 5%,体积接近,主要
9、考虑溶剂的络合作用,3.4 共沸精馏,共沸精馏又称恒沸精馏。,分离原理:与萃取精馏基本相同,不同之处是共沸剂(夹带剂,携带剂)在影响原溶液组分的相对挥发度的同时,还要与原溶液中一个或多个组分形成共沸物。,共沸物(恒沸物):定压下,加热溶液使之蒸发,从始到终x、y、T不变的溶液。共沸物特征:一个汽相,一个液相,均相 一个汽相,多个液相,非均相,一、共沸物的特性及其组成的计算,科诺瓦洛夫定律指出:适用于二元和多元 Px曲线极值点,相当于汽液平衡相组成相等。共沸现象原因:真实溶液与理想溶液产生偏差。,1、二元系,(1)二元均相共沸物,系统压力不高时,汽相视为理想气体:,共沸点处:,共沸参数(x、T、
10、P)(共沸点、共沸组成)预测,2、三元系,计算方程:,校核方程:,四 共沸精馏的计算,1、共沸剂用量的计算,共沸剂用量的确定用杠杆规则:WsSA=FFA Ws共沸剂用量,例题:分离含乙醇90(摩尔分数)、水10的混合液制备无水乙醇,用苯作共沸剂,采用共沸精馏方法。乙醇水苯形成三元共沸物,其组成为乙醇22、水24、苯54。求共沸剂用量,可以得到多少无水乙醇?解:以100mol为准。设苯加入量为S,正好与水形成共沸物。(1)水全部以共沸物形式由塔顶采出,对水作物料衡算:1000.1=D0.24 D=41.67mol,(2)苯全部以共沸物形式由塔顶采出,对苯作物料 衡算:S=D0.54=22.50m
11、ol(3)对乙醇做全塔物料衡算:1000.90D0.22W乙醇 W乙醇=80.83mol,反应精馏:在反应进行的同时,用精馏方法分离产物的过程。反应精馏的基本条件:化学反应的可逆性;物系有较大的相对挥发度;反应的温度压力条件与精馏过程相似。,3.5 反应精馏和加盐精馏,一、反应精馏,1.反应精馏的应用两种类型(1)利用精馏促进反应(2)通过反应促进精馏分离(1)利用精馏促进反应的反应精馏例:酯化:醋酸与乙醇生成醋酸乙酯;酯交换:醋酸丁酯与乙醇反应;皂化:氯丙醇皂化生成环氧丙烷。,实现该反应精馏过程的基本条件:1.反应是快速可逆的,反应产物仅仅存在于塔内;2.添加剂必须选择性地与异构体之一反应;
12、3.添加剂、异构体和反应产物沸点之间的关系符 合精馏要求。,1.反应过程与精馏分离条件相似;2.反应物和产物的相对挥发度应符合:所有产物的相对挥发度都大于或小于所有反应物 的相对挥发度;所有反应物的相对挥发度都介于产物的相对挥发 度之间;如果:,反应精馏的局限性,无法采用反应精馏,1.盐效应 盐加入非电解质水溶液中,非电解质溶解度发生变化。有盐析和盐溶效应。2.盐对气液平衡关系的影响 对精馏分离,盐效应引起的气液平衡关系变化是最重要的。绝大多数含水有机物,加入盐后,可增加有机物的相对挥发度;盐可以移动含水有机物的共沸点,甚至消失。,二、加盐精馏,人们发现:盐倾向于使液相中溶解盐较少的组分在气相
13、中增浓,而且溶解度差别越大,对气液平衡影响越大。例如乙醇水溶液。宏观解释:溶盐后,蒸气压下降。由于不同组分对盐溶解度不同,蒸气压下降程度不同。例如CaCl2对乙醇水溶液气液平衡的影响。CaCl2在水中溶解度大于乙醇,所以水蒸气压下降程度大于乙醇蒸气压下降,乙醇对水的相对挥发度增加。微观解释:静电作用,相互反应。,第五章 液液萃取,5.1 萃取过程与萃取剂5.2 液液萃取的计算5.3 其他萃取过程,萃取过程机理可分为四种类型:简单分子萃取:中性溶剂络合萃取:萃取剂与被萃取物结合成中性溶剂络合物进入有机相;主要有中性磷化合物萃取剂和含氧有机萃取剂;,酸性阳离子交换萃取:萃取剂为弱有机酸或酸性螯合剂
14、,与金属离子结合为中性螯合物;选择性高;主要有酸性磷萃取剂,螯合萃取剂,羧酸萃取剂;离子缔合萃取:萃取剂与被萃取物结合成离子缔合体进入有机相。,萃取剂需具备两个条件:分子中有一个萃取功能基,主要是O、N、P、S等原子,以O最多;分子中有相当长的链烃或芳烃。一般分子量以350500为宜。萃取剂主要有4类:中性络合萃取剂:醇、酮、醚、酯、醛、烃等;酸性萃取剂:羧酸、磺酸、酸性磷酸酯;,三、萃取剂,第6章 多组分多级分离的严格计算主要内容及要求:学习并掌握多组分多级分离过程理论模型的建立及求解。重点:泡点法(BP法)、流率加和法(SR法)。,第七章 吸附(Adsorption),7.1 概述7.2
15、吸附平衡7.3 吸附动力学和传递7.4 吸附分离过程,二、吸附过程的分类,根据作用力的不同,分为:物理吸附(Physisorption);化学吸附(Chemisorption)。,吸附过程包含的作用力,范德华力静电作用疏水作用氢键化学键(化学吸附),非共价作用,吸附过程的选择性:标准,分子量或大小吸附质形状极性静电电荷,空间(立体),化学性质,吸附分离的效果很大程度上取决于吸附剂的 性能,工业吸附要求吸附剂满足以下要求:吸附能力大具有较大的比表面,吸附容量大;选择性高吸附剂对不同的吸附质具有不同的 吸附能力,其差异愈显著,分离效果愈好;足够的机械强度抗磨损;良好的物理及化学稳定性耐热冲击,耐腐
16、蚀;容易再生;易得,价廉。,三、吸附剂(adsorbent),从技术经济性考虑,吸附分离方法要有现实意义,吸附量应达到0.1g/(g吸附剂)以上。吸附剂的比表面积一般应为数百-1000m2/g,高者可达3000 m2/g。要达到这样大的表面积,必须使用多孔材料。典型的工业吸附剂可以被制成球状、圆柱体、片状或粉体,颗粒尺寸在50m到1.2cm,比表面积在3001200m2/g。,吸附剂的主要结构特征:,1.多孔结构(多孔、立体网状);2.较大的比表面积。,选择性吸附是吸附剂的关键性质。根据吸附剂表面的选择性,吸附剂又分为:1.疏水吸附剂;2.亲水吸附剂,吸附特性:非极性吸附剂,在极性介质中,对非
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