精馏-化工分离工程课件.ppt
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1、化工分离工程第三章 精馏,精馏原理 精馏是分离液体混合物的单元操作,是利用混合物中各组分间相对挥发度 的差异及回流(R)的工程手段,实现组分的分离。不适宜用普通精馏进行分离的物系1)2),即待分离组分形成恒沸物,平衡的气液两相组成一样 3)热敏性物料:在高温下易发生聚合、结垢、分解等不良反应的。4)难挥发组分的稀溶液,3.1 多组分精馏 3.1.1 多组分精馏过程分析 3.1.2 多组分精馏的简捷(群法)计算法3.2 恒沸精馏 3.2.1 恒沸物和恒沸组成的计算 3.2.2 精馏曲线和恒沸剂的选择 3.2.3 恒沸精馏过程及计算 3.3 萃取精馏 3.3.1 萃取精馏过程 3.3.2 萃取精馏
2、的原理 3.3.3 萃取剂的选择 3.3.4 萃取精馏过程分析 3.3.5 萃取精馏过程平衡级数的简捷计算 3.3.6 萃取精馏操作设计的特点 3.3.7 恒沸精馏与萃取精馏的比较 3.4 加盐萃取精馏 3.4.1 盐效应及其对汽液平衡的影响 3.4.2 溶盐精馏 3.4.3 加盐萃取精馏,理论板、板效率,精馏过程的开发方法 1)板式塔:理论板=f(相平衡,分离要求,操作参数)板效率=f(传质速率,传质面积,返混,相平衡,设备等因素)理论板 实际板(E0)塔 高 2)填料塔:填料层高度Z=NHETP(理论板当量高度),精馏塔中的气液两相在塔板(板式塔)或填料(填料塔)表面接触传质,发生在塔板或
3、填料表面的两相传质量是由传质速率和传质界面面积决定,传质过程十分复杂。,理论板平衡级分离过程 理论板又称平衡级,是一个理想化的进行气液两相接触传质的场所。符合如下三个假定:1)进入该板的不平衡物流发生充分的接触传质,使离开该板的气液两相物流间达到相平衡;2)该板上汽液两相各自完全混合,板上各点的汽相浓度和液相浓度各自一样;3)无级间返混:即该板上气液两相实现了完全的机械分离,离开该板的汽流中不挟带雾滴、液流中不挟带气泡、也不存在板间漏液。,精馏操作开发的内容和步骤,精馏操作的开发目的 将 A+B 混合物 分离成A、B两股物料,要求:确定适宜的操作条件和参数 P,R,NT,q 工艺参数 确定适宜
4、的设备结构和尺寸 D,H,结构 设备参数,开发内容 1)多座精馏塔分离序列的安排(见第6章)2)精馏塔类型的选择(见化工原理)3)单座精馏塔的设计计算,具体包括:1)确定塔的直径和高度 2)确定适宜的操作条件和参数 3)进行再沸器和冷凝器的设计计算 4)进行塔的结构的设计计算,开发步骤(单座精馏塔的设计计算)1)确定操作压力;P 2)确定相平衡关系;TPXY 3)建立精馏操作的数学模型;MESH;4)解数学模型,求出操作参数(R、q)、和设备参数(NT、NF);5)板式塔:确定板效率,将理论板数转化为实际板数;填料塔:选定填料型式和尺寸,求取理论板当量高度HETP,从而算得填料层高度;6)板式
5、塔:确定塔板型式,求算塔径、塔高以及塔板的结 构尺寸;填料塔:计算塔径,进行液体和汽体分布器的设计。,精馏操作的开发步骤 相平衡,操作压力(P)建立数学模型(MESH),3.1 多组分精馏 3.1.1 多组分精馏过程分析 3.1.1.1关键组分 3.1.1.2多组分精馏过程的复杂性3.1.2 多组分精馏的简捷(群法)计算法 3.1.2.1清晰分割的物料衡算 3.1.2.2芬斯克法计算最小理论级数Nm 3.1.2.3最小回流比Rm和回流比 3.1.2.4平衡级数N的确定 3.1.2.5进料级位置 3.1.2.6简捷法计算平衡级数步骤,3.1.1 多组分精馏过程分析 3.1.1.1 关键组分(1)
6、轻、重关键组分(2)分配与非分配组分(3)清晰分割与非清晰分割 3.1.1.2 多组分精馏过程的复杂性(1)求解方法(2)摩尔流率(3)温度分布(4)组成分布,3.1.1 多组分精馏过程分析,多次单级分离的串联,简称精馏利用混合物中各组分的相对挥发度 不同,采用液体多次部分汽化,蒸汽多次部分冷凝等汽液间的传质过程,使汽液相间浓度发生变化并结合应用回流R手段,使各组分分离,精馏操作流程,精馏操作流程,简单塔,精馏操作流程,2、严格计算法操(作型计算)设备给定,进行工艺条件核算;,精馏计算,1、简捷计算法(设计型计算)给定分离任务,选择工艺条件。,精馏的定态数学模型有平衡级(理论板)和非平衡级两类
7、,本书讨论平衡级模型,多元精馏计算主要采用的方法,3.1.1.1关键组分,关键组分 定义:在设计或操作控制中,按分离要求选取的两个组分,(大多是挥发度相邻的两个组分)。它们在塔顶或塔底产品中的回收率(或含量)通常是给定的,因此,对于系统的分离起着决定性的作用。其中:轻关键组分:挥发度较大的组分,对它在塔釜产品中的含 量需有严格控制;并在进料液中比该组分轻的组分及该组 分的绝大部分应从塔顶采出。重关键组分:挥发度较小的组分,对它在塔顶产品中的含 量需有严格控制;在进料液中比该组分重的组分及该组 分的绝大部分应从塔釜采出。,对关键组分,塔顶回收率:,塔釜回收率:,非关键组分,关键组分以外的组分称为
8、非关键组分,轻非关键组分:比轻关键组分挥发度更大或更轻的组分,简称轻组分,重非关键组分:比重关键组分挥发度更小或更重的组分,简称重组分,设含有五组分的分离系统,挥发度依次递减:A,B,E,C,D 令:B,C为关键组分 则:B称为轻关键组分(LK)C称为重关键组分(HK)A称为轻非关键组分或轻组分(L或LNK)D称为重非关键组分或重组分(H或HNK)E介于(LK)与(HK)之间称为非关键组分或中间组分、分配组分。,分配与非分配组分,塔顶、塔釜同时出现的组分为分配组分 只在塔顶或塔釜出现的组分为非分配组分 关键组分必定是分配组分(塔顶和塔釜)非关键组分不一定是非分配组分(塔顶或塔釜)清晰与不清晰分
9、割(前提:假定轻重关键组分为相邻组分)清晰分割:轻组分全部从塔顶馏出液中采出,重组分全部从塔釜排出 轻组分在塔顶产品的收率为1 重组分在塔釜产品的收率为1 关键组分为分配组分,非关键组分为非分配组分 如存在中间组分必然出现在塔两端,也称分布组分;,当,LK 与 HK 的分离要求不是很高,则L、H也会成为分布组分,出现在塔两端。,非清晰分割:非关键组分为分配组分,3.1.1.2 多组分精馏过程的复杂性,(1)求解方法 二组分精馏:无需试差 多组分精馏:反复试差求解(2)摩尔流率 二元精馏:进料板处液体组成有突变,各板的摩尔流率基本为常数 多组分精馏:液、汽流量有一定的变化,但液汽比接近于常数,二
10、组分精馏 摩尔流率:除在进料级处液体组成由特变外,各级的摩尔流率基本为常数;温度分布:从再沸器到冷凝器单调下降;组成分布:在精馏段和提馏段中段组成变化明显,苯、甲苯、异丙苯精馏塔内汽液流量分布,苯、甲苯、异丙苯精馏塔内温度分布,液汽流量有一定变化,但在精馏段和提馏段的液汽比接近于常数,在接近塔顶、塔底,以及进料点附近,温度变化较快,组成分布(浓度)二组分精馏:在精馏段和提馏段中段组成变化明显多组分精馏:在进料板处各个组分都有显著的数量,且出现恒浓区。,3.1.2.1清晰分割的物料衡算3.1.2.2Fenske公式计算最小理论级数Nm3.1.2.3Underwood公式计算最小回流比Rm和回流比
11、3.1.2.4Gilliland关联图求平衡级数N3.1.2.5进料级位置3.1.2.6简捷法计算平衡级数步骤,3.1.2 多组分精馏的简捷(群法)计算法,3.1.2 多组分精馏的简捷计算法(FUG法),简捷法(short-cut method)计算只解决分离过程中级数、进料与产品组成间的关系,而不涉及级间的温度与组成的分布简捷计算属于设计型的算法:给定:进料量F,分离要求xD、xW;计算:理论板N、回流比R、进料位置NF 等。方法概要:将多组分溶液简化为一对关键组分的分离 物料衡算按清晰分割计算,求得塔顶和塔釜的流量和组成 F用芬斯克(Fenske)公式计算最少理论板数Nm U用恩德伍德(U
12、nderwood)公式计算最小回流比Rm G用吉利兰(Gilliland)关联图求理论板数N,F U G MethodFenske-Underwood-Gilliland Method,FENSKE,M.R.,Ind.Eng.Chem.,24,482485(1932).UNDERWOOD,A.J.V.,Trans.Inst.Chem.Eng.,10,112-158(1932).GILLILAND,E.R.,Ind.Eng.Chem.,32,1101-1106(1940).,3.1.2.1清晰分割的物料衡算,清晰分割法:只有轻关键组分LK和重关键组分HK在塔顶和塔底交叉,塔顶馏出液中没有重组分,
13、塔底釜液中没有轻组分。对如图3-3所示的普通精馏塔,设组份数为c,因则总变量数为,精馏段:,提馏段:,假定为恒摩尔流,则操作线方程为,清晰分割的物料衡算的四种给定条件(F,zi已知),给定:,给定:,给定:,给定:,给定:,给定:,按工艺要求选好一对关键组分,建立全塔物料衡算式,关键组分为分布组分,轻组分在塔釜不出现,重组分在馏出物中不出现,D=进料液中的轻组分+塔顶的轻关键组分+(进料液中的重关键组分-塔釜的重关键组分),给定:,馏出物中轻关键及非轻关键组分的摩尔分数分别为,釜液中重关键组分及重非关键组分的摩尔分数分别为,给定:,给定:,3.1.2.2 芬斯克(Fenske)法计算最小理论级
14、数Nm,全回流时,R为无穷大,此时所需塔板数少,且:,精馏段操作线方程:,相平衡方程:,全回流、全冷凝时:,令i为轻关键组分,j为重关键组分,讨论:上两式是对关键组分LK、HK推导的结果,即能用于双组分,也能用于多组分精馏;Nm与进料组成无关,也与组成的表示方法无关;,全回流下的物料分布(非清晰分割法),非清晰分割法:轻组分在塔釜仍有微量存在,重组分在塔顶有微量存在。假定在一定回流比操作时,各组分在塔内的分布与在全回流操作时的分布相同;采用Fenske 公式去反算非关键组分在塔顶塔釜的浓度。,式中i为非关键组分,k为关键组分aik为 i 相对于关键组分 k 的相对挥发度。,各组分在塔顶、塔釜的
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