化工分离工程正文Word格式.docx

1、分离过程的集成化：新型 1反应过程与分离过程的耦合：化学吸收、化学萃取、催化精镏、膜反应器 2分离过程与分离过程的耦合：萃取结晶、吸附蒸馏、电泳萃取 3过程的集成：传统分离过程的集成（共沸精镏萃取、共沸精镏萃取精镏） 传统分离过程与膜分离的集成（渗透蒸发吸附、渗透蒸发吸收、渗透蒸发催化精镏） 膜过程集成（微滤超滤纳滤反渗透） 第一章 蒸馏与精馏 11 概述蒸馏定义和特点： 1定义：混合物中各组分挥发度差异进行分离提纯。 2特点：工艺流程短、使用范围广、工艺成熟；但能耗大（汽相再冷凝）分类： 1蒸馏方式：闪蒸、简单蒸馏、精馏、特殊精馏、反应精馏 2操作压力：加压蒸馏、常压蒸馏、真空蒸馏 3混合物

2、组分：两组分精馏、多祖分精馏 4操作流程：间歇蒸馏、连续蒸馏精馏操作流程： 精馏段 提馏段 图：连续精馏操作流程 图：间歇精馏操作流程 1精镏塔 2再沸器 3冷凝器 1精镏塔 2再沸器 3全凝器 4观察罩 5贮槽12 简单蒸馏和闪蒸 组分挥发度相差较大、分离要求低预分离 一：工艺流程：简单蒸馏 图：平衡蒸馏（闪蒸） 1蒸馏釜 2冷凝器 3接受器 1加热器 2节流阀 3分离器 1简单蒸馏：一次进料，馏出液连续出料（出料浓度逐渐降低），釜残液一次排放压力恒定、温度变化 2平衡蒸馏：连续进料，连续出料（出料浓度恒定）压力、温度恒定 混合液加热器温度料液泡点（分离器压力下）节流阀（降压）分离器料液部分

3、汽化、 并在分离器中汽液分离（相平衡）原理： 1前提条件：理想物系液相为理想溶液（拉乌尔定律）；汽相为理想气体（道尔顿分压定律） 2原理： 汽液共存区 饱和蒸汽线（露点线） 过热蒸汽区 饱和液体线（泡点线） 液相区苯甲苯混合液的txy图 图：苯甲苯混合液的xy图简单蒸馏txy图 图：平衡蒸馏txy图 （1）简单蒸馏：任何瞬间，蒸汽与液相处于平衡。yFxF馏出液中易挥发组分含量高于原始料液。 反应过程：xF1xF2xF3 yF1yF2yF3 t F1t F2t F3 （2）平衡蒸馏：整个过程闪蒸器（分离器）压力和温度不变，蒸汽与液相处于平衡。一次部分汽化。xWxFyD （3）综述：简单蒸馏和平衡

4、蒸馏均得不到纯度较高的产品。13 双组分精馏 分离要求高高纯度分离 一：精馏原理： 1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txy图 汽相：y1y2y3yn，但V1V2V3Vn最终汽相中易挥发组分几乎为纯态 液相：x1x2x3xn，但L1L2L3Ln最终液相中易挥发组分几乎为零，难挥发组分几乎为纯态 2有回流的多次部分汽化和多次部分冷凝：精馏 （1）操作：将中间产物（部分冷凝的液体及部分汽化的蒸汽）分别返回它们前一分离器中。 （2）设置冷凝器：上半部最上一级（得到回流液体） （3）设置汽化器（加热器）：下半部最下一级（得到上升蒸汽） 3精镏塔：精镏塔中物料流动示意图 图：精镏塔

5、物料衡算 塔板（或填料层表面）：汽液两相传热、传质。 塔顶：外设冷凝器，产品易挥发组分。 塔底：外设再沸器，产品难挥发组成。 温度：全塔内温度由下向上逐渐降低。全塔物料衡算： 前提条件：塔内恒摩尔流动 精馏段：V1= V2= V3= V=常数 L1= L2= L3= L=常数 提馏段：= L=常数 1物料衡算： （1）总物料衡算：F=D+W （2）易挥发组分：FxF=DxD+WxW 2操作线方程：任意板（n板）下降液相组成xn及由其下一层板上升的蒸汽组成yn+1之间关系的方程。精馏段操作线方程推导 图：提馏段操作线方程推导 图：精馏塔操作线 （1）精馏段操作线方程： 总物料衡算：V=L+D 易

6、挥发组分衡算：Vyn+1=Lxn+DxD 回流比R=L/D 操作线方程：yn+1= LDLLR1xn xD yn+1=xn xD yn+1=xn xD VVL DL DR 1R 1 （2）提馏段操作线方程：L=V+WLxm=Vym+1+Wxw 操作线方程：ym+1= L WL Wxm xW ym+1=xm xW VVL WL W 3进料状况对操作线的影响：影响L与L，V与V的关系提馏段操作线方程变化 （1）精馏塔进料热状况：冷液进料 图：饱和液体进料 图：汽液混合物进料 图：饱和蒸汽进料 图：过热蒸汽进料 q1 q=1 q=01 q=0 q0 精馏段与提留段液体摩尔流量与进料量及进料热状态参数

7、的关系：L=L+qF 精馏段与提留段气体摩尔流量与进料量及进料热状态参数的关系：V=V+（1-q）F 进料热状态参数q：q= IV IF =1kmol原料变为饱和蒸汽所需热量/原料液的千摩尔汽化热 IV IL = rm cpm tb tF rm 2进料方程（q线方程）：精馏段操作线与提馏段操作线交点的轨迹方程。方便绘提留段操作线。 y= xq x F q 1q 1理论塔板数： 1理论板：塔板上汽液两相充分混合，无传热及传质阻力，离开该板时汽液两相达平衡状态。 2理论塔板数： （1）汽液平衡关系： 拉乌尔定律：汽液平衡时，溶液上方组分的蒸汽压与溶液中该组分的摩尔分率成正比 pA= pAxA pB

8、= pBxB=pB（1-xA） 道尔顿分压定律：p= pA+ pB （2）操作线方程：塔内相邻两板汽、液相组成关系 R1 xn xD R 1R 1L Wxm xW 提馏段操作线方程：ym+1= VV 精馏段操作线方程：yn+1=进料方程（q线方程）：y= x F q 1q 1 （3）理论塔板数：再沸器相当于一层理论板 逐板计算法： 图解法： （4）最佳进料位置：塔内液相或汽相组成与进料组成相近或相同的塔板。跨越两操作线交点所对应的阶梯。 影响：进料位置馏出液难挥发物比例 进料位置釜底液易挥发物比例（馏出液易挥发物收率） 四：塔高与塔径： 1塔高： 全塔效率：ET=（NT/NP）100%ET=0

9、.49（L）-0.245 奥康奈尔曲线 塔高：板式塔Z=（NP-1）HT 填料塔Z=NT（HETP） 2塔径：Vs=（/4）D2u 五：回流比：全回流最小理论塔板数（最大回流比） 图：最小回流比 1全回流与最小理论板数： 全回流：D=O、F=O、W=OR=操作线方程yn+1=xn（对角线）操作线距平衡相最远最小理论板数 2最小回流比： R两操作线交点处于平衡线理论塔板数Rmin=（xD-yq）/（yq- xq） 3最佳回流比：（操作费用+设备费用）min R=（1.12.1）Rmin （1）难分离物系：较大回流比 （2）能源紧张：较小回流比 六：间歇精馏：一次进料 1特点：非稳态操作（塔内各处

10、温度、组分不同），只有精馏段，塔内存液量对精馏过程及产品有影响。但操作灵 活。 2类型： （1）恒回流比操作：时间馏出液、釜残液组分 （2）恒馏出液组分操作：加大回流比 七：精馏装置热量衡算： 1精馏塔热平衡：QF+QB= QD+QW+QC 2再沸器热负荷：热平衡QB+LILm=VIVW+WILW+QL 热负荷（加热介质消耗量）Wh=QB/（IB1- IB2） 3冷凝器热负荷：QC+LILD+DILD）=VIVD 热负荷（冷却介质消耗量）WC=QC/cp（t2- t1）14 多组分精馏 一：关键组分：指定的两个组分。其中相对易挥发的那一个为轻关键组分；不易挥发的那一个为重关键组分。 2精馏目的

11、：轻关键组分尽可能多地进入馏出液；重关键组分尽可能多地进入釜液。多组分精馏特点： 1汽液平衡关系：F（自由度）=C（组分数）-（相数）+2； 组分数自由度相平衡计算复杂（n组分溶液需要n-1个独立变量同时确定，才能确定 物系平衡关系） 2设备：组分数精馏塔数量（n组分溶液需要n-1个精馏塔） 3全塔液体含量分布：苯甲苯精馏塔内液体含量分布 图：苯甲苯异丙苯精馏塔内液体含量分布 主要任务：苯、甲苯分离（苯在馏出液中回收率高）；轻关键组分（苯）、重关键组分（甲苯）、重非关键组分（异 丙苯：挥发度最低）、无轻非关键组分； （1）轻关键组分（苯）：相对挥发度最大它在进料板以下仅几板就降到很低的含量 （

12、2）重非关键组分（异丙苯）：相对挥发度最小它在进料板以上仅几板就降到很低的含量在再沸器液相含量最高；从再沸器向上，重非关键组分含量下降；但由于进料中有一定重非关键组分而且它必须从釜液中排出，限制了它含量继续下降；恒浓区（进料板一下相当长一塔段） （3）重关键组分（甲苯）：相对挥发度居中 再沸器以及第1、2块板：苯含量很低重关键组分与重非关键组分精馏甲苯：易挥发，甲苯含量沿塔向上增 加。 第310块板：异丙苯恒浓区重、轻关键组分精馏甲苯：难挥发，沿塔向上降低。（最高点：第3块板） 第1113块板：异丙苯重关键组分与重非关键组分精馏甲苯：易挥发，甲苯含量沿塔向上增加。（最高 点：第12块板） 第14以后块板：异丙苯消失重、轻关键组分精馏甲苯：难挥发，沿塔向上降低直至冷凝器 综述：*关键组分含量分布有极大值 *非关键组分通常是非分配的重非关键组分仅出现在釜液；轻非关键组分仅出现在馏出液。 *重、轻非关键组分分别在进料板下、上形成恒浓区。 *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。 4全塔温度变化：