化工分离过程ppt课件.ppt

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1、1,分 离 过 程,第3章 多组分精馏和特殊精馏主要内容及要求：深入理解多组分精馏过程，会分析；掌握多组分精馏的简捷计算方法；掌握萃取精馏和共沸精馏的原理和过程分析。,2,精馏塔中的平衡级就是一简单绝热闪蒸级。,3,第3章 多组分精馏和特殊精馏,3.1 多组分精馏过程 3.2 萃取精馏和共沸精馏3.3 反应精馏3.4 加盐精馏,4,3.1 多组分精馏过程,3.1.1 多组分精馏过程分析3.1.2 最小回流比3.1.3 最少理论塔板数和组分分配3.1.4 实际回流比和理论板数3.1.5 多组分精馏的简捷计算方法,5,3.1.1 多组分精馏过程分析,一、关键组分（Key Components）,多

2、组分精馏过程分析就是分析精馏塔内的温度、流率和浓度分布。,Na=串级数(2)分配器(1) 侧线采出(0)传热单元(2) = 5,已被指定的可调变量：（1）进料位置；（2）回流比；（3）全凝器饱和液体回流或冷凝器的传热面积或馏出液温度。,余下的2个可调设计变量往往用来指定组分在馏出液和釜液中的浓度。,6,对于两组分精馏，指定馏出液中一个组分的浓度，就确定了馏出液的全部组成；指定釜液中一个组分的浓度，也就确定了釜液的全部组成。,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。其中相对易挥发的组分称为

3、轻关键组分（LK）， 相对不易挥发的组分称为重关键组分（HK）。,多组分精馏物系组成：,轻非关键组分（LNK），轻组分轻关键组分（LK）中间组分重关键组分（HK）重非关键组分（HNK），重组分,7,根据组分是否在精馏塔的两端都出现，可分为分配组分和非分配组分。,清晰分割： 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。,8,二、多组分精馏过程特性,对于二组分精馏，设计变量被确定后，可从任一端出发，作逐板计算，无需试差。对于多组分精馏，由于不能指定全部组成，所以需先假设一端的组成，再通过反复试差求解。,下面通过实例分别对二组分精馏和多组分精馏过程分析进行

4、比较。,9,二组分精馏实例：苯甲苯,图3-1 二组分精馏流率、温度、浓度分布,10,三组分精馏实例：苯(LK)甲苯(HK)异丙苯,11,四组分精馏实例：苯甲苯(LK)二甲苯(HK)-异丙苯,图3-6 四组分精馏液相组成分布,12,多组分精馏与二组分精馏在含量分布上的区别：,（1）关键组分含量存在极大值；,（2）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， 轻组分仅出现在馏出液中；,（3）重、轻非关键组分分别在进料板下、上 形成几乎恒浓的区域；,（4）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。,13,精馏过程的内在规律：,在精馏塔中，温度分布主要反映物流的组成，而总的级

5、间流量分布则主要反映了热衡算的限制。,14,3.1.2 最小回流比（Rm）,多组分精馏： 最小回流比下，也有恒浓区，但由于非关键组分的存在，恒浓区出现的部位要较二组分精馏复杂。,二组分精馏： 最小回流比下，进料板上下出现恒浓区或称夹点。,15,多组分精馏中的恒浓区,（1）轻、重组分均为非分配组分：,进料板以上必须紧接着有若干塔板使重组分的浓度降到零，这一段不可能是恒浓区，恒浓区向上推移而出现在精馏塔段的中部。同理，轻组分恒浓区出现在提馏段中部。,16,（2）重组分为非分配组分，轻组分为分配组分：,（3）重组分为分配组分，轻组分为非分配组分：,17,（4）轻、重组分均为分配组分：,最小回流比条件

6、下会出现恒浓区，区内无分离效果，需无穷多理论板。如何计算最小回流比？,18,计算最小回流比的Underwood（恩德伍德）公式：,假设： 1、各组分相对挥发度是常数； 2、塔内汽液相流率为恒摩尔流。,Underwood（恩德伍德）公式：,（3-1）,19,Underwood（恩德伍德）公式中参数的含义：,（3-1）,i 组分i 的相对挥发度；(xiD)m 最小回流比下馏出液中组分i的摩尔分数； xiF 进料中组分i的摩尔分数； q 进料热状态参数（进料液相分率）； 方程的根。,以全回流下的xiD代替,取LKHK的根,20,3.1.3 最少理论板数（Nm）和组分分配,1、开车时，先全回流，待操作

7、稳定后出料。,全回流对应最少理论板数，但全回流下无产品采出，因此正常生产中不会采用全回流。什么时候采用全回流呢？,2、在实验室设备中，研究传质影响因素。,3、工程设计中，必须知道最少板数。,21,计算最少理论板数的Fenske（芬斯克）方程：,推导前提： 1、塔顶采用全凝器； （若采用分凝器，则分凝器为第1块塔板）； 2、所有板都是理论板。,从塔顶向下排序，由相对挥发度的定义有：,对第2块板作物料衡算：,（3-2）,22,因此：,同理：,两式相除，可得：,23,再由相平衡关系可得：,由物料衡算：,可得：,依此类推到塔釜：,（3-5）,24,定义AB为相对挥发度的几何平均值：,代入（3-7）式，

8、可解出最少理论板数Nm：,（3-8）,Fenske方程,25,几点说明：,2、相对挥发度,（1）方程的精度取决于相对挥发度数据的可靠性。,（2）AB 的近似处理：,1）两点平均：,2）三点平均：,3）单点值,1、推导中未作任何假设，因而是严格的。,26,3、方程的变形形式：,摩尔分率可用摩尔数，体积或重量比来代替，因为换算因子可以相互抵消，得到另一种常用的一般形式：,27,4、Fenske方程既可用于二组分精馏，也可用于多组分 精馏。,5、最少理论板数只与分离要求有关，与进料组成无关。,6、Fenske方程可以用来计算进料板位置、各段理论板数 和组分分配。,（1）进料板位置：把进料当作塔顶（或

9、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。,28,分离要求的给出形式：,（1）规定关键组分在塔顶和塔釜的百分含量。,代入以含量表示的Fenske方程：,（2）规定关键组分在塔顶和塔釜的回收率。,代入以回收率表示的Fenske方程：,（3-9）,（3-13）,29,103例3-2和例3-3,对于无中间组分的体系：如A(LNK)、B(LK)、C(HK)、D(HNK)组成的体系， 先假定清晰分割，计算理论板数，再校验是否清晰分割。,清晰分割假定比较适用的情况：轻重关键组分的分离程度较高，轻组分的挥发度比LK的挥发度大得多，而重组分的挥发度比HK的挥发度

10、小得多。,几点注意：,对于有中间组分的体系：如A(LNK)、B(LK)、C(中间组分)、D(HK)、E(HNK) 组成的体系，则根据C的相对挥发度是靠近B还是靠近D来假定C在塔顶和塔釜的分配。,30,作业：p163 第7题,31,3.1.4 实际回流比和理论板数,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。,用Underwood方程求出Rm 后，实际回流比R一般取作1.30Rm。,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,32,图3-9 Gilliland图 图3-10 Erbar-Mddox,33,适宜进料板

11、位置的确定原则：,在操作回流比下精馏段与提馏段理论板数之比等与在全回流下用Fenske方程分别计算得到的精馏段与提馏段理论板数之比。,109 例3-4,34,3.1.5 多组分精馏的简捷计算方法,精馏简捷计算,FUG法,Fenske,Nm,Underwood,Rm,Gilliland,R、N,35,多组分精馏的FUG法计算框图,36,特殊精馏,当待分离组分之间形成共沸物或相对挥发度接近1时，用普通精馏是无法实现分离或是经济上不合理的。此时，向体系中加入一种适当的新组分，通过与原体系中各组分的不同作用，改变组分之间的相对挥发度，使系统变得易于分离，这类既加入能量分离剂又加入质量分离剂的精馏称为特

12、殊精馏或称增强精馏。,37,特殊精馏的分类,（1）萃取精馏（Extractive Distillation）：,加入的质量分离剂不与被分离系统中的任何组分形成共沸物，而其沸点又较原有的任一组分高，从塔釜离开。加入的质量分离剂称为溶剂。,（2）共沸精馏（Peotropic Distillation）：,加入的质量分离剂与被分离系统中的一个或几个组分形成共沸物，从塔顶蒸出。加入的质量分离剂称为共沸剂。,（3）反应精馏：,加入C，使之与原体系中的A发生反应，从而减弱A与B的结合力。例如：催化精馏。,38,（4）加盐精馏：,加盐，利用盐溶和盐析效应使两组分溶解行为发生变化。,（5）吸附精馏：,加入吸附

13、剂。,（6）膜精馏：,利用多孔膜。因为过程需加热，且B在另一侧也汽化，所以可称为精馏。好处：无需再生，但目前由于膜材料和制膜工艺的不成熟尚无工业应用。,39,3.2 萃取精馏和共沸精馏,3.2.1 萃取精馏3.2.2 共沸精馏,40,3.2.1 萃取精馏,一、流程,41,二、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：,42,代入相对挥发度的表达式，可得有溶剂存在下组分1和2间的相对挥发度：,无溶剂S时，xS0，则二组分体系的相对挥发度：,43,若（p1S/p2S）与温度

14、关系不大，x1=x1，则：,（3-24）,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，如使A1S变大 （正偏差），A2S变小（负偏差），从而提高相对挥 发度。,44,（2）溶剂的选择,1）沸点要较组分的高；,2）与被分离物系有较大的溶解度；,3）一般溶剂浓度60%，所以成本要低；,4）污染小，环境友好。,45,三、萃取精馏过程分析,（1）塔内流量分布,精馏段：,总物料衡算：,46,以l 代表液相中原溶液组分之流率，以v 代表汽相中原溶液组分之流率，即：,则：,47,比较（3-29)式和（3-3

15、2）式：,可得：,（3-33）,因为S为重组分，(yS)n+1(xS)n ，所以：, 溶剂存在下塔内的液汽比大于脱溶剂情况 下的液汽比。,48,对溶剂作物料衡算：,设Sn=Ln(xS)n，即n板下流液体中溶剂的流率：,各板下流之溶剂流率均大于加入的溶剂流率， 且溶剂挥发度越大，差值也越大。,当（xS)D=0 时：,可见：SnS,49,萃取精馏中，溶剂沸点高，溶剂量大，下流过程中溶剂温升会冷凝一定量的上升蒸汽，使塔内流率发生明显变化。,A 液相流率越往下越大。,第n板的液相流率为：,同理，可以得到提馏段第m板的液相流率为：,50,精馏段的汽相流率：,B 汽相流率越往下越大，即越往上越小。,提馏段

16、的汽相流率：,51,（2）塔内溶剂含量分布,精馏段物料衡算：,假定：1）恒摩尔流；2）（xS)D=0,溶剂与原溶液之间的汽液平衡关系：,（3-42）,溶剂对非溶剂的相对挥发度,将（3-26）式和（3-41）式代入（3-42）消去V和yS：,52,表示了溶剂含量与溶剂加入量、溶剂对非溶剂的相对挥发度以及塔板间液相流率的关系。,溶剂对非溶剂的相对挥发度一般很小，当0 时：,（3-43）,当0 时：,53,分析：将塔分为四部分,精馏段：,提馏段：,塔 釜：,溶剂回收段：,当进料为饱和蒸汽时， ；当进料为液相或汽液混合物时， 。,溶剂在塔釜中浓度有明显跃升。,54,四、萃取精馏过程的计算,萃取精馏过程

17、特点：,（1）物系非理想性强；,（2）塔内汽液相流率变化大；,（3）相平衡和热量衡算关系复杂。,适于用严格计算法（见第6章）。有些情况下，特别是当原溶液组分性质相近时，可按二元精馏方法，用图解法或解析法处理，使计算得以简化。,作业：p164 第9题,55,五、萃取精馏实例,环乙烷对苯的相对挥发度,环己烷苯的萃取精馏分离,萃取剂：糠醛,56,3.2.2 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。,一、共沸物的特性与其组成的计算 二、共沸剂的选择三、共沸精馏流程四、

18、共沸精馏的计算五、共沸精馏与萃取精馏比较,57,一、共沸物的特性与其组成的计算,对于共沸物，混合物的蒸汽压组成曲线上之极值点相当于汽、液平衡相的组成相等。 多元共沸物汽液相组成相等点并不一定对应于恒压下Tx 图上的极值点或恒温下Px 图上的极值点。,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：,58,即： 或 计算方程,？已知总压P，如何求共沸组成x和共沸温度T,4）代入： 校核方程,1）假定T；,2）计算P1S和P2S；,3）由1f(x1,T,P)、2f(x1,T,P)和1/2= P1S/P1S计算x1；,5）如上式成立，则结束计算，如不成立，则假定新的T

19、， 继续试差计算。,59,（2）非均相二元共沸物,除考虑汽液平衡外，还要考虑液液平衡。,联立求解上述三式，可得到共沸温度（共沸压力）和液相组成。,计算方程：,校核方程：,60,2、三元系,计算方程：,校核方程：,61,二、共沸剂的选择,理想的共沸剂应具备以下特性：,（1）显著影响关键组分的汽液平衡关系；（2）共沸剂容易分离和回收；（3）用量少，汽化潜热低；（4）与进料组分互溶，不生成两相，不与进料 中组分起化学反应；（5） 无腐蚀、无毒；（6）价廉易得。,62,三、共沸精馏流程,（一）双压精馏,如果压力变化明显影响共沸组成，则采用两不同压力操作的双塔流程，可实现二元共沸物完全分离。,图3-31

20、 双压精馏流程,63,（二）二元非均相共沸物的精馏,如果二组分能够形成非均相共沸物，那么不必另加共沸剂便可实现二组分的完全分离。,图3-33 分离非均相共沸物的流程,64,（三）其他,均相共沸物需要用萃取等方法来分离。为了得到高纯的塔底产品，采用稍过量的共沸剂，再增加一个溶剂回收塔，往往是一个行之有效的方法。,65,四、共沸精馏的计算,共沸物精馏体系非理想性强、组分多、变量多，不宜使用简捷法，而严格计算也变得非常复杂。,66,五、共沸精馏实例,乙醇水共沸精馏,乙醇水溶液共沸点：78.3；共沸组成：乙醇 0.894；水 0.006。乙醇水苯共沸点：64.6；共沸组成：乙醇 0.23；水 0.22

21、6；苯 0.544。,67,六、共沸精馏与萃取精馏比较,共同点：,不同点：,基本原理相同，都是通过加入适量的质量分离剂，改变组分之间的相互作用，增大组分的挥发度差异，实现精馏分离。,（1）共沸精馏中加入的共沸剂必须与原溶液中的一个或 几个组分形成共沸物，而萃取精馏中的溶剂无此限 制，共沸剂的选择范围相对较窄；（2）共沸精馏中共沸剂以汽态离塔，消耗的潜热较多， 萃取精馏中萃取剂基本不变化，因此共沸精馏的能 耗一般比萃取精馏大；（3）在同样压力下，共沸精馏的操作温度通常比萃取精 馏低，故共沸精馏更适用于分离热敏性物料；（4）共沸精馏可连续操作，也可间歇操作，萃取精馏一 般只能连续操作。,68,第3章 完谢谢！,