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1、化工分离过程 Chemical Separation Processes,总复习,2,习题课大纲,1 重要知识点回顾 1.1 绪论 1.2 单级平衡过程 1.3 多组分多级分离过程分析与简捷计算 1.4 多组分多级分离的严格计算 1.5 分离设备的处理能力和效率 1.6 分离过程的节能 1.7 其它分离技术和分离过程的选择 2 考试题型3 自由交流环节,3,1.1 绪论,分离过程的分类,分离过程分为机械分离过程和传质分离过程两类。,传质分离过程用于各种均相混合物的分离，分为平衡分离过程和速率分离过程。,平衡分离过程借助分离媒介（如热能、溶剂或吸附剂）使均相混合物系统变成两相系统，再以混合物中各
2、组分在处于平衡两相中的不等同的分配为依据而实现分离。,4,1.1 绪论,速率分离过程借助某种推动力（如浓度差、压力差、温度差、电位差等）的作用，某些情况下在选择性透过膜的配合下，利用各组分扩散速度的差异而实现混合物的分离操作。,分离媒介分为能量媒介（ESA）和物质媒介（MSA）。,5,1.2 单级平衡过程,1、相平衡的定义和条件,相平衡：混合物或溶液形成若干相，这些相保持着物理平衡而共存的状态。从热力学上看，整个物系的自由焓处于最小状态，从动力学看，相间无物质的传递。,6,1.2 单级平衡过程,1、相平衡的定义和条件,相平衡时，各相的T、P，组分在各相的化学位相同（相平衡的条件）。,7,1.2
3、 单级平衡过程,2、活度系数法表示Ki的简化形式,（1）汽相为理想气体，液相为理想溶液,g-l平衡关系：,（2）汽相为理想气体，液相为非理想溶液,g-l平衡关系：,8,1.2 单级平衡过程,（3）汽相为理想溶液，液相为理想溶液,（4）汽相为理想溶液，液相为非理想溶液,9,1.2 单级平衡过程,3、多组分物系的泡点和露点计算,（1）泡点T、泡点P、露点T、露点P的定义,精馏塔为全凝器时回流为何温度？分凝器？塔底温度？,（2）泡点温度和泡点压力的计算,Ki与xi无关的泡点温度的计算,泡点方程：,10,1.2 单级平衡过程,求解泡点方程的试差法，求解步骤如下：,假定T,已知P,得到Ki,Kixi,|
4、f(T)|=|Kixi-1|,Y,T=T设，yi=Kixi,N,调整T,相对挥发度法,设T（离泡点不远）,得到PiS,T泡,安托尼公式,11,1.2 单级平衡过程,前提条件：平衡常数和组成无关的泡点温度计算（简化K）,泡点计算：,泡点方程：,目标函数形式：,求导式：,按Newton迭代式导出式：,计算机计算（Newtow迭代法）,12,1.2 单级平衡过程,泡点压力的计算,理想物系：,汽相为理想气体，液相为非理想溶液,13,1.2 单级平衡过程,（3）平衡常数与组成无关的露点温度计算,露点方程：,目标函数形式：,14,1.2 单级平衡过程,设T,给定P,由P-T-K图查Ki,Y,xi,T,结束
5、,N,调整T,f(T)0,T设偏低，提高T。f(T)0,T设偏高，降低T。,露点计算方法同于泡点计算：1.试差；2.用iK计算；3.电算。,15,1.2 单级平衡过程,4、等温闪蒸,核定给定温度下闪蒸问题是否成立的两种方法：,计算闪蒸压力下进料混合物的泡点温度TB和露点温度TD。,方法一：,若TBT闪蒸TD，则闪蒸问题成立。,16,1.2 单级平衡过程,方法二：假设闪点温度就是进料的泡点温度：,则：,应该成立，如果,再假设闪蒸温度就是进料的露点温度：,说明TBT。,则：,应该成立，如果,说明TDT。,综合两种试算结果，只有TBT TD成立，才能构成闪蒸问题。,17,1.2 单级平衡过程,闪蒸过
6、程计算的基本关系：,汽液相平衡关系：,物料平衡关系：,热平衡关系：,归一化方程：,（2-63）（2-64）,（2-44）,（2-65）,（2-46）（2-45）,18,1.2 单级平衡过程,利用牛顿迭代法解Rachord-Rice方程迭代方程,（2-71）,（2-72）,（2-73）,19,1.2 单级平衡过程,闪蒸过程的计算步骤：,在给定温度下进行闪蒸计算，需要核实闪蒸问题是否成立（两种方法）；设定初值，利用Rachord-Rice方程进行闪蒸迭 代计算；计算汽、液流率；利用式(2-67)和(2-68)计算汽液两相的组成。,20,1.3 多组分多级分离过程分析与简捷计算,1.3.1 设计变量
7、,设计变量计算前，必须由设计者赋值的变量。,1、独立变量数NV,（2）描述系统与外界能量交换和功交换的变量数。,NV=（C+2）+能量、功交换变量数,（1）物流独立变量数,21,1.3 多组分多级分离过程分析与简捷计算,2、约束关系数NC的确定,（1）物料衡算式 c 个,（2）能量衡算式 1 个,（3）相平衡式 有c（1）个,（4）化学平衡式,（5）内在关系式 指约定关系,3、设计变量,22,1.3 多组分多级分离过程分析与简捷计算,4、求Na,5、单元的设计变量数的确定,23,1.3 多组分多级分离过程分析与简捷计算,6、装置设计变量 的确定,（1）按每一股单相物流有（c+2）个变量，计算进
8、料物流所 确定的固定设计变量数；（2）确定装置中具有不同压力的数目；（3）上述两项之和即为装置的固定设计变量数；（4）将串级单元数，分配器数，侧线采出单元数以及传热单 元的数目相加，便是装置的可调设计变量数。（*表3-1中Na=1的单元）（5）装置的设计变量：,24,1.3 多组分多级分离过程分析与简捷计算,1.3.2 多组分精馏过程,1、有关概念,LK、HK、LNK、HNK，关键组分选择的原则，分配组分及非分配组分，恒浓区，夹点。,关键组分精馏过程由设计者指定浓度或提出分离要求（如指定回收率）的那两个组分。,结论：精馏塔中，温度分布主要反映物流的组成；而总的级间流量分布则主要反映热量衡算的限
9、制。,25,1.3 多组分多级分离过程分析与简捷计算,清晰分割馏出液中除了HK外，没有其他重组分，釜液中除了LK外，没有其他轻组分。,精馏操作的两种极限情况：Rm下精馏操作需要无穷多块理论板才能完成分离任务；全回流的意义、特点。,2、恩德伍德法计算最小回流比的步骤，计算中应注意的问题。,3、芬斯克公式的几种形式、公式使用条件，使用中应注意的问题。,26,1.3 多组分多级分离过程分析与简捷计算,Fenske方程的几种形式,27,1.3 多组分多级分离过程分析与简捷计算,组分分配：将Fenske方程变形可得各组分流量分配。,（3-12）,28,1.3 多组分多级分离过程分析与简捷计算,由吉利兰图
10、或由耳波和马多克斯关联图求N求理论板数的查图方法、步骤、使用条件及注意的问题。适宜进料位置的确定方法。,4、实际回流比、理论板数和适宜进料位置的确定,5、简捷法（FUG）设计精馏塔的步骤,（1）根据工艺条件和经验数据确定对关键组分的分离要求；,（2）按清晰分割作物料衡算，求D、W、xiD和xiW的初值；,29,1.3 多组分多级分离过程分析与简捷计算,（3）由xiD和xiW计算塔顶和塔底温度及全塔相对挥发度的 平均值；,（4）利用芬斯克方程求出Nm；,（5）利用芬斯克方程计算非关键组分分配比，然后按非 清晰分割作物料衡算；,（6）用恩德伍德公式求Rm；,30,1.3 多组分多级分离过程分析与简
11、捷计算,（7）由吉利兰图或耳波和马多克斯图求N并确定适宜进料 板位置；,（8）由全塔效率求操作回流比下的实际板数；,（9）由热量衡算求冷凝器和再沸器的热负荷。,其中，（2）、（4）、（5）必须熟练掌握。,31,1.3 多组分多级分离过程分析与简捷计算,1.3.3 萃取精馏和共沸精馏,1、有关概念,特殊精馏、萃取精馏、共沸精馏，共沸精馏和萃取精馏的异同点，溶液的正偏差和负偏差。,2、萃取精馏过程溶剂的作用,32,1.3 多组分多级分离过程分析与简捷计算,萃取精馏过程S作用可归纳为以下几点：（1）溶液性质的影响，最好为与1形成正偏差，与2形成 负偏差的体系；（2）溶剂浓度的影响（稀释作用）使原溶液
12、中各组分的 作用减弱，S量要大（一般xS为0.60.8）。,3、萃取精馏过程溶剂选择的原则及三种选择方法,4、萃取精馏流程及萃取精馏塔的分段,6、萃取精馏操作设计的特点,5、萃取精馏塔内流量分布、和浓度分布特点,33,1.3 多组分多级分离过程分析与简捷计算,7、共沸物的特征和共沸组成的计算,（1）共沸物的特征：,a 共沸点对应共沸组成x=y;,b 过了共沸点，轻、重组分互换；,c 原料组成在共沸点一侧，可得一纯组分和一共沸物。,34,1.3 多组分多级分离过程分析与简捷计算,（2）共沸组成的计算（简单过程）,35,1.3 多组分多级分离过程分析与简捷计算,8、能设置采用双塔分离均相共沸物和非
13、均相共沸物的精馏流程。,9、确定连续操作共沸精馏两端产品的几点考虑,（1）精馏产品不仅与塔的分离能力有关，还与全部进 料组成所在区域有关；,（2）加入S对精馏的影响（量要合适）；,（3）共沸剂加入位置。,36,1.3 多组分多级分离过程分析与简捷计算,10、共沸精馏和萃取精馏的比较,共同点：都加入S使；计算所用基本关系都是物量衡算、热量 衡算和相平衡关系。,不同点：（1）共沸精馏中所用S至少与被分离物料中一个组分形成 共沸物，萃取精馏无此限制；,（2）共沸精馏中S从塔顶蒸出，消耗热能较大；,（3）萃取精馏只可用于连续操作；,（4）共沸精馏T较低，更适合分离热敏性物料。,37,1.3 多组分多级
14、分离过程分析与简捷计算,1.3.4 吸收和蒸出过程,1、有关概念及基本知识,物理吸收、化学吸收、关键组分的定义，吸收和蒸出的流程，吸收和精馏的区别，塔顶和塔底吸收的限度，最小液气比、相对吸收率、吸收率、相对蒸出率、蒸出率。,2、吸收因子A的定义式，在吸收中的意义及影响因素。,38,1.3 多组分多级分离过程分析与简捷计算,3、物理吸收过程和精馏过程的比较,相同点：均属于传质分离过程。,不同点：精馏过程是气液相双向传质，利用组分的挥发度的不同实现分离，物理吸收过程是气相分子向液相的单方向分子扩散和传质过程，利用组分在吸收剂中溶解度的不同实现分离。精馏指定两个关键组分的分离要求，而吸收只能指定一个
15、关键组分。,39,1.3 多组分多级分离过程分析与简捷计算,精馏引入能量媒介，吸收引入物质媒介。精馏塔一般是一股进料两股出料，吸收塔有两股进料和两股出料。由于吸收液从塔顶注入，富气（原料气）由塔底加入，吸收过程放出溶解热，因此吸收塔内从塔顶到塔釜，关键组分气、液相浓度都是上升的，一般情况下，温度也是逐步上升的。精馏塔内可视作恒摩尔流计算，并可按清晰分割和非清晰分割对物料进行预分配。,40,1.3 多组分多级分离过程分析与简捷计算,选定关键组分及其吸收率；确定最小液气比和操作液气比；计算理论板数N（3-82）；计算其它组分吸收率；求v1，y1，L0，lN，xN等。,4、吸收过程设计计算的步骤：,
16、41,1.4 多组分多级分离的严格计算,1、平衡级的MESH方程,（1）物料衡算式（M）,（2）相平衡关系（E）,42,1.4 多组分多级分离的严格计算,（3）摩尔分率加和式（S）,S方程用于求各板温度。,（4）热量衡算式（H）,H方程用于求各板的气液相流量。,43,1.4 多组分多级分离的严格计算,2、逐级计算用的基本方程,（1）相平衡方程（E）,露点方程,泡点方程,44,1.4 多组分多级分离的严格计算,（2）物料衡算方程（操作线方程）,3、逐板计算法的步骤,从上向下计算时塔顶采用部分冷凝器及塔顶采用全凝器时步骤；从下向上计算时计算步骤。,进料位置及计算中值的确定。,45,1.4 多组分多
17、级分离的严格计算,4、适宜进料位置的确定及计算结果的校核,从上往下算时（操作关系xi，j-1yi，j）,从下往上算时（操作关系yi,j-1xi,j）,46,1.4 多组分多级分离的严格计算,5、计算起点的确定,（1）对只有LNK的物系，D的估计比较准确，从 塔顶开始逐级计算；（2）对只有HNK的物系，W的估计比较准确，从 塔釜开始逐级计算；（3）对既有LNK又有HNK的物系，可分别从两端 开始往进料处逐级计算。,47,1.4 多组分多级分离的严格计算,三对角线距阵法是最常用的多组分多级分离过程的严格计算方法，它以方程解离法为基础，将MESH方程按类型分为三组，既修正M方程、S方程和H方程，然后
18、分别求解。,在泡点法计算中，利用修正M-方程计算液相组成；利用S-方程在内层循环中计算各级温度；利用H-方程在外层循环中计算气相流率。,6、三对角线距阵法,7、泡点法,48,1.5 分离设备的处理能力和效率,气液传质设备处理能力的影响因素,49,1.5 分离设备的处理能力和效率,实际板与理论板的差异,50,1.5 分离设备的处理能力和效率,气液传质设备的效率的表示方法,51,1.5 分离设备的处理能力和效率,气液传质设备的效率的影响因素,52,1.6 分离过程的节能,1、有关概念,-Wmin,T的意义：表示分离过程能耗的最低限。,分离的最小功、热力学效率、等当功、有效能定义、多效精馏等。,热力
19、学效率,等当功,有效能定义式,53,1.6 分离过程的节能,2、等温等压分离理想气体和理想溶液耗功的规律,将等分子混合物分离成两个纯组分时所需-Wmin,T要比分离其它混合物所需-Wmin,T要大。此时无因次最小功为0.6931。同一进料组成yA,F，分离成两个纯组分比分离成两个非纯组分所需-Wmin,T要大，产品纯度越高，-Wmin,T越大。,等温分离理想溶液混合物的-Wmin,T与等温分离理想气体混合物相同。,54,1.6 分离过程的节能,3、等温分离非理想物系最小功耗的规律,若溶液为正偏差时（即），等温分离-Wmin,T将比分离理想溶液时小；若溶液为负偏差时（即），等温分离-Wmin,T
20、将比分离理想溶液时大；对于完全不互溶体系（即）-Wmin,T等于零。,55,1.6 分离过程的节能,4、精馏过程的净耗功的计算,5、分离过程热力学效率的一般规律,只依靠外加能量的分离过程，热力学效率较高；除加入ESA，还需加入MSA的分离过程，热力学效率 较低；速率控制的分离过程热力学效率更低。,56,1.6 分离过程的节能,6、精馏过程热力学不可逆的原因,三传的不可逆性：,（1）流体流动是有压力差；（2）传热时有一定温差；（3）传质过程有浓度差。,7、提高精馏过程热力学效率的途径,（1）降低流动过程的压力差，变板式塔为填料塔 是降低提高生产能力的主要途径；,57,1.6 分离过程的节能,（2
21、）减小塔顶冷凝器和塔底再沸器的温度差,常 采用高效换热器或改进操作方式；,（3）在较小R或不同R（设中间再沸器或中间冷 凝器）下操作，降低传热传质的不可逆性，提高热力学效率；,（4）采用双效或多效精馏。,58,1.6 分离过程的节能,8、对普通精馏塔塔序选择的经验规则,按相对挥发度递减的顺序逐个从塔顶分离出各组分；,最难分离组分应放在塔序的最后；,应使各塔的馏出液和釜液摩尔流率尽量接近；,分离回收率很高的组分的塔应放在塔序最后；,进料含量高的组分尽量提前分出。,59,1.7 其它分离技术和分离过程的选择,1 膜通常是由什么材料制成？2 膜分离与精馏过程的最大区别？3 膜分离过程的特点？4 列出五种最常见的膜分离过程并给出每一个过程 的工业应用实例。5 简述吸附过程的优点和缺点。6 简述吸附质被吸附剂吸附脱附机理。,思考题,60,2 考试题型,4、计算题（11+12，共23分）,1、填空题（每小题2分，共30分）,2、选择题（每小题2分，共20分）,3、简答题（5*4+7，共27分）,
