化工分离过程(讲)(习题课)

《化工分离过程(讲)(习题课)》由会员分享，可在线阅读，更多相关《化工分离过程(讲)(习题课)（71页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、 化工分离过程 Chemical Separation Processes 第三章 多组分多级分离过程 分析与简捷计算 习题课 1 习题课 2 习题课大纲 v1 重要知识点回顾 v2 习题解答 习题解答 习题3-10, 3-12（杨世金主讲） v3 思考题 v4 自由交流环节 3 1.1 设计变量 1.2 多组分精馏过程（普通精馏） 1.3 萃取精馏和共沸精馏（特殊精馏） 1.4 吸收和蒸出（解吸）过程 1 重要知识点回顾 4 1.1 设计变量 在任何涉及传热和传质的物理分离过 程的设备设计过程中，首要的工作就是 进行工艺条件独立变量的规定。 设计者首先要确定出需指定变量的具体数目 ，再选择变

2、量的具体数值。 5 1.1 设计变量 设：Nv系统的独立变量数 Nc描述这些独立变量之间的约束关系数 设计变量： 确定设计变量数 （3-1） 6 1.1 设计变量 独立变量数 Nv=出入系统的各股物流的独立变量数+ 系统与环境的能量（热、功）交换数 NV=N(c+2)+功进(出)数+能进(出)数 若有N股物流，且有功、能交换： 任意单股物流（一股、单相）： 7 1.1 设计变量 Nc变量之间的约束关系数（独立方程数）包括： （1）物料平衡式 （2）能量平衡式 （3）相平衡式 （4）化学平衡关系式 （5）内在关系式 （对c 组分体系有c个） （对一个体系只有1个） （对c组分相体系有c（-1）个

3、） （只考虑无化学反应体系的分离过 程，不考虑该约束条件） （指约定的关系，例如：物流间的温 差，压力降的关系式等） 8 1.1 设计变量 固定设计变量 指确定进料物 流的那些变量( 例如，进料的组 成和流量等)以 及系统的压力。 需要设计者 确定的变量 设计变量 可调设计变量 9 1.1 设计变量 注意：其中可调设计变量为1的有三类单元。 （分配器、侧线采出单元、换热单元） 各种单元的设计变量归纳在P56的表3-1中， 请大家自己推算（考点）。 表中共15种单元。 组合单元：3种 简单单元：12种 有浓度变化的：6种 无浓度变化的：6种 10 1.1 设计变量 （1）按每一股单相物流有（c+

4、2）个变量，计算进料物流所 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： 简便、可靠的确定装置设计变量的郭氏原则： 11 1.2 多组分精馏过程 对于多组分精馏，待定的可调设计变量数仍是2，所以只 能指定两个组分的浓度，通常，把由设计者指定分离要求的 这两个组分称为关键组分。 其中 相对易挥发的组分称为轻关键组分（LK） 相对不易挥发的组分称为重关键组分（HK） 设ih为非关键组分

5、i对HK的相对挥发度。 12 1.2 多组分精馏过程 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 挥 发 性 降 低 13 1.2 多组分精馏过程 清晰分割 馏出液中除了重关键组分(HK)之外，没有其它重组分； 釜液中除了轻关键组分(LK)之外，没有其它轻组分。 非清晰分割：各组分在顶釜均可能存在。 v定义：顶釜同时出现的组分分配组分 v 只在顶或釜出现的组分非分配组分 v一般：LK、HK和中间组分为分配组分； v非关键组分可以是分配组分，也可以是非分配组分。 14 1.2 多组分精馏过程

6、 计算最小回流比的Underwood（恩德伍德）公式： （3-3a ） 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。 （3-3b） 15 1.2 多组分精馏过程 最小回流比Rm的解法： 1. 在 lr, hr中设 值 试差确定 值； 2. 将值代入（3-3a）式 Rm。 （3-3b） 参见例3-1 注意：若LK、HK挥发度不相邻，可在lr, hr之间试差 出几个值，解出几个Rm，然后取平均值。 16 1.2 多组分精馏过程 最少理论板数（对应全回流） 由于全回流操作时，使每块理论板分离能力达到 最大，完成相同的分离要求，所需理论板最少，并称 其为最少理论板数。 意义：操

7、作前的准备工作 测出Nm 17 1.2 多组分精馏过程 v芬斯克推导了全回流时二组分和多组分精馏的严格解。 v塔顶采用全凝器，假设所有板都是理论板，从塔顶第一 块理论板往下计塔板序号。 Fenske（芬斯克）公式推导前提 全回流操作下联立物料衡算式和平衡关系式推导可得 Fenske方程。 Fenske（芬斯克）公式推导方程 18 1.2 多组分精馏过程 Fenske方程的几种形式 19 1.2 多组分精馏过程 组分分配：将Fenske方程变形可得各组分流量分配。 （3-12） 对于非关键组分i有物料衡算式： 20 1.2 多组分精馏过程 将（3-12）式与上式联立得： 21 1.2 多组分精馏

8、过程 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的挥发度小得多。 求解Nm和组分分配需要注意的问题 ： 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。 参见例3-2 参见例3-3 22 1.2 多组分精馏过程 一.实际回流比R： 由操作费、设备费确定，

9、由经验取： 最小回流比和最少理论板是精馏操作的极限状态，实际 生产过程中，为了实现对两个关键组分之间规定的分离要求 ，回流比和理论板数必须大于它们的最小值。 二.实际理论板数N： 1.吉利兰图（Gilliand图） 2.Erbar and Maddox关联图 23 1.2 多组分精馏过程 图3-12 吉利兰图图3-13 耳波和马多克思图 24 1.2 多组分精馏过程 三、确定进料位置 （1）芬斯克公式既可求全塔最少理论板数，也可单用于精 馏段和提馏段，从而确定进料位置。 （2）Kirkbride法 （3-18） 25 1.2 多组分精馏过程 多组分精馏过程的简捷计算法步骤： 1、由工艺要求选L

10、K和HK，假设清晰分割或假设回收率， 得出物料分配； 2、分别由露点方程和泡点方程计算塔顶和塔底温度，由此 计算全塔平均相对挥发度； 3、由Fenske方程计算最少理论板数，验证清晰分割或回收 率（以产品是否合格为依据）； 4、由Underwood方程计算最小回流比； 5、确定实际N、R和适宜进料位置; 6、由热量衡算计算塔顶冷凝器和塔底再沸器热负荷。 参见例3-4 26 多 组 分 精 馏 的 F U G 法 计 算 框 图 开始 指定进料条件 指定两个关键组分的分离程度 估计非关键组分的分离情况 决定精馏塔操作压力和冷凝器类型 在塔压下作闪蒸计算 计算最少理论板数和非关键组分的分离程度 计

11、算值与估计值是否接近 对于指定的实际回流比(RRm) 计算实际理论板数N 计算最小回流比Rm yes 计算进料级位置 计算热负荷 结束 no （泡、露点计算） （绝热闪蒸计算） （Underwood eq.） （R=1.11.5Rm，Gilland图） （Kirkbride eq.） （能量衡算 eq.） （Fenske eq.） 27 1.3 萃取精馏和共沸精馏 萃取精馏是向原料液中加入第三组分(称为萃 取剂或溶剂),以改变原有组分间的相对挥发度而达到 分离要求的特殊精馏方法。 要求萃取剂的沸点较原料液中各组分的沸点高得 多,且不与组分形成共沸液,容易回收。萃取精馏常用 于分离各组分挥发度差

12、别很小（ 1.05）的 溶液。 28 1.3 萃取精馏和共沸精馏 图3-15 萃取精馏流程 特点： 塔1 萃取精馏塔 塔2 溶剂回收塔 1. 两塔串联； 2. S为难挥发组分， 一般在进料上方 加入。 3. 溶剂回收段一般 有6-7块塔板。 29 1.3 萃取精馏和共沸精馏 （3-26） 溶剂S的选择性 溶剂的选择性不仅决定于溶剂的性质和浓度，而且也 和原溶液的性质和浓度有关。 30 1.3 萃取精馏和共沸精馏 一. 溶剂的作用 （1）对原溶液1、2组分产生不同的作用，提高12 体现：原溶液沸点差不大（ A12 0）非理想性不很强时， 若：A1S0; A2S0，有： A1S- A2S0，加S后

13、， 12/s/121 （2）稀释原溶液 体现：原溶液沸点差大，非理想性很强时，12 1 加S后，浓度下降，而xS增加，由(3-23)： A12(1-xS)(1-2x1)值小，突出了PiS作用。 31 1.3 萃取精馏和共沸精馏 二. 溶剂的选择 1）沸点要较被分离组分高，以避免和系统中的任何组分 形成共沸物； 6）无毒、不腐蚀、价格低廉、易得。 5）溶剂比（溶剂/进料）不得过大； 2）溶剂与被分离物系有较大的溶解度（防止分层）； 3）溶剂在操作中热稳定性要好（可长期循环使用）； 4）溶剂不与任何组分发生化学反应（缔合、络合等）； 32 1.3 萃取精馏和共沸精馏 将 塔 分 为 四 部 分 精

14、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 。 F S D W n n+1 n-1 m-1 m+1 m 若0， 33 1.3 萃取精馏和共沸精馏 萃取精馏过程计算的依据是选择的萃取剂的特点为沸 点高，挥发度小，由塔顶引入后几乎全部进入塔釜，因而 萃取剂在塔内各级上的浓度恒定不变。 萃取剂的存在仅改变了原组分间的相对挥发度，采取 适当的相对挥发度数据后，计算萃取精馏过程时就可以不 考虑萃取剂的存在，因而应以脱溶剂为基准进行物料衡算 。 萃取精馏过程平衡级数的简捷计算 参见例3-5 34 1.3 萃取精馏和共

15、沸精馏 共沸精馏（Azeotropic Distillation）又称恒沸 精馏，其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Azeotrope）是指处于平衡状态 下，气相和液相组成完全相同时的混合溶液。两种 （或几种）液体形成的共沸点混合物。 35 1.3 萃取精馏和共沸精馏 二元均相共沸物的特征为： （3-49）工程方程 又知 ： （3-50）校核方程 （1）二元系 36 1.3 萃取精馏和共沸精馏 共沸参数（x、T、P）预测 ： 采用 ： 计算 式中： 已知x、T、P任一

16、个参数，可求出另外二个。 已知：ixi关系式；PiST关系式 参见例3-6 37 1.3 萃取精馏和共沸精馏 38 1.3 萃取精馏和共沸精馏 （2）三元系 三元均相共沸组成的计算也可按二元一样进行： 三个方程包括T，P， x1,x2,(x3=1-x1-x2)； 故已知T，可解出P， x1,x2; 已知P可解出T,x1,x2 。 39 1.3 萃取精馏和共沸精馏 一般地，若压力变化明显影响共沸组成时，则采用两个不 同操作压力的双塔流程可实现二元均相共沸物的分离。 如甲乙酮（MEK）-水（H2O）的分离过程。 在大气压力下（0.103MPa） 该物系形成二元正偏差共沸物， 共沸组成为65（MEK）； 在0.7MPa时，共沸组成变化为 50（MEK），如果原料中含 MEK小于65，欲得到纯甲乙 酮和水。分离过程如何设计？ MEK-H2O在不同压力下的T-x-y图40 1.3