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1、 第三章多组分多级分离过程分析与简捷计算 教师 何寿林制作 何寿林 多组分精馏 1 组分数C 22 求解数目较多方程 变量分析3塔内分布复杂 过程分析4计算简捷法 Fenske Undewood Gilliland法共沸精馏图解法萃取精馏简化法吸收因子法逆流萃取集团法逐板法 严格计算 非本章内容 返回 第三章多组分多级分离过程分析与简捷计算 第一节设计变量第二节多组分精馏过程第三节萃取精馏和共沸精馏第四节吸收和蒸出过程第五节萃取过程 第一节设计变量 3 1 1单元的设计变量3 1 2装置的设计变量 返回 设计变量 确定设计中已知变量例如二元精馏 可解出 N 变量数 返回 3 1 1单元的设计变
2、量 将复杂化工装置分解成简单单元 求 例1 分配器 例2 产物为两相的全凝器 例3 简单绝热操作理论板 设计变量真难 返回 3 1 2装置的设计变量 由单元设计变量确定 吸收塔设计变量 指定为理论板数或关键组分吸收率 例5 简单精馏塔 查表3 1 9股单元物流数 对精馏塔归纳出简便 可靠的确定设计变量的方法 1 按每一单相物流有 C 2 个变量 计算由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 将串级单元数目 分配器的数目 侧线采出单元数目及传热单元数目相加 便是整个装置的可调设计变量 例6 带一个侧线采出口的精馏塔设塔内与进
3、料压力相等 返回 二个极限条件 第二节多组分精馏过程 第二节多组分精馏过程 3 2 1多组分精馏过程分析3 2 2最小回流比3 2 3最少理论塔板数和组分分配3 2 4实际回流比 理论板数 进料位置 返回 3 2 1多组分精馏过程分析 一 关键组分1 关键组分的引出一般精馏 对于设计型计算 5个可调设计变量为 i j为在精馏中起关键作用的组分 称关键组分 i 挥发度大的组分 称轻关键组分 表示 LK 下标 lj 挥发度小的组分 称重关键组分 表示 HK 下标 h 对于精馏中的非关键组分 设为非关键组分i对HK的相对挥发度 4 关键组分的指定原则由工艺要求决定 例 ABCD 按挥发度依次减少排列
4、 混合物分离 工艺要求按AB与CD分开 则 B为LK C为HK 工艺要求先分出A 则 A为LK B为HK 二 设计计算多组分精馏过程的复杂性 1 确定后 顶釜浓度未确定物料衡算确定顶釜浓度 二种方法 清晰分割法假设LNK全部从塔顶采出 假设HNK全部从塔釜采出 非清晰分割法各组分在顶 釜都有可能存在 流量分布 温度分布 浓度分布复杂 流量分布分子汽化潜热相近 可视为恒摩尔流例 苯 甲苯物系 图3 4 苯 甲苯 异丙苯物系 图3 5 分子汽化潜热不相近 V L有变化 但V L变化不大 温度分布泡点与组成密切相关 温度分布接近组成分布形状 图3 4 图3 6 浓度分布1 进料板附近各组分浓度变化较
5、大 原因是引入的组分包含全部组成 2 对非关键组分精馏段 HNK迅速消失 LNK以接近于常数浓度在进料板以上各板中出现 接近顶部急剧增加 在出料液中达到最高 提馏段 LNK迅速消失 HNK在再沸器中浓度最高 从釜向上几板下降较大 然后变化不大 一直延伸到进料板 3 关键组分变化复杂 若无LNK时 HK分别在二段出现两个最高点 LK表现象LNK 图3 7 若无HNK时 LK分别在二段出现两个最高点 HK表现象HNK 图3 8 有LNK HNK 且都不同时出现在顶 釜时 LK在精馏段出现一个最大值 然后降到所规定的浓度 HK在提馏段出现一个最大值 然后降到所规的浓度 图3 9 返回 3 2 2最小
6、回流比 1 时 恒浓区出现的情况 恒浓区 精馏塔中全部浓度不变的区域 二元精馏 恒浓区 一个 出现在进料板 多元精馏 定义 顶釜同时出现的组分 分配组分只在顶或釜出现的组分 非分配组分一般 LK HK和中间关键组分为分配组分 非关键组分可以是分配组分 也可以是非分配组分 多元精馏特点 各组分相互影响 存在上 下恒浓区 所有进料组分中有非分配组分的影响 恒浓区位置不一定在进料板处 依据 恒浓区概念 关联式 相平衡 物料平衡 Underwood公式 误差 10 20 返回 3 2 3最少理论板数和组分分配 1 最少理论板数 采用Fenske方程求最少理论板数 推导如下 用 1 2 式推导Fensk
7、e方程 设塔顶采用全凝器 板序由上向下 以次类推 Fenske方程的各种形式 Fenske方程说明 返回 2 非关键组分分配 列方程 将D W代入表中 完成物料衡算表 略 2 求最少理论板数 3 核实清晰分割的合理性 5 调整以前面结果为初值 进行试差 例3 3 计算已知 1 2 分离要求 解 选甲苯为LK 异丙苯为HK 二甲苯为中间关键组分 物料分配时要对二甲苯试差 1 设 依据相对挥发度估计 其他组分按清晰分割法处理 初算结果如下表 核算中间组分 核算LNH组分B 核算中间组分 5 重复3的计算 完善物料衡算表 返回 3 2 4实际回流比 理论板数 进料位置 一 实际回流比R由操作费 设备
8、费确定由经验取 R 1 1 1 5 Rm 二 理论板数 用Gilliand图简便 但不准确 回归的经验式为 已知X 由 3 16 或 3 17 解出y 三 适宜进料位置的确定 例3 4分离烃类混合物例3 1求出Rm 1 306 例3 2求出Nm 6 805和物料衡算表本题求N 进料位置解 1 求RR 1 25Rm 1 634 三 确定进料位置 塔中实际板为18块 四 不同回流比下物料分配的比较不同回流比物料分配如图 3 14 对于操作情况 R 1 2 2 Rm 由Fenske方程 对全回流情况 结论 可用操作回流比下的物料分配 采用Fenske方程计算Nm 简捷计算法步骤 1 由工艺要求选LK
9、 HK 物料分配得出 返回 1 问题的引出 分离乙醇 水混合物 分离丁烯 2 丁烷 问题 如何分离的混合物 第三节萃取精馏和共沸精馏 2 特殊精馏在和的溶液中加入一个新组分S 使它对原溶液中各组分产生不同作用 从而改变原溶液组分之间相对挥发度 使系统变的易于分离 及 特殊精馏为既加能量又加质量分离剂的精馏 原溶液加新组分后形成最低共沸物从塔顶采出 共沸精馏 S为共沸剂 原溶液加新组分后不形成共沸物且S沸点最高 从塔釜采出 萃取精馏 S为萃取剂或溶剂 第三节萃取精馏和共沸精馏 3 3 1萃取精馏3 3 2共沸精馏 返回 3 3 1萃取精馏 一 流程 特点 1 二塔串联 2 S为难挥发组分 一般在
10、近于塔顶加入 二 萃取精馏原理和溶剂选择 1 溶剂的作用 由三元物系Margules方程 将上式代入 3 20 恢复 分析 3 26 讨论 3 27 成立的必要条件 溶剂的作用 体现 原溶液沸点差不大 非理想性不很强时 稀释原溶液 体现 当原溶液沸点差大 非理想性很强时 加S后 浓度下降 而增加 由 3 23 小 突出了作用 返回 补充作业 在萃取精馏中 已知60 时 2 溶剂的选择 考虑分子极性选择在极性上更类似于HK的化合物作溶剂 降低HK的挥发度 例 分离甲醇 沸点64 7 丙酮 沸点65 5 a 选烃作溶剂 丙酮为难挥发组分2 b 选水作溶剂 甲醇为难挥发组分2 极性顺序 由小到大 考
11、虑能否形成氢键S加入后形成的溶液 仅有氢键生成 则呈现负偏差 仅有氢键断裂 则呈现正偏差 表3 2 考虑其它因数1 沸点高 不与1 2组分共沸 不起化学反应 2 溶解度大 3 溶剂比 溶剂 进料 不得过大 4 无毒 不腐蚀 低廉 易得 三 萃取精馏过程分析 1 塔内流量分布 设S为纯组分 在塔顶采出为0 2 塔内溶剂浓度分布由于S量大 挥发性小 可视为S浓度恒定作为简化计算 分析 分析 3 45 3 47 图解法或解析法设在全塔恒定 将1 2 S三元看成1 2元处理 四 萃取精馏过程计算 例 3 5求S F N 浓度和温度的确定 补充作业 采用溶剂S来萃取精馏组分1 2的混合物 溶剂看成不挥发
12、的纯组分 回流比R 2 25 塔内看成恒摩尔流 露点进料 q 0 已知条件如后页 求 1 板上溶剂浓度 2 最少理论板数 3 用所给式说明溶剂作用 返回 3 3 2共沸精馏 共沸物 恒沸物 定压下 加热溶液使之蒸发 从始到终x y T不变的溶液 共沸点 恒沸点 共沸时的温度 对共沸物 一个汽相 一个液相 均相一个汽相 多个液相 非均相 一 共沸物的特性和共沸组成的计算科诺瓦洛夫定律指出 适用于二元和多元 P x曲线极值点 相当于汽液平衡相组成相等 共沸参数 x T P 预测 已知x T P任一个参数 可求出另外二个 例3 6已知P 86 659kPa 求共沸时x T 另外 B 二元非均相共沸物
13、 都为正偏差共沸物 系统正偏差较大时 形成二个液相 一个汽相共沸物 1 形成非均相共沸物 3 不形成共沸物 2 形成均相共沸物 适用情况 若互溶度很小 平衡计算 同时考虑 1 汽液平衡 2 液液平衡 2 三元系 科诺瓦洛夫定律也能应用 A 相图 立体图 P x图 1 三侧面表示三个二元系P T x图 2 理想系 压力面是平面 正偏差物系 压力面位于平面之上 负偏差物系 压力面位于平面之下 3 三元共沸点对应压力极值点 4 用平行于底面的平面切割压力 温度 面 得到一系列等压 等温 曲线 B 脊 谷 鞍点 设m 正偏差共沸物 或最低共沸物 M 负偏差共沸物 或最高共沸物 对于压力面 三个二元m
14、或M 有三元共沸物存在 图3 20 二个m 或一个m与一个低沸点组分 使压力面产生脊 二个M 或一个M与一个高沸点组分 使压力面产生谷 图3 21 有脊又有谷 会出现鞍点 为鞍点共沸物 图3 22 C 三元均相共沸组成的计算 二 共沸剂的选择一般原则 1 分离负偏差共沸物或沸点相近的混合物a 共沸剂仅与一个组分形成二元正偏差共沸物 b 分别与两组分形成二元正偏差共沸物 且共沸点有明显差别 c 与两组分形成三元正偏差共沸物 共沸点温度显著低 2 分离二元正偏差共沸物a 共沸剂与一个组分形成二元正偏差共沸物 共沸温度明显低 b 形成三元正偏差共沸物 共沸点温度显著低 例1 分离环己烷 1 苯 2
15、共沸剂的选取 沸点 T1 80 8 T2 80 2 特点 1 2形成正偏差 或最低 共沸物 共沸点 T 77 4 X2 0 54 方法 1 找出与1 2形成共沸物的物质 2 筛选在所有能形成共沸物的物质中选出共沸点低于77 4 的物质 丙酮 甲醇 3 相图分析确定 分离情况 丙酮作共沸剂 塔顶分出环己烷与丙酮 甲醇作共沸剂 塔顶分出三元共沸物 例2 分离氯仿 沸点61 2 丙酮 沸点56 4 共沸剂的选取 特点 形成负偏差共沸物 选二硫化碳为共沸剂 塔顶 二硫化碳 丙酮共沸点 39 3 塔釜 较纯的氯仿 例3 分离乙醇 水 共沸剂的选取 特点 形成一个三元共沸物 三个二元共沸物 选苯为共沸剂
16、总之 1 显著影响1 2组分平衡关系2 S易回收 分离3 量少 汽化潜热小4 溶解度大 不起化学反应5 无腐蚀 无毒6 价廉 易得 三 分离共沸物的双压精馏过程 利用不同压力下 共沸组成不同分离 例 分离甲乙酮 水 物料衡算 二个塔作一个整体 四 二元非均相共沸物的精馏 系统本身形成非均相共沸物流程例 分离正丁醇 1 水 2 与均相共沸物精馏比较 采用普通精馏能分离非均相共沸物 计算1 精馏段操作线方程 n n 1 塔釜物料衡算 2 提馏段操作线方程 3 全塔物料衡算 例3 7 共沸精馏的简捷计算 分离苯酚 1 水 2 由于塔顶有一共沸物 恒浓区可能出现在进料板或精馏段 相当于只有HNK为非分配组分的情况 a 设恒浓区出现在进料板 b 设恒浓区出现在塔顶 分析a b 精馏塔从下向上V分布越来越小 当小到 Vmin 755时塔顶会出现恒浓区 因此 不可能在进料板出现 Vmin 260的恒浓区 取二者中最大值Vmin 260 2 求N 流程 图3 31 图3 32 略 计算 特点 1 非理想性强 形成共沸物 2 变量多 加了S 简捷计算法 基本有机化工分离工程P186严格计算 电算 第四章
