《分离工程》复习摘要解析课件

1、分离工程复习第1页，共87页。第一章 绪论分离过程的分类分离过程分为机械分离和传质分离两类。 传质分离过程用于各种均相混合物的分离，分为平衡分离和速率分离。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。第2页，共87页。 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）。第3页，共87页。设计变量设计变量计算前，必须由设计者赋值的变量。1、独

2、立变量数NV （2）描述系统与外界能量交换的变量数。 NV=（C+2）+能量交换变量数（1） 物流独立变量数第4页，共87页。2、约束关系数NC的确定（1）物料衡算式 C 个 （2） 能量衡算式 （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、设计变量第5页，共87页。4、求Na确定Nx进料条件压力级数5、单元的设计变量数的确定第6页，共87页。6、装置设计变量 的确定（1）按每一物流有c+2个变量，计算所有进料的固定设计变量数；（3）以上两项之和即为系统的固定设计变量数；（2）确定系统所具有的不同的压力级数（当忽略过程压降时当如何）； （4）将系统的串级单元

3、的数目、分配器数目、侧线采出单元数目和传热单元数目加和即为系统可调设计变量数。会进行设计变量可能的选择。第7页，共87页。第二章 单级平衡过程1 、相平衡的条件 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） 。第8页，共87页。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 ：第9页，共87页。（3）汽相为理想溶液，液相为理想溶液（4）汽相为理想溶液，液相为非理想溶液第10页，共87页。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

4、温度？分凝器？塔底温度？（2）泡点温度和泡点压力的计算 1） Ki与xi无关的泡点温度的计算平衡常数法第11页，共87页。可按下步骤由试差法求解：第12页，共87页。相对挥发度法 2）泡点压力的计算理想物系 汽相为理想气体，液相为非理想溶液第13页，共87页。（2）Ki与xi无关的露点温度和压力的计算 露点方程 可按下步骤由试差法求解： 第14页，共87页。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2 2.塔内分布复杂过程分析 3. 计算简捷法：Fenske-Undewood-Gilliland法 共沸

5、精馏图解法 萃取精馏简化法4. 萃取精馏、共沸精馏特点及异同第三章 多组分精馏和特殊精馏第17页，共87页。二个极限条件：计算： 1.近似（简捷）法 用于： 基础数据不全 提供电算初值 比较、选择方案 3.1 多组分精馏过程第18页，共87页。3.1.1 多组分精馏过程分析Process Analysis for Multicomponent Distillation一、关键组分（Key Components）二、多组分精馏特性分析精馏塔内的温度、流率和浓度分布。19第19页，共87页。一、关键组分（Key Components）FNa=串级数(2)分配器(1) 侧线采出(0)传热单元(2)

6、= 5已被指定的可调变量：（1）进料位置 feed stage location ；（2）回流比 reflux ratio ；（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。heat transfer area of the condenser or condensate temperature( i.e., saturated liquid)(4)余下的2个可调设计变量一般用来指定某个组分在馏出液和另一个组分在釜液中的浓度。（不论有多少个组分）20第20页，共87页。轻关键组分（Light key component, LK), high relative volatility， 相

7、对挥发度大的组分重关键组分（Heavy key component, HK), low relative volatility， 相对挥发度小的组分轻非关键组分（light nonkey component, LNK）轻组分轻关键组分（LK）中间组分(intermediate component, relative volatility between the two key components)重关键组分（HK）重非关键组分（heavy nonkey component, HNK）重组分两个关键组分Two key components相对挥发度lowhigh第21页，共87页。分配组分(d

8、istributing component) simultaneously appear in bottoms and distilate非分配组分(nondistribution component)heavy component only appear in bottomslight component only appear in distilate 清晰分割(sharp split or sharp separation)： 馏出液中除了重关键组分外，没有其它重组分； 釜液中除了轻关键组分外，没有其它轻组分。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。22第22页，共

9、87页。 两个关键组分的相对挥发度相邻且分离要求苛刻，或非关键组分的相对挥发度与关键组分相差较大时，可达到清晰分割。问题：什么情况下可达到清晰分割？23第23页，共87页。1. 关键组分的特点LK和HK形成分离界线，且 越小， 分离越难。回收率：精馏中： LK绝大多数在塔顶出现，在釜中量严格控制； HK绝大多数在塔釜出现，在顶中量严格控制。只有无LNK，且 较大，塔顶可采出纯LK； 只有无HNK，且 较大，塔釜可采出纯HK。hlahlahla24第24页，共87页。2. 关键组分的指定方法 指定回收率 指定控制量hWlDjj；注意：同一组分，规定了一端的回收率，另一端的量已确定。不能重复！第2

10、5页，共87页。3. 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）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第26页，共87页。二、多组分精馏特性计算方法上： 对于二元精馏，设计变量被确定后，可从任一端出发，作逐板计算，无需试差。 对于多元精馏，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。二元精馏 vs 多元精馏在塔内流率，温度和浓度分布上也有不同。第27页，共87页。二元精馏实例：苯甲苯benzene-toluene二组分精馏流率、温度、浓度分布除进料板处液体流率有突变外，各段的摩尔流率

11、基本上为常数.28第28页，共87页。三组分精馏实例：苯(LK)甲苯(HK)异丙苯 benzene(LK)-toluene(HK)-isopropyl benzene图3-2三元精馏流量分布图3-3 三元精馏温度分布液气比L/V接近常数29第29页，共87页。四元精馏实例：苯甲苯(LK)二甲苯(HK)-异丙苯 benzene-toluene(LK)-xylene(HK)-isopropyl benzene图3-4四元精馏液相组成分布Z1=0.125Z2=0.225Z3=0.375Z4=0.27512=2.2522=1.0032=0.3342=0.2130第30页，共87页。关键组分变化复杂：

12、若无LNK时：HK分别在二段出现两个最高点，LK表现象LNK。（图3:4） 若无HNK时：LK分别在二段出现两个最高点， HK表现象HNK。（图35） 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36）31第31页，共87页。Summary多元精馏与二元精馏在浓度分布上的区别（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

13、料板 含量不等于进料含量。各组分的浓度分布 曲线在进料板处不连续。第32页，共87页。精馏塔内温度分布和流量分布的规律：在精馏塔中，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了热衡算的限制。精馏过程的内在规律，严格计算的基础。33第33页，共87页。小结：一、沿塔高方向的温度分布在精馏塔中，温度分布主要反映物流的组成。 沿塔高方向自下而上温度递减34第34页，共87页。级间流率分布与热量衡算密切相关。影响因素较多，总效应很复杂，难以归纳出一个通用的规律。假设塔内恒摩尔流近似成立。小结：二、沿塔高方向的汽液流率分布第35页，共87页。对于两组分精馏，指定馏出液中一个组分的浓度，就确

14、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，遇到的关键问题是塔顶和塔底产品的组成和量无法全部预先确定。 小结：三、沿塔高方向的浓度分布第36页，共87页。3.1.2 最小回流比1. 时，恒浓区出现的情况mR恒浓区精馏塔中全部浓度不变的区域恒浓区二元精馏：恒浓区：一个，出现在 进料板第37页，共87页。多组分精馏中的夹点位置Location of pinch-point zones （1）轻、重组分均为非分配组分恒浓区恒浓区恒浓区恒浓区恒浓区恒浓区恒浓区恒浓区（4）轻、重组分均为分配组分(all components distributed)（2）重

15、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, 轻组分非为分配组分有两个“夹点”少见38第38页，共87页。最小回流比条件下会出现恒浓区，区内无分离效果，需无穷多理论板（infinite stages)。如何计算最小回流比？39第39页，共87页。2. 的计算mR采用Underwood法计算： 假设： 1、塔内汽液相流率为恒摩尔流 molar overflow are constant 2、各组分相对挥发度是常数 relative volatility is constant依据：恒浓区概念关联式：相平衡、物料平衡40第40页，共87页。Underwood公式：式中： i 对基准组

16、分 r 的相对挥发度 取基准： 最难挥发的组分（最重的组分） HKriaq进料状态参数 方程的根，为多根方程，取qrhrlaqa误差：1020%mDix)(, 最小回流比操作下，馏出液中i 的摩尔分数， 第41页，共87页。，最后取平均值。几个，解出之间试差出几个挥发度不相邻，可在、注意：若mrhrlRHKLKqaa,第42页，共87页。3.1.3 最少理论板数和组分分配1.最少理论板数特点：F=D=W=0 L=V；L/V=1 操作线方程： 板效率 最高ininxy,1=+意义： 1、开车时，先全回流，待操作稳定后出料。 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。

17、此时为全回流。第43页，共87页。 第44页，共87页。 由吉利兰图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。实际回流比、理论板数和适宜进料位置的确定简捷法（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； 第45页，共87页。 （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） 用恩特伍德公式求Rm；第46页，共8

18、7页。（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）计算塔径、板间距、选择塔盘，并作塔盘水力学检验；（10）由热量衡算求冷凝器和再沸器的热负荷。（2）、（4）、（5）必须熟练掌握。第47页，共87页。3.3.萃取精馏和共沸精馏1、有关概念 特殊精馏、共沸精馏、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第48页，共87页。 （1）要使溶剂在任何值时均能增大原溶液组分的相对挥发度， 须使（2）当 一定时，xS越大， 改变越大。（3） 是提高溶剂选择性的必要条件而非充分条件。1） ，（正偏差体系

19、） 当 时（高浓区）， ， 而 加入S后，选择性上升， s增加；第49页，共87页。 当 时（低浓区）， ，而 ，加入S后，有可能使分离变得更困难（当 使s减小的影响大于 使s上升的影响时，加入S，分离更难）。2） ，（负偏差体系） 当 时（高浓度区）， ，而 加入S后，有可能使分离变得更困难； 当 时（低浓区）， ，而 加入S后，选择性上升，s增加。第50页，共87页。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）使原溶液中各组分的作用减弱，S量要大（一般xS为0.60.8） 。2、萃取精馏过程溶剂选择的

20、原则及三种选择方法3、萃取精馏流程及萃取精馏塔的分段4、萃取精馏塔内流量分布、和浓度分布特点 流量： S存在下塔内液汽比大于脱溶剂情况下的液汽比；S沸点高且量大，S下流中温度升高冷凝一定量上升蒸汽，从上至下气液流量渐增第51页，共87页。（1）若 ，且为露点进料时， ； （2） 若进料为液体或气液混合物， ，则 ，溶剂浓度在进料板处有突变（为使 接近可采用饱和蒸汽进料）； （3）塔釜 则 S在再沸器中浓度发生跃升。溶剂浓度：第52页，共87页。5、萃取精馏操作设计的特点（1）萃取精馏塔的板效率小于普通精馏塔，一般为其50； （2）要严格控制R，不能盲目用调节R的办法调节萃取精馏塔的操作，因分离

21、效果变差；常用方法： 1）调节S用量 分离所需N下降；2）减少进料量F 在维持原xS下增加R，分离效果变好；第53页，共87页。3）S的进料温度应维持恒定 xS值大，S温度变化使塔内L和V发生很大波动，S很小 即对全塔影响很大，所以应严格控制S的进料温度。6、共沸物的特征和共沸组成的计算共沸物 yi=xi（1）共沸物的特征：第54页，共87页。共沸物的特点： 1）P 不变时，共沸组成一定，Tb=Td，汽化过程中温度T不变；2）在泡点线和露点线交点,汽化中组成不变， 1 ； 3）特殊在共沸点,普通精馏的方法不能通过共沸点，但在共沸点两侧仍有分离作用。 4）最低共沸物，在共沸点左侧， ； 共沸点右

22、侧， 。 （2）共沸组成的计算（简单过程）第55页，共87页。7、能设置采用双塔分离均相共沸物和非均相共沸物的精馏流程 。8、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 第56页，共87页。9、 恒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

23、低，更适合分离热敏性物料第57页，共87页。第四章 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。第58页，共87页。第59页，共87页。第60页，共87页。 吸收与精馏的异同原理不同 吸收是根据各组分溶解度不同进行分离的。 精馏利用组分间相对挥发度不同使组分分离。塔式不同精馏有简单塔和复杂塔。最简单的吸收为精馏中的复杂精馏 第61页，共87页。传质形式不同吸收是单向传质，精馏是双向传质 在精馏操作中，

24、汽液两相接触，汽相中的较重组分向液相中传质（冷凝），液相中的较轻组分向汽相中传质（汽化），所以传质过程是在两相中交替进行当轻、重组分的分子汽化潜热相近时，塔内可以近似看作恒摩尔流 ？第62页，共87页。温度范围、变化不同 在精馏过程中，由于气化潜热与冷凝潜热相互利用，在整个塔内的温度变化范围不是很大，而且从塔顶向下，温度逐渐升高。每块板上由于组成改变而引起的温度变化，可用泡露点方程定出 吸收要采用热量衡算来确定温度的分布 ？第63页，共87页。物料的预分布不同精馏可按清晰分割和不清晰分割进行物料的预分布 吸收每端既有进料，又有出料 需在确定满足关键组分分离要求所需的理论板数的同时，做出物料预分

25、布。 第64页，共87页。精馏有两个关键组分，吸收有一个关键组分 组分分布不同精馏过程，关键组分的浓度分布有极大值，非关键组分在进料板上下形成几乎恒浓的区域吸收过程，轻组分（即难溶组分）一般只在靠近塔顶的几级被吸收，而在其余级上变化很小重组分（易溶组分）主要在塔底附近的若干级上被吸收关键组分在全塔范围内被吸收 第65页，共87页。吸收因子法根据克雷姆塞尔方程，可知 对解吸塔 第66页，共87页。吸收因子图？ 第67页，共87页。吸收因子方程1）当 当 2）当N一定时，则 3）当A一定时，即但增加的越来越慢，特别是N超过10块以后 一定时，则 第68页，共87页。计算步骤 已知： 求： 确定关键

26、组分的吸收率 由 求 N1）由 确定 第69页，共87页。计算步骤2） 3）由 查图或用公式计算N 其它组分吸收率的确定 第70页，共87页。计算步骤求尾气的组成及量 当 时， 第71页，共87页。计算步骤吸收液的量及组成以及应加入的吸收剂量 求解思路： AB 第72页，共87页。化学吸收化学吸收的类型及判断方法。第73页，共87页。平衡级的理论模型逐级计算法三对角线矩阵法第六章 多组分多级分离的严格计算第74页，共87页。1、平衡级的MESH方程 （1)物料衡算式（M）（2）相平衡关系（E）第75页，共87页。（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

27、于求各板的气液相流量 第76页，共87页。进料变量数N(c+2) 共N(c+3)可调设计变量数 N串级单元数 1侧线采出单元数2（N1）传热单元数N共3N1所以，设计变量总数为N(c+6)-1个。对于多组分多级分离计算问题，进料变量和压力变量的数值一般是必须规定的，按其它设计变量的规定方法，可分为设计型和操作型；设计型问题规定关键组分的回收经（浓度）及有关参数，计算平衡级数、进料位置等；操作型问题规定平衡级数、进料位置及有关参数，计算可达到的分离要求（回收率或浓度）。因此，设计型问题是以设计一个新分离装置使之达到一定分离要求的计算，而操作型问题是以在一定操作条件下分析已有分离装置性能的计算。 第77页，共87页。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 第78页，共87页。（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。第79页，共87页。适宜进料位置的确定及计算结果的校核 如何确定适宜的进料位置是逐板计算的关键之一，适宜的进料位置定义为达到分离要求所需总板数最少的进料位置。适宜进料位置的近似确定方法是以轻、重关键组分的浓度之比作为精馏效果的准则，当逐板从上往下进行时，要求轻、重关键组分汽相浓度比降低得越快越好。