化工分離工程

1、化工分離工程第一章 緒論1.1 概述1.1.1 分離過程的發(fā)展與分類隨著世界工業(yè)的技術革命與發(fā)展 , 特別是化學工業(yè)的發(fā)展 ,人們發(fā)現(xiàn)盡管化工產(chǎn)品種類繁多 ,但 生產(chǎn)過程的設備往往都可以認為是由反應器、分離設備和通用的機、泵、換熱器等構成 。其中離 不開兩類關鍵操作 : 一是反應器 , 產(chǎn)生新物質的化學反 應過程,其為化工生產(chǎn)的核心 ; - 其中離不 開兩類關鍵操作 : 一是反應器 , 產(chǎn)生新物質的化學反 應過程,其為化工生產(chǎn)的核心 ; - 于是研究化 學工業(yè)中具有共同性的過程和設備的規(guī)律 ,并將之運 用于生產(chǎn)的“化學工程”這一 學科應運而生 。分離過程可分為機械分離和傳質分離兩大類 。 機械

2、分離過程的對象都是兩相或兩相以上的非 均相混合物 , 只要用簡單的機械方法就可將兩相分離 ,而兩相間并無物質傳遞現(xiàn)象發(fā)生傳質分離過 程的特點是相間傳質 , 可以在均相中進行 , 也可以在 非均相中進行 。 傳統(tǒng)的單元操作中 , 蒸發(fā)、蒸 餾、吸收、吸附、萃取、浸取、干燥、結晶等單元操作大多在兩相中進行 。 依據(jù)處于熱力學平衡 的兩相組成不相等的原理 ,以每一級都處 于平衡態(tài)為手段 , 把其他影響參數(shù)均 歸納于效率之中 ,使其 更符合實際 。它的另一種 工程處理方法則是把現(xiàn)狀和達到平衡之間的濃度 梯度或壓力梯度作為過程 的推動力 , 而把其他影響參數(shù)都歸納于阻力之中 , 傳遞速率 就成為推動力與

3、阻力的商了 。上述兩種 工程處理方法所描述的 過程,都稱作平衡級分離過程 。分離行為在單級中進行時 , 往往著眼于氣相 或液相中粒子、離子、分子以及分子微團等在場的作用 下遷移速度不同所造成的分離 。 熱擴散、反滲透、超過濾、電滲析及電泳等分離過 程都屬此類 ,稱速率控制分離過程 , 都是很有發(fā)展?jié)摿Φ男?分離方法 。 綜上所述 , 分離過程得 以進行的基礎是在“場”的存在下 , 利用分離組分間物理或化學 性質的差異 ,并采用工程手段使之達到分 離 。 顯然, 構思新穎、結構簡單 、運行可靠、高效節(jié)能的 分離設備將是分離過程得以實 施乃至 完成的保證。1.1.2 分離過程的地位廣泛的應用、科技

4、的發(fā)展、環(huán)境的 需要都說明分離過程在國計民生中所 占的地位和作用 , 并展 示了分離過程的 廣闊前景:現(xiàn)代社會離不開分離技術,分離技 術發(fā)展于現(xiàn)社會。1.2 分離分子組分i和J的通用分高因一 f a l 11為二組分在嚴品I中的摩爾分率的比値除以在產(chǎn)品2中的 比值。 顯然, , r 的單位可以用組分的質量分率、摩爾流量或質量流量 ,其所得的分離因子值不變。1.3 過程開發(fā)及方法 (1 )開發(fā)基礎研究：針對項目的應用性基礎研究和工藝特征研究，以實驗室研究為主體(2 )過程研究:進行工藝、產(chǎn)品、設備等的工程放大試驗，包括模型試驗、徽型中試、中間試驗、 原型裝置試驗及工業(yè)試驗的全部過程或部分過程。(

5、3 )工程研究:包括技術經(jīng)濟評價、概念設計、數(shù)學模型、放大技術及基礎設計等所以,化工新技術開發(fā)不外乎三個關鍵環(huán)節(jié)：概念形成到課題的選定、技術與經(jīng)濟論證(可行性)和放大技術。其 中,放大技術是研究開發(fā)的核心。1. 逐級經(jīng)驗放大其基本步驟是：進行小試，確定操作條件和設備形式，以及可望達到的技術經(jīng)濟指標。 確定的依據(jù)是 最終產(chǎn)品質量、產(chǎn)量和成本，并不考慮過程的機理。小試之后進行規(guī)模稍大的中試，以確定設備尺寸 放大后的影響(放大效應)，然后才能放大到工業(yè)規(guī)模的大型裝置 。2. 數(shù)學模型方法此法基于對過程本質的深刻理解，將復雜過程分解為多個較簡單的子過程，再根據(jù)研究的目的進行 合理簡化，得出物理模型。1

6、.4分離方法的選擇1可行性要選擇合適的分離方法，首先應考查它的可行性。也就是說,應用該方法是否可能獲得所期望的結 果。通過可行性判斷，可以篩選合適的分離方法。第二章精餾蒸餾(Distillation ):借助液體混合物中各組分揮發(fā)性的差異而進行分離的一種操作方法。簡單蒸餾(simple distillation) :混合液受熱部分汽化，產(chǎn)生的蒸汽進入冷凝器種冷凝，分批收 集不同組成的餾出液產(chǎn)品。平衡蒸餾(equilibrium distillation):釜內液體混合物被部分汽化，使氣相與液相處于平衡狀態(tài)，然后將氣相與液相分開，是一種單級蒸餾操作。精餾(rectificati on):液體混合

7、物多次進行部分冷凝或部分汽化后，最終可以在氣相中得到較純的易揮發(fā)組分，而在液相中得到較純的難揮發(fā)組分。精餾計算：物料衡算，熱量衡算，相平衡關系 計算方法：雙組份常用圖解法；多組分常用簡捷法、嚴格計算法普通精餾不適用下列物料的分離：（1）待分離組分間的相對揮發(fā)度很接近于 1。此時，它們的分離需要很多理論板數(shù)和很大的回流比，因此設備投資和操作費用很大，不經(jīng)濟。一般認為，當分離所需的理論板數(shù)大于100時，精餾已不適用。（2） 待分離組分形成恒沸物，此時相對揮發(fā)度等于 1，平衡的汽液兩相組成一樣，普通精餾無法 實現(xiàn)分離。（3）待分離物料是熱敏性的，或是在高溫下易發(fā)生聚合、結垢、分解等不良反應的。（4）

8、待回收的組分是難揮發(fā)組分，且在料液中含量很低。此時能量消耗太大，不經(jīng)濟。理論板、板效率和填料的理論板當量高度理論板:進入該板的不平衡的物流發(fā)生了充分的接觸傳質， 離開了兩相的物流間達到了平衡； 在該 板上發(fā)生傳質接觸的汽液兩相各自完全混合， 板上各點的汽相和液相濃度各自一樣； 該板上充分接 觸后的汽液兩相實現(xiàn)了機械上的完全分離，離開該板的汽流中不夾帶霧滴，液流中不夾帶氣泡，也 不存在漏液。板效率:廠yj yj 1emv*yj yj 1式中，分子為汽相經(jīng)實際板接觸傳質后的增濃值；分母則為經(jīng)理論板后的增濃值；效率為兩者之比 值。點效率、莫夫里板效率（干板效率）、濕板效率、總板效率理論板數(shù)只與相平衡

9、關系、規(guī)定的分離要求和精餾操作參數(shù)（進料熱狀況、回流比和液氣比）有關, 表征物料達到規(guī)定分離要求的難易。系統(tǒng)物性對板效率的影響液相粘度：粘度高產(chǎn)生的氣泡大，兩相接觸差，液相擴散系數(shù)小，效率低；相對揮發(fā)度：相對揮發(fā)度大則氣相溶解度低，液相阻力大，板效率低；表面張力：表面張力對板效率影響相當小。二元精餾計算 圖解法：在x-y圖上作出平衡線和操作線、對角線和曲，精餾段在 精餾段操作線與平衡線之間畫 得的梯級即為精餾段的理論板數(shù)，在提餾段操作線與平衡線畫出的梯級數(shù)為提餾段的理論板數(shù)。汽液平衡關系；相鄰兩板之間汽液兩相組成的操作關系； 原料液的組成；進料熱狀況；操作回流比;分離程度精餾段各組分的摩爾汽化

10、焓相等；以忽略不計氣液接觸時因溫度不同而交換的的顯熱可以忽略不計；塔的熱損失可操作線方程y （ R ）xR 1(R 1)xD提餾段操作線方程y （討x （&BFeed stage con siderati ons冷液進料、飽和液體、氣液混合進料、飽和蒸汽進料、過熱蒸汽進料飽和蒸汽的摩爾焓原料的摩爾焓進料熱狀態(tài)參數(shù)q: q飽和烝汽的摩爾焓飽和液體的摩爾焓q線方程：y （$）x （王）q 1 q 1平衡級與進料板位置的確定精餾的簡捷計算（多組分精餾）關鍵組分:進料中按要求選取的兩個組分（大多是揮發(fā)度相鄰的兩個組分它們對物料的分離起控制 作用。揮發(fā)度大的稱為輕關鍵組分（LK）,它在塔釜中的濃度必須加

11、以控制，不能大于某個規(guī)定值； 兩組分中揮發(fā)度大的稱為重關鍵組分（HK ,為達到分離要求，它在塔頂產(chǎn)品中的含量必須加以控 制。料液中比輕關鍵組分更易揮發(fā)的組分為輕非關鍵組分（LNK，簡稱為輕組分；比重關鍵組分更 難揮發(fā)的組分稱為重非關鍵組分（HNK，簡稱為重組分。在多組分精餾中，只在塔頂或塔釜出現(xiàn)的組分為非分配組分；而在塔頂和塔釜均出現(xiàn)的組分則為分一 配組分。LK和HK肯定同時在塔頂和塔釜出現(xiàn)，是當然的分配組分。多組分精餾過程特性： 對二組分精餾，設計變量值被確定后，很容易用物料衡算式，汽液平衡式和熱量衡算式從塔的任何端出發(fā)作逐板計算，無需進行試差 但在多組分精餾中，由于不能指定餾出液和釜液的全

12、部組成， 要進行逐板計算，必須先假設一端的 組成，然后通過反復試差求解。精餾塔的分離要求通常有兩個，它們可以是產(chǎn)品的純度和流量（或回收率），但至少有一個應是純度。多組分精餾與二組分精餾在含量分布上的區(qū)別： 在多組分精餾中，關鍵組分的含量分布有極大值；非關鍵組分通常是非分配的，即重組分通常僅出 現(xiàn)在釜液中，輕組分僅出現(xiàn)在餾出液中； 重、輕非關鍵組分分別在進料板下、 上形成幾乎恒濃的區(qū) 域；全部組分均存在于進料板上，但進料板含量不等于進料含量， 塔內各組分的含量分布曲線在進 料板處是不連續(xù)的。在精餾塔中，溫度分布主要反映物流的組成，而總的級間流量分布則主要反映了熱量衡算的限制最小理論板數(shù)Min：精

13、餾塔在操作過程中，將塔頂蒸氣全部冷凝，其凝液全部返回塔頂作為回流， 稱此操作為全回流（total reflux），回流比R為無窮大（R= ）。此時通常不進料，塔頂、塔底不 采出。故精餾塔內氣、液兩相流量相等，L = V,兩操作線斜率均為1,并與對角線重合。由于全 回流操作時，使每塊理論板分離能力達到最大，完成相同的分離要求，所需理論板數(shù)最少，并稱其為最小理論板數(shù)Nnino芬斯克方程最小回流比Rmin： Rm inXdYeYeXeiBXFi恩特伍德方程（估算最小回流比）i iBiB XDiiB適宜回流比0.5668 吉利蘭關聯(lián)式:N Nmin 0.75 1 RRminN 1R 1多組分精餾的FU

14、G簡捷計算方法 首先用芬斯克方程計算最少理論板數(shù)；計算給定條件下的最小回流比；應用吉利蘭經(jīng)驗關聯(lián)式估算所需理論板數(shù)。FUG法適合于新塔的設計計算，習慣需要指定以下三個變量：實際回流流率與最小回流流率之比; 參考組分（通常是重關鍵組分）的切割程度；另一組分（通常為輕關鍵組分）的切割程度。精餾的簡捷計算例題-見課件 嚴格的多組分精餾計算 精餾的定態(tài)數(shù)學模型MESH方程：組分物料衡算（M，相平衡關聯(lián)（巳，摩爾分率加和歸一（S），熱量衡算（H）(i= 1,c;組分物料衡算(M 方程: uij+wij+lij+vij-vi,j+1-li,j-1-fij=0 j= 1,N)相平衡關聯(lián)（E方程）:(i= 1

15、,c; j= 1,N)摩爾分率加和歸一（S）方程:j= 1,N)熱量衡算（H方程：（j= 1,N)為進行精餾的嚴格計算，除 MES模型方程組外,Kij，hj和片的關聯(lián)式必須知道基于上述定態(tài)數(shù)學模型的操作型算法可歸并為兩大類:（Wang-Henke的三對角矩陣法屬于分塊解法。王-亨克算法的計算框圖1）分塊求解；2）聯(lián)列解。王-亨克泡點法（BP法）ASPEN PLU大型流程模擬軟件 流程模擬的優(yōu)越性AVV*第三早吸收吸收的定義 吸收分離過程的用途：獲得產(chǎn)品、分離氣體混合物、氣體的凈化、回收有用組分吸收劑不需要解吸再生的吸收裝置： 如硫酸吸收SO制HSC4、水吸收HCI制鹽酸、吸收甲醛制福爾 馬林、

16、堿液吸收CO或SO制碳酸氫鹽或硫酸鹽等。（流程圖） 吸收劑進行解吸的吸收裝置:1. 吸收劑價廉，但必須解吸后再棄去的吸收裝置（液化廢氣中提取氯）；2. 減壓冷再生流程（合成氨中CO的解吸）3. 氣提冷再生流程（氧化法吸收H2S）4間接蒸汽再生流程吸收過程的分類：物理吸收：吸收劑與溶質之間沒有化學反應發(fā)生；化學吸收：液相中發(fā)生化學反應。塔設備：填料塔：結構簡單，造價低廉，制造方便，體積大，重量大，傳質效率不高，操作穩(wěn)定性差，容易 發(fā)生溝流現(xiàn)象板式塔：單位處理量大，重量小，清理檢修方便，制造麻煩，投資費用大（泡罩塔、篩板塔、浮伐 塔）板式塔特性的比較填料塔（本章重點）填料的要求比表面積要大；能夠提供大的流體通量；液體的再分布性能要好；填料裝填后，床層結構均勻堆放的形狀有利于液體向四周均勻分布既能垂直上下傳遞，而且能夠橫向傳遞要有足夠的機械強度。填料塔中的傳質速率滲透論傳質開始時，氣液兩相各自內部的濃度是一致的， 兩者一開始接觸就開始傳質，氣相溶質不斷溶解到液相中，接觸時間愈長，