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

2、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' J:j; I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L '-"- J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

3、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男路蛛x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

4、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 111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。(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

5、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j /7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。八 I I I I“打 /1 |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。"-I -X -1.4分離方法的選擇1可行性11要選擇合適的分離方法，首先應考查它的可行性

6、。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(simpledistillation):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(equilibriumdistillation):釜內(nèi)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（rectification）:液體混合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

7、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。I /7（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。I X_ _- I '_-*尹（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。、" !: ； ' ,|

8、 |（4）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I 1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Q 11不存在漏液。I 1）n板效率:Emv二jLjyj yj +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

9、效率理論板數(shù)只與相平衡關系、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

10、度 精餾段塔的熱損失可以各組分的摩爾汽化焓相等；氣液接觸時因溫度不同而交換的的顯熱可以忽略不計;忽略不計操作線方程y二（)x ()Xd提餾段操作線方程y=（；1）x-（加Feedstagec on 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'II. I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 -( q-() q Tq T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

11、分（LK），它在塔釜中的濃度必須加以控制，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_ 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

12、，由于不能指定餾出液和釜液的全部組成， 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(nèi)各組分的含量分布曲線在進 料板處是不連續(xù)的。 I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

13、量衡算的限制。I最小理論板數(shù)_Nmn：精餾塔在操作過程中，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（totalreflux），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(nèi)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)NU。芬斯克方程最小回流比Rmin： Rmin二Xd _ ye ye _Xe恩特伍德方程（估算最小回流比）：Rm八-：iB XDiiB-60.5668 -適宜回流比R Rmin吉利蘭關聯(lián)式：“ -“版=0

14、.75*11 N +1多組分精餾的FUG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)（E），摩爾分率加和歸一（S），熱量衡算（H） 組分物料衡算（M）方程：uij+wij+lij+vij-vi,j+1-li,j-1-fij=0（i=1,c;j= 1

15、,N）相平衡關聯(lián)（E方程）：（i= 1,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H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：1）分塊求解；2）聯(lián)列解。王-亨克（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泡點法（BP法）ASPENPLU大型流程模擬軟件流程模擬的優(yōu)越性第三章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11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

16、鹽酸、吸收甲醛制福爾 馬林、堿液吸收CO或SQ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）；<八 I I I I 丿.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 HS）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。丨塔設備：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I 1、既能垂直上下傳遞，而且能夠橫向傳遞I I要有足夠的機械強度。I /7填料塔中的傳質速率滲透論_傳質開始時，氣液兩相各自內(nèi)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