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(shù)革命與發(fā)展,特別是化學(xué)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(shè)備往往都可以認(rèn)為是由反應(yīng)器、分離設(shè)備和通用的機(jī)、泵、換熱器等構(gòu)成。其中離不開兩類關(guān)鍵操作 : 一是反應(yīng)器 ,產(chǎn)生新物質(zhì)的化學(xué)反應(yīng)過程,其為化工生產(chǎn)的核心 ; - 其中離不開兩類關(guān)鍵操作 : 一是反應(yīng)器 ,產(chǎn)生新物質(zhì)的化學(xué)反應(yīng)過程,其為化工生產(chǎn)的核心 ; - 于是研究化學(xué)工業(yè)中具有共同性的過程和設(shè)備的規(guī)律,并將之運(yùn)用于生產(chǎn)的“化學(xué)工程”這一 學(xué)科應(yīng)運(yùn)而生。分離過程可分為機(jī)械分離和傳質(zhì)分離兩大類。 機(jī)械分離過程的對(duì)象都是兩相或兩相以上的

2、非均相混合物 ,只要用簡單的機(jī)械方法就可將兩相分離,而兩相間并無物質(zhì)傳遞現(xiàn)象發(fā)生傳質(zhì)分離過程的特點(diǎn)是相間傳質(zhì) ,可以在均相中進(jìn)行 ,也可以在非均相中進(jìn)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(jié)晶等單元操作大多在兩相中進(jìn)行。 依據(jù)處于熱力學(xué)平衡的兩相組成不相等的原理 ,以每一級(jí)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(shí)際。它的另一種工程處理方法則是把現(xiàn)狀和達(dá)到平衡之間的濃度梯度或壓力梯度作為過程的推動(dòng)力,而把其他影響參數(shù)都?xì)w納于阻力之中,傳遞速率就成為推動(dòng)力與阻力的商了。 上述兩種工程處理方法所描述的過程 ,都稱作平衡級(jí)分離過程。 分離行為在單級(jí)

3、中進(jìn)行時(shí),往往著眼于氣相或液相中粒子、離子、分子以及分子微團(tuán)等在場的作用下遷移速度不同所造成的分離。 熱擴(kuò)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。- 可編輯修改 -_綜上所述 ,分離過程得以進(jìn)行的基礎(chǔ)是在“場”的存在下,利用分離組分間物理或化學(xué)性質(zhì)的差異,并采用工程手段使之達(dá)到分離。 顯然 ,構(gòu)思新穎、結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)行可靠、高效節(jié)能的分離設(shè)備將是分離過程得以實(shí)施乃至完成的保證。1.1.2分離過程的地位廣泛的應(yīng)用、科技的發(fā)展、環(huán)境的需要都說明分離過程在國計(jì)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(huì)離不開分離技術(shù),分離

4、技術(shù)發(fā)展于現(xiàn)社會(huì)。1.2分離分子組分 i 和 J 的通用分高因一 fl11 為二組分在嚴(yán)品 l 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(zhì)量分率、摩爾流量或質(zhì)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(chǔ)研究 :針對(duì)項(xiàng)目的應(yīng)用性基礎(chǔ)研究和工藝特征研究,以實(shí)驗(yàn)室研究為主體( 2 ) 過程研究 :進(jìn)行工藝、產(chǎn)品、設(shè)備等的工程放大試驗(yàn),包括模型試驗(yàn)、徽型中試、中間試驗(yàn)、原型裝置試驗(yàn)及工業(yè)試驗(yàn)的全部過程或部分過程。( 3 ) 工程研究 :包括技術(shù)經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)、概念設(shè)計(jì)、數(shù)學(xué)模型、放大技術(shù)及基礎(chǔ)設(shè)計(jì)等所以 ,化工新技術(shù)開發(fā)不外乎三個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié):概念形

5、成到課題的選定、技術(shù)與經(jīng)濟(jì)論證(可行性 )和放大技術(shù)。其中 ,放大技術(shù)是研究開發(fā)的核心。1.逐級(jí)經(jīng)驗(yàn)放大其基本步驟是 :進(jìn)行小試 ,確定操作條件和設(shè)備形式,以及可望達(dá)到的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。確定的依據(jù)是最終產(chǎn)品質(zhì)量、產(chǎn)量和成本 ,并不考慮過程的機(jī)理。小試之后進(jìn)行規(guī)模稍大的中試,以確定設(shè)備尺寸放大后的影響 (放大效應(yīng) ) ,然后才能放大到工業(yè)規(guī)模的大型裝置。- 可編輯修改 -_2.數(shù)學(xué)模型方法此法基于對(duì)過程本質(zhì)的深刻理解,將復(fù)雜過程分解為多個(gè)較簡單的子過程,再根據(jù)研究的目的進(jìn)行合理簡化 ,得出物理模型。1.4 分離方法的選擇1 可行性要選擇合適的分離方法,首先應(yīng)考查它的可行性。 也就是說 ,應(yīng)用該方法

6、是否可能獲得所期望的結(jié)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(jìn)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(jìn)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(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(jí)蒸餾操作。精餾 （rectification) ：液體混合物多次進(jìn)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(jì)算：物料衡算，熱量衡算，相平衡關(guān)系計(jì)算方法：雙組份常用圖解法；多組分常用簡捷法、嚴(yán)格計(jì)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(duì)揮發(fā)度很接近于1。此時(shí)，它們的分離需要很多理論板數(shù)和很大的回流比，- 可編輯修改 -_因此設(shè)備投資和操作費(fèi)用很大，不經(jīng)濟(jì)。一般認(rèn)為，當(dāng)分離所需的理論板數(shù)大于100 時(shí)，精餾已不適用。（ 2）待分離組分形成恒沸物，此時(shí)相對(duì)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(shí)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(jié)垢、分解等不良反應(yīng)的。（ 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(shí)能量消

8、耗太大，不經(jīng)濟(jì)。理論板、板效率和填料的理論板當(dāng)量高度理論板：進(jìn)入該板的不平衡的物流發(fā)生了充分的接觸傳質(zhì)，離開了兩相的物流間達(dá)到了平衡；在該板上發(fā)生傳質(zhì)接觸的汽液兩相各自完全混合，板上各點(diǎn)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(shí)現(xiàn)了機(jī)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。y jyj 1板效率： EMV*jyj 1y式中，分子為汽相經(jīng)實(shí)際板接觸傳質(zhì)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(diǎn)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)只與相平衡關(guān)系、規(guī)定的分離要求和精餾操作參數(shù)（進(jìn)料熱狀況、回流比和液氣比）有關(guān)，表

9、征物料達(dá)到規(guī)定分離要求的難易。系統(tǒng)物性對(duì)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(kuò)散系數(shù)小，效率低；相對(duì)揮發(fā)度：相對(duì)揮發(fā)度大則氣相溶解度低，液相阻力大，板效率低；- 可編輯修改 -_表面張力：表面張力對(duì)板效率影響相當(dāng)小。二元精餾計(jì)算圖解法：在 xy 圖上作出平衡線和操作線、對(duì)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(jí)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(jí)數(shù)為提餾段的理論板數(shù)。汽液平衡關(guān)系；相鄰兩板之間汽液兩相組成的操作關(guān)系；原料液的組成；進(jìn)料熱狀況；操作回流比；分離程度精餾段各組分的摩爾汽化焓相等；氣液接觸時(shí)因溫度不同而交換的的顯熱可以忽略不計(jì)；塔的

10、熱損失可以忽略不計(jì)操作線方程y (R)x (1) xDR 1R1提餾段操作線方程y(VB1) x (1) xBVBVBFeed stage considerations冷液進(jìn)料、飽和液體、氣液混合進(jìn)料、飽和蒸汽進(jìn)料、過熱蒸汽進(jìn)料飽和蒸汽的摩爾焓原料的摩爾焓進(jìn)料熱狀態(tài)參數(shù)q： q飽和蒸汽的摩爾焓飽和液體的摩爾焓q 線方程： y(q)x( zF )q1q1平衡級(jí)與進(jìn)料板位置的確定- 可編輯修改 -_精餾的簡捷計(jì)算（多組分精餾）關(guān)鍵組分：進(jìn)料中按要求選取的兩個(gè)組分（大多是揮發(fā)度相鄰的兩個(gè)組分它們對(duì)物料的分離起控制作用。揮發(fā)度大的稱為輕關(guān)鍵組分（LK ），它在塔釜中的濃度必須加以控制，不能大于某個(gè)規(guī)定

11、值；兩組分中揮發(fā)度大的稱為重關(guān)鍵組分（HK ），為達(dá)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(guān)鍵組分更易揮發(fā)的組分為輕非關(guān)鍵組分（LNK ），簡稱為輕組分；比重關(guān)鍵組分更難揮發(fā)的組分稱為重非關(guān)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(shí)在塔頂和塔釜出現(xiàn)，是當(dāng)然的分配組分。多組分精餾過程特性：對(duì)二組分精餾，設(shè)計(jì)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一端出發(fā)作逐板計(jì)算，無需進(jìn)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部組成，要進(jìn)行逐

12、板計(jì)算，必須先假設(shè)一端的組成，然后通過反復(fù)試差求解。精餾塔的分離要求通常有兩個(gè)，它們可以是產(chǎn)品的純度和流量 （或回收率），但至少有一個(gè)應(yīng)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(guān)鍵組分的含量分布有極大值；非關(guān)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(guān)鍵組分分別在進(jìn)料板下、上形成幾乎恒濃的區(qū)域；全部組分均存在于進(jìn)料板上，但進(jìn)料板含量不等于進(jìn)料含量，塔內(nèi)各組分的含量分布曲線在進(jìn)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(jí)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) Nmin：精餾塔在操作過程中，將塔頂蒸

13、氣全部冷凝，其凝液全部返回塔頂作為回流，- 可編輯修改 -_稱此操作為全回流(total reflux) ，回流比 R 為無窮大(R=)。此時(shí)通常不進(jìn)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(duì)角線重合。由于全回流操作時(shí)，使每塊理論板分離能力達(dá)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) Nmin。芬斯克方程xAxAlgLK ,DHK ,Wlg( xB )D /( xB )W (1 LK ,D)(1HK,W )N minNminlg LK HKlgABxDye最小回流比 Rmin ： RminxeyeiB xFi1 qiiB

14、恩特伍德方程（估算最小回流比） ：iB xDiRm1iiB適宜回流比0.5668吉利蘭關(guān)聯(lián)式： NN min0.75 1RRminN1R1多組分精餾的 FUG 簡捷計(jì)算方法首先用芬斯克方程計(jì)算最少理論板數(shù)；計(jì)算給定條件下的最小回流比；應(yīng)用吉利蘭經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式估算所需理論板數(shù)。FUG 法適合于新塔的設(shè)計(jì)計(jì)算，習(xí)慣需要指定以下三個(gè)變量：實(shí)際回流流率與最小回流流率之比；參考組分（通常是重關(guān)鍵組分）的切割程度；另一組分（通常為輕關(guān)鍵組分）的切割程度。精餾的簡捷計(jì)算例題 -見課件- 可編輯修改 -_嚴(yán)格的多組分精餾計(jì)算精餾的定態(tài)數(shù)學(xué)模型MESH 方程：組分物料衡算（ M），相平衡關(guān)聯(lián)（ E），摩爾分率加和歸

15、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,N)vijK ij Vj lijLj相平衡關(guān)聯(lián)（ E 方程）：(i=1, ,c; j=1, ,N)lijvijfiji L ji V j1i Fj摩爾分率加和歸一（ S）方程：(j=1, ,N)(U jL j ) hj(WjVj ) H jVj 1 H j 1L j 1hj 1F j hFjQ j0熱量衡算（ H）方程：(j=1,N)為進(jìn)行精餾的嚴(yán)格計(jì)算，除MESH 模型方程組外， Kij， hj 和 Hj 的關(guān)聯(lián)式必須知道。基于上述定態(tài)數(shù)學(xué)模型的操

16、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(duì)角矩陣法屬于分塊解法。- 可編輯修改 -_王 -亨克算法的計(jì)算框圖泡點(diǎn)法（ BP 法）ASPEN PLUS 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、回收有用組分吸收劑不需要解吸再生的吸收裝置：如硫酸吸收SO 3 制 H2 SO 4、水吸收 HCl 制鹽酸、吸收甲醛制福爾馬林、堿液吸收CO 2 或 SO2 制碳酸氫鹽或硫酸鹽等。 （流程圖）吸收劑進(jìn)行解吸的吸收裝置：1 吸收劑價(jià)廉，但必須解吸后再棄去的吸收裝置（液化廢氣中提取氯）；2

17、 減壓冷再生流程（合成氨中CO 2 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(zhì)之間沒有化學(xué)反應(yīng)發(fā)生;化學(xué)吸收 :液相中發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。塔設(shè)備：- 可編輯修改 -_填料塔：結(jié)構(gòu)簡單，造價(jià)低廉，制造方便，體積大，重量大，傳質(zhì)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(fèi)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(diǎn)）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(jié)構(gòu)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(jī)械強(qiáng)度。填料塔中的傳質(zhì)速率滲透論傳質(zhì)開始時(shí)，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(zhì)，氣相溶質(zhì)不斷溶解到液相中，接觸時(shí)間愈長，累積在液膜內(nèi)的溶質(zhì)越多，傳質(zhì)速率趨于穩(wěn)定；液相主體中任一元素都有可能被主體內(nèi)的流動(dòng)帶到氣液接觸界面上