2015分离工程精馏复习.docx

第二章 多组分精馏第一节 概 述一、 精馏1、精馏1）定义：通过加入能量形成汽液两相体系，并利用其各组分挥发度的的差别获取高纯度产物的操 作即为精馏2）精馏和蒸馏异同① 原理、设备相同；②计算方法和物系条件有所不同3）精馏分类：简单精馏/复杂精馏/特殊精馏4）简单精馏和复杂精馏：① 简单精憎：一股进料、塔顶塔底出料的精憎过程② 复杂精憎：多股经进料或多股出料的精憎过程5）特殊精馏① 某些物系沸点差异小、或形成恒沸物（乙醇-水），无法采用常规精憎，一般采用特殊精憎；② 特殊精憎：恒沸精憎、萃取精憎③ 用途：分离热敏物质、沸点相近物系、恒沸物系，如乙醇-水、苯-水分离3、精馏单元操作和精馏设备1） 精馏单元操作① 精憎单元操作是一个整体，主要由精憎塔、冷凝器和再沸器、分离器等设备构成，不可分割② 主要设备：精憎塔2） 精馏设备① 精馏塔是提供汽液充分接触及迅速分离的设备；② 塔板和填料的作用：塔板上保持良好的气液接触条件，造成较大的接触表面，而且气液接触表面不 断更新，以增加传质速率；保证气、液多次逆流接触，防止气液短路夹带及返混③ 板式塔：主要由塔体、塔盘、人孔、溢流堰、降液管、受液盘等部分组成。

④ 填料塔：主要由塔体、填料、支撑板、分布器等组成二、精馏过程1、精馏塔工作过程：精馏过程就是塔内每块塔板上的扩散、质量传递、热量传递、动量传递的过程三、精馏过程模拟1 、精馏研究方法：1）精馏过程的每块塔板上都发生动量传递、扩散、传质、传热及相平衡等过程；2）研究方法：建立一个能够正确地描述过程的数学模型并求解，得出精馏塔内气液相的组成、温度和 流量的分布等有关参数2、精馏过程模拟1）精馏模拟：① 组分的相平衡关系式（E方程）；② 组分的物料衡算方程式（M方程）；③ 塔板的热量衡算方程式（H方程）；④ 组分的摩尔分数加和方程（S方程）；⑤ 气液两相间的传质速率（传质效率）方程式（R方程）；⑥ 描述精馏塔内气、液两相的非均匀混合与非理想流动性质方程式（F方程）2） MEFRSH 方程组十分复杂，建立和求解非常困难往往建立简化的精馏模型（1）理论精馏塔的数学模型---平衡级模型① 平衡级和理论精馏塔：满足下面理论级假设和全混级假设的精馏塔板称为理论塔板或平衡级，由 若干个平衡级构成的精馏塔称为理论精馏塔② 理论级模型：假设气液两相间的热量和质量传递速率为无穷大，即在每一块塔板上气液两相经过 接触后迅速达到平衡状态，离开塔板的气相混合物与液相混合物之间处于相平衡。

③ 全混级模型：塔板上的液体及塔板间的气体是完全混合的，具有均匀的压力、温度和组成；④ 平衡级模型可忽略R方程和F方程，即MESH方程组称为平衡级模型⑤ 平衡级模型计算：近似计算和严格计算2）实际精馏塔的数学模型① 实际精馏塔的数学模型分为平衡级模型、非平衡级模型和三维非平衡混合池模型② 平衡级模型：理论塔平衡级模型+板效率③ 非平衡级模型 ：非平衡级模型的基本假设为全混级假设，可以忽略 F 方程其基本方程组是MERSH 方程组；④ 三维非平衡混合池模型：使用MEFRSH方程组四、平衡级模型的平衡级和板效率1.平衡级1）平衡级又称理论板：是一个理想化了的进行两相间接触传质的场所；2）平衡级三个假定：2．实际板和实际板的效率1）平衡级是极端理想的状态，工业过程中无法实现；2）实际板（1）定义：工业装置运行的精馏塔的塔板，实际板的分离效果远低于理论板（2）实际板效率低原因：（3）点效率① 定义：塔板上某一位置处理论增浓程度和实际增浓程度的差异EOG② 关系式fy ・—y ,n n+1五、多组分精馏 1、定义：组分数大于3 的气液混合物，通过连续的蒸馏手段获取高纯度的产品的单元操作2、适用：① 组分数大于等于3；②组分间沸点存在一定差异;③ 轻重组分量差异不严重；④水不能作为轻组分。

3、多组分精馏流程1）具有多个流程方案：b(c-1)]C!(C — 1)!2）存在最佳流程方案4、以平衡级为基准的多组分精馏塔设计方法1） 简单精馏塔和复杂精馏塔2） 简单精馏塔设计计算方法（1） 近似计算方法主要是FUG法和SB法（群法）；（2） 严格计算主要为LM（Lewis -Matheson）法、泡点（BP ）法、N-R法和内外层法 3）复杂精馏塔（1） 近似计算可以采用FUG法（2） 严格计算包括BP泡点法（利用MESH方程组）和N - R法和内外层法第二节 多组分系统的相平衡一、概述1、相平衡1)定义：指混合物或溶液形成若干相，各相保持着共同的物理化学性质状态2)相平衡关系表示方法3) 相平衡常数和相对挥发度(1) 相平衡常数定义：K = y / xi i iK y /x y / y(2) 相对扌车发度定乂 a : a — 鼻—i丄—i jij ij K y / x x / xj j j i j2、自由度与相数、组分数关系(相律)二、多组分物系汽-液平衡1 、精馏原理同一温度压力下，当汽液两相处于平衡状态时，任一组分i的汽液两相的化学位应当相等，即卩-卩iL iV2、多组分物系气液平衡1) 相平衡一般式 Y f。

iLx — pp yiL iL i iV i2) K 的典型表达式i① 低压条件 K —丄—住i x piy y f y pK = ―^ — iL — iL ii x Y f pi iV iV② 中压条件若为非理想溶液、理想气体的体系，仍可用：丄=Yfxi YiV fiV若均为理想溶液、非理想气体的体系，可用下式：y p K = —h — i，V (p) Li x p pi iV3) K 的确定方法和步骤i4) 某一压力下某物质来说， K 值仅受温度影响，即 K = f(T) 因此可以通过回归得到多项式i i p ,MK 二 a + a t + a 12 + at 3i 0i 1i 2i 3i三、相平衡关系的应用1、泡点和露点2、全凝器和分凝器3、 泡点温度计算1）应用场合2） 关系式工y.=工Kixi =13） 泡点温度的计算方法和步骤试差法步骤如下：①假设一个温度；② 确定假设温度下的各组分的 p （非烃类）；i③ 计算各组分的K （非烃类）或直接查K-P-T图求得（烃类）K；ii④ 计算工K x ；ii⑤ 判断工K x北1，若工K x = 1，所设温度即为泡点温度；若工K x丰1，需重复①〜⑤步骤。

i i — i i i i4） 计算精度：区K x |< 0.01i i5） 初始温度估算：工xt t — —乙xi4、 露点温度计算1）应用① 分凝器的操作温度则是汽相产品在操作压力下的露点温度；② 塔顶产品全凝器冷凝后做为塔顶产品，则产物的露点温度即为塔顶温度2） 主要关系式工 x -工 y / K — 1i i i3） 计算方法：采用试差法，步骤与泡点温度求取相同，只是将泡点方程换成露点方程第三节 多组分单级分离一、概述1、单级分离1）一次气液平衡过程称为单级分离，俗称闪蒸2）分类：平衡液化、平衡气化、绝热闪蒸3）平衡气化：进料液体经加热器加热后进入闪蒸罐得到气体和液体；4）平衡液化：进料气体经冷凝器后进入分离罐可以得到轻组分气体和重组分的液体；5）绝热闪蒸：物料经减压阀减压后闪蒸罐使得混合物中部分液体汽化2、用途1）闪蒸方式粗略分离混合物；2）精馏塔塔顶气体冷凝；3）精馏塔塔底物料再沸4）进料能量利用二、平衡汽化1、定义：在一定压力下，将多组分液体混合物加热至泡点和露点之间的任一温度时，便产生部分 气化，并形成气液平衡的两相2、关系式zi1 + (K - 1)eiKzy = i_i—i 1 + (K - 1)eiq =工MyeH + 工x (1 -e)MHi i i ,V i i i ,L i i i,F3、两类计算类型4、应用：用于再沸器设计三、平衡液化1、定义：多组分气体混合物，在一定压力下，被冷却到一定的温度并达到气液平衡状态的过程即 为平衡冷凝。

2、关系式工 L -1 = 0K + (1 - K )qiizX = ii 1 + (K — 1)eiQ = F工 zM H - F工 y (1-q)M H xqMHi i iF i i iV i i iL3、两类计算4、求解方法5、全凝器属于第二种情况的特例，物料全液化、即液化率q二1全凝器热负荷关系为：Q = D（R + 1尢 M x （Hv — Hd）i i i i6、分凝器：属于第一种情况，该工况下，液化后汽相组成已知，进而可得到分凝器操作温度，再 设定液化率e并通过（2-71）确定之四、绝热闪蒸1 、概述1 ）定义：2） 特征：与外界没有热交换、物系的温度降低，部分物质汽化3） 用途：①相对挥发度差异很大的轻重组分分离；② 确定精馏进料板温度及气液组成工 H M Z -工 H M xh —h——F Lh —h2.绝热闪蒸计算的关系式e 二 i, F i i X""1 i ,L i i-LH M y —LH M xi,V i i i,L iZx — ii 1 + (K — 1)eiL ' i - 1 — 01 + (K — 1)ei以上三式为绝热闪蒸方程，可用于绝热闪蒸过程气化率及汽液组成计算。

3、绝热闪蒸计算的步骤①确定进料在塔操作压力下的泡点和露点温度；②确定绝热闪蒸后温度和汽化率；③ 确定汽化后的汽相组成和液相组成；④ 热平衡方程校核温度如不符合，需要重新设定温度进行计算4、确定绝热闪蒸温度图解法① 在泡点温度和露点温度间，取若干个绝热闪蒸后的温度t ；i② 用牛顿法解得各温度下的汽化率e.；i③ 根据物料衡算式及相平衡关系式，分别计算各温度下的汽液组成x、y ；ii④ 根据热平衡式，核算各温度下的汽化率e'；i⑤ 在同一坐标轴上，作e - T、e'-T曲线，两曲线交点即为所求气化率、温度即为闪蒸温度（图2-12）第四节 物料衡算一、 关键组分和物料衡算1、关键组分1） 轻关键组分收率 耳=d x 10%l flw2） 重关键组分收率：耳==h x100%3、 关键组分选择原则4、 基本物料衡算式：二、 清晰分割1） 规则：较轻关键组分轻的组分全部由塔顶出塔、较重关键组分重的组分全部由塔底出塔2） 给定条件为轻重关键组分的回收率的清晰分割关系式轻关键组分：d x f w = f - dl l l l l l重关键组分：w x f d 二 f - wh h h h h h塔顶馏出物总量：D = d + d + fl h i i=1塔底釜液总量：W = w + w + 工 fl h ii Th+1由此可求得各组分的组成x、x （非关键组分在塔顶、塔底的分率）。

Di Wi2）给定条件为轻重关键组分在塔顶塔底的含量。