化工流程模拟实训：Aspen Plus教程 第7章分离单元模拟PartA

第7章分离单元模拟PartA作者：武佳孙兰义蒸馏基础知识蒸馏依据蒸馏过程利用均相液体混合物中各组分饱和蒸汽压（或沸点或挥发性）的差异而使各组分得以分离蒸馏基础知识蒸馏过程的分类按操作流程分间歇蒸馏、连续蒸馏按蒸馏方法分简单蒸馏、平衡蒸馏、精馏、特殊精馏按操作压力分常压蒸馏、减压蒸馏、加压蒸馏按组分数分二元蒸馏、多元蒸馏、复杂蒸馏通过相对挥发度表示的汽液平衡关系蒸馏基础知识PTfKxKyiiii,在蒸馏分离过程中，系统的温度、压力时刻在发生变化，导致相平衡常数K也在不断变化，给计算过程带来很大不便，为了避免这个问题，考虑能否找出另一参数来表达相平衡关系，而这一参数随着操作条件的变化并不明显挥发度蒸馏基础知识表示物质挥发能力的大小对纯组分：oPv对混合液体：BBBAAAxPvxPv对理想溶液：BoBBAoAAxPPxPPoBBoAAPvPvTfv相对挥发度α蒸馏基础知识定义：混合物中两组分挥发度之比，用来表示挥发能力的差异对二元物系，通常用轻组分的挥发度比上重组分的挥发度低压：BBAABAxPxPvv//理想物系00BAPP高压：BAKK同样适用于低压理想物系相对挥发度表示的相平衡关系蒸馏基础知识二元物系：xxyyxxyyxyxyKKBABABBAABA1/1/////xxy)1(1─以α表示的相平衡方程讨论蒸馏基础知识BABAxxyy//是衡量组分是否易于分离的标志BABAxxyy1不能用蒸馏的方法分离α与1.0偏离越大，两组分越易分离01.01.0xyα=1α1α2α3α1α2α3α1时，yx，可分离简单蒸馏蒸馏基础知识——蒸馏方式操作及流程y原料液x蒸气xD1xD2xD3冷凝器微分蒸馏、渐次汽化、渐次冷凝简单蒸馏相图分析蒸馏基础知识——蒸馏方式t/Cx(y)01.0露点线泡点线yxF蒸汽一形成就离开系统（釜内）液相x越来越小，温度T越来越高出釜气相y越来越小不稳定过程平衡蒸馏闪蒸罐塔顶产品yAxA加热器原料液塔底产品Q减压阀闪蒸混合物在加热或冷却过程中，气、液两相共存，并保持平衡状态，将气、液两相分开，以使混合物得到一定程度的分离，这种分离方式称为平衡蒸馏操作及流程蒸馏基础知识——蒸馏方式平衡蒸馏相图分析蒸馏基础知识——蒸馏方式t/Cx(y)01.0露点线泡点线xyxF气液两相只有一次相平衡;釜内组分含量x、蒸汽相组成y符合相平衡方程;蒸馏后：x＜xF＜y，有分离作用，但分离程度有限，不能得到高纯度组分。平衡蒸馏是液体的一次部分汽化或蒸汽的一次部分冷凝的蒸馏操作汽、液相组成极限能达到多少？平衡级蒸馏基础知识——精馏原理模型：使原未达到平衡的的汽、液两相接触，两相将向平衡趋近，若接触足够充分、气液充分混合，离开时汽、液两相将达到平衡，此种设备称为一个平衡级一次部分汽化和一次部分冷凝蒸馏基础知识——精馏原理t/Cx(y)01.0yFyxt/Cx(y)01.0xFyxtFtF一次部分汽化一次部分冷凝分析x1＜xF＜y1，一次部分汽化与一次部分冷凝皆有分离作用全部汽化或全部冷凝无分离作用受平衡的限制，一次部分气化与一次部分冷凝分离作用有限，得不到较高纯度产品蒸馏基础知识——精馏原理多次部分汽化和多次部分冷凝流程：xFy1y2y3（冷凝后作为产品yD）x1x1’x2’（冷凝后作为产品xW）x2x3y1’y2’蒸馏基础知识——精馏原理分析①多次部分汽化后：xF＞x１＞x１’＞x２’=xW，液相中重组分得到提浓；多次部分冷凝后：xF＜y１＜y２＜y３=yD，汽相中轻组分得到提浓；t/Cx(y)01.0xFx1x2x3x1’x2’y1y2y3y1’y2’xWyD蒸馏基础知识——精馏原理t/Cx(y)01.0xFx1x2x3x1’x2’y1y2y3y1’y2’xWyD②特点：中间产品多最终产品（xW，yD）收率低设备复杂，能耗高，能量利用不合理如何改善？蒸馏基础知识——精馏原理多次部分汽化和多次部分冷凝的共同实现xFy1y2y3x1x1’x2’x2x3y1’y2’y3’xwxD蒸馏基础知识——精馏原理分析：①多次部分冷凝时，每一级均需要低温高浓的液相回流多次部分汽化时，每一级均需要高温低浓的汽相上升②产品收率提高可得到较纯产品能量利用合理③缺点：设备仍很复杂t/Cx(y)01.0xFx1x2x3x1’x2’y1y2y3y1’y2’xWxD？？？蒸馏基础知识——精馏原理精馏塔料液,xFFeed塔顶产品,xDOverheadproduct塔底产品,xWBottomsproduct液相回流Liquidreflux汽相回流Vaporreflux精馏段Rectifyingsection提馏段Strippingsection再沸器Reboiler冷凝器condenser各参数变化：沿塔自上而下T逐渐升高液相x逐渐减小汽相y逐渐减小蒸馏基础知识——精馏原理蒸馏基础知识——精馏原理塔板上汽、液两相接触良好，完全混合，接触充分，致使汽、液两相在离开该板时达到平衡，则称该板为一块理论板理论板：精馏段和回流的作用蒸馏知识预备——精馏原理将上升汽相中轻组分提浓，最终在塔顶得到合乎要求的轻组分产品提供低温高浓的液相作为精馏介质，保证精馏过程的正常进行精馏段作用：回流作用：提馏段和再沸器的作用蒸馏知识预备——精馏原理提馏段的作用：使下降的液相中重组分得到提浓，最终在塔底得到合乎要求的重组分产品再沸器的作用：提供高温低浓的汽相作为精馏介质，保证精馏的正常进行蒸馏基础知识——理论板数计算精馏段操作线方程123nn+1V,y1D,xDL,xDVn+1yn+1Ln,xn总物料衡算：DLVnn1轻组分物料衡算：DnnnnDxxLyV11DnnnnnxVDxVLy111恒摩尔流假定成立，令回流比为DLRDRVRDL1DnDnDnnxDRDDxDRDRDxDLDxDLLxVDxVLy1111RxxRRyDnn说明：物流量与组成均为物质的量表示物义：精馏段任意相邻塔板间相遇的汽、液两流组成之间的关系恒定Ryn+1～xn为一直线蒸馏基础知识——理论板数计算精馏段操作线方程蒸馏基础知识——理论板数计算提馏段操作线方程V’,yWL’,xWmm+1L’,xm’V’,y’m+1总物料衡算：WVL''轻组分物料衡算：WmmWxyVxL'1'''整理得：WmmxVWxVLy'''''1WmmxWLWxWLLy''''1Wxy01.01.0xDabxWcde1RxDWLWxW'111RxxRRyDnnWLWxxWLLyWmm'''''1精馏段操作线：斜率：1RR截距：1RxD提馏段操作线：斜率：WLL''截距：WLWxW'过点（xD，xD）过点（xW，xW）操作线方程在y-x相图上的表示进料热状况及进料热状况参数1.进料段物料衡算L’LFVV’物平：''LVVLF热平：''''LVLVFHLVHLHHVFH由于相邻两层板的温度和浓度变化不大，可认为'VVHH'LLHHLVLVFHLVHLHHVFH''蒸馏基础知识——理论板数计算进料热状况及进料热状况参数))('()(LVFVHHLLHHFLVFVHHHHFLL'进料的摩尔汽化热蒸汽所需热量每摩尔进料汽化为饱和LVFVHHHHq令进料热状况参数qFLL'FqVV)1('液相分率蒸馏基础知识——理论板数计算进料热状况及进料热状况参数(1)饱和液体进料TF=Tb，HF=HL=1L’LFVV’（1）饱和液体，q=1LVFVHHHHq(2)饱和蒸汽进料TF=Td，HF=HV=0LVFVHHHHqL’LFVV’（2）饱和蒸气，q=0蒸馏基础知识——理论板数计算进料热状况及进料热状况参数10LVFVHHHHq(3)气液两相进料TbTFTd、HLHFHVL’LFVV’（3）汽液两相，0q1蒸馏基础知识——理论板数计算蒸馏基础知识——理论板数计算进料热状况及进料热状况参数(4)过冷液体进料TFTb、HFHL1LVFVHHHHqL’LFVV’（4）过冷液体，q1(5)过热蒸汽进料TFTd、HFHV0LVFVHHHHqL’LFVV’（5）过热蒸汽，q0蒸馏基础知识——理论板数计算理论塔板数Nt的计算——逐板计算法y1y1x1x2y212ym-2xm-2xm-1ym-1m-1n-1m-2W,xWF,xFD,xD计算工具：相平衡方程：yyxorxxy111操作线方程：111RxxRRyDnnWmmxWLWxWLLy'''''1（A）（B）（C）蒸馏基础知识——理论板数计算计算步骤：y1y1x1x2y212ym-2xm-2xm-1ym-1m-1n-1m-2W,xWF,xFD,xD全凝器、泡点回流、饱和液相进料（泡点进料或q=1）;......)()(13)(2)(2)(1)(1FnAnBnBABADxxyxyxyxxy精馏段操作线相平（全凝器）①理论塔板数Nt的计算——逐板计算法蒸馏基础知识——理论板数计算理论塔板数Nt的计算——逐板计算法为止相平提馏段操作线WmCACxxyxyx'.....'3)('2)('2)('1则精馏段N１=n-1，提馏段N2=m-1（不包括再沸器）理论板数NT=N1+N2=n+m-2（不包括再沸器）③②若xn-1＞xF≥xn，则第n板为进料板(提馏段第一块板）：x1’=xn蒸馏基础知识——理论板数计算y1xW12345678910aq线deyx01.01.0y2y3y6xFx2x1xDb回流量增大的极限是将塔顶汽相冷凝后全部送回顶层塔板作回流，称为全回流R=L/DD=0,W=0,F=0精馏段和提馏段操作线为对角线y=x每层塔板的分离能力最大，所需的理论塔板数最少，以Nmin表示，称为最少理论板数蒸馏基础知识蒸馏基础知识d1.0qxWxFxD1.00R，两操作线交点d落在平衡线上，所需的理论板数为无穷多，此时所对应的回流比为最小回流比RminRRRkR1111yn+1与xn成平衡yn与xn成平衡yn+1=yn，无分离作用，恒浓区最小回流比精馏塔的计算蒸馏基础知识计算任务：进、出精馏装置各股物料的量和组成；主要操作条件：T、P、R和加料热状态等；精馏塔所需的理论板数NT、实际板数N和加料位置；塔板结构尺寸的计算，如D、H及塔板结构尺寸；冷凝器和再沸器的热负荷，确定其类型和尺寸设计计算精馏塔计算校核计算精馏塔的计算基本数据:进料情况:进料量F、进料的组成xF、进料温度或汽化率；分离要求：指定分离要求xD、xW；相平衡数据：饱和蒸气压，t～x～y图及y～x图；物理性质数据：热焓、汽化潜热、ρ、μ、σ等。基本工具:物料衡算热量衡算相平衡关系蒸馏基础知识