化工分离工程分章重点综述

化工分离工程第一章化工分离工程概述分离过程的分类：机械分离、传质分离传质分离过程用于各种均相混合物的分离，其特点是有质量传递现象发生，按所依据的物理化学原理不同，工业上常用的传质分离过程又可分为两大类，即平衡分离过程和速率分离过程。平衡分离过程是借助分离媒介（如热量、溶剂或吸附剂）使均相混合物系统变成两相系统，再以混合物中各组分在处于相平衡的两相中不等同的分配为依据而实现分离。分离媒介可以是能量媒介（ESA）或物质媒介（MSA），有时也可两种同时应用。蒸发、蒸馏、吸收、萃取、结晶、离子交换、吸附、干燥、浸取、泡沫吸附速率分离过程是在某种推动力（浓度差、压力差、温度差、电位差等）的作用下，有时在选择性透过膜的配合下，利用各组分扩散速率的差异实现组分的分离。气体扩散、热扩散、电渗析、电泳、反渗透、超过滤分离因子表示任一分离过程所达到的分离程度，其定义为2211//jijisijxxxx分离方法的选择可行性、分离过程类别的选择、产品的价格、产品的热敏性、物质与分子的性质、经济性、安全与环保、经验分离过程类别的选择分子特性：分子重量、VanderWaals体积、VanderWaals面积、偶极矩、极化度、双电常数、电荷、旋转半径热力学与传递性质：蒸气压、溶解度、吸附活性、扩散特性第二章精馏蒸馏（Distillation）：借助液体混合物中各组分挥发性的差异而进行分离的一种操作方法。简单蒸馏（simpledistillation)：混合液受热部分汽化，产生的蒸汽进入冷凝器种冷凝，分批收集不同组成的馏出液产品。平衡蒸馏（equilibriumdistillation)：釜内液体混合物被部分汽化，使气相与液相处于平衡状态，然后将气相与液相分开，是一种单级蒸馏操作。精馏（rectification)：液体混合物多次进行部分冷凝或部分汽化后，最终可以在气相中得到较纯的易挥发组分，而在液相中得到较纯的难挥发组分。精馏计算：物料衡算，热量衡算，相平衡关系计算方法：双组份常用图解法；多组分常用简捷法、严格计算法普通精馏不适用下列物料的分离：（1）待分离组分间的相对挥发度很接近于1。此时，它们的分离需要很多理论板数和很大的回流比，因此设备投资和操作费用很大，不经济。一般认为，当分离所需的理论板数大于100时，精馏已不适用。（2）待分离组分形成恒沸物，此时相对挥发度等于1，平衡的汽液两相组成一样，普通精馏无法实现分离。（3）待分离物料是热敏性的，或是在高温下易发生聚合、结垢、分解等不良反应的。（4）待回收的组分是难挥发组分，且在料液中含量很低。此时能量消耗太大，不经济。理论板、板效率和填料的理论板当量高度理论板：进入该板的不平衡的物流发生了充分的接触传质，离开了两相的物流间达到了平衡；在该板上发生传质接触的汽液两相各自完全混合，板上各点的汽相和液相浓度各自一样；该板上充分接触后的汽液两相实现了机械上的完全分离，离开该板的汽流中不夹带雾滴，液流中不夹带气泡，也不存在漏液。板效率：1*1jjjjMVyyyyE式中，分子为汽相经实际板接触传质后的增浓值；分母则为经理论板后的增浓值；效率为两者之比值。点效率、莫夫里板效率（干板效率）、湿板效率、总板效率理论板数只与相平衡关系、规定的分离要求和精馏操作参数（进料热状况、回流比和液气比）有关，表征物料达到规定分离要求的难易。系统物性对板效率的影响液相粘度：粘度高产生的气泡大，两相接触差，液相扩散系数小，效率低；相对挥发度：相对挥发度大则气相溶解度低，液相阻力大，板效率低；表面张力：表面张力对板效率影响相当小。二元精馏计算图解法：在x－y图上作出平衡线和操作线、对角线和曲，精馏段在精馏段操作线与平衡线之间画得的梯级即为精馏段的理论板数，在提馏段操作线与平衡线画出的梯级数为提馏段的理论板数。汽液平衡关系；相邻两板之间汽液两相组成的操作关系；原料液的组成；进料热状况；操作回流比；分离程度精馏段各组分的摩尔汽化焓相等；气液接触时因温度不同而交换的的显热可以忽略不计；塔的热损失可以忽略不计操作线方程DxRxRRy)11()1(提馏段操作线方程BBBBxVxVVy)1()1(Feedstageconsiderations冷液进料、饱和液体、气液混合进料、饱和蒸汽进料、过热蒸汽进料进料热状态参数q：和液体的摩尔焓饱和蒸汽的摩尔焓－饱料的摩尔焓饱和蒸汽的摩尔焓－原qq线方程：)1()1(qzxqqyF平衡级与进料板位置的确定精馏的简捷计算（多组分精馏）关键组分：进料中按要求选取的两个组分（大多是挥发度相邻的两个组分它们对物料的分离起控制作用。挥发度大的称为轻关键组分（LK），它在塔釜中的浓度必须加以控制，不能大于某个规定值；两组分中挥发度大的称为重关键组分（HK），为达到分离要求，它在塔顶产品中的含量必须加以控制。料液中比轻关键组分更易挥发的组分为轻非关键组分（LNK），简称为轻组分；比重关键组分更难挥发的组分称为重非关键组分（HNK），简称为重组分。在多组分精馏中，只在塔顶或塔釜出现的组分为非分配组分；而在塔顶和塔釜均出现的组分则为分配组分。LK和HK肯定同时在塔顶和塔釜出现，是当然的分配组分。多组分精馏过程特性：对二组分精馏，设计变量值被确定后，很容易用物料衡算式，汽液平衡式和热量衡算式从塔的任何一端出发作逐板计算，无需进行试差。但在多组分精馏中，由于不能指定馏出液和釜液的全部组成，要进行逐板计算，必须先假设一端的组成，然后通过反复试差求解。精馏塔的分离要求通常有两个，它们可以是产品的纯度和流量（或回收率），但至少有一个应是纯度。多组分精馏与二组分精馏在含量分布上的区别：在多组分精馏中，关键组分的含量分布有极大值；非关键组分通常是非分配的，即重组分通常仅出现在釜液中，轻组分仅出现在馏出液中；重、轻非关键组分分别在进料板下、上形成几乎恒浓的区域；全部组分均存在于进料板上，但进料板含量不等于进料含量，塔内各组分的含量分布曲线在进料板处是不连续的。在精馏塔中，温度分布主要反映物流的组成，而总的级间流量分布则主要反映了热量衡算的限制。最小理论板数Nmin：精馏塔在操作过程中，将塔顶蒸气全部冷凝，其凝液全部返回塔顶作为回流，称此操作为全回流(totalreflux)，回流比R为无穷大(R=∞)。此时通常不进料，塔顶、塔底不采出。故精馏塔内气、液两相流量相等，L=V，两操作线斜率均为1，并与对角线重合。由于全回流操作时，使每块理论板分离能力达到最大，完成相同的分离要求，所需理论板数最少，并称其为最小理论板数Nmin。芬斯克方程ABWBADBAxxxxNlg])/()lg[(min最小回流比Rmin：eeeDxyyxRmin恩特伍德方程（估算最小回流比）：11iiBDiiBmiiBFiiBxRqx适宜回流比吉利兰关联式：5668.0minmin1175.01RRRNNN多组分精馏的FUG简捷计算方法①首先用芬斯克方程计算最少理论板数；②计算给定条件下的最小回流比；③应用吉利兰经验关联式估算所需理论板数。FUG法适合于新塔的设计计算，习惯需要指定以下三个变量：实际回流流率与最小回流流率之比；参考组分（通常是重关键组分）的切割程度；另一组分（通常为轻关键组分）的切割程度。精馏的简捷计算例题-见课件严格的多组分精馏计算精馏的定态数学模型MESH方程：组分物料衡算（M），相平衡关联（E），摩尔分率加和归一（S），热量衡算（H）组分物料衡算（M）方程：uij+wij+lij+vij-vi,j+1-li,j-1-fij=0(i=1,…,c;j=1,…,N)相平衡关联（E方程）：(i=1,…,c;j=1,…,N)摩尔分率加和归一（S）方程：(j=1,…,N)热量衡算（H）方程：(j=1,…,N)为进行精馏的严格计算，除MESH模型方程组外，Kij，hj和Hj的关联式必须知道。,,,,minlg[](1)(1)lgLKDHKWLKDHKWLKHKNijjijijjKVvlL1ijijijiiijjjlvfLVF1111()()0jjjjjjjjjjjFjjULhWVHVHLhFhQ基于上述定态数学模型的操作型算法可归并为两大类：1）分块求解；2）联列解。王-亨克（Wang-Henke）的三对角矩阵法属于分块解法。王-亨克算法的计算框图泡点法（BP法）ASPENPLUS大型流程模拟软件流程模拟的优越性第三章吸收与解吸吸收与解吸的定义吸收与解吸分离过程的用途：获得产品、分离气体混合物、气体的净化、回收有用组分吸收剂不需要解吸再生的吸收装置：如硫酸吸收SO3制H2SO4、水吸收HCl制盐酸、吸收甲醛制福尔马林、碱液吸收CO2或SO2制碳酸氢盐或硫酸盐等。（流程图）吸收剂进行解吸的吸收装置：1．吸收剂价廉，但必须解吸后再弃去的吸收装置（液化废气中提取氯）；2．减压冷再生流程（合成氨中CO2的解吸）3．气提冷再生流程（氧化法吸收H2S）4．间接蒸汽再生流程吸收过程的分类：物理吸收:吸收剂与溶质之间没有化学反应发生;化学吸收:液相中发生化学反应。塔设备：填料塔：结构简单，造价低廉，制造方便，体积大，重量大，传质效率不高，操作稳定性差，容易发生沟流现象板式塔：单位处理量大，重量小，清理检修方便，制造麻烦，投资费用大（泡罩塔、筛板塔、浮伐塔）板式塔特性的比较填料塔（本章重点）填料的要求比表面积要大；能够提供大的流体通量；液体的再分布性能要好；填料装填后，床层结构均匀堆放的形状有利于液体向四周均匀分布既能垂直上下传递，而且能够横向传递要有足够的机械强度。填料塔中的传质速率双膜理论在气液接触界面的两侧，存在着一层稳定的滞留膜；膜两侧的主体流动区内由于湍流的激烈程度已使主体内物质的浓度趋于一致，滞流膜内传质方式将以分子扩散来实现，传质阻力集中在界面两侧的液膜和气膜；对于界面，气液两相立即达到平衡，界面无阻力。渗透论传质开始时，气液两相各自内部的浓度是一致的，两者一开始接触就开始传质，气相溶质不断溶解到液相中，接触时间愈长，累积在液膜内的溶质越多，传质速率趋于稳定；液相主体中任一元素都有可能被主体内的流动带到气液接触界面上，进行不稳定的传质，直到另一个漩涡把它拉回到液相主体。可假定微元停留在界面的停留时间相同；界面无阻力，气液两相达到平衡。表面更新论（1）在界面上的每一微元具有不同的暴露时间，它们被另一微元置换的机会均等；（2）无论气相或液相都可以发生上述过程，两相表面是不断更新的；（3）每个进入界面的微元均按瞬间传质的规律相液膜内渗透。从某种意义上说，渗透论与双膜论都是表面更新论的特例。物理吸收传质速率化学吸收速率与增强因子传质单元数NG传质单元高度HG传质高度h，h=HGNG=HLNLinoutyTOGOGyyeGdylHNKaSyyOGyGHKaSinOGeoutdyNyy在线性平衡条件下，y*=mx,令A=L/KG=1/s:ln{[(1)/][()/()](1/)}(1)/1ln[(1)]1ininoutinOGininoutinAAyKxyKxANAAymxssmymx填料塔设计原则：气液流速，组成，温度和压力；溶质的分离程度；吸收剂或解吸剂的选择；操作压力和温度，允许的压降；最小吸收剂流速或解吸剂流速，实际吸收剂或解吸剂流速；平衡级数目；加热和冷却方式的影响；吸收或解析塔的类型；塔的高度；塔直径传质设备的流向：逆流，并流，错流，全混流。所有流向中以逆流最好，所以最常用。第四章膜分离膜分离：以选择性透过膜为分离介质，当膜两侧存在某种推动力（如压力差、浓度差、电位差等）时，原料侧组分选择性地透过膜，达到分离提纯的目的。膜分离过程：反渗透膜、透析膜、电渗析、微滤膜、超滤膜、渗透蒸发、气体渗透、液体膜反渗透：用半透膜分隔成两部分的容器中，当向含有不挥发溶质的溶液侧施加压力使膜两侧的压强差大于渗透压时，溶剂将通过半透膜向纯溶剂方向流动