分离过程-第三章.ppt
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1、3.1.1多组分精馏过程分析多组分精馏过程分析3.12最小回流比最小回流比3.1.3最少理论塔板数和组分分配最少理论塔板数和组分分配3.1.4实际回流比、理论板数、进料实际回流比、理论板数、进料位置位置第一节 多组分精馏过程 .3.1.1 3.1.1 多组分精馏过程分析多组分精馏过程分析 u关键组分:u 在设计或操作控制中,有一定分离要求,且在塔顶、塔釜都有一定数量的组分称为关键组分 u 轻关键组分,指在塔釜液中该组分的浓度有严格限制,并在进料液中比该组分轻的组分及该组分的绝大部分应从塔顶采出u 重关键组分,塔顶 重 塔釜.一、关键组分一、关键组分1.关键组分的引出关键组分的引出一般精馏:一般
2、精馏:对于设计型计算,对于设计型计算,5个可调设计变量为:个可调设计变量为:5=uaN.i:轻关键组分轻关键组分,表示:,表示:LK,下,下标:标:lj:重关重关键组分键组分,表示:,表示:HK,下标:下标:h.精馏塔的任务:精馏塔的任务:LK尽量多的进入塔顶馏出液;HK尽量多的进入塔釜釜液。.对于精馏中的对于精馏中的非关键组分非关键组分:设 为非关键组分i对HK的相对挥相对挥发度。发度。.2.关键组分的特点关键组分的特点LK和和HK形成分离界线,且形成分离界线,且越小,越小,分离越难。分离越难。精馏中:精馏中:LK绝大多数在塔顶出现,在釜中量严格控制;绝大多数在塔顶出现,在釜中量严格控制;H
3、K绝大多数在塔釜出现,在顶中量严格控制。绝大多数在塔釜出现,在顶中量严格控制。只有无只有无LNK,且,且较大,塔顶可采出纯较大,塔顶可采出纯LK;只有无只有无HNK,且,且较大,塔釜可采出纯较大,塔釜可采出纯HK。hla ahla ahla a.3.关键组分的指定方法关键组分的指定方法指定回收率指定回收率指定控制量指定控制量hWlDj jj j;注意:同一组分,规定了一端的回收率,另一端的量已确定。不能重复!.u塔顶、塔釜同时出现的组分为分配组分u只在塔顶或塔釜出现的组分为非分配组分 关键组分必定是分配组分u非关键组分不一定是非分配组分 u清晰分割:轻组分在塔顶产品的收率为1。重组分在塔釜产品
4、的收率为1u轻组分全部从塔顶馏出液中采出,重组分全部从塔釜排出u非关键组分为非分配组分u非清晰分割:非关键组分为分配组分.4.关键组分的指定原则关键组分的指定原则由工艺要求决定由工艺要求决定例:例:ABCD(按挥发度依次减少排列)(按挥发度依次减少排列)混合物混合物分离分离工艺要求按工艺要求按AB与与CD分开:分开:则:则:B为为LK;C为为HK工艺要求先分出工艺要求先分出A:则:则:A为为LK;B为为HK.多组分精馏过程的复杂性 求解方法 二组分精馏:无需试差 多组分精馏:反复试差求解 摩尔流率 二元精馏:在进料板处液体组成有突变,各板的摩尔流率基本为常数 多组分精馏:液、汽流量有一定的变化
5、,但液汽比接近于常数.二组分精馏二组分精馏流量、温度、流量、温度、浓度分布浓度分布.二元精馏u温度分布:在塔顶塔底处变化较慢,其它位置变化较快;多元精馏此情形不明显,在接近塔顶、塔底和进料处变化较快,且全塔温差变大。u浓度分布:在精馏段、提馏段中部变化明显,塔顶、塔底附近变化较慢,其它位置变化较快。.苯、甲苯、异丙苯精馏苯、甲苯、异丙苯精馏塔内汽液流量分布塔内汽液流量分布 .多元精馏的流量分布:多元精馏的流量分布:影响L、V的几个因素:1)摩尔汽化潜热变化使沿塔向上的摩尔流率有增加的趋势;2)蒸汽上升中需被冷却,导致向上流量增加;3)液体向下流动须被加热,将导致向下流量的增加。.塔内流量变化是
6、上三因素的总效应,在很大程度上,这些因素相互抵消。因此,恒摩尔流假定有其实用性。重要结论重要结论:精馏塔中,温度分布主要反映物: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热流的组成;而总的级间流量分布则主要反映热量衡算的限制。量衡算的限制。流量L与V同方向变化,故LV变化很小,对分离影响很小。本章目录.苯、甲苯、异丙苯精馏塔内温度分布苯、甲苯、异丙苯精馏塔内温度分布温度分布.u温度分布从再沸器到冷凝器单调下降u进料板处温度变化明显.只有HK,LK,HNK情况浓度分布.只有只有LK,HK,LNK浓度分布.多组分精馏浓度分布多组分精馏浓度分布u关键组分浓度分布往往有极大值u
7、非关键组分通常是非分配组分uLNK和HNK分别在进料板上下形成几乎恒浓的区域u全部组分均存在于进料板上.1.进料板附近各组分浓度变化较大,原因是进料板附近各组分浓度变化较大,原因是引入的组分包含全部组成。引入的组分包含全部组成。2.对非关键组分对非关键组分精馏段:精馏段:HNK迅速消失;迅速消失;LNK以接近于常数浓度在进料板以上各以接近于常数浓度在进料板以上各板中出现,接近顶部急剧增加,在出料板中出现,接近顶部急剧增加,在出料液中达到最高。液中达到最高。提馏段:提馏段:LNK迅速消失;迅速消失;HNK在再沸器中浓度最高,从釜向上几在再沸器中浓度最高,从釜向上几板下降较大,然后变化不大,一直延
8、伸到板下降较大,然后变化不大,一直延伸到进料板。进料板。.3.关键组分关键组分变化复杂变化复杂若无若无LNK时:时:HK分别在二段出现两个最高点,分别在二段出现两个最高点,LK表现象表现象LNK。若无若无HNK时:时:LK分别在二段出现两个最高点,分别在二段出现两个最高点,HK表现象表现象HNK。有有LNK、HNK,且都不同时出现在顶、釜时:,且都不同时出现在顶、釜时:LK在精馏段出现一个最大值,然后降到所规定在精馏段出现一个最大值,然后降到所规定的浓度;的浓度;HK在提馏段出现一个最大值,然后降到所规的在提馏段出现一个最大值,然后降到所规的浓度。浓度。返回.二、设计计算多组分精馏过程特性二、
9、设计计算多组分精馏过程特性1.确定后,顶釜浓度未确定确定后,顶釜浓度未确定物料衡算确定顶釜浓度物料衡算确定顶釜浓度jWDxix,二种方法:二种方法:清晰分割法清晰分割法假设假设LNK全部从塔顶采出;全部从塔顶采出;假设假设HNK全部从塔釜采出。全部从塔釜采出。非清晰分割法非清晰分割法各组分在顶、釜都有可能存在。各组分在顶、釜都有可能存在。.3.1.2 3.1.2 最小回流比最小回流比1.时,恒浓区出现的情况时,恒浓区出现的情况mR恒浓区恒浓区精馏塔中全部浓度不变的区域精馏塔中全部浓度不变的区域恒浓区恒浓区二元精馏:二元精馏:恒浓区:恒浓区:一个,出现在一个,出现在进料板进料板.只有只有HNK为
10、为非分配组分非分配组分只有只有LNK为为非分配组分非分配组分所有组分所有组分为分配组为分配组分分LNK和和HNK都为非分配都为非分配组分组分上恒浓区上恒浓区下恒浓区下恒浓区.2.的计算的计算mR采用采用Underwood法计算:法计算:该法假设:该法假设:1.恒摩尔流恒摩尔流2.在全塔可看成常数在全塔可看成常数hia a依据:依据:恒浓区概念恒浓区概念关联式:关联式:相平衡、物料平衡相平衡、物料平衡.Underwood公式:公式:式中:式中:i对基准组分对基准组分r的相对挥发度的相对挥发度取基准:取基准:最难挥发的组分(最重的组分)最难挥发的组分(最重的组分)HKria amDix)(,最小回
11、流比操作下,最小回流比操作下,i的摩尔分的摩尔分数,数,q进料状态参数 方程的根,为多根方程,取方程的根,为多根方程,取q qrhrla aq qa a 误差:误差:1020%.,最后取平均值。,最后取平均值。几个几个,解出,解出之间试差出几个之间试差出几个挥发度不相邻,可在挥发度不相邻,可在、注意:若注意:若mrhrlRHKLKq qa aa a,例例31计算最小回流比计算最小回流比已知:已知:解:解:由(由(33b)试差)试差将将代入(代入(33a)得)得306.1=mR325.1=q q325.1=q q返回.3.1.3 3.1.3 最少理论板数和组分分配最少理论板数和组分分配1.最少理
12、论板数最少理论板数特点:特点:F=D=W=0L=V;L/V=1操作线方程:操作线方程:板效率板效率最高最高ininxy,1=+意义:操作前的准备工作 测出 mN.采用采用Fenske方程方程求最少理论板数,推导如下:求最少理论板数,推导如下:)()()(21+=nBAnBAyyxx)1(nBAnABnBAxxyy)()()a a=用(1)、(2)式推导Fenske方程:.设塔顶采用全凝器(板序由上向下):设塔顶采用全凝器(板序由上向下):321)()()()(BAABABDBAyyxxa aa a=3222)()()代入:()代入:(又将(又将(BAABBAyyyya a=2221)()():
13、():(又由(又由(BAABBAxxyya a=212)()()代入:()代入:(将(将(BAABDBAyyxxa a=.以次类推:以次类推:WBANABNABABABDBAxxxx)()()()()()(a aa aa aa a121-=LWBANABDBANNABNABABABABxxxx)()()有:(有:(代入式中代入式中)()()()()取(取(均均均均a aa aa aa aa aa a=-121L.Fenske方程的各种形式:.Fenske方程说明:返回.3.1.4 3.1.4 实际回流比、理论板数、进料位置实际回流比、理论板数、进料位置一、实际回流比一、实际回流比R由操作费、设
14、备费确定由操作费、设备费确定由经验取:由经验取:R=(1.11.5)Rm二、理论板数理论板数1.Gilliand图和拟合形式图和拟合形式图图3-12.用用Gilliand图简便、但不准确,回归的经验式为:图简便、但不准确,回归的经验式为:已知已知X,由(,由(316)或()或(317)解出)解出y2.ErbarandMaddox关联图:关联图:比比Gilliand图精确,误差图精确,误差4.4%图图313.三、适宜进料位置的确定三、适宜进料位置的确定.例例34分离烃类混合物分离烃类混合物 例例31求出求出Rm=1.306;例例32求出求出Nm=6.805和物料衡算表和物料衡算表 本题求本题求N
15、,进料位置,进料位置解:解:1.求求RR=1.25Rm=1.634.三、确定进料位置三、确定进料位置塔中实际板为18块.四、不同回流比下物料分配的比较四、不同回流比下物料分配的比较不同回流比物料分配如图(不同回流比物料分配如图(314)对于操作情况,对于操作情况,R=(1.22)Rm,由由Fenske方程:方程:对全回流情况对全回流情况结论:结论:可用操作回流比下的物料分配,采用可用操作回流比下的物料分配,采用Fenske方程计算方程计算Nm。.简捷计算法步骤:简捷计算法步骤:1.由工艺要求选由工艺要求选LK,HK,物料分配得出,物料分配得出.1.1.问题的引出问题的引出u分离乙醇水混合物分离
16、乙醇水混合物u分离丁烯分离丁烯-2丁烷丁烷问题:问题:如何分离 的混合物?第三节第三节萃取精馏和共沸精馏萃取精馏和共沸精馏.2.2.特殊精馏特殊精馏 在在 和和 的溶液中加入一个新组分的溶液中加入一个新组分S S,使它对原溶液中各组分产生不同作用,从而,使它对原溶液中各组分产生不同作用,从而改变原溶液组分之间相对挥发度,使系统变的易改变原溶液组分之间相对挥发度,使系统变的易于分离。于分离。及:特殊精馏为既加能量又加质量分离剂的及:特殊精馏为既加能量又加质量分离剂的精馏。精馏。原溶液加新组分后形成最低共沸物从塔顶采出。原溶液加新组分后形成最低共沸物从塔顶采出。共沸精馏共沸精馏,S为共沸剂为共沸剂
17、 原溶液加新组分后不形成共沸物且原溶液加新组分后不形成共沸物且S沸点最高,沸点最高,从塔釜采出从塔釜采出 萃取精馏,萃取精馏,S为萃取剂或溶剂为萃取剂或溶剂.第二节第二节 萃取精馏和萃取精馏和共沸精馏共沸精馏3.2.1萃取精馏萃取精馏3.2.2共沸精馏共沸精馏返回.3.2.1 3.2.1 萃取精馏萃取精馏 一、流程一、流程ABSA,B特点:特点:1.二塔串联二塔串联;2.S为难挥发组分,为难挥发组分,一般在近于塔顶一般在近于塔顶加入加入.二、萃取精馏原理和溶剂选择二、萃取精馏原理和溶剂选择1.溶剂的作用溶剂的作用问题:问题:如何增加?12a a.讨论:讨论:.(327)成立的必要条件:)成立的
18、必要条件:,021 -SSAA,.溶剂的作用:溶剂的作用:体现:体现:原溶液沸点差不大(原溶液沸点差不大()非理想性不很)非理想性不很强时,强时,稀释原溶液:稀释原溶液:体现:体现:当原溶液沸点差大,非理想性很强时,当原溶液沸点差大,非理想性很强时,加加S后,浓度下降,而后,浓度下降,而增加,由(增加,由(323):):小,突出了小,突出了作用。作用。对原溶液对原溶液1、2组分产生不同的作用,提高组分产生不同的作用,提高12a a返回.2.2.溶剂的选择溶剂的选择u考虑分子极性考虑分子极性选择在极性上更类似于选择在极性上更类似于HK的化合物作的化合物作溶剂,降低溶剂,降低HK的挥发度。的挥发度
19、。例:分离甲醇(沸点例:分离甲醇(沸点64.7),丙酮(沸点),丙酮(沸点65.5)a.选烃作溶剂,丙酮为难挥发组分选烃作溶剂,丙酮为难挥发组分2;b.选水作溶剂,甲醇为难挥发组分选水作溶剂,甲醇为难挥发组分2。极性顺序极性顺序:由小到大由小到大.u考虑能否形成氢键考虑能否形成氢键S加入后形成的溶液:加入后形成的溶液:仅有氢键生成,则呈现负偏差;仅有氢键生成,则呈现负偏差;仅有氢键断裂,则呈现正偏差。(表仅有氢键断裂,则呈现正偏差。(表32)u考虑其它因数考虑其它因数1.沸点高、不与沸点高、不与1、2组分共沸,不起化学反应。组分共沸,不起化学反应。2.溶解度大。溶解度大。3.溶剂比(溶剂溶剂比
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