分离工程2PPT

第一节精馏技术现状与发展方向精馏是在气液两相逐级流动和接触时进行穿越界面的质量和热量传递，并实现混合物分离纯化的化工单元操作过程精馏传质分离过程具有极高的复杂性，它涉及塔板(或填料表面)上气液两相流动的相互影响、气泡表面流型结构的转化、穿越气液界面的质量和热量传递之间的相互耦合、气泡的聚并和分裂与塔板流动、气泡表面流型的变化以及界面传质和传热等的密切关联等第一节精馏技术现状与发展方向至今关于气液两相界面相变传质和传热及气泡群传质动力学规律仍处于宏观的和热力学平衡水平上的研究，尚未发展出能够比较准确表示过程传递的理论预测方法精馏学科目前仍处于半经验阶段原因:过程本身的复杂性，理论和实验研究手段的不充分1精馏分离工程的特点(1)系统工程性强，传递机理复杂(2)分析方法和测试手段要求独特(3)设备放大效应严重(4)设备中气液两相混合物流体流量之间存在一定的约束条件(5)塔板或填料上气体分散相和连续相液体流型的多样性2学科特点(1)传递过程中存在界面效应(2)界面微观结构、组成在传递过程中的随机变化(3)气泡形状的非规则性和影响因素的复杂性。(4)流动结构的非均匀性(5)界面湍动、传递方向对过程传质和流动的影响(6)多组分界面传质的复杂性2学科特点学科的突破性进展在很大程度上均依赖于数学、物理等相关学科的最新研究成果对界面处分子的协同传递特性加以微观或细观层次的分形动力学探索，还需要从全局的观点对系统动态演化规律与外界施加的限制条件的关系进行深入研究需要发展动态在线测试方法，以对传输过程获得体系内状态函数和系统参数随时间变化的数据3精馏过程的传质动力学研究40年代的气泡传质模型建立在拟流体模型的基础上，即将一个高度不均匀的系统作为均匀系统来分析在精馏过程中最基本的气液传质单元是气泡气泡两侧的流体在界面附近不断进行蒸发和冷凝两种相变过程；气泡在连续相流体中的运动和传质均具有时空动态变化特性现有的理论模型均未考虑两相结构的特点及其动态变化与两相传质的相互影响3精馏过程的传质动力学研究困难:液相扩散系数的测量和理论研究方法，与气体和固体中的扩散相比仍然很不成熟；组分穿越界面进行传输时，界面附近各组分的浓度场随时间的变化情况或界面传质动力学行为与传递组分的性质直接相关；气液两相之间的传质过程本身同时伴有熵增和负熵两过程，界面处分子的相变对于气泡表面和邻近流体的物性影响较大，其中表面张力和粘度的温度效应显著，故直接关系到动态扩散行为3精馏过程的传质动力学研究发展动向:以液相为连续相的气泡和气泡群传质动力学的研究开发尺度微型化的测试手段，即在微秒或毫微秒时间间隔内，对各种细小尺寸气泡和液滴周围发生的瞬时传质和传热，以及界面上组分的相变过程进行动力学测量研究建立宏观和微观相结合的精馏传质理论3精馏过程的传质动力学研究措施:大功率的固体脉冲激光器对体系内部发生的传递过程进行瞬态全息干涉计量非平衡热力学、耗散结构理论和协同论可对涉及的界面分子相变传递、对整个系统内组分之间的传递行为、流体流动状态与体系内基本传递单元(例如泡滴)的形态变化(包括聚并和分裂)三者之间的动态耦合关系加以描述4精馏过程的强化强化精馏和传质过程的主要途径：1)通过改进设备结构；刘大江，精馏塔设备的发展，工业科技，2005，34（2）：31~32张卫兵，刘艳升，精馏塔设备的发展与展望，华北石油设计，2003，9~112)引入质量分离剂(包括催化剂、反应组分、吸附剂、有机活性组分、无机电解质等)提出的各种耦合精馏技术；3)引入第二能量分离剂(如磁场、电场和激光)。5深化精馏技术的研究方向深化精馏研究必须突破传统研究方法在研究思维、分析问题方式上开辟新思路，寻求新理论，吸收其他学科的最新研究成果；在应用开发上除满足传统工艺的要求外，要致力于各种新型工业领域的过程开发和设备设计5深化精馏技术的研究方向关键(1)研究深度由宏观平均向微观、由整体平均向局部瞬时发展宏观:表观气液运动速度、时均浓度变化、形状和体积变化局部和瞬时结构参数及其变化规律:如局部瞬时传质、传热速率、浓度、温度、扩散系数等的测量，多相流微观动态图象的记录和分析，气泡在产生、形成、运动和破灭四个过程中的表面形态的微观动态变化研究5深化精馏技术的研究方向(2)研究目标由现象描述向过程机理转移。(3)研究手段逐步高技术化计算技术、光纤技术、激光、超声波、电子等新技术的发展，为精馏研究提供了先进的测试手段和分析方法，使深入了解精馏过程中的传递动态属性和界面的非平衡特征成为可能5深化精馏技术的研究方向(4)研究方法由传统理论向多学科交叉方面开拓近年来，统计理论、分形理论、耗散结构理论、表面物理化学等均在各自的领域中取得了重大的成就，同时学科之间的交叉更加频繁，交叉力度愈加提高6精馏技术发展现状6.1特殊精馏对于组分间相对挥发度相差很小的物系，可以通过加入第三个组分即质量分离剂来改变组分间的相对挥发度，通过精馏来实现组分的分离如共沸精馏、萃取精馏，这种过程一般需要两个塔，以达到分离和回收质量分离剂的目的6.2短程精馏在高真空下，由于短程精馏器的加热面和冷凝面之间距小于或等于被分离物料分子的平均自由程，当分子在短程精馏器加热面形成的液膜表面上进行蒸发时，分子间互不发生碰撞，无阻拦地向冷凝面运动并在冷凝面上被冷凝，从而使物料得以分离6.2短程精馏特点：只要冷热面有足够的温差，可以在任何温度下进行，可以是不沸腾的精馏过程；是不可逆过程；分离能力与组分的蒸汽压和相对分子质量之比有关，相对分子质量差异越大，馏出物越纯特别适合于对高沸点、热敏性及易氧化物系的分离6.3磁化精馏磁化分离是利用元素或组分磁敏感性的差异，借助外磁场将物质进行磁场处理，从而达到分离过程的一种新兴技术实质是利用磁场处理来改变液体混合物的组分间的相对挥发度，以强化精馏过程，简化精馏装置系统，降低能耗，省去特殊精馏的添加剂，提高分离效率和产品收率6.4抽提精馏从加氢煤焦油中回收高纯度苯发展而来溶剂改变混合物中烃类蒸汽压的能力首先将沸点相近的馏分脱除，然后与极性溶剂混合，提高沸点差，增大非芳烃的挥发度，并除去共沸混合物6.5热泵精馏把精馏塔塔顶蒸汽加压升温，使其用作塔底再沸器的热源，同收塔顶蒸汽的冷凝潜热6.6耦合精馏技术6.6.1反应精馏6.6.2膜精馏6.6.3隔板精馏6.6.3其它耦合技术6.4.3隔板精馏三元混合物分离，采用传统的简单塔分离流程需要2个精馏塔侧线采出的精馏塔只适用于组成在一定范围内的物系分离，通常不能满足组分分离要求隔板精馏塔是利用隔板把塔中间分割为2部分，进料侧相当于预分离器，另一端相当于主塔6.4.3隔板精馏6.6.3隔板精馏适用范围：(1)中间组分B的质量分数超过20％，特别是进料中B组分含量较高，轻、重组分含量相当的物系(2)常规两塔操作压力相同。由于采用DWC分离3组分混合物是在同一塔设备内完成，故整个分离过程的压力不能改变。若压力需要改变，则DWC不再适用，应采用常规的两塔精馏。(3)塔顶塔底温差最大。刘兆凯，段文立，隔板精馏技术的研究进展和应用现状，石油和化工节能，2007，13~15参考文献6精馏技术发展现状精馏技术发展至今，主要在于解决:普通精馏过程无法分离的问题通过物理或化学的手段改变物系的性质，使组分得以分离；通过耦合技术促进分离过程；要求低能耗、低成本，向清洁分离发展第二节精馏过程计算方法的研究1精馏塔的理论塔板数在精馏塔内，上升的蒸气和回流的液体相接触，在塔板上通过部分冷凝和部分汽化进行传质。使气液两相组成达到平衡的塔板数称为理论塔板数计算精馏塔中某一分离过程的理论塔板数的方法通常有逐板计算法、图解法和芬斯克公式—吉利兰图法1.1简捷法（群法）计算简捷法计算只能求解满足关键组分分离要求所需的理论塔板数1.1.1清晰分割的物料衡算根据进料量和组成，按工艺要求选好一对关键组分，建立全塔物料衡算式全塔总物料衡算：组分：WDFDiWiiDxWxFZ1.1.1清晰分割的物料衡算根据轻、重关键组分在塔釜和塔顶馏出物中的摩尔分数HKDLKWxx,求出塔顶、釜组成HKDLKWniiDxxDFzFDLK)(1FxxxzDLKWHKDLKWniiLK11DFW1.1.1清晰分割的物料衡算馏出物中轻关键及非轻关键组分的摩尔分数分别为DFzxDWxFzxLNKLNKDLKWLKLKD,精馏段：操作线方程釜液中重关键组分及重非关键组分的摩尔分数分别为WFzxWDxFzxHNKHNKWHKDHKHKW,DiinDiinnixRxRRxLDDxDLLy111,1,11.1.2芬斯克（Fenske）法计算最少理论板数全回流时，R为无穷大，此时所需塔板数少，且0,0,0WDF精馏段、提馏段操作线方程：innixy,1塔顶为全凝器时：1)lg()()(lgavLHWLHDHLmxxxxNimmixy,1塔顶为分凝器时1.1.3恩德伍德法计算最小回流比在指定的进料状态下，用无穷的板数来达到规定的分离要求时，所需的回流比称为最小回流比Underwood根据物料平衡和相平衡关系，利用两段恒浓区的概念，导出两个求取的公式qxiFii1Rm是实际回流比的下限，适宜回流比1iDiimxR24.11.1mopRR1.1.4吉利兰（Gilliland）关联图求得理论板数N数学解析式——李德公式xyx5715.180.1,01.00xyx/002743.0591422.0545827.09.001.0xyx16595.016595.0,0.19.0])1(1[75.015668.0minminRRRNNN1.1.5进料板位置的确定精馏段最少理论板数：LHFLHDHLxxxxnlg)()(lg提馏段最少理论板数：LHWLHFHLxxxxmlg)()(lg柯克布兰德（Kirkbride）206.02)()()(DWxxxxmnHDLWFLH1.1.6简捷法(FUG)计算理论板数步骤①根据工艺条件及工艺要求，找出一对关键组分②由清晰分割估算塔顶、塔釜产物的量及组成③根据塔顶塔釜组成计算相应的温度、求出平均相对挥发度④用Fenske公式计算mmNRR,,mRmN，用Gilliland图求理论板数N⑥确定适宜的进料位置⑦根据回流比R，并选适宜的操作⑤用Underwood法计算参考文献1.2迭代法基础:解析法和图解法利用物料的气—液相平衡关系和操作线方程联立得到提馏段和精馏段的迭代方程由塔釜液相组成开始，逐板算出提馏段、精馏段各块塔板的液相组成直至，)(1nnxfx分离操作所需的理论塔板数，n即为该等于或越过为止1nxdx1.2.1气液平衡线方程和操作线方程苯-甲苯溶液可视为理想二组分溶液，其平均相对挥发度α=2.47平衡线方程：沸点进料，要求塔顶馏出液含苯=50.0%(mol/mol)，原料料液中含苯(1)=10.0%(mol/mol)，回流比R=1.590.0%(mol/mol)，塔釜残液含苯1.2.1气液平衡线方程和操作线方程全塔进行物料衡算：F=D+W;50.0%F=90.0%D+10.0%W精馏段的操作线方程：(3)提馏段的操作线方程：(2)1.2.2迭代方程的确定联立(1)式和(2)式，得精馏段的迭代方程：联立(1)式和(3)式，可得提馏段的迭代方程(5)(4)1.2.2迭代方程的确定迭代原理图1.2.3理论塔板数的求算和进料板位置的确定由塔釜残液直至ｎ即为理论塔板数(不包括塔釜)。为止，此时的等于或正好越过注意：必须用精馏段的迭代方程重算提馏段的最后一个改用精馏段的迭代方程式(4)继续求算……等等，当(迭代转折点)时，越过采