天津大学化工分离工程完整教案

精选文档第一章 绪论一、学习目的与要求通过本章的学习，能对传质分离过程有一个总体了解。二、考核知识点与考核目标（一）、化工分离操作在化工生产中的重要性（一般）识记：化工分离操作在化工生产中的重要性分析。 （二）、分离过程的分类和特征（次重点）识记：分离过程的分类和特征，传质分离过程的分类和特征。1.1 本课程的内容和任务1.1.1课程内容、性质与特点 该课程是化学工程专业所开设的一门专业基础课之一。分离过程是将混合物分成组成互不相同的两种或几种产品的操作，它是一门与实际生产联系极其紧密的课程，是学生在具备了物理化学、化工原理、化工热力学、传递过程原理等技术知识后的一门必修课，它利用这些课程中有关相平衡热力学、动力学机理、传热、传质和动量传递理论来研究化工生产实际中复杂物系的分离和提纯技术。由理想 理想气体 实际气体 理想溶液 实际溶液由简单复杂 二元精馏 多元精馏 单组分吸收多组分吸收课程设置的目标开设本课程，为了使学生掌握各种常用的分离过程的基本理论、操作特点、简捷和严格计算方法和强化改进操作的途径。对一些新分离技术有一定的了解。1、注重基本概念的理解，为分离工程的选择、特性分析和计算奠定基础；2、分离过程的共性出发，讨论各种分离过程的特征；3、强调工程和工艺相结合的观点，注意设计和分析能力的训练，强调理论联系实际，提高解决问题的能力。1.1.3与本专业其他课程的关系与该专业课相关的基础课物理化学、传递过程原理、化工原理、化工热力学等与本课程有着相当密切的关系，是本课程的技术基础课，同时本课程又是化工工艺设计与化工过程开发的基础，它与化工反应工程紧密相连，只有这些课学好了才能学好这门课,做好毕业设计。学习方法及要求1. 理解重要公式的推导过程及推导假设，掌握公式及公式的使用范围；2. 掌握各种分离过程的基本原理、理论、操作特点，简捷法（FUG）和严格计算法及强化改进操作的途径，对设备的特殊要求；3. 该课程应用性、技能性较强，须认真地做习题，加深对所学内容的理解；4. 会用计算中常用到的手册和图表提高使用图表的能力。 教材和参考书教材：化工分离过程陈洪钫 刘家祺主编。参考书：化工分离过程刘家祺主编 化工出版社分离工程邓修主编 科学出版社石油化工分离工程张一安 徐心茹主编 华东理工大学出版社。有机化工分离过程，许其佑等编著，华东化工学院出版社。抓住重点，理清思路，善于分析，旨在应用。认真听课，积极思索，必要预习，独立解题。1.2 分离操作在化工生产中的重要性（作用和地位） 分离过程在化工生产中的重要性无论化学、石油、冶金、食品、轻工、医药、生化和原子能等工业都广泛应用分离过程， 总而言之，广泛的应用，科技的发展，环境的需要都说明分离过程在国计民生中所占的地位和作用，并展示了分离工程的广阔前景：现代社会离不开分离技术，分离技术发展于现代社会。化工生产中采用分离的目的主要有以下几点：1、 原料预处理；2、 产品的分离提纯；（苯乙烯生产）3、环保和安全生产的需要；4、防止催化剂中毒。 分离在清洁工艺中的地位和作用降低原材料和能源的消耗，提清洁工艺也称少废无废技术，是面向21世纪社会和经济可持续发展的重大课题，也是当今世界科学技术的重要内容之一。清洁工艺将生产工艺和防治污染有机结合起来，将污染物消灭在生产工艺过程中，从根本上解决工业污染问题。清洁工艺是一种节能、低耗、高效安全、无污染的工艺技术。就化学工业而言，清洁工业本质是合理利用资源，减少甚至消灭废料的产生。化工清洁工艺应综合考虑合理地原料选择，反应路径的洁净化，物料分离技术的选择及确定合理的工艺流程和工业参数等。与化工分离密切相关的有：（1） 高有效利用率和循环利用率；（2） 开发和采用新技术、新工艺，改善操作条件，以控制和消除污染；（3） 采用生产工艺装置系统的闭路循环技术；（4） 处理生产中的副产物和废物，使之减少或消除对环境的危害；（5） 研究和开发利用低物耗、低能耗、高效率的三废治理技术。闭路循环系统是清洁工艺的重要方面，其核心是将过程产生的废物最大限度地回收和循环使用，减少过程排出废物的量。实现分离与再循环系统使废物最少化的方法：（1） 废物直接再循环，如废水循环使用（丙烯腈、丁醇、丁醛生产）（2） 进料提纯 减少杂质生成副产物，减少排放量；（3） 除去分离过程加入的附加物质（如特殊精馏中的S）；（4） 附加分离与再循环系统1.3 传质分离过程的分类和特征分离过程 （1） 机械分离 对象为两相或两相以上的混合物，只要用简单的机械方法就可将其分离，两相间不发生物质的传递。如过滤、沉淀等。（2） 传质分离用于各种均相混合物的分离，其特点是有质量传递发生，有相间传质，可以在均相中进行，也可在非均相中进行。传质分离依据物理化学原理的不同，可分为平衡分离和速率分离两大类。 平衡分离过程借助分离媒介（如热能、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平衡两相中的不等同的分配为依据而实现分离。分离媒介 按两相状态的不同，平衡分离过程可分为以下几类：（1） 气液传质过程 如吸收、气体增湿或减湿；（2） 汽液传质过程 如液体精馏；（3） 液液传质过程 如萃取；（4） 液固传质分离 结晶、浸取吸附、离子交换；（5） 气固传质过程 固体干燥、吸附。对于平衡传质分离过程，工程上有两种处理方法：一、 把现状和达到平衡之间的浓度梯度或压力梯度作为过程推动力，而把其他因素都归纳于阻力中。传递速率就成为推动力和阻力之商（传热、流体输送、吸收）二、依据处于热力学平衡的两相组成不相等的原理，以每一级都处于平衡态为手段，得平衡级数，并把其他影响因素归纳于效率之中（如精馏）。 速率分离过程借助某种推动力（浓度差、温度差、压力差、电位差等），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而实现组分的分离。速率分离过程可分为膜分离和场分离。该类分离传递发生于相内，无须产生新的相，所以往往是低能耗的。世界万物都是由有序自动走向无序，所有纯物质都逐渐变为混合物，而将混合物变为纯物质不能自发进行，只有外加能量方可使之进行。一般分离过程能耗：无相变分离有相变分离；无外加物质的分离AB的，D的未知数的数目），无唯一解（独立方程式数目未知数的数目）？设计变量计算前，必须由设计者赋值的变量。若赋值的变量数太少，设计不会有结果（多组解），若赋值的变量过多，设计也无法进行（矛盾解）。因此，设计第一步工作不是选择变量的具体值，而是确定设计变量的数目。即讨论确定设计变量的方法。NV描述系统的独立变量数；NC系统变量数间的约束关系数；Ni设计变量数。 Ni=NV-NC （3-1）（1）独立变量数NVNV=f+1= c-+2+1=c-1+2+1=c+2。c+2个变量：物料组成x1，x2x（c-1）（或y1，y2y（c-1）；物料流率L（V）；温度T；压力P。对一个达到相平衡的多相物流物流独立变量数为多少？c+2个变量：物料组成x1，x2x（c-1）（或y1，y2y（c-1）；物料流率L（V）；温度T；压力P。2）当系统与外界有能量交换时，NV还应加上描述能量交换的变量数。则系统的NV=系统各物流的独立变量数+描述能量交换的变量数NV=（C+2）+能量交换变量数（2）约束关系数NC的确定约束关系包括：1） 物料衡算式 数目等于组分数c1） 能量衡算式 每个系统只有一个2） 相平衡式 有c（1）个3） 化学平衡式 分离过程一般不考虑4） 内在关系式 指约定关系，如物流间温差、压差如平衡的两相的物流，多了一相组成、流率、温度和压力计C+2个变量但也多了C各型平衡关系，和T、P相等计C2个约束关系：f= c-+2=c-2+2=c。再加上各相物料的流率2，NV仍为c+2。NV=f+2C+2。对于多相物流NV=f+C+2化工装置往往很复杂，讨论其NV、NC和Ni很麻烦，为此确定一个装置的设计变量常用基本原则是将一个装置分解为若干进行简单过程的单元，由每一个单元的独立变量数 和约束关系数求出每个单元的设计变量数，然后由单元设计变量数计算装置的设计变量数。该法适用于连续稳定流动过程，流动的动能和位能可忽略，与外界交换的机械能只限于轴功，且过程无化学反应，所用平衡级是串联的。 单元设计变量分离过程主要单元15个，（P56表3-1）3.1.1.1分配器 绝热操作下的分配器单元独立变量数：每个物流的独立变量数NV=c+2，三个物流，单元约束关系：物料衡算式 C个（等于组分数）能量平衡式 1个相平衡式 c（-1）= c（1-1）=0化学平衡式 0个内在约束关系式 两物流T、P相同 2个（P1=P2，T1=T2） 两物流组成相同 xi，1=xi，2 （c-1）个（进料c+2个，系统压力1个） ，可以是L1/F或L2/F或L1/L2。.2产物为两相的全凝器（出料为平衡的两液相） 能量衡算式 1个相平衡式 c个 .3绝热操作的单元平衡级 固定设计变量：= +5（进料2（c+2）个，单元压力1个） 可调设计变量： =- =0个。.4有侧线出料的单元平衡级 单元约束关系 相平衡关系式 c 个 物料衡算式 c个能量衡算式 1个 .5有进料和侧线有热量进出的单元平衡级 单元约束关系 注意：c为物流组分数，当各股物流的组分数不同时，求各物流的独立变量数应代入各物流相应的组分数c值。装置设计变量.1装置设计变量 一个装置的设计变量应为组成装置的若干单元的设计变量之和。 但若装置中某一种单元以串联形式被重复使用时（如吸收、精馏中），则应增加一个变量数以区别于与其他单元相连接的情况。这一表示重复使用的变量数称为重复变量数，为同一种单元被串联使用的次数。（注意是串级的数目，而非被串联使用的单元数目。 由于单元间是由物流相连的，在装置中相互直接相连的单元之间必有一股或几股物流，是从一单元进入另一单元的，则在连接单元之间有了新的约束关系以表示，N为连接单元之间物流的数目。则有： .2 简单吸收塔的设计变量 对于图3-1所示的简单吸收过程（P57） （1） N个绝热操作的简单平衡级（2） 串联而成，每一级设计变量数 （两股进料，再加一个压力） （2）重复变量数 （仅一种单元串联使用） （3）串级单元间物流的约束关系数 所以其中可调设计变量： 其可为理论级数，也可为溶质中关键组分被吸收的完全程度。查表3-1的简单平衡级 为装置各进料物流的变量数加上装置不同压力数目。，可为N或尾气中关键组分低浓度，吸收液中关键组分的浓度.3精馏塔（常规塔）的设计变量（P57图3-2）全塔6个单元，包括两个串级单元，各单元设计变量数见下表：序号单元 1全凝器c+4C+312回流分配器c+4C+313N-（M+1）板平衡级+（N-M+1）+5+（N-M+1）+414进料级+7+705（M-1）平衡级+（M+1）+5+（M+1）+416再沸器c+4C+31 串级1： 串级2： 由于单元间物流数为9,所以 所以其中（进料物流c+2个，N级压力,全凝器,分配器压力）可调设计变量： 可调设计变量可为:回流状态,理论板数，进料位置，D流率和R（也可为其他赋值变量，但不能是固定设计变量，也不能出现矛盾）总上可知，系统可调设计变量为各单元可调设计变量之和再加上系统的串级数。而固定设计变量只与进料物流和系统压力等级数有关。.4确定、的方法确定方法及步骤为：（1） 按每一单相物流有c+2个变量，计算所有进料的固定设计变量数；（1） 确定系统所具有的不同的压力级数（当忽略过程压降时当如何）；（2） 以上两项之和即为系统的固定设计变量数；（3） 将系统的串级单元的数目、分配器数目、侧线采出单元数目和传热单元数目加和即为系统可调设计变量数。例用上法求图3-3（P58）所示精馏塔的、。解：进料变量数c+2，压力等级数1个（压降忽略），：串级单元数3个（注意每增加一股侧线采出或加料时串级数增加一个）； 分配器个数为1；侧线采出单元数1个；传热单元数2个；所以 同样方法求图3-1、3-2的、例题：有一吸收装置处理含CO2原料气，假设进料中有c个组分，其操作条件如图所示，试确定装置的、。并指出设计变量可能的选择。 解：（1）装置的固定设计变量数 压力等级数2，一股原料气进料c+2，水蒸气进料1+2=3， （2）可调设计变量数 串级单元数2，侧线采出数0，分配器数0，传热单元数3。所以 （3）固定设计变量选择：吸收塔压力PA，蒸出塔压力PB，原料气流率、T、P和组成（c-1个）；水蒸气流率、T和P。（4）可调设计变量选择1） 吸收塔NA；蒸出塔NB；每个换热器出口温度。2） 离开吸收塔的尾气中CO2的浓度；离开蒸出塔的CO2的浓度；三个换热器的换热面积。3） 吸收塔NA蒸出塔NB，尾气中CO2浓度，离开蒸出塔气体中CO2浓度，进吸收塔吸收剂的浓度。4） 注意选择中，固定不容易选错，选时一是不要把属于的变量选上，再是选择变量不要出现矛盾。 例附图为热耦合精馏塔系统，进料为三组分混合物，采出三个产品。试确定该系统：（1）设计变量数；2）指定一组合理的设计变量 解：（1）装置的固定设计变量数 压力等级数N+M+1，一股原料进料c+2， （2）可调设计变量数串级单元数2+4，侧线采出数1，分配器数1，传热单元数2。所以 （3）固定设计变量选择：原料气流率、T、P和组成（2个）；各个理论级及全凝器（含分配器，认为两者为同一压力）的压力。（4）可调设计变量选择回流比、回流状态、六个串级的平衡级数、D和侧线流率。 第五章 分离设备的处理能力和效率一、学习目的与要求通过本章的学习，使学生能简单分析并基本了解强化分离操作的途径。二、考核知识点与考核目标（一）气液传质设备的处理能力的影响因素（一般）识记：影响气液传质设备的处理能力的主要因素。（二）气液传质设备的效率及其影响因素（重点）理解：气液传质设备效率的几种表示方法及其影响板效率的主要因素。5.1气液传质设备的处理能力和效率5.1 .1 气液传质设备的处理能力的影响因素气液传质设备有板式塔和填料塔两类。影响气液传质设备的处理能力的因素有：1、液泛 板式塔：，处理能力增加。规整填料处理能力大于乱堆填料。真空操作设备的往往成为限制生产能力的主要原因，还影响降液管内液位高度，液位高度，以造成液泛。4、停留时间停留时间与生产能力成反比，精馏中，液体在降液管内停留时间一般为35秒。1、 效率的表示方法（1）全塔效率ET（总板效率，塔效率）为完成给定分离任务所需要的理论塔板数（N）与实际塔板数（Nact）之比。ET的特点是容易测定和使用（2）默弗里（Murphree）板效率假定板间气相完全混合，气相以活塞流垂直通过液层，板上液体完全混合，气组成等于离开该板降液管的液体组成。默弗里板效率实际板上浓度变化与平衡时应达到的浓度变化之比。气相浓度表示的默弗里板效率。与成平衡的气相摩尔分率。液相浓度表示的默弗里板效率液相浓度表示的默弗里板效率。与成平衡的液相摩尔分率。一般。（3）点效率 板上气液两相错流，假定液体在垂直方向上完全混合。 （54） i组分在该板j处的点效率。若气液两相完全混合， 则 。与成平衡的气相摩尔分率。（4）等板高度（HETP）对于填料塔，为相当于一块理论板所需的填料高度（从此段填料上方离开填料上升的蒸汽和离开此段填料下降的液体互成平衡）。HETPZ/N （55）对于板式塔 （5）传质单元高度（HTU）（HTU）HTU表示填料塔的传质效率，定义为： 式中：气相总传质单元高度,m；V气相流率,mol/h；KG组分的气相总传质系数，mol/m2h；a填料的有效比表面积m2/m3；A塔的横截面积m2。、影响效率的因素 (1)传质速率参见右图，设单位塔截面上汽相摩尔流率为G，经截面为dA的液层通量为GdA，该处板上液层高度为Z，气液两相传质比表面积为a m2/m3，气相传质总系数为Ky。则组分i的传质量为： （56）对（56）式沿液层高度积分： 则 （58）由（58）知：G一定，。因此塔板上液层愈厚，气泡愈分散，表面湍动程度愈高，点效率愈高。由双膜理论： （5-9） L、V分别为液气相流率，为汽液平衡常数。有许多书上给出NG、NL求取的经验式。（2）流型和混合效应液体流经塔板时，与气体产生密切接触，混合情况十分复杂，板上任一点的液体会在三个垂直方向上发生混合。沿液流方向上的混合称为纵向混合；在塔板平面上与液流垂直的混合称为横向混合；垂直于塔板液面，沿气流方向的混合。这些混合将影响板效率。 描述流型对效率影响的数学模型：1）板上液体完全混合 板上各点液相组成均相同，并等于该板出口溢流液的组成，即，若进入板的气相组成是均一的，则有：。省略下标i， （514）此时，塔板上摩弗里板效率等于点效率。 2）液体完全不混合（活塞流）且停留时间相同可推导出默弗里板效率和点效率间关系式 液体混合作用的减弱使默弗里板效率增大。 3）液体部分混合纵向混合（与板上液流总方向平行方向上的液体混合）将使下降；横向混合（与板上液流总方向垂直方向上的液体混合）将使上升。不完全混合使得。总之：不均匀流动，尤其是环流会对效率产生不利影响；横向混合能消弱液相不均流动的不利影响；塔径加大，纵向不完全混合有利影响减弱，不均匀流动则趋于加强。 （3）雾沫夹带雾沫夹带为级间混合，降低分离设备的分离效果，板效率下降。Colburn（可尔本）1936年推导出下关系： （520）有雾沫夹带下的板效率。e单位气体流率的雾沫夹带量。此外，漏液和气体被液体夹带也会使板效率降低。（4）物性的影响1） 液体粘度 液体粘度大，产生气泡大，相界面小，两相接触差，且液相扩散系数小，效率低。 由于精馏温度一般较吸收温度高，液体粘度小，故精馏塔效率高于吸收塔。2）密度梯度当易挥发组分的大于难挥发组分的时，能形成混合旋流，可提高液相传质系数。3）表面张力和表面张力梯度a) 表面张力 对效率的影响泡沫状态时，对效率的影响很小；喷射状态时，效率有所提高。b) 表面张力梯度 的影响对于正系统：轻组分重组分 ， 重组分 ， 0，在喷射状态操作更好。因为这时液滴不稳定，易断裂破碎成更细的液滴，传质面积大，有利于效率提高。泡沫状态：板式塔在较低气速下操作，气相为分散相，液相为连续相，气泡界面为传质界面。喷射状态：板式塔在较高气速下操作，液相为分散相，气相为连续相，液滴群表面为传质界面。4）相对挥发度的影响相对挥发度大，效率低。由完成一定分离要求的理论板数求实际板数需要板效率数据。获取方法有三种：A、从工业塔数据归纳出的经验关联式；B、依赖传质速率的半理论模型；C、从实验装置或中间工厂直接得到数据。1、 板式塔（1） 经验关联式1） 奥康奈尔法（法）也可由关联图求板效率。2） Lockhart和Legget同时关联精馏塔和吸收塔数据，奥康奈尔法关联图类似的图。（1） 半理论模型1）AIChE法基于双膜理论提出的计算方法。见P158图58。2）Zuiderweg法适用于筛板塔的默弗里板效率的计算。具体内容见（刘家祺新教材）。（1） 由实验装置数据确定板效率当无欲分离物系的气液平衡数据，尤其对于高度非理想溶液或可能形成共沸物的情况，达到分离程度所需的塔板数最好通过实验室测定。使用称为Oldershaw塔的玻璃或金属筛板塔，塔径2550毫米，筛孔1毫米，开孔率10左右。塔板数任意。在201140千帕操作压力范围内，Oldershaw塔的效率与塔径在0.461.2米范围的中间试验塔和工业塔的数据一致。Oldershaw塔的偏于保守的试验步骤：1）测定泛点；2）在约60泛点下操作（在4060范围内均可）；3）试验中通过调整塔板数和流率，达到预期分离程度；4）假设工业塔与Oldershaw塔在相同液气比下操作需要相同的塔板数。 5.2 萃取设备的处理能力和塔径萃取设备根据两相接触方式可分为逐级接触式和微分接触式两类。每类又分为有外加能量和无外加能量两种。 型式逐级接触式微分接触式无外加能量筛板塔喷洒塔、填料塔有外加能量搅动混合澄清器搅拌填料塔转盘塔搅拌挡板塔脉冲脉冲筛板塔脉冲混合澄清槽脉冲填料塔离心力逐级接触离心萃取器连续接触离心萃取器1、 设备的特性速率2、 临界滞夜分率和液泛速率3、 塔径的计算影响萃取效率的因素1、 分散相液滴尺寸2、 液滴内环流3、 液滴的凝聚和再分散4、 界面现象5、 轴向混合萃取塔的效率1、 理论及的当量高度HETS2、 传质单元高度HTU5.3 传质设备的选择1、 板式塔和填料塔的选择板式塔和填料塔的的比较：项目板式塔填料塔压降较大小尺寸填料较大，大尺寸填料及规整填料较小。空塔气速较大小尺寸填料较小，大尺寸填料及规整填料较大。塔效率较稳定，效率较高传统填料较低，新型填料较高持液量较大较小液气比适应范围较大适应范围较小安装检修较易较难材质常用金属材料金属及非金属材料造价大直径时较低新型填料投资较大板式塔和填料塔的选择要考虑以下因素：（1）物系的性质1） 被处理物料具有腐蚀性时，通常选用填料塔；2） 以发泡物系，宜选填料塔，因其具有限制和破碎泡沫的作用；3） 对热敏物质或需真空下操作的物系宜选用填料塔；4） 对高粘度的物系的分离，宜选用填料塔（粘度高，板式塔效率低）；5） 分离有明显热效应的物系宜选用板式塔（持液量大，便于安装换热装置）；6） 以聚合和含有固体悬浮物的物系，不宜选用填料塔。（2）塔的操作条件1） 板式塔的直径一般0.6米，填料塔设备费随塔径增加而迅速增加，大塔慎用填料塔；2） 填料塔操作弹性小，对液体负荷变化尤为敏感，板式塔往往具有较大弹性；3） 采用新型填料的填料塔具有较大的生产能力和较小的HETP。（3）塔的操作方式1） 间歇操作，填料塔持液量较小，较合适；2） 由多个进料口和侧线采出的精馏塔，用板式塔更合适。2、填料的选择（1） 填料材质的选择（2） 填料种类的选择（3） 填料尺寸的选择（4） 填料的单位分离能力各类萃取设备的优缺点见P178表53。1、萃取设备的选择设备选择应考虑系统性质和设计特性两方面的因素。选择原则：（1） 分离所需理论级数（2） 处理量（3） 停留时间（4） 两相流量比（5） 物系性质（6） 设备费用（7） 设备安装场地2、 分散相的选择（1） 两相流量相差较大时，取大者为分散相；（2） 两相流量相差很大时，取小者为分散相；（3） 对于 的系统，应使溶质从液滴向连续相传递，对于 的系统，应使溶质从连续相传向液滴；（4） 宜将粘度大者作为分散相；（5） 在填料塔和筛板塔中，应选择润湿性好的为连续相。可修改