2015分离工程精馏复习

第二章多组分精馏

第一节概述

一、精馏

1、精馏

1）定义：通过加入能量形成汽液两相体系，并利用其各组分挥发度的的差别获取高纯度产物的操作即为精馏。

2）精馏和蒸馏异同

①原理、设备相同；②计算方法和物系条件有所不同

3）精馏分类：简单精馏/复杂精馏/特殊精馏

4）简单精馏和复杂精馏：

①简单精馏：一股进料、塔顶塔底出料的精馏过程

②复杂精馏：多股经进料或多股出料的精馏过程

5）特殊精馏

①某些物系沸点差异小、或形成恒沸物（乙醇-水），无法采用常规精馏，一般采用特殊精馏；

②特殊精馏：恒沸精馏、萃取精馏

③用途：分离热敏物质、沸点相近物系、恒沸物系，如乙醇-水、苯-水分离。

3、精馏单元操作和精馏设备

1）精馏单元操作

①精馏单元操作是一个整体，主要由精馏塔、冷凝器和再沸器、分离器等设备构成，不可分割。

②主要设备：精馏塔。

2）精馏设备

①精馏塔是提供汽液充分接触及迅速分离的设备；

②塔板和填料的作用：塔板上保持良好的气液接触条件，造成较大的接触表面，而且气液接触表面不断更新，以增加传质速率；保证气、液多次逆流接触，防止气液短路夹带及返混。

③板式塔：主要由塔体、塔盘、人孔、溢流堰、降液管、受液盘等部分组成。

④填料塔：主要由塔体、填料、支撑板、分布器等组成。

二、精馏过程

1、精馏塔工作过程：精馏过程就是塔内每块塔板上的扩散、质量传递、热量传递、动量传递的过程

三、精馏过程模拟

1、精馏研究方法：

1）精馏过程的每块塔板上都发生动量传递、扩散、传质、传热及相平衡等过程；

2）研究方法：建立一个能够正确地描述过程的数学模型并求解，得出精馏塔内气液相的组成、温度和流量的分布等有关参数。

2、精馏过程模拟

1）精馏模拟：

①组分的相平衡关系式（E方程）；

②组分的物料衡算方程式（M方程）；

③塔板的热量衡算方程式（H方程）；

④组分的摩尔分数加和方程（S方程）；

⑤气液两相间的传质速率（传质效率）方程式（R方程）；

⑥描述精馏塔内气、液两相的非均匀混合与非理想流动性质方程式（F方程）。

2）MEFRSH方程组十分复杂，建立和求解非常困难。往往建立简化的精馏模型

（1）理论精馏塔的数学模型---平衡级模型

①平衡级和理论精馏塔：满足下面理论级假设和全混级假设的精馏塔板称为理论塔板或平衡级，由若干个平衡级构成的精馏塔称为理论精馏塔。

②理论级模型：假设气液两相间的热量和质量传递速率为无穷大，即在每一块塔板上气液两相经过接触后迅速达到平衡状态，离开塔板的气相混合物与液相混合物之间处于相平衡。

③全混级模型：塔板上的液体及塔板间的气体是完全混合的，具有均匀的压力、温度和组成；

④平衡级模型可忽略R方程和F方程，即MESH方程组称为平衡级模型。

⑤平衡级模型计算：近似计算和严格计算。

（2）实际精馏塔的数学模型

①实际精馏塔的数学模型分为平衡级模型、非平衡级模型和三维非平衡混合池模型

②平衡级模型：理论塔平衡级模型+板效率

③非平衡级模型：非平衡级模型的基本假设为全混级假设，可以忽略F方程。其基本方程组是MERSH方程组；

④三维非平衡混合池模型：使用MEFRSH方程组。

四、平衡级模型的平衡级和板效率

1.平衡级

1）平衡级又称理论板：是一个理想化了的进行两相间接触传质的场所；

2）平衡级三个假定：

2．实际板和实际板的效率

1）平衡级是极端理想的状态，工业过程中无法实现；

2）实际板

（1）定义：工业装置运行的精馏塔的塔板，实际板的分离效果远低于理论板。

（2）实际板效率低原因：

（3）点效率

①定义：塔板上某一位置处理论增浓程度和实际增浓程度的差异。

②关系式

11+∙+'-'-'=n

n n n OG

y y y y E 五、多组分精馏 1、定义：组分数大于3的气液混合物，通过连续的蒸馏手段获取高纯度的产品的单元操作。

2、适用：

①组分数大于等于3；②组分间沸点存在一定差异；

③轻重组分量差异不严重；④水不能作为轻组分。

3、多组分精馏流程

1）具有多个流程方案：[])!1(!!)1(2--C C C

2）存在最佳流程方案

4、以平衡级为基准的多组分精馏塔设计方法

1）简单精馏塔和复杂精馏塔

2）简单精馏塔设计计算方法

（1）近似计算方法主要是FUG 法和SB 法（群法）；

（2）严格计算主要为)(Matheson

Lewis LM -法、泡点（BP ）法、R N -法和内外层法 3）复杂精馏塔

（1）近似计算可以采用FUG 法

（2）严格计算包括BP 泡点法（利用MESH 方程组）和R N -法和内外层法。

第二节 多组分系统的相平衡

一、概述

1、相平衡：

1）定义：指混合物或溶液形成若干相，各相保持着共同的物理化学性质状态。

2）相平衡关系表示方法

3）相平衡常数和相对挥发度

（1）相平衡常数定义：i i i x y K /=

（2）相对挥发度定义ij α： j

i j i j j i i j i ij x x y y x y x y K K ////===α 2、自由度与相数、组分数关系（相律）

二、多组分物系汽-液平衡

1、精馏原理

同一温度压力下，当汽液两相处于平衡状态时，任一组分i 的汽液两相的化学位应当相等，即iV iL μμ=

2、多组分物系气液平衡

1）相平衡一般式 i iV i iL iL y p x f ϕγ=

2）i K 的典型表达式

①低压条件 p

p x y K i i i i == p

p f f x y K i iL iV iV iL iL i i i γγγ=== ②中压条件

若为非理想溶液、理想气体的体系，仍可用：

p

p f f x y K i iL iV iV iL iL i i i γγγ=== 若均为理想溶液、非理想气体的体系，可用下式：

p p x y K iV i p V i i i i o i ϕϕ)(,==

3）i K 的确定方法和步骤

4）某一压力下某物质来说，i K 值仅受温度影响，即M p i T f K ,)(=。因此可以通过回归得到多项式：