分离工程知识要点.docx

分离工程知识要点.docx

《分离工程知识要点.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《分离工程知识要点.docx（14页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

分离工程知识要点

分离工程知识要点

填空题:

在双组分精馏塔的讨论中，要使进料达到某一分离要求，存在着（）和（）的极限条件。

在多组分精馏计算中，通常把被指定浓度的两个组分称为，其中易挥发的组分叫，难挥发的组分叫。

利用简捷法讨论多组分精馏的计算时，对于清晰分割的情况来说就是，在馏出液中的重组分就是，在釜液中的轻组分就是。

逐板计算法就是以某一已知条件的塔板为起点，应用、、来反复逐板计算出各板的条件。

在进行逐板计算时，假如有A、B、C、D四个组分（其相对挥发度依次减小），一般来说，若A、B为关键组分，由计算。

若C、D为关键组分，则由计算。

若B、C为关键组分，则由计算。

当二组分形成共沸物时，其α1，2＝。

在多组分吸收中，因为φ≤1，所以当N=∞时，由吸收因子图可看出A=，则（L/V）min＝。

吸附现象根据其作用力可分为和两种。

根据热力学第二定律，气体或液体混合过程是过程，而分离是。

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

和。

多组分吸收的计算方法主要有、、三种方法。

束关系数Nc的计算根据热力学第一定律、第二定律，包括：

、、

和。

利用简捷法讨论多组分精馏的计算时，对于清晰分割的情况来说就是，在馏出液中的重组分就是，在釜液中的轻组分就是。

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

和。

分离过程可分为和。

二者主要区别在于是否有。

分离过

程所能达到的分离程度用来表示，定义为。

如果用Nv来描述系统的Nc是，那么设计变量Ni=。

按此式求Ni的计算方法有和两种。

在设计变量计算时，对一单相物流Nv＝，而约束关系式包括①

②③④（无化学反应的分离系统）。

多组分吸收的计算方法主要有①②③三种方法。

基于传统分离方法的新型分离技术包括：

①②③

④等。

泡沫分离技术主要分为：

①②③④⑤。

按工业上常用的传质分离过程的两大分类，多组分精馏属于过程，膜分离为过程。

约束关系数Nc的计算根据热力学第一定律、第二定律，包括：

、、和。

根据泡点和露点的概念，精馏塔顶温度即为气相组成的，塔釜温度即为塔釜液相组成的。

多组分精馏的计算按照方法可分为、和。

精馏过程的不可逆性表现在以下几个方面：

液体流动时有，塔内上升蒸气与下流液体直接接触产生热交换时以及再沸器及冷凝器中传热介质与物料间的，上升蒸气与下降液体进行传质过程时，气液两相和与之成平衡状态时的。

一般的精馏塔设计，进料变量是已知的，因此最优化设计的问题就是要找出、、和近似最优化。

特殊精馏中，加入新的组分能和被分离系统中的一个或几个组分形成最低共沸物，这种精馏操作便称为，所加入的新组分称为，二组分能否形成共沸物，视其。

如果所加入的组分能改变原组分间的α，其BP又较原组分高，这叫，加入的新组分称为。

计算题:

1．进料中含正己烷0.33，正庚烷0.33，正辛烷0.33（平均摩尔数）。

今要求出馏出液中正庚烷浓度xD,2≤0.01，釜液中正己烷浓度xW,30.01，试求所需最小理论板数及在全回流条件下馏出液和釜液之组成。

已知各组分之相对挥发度为α1，1＝1.00，α2,1＝2.27，α3,1＝5.25。

2．某厂裂解气的组成如下：

氢13.2%、甲烷37.18%、乙烯30.2%、乙烷9.7%、丙烯8.4%和异丁烷1.32%。

拟用C4馏分作吸收剂，从裂解气中回收99%的乙烯。

该吸收塔处理的气体量为100kmol/h，操作压力为4.053MPa，平均操作温度为－14℃。

试计算：

（1）（L/V）min；

（2）当L/V=1.5（L/V）min时,完成此任务所需NT；（3）各组分的吸收率和尾气的数量及组成；（4）塔顶应加入的吸收剂的量。

在4.053MPa和－14℃下各组分的相平衡常数

组分

氢

甲烷

乙烯

乙烷

丙烯

异丁烷

m

∞

3.1

0.72

0.52

0.15

0.058

3．溶液中含苯55%，甲苯35%，二甲苯10%，流率100Kmol/h，

要求通过精馏得到含甲苯≯0.5且不含二甲苯的塔顶馏出物，釜液中要求苯的含量≯0.5%（均为mol%），常压操作。

已知塔顶温度为80.2℃，塔底温度为116℃，试求Nmin。

组分

Ai

Bi

Ci

苯

15.9

2788.5

-52.36

甲苯

16.01

3096.5

-53.67

二甲苯

10.12

3395.6

-59.46

4．某原料气组成如下表：

组分

CH4

C2H6

C3H8

i-C4H10

n-C4H10

i-C5H12

n-C5H12

n-C6H14

y

0.75

0.06

0.065

0.025

0.045

0.015

0.025

0.015

m

17.5

3.8

1.48

0.57

0.4

0.18

0.145

0.056

现拟用不挥发的烃类液体作为吸收剂，在板式塔中进行吸收，平均吸收温度为40℃，压力11绝对大气压，如果要求将i-C4H10从原料气中回收90%，设原料气流率为100Kmol/h，试求：

（1）（L/V）min；

（2）当L/V=1.1（L/V）min时,完成此任务所需NT；（3）各组分的吸收率和尾气的组成；（4）塔顶应加入的吸收剂的量。

5．现设计一脱乙烷塔，其原料组成和操作条件下的相对挥发度如下表。

馏出液中丙稀浓度为2.5％，釜液中乙烷浓度为5.0％，塔压2.76MPa（绝）。

进料为泡点温度，试求最小理论板数及在全回流条件下馏出液和釜液之组成。

进料中组分

xF,i%

α

进料中组分

xF,i%

α

甲烷

5.0

7.356

丙烷

20.0

0.901

乙烷

35.0

2.091

异丁烷

10.0

0.507

丙烷

15.0

1.000

正丁烷

15.0

0.408

知识点:

1．分离操作在化工生产中的作用？

（1）一方面为化学反应提供符合质量要求的原料，消除对反应催化剂有害的杂质，减少副反应和提高收率；

（2）另一方面，对反应产物起着分离提纯的作用，以得到合格的产品，并使未反应物得以循环作用。

（3）分离操作在环境保护和充分利用资源方面起着特别重要的作用。

2．简述郭氏法的适用条件和基本原则。

郭氏法的适用条件：

1.连续稳定的流动系统；2.过程无化学变化；3.忽略动能和位能；4.与外界交换的机械能只限于轴功；5.平衡级是串级的。

基本原则：

将一个分离装置分解成若干个进行简单过程的小单元，先求出每个小单元的设计变量Nie，再由Nie求出整个装置的设计变量数NiE。

3．精馏过程的不可逆性表现在哪几方面？

精馏过程的不可逆性表现在以下几个方面：

1.液体流动时有压力降，（因为液体流动时有阻力，液体流过塔板，降液管有磨擦力）。

ΔP

2.塔内上升蒸气与下流液体直接接触产生热交换时的温差，以及再沸器及冷凝器中传热介质与物料间的温差。

（有温差就有不可逆性，同一板上热量交换的同时发生质的交换）。

Δt

3.上升蒸气与下降液体进行传质过程时，两相浓度与平衡浓度的差别。

ΔC

ΔP、Δt、ΔC越大，推动力越大，η则越小，这是一对矛盾，要综合进行考虑。

进出每块板的气液相在组成及温度上的相互不平衡是使精馏过程热力学效率下降的重要原因。

要降低净功消耗就必须减小各板传热和传质的推动力。

这可归结为尽量使操作线与平衡线相接近。

4．简要叙述吸附过程的步骤。

通常一个吸附过程包括以下几个步骤：

1.“外扩散”：

外空间组分达到固体表面（穿过气（液）膜）

2.“内扩散”：

从固体表面进入微孔通道

3.吸附：

被固体吸附

4.脱附：

离开微孔表面

5.反内扩散：

扩散至外表面

6.外反扩散：

由外表面进入外空间

在这些步骤里，吸附与脱附等步骤的速度远比“内扩散”与“外扩散”为快。

因此一般影响吸附总速度的是外扩散速率与内扩散速率。

5．简述气液平衡的分类。

由于物质所处的压强大小不同，以及各组分化学结构是否相似的情况，气液平衡关系大致可分为四类

1、气相是理想气体混合物，液相为理想溶液，即为完全理想，严格地说该物质系是不存在的，但在5atm以下的低压下，组分分子结构十分相似的溶液，如5atm下的轻烃混合物，可近似看作为完全理想系。

2、气相为理想气体，液相为非理想溶液，低压许多非烃类物系，物系总组分的分子结构差异较大，如水与醇、醛、酚等组成的物系。

3、气相为非理想气体，液相为理想溶液，比如15-20atm下轻烃混合物。

4、两相都是非理想的，称为完全非理想系，如高压下轻烃及其化学结构不相似的物质组成的物系，此类物系最普遍，气-液平衡关系也最复杂。

（如35atm裂解气的分离）

6．轻重关键组分，轻重组分。

通常把被指定浓度的这两个组分称为关键组分，其中易挥发的组分叫轻关键组分（LK），难挥发的组分叫重关键组分（HK）。

比[LK]还轻的组分叫轻组分，比[HK]还重的组分叫重组分。

轻重关键组分的挥发度一般是相邻的，也可以不相邻。

对这对组分是我们要重点考察的，它起着关键性的作用，表明分离过程的主要分离界限，关键组分概念的因入，实际上把多组分精馏简化成两个组分的精馏。

7．分配组分与非分配组分。

在指定的进料状态下，无穷多的板数达到分离要求时，所需要的回流比称为最小回流比。

在Rm下，轻组分将全部进入塔顶，而不会在塔釜出现，重组分则全部进入塔釜液，而到不了塔顶。

这种只在塔顶或塔釜出现的组分称之为非分配组分。

而在塔顶和塔釜均出现的组分称之为分配组分。

轻重关键组分是分配组分。

相对挥发度处于两关键组分之间的肯定是分配组分，小于轻关键组分的轻组分和大于重关键组分的重组分也可能是分配组分。

8．清晰分割与非清晰分割。

在馏出液中的重组分就是重关键组分，在釜液中的轻重组分就轻关键组分，这样的分离叫清晰分割，否则叫非清晰分割。

对于清晰分割两关键组分相邻，α相差大，非关键组分在两产品中的分配可以通过物料恒算法求得。

对于非清晰分割，两关键组分不相邻，塔底、塔顶必有比HK还重的组分，塔釜有比LK还轻的组分，组分在两产品中的分配用Fenske方程估算。

9．简要介绍提高精馏过程热力学效率的途径

提高η的措施主要有：

1.在精馏段加中间冷凝器，在提馏段加中间再沸器。

（减少塔板的不可逆性）

2.在低温精馏或高温精馏时，升高TL或降低TH。

（可使η提高，减少精馏时的不稳定性）

3.采用两效或多效精馏，（是充分利用能级的一种好方法，范家屯糖厂的蒸发即为双效，四效蒸发）。

（乙二醇五效）

4.对组分BP（沸点）相近的物系，采用热泵精馏。

（用热泵进行过程的废热回收）。

10．简述传质分离过程的分类，并分别解释、举例。

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。

（1）速率分离过程（又称速控分离过程）：

均相传质分离，依靠实际传递速率的不同，在某种推动力（浓度差、压力差、温度差、电位差等）的作用下实现组分的分离。

（2）平衡分离过程：

（这是本课主要讨论的主要内容）

（实质：

在非均相间的传质，利用两相平衡组成不相等原理，如气液两相），借助分离群媒介（如热能、溶剂和吸附剂），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。

如精馏、吸收、萃取、蒸发等（前面已介绍过）。

论述题:

1.简要介绍以甲醇作共沸剂分离烷烃混合物中的甲苯工艺，画出工艺流程简图。

原料液（烷烃混合物与一定量的共沸剂甲醇）加入共沸精馏塔中，从塔顶引出甲醇与烷烃所形成的最低共沸物，冷却后，部分回流，部分引入萃取精馏塔，用水萃取，由萃取塔底引出甲醇、水，上部引出较纯的烷烃。

甲醇与水的混合物进入甲醇精馏塔用精馏的方法将其分离，塔顶得较纯的甲醇返回共沸精馏塔塔顶或与原料液混合。

（萃取）水引入萃取塔顶做为回流循环使用。

由共沸塔底引出的甲苯中带有甲醇，进入脱甲醇塔，塔顶得甲醇与甲苯的共沸物，返回共沸塔作进料，塔釜得纯甲苯产品。

2.画出用简捷法进行多组分精馏塔工艺计算时最小回流比R的程序框图并简要介绍。

最常用的是Underwood（恩特伍德）法，推导该式时Underwood首先做了两点假设：

1.塔内气、液两相为恒摩尔流

2.各组分的相对挥发度都是常数

然后根据物料平衡及相平衡关系，利用恒浓区的概念，推导出由两式联立的求Rm的公式：

①

②

3.用苯作共沸剂分离乙醇和水，请画出其工艺流程、并进行解释。

乙醇一水的共沸物进入主塔（共沸精馏塔），塔顶出三元共沸物，塔底产品为元水乙醇，塔顶蒸汽冷凝后分为两层，上层富苯相、流回主塔；下层富水相，进入苯回收塔。

苯回收塔塔顶产物也是三元共沸物，此三组分共沸物与主塔顶蒸汽一起冷凝，塔底引出的水中占有一定浓度的乙醇，送入乙醇回收塔，或原料液以回收乙醇，塔顶为乙醇一水二元共沸物，返回主塔。

4.画出泡点计算程序框图，并简要写出计算原理。

泡点的计算；

该混合物中有C个组分，其组成xi，同露点计算一样，先假设一个泡点温度T，再由p、xi找出各组成的相平衡常数Ki，检验∑yi=∑KiXi是否等于1，如果∑yi＞1，说明所设的温度偏高，Ki的值太大，如∑yi≠1则重新假设T。

如果是电算，计算泡点的过程如下，

（1）已知：

N（组分数）、P、X；

（2）取温度T为选代变量；

（3）由热力学方程计算Ki；（4）由相平衡方程计算yi

（5）以归一方程为判据，令|∑yi–1|≤g;

5.画出复杂精馏塔任一板的模型图并建立MESH方程。

随便拿出一块板（第j块理论板）看它的物流和热流情况：

建立数学模型进行严格的计算。

在严格的平衡级计算中必须满足：

①物衡式（M方程）；②相平衡方程（E方程）；③分子总和式（S方程）；④热平衡方程（H方程）。

上述四个方程简称为MESH方程组，它是描述精馏过程每一级达到气液平衡时的数学模型。

1.物料衡算式（M）：

NC个（N代表理论板数）。

对任一理论板j，作组分的物料衡算：

Lj-i·xj-1,i+Vj+1·yj+1,i+Fj·Zj,i

=（Vj+Gj）·yj,I+（Lj+Uj）·xji

组分数C个，塔板数N个,（=）共有方程式N×C个

2.气—液平衡关系式：

N×C（E方程）

yj,i=Kj,i·xji

3.热量衡算式（H方程）：

N个，对任一理论板j作热量衡算（一块板只能列一个方程）：

Lj-1hj-1+Vj+1Hj+1+FjHFj=（Vj+Gj）Hj+（Lj+Uj）hj+Qj

4、浓度总和式（S方程）：

2N个