aspen高级教程第7章 分离单元模拟PartA - 图文

第7章分离单元模拟Part A

作者：武佳孙兰义

蒸馏基础知识

蒸馏依据

蒸馏过程利用均相液体混合物中各组分饱和

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蒸汽压（或沸点或挥发性）的差异而使各组分得以分离

蒸馏基础知识

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蒸馏过程的分类

按操作流程分

间歇蒸馏、连续蒸馏

按蒸馏方法分

简单蒸馏、平衡蒸馏、精馏、特殊精馏?按操作压力分

常压蒸馏、减压蒸馏、加压蒸馏按组分数分

二元蒸馏、多元蒸馏、复杂蒸馏

???蒸馏基础知识

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通过相对挥发度表示的汽液平衡关系

yi?KixiKi?f?T,P?在蒸馏分离过程中，系统的温度、压力时刻在发生变化，导致相平衡常数K 也在不断变化，给计算过程带来很大不便，为了避免这个问题，考虑能否找出另一参数来表达相平衡关系，而这一参数随着操作条件的变化并不明显

蒸馏基础知识

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挥发度

表示物质挥发能力的大小对纯组分：对混合液体：

v?PvA?oPAxAvB?PBxBo对理想溶液：PA?PAxAPB?PxoBoBBvA?PoAvB?Pv?f?T?

蒸馏基础知识

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相对挥发度α

定义：低压：

高压：?混合物中两组分挥发度之比，用来表示挥发能

力的差异

?对二元物系，通常用轻组分的挥发度比上重组分的挥发度

??vAPA/xA理想物系P0Av?BP0B/xBPB??KA同样适用于K低压理想物系

B蒸馏基础知识

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相对挥发度表示的相平衡关系

二元物系：

KAyA/xAyA/yBy/?1?y??????KByB/xBxA/xBx/?1?x??xy?1?(??1)x─以α表示的相平衡方程

蒸馏基础知识

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讨论

yA/yB??xA/xB是衡量组分是否易于分离的标志

1.0yAxA??1??yBxB?不能用蒸馏的方法分离?α与1.0偏离越大，两组分越易分离

?α<1时，y

yα3α2α1α=1α1<α2< α30x1.0蒸馏基础知识——蒸馏方式

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简单蒸馏

操作及流程

微分蒸馏、渐次汽化、渐次冷凝冷凝器y原料液蒸气xxD1xD2xD3蒸馏基础知识——蒸馏方式

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简单蒸馏相图分析

?蒸汽一形成就离开系统

?（釜内）液相x 越来越小，温度T 越来越高

?出釜气相y 越来越小?不稳定过程

露点线C?/t泡点线0xFy1.0x(y)

蒸馏基础知识——蒸馏方式

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平衡蒸馏

闪蒸

操作及流程

塔顶产品减压阀yA原料液加热器QxA闪蒸罐混合物在加热或冷却过程中，气、液两相共存，并保持平衡状态，将气、液两相分开，以使混合物得到一定程度的分离，这种分离方式称为平衡蒸馏

塔底产品蒸馏基础知识——蒸馏方式

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平衡蒸馏相图分析

露点线?蒸馏后：x＜xF＜y，有分离作用，但分离程度有限，不能得到高纯度组分。汽、液相组成极限能达到多少？t/?C?气液两相只有一次相平衡;?釜内组分含量x、蒸汽相组成y 符合相平衡方程;泡点线0xxFx(y)y1.0平衡蒸馏是液体的一次部分汽化或蒸汽的一次部分冷凝的蒸馏操作

蒸馏基础知识——精馏原理

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平衡级

模型：

使原未达到平衡的的汽、液两相接触，两相将向平衡趋近，若接触足够充分、气液充分混合，离开时汽、液两相将达到平衡，此种设备称为一个平衡级

蒸馏基础知识——精馏原理

一次部分汽化和一次部分冷凝

C?/ttF0xxFy1.0x(y)一次部分汽化tFC?/t0xyFy1.0x(y)一次部分冷凝

蒸馏基础知识——精馏原理

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分析

?x1＜xF＜y1，一次部分汽化与一次部分冷凝皆有分离作用?全部汽化或全部冷凝无分离作用

?受平衡的限制，一次部分气化与一次部分冷凝分离作用有限，得不到较高纯度产品

蒸馏基础知识——精馏原理

?精馏塔各参数变化：沿塔自上而下?T 逐渐升高?液相x逐渐减小?汽相y 逐渐减小冷凝器condenser塔顶产品Overhead,xDproduct液相回流Liquidreflux精馏段料液RectifyingsectionFeed,xF提馏段Strippingsection汽相回流Vaporreflux再沸器Reboiler塔底产品Bottoms,xWproduct蒸馏基础知识——精馏原理

理论板：

塔板上汽、液两相接触良好，完全混合，接触充分，致使汽、液两相在离开该板时达到平衡，则称该板为一块理论板

蒸馏知识预备——精馏原理

精馏段和回流的作用

精馏段作用：

将上升汽相中轻组分提浓，最终在塔顶得到合乎要求的轻组分产品

回流作用：

提供低温高浓的液相作为精馏介质，保证精馏过程的正常进行

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蒸馏知识预备——精馏原理

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提馏段和再沸器的作用

提馏段的作用：

使下降的液相中重组分得到提浓，最终在塔底得到合乎要求的重组分产品

再沸器的作用：

提供高温低浓的汽相作为精馏介质，保证精馏的正常进行

蒸馏基础知识——理论板数计算

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精馏段操作线方程

V,y1123nn+1Ln,xnL,xDD,xD总物料衡算：Vn?1?Ln?D轻组分物料衡算：Vn?1yn?1?Lnxn?DxDLnDyn?1?xn?xDVn?1Vn?1恒摩尔流假定成立，令回流比为LR?DVn+1yn+1L?RDV??R?1?D蒸馏基础知识——理论板数计算

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精馏段操作线方程

?LDyn?1?xn?xDVVLD?xn?xDL?DL?DRDD?xn?xDRD?DRD?DRxDyn?1?xn?R?1R?1说明：?物流量与组成均为物质的量表示

?物义：精馏段任意相邻塔板间相遇的汽、液两流组成之间的关系

?恒定R yn+1～xn 为一直线

蒸馏基础知识——理论板数计算

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提馏段操作线方程

总物料衡算：

L'?V'?W轻组分物料衡算：

L'x'''m?Vym?1?WxW'整理得：y'm?1?L'WV'xm?V'xWy'L?'Wm?1?L'?Wxm?L'?WxWL’,xm’mm+1V’,y’m+1V’,yWL’,xWW?操作线方程在y-x相图上的表示过点（xD，精馏段操作线：yn?1xD）y1.0RxD?xn?R?1R?1RR?1R?1a斜率：截距：xDbxDR?10?WxWL'?Wd提馏段操作线：'WxWL''ym?1?'xm?'L?WL?Wc斜率：截距：L'L?W'xWexD1.0x ?WxWL'?W过点（x，WxW）蒸馏基础知识——理论板数计算

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进料热状况及进料热状况参数

1.进料段物料衡算

物平：F?L?V'?V?L'热平：

FHF?V'HV'?LHL?VHV?L'HL'由于相邻两层板的温度和浓度变化不大，可认为HL?HL'HV?HV'FHF?V'HV?LHL?VHV?L'HLLVFL’V’

蒸馏基础知识——理论板数计算

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进料热状况及进料热状况参数

令

?F(HV?HF)?(L'?L)(HV?HL)L'?LHVF??HFHV?HL进料热状况参数q?HV?HF每摩尔进料汽化为饱和蒸汽所需热量H?V?HL进料的摩尔汽化热液相分率L'?L?qFV?V'?(1?q)F蒸馏基础知识——理论板数计算

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进料热状况及进料热状况参数

(1)饱和液体进料

TF=Tb，HF=Hq?H?HLVFH=1V?HL(2)饱和蒸汽进料

TF=Td，HF=HV

q?HV?HFHV?H=0

LLVFL’V’（1）饱和液体，q=1LVFL’V’（2）饱和蒸气，q=0蒸馏基础知识——理论板数计算

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进料热状况及进料热状况参数

LFV(3)气液两相进料

TbHV?HF0?q??1HV?HLL’V’（3）汽液两相，0

?

进料热状况及进料热状况参数

LV(4)过冷液体进料

TF

TF>Td、HF>HVq?HV?HFH?1V?HLq?HV?HFH?0V?HLFL’V’（4）过冷液体，q>1LVFL’V’（5）过热蒸汽，q<0蒸馏基础知识——理论板数计算

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理论塔板数Nt的计算——逐板计算法计算工具：

相平衡方程：

y??x1????1?xorx?y???1???y操作线方程：

y?Rxn?1R?1x?DnR?1'y'L'Wm?1?L'?Wxm?L'?WxWA）

B）C）

y1y11D,xyD22x1x2F,xFn-1ym-2m-2ym-1m-1xm-2xm-1W,xW（（（

蒸馏基础知识——理论板数计算

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理论塔板数Nt的计算——逐板计算法计算步骤：

全凝器、泡点回流、饱和液相进料（泡点进料或q =1）

①y?x相平??(A)1D（全凝器）??x1?精馏段操作线?????(B)?y(A)2???x2???(B)y(B)3......?xn?1???yn???(A)xn?xF;y1y11D,xyD22x1x2F,xFn-1ym-2m-2ym-1m-1xm-2xm-1W,xW蒸馏基础知识——理论板数计算

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理论塔板数Nt的计算——逐板计算法

②若xn-1＞xF≥xn，则第n板

为进料板(提馏段第一块板）：x1’=xn

③x???????y????x???y'1提馏段操作线(C)'2相平(A)'2(C)'3?.....?xm'?xW为止则精馏段N１= n-1，提馏段N2= m-1（不包括再沸器）理论板数NT = N1+N2 = n+m-2（不包括再沸器）

蒸馏基础知识——理论板数计算

1.0y1y12ay233q线45y66d7ey8910b0xWxFx2x1xxD1.0蒸馏基础知识

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回流量增大的极限是将塔顶汽相冷凝后全部送回顶层塔板作回流，称为全回流

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R=L/D??

?D=0,W=0,F=0

?精馏段和提馏段操作线为对角线y=x?每层塔板的分离能力最大，所需的理论塔板数最少，以Nmin表示，称为最少理论板数

蒸馏基础知识

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最小回流比

R1R??k??R?11?1?R1.0R?，两操作线交点d落在平衡线上，所需的理论板数为无穷多，此时所对应的回流比为最小回流比Rminyn+1与xn成平衡yn与xn成平衡

0xWqdxFxD1.0yn+1=yn，无分离作用，恒浓区

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