新型分离技术课件第6章-反应精馏

Jaeger MAX-PAK 73 (240)
Montz B1-200
67 (220)
Montz BSH-250 73 (240)
Norton Intalox® 2T 65 (213)
Sulzer Mellapak 250.Y ‘Old’
76 (250) 0.987
75.9 (249) 0.98
0.99
② 逆流式 气液皆沿与水平塔板相垂直的方向穿过板上的 孔通过塔板。气体由下而上，液体由上而下，气液呈逆流。 淋降筛板塔即属此类型。此类型塔板没有降液管。
这两种类型的塔，就全塔而言，气液皆呈逆流。两种类型的 塔在操作时板上都有积液，气体穿过板上小孔后在液层内生成气 泡。板上泡沫层便是气液接触传质的区域。
0.00
0.40
0.80
1.20
1.60
2.00
2.5
2.0
1.5
1.0
0.5
0.0
0.00
0.50
1.00
1.50
2.00
2.50
FV Factor, Pa0.5
2.40
3.00
2.80
90 80 70 60 50 40 30 20 10 0
3.50
金属规整填料历史
Mellapak®
First Generation Corrugated Sheet Metal (Late 1970's)
Packing Name
Specific Area 1/ft (1/m)
Void Fraction Crimp Incl. Angles Year of (deg. from vertical) Report
Raschig Super-Pak 250

vAxpA A
，vBxpB B
2020/9/27
• 相对挥发度——各组分的挥发度之比，称为组分间 的“相对挥发度”。
A Bv vB A,
A Bp p B Ax xB Ap p B A o ox xB Ax xB Ap p B A o o
2020/9/27
• 通常定义易挥发组分挥发度与难挥发组分挥发度之 比为相对挥发度。这样定义的α ，则α > 1 。
yA
pA P
pAo xA P
I
式（I）说明，只要知道某温度下的（饱和蒸汽压数 据），就可以计算得到x与y，就可以作出在指定外 压下的t-x-y图。式（I）还说明，总压对t-x-y图是有 影响的。
2020/9/27
x-y图 • 取t-x-y图中的x , y 数据，以x为横坐标，y为纵坐标
，绘成的图为x-y图。
2-1 精馏基本原理 简单蒸馏是单级分离过程，对溶液只进行一次部
分气化；精馏是对混合液同时进行多次部分气化和部 分冷凝相结合的操作。
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• 常见的精馏塔分板式、填料式。 • 板式安装有若干层塔板，每层塔板上保证有一定的
液层高度，气、液两相通过塔板进行部分气化和部 分冷凝。 • 填料塔内充填一定的填料层，气、液两相在被润湿 的填料表面上进行部分气化和部分冷凝。
第六章 精馏
2020/ห้องสมุดไป่ตู้/27
• 利用液体混合物中各组分挥发度不同的性质，对液 体混合物进行多次部分气化和部分冷凝相结合的操 作后，就会使气相中易挥发组分的含量越来越高， 而液相中难挥发的组分的含量也越来越高，从而达 到分离混合物的目的。
2020/9/27
乙醇-水体系的蒸馏分离
气相: 醇富集

✓在很多化工过程中，需要分离相近沸点的混合物，例如 C9芳烃、二氯苯混合物，硝化甲苯等异构体。 ➢利用异构体与反应添加剂之间反应能力的差异，通过反 应精馏而实现分离是异构体分离技术之一。
➢ 反应精馏分离异构体的过程是在双塔中完成的。
8
2021/3/27
Cui Qun
第8页/共56页
3.3.1 反应精馏的应用
(2) 利用反应促进精馏
✓ 加入第三组分到1塔中，使之选择性地与异构体之一优先 发生可逆反应生成难挥发的化合物，不反应的异构体从塔顶 馏出。
✓反应添加剂和反应产物
IPNa
从塔釜出料进入2塔，在该
Px
Mx
塔中反应产物发生逆反应，
Px, Mx
通过精馏作用，塔顶采出
异构体，塔釜出料为反应
添加剂，再循环至1塔。
✓ ②具有足够的表面积进行催化反应； ✓ ③允许催化剂颗粒的膨胀和收缩，而不损伤催化剂； ✓ ④结构简单，便于更换。
19
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Cui Qun
第19页/共56页
3.3.1 反应精馏的应用
催化剂在塔内的装填方式必须满足：
✓ ①使反应段的催化剂床层有足够的自由空间，提供汽液相的 流动通道，以进行液相反应和气液传质；
✓ ①反应产物不断移出反应区，有利于反应正向进行， 使反应转化率和选择性提高；
✓ ②由于反应产物不断离开反应区，反应区内反应物浓 度较高，增加了反应速度，提高了生产能力；
✓ ③充分利用了反应热，节约能量。
7
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Cui Qun
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3.3.1 反应精馏的应用
(2) 利用反应促进精馏
✓ ②具有足够的表面积进行催化反应； ✓ ③允许催化剂颗粒的膨胀和收缩，而不损伤催化剂； ✓ ④结构简单，便于更换。

精馏培训讲义
目录
• 精馏技术简介 • 精馏流程与设备 • 精馏操作与控制 • 精馏分离效率与能耗分析 • 精馏安全与环保 • 精馏案例分析与实践
01 精馏技术简介
精馏的定义与原理
精馏的定义
精馏是一种利用混合物中各组分 挥发度的不同，通过加热、冷凝 、分馏等操作将液体混合物进行 分离的物理过程。
回收率
表示实际产品中目标组分 的比例，数值越高，目标 组分的回收效果越好。
热力学效率
反映精馏过程热力学有效 性的指标，数值越高，热 力学效率越高。
能耗分析的方法与意义
能耗分析方法
通过测量和计算精馏过程中的各种能 耗，如加热、冷却、压缩等，分析能 耗的分布和影响因素。
能耗分析意义
有助于优化精馏过程，降低能耗，提 高经济效益和环境可持续性。
精馏设备中的搅拌器、 泵等机械设备可能导致 夹击、割伤等事故。应 保持设备清洁，定期维 护保养，确保安全防护 装置完好。
精馏区域可能存在电气 安全隐患，如潮湿、腐 蚀等。应采用防爆、防 水等电气设备和电缆， 定期检查电气线路和设 备。
精馏过程的环保要求与处理方法
01 总结词
02 废气处理
03 废水处理
填料
填充在塔体内，增加接触面积 ，促进传热和传质。
塔板
设置在塔体内，形成不同的汽 液分离区域。
进料口和出料口
控制原料和产品的进入和流出 。
辅助设备
热源
提供加热所需的热量。
冷源
用于冷却回流液和产品。
泵
输送原料和产品。
仪表
监测温度、压力等参数。
精馏流程的优化与改进
控制进料速度和温度
调整进料速度和温度，提高分离效果。
04 噪声控制

qn,F , xF
则 qn,V yn1 qn,L xn qn,D xD
qn,V , y1
全凝器
qn,V , y1
1
qn,L , x1 2
qn,V , y2 回流液 qn,L , xD
qn,L , x2 qn,V , yn
n qn,L , xn
n 1
qn,V , yn1
馏出液 qn,D , xD
,vB

pB xB
2019/10/26
对于理想溶液： v A
pA xA

p*A xA xA

p*A
vB p*B
（2）相对挥发度
溶液中易挥发组分的挥发度与难挥发组分的挥发度之
比，用α表示。
pA
vA xA
vB pB
pAxB pB xA
对理想溶液：
xB
*
v p A
A 理想溶液中组分的相对挥发度等于

qn,W qn' ,L qn,W
xW
——提馏段操作线方程
它表示在提馏段内，任意相邻的两块塔板之间上升蒸
气组成y ’m+1与下降液体组成x ’m之间的操作关系。
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6.4.5 进料热状况对操作的影响
1

p0苯
p
0 甲
苯
116.9 46
2.54
在105℃时：
2

204.2 86

2.37
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因此，平均相对挥发度为
m

1
2
2

2.54 2.37 2

2.46
（2）用 m 求y苯（85℃时）

精馏段 L1 L2 Ln L 提馏段 L1 L2 Lm L
恒摩尔流的假定成立的条件： 各组分的摩尔汽化热相等 气液接触时因温度不同而交换的显热可以忽略 塔设备保温良好，热损失可忽略
22
二、物料衡算和操作线方程
1、全塔物料衡算
总物料 F D W
加热 苯和甲苯
苯（沸点低） 易挥发组分 冷凝
甲苯
难挥发组分
苯组成较高的产品
2
蒸馏在化工中的应用 原油蒸馏： 汽油、煤油、柴油及重油 混合芳烃蒸馏： 苯、甲苯及二甲苯 液态空气蒸馏： 液氧、液氮 2、特点 可直接得到所需产品 吸收、萃取等需外加其他组分 适用范围广，可分离液态、气态或固态混合物 蒸馏过程适用于各种浓度混合物的分离 操作耗能较大
yA

p
0 A
p
xA
k A 相平衡常数
y A k A x A 相平衡常数表示
的气液平衡关系
露点方程
yA
pA0 p
p

p
பைடு நூலகம்0 A
p
0 A

pB0
8
（3）以相对挥发度表示的气液平衡方程
挥发度
vA

pA xA
vB

pB xB
对于理想溶液，符合拉乌尔定律有
vA

p
0 A
vB

p
0 B
相对挥发度 易挥发组分的挥发度与难挥发组分的之比
4
二、两组分理想物系的气液平衡
1、气液平衡相图 温度—组成（t-x-y)图 饱和蒸气线t-y 饱和液体线t-x 液相区、过热蒸气区、气 液共存区
泡点温度 泡点线 露点温度 露点线

沸腾、鼓泡
分离因子
与组分蒸汽压和分子量之
比有关
P10 1 P20 2
M2 M1
与组分蒸汽压之比有关
P10 1 P20 2
第18页/共61页
分子蒸馏的传热与传质
• 描述分子蒸馏全过程的传热、传质数学模型，并 对设备结构和操作条件进行优化的研究有:
• 分子蒸馏的表面蒸发动力学，分子通过蒸馏空间 的行程，分子在冷凝面上的冷凝，蒸发与冷凝表 面液膜内及蒸馏间隙内的传热、传质过程等研究。
3. 基于真空抽力，蒸发分子向冷凝面飞射； 4. 分子自由程大于蒸发面－冷凝面距离的分子在
冷凝面上冷凝，小于蒸发面－冷凝面距离的分 子不能到达冷凝面； 5. 没有蒸发的重组分和返回加热面上的极少量轻 组分由于重力或离心力作用落到加热器底部。
第7页/共61页
不同分子量组分的分子蒸馏原理
第8页/共61页
• Anh-Dung等人提出的刷膜式分子蒸发器数学模 型，较为详细地论述了分子蒸发器内液膜稳态区 （温度恒定）内浓度变化，分子蒸馏过程的分离 能 力 ， 具 有 普 遍 性 。第19页/共61页
刷膜式分子蒸发器数学模型
• 假设： 1. 蒸馏液为理想溶液； 2. 分子蒸馏速率不高，膜内无温度变化； 3. 液膜呈湍流，加热面和蒸发面之间的浓度梯度
• 从热力学和动力学原理可推出下式：
• 式中：
m=(k/（2）1/2) (T/d2p)
k为波尔茨曼常数；
T为分子所处的环境温度；
P为分子所处压力；
d为分子有效直径。
可知：分子平均自由程与温度、压力及分子有效直 径有关。
第11页/共61页
压力对分子平均自由程的影响
p/mmHg 1.0
10-1

1921年由Bacchus提出有关反应精馏的 概念。由于同一设备中精馏与化学反应 同时进行，比单独的反应过程或者精馏 更为复杂，因此从20世纪30年代中期到 60年代，大量的研究工作是针对某些特 定体系工艺进行的，60年代末开始反应 精馏一般规律的研究，目前，从理论到 应用上都有了长足的进展 ，并已经扩 大到非均相催化反应精馏体系。
反应精馏
一、反应精馏概述
二、反应精馏的原理 三、反应精馏特点 四、反应精馏的流程 五、反应精馏的应用
六、反应精馏工艺的开发方法
七、反应精馏研究进展
一、反应精馏概述


化工生产中，反应和分离两种操作通常分 别在两类单独的设备中进行。若能将两者 结合起来，在一个设备中同时进行，将反 应生成的产物或中间产物及时分离，则可 以提高产品的收率，同时又可利用反应热 供产品分离，达到节能的目的，反应精馏 就是这样的一个过程。 目前，反应精馏一方面成为提高分离效率 而将反应与精馏结合的一种分离操作，另 一方面则成为提高反应收率而借助于精馏 分离手段的一种反应过程。
局限性：
1、反应精馏技术仅仅适用于那些反应过程和物系 的精馏分离可以在同一温度下进行的工艺工程， 即在催化剂具有较高活性的温度范围内，反应物 系能够进行精馏分离，当催化剂的活性温度超过 物质的临界点时，物质无法液化，不具备精馏分 离的条件。 2、 根据反应物和产物的相对挥发度的大小，有四 种类型：第一类是所有产物的相对挥发度都大于 或小于所有挥发物的相对挥发度；第二类是所有 反应物的相对挥发度介于产物的相对挥发度之间； 第三类是所有产物的相对挥发度介于反应物的相 对挥发度之间；第四类是反应物和产物的相对挥 发度基本相同。显然，前两类可采用反应精馏技 术，而后两类不具备反应精馏的条件。

6.5.1 理论塔板数的计算 6.5.2 回流比的影响与选择 6.5.3 理论板的捷算法
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北京化工大学化工原理电子课件
精馏操作分离要求：
（1）D, xD (W, xW)；
（2）xD , xW；
（3）A

Dx D FxF
100 %
选择条件：
操作压力p，回流比R，进料热状态q。
确定：塔板数N
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2、 塔板的作用
北京化工大学化工原理电子课件
特点：
•塔板提供了汽液 分离的场所。
•每一块塔板是一 个混合分离器
•足够多的板数可 使各组分较完全分 离
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北京化工大学化工原理电子课件
3、 精馏过程的回流
回流的作用：
提供不平衡的气液两相，是构成气液 两相传质的必要条件。
精馏的主要特点就是有回流
回流包括：
VFቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
V’ L’
冷液进料
L' L F
V V'
V
LV
(1-q)F
F
V’
qF L
V’
L’
L’
泡点进料
汽液混合进料
V '＝V
L'＝L＋F
V ＝V (1 q)F
L L qF
返回
VL F
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VL F
V’ L’
饱和蒸汽进料
VV F L L
V’ L’
3、组成~温度图（t~x~y图)
两条线：气相线（露点线） yA~t 关系曲线 液相线（泡点线） xA~t 关系曲线
三个区域：液相区 气、液共存区 气相区
返回
4、x~y图

1 反应精馏反应精馏作为一种新型特殊精馏，因其具有独特的优势而在化学工业中日益受到重视。

由于反应段固体催化剂的选择及装填方式对该工艺起关键作用，故国内外在注重工艺开发的同时，也需要在催化剂及填料上多做研究，以取得更大突破。

目前，反应精馏技术已在多个领域实现了产业化，对某些新领域的开发也取得了一定进展。

随着节能和环保要求日益提高，该技术与先进的计算机模拟软件相结合，在未来几十年将会发挥更大作用，同时会有更好的发展。

1.1 反应精馏技术基本原理反应精馏是在进行反应的同时用精馏方法分离出产物的过程。

其基本原理为；对于可逆反应，当某一产物的挥发度大于反应物时，如果将产物从液相中蒸出，则可破坏原有的平衡，使反应继续向生成物的方向进行，因而可提高单程转化率，在一定程度上变可逆反应为不可逆反应。

1.2 反应精馏技术特点(1) 反应和精馏在同一设备中进行，简化了流程，使设备费和操作费同时下降。

(2) 对于放热反应过程，反应热全部提供为精馏过程所需热量的一部分，节省了能耗。

(3) 对于可逆反应过程中，由于产物的不断分离，可使系统远离平衡状态，增大过程的转化率。

可使最终转化率大大超过平衡转化率，减轻后续分离工序的负荷。

(4) 对于目的产物具有关二次副反应的情形，通过某一反应物的不断分离，从而抑制了副反应，提高了选择性。

(5) 在反应精馏塔内，各反应物的浓度不同于进料浓度。

因此，进料可按反应配比要求，而塔板上造成某种反应物的过量，可使反应后期的反应速度大大提高、同时又达到完全反应；或造成主副反应速率的差异，达到较高的选择性。

这样，对于传统工艺中某些反应物过量从而需要分离回收的情况，能使原料消耗和能量消耗得到较大节省。

(6) 在反应精馏塔内，各组份的浓度分布主要由相对挥发度决定，与进料组成关系不大，因而反应精馏塔可采用低纯度的原料作为进料。

这一特点可使某些系统内循环物流不经分离提纯直接得到利用。

(7) 有时反应物的存在能改变系统各组份的相对挥发度，或绕过其共沸组成，实现沸点相近或具有恒沸组成的混合物之间的完全分离。

04
分离工程的应用领域
石油工业领域
01
02
03
石油分离
利用分离工程原理，将石 油中的不同组分进行高效 分离，如汽油、柴油、润 滑油等。
油气处理
通过分离技术对油田采出 液进行脱水、脱气和净化 处理，提高采收率和产品 质量。
石油化工
分离工程在石油化工中应 用广泛，如烯烃、芳烃、 合成橡胶等生产过程中的 分离和纯化。
萃取技术在处理放射性废液、提 取植物油、分离石油组分等领域
应用广泛。
吸附技术
吸附技术是利用固体吸附剂对不 同组分的吸附能力差异，实现气
体或液体混合物分离的方法。
吸附剂可以选择具有特定孔径和 表面性质的分子筛、活性炭、硅
胶等。
ห้องสมุดไป่ตู้
吸附技术在气体分离、废气处理 、气体纯化等领域应用广泛，是
一种高效节能的分离技术。
在分离过程中，相平衡原理的应用主要体现在利用物质在不同相态下的溶解度、蒸 汽压等性质差异，通过相平衡计算，确定最佳分离条件。
相平衡原理的应用范围广泛，包括蒸馏、萃取、吸收等分离技术。
传质过程原理
传质过程是物质传递的一种方式，主 要涉及到物质从一相转移到另一相的 过程。
传质过程原理涉及到质量传递的基本 概念和扩散理论，通过了解扩散系数 、传质系数等参数，可以更好地应用 传质过程原理。
高分子膜材料
研究开发具有高渗透性、高选择性的高分子膜材料，用于膜分离 过程。
智能材料
利用智能材料（如形状记忆材料、自适应材料等）实现分离过程 的自动化和智能化。
新型分离技术的研发与推广
新型萃取技术
研究开发高效、低能耗的萃取技术，如反胶团萃取、膜萃取等。
新型吸附分离技术

3.1.2 最小回流比
R Rm时， N 塔中出现恒浓区
恒浓区——精馏塔中全部浓度不变的区域
1R. m 时，恒浓区出现的情况
二元精馏：
e
恒浓区
Rm
xD ye ye xe
y
恒浓区：一个，出现在
xW x xD
进料板
<页脚>
多元精馏：
定义：顶釜同时出现的组分——分配组分 只在顶或釜出现的组分——非分配组分
1. 在[l r ,hr ]中设 b式 试差确定 2. 将代入a式 Rm
注意：若LK、HK挥发度不相邻，可在
l r , hr之间试差出几个 ，解出
几个Rm，最后取平均值。
例3-1 试计算下述条件下精馏塔的最小回流比。 进料状态为饱和液相q=1.0。
本计算所用到的数据列表如下（组成：摩尔分数）
编号 组分
<页脚>
精馏塔的任务：
LK尽量多的进入塔 顶馏出液；
HK尽量多的进入塔 釜釜液。
对于精馏中的非关键组分：
设 ih 为非关键组分i对HK的相对挥 发度。
若：i h l h :
— i为轻组分，表示： LNK
i h hh :
— i为重组分，表示： HNK
lh ih hh :
— i为中间关键组分
二、相平衡常数和分离因子 定义：K i yi xi
实际上由设计者指定浓度和提出要求的那两个 组分，实际上也就决定了其它组分的浓度。
这两个组分称为关键组分：轻关键组分和重关 键组分。
（1）关键组分的概念
关键组分的选则是根据塔顶和塔底产品工艺要求的组成来选择 的，通常选择挥发度相邻的两个组分。
例如，石油裂解气的组成如下。深冷分离工艺要求塔顶回收乙 烷97%，塔底回收丙烯99%。

高总收率和处理能力；
(2) 可在反应过程中不断消除对反应特别是对催化剂有害 的物质，维持高的反应速率； (3) 利用反应热供分离所需，降低能耗； (4) 简化产品后续分离流程，减少投资。
（1）催化膜反应器
（2）渗透汽化膜反应器
•酯化反应脱水
•醚化反应脱水
渗透汽化膜反应器-精馏塔集成生产甲叔丁基醚
第六章 耦合与集成技术 一、耦合与集成技术概念
分离技术的耦合或集成过程：指将两种或两 种以上的单元操作通过优化组合来实现常规工 艺难以适应的分离过程。广义上也可理解为将 一系列分离器与反应器集成于一个系统中操作。
二、耦合与集成技术举例 1. 反应-分离过程的耦合与集成
特点 ： (1) 在反应过程中将对反应有抑制作用的产物分离，可提
2. 分离-分离的集成过程
•有机物脱水
异丙醇脱水的精馏-渗透汽化集成工艺
•有机/有机体系的分离
精馏-渗透汽化集成生产碳酸二甲基酯

1 ( AB 1) xA
即理想溶液的α值仅依赖于各纯组分的性质。纯
组分的饱和蒸汽压 pA0 、 pB0 均系温度 t 的函数， 且随温度的升高而加大，因此α原则上随温度 （也即随x）而变化。但 A / p p
* * B
与温度的关
系较或单独与温度的关系小得多，因而可在操作
的温度范围内取一平均的相对挥发度α并将其视

同成分蒸气露点比同成分溶液泡点高：可以使蒸气与其组分相 接近的液体接触，传递热量，液体部分被气化，气体部分被冷 凝，结果使蒸气中含易挥发组分更多，液体中含难挥发组分更 多。反复多次可以提高分离率。如图：含易挥发组分x1的液体 与含易挥发组分y1的蒸气接触，充分传质传热，分离出含易挥 发组分较少（x2）的液体和含易挥发组分较多的（y2）蒸气。 （y2 ＞y1）
2、相图：

①t-x-y相图
②x-y相图
t-x-y相图
①两端点A与B.端点A代 表纯易挥发A(苯)组分 (x=1)，端点B代表纯难 挥发B(甲苯)组分(x=0)
t苯,沸点 t甲苯,沸点
②两线：t~x线为泡点线， 泡点与组成有关；t~y线 为露点线，露点与组成 y有关。
③:三区：t~x线以下为 过冷液体区；t~y线 以上为过热蒸汽区； 在t~x与t~y线之间的 区域为气液共存区， 在此区域内气液组 成y与x是成平衡关 系，气液两相的量 符合杠杆定律。只 有设法使体系落在 汽液共存区这才能 实现一定程度的分 离。
为常数，这样利用相平衡方程就可方便地算出
y～x平衡关系。
1 时，y＝x
（即对角线）， 值越大 ，同一 液相 组成x对应的值y越 大，可 获得的 提浓 程度越 大 ，分 离程 度越好。因此 ,α 的大小 可作为 用蒸 馏分离 某物系 的难 易程度的标志。