天津大學化工分離工程教案多組分精餾和特殊精餾2024-01-24多組分精餾概述特殊精餾技術介紹多組分精餾塔設計與操作特殊精餾塔設計與操作多組分和特殊精餾過程模擬與優(yōu)化實驗研究與案例分析課程總結與展望目錄01多組分精餾概述多組分精餾定義與特點定義：多組分精餾是指原料液中含有三個或三個以上組分的精餾過程。特點：與二元精餾相比，多組分精餾的復雜性顯著增加，表現(xiàn)在以下幾個方面組分間相對揮發(fā)度的差異變小，分離難度增加。存在共沸現(xiàn)象，即某些組分在特定條件下形成恒沸物，難以通過常規(guī)精餾實現(xiàn)分離。需要考慮不同組分間的相互作用，如吸附、溶解等。石油化工用于分離石油裂解氣、合成氣等復雜多組分混合物。環(huán)保工程用于處理工業(yè)廢水、廢氣中的多組分污染物。精細化工用于提純和分離高附加值化學品，如香料、醫(yī)藥中間體等。多組分精餾應用領域相對揮發(fā)度原理利用不同組分間相對揮發(fā)度的差異實現(xiàn)分離。在多組分精餾中，相對揮發(fā)度通常隨溫度和壓力的變化而變化，因此需要通過調(diào)整操作條件來優(yōu)化分離效果。平衡原理在多組分精餾過程中，各組分在汽相和液相中的濃度達到平衡狀態(tài)。通過控制塔內(nèi)溫度、壓力和回流比等操作參數(shù)，可以調(diào)整平衡狀態(tài)以實現(xiàn)目標組分的分離。能量守恒原理多組分精餾過程中，輸入系統(tǒng)的能量等于輸出系統(tǒng)的能量加上系統(tǒng)內(nèi)部的能量損失。因此，在設計和操作多組分精餾塔時，需要考慮能量平衡和能量利用效率。多組分精餾基本原理02特殊精餾技術介紹萃取精餾原理利用萃取劑對不同組分的溶解度差異，實現(xiàn)多組分混合物的高效分離。萃取劑選擇根據(jù)混合物組分的性質(zhì)，選擇合適的萃取劑，要求萃取劑對目標組分有較高的選擇性。操作條件控制精餾塔的操作溫度和壓力，以及萃取劑的用量和加入方式，實現(xiàn)最佳分離效果。萃取精餾030201共沸精餾原理利用共沸劑與混合物中的某一組分形成共沸物，通過控制共沸劑的用量和操作條件，實現(xiàn)混合物的高效分離。共沸劑選擇選擇與混合物中某一組分能形成共沸物的共沸劑，要求共沸劑易于回收和再利用。操作條件控制精餾塔的操作溫度和壓力，以及共沸劑的用量和加入方式，實現(xiàn)最佳分離效果。共沸精餾鹽析精餾控制精餾塔的操作溫度和壓力，以及鹽類物質(zhì)的用量和加入方式，實現(xiàn)最佳分離效果。操作條件利用鹽類物質(zhì)對混合物中不同組分的溶解度差異，通過添加鹽類物質(zhì)改變混合物組分的相對揮發(fā)度，實現(xiàn)混合物的高效分離。鹽析精餾原理根據(jù)混合物組分的性質(zhì)，選擇合適的鹽類物質(zhì)，要求鹽類物質(zhì)對目標組分有較高的選擇性。鹽類物質(zhì)選擇反應精餾原理01在精餾過程中引入化學反應，通過化學反應改變混合物組分的性質(zhì)，實現(xiàn)混合物的高效分離。反應類型選擇02根據(jù)混合物組分的性質(zhì)和分離要求，選擇合適的反應類型，如酯化、醚化、烷基化等。操作條件03控制精餾塔的操作溫度和壓力，以及反應物的用量和加入方式，實現(xiàn)最佳分離效果。同時，需要關注反應過程中的副反應和產(chǎn)物對分離效果的影響。反應精餾03多組分精餾塔設計與操作塔板類型選擇及設計參數(shù)確定塔板類型選擇根據(jù)分離任務、物料性質(zhì)和操作條件，選擇合適的塔板類型，如篩板塔、浮閥塔、泡罩塔等。設計參數(shù)確定確定塔徑、塔高、塔板間距、堰高等關鍵設計參數(shù)，以滿足分離要求和處理量。根據(jù)物料性質(zhì)、分離要求和塔板類型，選擇合適的進料位置，如冷進料、熱進料等。進料位置選擇通過調(diào)整回流比，控制塔內(nèi)氣液平衡，提高分離效率。同時，考慮能耗和設備投資成本，尋求最佳回流比?；亓鞅葍?yōu)化進料位置與回流比優(yōu)化操作壓力控制根據(jù)物料性質(zhì)和分離要求，選擇合適的操作壓力。對于高壓精餾，需考慮設備耐壓能力和安全性；對于低壓精餾，需考慮真空度和漏氣問題。溫度控制策略通過調(diào)整加熱蒸汽量、冷卻水量等操作變量，控制塔內(nèi)溫度分布，確保分離過程穩(wěn)定進行。同時，采用先進的溫度控制算法，提高控制精度和穩(wěn)定性。操作壓力與溫度控制策略先進控制策略應用先進控制策略，如預測控制、優(yōu)化控制等，提高精餾過程的穩(wěn)定性和經(jīng)濟性。設備優(yōu)化與改造對精餾塔進行設備優(yōu)化和改造，如采用高效塔板、優(yōu)化塔內(nèi)件結構等，提高分離效率，降低能耗和投資成本。熱集成技術采用熱集成技術，如熱泵精餾、內(nèi)部熱交換等，提高能源利用效率，降低能耗。節(jié)能降耗措施探討04特殊精餾塔設計與操作萃取劑選擇與回收方法萃取劑應對關鍵組分有較高的選擇性；與原料液互不相溶，避免形成共沸物；沸點適中，易于回收和循環(huán)使用；化學穩(wěn)定性好，不易分解或發(fā)生化學反應；無毒或低毒，對環(huán)境友好。選擇原則蒸餾法，利用萃取劑和原料液中各組分沸點的差異進行分離；萃取法，采用另一種溶劑將萃取劑從混合液中提取出來；吸附法，利用吸附劑對萃取劑的吸附作用進行回收。回收方法VS根據(jù)原料液的性質(zhì)和分離要求選擇共沸劑，常用的有醇類、醚類、酮類等。用量確定通過實驗測定共沸劑的用量，一般使原料液與共沸劑形成最低共沸物，同時考慮經(jīng)濟性和環(huán)保要求。共沸劑種類共沸劑種類及用量確定鹽析劑可以改變?nèi)芤旱奈锢砘瘜W性質(zhì)，從而影響組分的相對揮發(fā)度和分離效果。鹽析劑濃度過高會導致溶液粘度增加，傳質(zhì)阻力增大，分離效率降低；濃度過低則可能起不到鹽析作用。因此，需要通過實驗確定適宜的鹽析劑濃度。鹽析劑作用濃度影響鹽析劑濃度對分離效果影響反應器類型根據(jù)反應特點和要求選擇合適的反應器類型，如釜式反應器、管式反應器、塔式反應器等。在特殊精餾中應用在反應精餾中，反應器與精餾塔相結合，實現(xiàn)反應和分離的連續(xù)進行。例如，在酯化反應精餾中，采用塔式反應器可以實現(xiàn)酯化反應和共沸精餾的同時進行，提高分離效率和產(chǎn)品質(zhì)量。反應器類型及其在特殊精餾中應用05多組分和特殊精餾過程模擬與優(yōu)化03軟件功能比較各軟件在物性數(shù)據(jù)庫、單元操作模塊、熱力學模型等方面有所差異。01常見的過程模擬軟件AspenPlus、Pro/II、ChemCAD等。02選用依據(jù)根據(jù)模擬需求、軟件功能、易用性、計算效率、成本等因素進行選擇。過程模擬軟件介紹及選用依據(jù)預測性能通過模擬可以預測工藝流程的性能，包括產(chǎn)品純度、收率、能耗等。優(yōu)化設計基于模擬結果，可以對工藝流程進行優(yōu)化設計，提高分離效率、降低能耗。輔助決策模擬可以為決策者提供數(shù)據(jù)支持，有助于制定科學合理的工藝流程改進方案。過程模擬在工藝流程改進中作用根據(jù)模擬結果，可以對操作參數(shù)如進料組成、回流比、塔板數(shù)等進行優(yōu)化調(diào)整。操作參數(shù)調(diào)整通過靈敏度分析，可以確定哪些操作參數(shù)對分離效果影響較大，從而有針對性地進行調(diào)整。靈敏度分析在滿足產(chǎn)品質(zhì)量要求的前提下，可以綜合考慮能耗、投資成本等多目標進行優(yōu)化。多目標優(yōu)化010203基于模擬結果對操作參數(shù)進行優(yōu)化調(diào)整ABCD案例背景某化工廠采用多組分精餾分離某混合物，存在分離效果不佳、能耗較高等問題。優(yōu)化措施根據(jù)模擬結果，對進料組成、回流比、塔板數(shù)等操作參數(shù)進行優(yōu)化調(diào)整，同時采用先進的控制策略提高分離效果。實施效果經(jīng)過優(yōu)化后，產(chǎn)品純度提高、收率增加、能耗降低，取得了顯著的經(jīng)濟效益和社會效益。模擬過程采用AspenPlus軟件進行過程模擬，建立精餾塔模型，輸入物性數(shù)據(jù)、操作條件等參數(shù)。案例分析06實驗研究與案例分析實驗裝置搭建根據(jù)實驗需求，選擇合適的塔器、再沸器、冷凝器、回流罐、加熱裝置、冷卻裝置、測量儀表等，按照工藝流程進行搭建。要點一要點二實驗操作規(guī)范嚴格遵守實驗室安全規(guī)定，熟悉實驗操作流程，掌握實驗設備的操作方法，確保實驗過程的順利進行。實驗裝置搭建及實驗操作規(guī)范使用合適的測量儀表對實驗過程中的溫度、壓力、流量、液位等關鍵參數(shù)進行實時采集。數(shù)據(jù)采集對采集到的實驗數(shù)據(jù)進行整理、篩選和校核，確保數(shù)據(jù)的準確性和可靠性。數(shù)據(jù)處理運用數(shù)學方法和計算機技術對實驗數(shù)據(jù)進行分析，揭示實驗現(xiàn)象背后的規(guī)律和機理。數(shù)據(jù)分析數(shù)據(jù)采集、處理和分析方法實驗目的探究乙醇-水體系多組分精餾的分離效果和操作條件對分離效果的影響。實驗步驟搭建乙醇-水體系多組分精餾實驗裝置，設定合適的操作條件進行實驗，記錄實驗數(shù)據(jù)并進行分析。實驗結果通過實驗數(shù)據(jù)分析和比較，得出乙醇-水體系多組分精餾的最佳操作條件和分離效果。案例一：乙醇-水體系多組分精餾實驗研究實驗目的探究乙酸乙酯-乙醇體系共沸精餾的分離效果和操作條件對分離效果的影響。實驗步驟搭建乙酸乙酯-乙醇體系共沸精餾實驗裝置，設定合適的操作條件進行實驗，記錄實驗數(shù)據(jù)并進行分析。實驗結果通過實驗數(shù)據(jù)分析和比較，得出乙酸乙酯-乙醇體系共沸精餾的最佳操作條件和分離效果。同時，與常規(guī)精餾方法進行比較，分析共沸精餾的優(yōu)勢和不足。010203案例二07課程總結與展望特殊精餾技術介紹了多種特殊精餾技術，如萃取精餾、共沸精餾、加鹽精餾等，拓寬了學生的知識面和視野。實驗操作與數(shù)據(jù)分析通過實驗課程，學生掌握了多組分精餾和特殊精餾的實驗操作技能，學會了如何對實驗數(shù)據(jù)進行處理和分析。多組分精餾原理詳細闡述了多組分精餾的基本原理，包括相平衡、物料衡算、熱量衡算等，為學生提供了堅實的理論基礎。課程重點回顧與總結知識掌握程度學生普遍認為通過本課程的學習，對多組分精餾和特殊精餾的原理和技術有了深入的了解和掌握。實驗技能提升學生表示通過實驗課程，自己的實驗操作技能得到了很大的提升，能夠獨立完成實驗操作和數(shù)據(jù)分析。團隊協(xié)作與溝通能力學生在實驗課程中分組進行實