化工原理课件第9章：蒸馏

化工原理——精馏9.1概述例：发酵醪液中提纯酒精石油炼制目的：液体混合物的分离，提纯或回收有用组分1.1蒸馏分离的目的和依据依据：混合液中各组分挥发性的差异化工原理——精馏ADV微分浮阀化工原理——精馏1.2蒸馏过程的分类按蒸馏方式：简单蒸馏、平衡蒸馏、精馏、特殊精馏等按连续性：连续蒸馏、间歇蒸馏按操作压强：常压、减压、加压蒸馏按组分数：双组分、多组分9.1概述化工原理——精馏1.3蒸馏分离的特点（1）可直接获得所需要的产品（2）应用广泛，历史悠久（可分离液体、气体、固体混合物）（3）适用于各种浓度混合物的分离（4）操作能耗大，费用高9.1概述化工原理——精馏9.2二元物系的汽液相平衡AAxpt~一定，化工原理——精馏2.1理想物系的汽液相平衡9.2二元物系的汽液相平衡（1）液相为理想溶液BoBBAoAAxppxpp（2）汽相为理想气体BAppp化工原理——精馏纯组分的po～t泡点方程关系式~1.1.2xt2.1理想物系的汽液相平衡化工原理——精馏露点方程关系式~2.1.2yt2.1理想物系的汽液相平衡关系式~3.1.2xy化工原理——精馏1.t~x(y)图在恒定的总压下，溶液的平衡温度随组成而变，将平衡温度与液（汽）相的组成关系标绘成曲线图，该曲线图即为t-x(y)图。2.1理想物系的汽液相平衡图图和xyyxt~)(~4.1.2化工原理——精馏苯－甲苯混合液的t-x-y图露点线泡点线汽相区两相区露点泡点液相区0.43x1y1化工原理——精馏x1y1t1x3y3t32.y~x图平衡线平衡线与对角线之间的距离越大→分离越容易对角线平衡线上各点对应的t不同y越高，相应的t越低2.1理想物系的汽液相平衡化工原理——精馏2.1理想物系的汽液相平衡2.1.5挥发度和相对挥发度1.挥发度纯物质：opv混合液：BBBAAAxpvxpv，化工原理——精馏相平衡方程①α偏离1的程度愈大，分离愈容易。②若α=1，不能用普通蒸馏方法分离。α表示了分离的难易程度。2.1理想物系的汽液相平衡2.相对挥发度α化工原理——精馏但当总压变化不大时，例如＜30％，所引起的x－y关系的变化不超过2％，工程上可忽略。蒸馏操作压力的选择不是着眼于分离的难易程度，而主要考虑物系的工艺特性或其它特殊要求（如能量的合理利用）。一般应尽可能在常压下操作。x1y12.1理想物系的汽液相平衡2.1.6总压对相平衡的影响蒸馏的压强增高，泡点升高，α减小，分离困难。化工原理——精馏（选学）化工原理——精馏M化工原理——精馏（1）α＝1（2）恒沸点化工原理——精馏1.简单蒸馏（间歇）9.3蒸馏方式化工原理——精馏2.平衡蒸馏（闪蒸）：连续定态9.3蒸馏方式化工原理——精馏3.精馏9.3蒸馏方式化工原理——精馏化工原理——精馏化工原理——精馏•精馏将由挥发度不同的组分所组成的混合液，在精馏塔中同时进行多次部分气化和部分冷凝，使其分离成几乎纯态组分的过程。•必要条件：塔顶液相回流和塔底汽相回流化工原理——精馏tn-1tntn+1yn-1ynyn+1xn+1xnxn-1塔板的作用:化工原理——精馏连续操作流程:精馏段提馏段化工原理——精馏9.4双组分连续精馏的计算4.1计算的基本假定1.理论板的假定•离开该板的汽液两相组成互成平衡，温度相等；•塔板上各处的液相组成均匀一致。化工原理——精馏9.4双组分连续精馏的计算4.1计算的基本假定2.恒摩尔流假定（1）恒摩尔汽流精馏段：常数VVVV321提馏段：常数VVVV321注意：两段上升的汽相摩尔流量不一定相等。化工原理——精馏（2）恒摩尔液流精馏段：常数LLLL321提馏段：注意：两段上升的液相摩尔流量不一定相等。常数LLLL321该假定成立的条件：1)两组分的摩尔汽化潜热相等；2)显热忽略，热损失忽略。2.恒摩尔流假定化工原理——精馏9.4双组分连续精馏的计算4.2全塔物料衡算馏出液的采出率：釜残液的采出率：化工原理——精馏%100FDDFxDx易挥发组分的回收率难挥发组分的回收率%100)1()1(FWWxFxW9.4双组分连续精馏的计算4.2全塔物料衡算化工原理——精馏9.4双组分连续精馏的计算4.3操作线方程1.精馏段操作线方程DLVDLR令化工原理——精馏精馏段操作线方程直线方程斜率1RR截距1RxD过点（xD，xD）9.4双组分连续精馏的计算1RxDxDxy化工原理——精馏WxWn1xLnyVWVLWnnWxyVxL1WnnxVWxVLy19.4双组分连续精馏的计算4.3操作线方程2.提馏段操作线方程化工原理——精馏1RxDxDxxW化工原理——精馏1.精馏塔的进料热状态（1）冷液进料（2）饱和液体进料（泡点进料）（3）汽液混合物进料（4）饱和蒸汽进料（露点进料）（5）过热蒸汽进料9.4双组分连续精馏的计算4.5进料状况的影响化工原理——精馏FqVVqFLL)1(2.进料热状况参数4.5进料状况的影响化工原理——精馏WxWn1xLnyVWnWnnxWqFLWxWqFLqFLxWLWxWLLy1提馏段操作线方程4.5进料状况的影响化工原理——精馏（1）冷液进料1＞qttBFFLLVV冷液进料3.进料热状况的q值4.5进料状况的影响化工原理——精馏（2）饱和液体（泡点）进料BFttFLLVV饱和液体进料1q4.5进料状况的影响化工原理——精馏（3）汽液混合物进料DFBtttFLLLVV汽液混合物进料4.5进料状况的影响10＜＜qqiIiIiIIIiiFF)()1(此时，q＝进料中液相的分率化工原理——精馏(4)饱和蒸汽（露点）进料DFttLLFVV饱和蒸汽进料4.5进料状况的影响0q化工原理——精馏(5)过热蒸汽进料DFttLLFVV过热蒸汽进料4.5进料状况的影响0＜q化工原理——精馏1RxDxDxxW化工原理——精馏4.q线方程（进料方程）4.5进料状况的影响DnnxVDxVLy1WnnxVWxVLy1WVyLxWxDVyLxDxDWVVyLLxDxWx(1)qFqFFFx11Fxqyxqq整理得：4.5进料状况的影响化工原理——精馏斜率1qq过点（xF，xF）11qxxqqyFqq4.q线方程（进料方程）4.5进料状况的影响q线的意义xF化工原理——精馏FxWxDx1q＞1q＝01q＜＜0q0q＜1d2d各进料状态q线在y～x图上的方向4.5进料状况的影响化工原理——精馏4.5进料状况的影响化工原理——精馏4.5进料状况的影响•提馏段操作线的一种简便求法∵过点b(xW,xW)，q线与精馏段操作线交点d（xq,yq）WqWqWWxxxyxxxy其中xW已知，(xq，yq)可由：11Fxqyxqq①②•泡点进料（q＝1）：qFqyxx,代入①可求出•露点进料（q＝0）：qFqxxy,代入①可求出化工原理——精馏9.4双组分连续精馏塔的计算4.6理论板数的计算1.逐板计算法•连续精馏•塔顶设全凝器•泡点回流化工原理——精馏精馏段所需理论板层数：n-1（进料板算在提馏段）全塔理论板数N含再沸器DnnxRxRRy1111xxy)1(1平衡方程操作线方程WnnxWqFLWxWqFLqFLy19.4双组分连续精馏塔的计算化工原理——精馏9.4双组分连续精馏塔的计算2.梯级图解法化工原理——精馏VLDy0全凝器分凝器再沸器9.4双组分连续精馏塔的计算2.梯级图解法化工原理——精馏2.梯级图解法9.4双组分连续精馏塔的计算梯级的物理意义化工原理——精馏4.7最优进料位置9.4双组分连续精馏塔的计算化工原理——精馏4.8进料热状况对NT数的影响9.4双组分连续精馏塔的计算FxWxDx1q＞1q＝01q＜＜0q0q＜1d2d进料热状况的影响R一定时，q值越大，进料温度越低，所需的理论板层数越少。化工原理——精馏xF4.9回流比的影响与选择9.4双组分连续精馏塔的计算化工原理——精馏特点：9.4双组分连续精馏塔的计算y1xD4.9.1全回流和最少理论塔板数0LDLR11RR01RxD操作线的斜率和截距分别为：操作线方程为：nnxy1化工原理——精馏••含再沸器•仅适用于理想溶液Fenske方程：注：所需理论板数最少9.4双组分连续精馏塔的计算4.9.1全回流和最少理论塔板数化工原理——精馏挟点9.4双组分连续精馏塔的计算4.9.2最小回流比相同物系，分离要求一定，q越小，Rmin越大；相同物系，xF及q一定，xD越大，Rmin越大。化工原理——精馏11qxxqqyFxxy)1(1),(eeyx1.汽液混合物进料求出的x，y既是进料中汽液组成，也是求Rmin中的eeyx,最小回流比三种特殊的进料状态化工原理——精馏最小回流比2.泡点进料（q=1)FFeFexxyxx)1(13.露点进料（q=0)eeFFexxxxy)1(1三种特殊的进料状态化工原理——精馏特殊体系的Rmin最小回流比化工原理——精馏4.9.3适宜回流比的选择9.4双组分连续精馏塔的计算化工原理——精馏FxWxDx1q＞1q＝01q＜＜0q0q＜1d2d进料热状况的影响4.10加料状态的选择化工原理——精馏4.10加料状态的选择化工原理——精馏NT与NTmin均含再沸器•依设计条件计算Rmin，R•由Fenske方程计算Nmin•计算•由图查得•→NT1minRRRx1minTTTNNNy4.11理论板数的捷算法化工原理——精馏该简捷法也可求精馏段或提馏段理论板数或进料位置如精馏段NTR：NTminR，xW→xF，α→αRNTR＝N－14.11理论板数的捷算法化工原理——精馏1*1nnnnmVyyyyE*11nnnnmLxxxxE气相默弗里效率：液相默弗里效率：*ny*nx1全塔效率%100NNETT2默弗里板效率4.12塔板效率化工原理——精馏应用背景：9.5双组分精馏过程的其它类型9.5.1直接蒸汽加热直接蒸汽加热的意义•省掉再沸器，减少设备费；•提高加热蒸汽利用率，节约能耗，减少操作费。•待分离的物系为水溶液；•水为难挥发组分。化工原理——精馏全塔物料衡算：WDWFWDFxxFSxxFDWxDxSFxWDSF109.5.1直接蒸汽加热化工原理——精馏9.5.1直接蒸汽加热提馏段操作线方程特点：过点（xW，0），（xq，yq）WqqWxxyxxy00∴也可由两点法求：化工原理——精馏9.5.1直接蒸汽加热化工原理——精馏9.5.1直接蒸汽加热化工原理——精馏9.5.1直接蒸汽加热化工原理——精馏9.5.2提馏塔特点：•塔顶进料，塔顶馏出物全部采出，无回流；•只有提馏段，而没有精馏段。•物系在低浓度下的相对挥发度较大，无精馏段也可达到希望的馏出液组成；•回收稀溶液中的轻组分。应用背景：化工原理——精馏9.5.2提馏塔操作线方程（与一般精馏塔提馏段操作线方程相同）：WnnxVWxVLy1WLVFqDVqFL)1(其中：若泡点进料：操作线方程：DVFLWnnxDWxDFy1化工原理——精馏（a）泡点进料提馏塔（b）冷进料提馏塔9.5.2提馏塔化工原理——精馏9.5.3多股加料11RxxRRyD：''LV'''''111111VxFDxxVLyDxxLyVxFFDnnDnnF：Ⅱ11111111)1()1()1(''FqDRFqVVFqRDFqLL其中：DFDFFDnDFDFnqRxxxqRqRy1111)1()1()1()1(11111化工原理——精馏9.5.3多股加料LV