第1章蒸馏.

化工原理多媒体课件济宁学院化学化工系化工教研室第1章蒸馏1.1概述1.2两组分溶液的气液平衡1.3平衡蒸馏和简单蒸馏1.4精馏原理和流程1.5两组分连续精馏的计算下一页上一页1.1概述•1蒸馏的概念•利用液体混合物中各组分挥发度的不同实现分离的单元操作•2蒸馏分离的特点•直接得到产品•历史悠久、应用广泛•能耗高•3分类•间歇精馏、连续精馏•简单蒸馏、平衡蒸馏、精馏、特殊精馏下一页上一页•常压、减压、加压精馏•双组分精馏、多组分精馏•本章主要内容•常压双组分连续精馏的原理和计算方法下一页上一页返回1.2两组分溶液的气液平衡•1.2.1两组分理想物系的气液平衡•1.2.2两组分非理想物系的气液平衡下一页上一页返回1.2.1两组分理想物系的气液平衡•1相律phaserule•t，p，x，y:t：p-x-y；p：t-x-y•2气液平衡函数关系•理想物系：理想溶液、理想气体•液相符合拉乌尔定律、气相符合道尔顿分压定律22222FC下一页上一页•1)饱和蒸汽压法•2)相平衡常数法000BAABPpxppPpyAA0000BABpppPAAAyKx0AApKP0lg()BpAtC安托因方程上一页下一页AAAyxK＝•3)相对挥发度法relativevolatility•3气液平衡相图•1t-x-y图•2x-y图1(1)xyx下一页上一页下一页上一页下一页上一页•1分类•非理想溶液、理想气体•理想溶液、非理想气体•非理想溶液、非理想气体•2解析法上一页下一页1.2.2两组分非理想物系的气液平衡0BBBBppx0AAAAppx0AAAApxyP•3图解法•正偏差溶液，具有最低恒沸点溶液下一页上一页下一页上一页下一页上一页•负偏差溶液，具有最高恒沸点溶液下一页上一页下一页上一页•气液平衡数据来源•实验测定或从有关手册中查得•由纯组分的某些物性按经验的或理论的公式估算•根据少量实验数据，由经验的或理论的公式估算下一页上一页•例1－1苯与甲苯的饱和蒸汽压和温度的关系如本题附表所示。试利用拉乌尔定律和相对挥发度，分别计算苯－甲苯混合液在总压为101.33kPa下的气液平衡数据，并做出温度－组成图。该溶液可视为理想溶液。下一页上一页•（1）利用拉乌尔定律000101.3363.30.412155.763.3BABPpxpp0155.70.4120.633101.33ApyxP上一页下一页•（2）利用相对挥发度00ABpp2.542.372.462m2.461(1)11.46xxyxx下一页上一页•第1讲小结•蒸馏是分离均相液体混合物最广泛采用的单元操作。蒸馏分离的依据是混合液中组分挥发度的差异。•在恒压下，气—液相平衡关系是t-x-y及x-y关系。表示这些定量关系的方程是泡点方程、露点方程与相平衡方程。或者采用直观的t-x-y图及x-y图。•相对挥发度α数值大小可以说明物系采用蒸馏法进行分离的难易。α越大，溶液越容易分离，反之则越难。而当α＝l时，由于平衡气、液相浓度相等，即y＝x，则不能采用普通蒸馏法将此物系进行分离。•非理想溶液起因于溶液中异种分子间与同种分子间的作用力不同，表现为平衡蒸汽压对Raoult定律的偏差。其极端情况是具有最高或最低恒沸点的溶液。在恒沸点组成下y＝x，即α＝1，普通蒸馏法不能越过此点。下一页上一页返回1.3平衡蒸馏和简单蒸馏•1.3.1平衡蒸馏•1.3.2简单蒸馏上一页下一页返回上一页下一页1.3.1平衡蒸馏equilibriumditillation•1物料衡算q=W/F称为液化分率•2热量衡算–加热器：–绝热闪蒸：1FFFyxxDD11Fxqyxqq()pFQFcTt()(1)peFcTtqFr(1)eprTtqc下一页上一页•3气液平衡关系1(1)xyx()etfx上一页下一页•例1－2对某两组分理想溶液进行常压闪蒸，已知为0.5（易挥发组分的摩尔分率），若要求汽化率为60％，试求闪蒸后平衡的气液相组成及温度。•解：Fx下一页上一页返回上一页下一页1.3.2简单蒸馏simpledistillation•1物料衡算•（1）若x-y平衡关系用曲线或表格表示时，采用图解积分或数值积分。•（2）若为理想溶液下一页上一页12lnxxFdxWyx122111lnlnln11xxFWxx•（3）若x-y平衡关系为直线•若为通过原点的直线•2馏出液的平均组成y12(1)1lnln1(1)mxbFWmmxb121lnln1xFWmxDFW12DyFxWx上一页下一页ymxb•例1－3对例1－2中的液体混合物进行简单蒸馏，若汽化率仍为60％，试求釜残液组成和馏出液平均组成。已知常压下该混合物的平均相对挥发度为2.16。•平衡蒸馏与简单蒸馏的比较•原因：平衡蒸馏造成物料的返混下一页上一页返回平衡蒸馏简单蒸馏y=0.575y=0.6141.4精馏原理和流程•精馏rectification•1.4.1精馏过程原理和条件•1.4.2精馏操作流程下一页上一页返回上一页下一页1.4.1精馏过程原理和条件11Fyxx两相的量由杠杆定律确定321yyy321xxx原理：多次部分汽化，多次部分冷凝工程实现面临的问题设备庞杂能量消耗大产生中间馏分使产品收率低改进用一个设备：塔（板式塔，填料塔）冷凝放出的热用于汽化需要的热塔顶引入液相回流，塔底引入气相回流下一页上一页下一页上一页11,nnnnyyxx11nntt121......nnyyyy121......nnxxxx1211......nnnttttt•精馏过程原理及条件–理论依据：挥发度不同–工程手段：精馏塔，塔顶液相回流，塔底气相回流–传热传质：多次、同时进行气相的部分冷凝和液相的部分汽化–结果：实现高纯度的分离•理论板：离开该板的气液两相达到平衡状态。下一页上一页返回•1连续精馏流程下一页上一页1.4.2精馏操作流程•2间歇精馏流程下一页上一页•第2讲小结–平衡蒸馏和简单蒸馏是工业上最简单的蒸馏方式，它们的原理是混合液的一次部分气化，因此分离效果非常有限，只能用于分离程度要求不高的物系或物系的初步分离。–平衡蒸馏与简单蒸馏属于平衡过程。其计算途径是联立求解物料衡算、热量衡算和相平衡方程。由于简单蒸馏为非稳态过程，所以计算中要采用微积分方法。–工业上实现高纯度分离最常采用的方法是精馏，精馏原理可概括为：分离依据(组分挥发度差异)十工程手段(回流—液、气相回流)＋多次、同时部分气化和部分冷凝→实现高纯度分离。下一页上一页返回1.5两组分连续精馏的计算•1.5.1理论板的概念及恒摩尔流假定•1.5.2物料衡算和操作线方程•1.5.3进料热状况的影响•1.5.4理论板层数的求法•1.5.5回流比的影响及其选择•1.5.6简洁法求理论板层数•1.5.7几种特殊情况下理论板层数的求法•1.5.8塔高和塔径的计算•1.5.9连续精馏装置的热量衡算和节能•1.5.10精馏塔的操作和调节下一页上一页返回•工艺设计内容•确定产品流量和组成；•确定精馏塔类型，选择板式塔或填料塔，计算理论板数或填料层高度；•确定塔高和塔径；•板式塔：塔板结构尺寸设计，流体力学验算；填料塔：确定填料类型，计算流动阻力；•计算冷凝器和再沸器热负荷，确定换热器类型和尺寸；•绘制工艺流程图和设备条件图下一页上一页1.5.1理论板的概念及恒摩尔流假定•1理论板的概念•该板上气液两相的传热、传质达到平衡•离开该板的气液两相温度相等、组成满足平衡关系•2恒摩尔流假定•恒摩尔气流恒摩尔液流下一页上一页12nVVVV''''12mVVVV12nLLLL''''12mLLLL•恒摩尔流成立的条件–各组分摩尔汽化潜热相等；–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，热损失可以忽略。下一页上一页返回•1全塔物料衡算下一页上一页1.5.2物料衡算和操作线方程•总物料•易挥发组分•塔顶易挥发组分回收率•塔底难挥发组分回收率FDWFDWFxDxWx100%DFDxFx1100%1WFWxFx下一页上一页•例1－4每小时将15000kg含苯40％（质量％，下同）和甲苯60％的溶液，在连续精馏塔中进行分离，要求釜残液中含苯不高于2％，塔顶馏出液中苯的回收率为97.1%。试求馏出液和釜残液的流量及组成，以摩尔流量和摩尔分率表示。•解：40/780.4440/7860/92Fx2/780.02352/7898/92Wx0.44780.569285.8/FMkgkmol上一页下一页15000/85.8175.0/FKmolh/0.971DFDxFx0.9711750.44DDx175DWFDWFDxWxFx0.02351750.44DDxWhkmolD/0.80hkmolW/0.95935.0Dx下一页上一页•2精馏段操作线方程1111nnDRyxxRR上一页下一页LRD1VLDRDDRD•3提馏段操作线方程1''''mmWLWyxxLWLW下一页上一页返回•1五种进料热状况•冷液进料•泡点进料•气液混合物进料•饱和蒸汽进料•过热蒸汽进料•原因：物料性质，工程实际•2进料热状况对塔内气液负荷的影响上一页下一页1.5.3进料热状况的影响上一页下一页•冷液进料泡点进料•气液混合物进料饱和蒸汽进料过热蒸汽进料LLFVVLLFVV下一页上一页LLVVFLLVVFLFLVV•3进料热状况参数的计算1VFVLIIkmolqII将进料变为饱和蒸汽所需的热量原料液的千摩尔汽化潜热'LLqF'(1)VVqF下一页上一页mpmpFmrcttqr•进料热状况参数的意义•以1kmol进料为基准时，提馏段中的液体流量较精馏段中液体流量增大的kmol/h数，即为q值。•对饱和液体、气液混合物及饱和蒸汽三种进料，q值就等于进料中的液相分率。•提馏段方程的另一种形式''1mmWLqFWyxxLqFWLqFW上一页下一页•例1－5分离例1－4中的溶液时，若进料为饱和液体，选用的回流比R=2.0，试求提馏段操作线方程，并说明操作线的斜率和截距的数值。•解：0.0235,95/,175/80/2.080160/WxWkmolhFkmolhDkmolhLRDkmolh1q''11601175950.02351601759516017595mmyx''11.40.0093mmyx下一页上一页小结1二元精馏塔的简化物理模型要点是：塔内各板视为理论板；塔内物流为恒摩尔流(注意条件)，即精馏段与提馏段内的气、液流率各为恒定量，二段物流关系由进料状态(q值)决定．即有；L’＝L十qF及V’＝V－(1－q)F。2操作线方程是物料衡算的数学表达式，若回流比与进料状态恒定，并满足恒摩尔流假设，精馏段与提馏段操作线方程都是直线方程。3描述简化精馏塔的方程组是：精馏段方程，提馏段方程，相平衡方程。下一页上一页返回1逐板计算法上一页下一页1.5.4理论板层数的求法步骤•（1）•（2）•（3）•（4）1Dyx111(1)yxy2111DxRyxRR222(1)yxy3211DxRyxRR下一页上一页•对饱和液体进料，若：•精馏段理论板数：n-1以下计算采用提馏段操作线，因为：•（5）•（6）结束：提馏段理论板数：m-1nFxx'1nxx''21WLqFWyxxLqFWLqFW''22'2(1)yxy'mWxx上一页下一页2图解法1）操作线的作法（1）