蒸馏ppt课件

重点：理论塔板、恒摩尔流、操作线方程、进料方程、回流比难点：操作线方程、进料方程、精馏设备第七章蒸馏白酒蒸馏器三塔蒸馏流程图精馏流程图一组冷凝器两塔蒸馏流程图蒸馏：将液体部分气化，利用各组分挥发度的不同从而使混合物达到分离的单元操作。蒸馏是分离液相混合物的典型单元操作。易挥发组分：沸点低的组分，又称为轻组分。难挥发组分：沸点高的组分，又称为重组分。蒸馏操作的分类按操作方式分：简单蒸馏、平衡蒸馏、精馏、特殊精馏按操作压力分：常压蒸馏、加压蒸馏、减压（真空）蒸馏按原料中所含组分数目分：双组分蒸馏及多组分蒸馏按操作流程分：连续蒸馏和间歇蒸馏本章主要讨论常压双组分连续精馏。蒸馏是气液两相间的传质过程；组分在两相中的浓度（组成）偏离平衡的程度来衡量传质推动力的大小，传质过程以两相达到相平衡为极限；气液相平衡是分析蒸馏原理和进行蒸馏设备计算的理论基础。第一节双组分溶液的气液平衡相律是研究相平衡的基本规律，它表示平衡物系中自由度数、相数及独立组分数间的关系。F=C-φ+2式中F——自由度数C——独立组分数φ——相数2表示外界只有温度和压强可以影响物系的平衡关系。一、相关概念及气液平衡图1相律)1(000ABBBBAAAxpxppxpp汽液相平衡(vapor--liquidphaseequilibrium)：溶液与其上方蒸汽达到平衡时汽液两相各组分组成的关系。溶液的分类：理想溶液和非理想溶液。理想溶液的气液平衡关系遵循拉乌尔定律，即式中p——溶液上方组分的平衡分压p0——同温度下纯组分的饱和蒸气压x——溶液中组分的摩尔分率2拉乌尔定律根据道尔顿分压定律，溶液上方的蒸汽总压为)1(00ABAABAxpxpppP当总压P不高时，平衡的气相可视为理想气体，服从道尔顿分压定律，即AAPyp式（a）和（b）为两组分理想物系的气液平衡关系式。000BABApppPx（a）AAAxPpy0（b）纯液体的挥发度是指该液体在一定温度下的饱和蒸气压。相对挥发度（RelativeVolatility）是指溶液中两组分挥发度之比，常以易挥发组分的挥发度为分子。溶液中各组分的挥发度定义为该组分在蒸气中的分压和与之相平衡的液相中的摩尔分率之比，即α=vA/vB=（PA/XA）/（PB/XB）vA=PA/xAvB=PB/xB3相对挥发度及气液平衡方程BBAABAxpxpvvBBAABBAAxyxyxPyxPyAAAAxxyy11xxy)1(1当总压不高时，蒸气服从道尔顿分压定律对于二元溶液xB=1-xAyB=1-yA整理后，略去下标相平衡方程相对挥发度的意义其值的大小可用于判断某混合溶液能否用蒸馏方法加以分离以及分离的难易程度。当α1时，表示组分A较B容易挥发，α愈大，挥发度差异愈大，分离愈容易。当α=1时，气相组成与液相组成相同，不能用普通精馏方法加以分离。上曲线：平衡时汽相组成与温度的关系，称为汽相线（露点曲线）；下曲线：平衡时液相组成与温度的关系，称为液相线（泡点曲线）。两曲线将图分成三个区域：液相区、过热蒸汽区、汽液共存区。T---X(Y)x1(y1)t4BHJAt-xt-yTt3t2t14气液平衡图(GraphofG—LEquilibrium)4.1温度–组成图（t–x–y图）TX(Y)T—X—Y图的作法液相组成x气相组成y110X—Y图平衡线位于对角线的上方；平衡线离对角线越远，表示该溶液越易分离。注意：总压对t-y-x关系比对y-x关系的影响大；当总压变化不大时,总压对y-x关系的影响可以忽略不计蒸馏中使用y-x图较t-y-x图更为方便。4.2汽液相平衡图（X—Y图）与理想溶液发生正偏差的溶液：如乙醇–水、正丙醇–水等物系。对于乙醇–水体系，其恒沸组成为x=y=0.894，恒沸点t=78.15℃(常压下)。称为具有最低恒沸点的溶液。与理想溶液发生负偏差的溶液：如硝酸–水、氯仿–丙酮等物系。对于硝酸–水体系，其恒沸组成为x=y=0.383，恒沸点t=121.9℃(常压下)。称为具有最高恒沸点的溶液。同一种溶液的恒沸组成随压强而变。在理论上可采用改变压强的方法来分离恒沸溶液。但在实际使用时，则应该考虑经济性和操作可能性。4.3两组分非理想溶液的气液平衡相图历史上最早应用的蒸馏方法；一种单级蒸馏操作，常以间歇方式进行；简单蒸馏多用于混合液的初步分离。第二节平衡蒸馏和简单蒸馏一、简单蒸馏（微分蒸馏）将料液加热至泡点，溶液汽化，产生的蒸汽随即进入冷凝器，冷凝成馏出液；随着过程的进行，釜中液相组成不断下降，使得与之相平衡的气相组成（馏出液组成）亦随时降低，而釜内液体的沸点逐渐升高；当馏出液的平均组成或釜残液组成降至某规定值后，即可停止蒸馏操作；在同一批操作中，馏出液分批收集，可得到不同组成的馏出液。1简单蒸馏操作原理蒸汽原料液冷却水冷凝器蒸馏釜收集器2简单蒸馏流程将一定组分的液体加热至泡点以上，使其部分气化，或者将一定组分的蒸汽冷却至露点以下，使其部分冷凝，两相达到平衡，然后将两相分离。此过程的结果是易挥发组分在气相中富集，难挥发组分在液相中富集。二、平衡蒸馏（闪蒸）加热器减压阀分离器原料底部产品冷凝器塔顶产品平衡蒸馏流程yFxFxwyF——加热原料液时产生的第一个气泡的组成。xw——原料全部气化后剩的最后一滴液体的组成。xwx1xFy1yFABCDP=定值TX（Y）E第三节精馏原理和流程一、一次部分气化和部分冷凝xwABDP=定值TX（Y）Cx1xFy2x2y1yF从气相得到较纯的易挥发组分；Multi-partialgasificationandcondensingAP=定值Tx(y)xmynxFB从液相中则得到较纯的难挥发组分。二、多次部分气化和多次部分冷凝xFx2x1y1x3y2y3y3(或xD)y1冷凝器分离器加热器多次部分气化示意图分离过程得到的中间馏分多，纯产品的收率低。解决方法：上图所示的流程存在的问题：对任一分离器有来自下一级的蒸汽和来自上一级的液体，气液两相在本级接触，蒸汽部分冷凝，同时液体部分气化，又产生新的气液两相。蒸汽逐级上升，液体逐级下降。省却中间加热器和冷凝器。工业上采用塔板取代中间各级。流程庞杂，设备繁多，能量消耗大。xFx2x1y1x3y2y3y3(或xD)冷凝器分离器加热器有回流的多次部分气化和冷凝示意图回流：升到塔顶的汽流组成在冷凝器中冷凝后，只放出一部份作为塔顶产品，另一部分返回塔顶作为液流，这部份液流称为回流。再沸器：提供一定量上升的蒸气流。三、精馏原理1精馏的定义精馏是将由挥发度不同的组分所组成的混合液，在精馏塔中同时多次地进行部分气化和部分冷凝，使其分离成几乎纯态组分的过程。2精馏连续稳定进行的条件如图所示，考察筛板塔中任意第n层板的操作情况。理论塔板(Idealplate)：若yn和xn满足气液平衡方程，则此层塔板称为理论塔板。yn-1ynyn+1xn-1xnxn+1塔内气液的流动注：x*n+1表示与yn+1成相平衡的液相的组成。tn+1tn-1xn-1x*n+1在任一塔板上易挥发组分由液相转移到气相，而难挥发组分从气相转移到液相，即xn-1xnynyn+1精馏塔(DistillingColumn)设备：包括精馏塔、塔底再沸器、塔顶冷凝器、原料预热器、回流液泵等。加料板：当某块塔板上的浓度与原料的浓度相近或相等时,料液由此加入，该板称为加料板。精馏段：加料板以上的部分，它起着回收原料中易挥发组分增浓的作用。提馏段：加料板以下的部分（包括加料板），它起着回收原料中易挥发组分的作用。精馏操作分为连续精馏和间歇精馏，流程如下图所示。3精馏操作流程精馏操作的不正常现象：漏液、液沫夹带液泛反混冷凝水水蒸气液体蒸汽塔顶产品冷却水蒸汽塔底产品进料进料板再沸器连续精馏操作流程回流液馏出液进料加热蒸汽釜液冷凝水观察罩全凝器贮槽间歇精馏操作流程确定产品的流量；确定合适的操作条件:操作压强、回流比和加料状态等；确定精馏塔所需的理论塔板数和加料位置；选择精馏塔的类型、确定塔径、塔高及塔的其它参数；冷凝器和再沸器的设计计算。第四节两组分连续精馏的计算一、两组分连续精馏工艺计算的主要内容nnnxxy)1(1理论板是指离开该塔板的蒸汽和液体呈平衡状态的塔板。理论板不存在的原因：气液间接触面积和接触时间是有限的，难以达到平衡状态。理论板可作为衡量实际板分离效率的依据和标准。二、理论塔板的概念(Idealplateortray)恒摩尔汽化：每层塔板上升的蒸汽的摩尔流量相等。精馏段:L1=L2=L3=…Ln=L=定值提馏段:L1’=L2’=L3’=…Lm’=L’=定值但L与L’不一定相等.精馏段:V1=V2=V3=…Vn=V=定值提馏段:V1’=V2’=V3’=…Vm’=V’=定值但V与V’不一定相等.恒摩尔溢流：每层塔板溢流的液体的摩尔流量相等。三、恒摩尔流的假设恒摩尔流满足恒摩尔流的条件（1）各组分的气化潜热相等；（2）气液接触时因温度不同而交换的显热可以忽略；（3）塔设备保温良好，热损失可以忽略。恒摩尔汽化和恒摩尔溢流的总称。原料液釜残液馏出液QBLD,XD,ILDF,XF,IFV’,IVW’QcL’,ILMV,IVDW,XW,ILW四、全塔物料衡算(MassBalance)总物料F=D+W式中F——原料液流量，kmol/h；D——馏出液流量，kmol/h；W——釜残液流量，kmol/h；xF——原料液中易挥发组分的摩尔分率；xD——馏出液中易挥发组分的摩尔分率；xW——釜残液中易挥发组分的摩尔分率；塔顶易挥发组分回收率=DxD/FxF×100%易挥发组分FxF=DxD+WxW%100)1()1(FWxFxW塔底难挥发组分回收率=D,XDL,XDV,y1F,xFx1x2xnyn+1yny212nn+1五、精馏段操作线方程以精馏段的第n+1层塔板以上塔段及冷凝器作为衡算范围，以单位时间为基准，则有总物料衡算：V=L+D易挥发组分：Vyn+1=Lxn+DxD式中V—精馏段每块塔板上升的蒸汽流量，kmol/h；L—精馏段每块塔板溢流的液体流量，kmol/h；D—馏出液流量，kmol/h；yn+1—精馏段第n+1板上升蒸汽中易挥发组分的mol分率；xn—精馏段第n板下降的液体中易挥发组分的mol分率；由上两物料恒算式得DnDnnxDLDxDLLxVDxVLy1DnnxRxRRy1111根据恒摩尔流假设，L为定值，且在稳定操作时，D及xD为定值，故R为常量。令R=L/D（R称为回流比），则有上式即为精馏段操作线方程。它描述了任一板(第n层板)的液体组成与自相邻的下一塔板(第n+1层)上升的蒸汽组成之间的关系，为一线性关系，其中，斜率为R/(R+1)，截距为xD/(R+1)。WxWF,xFx΄Nx΄my΄Ny΄m+1mN以提馏段第m层塔板以下塔段及再沸器作为衡算范围，则有总物料衡算:L’=V’+Wxm—提馏段第m板下降液体易挥发组分mol分率；ym+1—提馏段第m+1板上升蒸汽易挥发组分mol分率；式中：L’—提馏段每板下降液体流量,kmol/h；V’—提馏段每板上升蒸汽流量,kmol/h；W—釜液流量,kmol/h；易挥发组分:L’xm=V’ym+1+Wxw六、提馏段操作线方程WmmxWLWxWLLy1由上两物料恒算式可得上式称为提馏段操作线方程。此式表示在一定操作条件下，提馏段内自第m层板下降液体组成x΄m与其相邻的下层板（第m+1层）上升蒸气组成y΄m+1之间的关系，呈线性关系。L’=L+qF注：提馏段液体量L΄不容易求，它除了与L有关外，还受进料量及进料热状况的影响。DnnxRxRRy1111WmmxWLWxWLLy1Dxy1初始条件提馏段操作线方程精馏段操作线方程相平衡方程nnnxxy)1(1七、理论塔板数的确定利用相平衡原理和操作线方程可确定理论塔