化工原理精馏

1、掌握精馏原理和塔板数的计算2、了解回流比对精馏操作的影响3、了解精馏塔的基本结构和主要性能第五章蒸馏(distillation)基本要求重点难点精馏原理、塔板数的计算；回流比对精馏的影响连续精馏的原理，传质的概念§1.1概述1．蒸馏传质（masstransfer）过程：物质在相间的转移过程称为传质（分离）过程常见传质过程：通过加热造成气液两相物系，利用物系中各组分挥发度不同的特性以实现分离的单元操作蒸馏、吸收、萃取、干燥2．蒸馏过程的分类1．按蒸馏方式简单蒸馏平衡蒸馏精馏特殊精馏萃取精馏恒沸精馏2．按操作压强常压蒸馏加压蒸馏减压蒸馏3．按待分离混合物中组分的数目：双组分蒸馏多组分蒸馏4．按操作流程：间歇蒸馏：小规模生产，非定态操作连续蒸馏：大规模，定态操作本章讨论：常压下的两组分连续精馏vapor-liquidphaseequilibrium§1.2两组分溶液的气液平衡1.2.1双组分理想物系的气液平衡理想物系：溶液中不同组分的分子间作用力和相同组分的分子间作用力完全相等。液相为理想溶液、气相为理想气体的混合物系液相为理想溶液，遵循拉乌尔定律气相为理想气体，遵循道尔顿定律1）用饱和蒸气压表示气液平衡关系的表示法拉乌尔定律：理想溶液气相中组分的分压等于纯组分在该温度下的饱和蒸气压与其在溶液中摩尔分数乘积A:易挥发组分，沸点低组分B:难挥发组分，沸点高组分oAAAppxoo(1)BBBBAppxpxy:气相中易挥发组分的摩尔分数；1-y:难挥发组分的摩尔分数x:液相中易挥发组分的摩尔分数；1-x:难挥发组分的摩尔分数溶液沸腾时，总压等于各组分的蒸气压之和ABpppoAAAppxoo(1)BBBBAppxpxoBooABAppxpp理想气体混合物服从道尔顿分压定律：(1)BBAppypyoAAApxpyoBBBpxpyAAppyoAAApxypoBBBpxypoAAApxypoBooABAppxppooABooABApppypppoooBABooooABAB,AApppppxyppppp用饱和蒸气压表示的气液平衡关系2）用相对挥发度表示某组分在气相中的平衡分压与该组分在液相中的摩尔分率之比某组分由液相挥发到气相中的趋势，是该组分挥发性大小的标志☆挥发度定义挥发度意义iiipvx双组分理想溶液ooAAAAAAAppxvpxxooBBBBBBBppxvpxx☆相对挥发度定义溶液中易挥发组分挥发度与难挥发组分挥发度之比//AAABBBvpxvpx压强不高，气相遵循道尔顿分压定律BA//AAABBBpyxyxpyxyx理想溶液ooAABBvpvp//AABBABvyyvxx1(1)AAAxyx11BABAyyxx；/(1)/(1)AAABAAvyyvxx①α1，表明A比B容易挥发，α越大，挥发度差别越大，越容易分离。②若α=1，y=x，说明气液相组成相同，不能采用普通的精馏方法分离对相对挥发度的理解1(1)xyx气液平衡方程3.两组分理想溶液的气液平衡相图苯(A)和甲苯(B)的饱和蒸气压和温度关系如表，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101.33kPa下的气液平衡数据,温度－组成图t/℃80.184889296100104108110.8pAo/kPa101.3113.6130143.7160.5179.2199.3221.2233.0pBo/kPa39.344.450.657.665.774.583.393.9101.31）温度－组成（t-x-y）图解(1)利用拉乌尔定律计算气液平衡数据t/℃80.184889296100104108110.8x1.0000.8220.6390.5080.3760.2560.1550.0580.000y1.0000.9220.8190.7200.5950.4530.3050.1270.000(2)利用相对挥发度计算气液平衡数据oBooABAppxppoAAApxyp求平均挥发度t---y线，气相组成与平衡温度之间的关系。饱和蒸气线，露点线t---x线，液相组成与平衡温度之间的关系。饱和液相线，泡点线2）x-y图（1）yx（2）平衡线离对角线越远，气液两相浓度差越大，溶液越易分离1.3.1平衡蒸馏（闪蒸）§1.3平衡蒸馏和简单蒸馏操作过程：混合液经加热器升温，使温度高于分离器压强下液体的沸点，通过减压阀降压进入分离器，此时过热的液体混合物被部分汽化得到分离1．物料衡算总物料：WDF易挥发组分：FFxDyWxF，D，W---原料液、气相、液相产品摩尔流量,kmol/sxF，y，x---原料液、气相、液相产品的组成，摩尔分数1FFFyxxDD,111FxWDqqqyxFFqqq：液化分率2．热量衡算对加热器热量衡算()pFQFcTt原料液减压进入分离器，物料放出的显热等于部分汽化所需潜热e()(1)pFcTtqFr原料液离开加热器的温度(1)eprTtqc1.3.2简单蒸馏（微分蒸馏）①得不到大量高纯度的产品②釜液与蒸气的组成都是随时间而变化的，是一种非稳态过程③只能进行初步分离，而且生产能力低，适合于当组分挥发度相差较大的情况。特点：※蒸馏---当生产上对产品的纯度要求不高，只需要初步分离时采用的分离方法；※平衡、简单蒸馏是单级分离过程→一次部分汽化→混合物部分分离※精馏是多级分离过程→多次部分汽化和部分冷凝→混合物几乎完全分离※精馏---当产品的纯度要求高，特别是在混合物挥发度比较接近时采用的分离方法。蒸馏与精馏的区别§1.4精馏原理和流程1.4.1精馏过程原理和条件液体混合物经多次部分气化后，在液相中获得高纯度的难挥发组分气体混合物经多次部分冷凝后，在气相中获得高纯度的易挥发组分321yyy''321xxx1nxnx1nyny1nt1nt11nntt*11nnxx条件结果1nnxx1nnyy将原料液进入的层板称为加料板，加料板以上的塔段，作用是把上升蒸气中易挥发组分进一步提浓，称为精馏段；加料板以下的塔段（包括加料板），其作用是从下降液体中提取易挥发组分，称为提馏段1.4.2精馏操作流程1.5.1理论板的概念和恒摩尔流假定理论板：在其上气、液两相都充分混合，且传质及传热过程阻力均为零的理想化塔板，无论进入理论板的气、液两相组成如何，离开该板时气、液两相达到平衡状态，即两相温度相等，组成互成平衡，组成关系可由平衡关系来确定§1.5两组分连续精馏的计算1.恒摩尔气流精馏段123...constantVVVV提馏段123'''...'constantVVVV2.恒摩尔液流精馏段123...constantLLLL提馏段123'''...'constantLLLL恒摩尔流：每层塔板的上升蒸气的摩尔流量恒定,下降液体的摩尔流量也恒定。在精馏塔的塔板上气液两相接触时，若有nkmol/h的蒸气冷凝，相应有nkmol/h液体气化。1.全塔物料衡算总物料：WDF易挥发组分：WDFWxDxFxF，D，W---原料液、馏出液、釜残液摩尔流量,kmol/sxF，xD，xW---易挥发组分的摩尔分数1.5.2物料衡算与操作线方程塔顶易挥发组分的回收率：DF100%DDxFx分离要求的表示方法（1）规定易挥发组分在馏出液和釜残液的组成；（2）规定馏出液组成xD和塔顶易挥发组分回收率；（3）规定馏出液组成xD和塔顶采出率D/F（4）塔底难挥发组分的回收率WF(1)100%(1)WxFx在连续精馏塔中分离苯－甲苯混合液。已知原料液流量为10000kg/h,苯的组成为40％（质量）。要求馏出液组成为97％，釜残液组成为2％。试求馏出液和釜残液的流量（kmol/h）及馏出液中易挥发组分的回收率？苯的摩尔质量为78kg/kmol;甲苯的摩尔质量为92kg/kmol2.精馏段操作线方程总物料DLV易挥发组分Dn1nxDxLyVDn1nxVDxVLyDn1nxDLDxDLLyDLR/回流比Dn1n111xRxRRyn1nD//()/()/LDDDyxxLDDLDD①物理意义：n板下降的液相组成与相邻的n+1板上升蒸气组成之间的关系②由恒摩尔流的假定，L为定值，且连续定态操作中D和xD也是定值，R是常量,直线方程3.提馏段操作线方程总物料：WVL易挥发组分：m1W''mLxVyWxm1mW''LWyxxVVm1mW''LWyxxLWLW②根据恒摩尔流的假定，L’为定值，且连续定态操作中W和xW也是定值，是直线方程①物理意义：m板下降的液相组成与相邻的m+1板上升蒸气组成之间的关系在某两组分连续精馏塔中，精馏段内自第n层理论板下降的液相组成为0.65（易挥发组分摩尔分数），进入该板的气相组成为0.75，塔内气液摩尔流量比V/L=2，物系的相对挥发度为2.5，试求R、yn、xn-110.65,0.75,2.5nnxy物料衡算：LVLVF热量衡算：FLV'VL'FILIVIVILIV'VL'L;IIII一、进料热状况参数1.5.3进料热状态的影响令：q饱和蒸气的焓原料液的焓饱和蒸气的焓饱和液体的焓VFVLIILLFIIVFVLIIqIIq:进料热状况参数'(1)VVqFqFLLVFVL()()IILLLLqqFIIF＝精馏段和提馏段的气、液相流量与进料量及进料热状况参数之间的基本关系LVLVFm1mW''LqFWyxxLqFWLqFW提馏段操作线方程m1mW''LWyxxLWLW例题1-5二、进料热状况：(1)温度低于泡点的冷液体；(2)泡点温度的饱和液体；(3)温度介于泡点和露点之间的气液混合物；(4)露点温度的饱和蒸气；(5)温度高于露点的过热蒸气。进料热状况影响L、L’及V、V’之间的关系;VVLLFL’包括三部分:①L;②F;③因原料温度低于加料板上气液温度，故原料进入加料板后将一部分从提馏段上升蒸气冷凝下来（1）冷液进料：1q（2）饱和液体进料原料进入加料板后全部以原来液体的状况进入提馏段;VVLLF1q原料含有一部分液体（往下流），一部分气体（上升）（3）气液混合物进料01q;VVLLLF（4）饱和蒸气进料;VVFLL原料进入加料板后全部以原来气体的状况上升0q;VVFLL因原料温度高于加料板上气液温度，故原料进入加料板后势必将原塔内下降的液体加热气化上升。（5）过热蒸气进料0q例1－8分离例1－6中的苯－甲苯混合液，若进料为饱和液体，R=3.5,试求提馏段操作方程，截距和斜率116.6/,0.023551.0/,65.6/WFkmolhxDkmolhWkmolh例1－9分离例1－8中的苯－甲苯混合液，若将进料热状态变为20℃的冷液体，试求提馏段的上升蒸气流量和下降液体流量。已知操作条件下苯的汽化热为389kJ/kg，甲苯的汽化热为360kJ/kg，原料液的平均比热容为158kj/(kmol.℃)。苯－甲苯混合液的气液平衡数据见图。0.44,3.5,116.6/51.0/,65.6/FxRFkmolhDkmolhWkmolhVFVL()psFcttrIIqIIr0.4493Fsxt原料液的平均气化热0.44389780.563609231900/rkJkmol158/pckJkmol（℃）1.5.4理论塔板数的求法1.逐板计算法精馏段第一块（全凝）第一板上升的蒸气被全部冷凝并在泡点下回流，故塔顶馏出液组成及回流液