化工原理__2010精馏001

天津工业大学环境与化工工程学院化工原理下册简介精馏、吸收、萃取、塔设备、干燥精馏塔、吸收塔、萃取塔、干燥器等基本方法：主要内容：物料衡算、能量衡算、平衡关系、过程速率。相关设备：第一章蒸馏蒸馏——利用混合液中各组分挥发度的差异，采用汽化、冷凝的方法，使之分离为较纯组分的操作。对象：混合液目的：获得较纯组分依据：挥发度的差异方法：汽化、冷凝制酒、煤化工、石化等行业分离液体混合物。【举例】FDWF——原料液D——馏出液W——釜残液易挥发（轻）组分液相→气相难挥发（重）组分气相→液相熟悉并掌握这些术语FD间歇精馏装置物料一次投入产品组成不断变化釜内组成不断变化蒸馏的分类按操作方式连续处理大批量物料时间歇小批量、多产品或有特殊要求。特点:物料一次投入按操作压强常压加压减压沸点t↑，避免用冷冻剂沸点t↓，避免高温蒸馏的分类按蒸馏方式简单蒸馏平衡蒸馏多次部分气化与冷凝精馏特殊精馏：恒沸精馏、萃取精馏、一次部分气化与冷凝一次部分气化与冷凝按混合液双组分多组分(≥3)1.两组分溶液的气液平衡2.平衡蒸馏和简单蒸馏（平衡关系、操作关系）3.精馏（平衡关系、操作关系、求理论板数）★原理和流程★两组分连续精馏的计算★间歇精馏、恒沸精馏、萃取精馏、多组分精馏本章主要内容：本章重点：两组分溶液的连续精馏第一节二元溶液相平衡1-1-1相律和拉乌尔定律一、相律例：苯－甲苯形成的气、液物系F＝C－φ＋2＝2－2＋2＝2•在t、P、x(或y)中任意选定2个参数，平衡物系的状态就被唯一地确定了。•而通常认为蒸馏是在恒压下进行的，此时系统的自由度数仅为1，即仅有1个独立变量。于是，气液平衡关系实际上就是：一定压强下的t-x（或t-y）、x-y函数关系。•当用曲线图表示这种函数关系时，就叫做相图。F＝C－φ＋2＝2－2＋2＝2二、拉乌尔定律当P＜1MPa(10atm)时,与液相达平衡的气相可视为理想气体,BABApppPxPxpPpyAAAA根据溶液中同、异分子间作用力的差异，把溶液分为：★理想溶液★非理想溶液1.理想溶液(气液平衡关系遵循拉乌尔定律)pA=pAºxA;pB=pBºxB＝pBº(1-xA)∵P=pA+pBpAº＞P＞pBºyA＞xA称为泡点方程2.非理想溶液用活度系数γ修正的拉乌尔定律pA=pAºxAγApB=pBºxBγByA=pAºxAγA/P(低压时)活度系数γ随P,t和组成而变，其值可能＞1（正偏差），或＜1（负偏差）气液平衡关系不满足拉乌尔定律的溶液AAAxpvBBBxpv1-1-2相对挥发度一、挥发度1.纯液体的挥发度：t一定，用其饱和蒸气压度量。2.溶液中组分i的挥发度：★对于理想溶液，由拉乌尔定律知：pi/xi=piº=νiiiixpv二、相对挥发度ABBAxyxyBApp【定义】相对挥发度ABBABBAABAxpxpxpxpvv//★对P不高的情况，遵循道尔顿分压定律：BABAxxyy★对于理想溶液：α可视为常数∵温度的影响不大，∴α可以按常数使用。定性温度按操作温度范围取平均值。xxy)1(1AAAAxxyy11将xB＝(1-xA)和yB＝(1-yA)代入BABAxxyy得:略去下标A★当α=1时，y=x，气、液两相浓度相同，无法用普通蒸馏方法达到分离的目的！★若x一定，α↑则y↑，易分离！α值可用于判断溶液可否采用蒸馏分离及分离的难易yyx)1(气液平衡式xx0yt~y饱和蒸气线（露点线）tP定t~x饱和液体线（泡点线）x(y)气相(过热蒸汽)区气液区液相区一、温度—组成(t-x-y)图1-1-3两组分理想溶液的气液平衡相图二、汽—液相组成(x–y)图若已知液相组成x1，可由平衡曲线得出与之平衡的汽相组成y1，反之亦然。图中对角线（x=y）作为参考线供计算时使用。对于理想物系：yx，故平衡线位于对角线左上方。平衡线偏离对角线愈远，表示该溶液愈易分离。x1y1x2y2x3y31-1-4两组分非理想溶液的气液平衡相图实际生产中的大多数物系为非理想物系。非理想物系有(1)液相为非理想溶液，汽相为理想气体；(2)液相为理想溶液，汽相为非理想气体；(3)液相为非理想溶液，汽相为非理想气体。精馏过程一般在较低的压力下进行，此时汽相通常可视为理想气体，故多数非理想物系可视为第一种情况。对拉乌尔定律具有正偏差对拉乌尔定律具有负偏差非理想溶液常压下乙醇—水溶液的t-x-y图乙醇—水物系是具有很大正偏差的例子，表现为溶液在某一组成时其两组分的饱和蒸汽压之和出现最大值，易挥发，对应的溶液泡点比两纯组分的沸点都低，为具最低恒沸点的溶液。图中点M代表汽液两相组成相等。常压下恒沸组成为0.894，最低恒沸点为78.15℃，在该点溶液的相对挥发度为1非理想溶液（负偏差）氯仿—丙酮和硝酸—水物系为具有很大负偏差的例子。图示分别为硝酸—水混合液的t–x–y图和x–y图，常压下其最高恒沸点为121.9℃，对应的恒沸组成为0.383，在图中的点N溶液的相对挥发度为1【例】计算含苯0.5(摩尔分率)的苯—甲苯混合液在总压101.3kPa下的泡点温度。苯（A）—甲苯（B）的饱和蒸汽压数据如本例附表所示。温度，℃80.185.090.095.0100.0105.0110.6pºA/kPa101.3116.9135.5155.7179.2204.2240.0pºB/kPa40.046.054.063.374.386.0101.3解：0.20.40.60.801.0x或y708090100110120xAt设泡点温度t=95℃，查附表得:pºA=155.7kPa,pºB=63.3kPa5.0411.03.637.1553.633.101Ax计算结果表明，所设泡点温度偏高.000BABApppPx设泡点温度t按表查pºA，pºB由pºA，pºB计算xA与xA=0.5比较检验所设温度的正确性再设泡点温度t=92.2℃，由附表数据插值求得pºA=144.4kPa,pºB=58.1kPa5.0501.01.584.1441.583.101000BABApppPx【例】苯（A）—甲苯（B）的饱和蒸汽压数据见下表，试计算在总压101.3kPa下苯—甲苯的混合液的汽液平衡数据和平均相对挥发度。该溶液可视为理想溶液。温度，℃80.185.090.095.0100.0105.0110.6pºA/kPa101.3116.9135.5155.7179.2204.2240.0pºB/kPa40.046.054.063.374.386.0101.3解：以90℃下的数据为例5804.0545.135543.101000BABApppPxAAAxPpy07763.05804.03.1015.13500BApp509.2545.135其它温度下的计算结果列于本例附表。温度，℃80.185.090.095.0100.0105.0110.6x1.00000.78000.58040.41130.25740.12940y1.00000.90010.77630.63220.45530.26080α2.5332.5412.5092.4602.4122.3742.369457.2369.2374.2412.2460.2509.2541.2533.271m计算yA还可以采用相对挥发度计算：AAAxxy117763.05804.01509.21509.25804.0第一节平衡蒸馏和简单蒸馏平衡蒸馏和简单蒸馏均为一次部分汽化和部分冷凝，仅用于分离要求不高的情况。它们的计算包括物料平衡、热量平衡和气液平衡关系。1-2-1平衡蒸馏也叫闪蒸，为单级蒸馏操作，多用连续操作方式。•计算包括物料平衡、热量平衡和气液平衡关系•流程示意如下F,xF,tF加热器减压阀分离器D,y,teW,x,teT平衡蒸馏中气液相组成关系式。令q=W/F，称为液化分率；则D/F=1-q，称为汽化率。FxDFxDFy)1(一、物料衡算总物料：F＝D＋W易挥发组分物料：FxF＝Dy+Wx)1()1(qxxqqyFF,xF,tF加热器减压阀分离器D,y,teW,x,teTpecrqtT)1(平均摩尔气化潜热二、热量衡算加热器热负荷分离器热平衡Q=Fcp(T-tF)Fcp(T-te)＝(1-q)Fr气化温度F,xF,tF加热器减压阀D,y,teW,x,teT除了用上述三个关系直接计算外，也可用图解法进行计算。三、气液平衡关系平衡蒸馏中，气液两相总处于平衡状态。若为理想溶液，则平衡温度te与组成x的关系即为泡点曲线。于是,利用这三种关系就可实现对平衡蒸馏的计算,包括求取气液相组成x、y及温度。xxy)1(1【例】对某两组分理想溶液进行常压闪蒸，已知xF=0.5,若要求气化率为60%，求闪蒸后平衡的气液相组成及温度。常压下该两组分理想溶液的x-y及te-x关系见本题附图00.20.40.60.81.00.20.40.60.81.0te-xy12511510595te,℃x解：1-q=0.6q=0.4•e(xF,xF)00.20.40.60.81.00.20.40.60.81.0te-xyx12511510595te,℃6532xyf(1)由上述方程作ef线(2)由f点读出闪蒸后的气液平衡组成，x=0.387,y=0.575(3)由f向上作垂线交te-x于g点，g点对应的温度既为所求。g11qxxqqyF也叫微分蒸馏，为单级蒸馏操作，多用间歇方式1-2-2简单蒸馏•主要涉及物料衡算和气液平衡关系•是一种不稳态过程，计算要采用微分方法。•虽然其瞬间形成的蒸气与液相可以视为相互平衡，但形成的全部蒸汽并不与剩余的液体相平衡，简单蒸馏的流程示意图x1x2简单蒸馏设某瞬间τ釜内液体量为Lkmol，组成为x,经时间dτ后，蒸出的气相量为dD,气相组成为y*:对易挥发组分，蒸出的量＝减少的量简单蒸馏过程中气液相组成关系的推导y*dD=d(Lx)总量变化相同：dD=dL所以y*dL=xdL＋Ldx蒸出的量=y*dD减少的量=d(Lx)y*x1x2(1)y*-x关系非常复杂，或用图形表示时，采用图解积分的方法x2,xF间所包围的面积即为所求xy1xxy1~xx2xF2xxWFFxydxLdL分离变量积分得：2)ln(xxFxydxFW(3)若x-y平衡关系为直线：y=mx+b,则有：bxmbxmmWFF211ln11ln若b=0则：2ln11lnxxmWFF要计算馏出液的平均组成y,可以通过对一批物料进行物料恒算总物料：F=D+W2xxWFWxyFF(2)对理想溶液，有气液平衡关系：xxy11FFxxxxWF11lnln1ln222WxyDFxF易挥发组分：DWF【例】在常压下将组成为0.6（易挥发组分的摩尔分率）的某理想二元混合物分别进行平衡蒸馏和简单蒸馏，若规定汽化率为1/3，试计算：(1)平衡蒸馏的汽液相组成；(2)简单蒸馏的易挥发组分平均组成及收率。假设在操作范围内汽液平衡关系为：y=0.46x+0.549解：(1)平衡蒸馏q=1-1/3=2/3y=0.46x+0.549x=0.5085,y=0.783011qxxqqyFxxy28.11326.013232易挥发组分的收率为:馏出液的平均组成为:(2)简单蒸馏由于平衡线是一条直线，因此有：bxmbxmmWFF211ln11ln式中：D/F=1/3W/F=2/3平衡线y=0.46x+0.549xF=0.6x2=0.4982xxWFWxyFF804.0498.06.0321326.0%100FFxyD%67.446.03804.0549.0146.06.0146.0ln146.0123ln2