天津大学版《化工原理》课件

主讲：杨虎Tel:18608133378E-Mail:[e-mail]第六章蒸馏教学要求§6-0概述§6-1两组分溶液的汽液平衡§6-2平衡蒸馏与简单蒸馏§6-3精馏原理和流程§6-4两组分连续精馏的计算§6-5间歇精馏§6-6特殊精馏复习四川理工学院材化学院化工教研室化工原理蒸馏2/93教学要求重点：两组分的相平衡关系；两组分连续精馏的计算；影响精馏过程的主要因素。覆盖内容：两组分物系的汽液平衡关系，t-x-y图,x-y图，拉乌尔定律，泡点方程、露点方程、相对挥发度及其影响因素；精馏原理；双组分连续精馏塔的物料衡算，恒摩尔流假设，理论板的概念，操作线方程，进料热状况，q的意义及计算，最小回流比的概念及确定，回流比对精馏过程的影响，理论板数的确定（图解法，逐板计算法及简捷法）；点效率、板效率和塔效率的概念，实际塔板数的确定；精馏装置的热衡算；平衡蒸馏、简单蒸馏的特点及计算，间歇精馏的特点及计算步骤；恒沸精馏、萃取精馏的概念；精馏塔全塔效率及点效率的测定方法。四川理工学院材化学院化工教研室化工原理蒸馏3/93§6-0概述蒸馏定义与术语轻组分——低沸点组分重组分——高沸点组分特点：直接获得——产品，蒸馏操作流程较为简单。应用广泛，历史悠久。可分离液体混合物、气体混合物。蒸馏——能量消耗大。AB加热A轻组分B重组分四川理工学院材化学院化工教研室化工原理蒸馏4/93§6-0概述蒸馏的分类：本章重点讨论常压下双组分连续精馏的原理和计算按操作流程按操作压强按待分离混合物中组分的数目按蒸馏方式简单蒸馏平衡蒸馏精馏特殊精馏间歇精馏连续精馏常压蒸馏减压蒸馏加压蒸馏双组分精馏多组分精馏四川理工学院材化学院化工教研室化工原理蒸馏5/93§6-1两组分溶液的汽液平衡物质迁移：高化学位→低化学位。§6-1-1两组分理想物系的汽——液平衡一、相律强度性质：t、P、yA、yB、xA、xB浓度约束方程有：yA+yB=1xA+xB=11)P=constant:yA=f(t)、xB=f(t);2)t=constant:yA=f(P)、xB=f(P);二、理想物系与拉乌尔定律1.理想物系：溶液——理想溶液，气体——理想气体2.拉乌尔定律AAAxpp0AB加热A轻组分B重组分四川理工学院材化学院化工教研室化工原理蒸馏6/93§6-1两组分溶液的汽液平衡拉乌尔定律示意图理想气体：PpyPpyppPBBAABA对理想溶液，E=0ApABBBBAAAxpxppxpp1000在溶液温度下纯A组分的饱和蒸汽压在溶液温度下纯B组分的饱和蒸汽压3.泡点方程tfpA0tfpB0纯组分：iiiiCtBAp0四川理工学院材化学院化工教研室化工原理蒸馏7/93§6-1两组分溶液的汽液平衡P)x(pxpABAA100PppBA)t(fpppPxBABA0004.露点方程描述了一定总压下理想体系中汽液平衡时气相组成与纯组分饱和蒸汽压(露点温度)之间的关系，称为露点方程由相组成计算露点（泡点）温度——试差计算。)t(fpPpPPpyBABAA0000PxPPpyAAAA0)t(fpppPxBABA000泡点方程四川理工学院材化学院化工教研室化工原理蒸馏8/93§6-1两组分溶液的汽液平衡5.相平衡常数AAAxPpy0定义AAAxyK)t(fPpKAA0AAAixKyy16.相对挥发度0iiiiipxp对理想体系：挥发度相对挥发度BBAAxpxpBAABABBAABxyxyP较低四川理工学院材化学院化工教研室化工原理蒸馏9/93§6-1两组分溶液的汽液平衡理想体系：00BAABPPpA0=f(t)、pB0=f(t)，但α随t的变化较小，可视为常数，可取操作温度范围内的平均值。对于双组分溶液，当总压不高时：AAABAAxxyy11α的意义：描述了该二元物系进行蒸馏分离的难易程度。xxy11相平衡方程yyx)1(四川理工学院材化学院化工教研室化工原理蒸馏10/93§6-1两组分溶液的汽液平衡三.两组分理想溶液的气液平衡相图P=pA0x+(1-x)pB0y=pA0x/(pA0x+(1-x)pB0)单相区：气相区、液相区两相共存区pB0pA0P=pA+pBpA=pA0xpB=pB0(1-x)liquidgasT=constantLiquid+gasPxyx(y)1.P~x(y)图——等温图四川理工学院材化学院化工教研室化工原理蒸馏11/93§6-1两组分溶液的汽液平衡t-x-y图和x-y图2.等压图P=Constant气相区液相区气液两相区tXA(yA)露点线td~y泡点线tb~yt-x-y图杠杆规则部分汽化：xxF——分布分离部分冷凝：yyF——分布分离t-x-y图可通过实验测定。对二元理想物系：PxpPpypppPxAoAAAoBoAoBA系统总压影响气液四川理工学院材化学院化工教研室化工原理蒸馏12/93§6-1两组分溶液的汽液平衡x-y图t—x—y图中的数据→x—y图。x-y线与对角线偏离越远，表示越易分离。若x-y线与对角线重合，则不能用精馏方法分离。精馏过程——接近等压。x-y图常用于两组分混合物精馏过程的计算。压强对x-y曲线的影响不大，但压强明显改变时，必须考虑压强的影响。四川理工学院材化学院化工教研室化工原理蒸馏13/93§6-1两组分溶液的汽液平衡§6-1-2两组分非理想物系的汽——液平衡几种情况：1）气相为理想气体，液相为非理想溶液；2）液相为理想溶液，气相为非理想气体；3）液相为非理想溶液，气相为非理想气体。相液平衡，任一组分在气相中的化学等于液相中的化学位：AAAAAALALAAgALAAgALAAgAgAAgAgAxppxlnRT)pln(RT)T()fln(RT)T()pln(rT)T()T()fˆln(RT)T()T(000000000可近似为理想气体四川理工学院材化学院化工教研室化工原理蒸馏14/93§6-1两组分溶液的汽液平衡实际物系分为三类：具有一般正负偏差、具有最大正偏差、具有最大负偏差。在P—x(y)图中，PB0PPA0、液相线不是直线。t—x(y)图、x-y图与理想体系的的接近。P—x(y)图，Pmax{PA0，PB0}max；t—x(y)图出现最低点，最底恒沸点；x—y图中，平衡曲线与对角线相交。P—x(y)图，Pmin{PA0，PB0}min，t—x(y)图出现最高点，最高恒沸点，x—y图，平衡曲线与对角线相交。一、具有一般正负偏差的实际物系二、具有最大正偏差的实际物系三、具有最小正偏差的实际物系四川理工学院材化学院化工教研室化工原理蒸馏15/93§6-1两组分溶液的汽液平衡有最低恒沸物最大正偏差溶液：t-xt-y四川理工学院材化学院化工教研室化工原理蒸馏16/93§6-1两组分溶液的汽液平衡最大负偏差溶液：有最高恒沸物t~yt~x四川理工学院材化学院化工教研室化工原理蒸馏17/93§6-2平衡蒸馏和简单蒸馏一、流程§6-2-1平衡蒸馏特点：连续稳定、分离程度不高。计算内容：通常给定F、xF和分离要求（xD、xW)或(W、xW)确定D、W或xD确定P操作温度te换热器热负荷。约束方程：物、热衡算、平衡关系。tBAxWxFyDx或y范围基准轻组分：FxF=DxD+WxW总物料：F=D+W液化率：q=W/F11qxxqqyF二.物料衡算四川理工学院材化学院化工教研室化工原理蒸馏18/93§6-2平衡蒸馏和简单蒸馏对换热器：Q：热负荷，kJ/horKW；F：原料液，kmol/h；Cp：原料液的平均比热，KJ/mol.℃；tf：原料液的温度，℃；T：通过加热器后原料液的温度，℃)tT(FcQfp三.热量衡算三.汽液平衡关系)x(ftx)a(axye和11四川理工学院材化学院化工教研室化工原理蒸馏19/93§6-2平衡蒸馏和简单蒸馏1.由P确定平衡曲线x~y线及te~x线；2.由分离要求或物料衡算计算q，3.作q线，并x~y线相交；4.由交点的x坐标确定te。yxteTe-x曲线efP=常数五.步骤对闪蒸罐：r：汽化潜热，KJ/mol；te：平衡温度，℃。pcreep)q(tTFr)q()tT(Fc11四川理工学院材化学院化工教研室化工原理蒸馏20/93§6-2平衡蒸馏和简单蒸馏§6-3-2简单蒸馏一.流程与装置二.简单蒸馏的原理液相组成：nxxxx321汽相组成：nyyyy321釜液量：WdLFF釜液量全部汽化最终釜液量W=0，无分离作用。只有部分汽化（冷凝），才可得到易挥发组分较高的馏出液。当料液组成为x1时，所得馏出液最高组成为y1。四川理工学院材化学院化工教研室化工原理蒸馏21/93§6-2平衡蒸馏和简单蒸馏三.过程计算L,xytL+dL,x+dxy,dDt+dt总：dD+L+dL+L→dD=-dL物料衡算：任一瞬间，y~x满足平相衡。范围基准：dt轻组分：ydDdxxdLLLxxydxLdL12xxxydxWFln12211111xxlnxxlnWFlnbxmbxmlnmWFln211111图解积分或数值积分四川理工学院材化学院化工教研室化工原理蒸馏22/93§6-2平衡蒸馏和简单蒸馏轻组分的物料衡算：21WxFxyDWFD总物料衡算：比较：对相同的物系，在相同液化率时，简单蒸馏的效果更好。按一个操作周期的物料衡算：四川理工学院材化学院化工教研室化工原理蒸馏23/93§6-3精馏原理和流程§6-4-1精馏过程原理和条件一次部分汽化（冷凝）结果：部分分离多次部分冷凝（汽化）结果：较大程度的分离缺点：中间产物多，能耗高，产量小，设备庞大。四川理工学院材化学院化工教研室化工原理蒸馏24/93§6-3精馏原理和流程料液,xFFeed塔顶产品,xDOverheadproduct液相回流Liquidreflux汽相回流Vaporreflux精馏段Rectifyingsection提馏段Strippingsection再沸器Reboiler冷凝器condenser改进：回流→使不处于平衡状态的两相接触→热、质传递→部分冷凝和部分汽化同时发生。精馏原理：在塔内，对气、液两相同时进行多次部分冷凝和部分汽化。精馏条件：塔顶的液体回流和塔釜的产生的蒸汽回流。四川理工学院材化学院化工教研室化工原理蒸馏25/93§6-3精馏原理和流程第n-1板溢流：Ln-1，xn-1，tn-1；第n+1板上升：Vn+1，yn+1，tn+1；第n板溢流：Ln，xn，tn；第n板上升：Vn，yn，tn。进入第n板的汽液两相是不平衡的。组成为xn-1的液体及组成为yn+1的蒸汽同时进入第n板，存在温度差和浓度差，汽液两相在第n板上密切接触进行传质和传热，使离开该板的汽液两相趋近相平衡（理论板：离开的汽液两相达到相平衡），结果：（从宏观看）重组分：汽液；轻组分：液汽。四川理工学院材化学院化工教研室化工原理蒸馏26/93§6-3精馏原理和流程§6-3-2精馏流程冷凝水进料加热蒸汽回流液去贮槽残液连续精馏流程间歇精馏流程精馏段——上升蒸汽中轻组分的精制提馏段——下降液相中重组分的提浓回流——实现精馏操作的必要条件四川理工学院材化学院化工教研室化工原理蒸馏27/93§6-4两组分连续精馏的计算两组分连续精馏的工艺设计及计算主要内容:1）确定产品的流量和组成；2）确定精馏塔的类型，根据塔型，计算理论板层数或填料层高度；3）确定塔高和塔径；4）对板式塔，进行塔板结构尺寸的计算和塔板的流体力学验算；5）对填料塔，确定填料的类型和尺寸，并计算填料塔的流动阻力；6）计算冷凝器和再沸器的热负荷，并确定两者的类型和尺寸，以及冷却剂和加热剂的用量。四川理