化工原理精餾-PPT課件

1、 精餾 蒸餾概述 雙組分溶液的氣液相平衡 平衡蒸餾與簡(jiǎn)單蒸餾 精餾 精餾原理 物料衡算 精餾塔操作線(xiàn)方程 5種加料熱狀態(tài) 理論板計(jì)算：計(jì)算法，階梯法 精餾段提餾段 混合物的分離是化工生產(chǎn)中的重要過(guò)程。 混合物可分為非均相物系和均相物系。 非均相物系的分離主要依靠質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)與液體流 動(dòng)原理實(shí)現(xiàn)分離。而化工中遇到的大多 是均相混合物。 均相物質(zhì)不能采用 機(jī)械分離 的方法 （如乙醇與水） 分離條件是必須造成一個(gè)兩相物系，然后依據(jù) 物系中不同組分間某種物性的差異， 使其中某個(gè)組分或某些組分從一相向 另一相轉(zhuǎn)移，以達(dá)到分離的目的。第一節(jié) 概述化工生產(chǎn)中常見(jiàn)的傳質(zhì)過(guò)程有蒸餾、吸收、萃取 和干燥等單元操作。如

2、：不同組分其揮發(fā)難易度不同，使易揮發(fā)組分 在氣相中富集，難揮發(fā)組分在液相中富集， 直到達(dá)到氣液平衡。第一節(jié) 概述 (1) 質(zhì)量傳遞過(guò)程（傳質(zhì)過(guò)程）： 由濃度差引起的物質(zhì)在相際間的傳質(zhì)過(guò)程。1 、定義1 、定義（ 2 ）蒸餾：利用液體混合物中各組分揮發(fā)性的差異 而將組分分離的傳質(zhì)過(guò)程。為一次部分 氣化分離混合物；（ 3 ）精餾：多次部分汽化，多次部分冷凝。 用濃度表示組分的變化。 易揮發(fā)組分：沸點(diǎn)低的組分，用A表示，yA，xA 難揮發(fā)組分：沸點(diǎn)高的組分，用B表示，yB，xB y與x的關(guān)系無(wú)法確定，通常達(dá)到平衡時(shí)關(guān)系才確定第一節(jié) 概述（ 1 ）通過(guò)蒸餾操作，可以直接獲得所需要的產(chǎn)品， 而吸收和萃取

3、還需要如其它組分；（ 2 ）蒸餾分離應(yīng)用較廣泛，歷史悠久；（ 3 ）能耗大，在生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生大量的氣相或液相。第一節(jié) 概述2 、蒸餾分離的特點(diǎn)第一節(jié) 概述3 、蒸餾的分類(lèi)第一節(jié) 概述1）簡(jiǎn)單蒸餾 是間歇、不穩(wěn)定的，要考慮到成本、 產(chǎn)率，需要 進(jìn)行 經(jīng)濟(jì)核算； 蒸發(fā)時(shí)，第一滴的濃度最高，隨著蒸餾的進(jìn)行， x減少，y減少； 提高蒸餾濃度，可以在設(shè)備的出口處加一部分 冷凝器，難揮發(fā)組分就冷凝的多，可以提高產(chǎn) 品的質(zhì)量，但設(shè)備成本增加。 第一節(jié) 概述 混合液經(jīng)加熱器升溫后液體溫度高于分液器壓強(qiáng) 下的液體沸點(diǎn)，然后通過(guò)減壓閥使其降壓后進(jìn)入 分離器中，這時(shí)過(guò)熱的液體混合物即被部分氣化， 平衡的氣液兩相在分

4、離器中得到分離，將分離器 又稱(chēng)為閃蒸罐（塔）2）閃蒸 是一種單極的平衡操作，連續(xù)或間歇、穩(wěn)定的。例如：高壓鍋，冷卻后才可以打開(kāi)第一節(jié) 概述3）精餾4）特殊精餾：第一節(jié) 概述 多次部分氣化與冷凝的過(guò)程，可以使混合液得到 幾乎完全分離，是常壓下、連續(xù)、雙組分的蒸餾； 例如：苯甲苯，乙醇正丙醇，乙醇水 物性相似，沸點(diǎn)（80.1,110.8 ）， 空間結(jié)構(gòu)不同萃取精餾苯環(huán)己烷，沸點(diǎn)相近(80.1,80.6 )， 加入萃取劑糠醛改變組分間的揮發(fā)度； 5）蒸發(fā)與蒸餾的區(qū)別 蒸發(fā)A組分揮發(fā)，B組分不揮發(fā)，供熱就分離；蒸餾A，B均揮發(fā)，存在一個(gè)平衡關(guān)系！ 恒沸精餾工業(yè)酒精的提純，加入夾帶劑苯， 形成三元非均相

5、恒沸液；第一節(jié) 概述第二節(jié) 兩組分溶液的氣液平衡1-2-1 兩組分理想物系的氣液平衡 相律是研究相平衡的基本規(guī)律。 表示平衡物系中自由度數(shù)、相數(shù)及獨(dú)立組分 數(shù)間的關(guān)系，即： F = C P + 2 式中 F 自由度數(shù)； C 獨(dú)立組分?jǐn)?shù)； P 相數(shù)；2 表示外界只有溫度和壓力這兩 個(gè)條件可以影響物系的平衡狀態(tài)。 一、相律若三個(gè)變量固定(t，P，x或y)，則該物系只有一個(gè)獨(dú)立變量（x 或 y) ，其它變量都是它的函數(shù)，那么兩組分的氣液平衡可以用一定壓強(qiáng)下的tx(或y)，及xy的函數(shù)關(guān)系或相圖表示。對(duì)于兩組分的氣液平衡物系， F= 2 2 + 2 = 2 氣液平衡中可以變化的參數(shù)有4個(gè)：t，P，x，

6、y 第二節(jié) 兩組分溶液的氣液平衡1 ）用飽和蒸氣壓和相平衡常數(shù)表示氣液平衡關(guān)系 二、兩組分理想物系的氣液平衡關(guān)系理想物系：液相為理想溶液、氣相為理想氣體的物系。遵循拉烏爾定律遵循道爾頓定律對(duì)于性質(zhì)極相近、分子結(jié)構(gòu)相似的組分所組成的溶液可視為理想溶液拉烏爾定律：理想溶液中某組分的蒸汽壓等于該組分 同溫度下的純液體蒸汽壓與溶液中該組 分的摩爾分率的乘積。式中 溶液中組分 A 的蒸汽壓；即溶液上方組分 A 的 平衡分壓， Pa ； 純組分 A 的飽和蒸汽壓，Pa ； 組分 A 的液相摩爾分率；那么：A 易揮發(fā)組分； B 難揮發(fā)組分。二、兩組分理想物系的氣液平衡關(guān)系當(dāng)溶液沸騰時(shí)，溶液上方的總壓等于各組

7、分的蒸 氣壓之和;當(dāng)外壓不太高時(shí)，平衡的氣相可視為理想氣體， 遵循道爾頓分壓定律，即 由拉烏爾定律表示的氣液平衡關(guān)系K 為相平衡常數(shù)，并非常數(shù)，隨溫度而變。1 ) 用飽和蒸氣壓和相平衡常數(shù)表示氣液平衡關(guān)系純組分的飽和蒸氣壓與溫度 t 的關(guān)系可由安托因（ Antoine ）方程計(jì)算或從手冊(cè)中查式中 A 、 B 、 C 為組分的安托因常數(shù)，可由有關(guān) 手冊(cè)查得。1 ) 用飽和蒸氣壓和相平衡常數(shù)表示氣液平衡關(guān)系2 ）用相對(duì)揮發(fā)度表示氣液平衡關(guān)系（ 1 ）揮發(fā)度 對(duì)純液體，揮發(fā)度指該液體在一定溫度下的飽和蒸汽壓 對(duì)混合液，各組分的揮發(fā)度可用它在蒸氣中的分壓和 與之平衡的液相中的摩爾分?jǐn)?shù)之比表示，即（ 2

8、 ）相對(duì)揮發(fā)度：溶液中易揮發(fā)組分的揮發(fā)度與 難揮發(fā)組分 的揮發(fā)度之比，用 表示。相對(duì)揮發(fā)度的數(shù)值可由實(shí)驗(yàn)測(cè)得對(duì)理想溶液：當(dāng)溫度變化時(shí)，兩者的變化不大，一般可將 視為常數(shù)，計(jì)算時(shí)可取操作溫度范圍內(nèi)的平均值。3 ）氣液平衡方程對(duì)于兩組分溶液，當(dāng)總壓不高時(shí)，由于3 ）氣液平衡方程1時(shí)，組分 A 較 B 易揮發(fā)，可以用蒸餾方法分離。 = 1時(shí)，不能用普通蒸餾的方法分離混合液。 1時(shí)，揮發(fā)度差異愈大，愈有利于蒸餾操作。 a 可作為混合液能否用蒸餾方法分離以及分離難易 程度的判據(jù)。 氣液平衡方程三、兩組分理想溶液的汽液平衡相圖 蒸餾操作通常是在一定的外壓下進(jìn)行，溶液的平衡溫度隨組成而變。溶液的平衡溫度 組

9、成圖是分析蒸餾原理的基礎(chǔ)。1 、溫度 組成 ( t x y 圖 )溫度Tx(y1)x 越大，易揮發(fā)組分的含量越高，泡點(diǎn)溫度越低。y 越大，易揮發(fā)組分含量越高，露點(diǎn)溫度越低。沸點(diǎn)露點(diǎn)泡點(diǎn)1 、溫度 組成 ( t x y 圖 )2 、 x - y 圖 平衡線(xiàn)位于對(duì)角線(xiàn)的上方，平衡線(xiàn)偏離對(duì)角線(xiàn)愈遠(yuǎn)， 表示該溶液愈易分離。1-2-2 兩組分非理想物系的氣液平衡非理想溶液的平衡分壓可用修正的拉烏爾定律表示，即：如：乙醇水，正丙醇水非理想溶液最低恒沸點(diǎn)最高恒沸點(diǎn)如：硝酸水，氯仿酮正偏差溶液負(fù)偏差溶液i 1i y n+1 ， x n 逐板計(jì)算法已知：氣液平衡關(guān)系，操作線(xiàn)方程y1=xD(全凝器)，泡點(diǎn)進(jìn)料精餾

10、段直到 (泡點(diǎn)進(jìn)料)時(shí)，精餾段所需板數(shù)為（n-1），對(duì)其它進(jìn)狀況，應(yīng)計(jì)算到 (兩操作線(xiàn)的交點(diǎn)) 4-3 理論板層數(shù)的求法逐板計(jì)算法逐板計(jì)算法圖示：當(dāng)計(jì)算得到的 時(shí)，則第 n 層板已是加料板。再往下計(jì)算，要用提餾段操作線(xiàn)方程，即 當(dāng)計(jì)算得到的 時(shí)，就停止計(jì)算。由于再沸器中的汽液兩相達(dá)到平衡，所以再沸器相當(dāng)于一塊理論板，因此總的理論板數(shù)就等于使用相平衡方程的次數(shù)減一。2) 提餾段4-3 理論板層數(shù)的求法逐板計(jì)算法4-3-2 理論板層數(shù)的求法圖解法步驟 :1. 畫(huà)相平衡線(xiàn)和三條操作線(xiàn)；2. 作階梯。圖解法求理論板數(shù)的步驟： 建立平面直角坐標(biāo)系 xOy 。 (2) 在 xOy 中畫(huà)出平衡線(xiàn)，并 作對(duì)角

11、線(xiàn)。 (3) 在 xOy 中畫(huà)出精餾段操作 線(xiàn)、 q 線(xiàn)和提餾段操作線(xiàn)。 (4) 從 a 點(diǎn)開(kāi)始，在精餾段操 作線(xiàn)與平衡線(xiàn)之間作直角 梯級(jí)，當(dāng)梯級(jí)跨過(guò) d 點(diǎn)時(shí)， 則改在提餾段操作線(xiàn)與平 衡線(xiàn)之間作直角梯級(jí)，直 至梯級(jí)的水平線(xiàn)達(dá)到或超 過(guò) c 點(diǎn)。 每個(gè)梯級(jí)在平衡線(xiàn)上的頂點(diǎn)代表一層理論板，跨過(guò) d 點(diǎn)的頂點(diǎn)代表加料板，加料板頂點(diǎn)以上的頂點(diǎn)數(shù)即為精餾段的理論板數(shù)，加料板頂點(diǎn)及其以下頂點(diǎn)數(shù)減一，即為提餾段的理論板數(shù)。精餾段理論板數(shù)與提餾段理論板數(shù)之和為總理論板數(shù)。水平線(xiàn) a1 表示液體經(jīng)第一層板后組成自 xD 減小到 x 1 。垂直線(xiàn) 11 表示蒸汽經(jīng)第一層板后組成自 y2 增大到 y1 。 所以

12、點(diǎn) 1 或梯級(jí) a11 代表一層理論板。圖解法求理論板數(shù)說(shuō)明：4-4-1理論板數(shù)的計(jì)算4-4-2回流比的選擇4-4-3加料熱狀況的選擇4-4-4雙組分精餾過(guò)程的其他類(lèi)型4-4 雙組分精餾的設(shè)計(jì)型計(jì)算最適宜的加料位置，在該板上 ，( xq為兩操作線(xiàn)交點(diǎn)的橫坐標(biāo))此時(shí)所需理論板數(shù)最少4-4-1 理論板數(shù)的計(jì)算 最優(yōu)加料位置的確定 最優(yōu)加料位置的確定4-4-2 回流比的選擇兩者均有利于傳質(zhì)，R ，V ， ，能耗NT ，R增加，操作線(xiàn)遠(yuǎn)離平衡線(xiàn)，NT減少全回流與最小理論板數(shù)D0， F0，W0NT最少（Nmin）解析法Fenske Nmin確定圖解法全回流應(yīng)用設(shè)備開(kāi)工調(diào)試，或?qū)嶒?yàn)研究4-4-2 回流比的

13、選擇最小回流比4-4-2 回流比的選擇恒濃區(qū)（夾緊區(qū)）R減少，操作線(xiàn)近平衡線(xiàn)，傳質(zhì)推動(dòng)力減少Rmin，操作線(xiàn)交點(diǎn)落在平衡線(xiàn)(即e)，傳質(zhì)推動(dòng)力為零無(wú)窮多NTRmin的意義圖解法Rmin確定R Rmin ,可精餾操作解析法操作費(fèi)用與R關(guān)系操作費(fèi)用：冷卻器中冷卻劑量、再沸器中加熱蒸氣量操作費(fèi)用與R成正比設(shè)備費(fèi)用與R關(guān)系設(shè)備費(fèi)用：塔、再沸器、冷凝器尺寸總費(fèi)用與適宜R總費(fèi)用最低時(shí)的R為適宜R，一般為（1.22）Rmin理論板數(shù)的簡(jiǎn)捷法4-4-2 回流比的選擇4-4-3加料熱狀況的選擇在 、 、 、 一定的情況下qNT 提餾段斜率操作線(xiàn)越接近平衡線(xiàn)精餾段斜率一定）塔釜供熱量不變（q因此，熱量盡可能從塔底

14、輸入，使所產(chǎn)生的汽相回流能在全塔中發(fā)揮作用；而冷量應(yīng)盡可能施加于塔頂，使所產(chǎn)生的液體回流能經(jīng)過(guò)全塔而發(fā)揮最大的效能不變NT 4.5 雙組分精餾的操作型計(jì)算4-5-1 精餾過(guò)程的操作型計(jì)算4-5-2 精餾塔的溫度分布和靈敏板4-5-1精餾過(guò)程的操作型計(jì)算操作型計(jì)算的命題此類(lèi)計(jì)算的任務(wù)是在設(shè)備（精餾段板數(shù)及全塔理論板數(shù)）已定的條件下，由指定的操作條件預(yù)計(jì)精餾操作的結(jié)果已知量為：操作型計(jì)算的特點(diǎn)：試差（迭代） 加料板位置（或其它操作條件）一般不滿(mǎn)足最優(yōu)化條件。求：的變化加料板位置回流比增加對(duì)精餾結(jié)果的影響4-5-1精餾過(guò)程的操作型計(jì)算4-5-1精餾過(guò)程的操作型計(jì)算注意D/F規(guī)定，R增加以提高xD并非

15、總是有效(1) xD的提高受全塔物料衡算的限制xD的提高受精餾塔分離能力的限制(2) 在回流比較小時(shí)，R xD ，xD受分離能力（回流比）的影響在回流比較大時(shí)，xD受物料衡算的限制，R ,xD無(wú)明顯變化 ， xD取決于采出率D/F采出率增加對(duì)精餾結(jié)果的影響 4-5-1精餾過(guò)程的操作型計(jì)算進(jìn)料組成變動(dòng)的影響 4-5-1精餾過(guò)程的操作型計(jì)算4-5-2 精餾塔的溫度分布和靈敏板精餾塔的溫度分布t=f(p,x)各板p,x不同，因而精餾塔存在溫度分布靈敏板操作條件變動(dòng)引起溫度變化最為顯著的板 這些塔板的溫度對(duì)外界干擾如回流比、進(jìn)料組成發(fā)生波動(dòng)等）的反映最靈敏4-5-2 精餾塔的溫度分布和靈敏板q為液化率

16、對(duì)穩(wěn)定連續(xù)過(guò)程，q為定值物料衡算式加熱器:原料液減壓降溫，放出顯熱；顯熱用于汽化部分物料產(chǎn)生氣相（潛熱）物料熱量衡算 d時(shí)間內(nèi)物料衡算（輕組分）積分相平衡關(guān)系y=f(x) ：W，x+d: 蒸出dW、釜內(nèi)液體組成下降量dxxWyDxFt13123D,yDF,xFW,xW精餾段塔上半部完成了上升蒸汽的精致，即除去其中的難揮發(fā)組分提餾段塔的下半部完成了下降液體中難揮發(fā)組分的提濃，即除去了易揮發(fā)組分氣相默弗里板效率 表達(dá)出實(shí)際板與理論板的差異 實(shí)際塔板數(shù)液相默弗里板效率 條件：全回流yn+1=xn; 全凝器y1=xD；氣液平衡關(guān)系推導(dǎo)：相平衡關(guān)系操作關(guān)系相平衡關(guān)系第N為再沸器解析法Fenske圖解法確定 Rmin操作線(xiàn)與平衡線(xiàn)交點(diǎn)e(xe.ye)此時(shí)精餾段操作線(xiàn)的斜率解析法確定 Rmin1) 泡點(diǎn)進(jìn)料情況，2)飽和蒸汽進(jìn)料 兩種特殊情況：RRmin