化工原理第09章01改資料課件

第9章液體精餾9.1蒸餾概述9.1.1蒸餾分離的目的和依據(jù)目的：液體混合物的分離，提純或回收有用組分。依據(jù)：混合液中各組分揮發(fā)性的差異。第9章液體精餾9.1蒸餾概述液體部分氣化后的組成與剩余的液體組成必須有區(qū)別。液體部分氣化后的組成與剩余的液體組成9.1.2工業(yè)蒸餾過程平衡蒸餾(閃蒸):連續(xù)定態(tài)簡單蒸餾:間歇9.1.2工業(yè)蒸餾過程平衡蒸餾(閃蒸):簡單蒸餾:間歇9.1.3蒸餾操作的費用和操作壓強

汽化：耗熱：冷凝：需提供冷卻量。

操作費用：加熱費和冷卻費。

加壓蒸餾：Tc↑免用冷凍劑，但Th↑。

減壓蒸餾：Th↓免用高溫載熱體，但Tc↓。9.1.3蒸餾操作的費用和操作壓強9.2雙組分溶液的汽液相平衡9.2.1理想物系的汽液相平衡

理想物系:(1)液相為理想溶液；(2)汽相為理想氣體。9.2.1.1汽液兩相平衡共存時的自由度

F=N–Φ+2=2–2+2=2

參數(shù):p,t,yi,xi

；

p

一定，F(xiàn)=1，故:x(y)~t一一對應

y~x9.2雙組分溶液的汽液相平衡9.2.1理想物系的汽液相平9.2.1.2液相組成與溫度（泡點）關系式

沸騰：

Antoine方程：9.2.1.2液相組成與溫度（泡點）關系式雙組分理想物系的液相組成—溫度(泡點)關系式1)液相為理想液體(組分分子結(jié)構(gòu)相似),服從拉烏爾定律;2)氣相為理想氣體(低壓氣體),服從道爾頓分壓定律.

雙組分理想物系的液相組成—溫度(泡點)關系式平衡常數(shù)：9.2.1.4汽相組成與溫度（露點）關系式9.2.1.3汽液兩相平衡組成間的關系式平衡常數(shù)：9.2.1.4汽相組成與溫度（露點）關系式9.29.2.1.5t~x(y)圖和y~x圖9.2.1.5t~x(y)圖和y~x圖例：某二元組成，由液相升溫過程的變化；由氣相降溫過程的變化。xAxBt泡點線露點線氣相區(qū)液相區(qū)兩相區(qū)重組分沸點P=常數(shù)輕組分沸點例：某二元組成，由液相升溫過程的變化；xAxBt泡點線露點線9.2.1.6相對揮發(fā)度α揮發(fā)度：，

相對揮發(fā)度：

對雙組分物系，，，則

理想溶液：，

α↑,y↑

(x一定),α標志分離難易。

9.2.1.6相對揮發(fā)度α討論:1)上式相平衡方程，反映了雙組分物系平衡時兩相的濃度關系2)對理想物系3)對物系相對揮發(fā)度相差不大（操作溫度范圍）4)相差較大,但不超過30%5)α越大平衡線離對角線越遠，容易分離。討論:

非理想物系：（1）液相為非理想液體（2）氣相為非理想氣體

非理想物系：9.2.2非理想物系的汽液相平衡

非理想物系（R）9.2.2.1非理想溶液

，分別為組分A，B的活度系數(shù)9.2.2非理想物系的汽液相平衡當總壓不太高時，有：當偏差達到一定程度時，會形成恒沸物。當總壓不太高時，有：活度系數(shù)可以用實驗數(shù)據(jù)關聯(lián)：常用的關聯(lián)式有范拉（Vanlaar）方程，馬古斯方程（Margules）。關聯(lián)的實例見P55例9-2由實驗數(shù)據(jù)關聯(lián)方程參數(shù)?；疃认禂?shù)可以用實驗數(shù)據(jù)關聯(lián)：9.2.2.2總壓對相平衡的影響蒸餾的壓強增高，泡點升高，相對揮發(fā)減小，分離困難。（見P57圖9-12）9.2.2.2總壓對相平衡的影響9.3平衡蒸餾和簡單蒸餾9.3.1平衡蒸餾9.3.1.1過程的數(shù)學描述

(1)物料衡算

9.3平衡蒸餾和簡單蒸餾9.3.1平衡蒸餾(2)熱量衡算加熱爐的熱流量：節(jié)流減壓后：料液加熱溫度：(3)過程特征方程式相平衡方程(理想溶液)泡點方程(2)熱量衡算9.3.1.2平衡蒸餾過程的計算給定汽化率(1–

q)，聯(lián)立方程：

(1)

(2)可得汽、液相組成y，x9.3.1.2平衡蒸餾過程的計算9.3.2簡單蒸餾9.3.2.1過程的數(shù)學描述

微元時間作易揮發(fā)組分的物料衡算：

略去二階無窮小量，則

積分相平衡方程式

9.3.2簡單蒸餾9.3.2.2簡單蒸餾的過程計算

理想溶液

餾出液平均組成：9.3.2.2簡單蒸餾的過程計算9.4精餾9.4.1精餾過程9.4.1.1精餾原理

精餾段作用

提餾段作用相平衡條件y>x保證了只需部分回流?！遹>x∴L<V常規(guī)精餾9.4精餾9.4.1精餾過程常規(guī)精餾上述平衡蒸餾與簡單蒸餾可見只經(jīng)過一次部分氣化,即只利用一次平衡關系,因此不能獲得高純度產(chǎn)品.精餾實際是多次部分氣化或多次部分冷凝,即利用多次平衡關系。得到許多中間產(chǎn)品上述平衡蒸餾與簡單蒸餾可見得到許多中間產(chǎn)品為了消除中間產(chǎn)品可以以下流程用上升蒸汽的熱量使液體部分氣化,由于是同一物系,可用直接接觸方式換熱。工業(yè)上精餾是在精餾塔內(nèi)完成的，塔頂冷凝器將蒸汽冷凝后，一部分冷凝液回流入塔,稱為回流液.塔底裝有再沸器氣化部分液體成蒸汽使之沿塔上升，與下降的液體逆流接觸進行物質(zhì)傳遞,達到分離的目的。

為了消除中間產(chǎn)品可以以下流程工業(yè)上精餾是在精餾塔內(nèi)完成的，塔常規(guī)精餾塔見圖9-14一股進料,二股出料,塔頂是全凝器,塔底是間壁式的再沸器.在塔的加料板以上完成上升蒸汽的精制,除去其中的重組分,稱為精餾段;在塔的加料板以下完成液體中提濃,提出輕組分,稱為提餾段.

精餾與簡單蒸餾的區(qū)別在于”回流”,回流構(gòu)成氣液兩相接觸傳質(zhì)的必要條件,使重組分向液相傳遞,輕組分向氣相傳遞.（P60）全塔物料衡算精餾塔操作的各流率和組成間的關系均受全塔物料衡算的約束.流率以kmol/s表示,氣液組成以摩爾分率y和x表示.常規(guī)精餾塔見圖9-14精餾段作用：吸收重組分，完成上升蒸汽的精制。提餾段作用：脫除輕組分，完成下降液體中重組分的提濃?；ぴ淼?9章01改資料課件化工原理第09章01改資料課件9.4.1.2全塔物料衡算總物料衡算輕組分衡算

，

(1)規(guī)定xD,xW,則D/F及W/F亦隨之確定；

(2)規(guī)定D,xD,則W,xW亦隨之確定。

，9.4.1.2全塔物料衡算9.4.1.3回流比和能耗回流比：

R↑，V↑，加熱速率↑，冷凝量↑，能耗↑。9.4.1.3回流比和能耗9.4.2塔板上過程的數(shù)學描述9.4.2.1單塊塔板的物料衡算和熱量衡算

總物料衡算

Vn+1+Ln-1=Vn+Ln

輕組分衡算

Vn+1yn+1+Ln-1xn-1=Vnyn+Lnxn

熱量衡算

Vn+1In+1+Ln-1in-1=VnIn+Lnin（忽略熱損失）

（實際塔板結(jié)構(gòu)）9.4.2塔板上過程的數(shù)學描述飽和蒸汽：I=i+γVn+1(γn+1+in+1)+Ln-1in-1=Vn

(γn+in)+Lnin熱量衡算的簡化與恒摩爾流假定假設in+1=in-1=in=

i，γn+1=

γn=

γ

，則(Vn+1–Vn)γ=(Ln+Vn–Ln-1–Vn+1)in聯(lián)立總物料衡算Vn+1=Vn，Ln=

Ln-1，無加料和出料的任一塔段中，各板上升的蒸汽量均相等，各板下降的液體量也均相等。恒摩爾流假定條件：兩組分的汽化熱近似相等；忽略顯熱項誤差；忽略熱損失。飽和蒸汽：I=i+γ9.4.2.2塔板傳質(zhì)過程的簡化

理論板：汽液兩相充分混合，傳質(zhì)和傳熱過程阻力為零的理想化塔板。滿足

tn=φ(xn)

yn=f(xn)

板效率：表達實際塔板與理論板的差異。對于具體分離任務，所需理論板的數(shù)目只決定于物系的相平衡及兩相的流量比。9.4.2.2塔板傳質(zhì)過程的簡化

理論加料板:不論進入加料板各物流的組成、熱狀態(tài)及接觸方式如何，離開加料板的汽液兩相溫度相等，組成互為平衡。理論板概念的引入使復雜的精餾問題分解為兩個問題,然后分步解決.

理論板數(shù)量取決于分離要求,相平衡和回流比.板效率大小取決于設備和氣液接觸狀況.(相當于NOG和HOG)經(jīng)過簡化單塊板的數(shù)學方程為:物料衡算式相平衡方程理論加料板:不論進入加料板9.4.2.3加料板過程分析(1)理論加料板

理論加料板（R）物料衡算式

相平衡方程

ym=f(xm)9.4.2.3加料板過程分析加料的熱狀況——原料加熱到不同溫度時狀態(tài)不一；有冷液，飽和液，氣液兩相，飽和氣，過熱氣。不同的加料狀態(tài)，離開加料板的兩相流量和組成也不同。q：加料熱狀態(tài)參數(shù)，大小等于每加入1kmol的原料使提餾段液體所增加的kmol數(shù)。加料的熱狀況——原料加熱到不同(2)精餾段與提餾段兩相流量的關系總物料衡算熱量衡算聯(lián)立上兩式：

q的定義：

q：(R)q(2)精餾段與提餾段兩相流量的關系五種加料熱狀態(tài)：

q=0飽和蒸汽進料；0<q<1汽液混合物進料；q=1泡點進料；q>1冷液進料；q

<0過熱蒸汽進料五種加料熱狀態(tài)：9.4.2.4精餾塔內(nèi)的摩爾流率精餾段

提餾段

塔頂全凝器的熱負荷塔釜熱負荷冷凝器物料衡算塔釜物料衡算9.4.2.4精餾塔內(nèi)的摩爾流率9.4.3精餾塔的操作方程9.4.3.1精餾段操作方程9.4.3精餾塔的操作方程9.4.3.2提餾段操作方程9.4.3.2提餾段操作方程9.4.3.3q線方程，

∴

兩操作線交點的軌跡方程。9.4.3.3q線方程9.4.3.4操作方程的圖示___操作線9.4.3.4操作方程的圖示___操作線操作方程的圖示——操作線精餾段的端點y＝xD，x＝xD

斜率R(R+1),截距xD/(R+1)提餾段的端點y＝xW，x＝xW斜率兩操作線的交點xWxD操作方程的圖示——操作線xWxD9.4.3.5理論板的增濃度9.4.3.5理論板的增濃度9.5雙組分精餾的設計型計算9.5.1理論板數(shù)的計算9.5.1.1設計型計算的命題

分離要求：(1)D，xD(W,xW)；(2)xD,xW；(3)η=DxD/FxF

規(guī)定一個，其余隨之而定。選擇條件：操作壓強p，回流比R和進料熱狀態(tài)q，選定后，相平衡關系及操作方程隨之而定。求取：NT9.5雙組分精餾的設計型計算9.5.1理論板數(shù)的計算9.5.1.2逐板計算法連續(xù)精餾塔，塔頂設全凝器，泡點回流。步驟：(1)；(2)；(3)……交替使用相平衡方程和操作方程，至xi≤xq時，改換提餾段操作方程，至xN≤xW止。9.5.1.2逐板計算法逐板計算法的圖示逐板計算法的圖示見圖階梯數(shù)為理論板數(shù)；跨越點xq，yq的板為加料板位置。再沸器由于體積大液體停留時間長可以認為是一塊理論板。xDxWx1，y1xN，yNxq，yq見圖xDxWx1，y1xN，yNxq，yq

逐板計算法的圖示化工原理第09章01改資料課件操作線的實際作法消去上二式的xD，得1）以點xD和截距作精餾段操作線；2）以q線的斜率和點xF作q線；3）以點xW和點xq，yq作提餾段操作線。qq操作線的實際作法qq熱狀態(tài)和q線的斜率泡點加料是垂線露點加料是水平線q＝1q=00<q<1q>1q<0xF熱狀態(tài)和q線的斜率q＝1q=00<q<1q>1q<0xF9.5.1.3最優(yōu)加料位置的確定最優(yōu)加料板位置：該板x≤xq(xq為兩操作線交點坐標)9.5.1.3最優(yōu)加料位置的確定9.5.2回流比的選擇兩者均有利于傳質(zhì),NT↓，但R↑，↑，能耗↑。9.5.2回流比的選擇9.5.2.1全回流與最少理論板數(shù)9.5.2.1全回流與最少理論板數(shù)最少理論板數(shù)的計算，對應理想溶液：最少理論板數(shù)的計算，對應理想溶液：9.5.2.2最小回流比RminRmin

與相平衡性質(zhì)及分離要求有關。

9.5.2.2最小回流比Rmin化工原理第09章01改資料課件最小回流比Rmin兩操作線向平衡線靠近，理論板數(shù)需要無窮多，e點為挾點，附近為恒濃區(qū)；最小回流比與平衡關系和分離要求有關。最小回流比Rmin9.5.2.3最適宜回流比的選取9.5.2.3最適宜回流比的選取9.5.2.4理論板數(shù)的捷算法9.5.2.4理論板數(shù)的捷算法9.5.3加料熱狀態(tài)的選擇(1)R一定（冷卻量固定）

q值的變化不影響精餾段操作線的位置，但明顯改變了提餾段操作線的位置。

q↓（預熱原料），NT↑熱量盡可能施于塔底!!

原因(R)原因9.5.3加料熱狀態(tài)的選擇原因：R一定（冷卻量固定），q↓（預熱原料），↓，↑,傳質(zhì)推動力↓，NT↑化工原理第09章01改資料課件一定（塔釜加熱量固定）

q↑（預冷原料）NT↑，冷量盡可能施于塔頂!!

原因：一定(加熱量一定),q↑(預冷原料),R↓,

↓，傳質(zhì)推動力↓,NT↑。

一定（塔釜加熱量固定）9.5.4雙組分精餾過程的其它類型9.5.4.1直接蒸汽加熱

由恒摩爾流假定：

9.5.4雙組分精餾過程的其它類型在分離要求相同的情況下，因加熱蒸汽凝液排出時也帶出少量輕組分，將使輕組分的回收率降低。因此須盡可能除去加熱蒸汽夾帶的水分。在分離要求相同的情9.5.4.2多股加料濃度不同的料液在同一塔內(nèi)分離?；亓鞅葴p小時，三操作線均向平衡線靠攏。挾點位置有多種可能?；旌霞恿喜焕?，能耗增加。9.5.4.2多股加料9.5.4.3側(cè)線出料需要組成不同的多種產(chǎn)品。無論側(cè)線產(chǎn)品為液相還是汽相，總有：挾點一般在q線與平衡線交點處。9.5.4.3側(cè)線出料化工原理第09章01改資料課件9.5.4.4回收塔回收稀溶液中的輕組分，餾出液濃度需要不高。xD↑,↓,

F/D↑,NT↑9.5.4.4回收塔化工原理第09章01改資料課件9.5.5精餾方案的比較不同的物系性質(zhì)及分離要求，可有多種流程，應從能耗、設備費及產(chǎn)品收率等方面作經(jīng)濟分析。分離重組分為水的溶液，直接蒸汽加熱可免去蒸餾釜。9.5.5精餾方案的比較(1)xF,q,R,xD,xW

相同,比較能耗及η頂直接蒸汽加熱間接蒸汽加熱

R不變,D直↓,↓,能耗直↓NT直<NT間(1)xF,q,R,xD,xW相同,比(2)xF,q,R,xD,η

相同，比較NT

及能耗

D,

xD

相同,V=(R+1)D相同，相同，能耗相同。

D/F保持一定,S冷凝由釜底排出,xW直↓,NT直↑(2)xF,q,R,xD,η相同，比較N9.6雙組分精餾的操作型計算9.6.1精餾塔的溫度分布和靈敏板9.6.1.1精餾塔的溫度分布tB=f(p,x),各板p，x不同，因而精餾塔存在溫度分布。9.6雙組分精餾的操作型計算9.6.1精餾塔的溫度分布和化工原理第09章01改資料課件9.6.1.2靈敏板靈敏板：操作條件變動引起溫度變化最為顯著的塔板。這些塔板的溫度對外界干擾的反映最靈敏。9.6.1.2靈敏板9.6.2精餾過程的操作型計算9.6.2.1操作型計算的命題已知：NT,加料板位置m,相平衡關系,xF,q,R,規(guī)定：D/F。求取：xD,xW及逐板的組成分布。特點:(1)變量眾多且關系為非線性，須試差求解。(2)加料板位置(或其它操作條件)一般不滿足最優(yōu)化條件。計算所用方程與設計時相同。以下僅作定性分析。9.6.2精餾過程的操作型計算9.6.2.2回流比增加對精餾結(jié)果的影響

已知：NT,m,α,xF,q,D/F一定，R↑求：xD,xW的變化。

分析：，∴

xD↑,tD↓,xW↓,tW↑9.6.2.2回流比增加對精餾結(jié)果的影響化工原理第09章01改資料課件D/F規(guī)定，籍R增加以提高xD并非總是有效！(1)xD

的提高受全塔物料衡算限制，極限值；

xD的提高受精餾塔分離能力的限制。D/F規(guī)定，籍R增加以提高xD并非總是有效！

在回流比較小時，R↑,xD↑,xD受分離能力(回流比)的影響。在回流比較大時,xD受物料衡算限制,R↑,xD無明顯變化,xD取決于采出率D/F。

在回流比較小時，R↑,xD↑,xD受分離9.6.2.3采出率增加對精餾結(jié)果的影響已知：NT,m,α,xF,q,R一定,D/F↑,求：xD,xW的變化，分析：不變，∴xD↓,tD↑,xW↓

,tW↑9.6.2.3采出率增加對精餾結(jié)果的影響化工原理第09章01改資料課件9.6.2.4進料組成變動的影響

已知：NT,m,α,q,R,D/F一定,xF↓。

求：xD,xW的變化。分析：不變，xD↓,xW↓

加料板位置不一定最優(yōu)。9.6.2.4進料組成變動的影響9.6.3精餾塔的操作板式精餾塔的不正常操作現(xiàn)象9.6.3精餾塔的操作9.7間歇精餾9.7.1間歇精餾過程的特點特點：(1)過程非定態(tài)；(2)無提餾段，獲得

xD,xW

一定的產(chǎn)品，能耗大于連續(xù)精餾。9.7間歇精餾9.7.1間歇精餾過程的特點9.7.2xD恒定的間歇精餾設計計算命題：已知F,xF,指定xD不變，操作至規(guī)定xw或η，選擇R變化范圍。求：NT。9.7.2xD恒定的間歇精餾9.7.2.1確定理論板數(shù)

NT

xD不變，xW↓，以xW終為計算基準。9.7.2.1確定理論板數(shù)NT9.7.2.2每批料液的操作時間τ在時間內(nèi)的汽化量為，且等于塔頂蒸汽量

(1)

任一瞬時之前已餾出的液體量D由物料衡算式確定，即

將此式代入(1)9.7.2.2每批料液的操作時間τ

積分得

在操作過程中因塔板數(shù)不變，每一釜液