化工原理精餾

關(guān)于化工原理精餾

§1.1概述1．蒸餾傳質(zhì)（masstransfer）過(guò)程：物質(zhì)在相間的轉(zhuǎn)移過(guò)程稱(chēng)為傳質(zhì)（分離）過(guò)程常見(jiàn)傳質(zhì)過(guò)程：通過(guò)加熱造成氣液兩相物系，利用物系中各組分揮發(fā)度不同的特性以實(shí)現(xiàn)分離的單元操作蒸餾、吸收、萃取、干燥第2頁(yè),共93頁(yè)，2024年2月25日，星期天2．蒸餾過(guò)程的分類(lèi)1．按蒸餾方式簡(jiǎn)單蒸餾平衡蒸餾精餾特殊精餾萃取精餾恒沸精餾2．按操作壓強(qiáng)常壓蒸餾加壓蒸餾減壓蒸餾第3頁(yè),共93頁(yè)，2024年2月25日，星期天3．按待分離混合物中組分的數(shù)目：雙組分蒸餾多組分蒸餾4．按操作流程：間歇蒸餾：小規(guī)模生產(chǎn)，非定態(tài)操作連續(xù)蒸餾：大規(guī)模，定態(tài)操作本章討論：常壓下的兩組分連續(xù)精餾第4頁(yè),共93頁(yè)，2024年2月25日，星期天

vapor-liquidphaseequilibrium§1.2兩組分溶液的氣液平衡1.2.1雙組分理想物系的氣液平衡理想物系：溶液中不同組分的分子間作用力和相同組分的分子間作用力完全相等。液相為理想溶液、氣相為理想氣體的混合物系液相為理想溶液，遵循拉烏爾定律氣相為理想氣體，遵循道爾頓定律第5頁(yè),共93頁(yè)，2024年2月25日，星期天1）用飽和蒸氣壓表示氣液平衡關(guān)系的表示法拉烏爾定律：理想溶液氣相中組分的分壓等于純組分在該溫度下的飽和蒸氣壓與其在溶液中摩爾分?jǐn)?shù)乘積A:易揮發(fā)組分，沸點(diǎn)低組分B:難揮發(fā)組分，沸點(diǎn)高組分第6頁(yè),共93頁(yè)，2024年2月25日，星期天y:氣相中易揮發(fā)組分的摩爾分?jǐn)?shù)；1-y:難揮發(fā)組分的摩爾分?jǐn)?shù)x:液相中易揮發(fā)組分的摩爾分?jǐn)?shù)；1-x:難揮發(fā)組分的摩爾分?jǐn)?shù)第7頁(yè),共93頁(yè)，2024年2月25日，星期天溶液沸騰時(shí)，總壓等于各組分的蒸氣壓之和理想氣體混合物服從道爾頓分壓定律：第8頁(yè),共93頁(yè)，2024年2月25日，星期天用飽和蒸氣壓表示的氣液平衡關(guān)系第9頁(yè),共93頁(yè)，2024年2月25日，星期天2）用相對(duì)揮發(fā)度表示某組分在氣相中的平衡分壓與該組分在液相中的摩爾分率之比某組分由液相揮發(fā)到氣相中的趨勢(shì)，是該組分揮發(fā)性大小的標(biāo)志☆揮發(fā)度定義揮發(fā)度意義第10頁(yè),共93頁(yè)，2024年2月25日，星期天雙組分理想溶液☆相對(duì)揮發(fā)度定義溶液中易揮發(fā)組分揮發(fā)度與難揮發(fā)組分揮發(fā)度之比第11頁(yè),共93頁(yè)，2024年2月25日，星期天壓強(qiáng)不高，氣相遵循道爾頓分壓定律理想溶液第12頁(yè),共93頁(yè)，2024年2月25日，星期天第13頁(yè),共93頁(yè)，2024年2月25日，星期天①α>1，表明A比B容易揮發(fā)，α越大，揮發(fā)度差別越大，越容易分離。②若α=1，y=x，說(shuō)明氣液相組成相同，不能采用普通的精餾方法分離對(duì)相對(duì)揮發(fā)度的理解氣液平衡方程第14頁(yè),共93頁(yè)，2024年2月25日，星期天3.兩組分理想溶液的氣液平衡相圖苯(A)和甲苯(B)的飽和蒸氣壓和溫度關(guān)系如表，試?yán)美瓰鯛柖珊拖鄬?duì)揮發(fā)度分別計(jì)算苯-甲苯混合液在總壓101.33kPa下的氣液平衡數(shù)據(jù),溫度－組成圖t/℃80.184889296100104108110.8pAo/kPa101.3113.6130143.7160.5179.2199.3221.2233.0pBo/kPa39.344.450.657.665.774.583.393.9101.31）溫度－組成（t-x-y）圖第15頁(yè),共93頁(yè)，2024年2月25日，星期天解

(1)利用拉烏爾定律計(jì)算氣液平衡數(shù)據(jù)t/℃80.184889296100104108110.8x1.0000.8220.6390.5080.3760.2560.1550.0580.000y1.0000.9220.8190.7200.5950.4530.3050.1270.000(2)利用相對(duì)揮發(fā)度計(jì)算氣液平衡數(shù)據(jù)求平均揮發(fā)度第16頁(yè),共93頁(yè)，2024年2月25日，星期天t---y線，氣相組成與平衡溫度之間的關(guān)系。飽和蒸氣線，露點(diǎn)線t---x線，液相組成與平衡溫度之間的關(guān)系。飽和液相線，泡點(diǎn)線第17頁(yè),共93頁(yè)，2024年2月25日，星期天2）x-y圖（1）y>x（2）平衡線離對(duì)角線越遠(yuǎn)，氣液兩相濃度差越大，溶液越易分離第18頁(yè),共93頁(yè)，2024年2月25日，星期天1.3.1平衡蒸餾（閃蒸）§1.3平衡蒸餾和簡(jiǎn)單蒸餾操作過(guò)程：混合液經(jīng)加熱器升溫，使溫度高于分離器壓強(qiáng)下液體的沸點(diǎn)，通過(guò)減壓閥降壓進(jìn)入分離器，此時(shí)過(guò)熱的液體混合物被部分汽化得到分離第19頁(yè),共93頁(yè)，2024年2月25日，星期天1．物料衡算總物料：易揮發(fā)組分：F，D，W---原料液、氣相、液相產(chǎn)品摩爾流量,kmol/sxF，y，x---原料液、氣相、液相產(chǎn)品的組成，摩爾分?jǐn)?shù)q：液化分率第20頁(yè),共93頁(yè)，2024年2月25日，星期天2．熱量衡算對(duì)加熱器熱量衡算原料液減壓進(jìn)入分離器，物料放出的顯熱等于部分汽化所需潛熱原料液離開(kāi)加熱器的溫度第21頁(yè),共93頁(yè)，2024年2月25日，星期天1.3.2簡(jiǎn)單蒸餾（微分蒸餾）①得不到大量高純度的產(chǎn)品②釜液與蒸氣的組成都是隨時(shí)間而變化的，是一種非穩(wěn)態(tài)過(guò)程③只能進(jìn)行初步分離，而且生產(chǎn)能力低，適合于當(dāng)組分揮發(fā)度相差較大的情況。特點(diǎn)：第22頁(yè),共93頁(yè)，2024年2月25日，星期天※蒸餾---當(dāng)生產(chǎn)上對(duì)產(chǎn)品的純度要求不高，只需要初步分離時(shí)采用的分離方法；※平衡、簡(jiǎn)單蒸餾是單級(jí)分離過(guò)程→一次部分汽化→混合物部分分離※精餾是多級(jí)分離過(guò)程→多次部分汽化和部分冷凝→混合物幾乎完全分離※精餾---當(dāng)產(chǎn)品的純度要求高，特別是在混合物揮發(fā)度比較接近時(shí)采用的分離方法。蒸餾與精餾的區(qū)別第23頁(yè),共93頁(yè)，2024年2月25日，星期天§1.4精餾原理和流程1.4.1精餾過(guò)程原理和條件液體混合物經(jīng)多次部分氣化后，在液相中獲得高純度的難揮發(fā)組分氣體混合物經(jīng)多次部分冷凝后，在氣相中獲得高純度的易揮發(fā)組分第24頁(yè),共93頁(yè)，2024年2月25日，星期天條件結(jié)果第25頁(yè),共93頁(yè)，2024年2月25日，星期天將原料液進(jìn)入的層板稱(chēng)為加料板，加料板以上的塔段，作用是把上升蒸氣中易揮發(fā)組分進(jìn)一步提濃，稱(chēng)為精餾段；加料板以下的塔段（包括加料板），其作用是從下降液體中提取易揮發(fā)組分，稱(chēng)為提餾段1.4.2精餾操作流程第26頁(yè),共93頁(yè)，2024年2月25日，星期天第27頁(yè),共93頁(yè)，2024年2月25日，星期天

1.5.1理論板的概念和恒摩爾流假定理論板：在其上氣、液兩相都充分混合，且傳質(zhì)及傳熱過(guò)程阻力均為零的理想化塔板，無(wú)論進(jìn)入理論板的氣、液兩相組成如何，離開(kāi)該板時(shí)氣、液兩相達(dá)到平衡狀態(tài)，即兩相溫度相等，組成互成平衡，組成關(guān)系可由平衡關(guān)系來(lái)確定§1.5兩組分連續(xù)精餾的計(jì)算第28頁(yè),共93頁(yè)，2024年2月25日，星期天1.恒摩爾氣流精餾段提餾段2.恒摩爾液流精餾段提餾段恒摩爾流：每層塔板的上升蒸氣的摩爾流量恒定,下降液體的摩爾流量也恒定。第29頁(yè),共93頁(yè)，2024年2月25日，星期天在精餾塔的塔板上氣液兩相接觸時(shí)，若有nkmol/h的蒸氣冷凝，相應(yīng)有nkmol/h液體氣化。第30頁(yè),共93頁(yè)，2024年2月25日，星期天1.全塔物料衡算總物料：易揮發(fā)組分：F，D，W---原料液、餾出液、釜?dú)堃耗柫髁?kmol/sxF，xD，xW---易揮發(fā)組分的摩爾分?jǐn)?shù)1.5.2物料衡算與操作線方程第31頁(yè),共93頁(yè)，2024年2月25日，星期天塔頂易揮發(fā)組分的回收率：分離要求的表示方法（1）規(guī)定易揮發(fā)組分在餾出液和釜?dú)堃旱慕M成；（2）規(guī)定餾出液組成xD和塔頂易揮發(fā)組分回收率；（3）規(guī)定餾出液組成xD和塔頂采出率D/F（4）塔底難揮發(fā)組分的回收率第32頁(yè),共93頁(yè)，2024年2月25日，星期天在連續(xù)精餾塔中分離苯－甲苯混合液。已知原料液流量為10000kg/h,苯的組成為40％（質(zhì)量）。要求餾出液組成為97％，釜?dú)堃航M成為2％。試求餾出液和釜?dú)堃旱牧髁浚╧mol/h）及餾出液中易揮發(fā)組分的回收率？苯的摩爾質(zhì)量為78kg/kmol;甲苯的摩爾質(zhì)量為92kg/kmol第33頁(yè),共93頁(yè)，2024年2月25日，星期天2.精餾段操作線方程總物料易揮發(fā)組分第34頁(yè),共93頁(yè)，2024年2月25日，星期天回流比①物理意義：n板下降的液相組成與相鄰的n+1板上升蒸氣組成之間的關(guān)系②由恒摩爾流的假定，L為定值，且連續(xù)定態(tài)操作中D和xD也是定值，R是常量,直線方程第35頁(yè),共93頁(yè)，2024年2月25日，星期天3.提餾段操作線方程總物料：易揮發(fā)組分：第36頁(yè),共93頁(yè)，2024年2月25日，星期天②根據(jù)恒摩爾流的假定，L’為定值，且連續(xù)定態(tài)操作中W和xW也是定值，是直線方程①物理意義：m板下降的液相組成與相鄰的m+1板上升蒸氣組成之間的關(guān)系第37頁(yè),共93頁(yè)，2024年2月25日，星期天在某兩組分連續(xù)精餾塔中，精餾段內(nèi)自第n層理論板下降的液相組成為0.65（易揮發(fā)組分摩爾分?jǐn)?shù)），進(jìn)入該板的氣相組成為0.75，塔內(nèi)氣液摩爾流量比V/L=2，物系的相對(duì)揮發(fā)度為2.5，試求R、yn、xn-1第38頁(yè),共93頁(yè)，2024年2月25日，星期天物料衡算：熱量衡算：一、進(jìn)料熱狀況參數(shù)1.5.3進(jìn)料熱狀態(tài)的影響第39頁(yè),共93頁(yè)，2024年2月25日，星期天令：q:進(jìn)料熱狀況參數(shù)第40頁(yè),共93頁(yè)，2024年2月25日，星期天精餾段和提餾段的氣、液相流量與進(jìn)料量及進(jìn)料熱狀況參數(shù)之間的基本關(guān)系第41頁(yè),共93頁(yè)，2024年2月25日，星期天提餾段操作線方程例題1-5第42頁(yè),共93頁(yè)，2024年2月25日，星期天二、進(jìn)料熱狀況：(1)溫度低于泡點(diǎn)的冷液體；(2)泡點(diǎn)溫度的飽和液體；(3)溫度介于泡點(diǎn)和露點(diǎn)之間的氣液混合物；(4)露點(diǎn)溫度的飽和蒸氣；(5)溫度高于露點(diǎn)的過(guò)熱蒸氣。進(jìn)料熱狀況影響L、L’及V、V’之間的關(guān)系第43頁(yè),共93頁(yè)，2024年2月25日，星期天L’包括三部分:①L;②F;③因原料溫度低于加料板上氣液溫度，故原料進(jìn)入加料板后將一部分從提餾段上升蒸氣冷凝下來(lái)（1）冷液進(jìn)料：第44頁(yè),共93頁(yè)，2024年2月25日，星期天（2）飽和液體進(jìn)料原料進(jìn)入加料板后全部以原來(lái)液體的狀況進(jìn)入提餾段第45頁(yè),共93頁(yè)，2024年2月25日，星期天原料含有一部分液體（往下流），一部分氣體（上升）（3）氣液混合物進(jìn)料第46頁(yè),共93頁(yè)，2024年2月25日，星期天（4）飽和蒸氣進(jìn)料原料進(jìn)入加料板后全部以原來(lái)氣體的狀況上升第47頁(yè),共93頁(yè)，2024年2月25日，星期天因原料溫度高于加料板上氣液溫度，故原料進(jìn)入加料板后勢(shì)必將原塔內(nèi)下降的液體加熱氣化上升。（5）過(guò)熱蒸氣進(jìn)料第48頁(yè),共93頁(yè)，2024年2月25日，星期天例1－8分離例1－6中的苯－甲苯混合液，若進(jìn)料為飽和液體，R=3.5,試求提餾段操作方程，截距和斜率例1－9分離例1－8中的苯－甲苯混合液，若將進(jìn)料熱狀態(tài)變?yōu)?0℃的冷液體，試求提餾段的上升蒸氣流量和下降液體流量。已知操作條件下苯的汽化熱為389kJ/kg，甲苯的汽化熱為360kJ/kg，原料液的平均比熱容為158kj/(kmol.℃)。苯－甲苯混合液的氣液平衡數(shù)據(jù)見(jiàn)圖。原料液的平均氣化熱第49頁(yè),共93頁(yè)，2024年2月25日，星期天1.5.4理論塔板數(shù)的求法1.逐板計(jì)算法

精餾段第一塊（全凝）第一板上升的蒸氣被全部冷凝并在泡點(diǎn)下回流，故塔頂餾出液組成及回流液組成與第一層板的上升蒸氣相同第50頁(yè),共93頁(yè)，2024年2月25日，星期天第二塊……....離開(kāi)每層理論板的氣液相平衡第n塊加料板屬于提餾段，故精餾段所需塔板數(shù)為(n-1)……....第51頁(yè),共93頁(yè)，2024年2月25日，星期天再沸器相當(dāng)一塊理論板,提餾段所需板數(shù)(m-1)提餾段：……第52頁(yè),共93頁(yè)，2024年2月25日，星期天精餾塔所需的總理論板數(shù)第53頁(yè),共93頁(yè)，2024年2月25日，星期天2.梯級(jí)圖解法2.1在x-y坐標(biāo)圖上作出平衡曲線和對(duì)角線2.2在x-y坐標(biāo)圖上作出操作線(1)精餾段操作線的作法精餾段操作線精餾段操作線第54頁(yè),共93頁(yè)，2024年2月25日，星期天(2)提餾段操作線的作法(3)q線方程精餾段操作線與提餾段操作線交點(diǎn)的軌跡方程第55頁(yè),共93頁(yè)，2024年2月25日，星期天畫(huà)q線方程q線方程，進(jìn)料方程第56頁(yè),共93頁(yè)，2024年2月25日，星期天過(guò)e點(diǎn)作斜率為q/(q-1)的直線ef，即為q線ef第57頁(yè),共93頁(yè)，2024年2月25日，星期天(4)進(jìn)料熱狀況對(duì)q線及操作線的影響進(jìn)料熱狀況q值q線的斜率q/(q-1)冷液體>1+飽和液體1∞氣、液混合物0<q<1-飽和蒸氣00過(guò)熱蒸氣<0+第58頁(yè),共93頁(yè)，2024年2月25日，星期天q線在x-y圖上的位置第59頁(yè),共93頁(yè)，2024年2月25日，星期天第60頁(yè),共93頁(yè)，2024年2月25日，星期天2.3圖解方法圖解法求理論板數(shù)第61頁(yè),共93頁(yè)，2024年2月25日，星期天2.4適宜的進(jìn)料位置進(jìn)料位置不當(dāng)，將使理論板數(shù)增多。實(shí)際操作中，進(jìn)料位置過(guò)高，餾出液中難揮發(fā)組分含量增高；反之進(jìn)料位置過(guò)低，使釜?dú)堃褐幸讚]發(fā)組分含量增高離開(kāi)該板的液相組成x≤xd，如上圖中的4塊塔板為最優(yōu)加料位置最優(yōu)加料板位置的確定：第62頁(yè),共93頁(yè)，2024年2月25日，星期天例1－10在常壓連續(xù)精餾塔中，分離苯－甲苯混合液。已知原料液流量為116.6kmol/h,苯的組成為0.44（摩爾分?jǐn)?shù)）。要求餾出液組成為0.975，釜?dú)堃航M成為0.0235，回流比為3.5，相對(duì)揮發(fā)度為2.47,塔頂采用全凝器，泡點(diǎn)下回流。塔釜采用間接蒸汽加熱，試用逐板計(jì)算法求理論板數(shù)。第63頁(yè),共93頁(yè)，2024年2月25日，星期天例1－11在常壓連續(xù)精餾塔中分離苯－甲苯混合液，試用圖解法求理論板數(shù)（1）在直角坐標(biāo)上利用平衡方程繪制平衡曲線及對(duì)角線；（2）在對(duì)角線上定點(diǎn)a（0.975,0.975），在y軸上截距為：在y軸上定出點(diǎn)b，連接ab即為精餾段方程（3）在對(duì)角線上定點(diǎn)e（0.44,0.44）,過(guò)點(diǎn)e作斜率為3.76的直線ef，即為q線。與精餾段操作線相交于點(diǎn)d第64頁(yè),共93頁(yè)，2024年2月25日，星期天（4）在對(duì)角線上定點(diǎn)c（0.0235,0.0235），連接cd，該直線即為提餾段操作線自點(diǎn)a開(kāi)始在平衡線和精餾段操作線間由水平線和垂直線所構(gòu)成的梯級(jí)，當(dāng)梯級(jí)跨過(guò)點(diǎn)d后更換操作線，即在平衡線和提餾段操作線間畫(huà)梯級(jí)，直到梯級(jí)達(dá)到或跨過(guò)點(diǎn)c為止第65頁(yè),共93頁(yè)，2024年2月25日，星期天1.5.5回流比的影響及其選擇回流比有兩個(gè)極限值，上限是全回流，下限為最小回流比回流比：1.全回流和最少理論板層數(shù)第66頁(yè),共93頁(yè)，2024年2月25日，星期天全回流時(shí)，操作線距平衡線最遠(yuǎn)，表示塔內(nèi)氣液兩相間的傳質(zhì)推動(dòng)力最大，因此達(dá)到給定分離任務(wù)所需理論板數(shù)最少，最少理論板數(shù)Nmin精餾段操作線與對(duì)角線重合操作線方程：提餾段操作線與對(duì)角線重合理論板數(shù)：第67頁(yè),共93頁(yè)，2024年2月25日，星期天芬斯克方程全塔平均相對(duì)揮發(fā)度，可取塔頂和塔底的平均值全回流時(shí)最小理論板層數(shù)（不包括再沸器）第68頁(yè),共93頁(yè)，2024年2月25日，星期天最小理論塔板數(shù)的圖解法第69頁(yè),共93頁(yè)，2024年2月25日，星期天當(dāng)回流比減少到某一極限值時(shí)，兩條操作線的交點(diǎn)d落在相平衡線上，此時(shí)梯級(jí)無(wú)法跨過(guò)d，所需的理論塔板數(shù)為無(wú)窮大，這時(shí)的回流比稱(chēng)為最小回流比Rmin２.最小回流比當(dāng)回流比小于Rmin,操作線和q線的交點(diǎn)落在平衡線外，精餾操作無(wú)法完成第70頁(yè),共93頁(yè)，2024年2月25日，星期天最小回流比的求法（1）作圖法第71頁(yè),共93頁(yè)，2024年2月25日，星期天（2）解析法第72頁(yè),共93頁(yè)，2024年2月25日，星期天飽和液體進(jìn)料飽和蒸氣進(jìn)料第73頁(yè),共93頁(yè)，2024年2月25日，星期天3.最適宜回流比的選擇?一般原則：第74頁(yè),共93頁(yè)，2024年2月25日，星期天1.5.6簡(jiǎn)捷法求理論板層數(shù)1．吉利蘭（Gilliland）圖R、Rmin、N、Nmin的關(guān)聯(lián)圖第75頁(yè),共93頁(yè)，2024年2月25日，星期天吉利蘭圖應(yīng)用條件:組分?jǐn)?shù)：2~11；進(jìn)料熱狀況：5Rmin=0.53~7.0；相對(duì)揮發(fā)度：1.26~4.05理論板層數(shù)：2.4~43.1李德（Liddle）回歸方程適用條件：第76頁(yè),共93頁(yè)，2024年2月25日，星期天2．簡(jiǎn)捷法求理論板層數(shù)的步驟①計(jì)算Rmin，選擇R第77頁(yè),共93頁(yè)，2024年2月25日，星期天④確定進(jìn)料板位置②計(jì)算Nmin③計(jì)算橫坐標(biāo)（R-Rmin）/（R+1）→縱坐標(biāo)（N-Nmin）/（N+2）→算出理論板層數(shù)例題1-8第78頁(yè),共93頁(yè)，2024年2月25日，星期天1.5.8塔高和塔徑的計(jì)算1．塔高的計(jì)算1）板式塔有效高度的計(jì)算實(shí)際板層數(shù)板間距有效高度，不包括塔釜和塔頂空間高度第79頁(yè),共93頁(yè)，2024年2月25日，星期天2）塔板效率反映實(shí)際塔板的氣、液兩相傳質(zhì)的程度（1）總板效率（全塔效率）：達(dá)到指定分離效果所需理論板層數(shù)與實(shí)際板層數(shù)的比值理論板層數(shù)實(shí)際板層數(shù)第80頁(yè),共93頁(yè)，2024年2月25日，星期天影響塔板效率的因素（1）物系性質(zhì)（2）塔板結(jié)構(gòu)（3）操作條件第81頁(yè),共93頁(yè)，2024年2月25日，星期天塔板效率估算方法（2）經(jīng)驗(yàn)計(jì)算法：奧康奈爾（O’connell）（1）全面考慮