《精餾操作型計算》課件

精餾操作型計算精餾是一種常用的化學(xué)分離技術(shù)，廣泛應(yīng)用于化學(xué)工業(yè)、石油化工等領(lǐng)域。該技術(shù)利用不同物質(zhì)沸點的差異，通過蒸餾和冷凝操作將混合物分離成不同的組分。精餾過程概述1分離混合物精餾是一種分離混合物的過程，它利用不同組分沸點的差異來實現(xiàn)分離。2蒸汽-液體平衡精餾操作基于蒸汽-液體平衡原理，通過反復(fù)蒸發(fā)和冷凝，將不同組分分離。3塔式設(shè)備精餾通常在精餾塔中進(jìn)行，塔內(nèi)有填料或塔板，以提供較大的接觸面積。4廣泛應(yīng)用精餾在化學(xué)工業(yè)、石油化工、食品和飲料等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。平衡線理論操作線操作線描述了進(jìn)料、餾出物和釜殘液的組成變化，反映了精餾塔的實際操作狀態(tài)。平衡線平衡線表示在給定溫度和壓力下，氣相和液相達(dá)到平衡時的組成關(guān)系，反映了系統(tǒng)熱力學(xué)性質(zhì)。理論板理論板是用來描述精餾塔分離效率的理想概念，表示塔內(nèi)物質(zhì)在一層上達(dá)到平衡狀態(tài)。相平衡原理相平衡是指在給定溫度和壓力下，多相體系處于平衡狀態(tài)，各相的組成不再隨時間而改變。精餾過程中，液體和蒸汽兩相處于平衡狀態(tài)，兩者組成滿足相平衡關(guān)系。相分配系數(shù)相平衡相分配系數(shù)描述兩種狀態(tài)（例如液相和氣相）之間組分的相對濃度。分布它表示在特定溫度和壓力下，組分在兩個相中的相對濃度。計算相分配系數(shù)可用于計算精餾塔中不同塔板上的組分濃度。Raoult定律Raoult定律描述了理想溶液中組分的蒸汽壓與溶液中該組分的摩爾分?jǐn)?shù)之間的關(guān)系。該定律指出，理想溶液中某組分的蒸汽壓等于該組分在純態(tài)下的蒸汽壓與其在溶液中的摩爾分?jǐn)?shù)的乘積。Raoult定律可以用于預(yù)測理想溶液中各組分的蒸汽壓，并用于計算理想溶液的沸點和露點。逸度系數(shù)逸度系數(shù)用于描述真實氣體偏離理想氣體行為的程度。理想氣體逸度系數(shù)為1真實氣體逸度系數(shù)不等于1逸度系數(shù)越高，表明真實氣體與理想氣體的偏差越大。相平衡方程1氣相摩爾分?jǐn)?shù)氣相摩爾分?jǐn)?shù)是指特定組分在氣相中所占的摩爾數(shù)比例。2液相摩爾分?jǐn)?shù)液相摩爾分?jǐn)?shù)是指特定組分在液相中所占的摩爾數(shù)比例。3相平衡常數(shù)相平衡常數(shù)反映了特定組分在氣相和液相之間的分配比例。蒸汽壓相關(guān)性蒸汽壓是物質(zhì)在特定溫度下，其氣相和液相處于平衡狀態(tài)時的壓力。蒸汽壓與溫度密切相關(guān)。蒸汽壓隨溫度升高而增大，這可以通過克勞修斯-克拉佩龍方程來描述。蒸汽壓相關(guān)性在精餾操作型計算中至關(guān)重要。通過了解蒸汽壓隨溫度的變化規(guī)律，我們可以預(yù)測和控制精餾過程中的蒸汽和液體平衡，從而優(yōu)化分離效果?；瘜W(xué)勢定義化學(xué)勢是一個熱力學(xué)概念，表示物質(zhì)在特定條件下發(fā)生變化時的能量變化。它反映了物質(zhì)在某一狀態(tài)下的能量傾向，決定了物質(zhì)在不同相之間的遷移方向。應(yīng)用化學(xué)勢在相平衡研究中發(fā)揮著重要作用，用于分析和預(yù)測物質(zhì)在不同相之間的分配規(guī)律。在精餾過程中，化學(xué)勢的概念可以幫助我們理解不同組分在液相和氣相之間的分配行為，從而設(shè)計和優(yōu)化精餾過程。理想溶液定義理想溶液是指溶液中各組分之間相互作用力與組分自身之間相互作用力相等，即溶劑與溶質(zhì)之間無明顯差異。性質(zhì)理想溶液的蒸汽壓符合拉烏爾定律，即溶液的蒸汽壓等于各組分蒸汽壓的摩爾分?jǐn)?shù)乘積。舉例例如，苯和甲苯組成的混合物在常溫下可視為理想溶液。適用范圍理想溶液模型只適用于某些特殊情況，例如，當(dāng)組分分子間作用力很相似時。稀溶液定義稀溶液指的是溶液中溶質(zhì)濃度非常低的一種溶液。稀溶液中溶質(zhì)的摩爾分?jǐn)?shù)遠(yuǎn)小于溶劑的摩爾分?jǐn)?shù)。特性稀溶液具有獨特的性質(zhì)，比如其蒸汽壓接近于純?nèi)軇┑恼羝麎?，并且溶液的性質(zhì)可以近似地用溶劑的性質(zhì)來表示。非理想溶液偏差真實溶液偏離Raoult定律，表現(xiàn)出正偏差或負(fù)偏差，導(dǎo)致相平衡曲線非線性。相互作用分子間相互作用力改變，導(dǎo)致溶液性質(zhì)變化，影響蒸汽壓和活度系數(shù)?；疃认禂?shù)引入活度系數(shù)修正Raoult定律，考慮非理想溶液中的非理想行為。模型需要使用活度系數(shù)模型，例如Wilson方程、NRTL方程等，來描述非理想溶液的行為?；疃认禂?shù)模型活度系數(shù)模型是描述非理想溶液中組分活度與濃度關(guān)系的數(shù)學(xué)表達(dá)式。常見模型包括：Wilson模型、NRTL模型、UNIQUAC模型等。這些模型通?；诮?jīng)驗參數(shù)，通過實驗數(shù)據(jù)擬合獲得。活度系數(shù)模型可以幫助我們準(zhǔn)確預(yù)測非理想溶液的相平衡，進(jìn)而優(yōu)化精餾過程的設(shè)計和操作。熵和焓熵熵是系統(tǒng)混亂程度的度量。系統(tǒng)越混亂，熵越高。焓焓是系統(tǒng)總能量的度量。它包括內(nèi)能、壓力和體積的變化。熱力學(xué)第二定律在孤立系統(tǒng)中，熵總是增加的。焓變焓變是系統(tǒng)焓的變化，它表示系統(tǒng)能量的變化。相平衡圖相平衡圖用于描述不同溫度和壓力下，兩種或多種物質(zhì)的相平衡狀態(tài)。例如，在液態(tài)和氣態(tài)之間的平衡狀態(tài)下，可以用沸點圖表示。通過繪制不同溫度和壓力下的相平衡圖，可以確定物料的相平衡狀態(tài)和最佳操作條件。McCabe-Thiele方法McCabe-Thiele方法是一種圖形方法，用于設(shè)計和分析精餾塔。它基于塔內(nèi)各層的物料平衡和相平衡關(guān)系，并通過繪制操作線和平衡線來確定塔的理論級數(shù)和回流比。1物料平衡塔內(nèi)各層的進(jìn)料、餾出液和釜液的流量關(guān)系。2相平衡塔內(nèi)各層的液相和氣相組成的關(guān)系。3操作線塔內(nèi)各層的進(jìn)料、餾出液和釜液之間的關(guān)系。4平衡線塔內(nèi)各層的液相和氣相之間的關(guān)系。Fenske方程Fenske方程是用于估計理想多組分精餾塔最小理論板數(shù)的公式。它假設(shè)恒摩爾流量、恒定相對揮發(fā)度以及理想平衡。公式Nmin=(log(XD/XB))/(log(α))XD塔頂產(chǎn)物中關(guān)鍵組分的摩爾分?jǐn)?shù)XB塔釜進(jìn)料中關(guān)鍵組分的摩爾分?jǐn)?shù)α關(guān)鍵組分與輕組分的相對揮發(fā)度Fenske方程可用于確定最少需要的理論板數(shù)以達(dá)到一定的分離度，并為塔的設(shè)計提供參考。Underwood方程Underwood方程是精餾塔設(shè)計中常用的一個重要方程，它用于計算不同組分的最小回流比。該方程基于物料衡算和相平衡關(guān)系推導(dǎo)而來，考慮了不同組分在塔頂和塔底的濃度以及其相平衡關(guān)系。通過Underwood方程可以確定最小的回流比，以確保所需餾分能夠在塔頂?shù)玫椒蛛x。Gilliland方程Gilliland方程是一種經(jīng)驗方程，用于計算精餾塔的實際塔板數(shù)。它基于McCabe-Thiele圖法的理論，但考慮了實際操作條件的影響，如進(jìn)料流量、回流比和塔板效率等。Gilliland方程能夠預(yù)測實際塔板數(shù)與理論塔板數(shù)之間的差異，提供更準(zhǔn)確的塔板數(shù)估計。實際塔板數(shù)理論塔板數(shù)Lewis-Matheson方法Lewis-Matheson方法是一種簡化精餾塔設(shè)計計算方法，適合于多組分物系的精餾。該方法假設(shè)塔內(nèi)各級的氣液相組成為線性變化。1假設(shè)條件氣液相組成為線性變化2平衡關(guān)系采用相平衡關(guān)系計算各級組分3物料衡算根據(jù)物料衡算計算塔內(nèi)各級流量4塔板效率考慮塔板效率的影響Lewis-Matheson方法簡化了計算步驟，方便快速估算塔板數(shù)和塔高。該方法適用于初步設(shè)計和優(yōu)化計算，但在實際操作中需要考慮其局限性。精餾塔設(shè)計計算塔高根據(jù)塔板數(shù)、板間距確定塔高，并考慮塔頂、塔底的結(jié)構(gòu)尺寸。塔徑根據(jù)蒸汽負(fù)荷、液相負(fù)荷、氣速、液速確定塔徑，保證蒸汽上升速度和液相下降速度合理。塔板設(shè)計選擇合適的塔板類型、塔板尺寸、塔板孔徑、塔板間距，確保良好的傳質(zhì)效果和液相分配。填料設(shè)計選擇合適的填料類型、填料尺寸、填料高度，保證良好的傳質(zhì)效果和液相分配，并考慮填料的壓降和液泛問題。設(shè)備選型根據(jù)塔高、塔徑、操作壓力、操作溫度選擇合適的材料、結(jié)構(gòu)，并考慮設(shè)備的安全性、可靠性和經(jīng)濟(jì)性。管線設(shè)計設(shè)計塔頂、塔底、側(cè)線、進(jìn)料管線的尺寸、材質(zhì)，并考慮管線安裝位置和連接方式?？刂葡到y(tǒng)設(shè)計設(shè)計塔頂、塔底、側(cè)線、進(jìn)料的溫度、壓力、流量控制系統(tǒng)，保證精餾過程的穩(wěn)定運行。精餾塔性能評價指標(biāo)塔板效率塔板效率衡量塔板實際分離能力與理論分離能力的比值，體現(xiàn)了塔板的實際效果。理論塔板數(shù)理論塔板數(shù)是達(dá)到所需分離效果所需的理想塔板數(shù)量，反映了分離的難度和所需塔板高度?；亓鞅然亓鞅仁腔亓饕毫颗c塔頂產(chǎn)品量之比，影響分離效果和能耗。產(chǎn)品純度產(chǎn)品純度是評價精餾塔分離效果的最直接指標(biāo)，反映了產(chǎn)品的質(zhì)量。精餾過程優(yōu)化溫度控制精餾塔塔頂溫度和塔底溫度影響分離效果?？刂茰囟瓤梢蕴岣弋a(chǎn)品純度，降低能耗?；亓鞅葍?yōu)化回流比是指返回塔頂?shù)囊合嗔髀逝c塔頂餾出液流率的比值。通過調(diào)節(jié)回流比可以提高產(chǎn)品純度。進(jìn)料流量控制進(jìn)料流量對精餾塔的分離效果有顯著影響?？刂七M(jìn)料流量可以提高產(chǎn)品純度和產(chǎn)率。壓力控制塔內(nèi)壓力對精餾過程有影響?？刂茐毫梢蕴岣叻蛛x效率，降低能耗。批量精餾操作批量精餾是一種常見的精餾方法，適用于處理少量物料或多種產(chǎn)品的精餾。該方法通過加熱物料，使低沸點組分蒸發(fā)并進(jìn)入冷凝器，從而實現(xiàn)不同組分的分離。1原料準(zhǔn)備將需要分離的物料裝入精餾釜。2加熱蒸發(fā)通過加熱精餾釜，使物料沸騰蒸發(fā)。3冷凝分離將蒸汽冷凝為液體，得到餾出液和釜殘液。4產(chǎn)品收集分別收集餾出液和釜殘液，完成分離。批量精餾操作簡單易行，適用于小規(guī)模生產(chǎn)或研發(fā)實驗。其主要缺點是效率較低，需要多次操作才能得到高純度的產(chǎn)品。連續(xù)精餾操作進(jìn)料連續(xù)原料持續(xù)進(jìn)入精餾塔，進(jìn)行分離。產(chǎn)品連續(xù)塔頂和塔底連續(xù)產(chǎn)出產(chǎn)品，如餾出液和釜液。穩(wěn)定運行系統(tǒng)處于穩(wěn)態(tài)，進(jìn)料、蒸汽和回流量保持穩(wěn)定。高效分離適用于大規(guī)模生產(chǎn)，具有高效分離能力。操作靈活可以根據(jù)需求調(diào)整操作參數(shù)，控制產(chǎn)品質(zhì)量。反應(yīng)精餾定義反應(yīng)精餾是一種將化學(xué)反應(yīng)與精餾過程相結(jié)合的技術(shù)，它利用反應(yīng)熱來驅(qū)動蒸餾過程，從而提高分離效率，降低能耗。通常用于化學(xué)反應(yīng)平衡有利于生成產(chǎn)物但產(chǎn)物沸點相近的體系。優(yōu)勢反應(yīng)精餾可以提高產(chǎn)率，降低能耗，簡化工藝流程，減少設(shè)備投資。在某些情況下，反應(yīng)精餾可以實現(xiàn)傳統(tǒng)精餾無法實現(xiàn)的反應(yīng)分離。分子蒸餾低壓蒸餾分子蒸餾是一種在低壓下進(jìn)行的蒸餾技術(shù)。真空環(huán)境它利用不同分子在真空環(huán)境下的平均自由程差異進(jìn)行分離。加熱蒸發(fā)通過加熱，使混合物中的易揮發(fā)組分蒸發(fā)，并通過冷凝器收集。薄膜蒸餾膜分離技術(shù)薄膜蒸餾利用疏水性膜，僅允許水蒸氣通過，從而實現(xiàn)分離。低溫操作薄膜蒸餾操作溫度低于沸點，適合處理熱敏性物質(zhì)。高能效利用膜分離技術(shù)，可以節(jié)省能源，減少能耗。廣泛應(yīng)用薄膜蒸餾技術(shù)在海水淡化、食品加工、醫(yī)藥等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。膜精餾膜分離利用不同物質(zhì)在膜兩側(cè)具有不同的滲透速率來實現(xiàn)分離，適合分離易揮發(fā)組分。膜材料常用的膜材料包括聚合物膜、無機膜和復(fù)合膜，具有高選擇性和高通量。應(yīng)用領(lǐng)域廣泛應(yīng)用于化工、醫(yī)藥、食品等行業(yè)，如水處理、醇類回收和生物燃料生產(chǎn)