大学课件-化工原理-蒸馏-1

1、化工原理 (下册) ( fluid flow ) 反应器 原料 反应过程 ( heat transfer) 化工过程单元操作（Unit operation） 混合物 (separation) 产品 types of process: 动量传递：流体流动、流体输送、 过滤、沉降、固定床、流化床 热量传递：传热、蒸发 质量传递：蒸馏、吸收、萃取、干燥、膜分离蒸馏、吸收、萃取、干燥、膜分离 本学期学习内容本学期学习内容 遵循守恒定律 质量传递 单元操作:分离过程 精馏（Distillation） 吸收（Absorption ） （Adsorption 吸附） 萃取（Liquidliquid extr

2、action） 干燥（Drying） 膜分离（ Membrane separation） 蒸发（Evaporation） 过滤（Filtration） 气体净化（Gas cleaning） 沉降（Sedimentation） 结晶（Crystallization） Chapters teaching hours 精馏（distillation） 18 吸收（absorption） 14 萃取（liquidliquid extraction） 6 干燥（drying） 8 膜分离（membrane separation) 2 48 （Tus.,3-4,材 208；Fri.,1-2,材208） 课

3、程设计 2 周 精馏过程分离： 苯 - 甲苯 乙醇 - 水 课程基本要求课程基本要求: 作业作业: 每周二交上一周作业, 独立完成 答疑：答疑： 期末考核期末考核: 平时作业 10分 卷面 90分 建议建议： 工夫用在平时 及时解决疑难问题 参考书: 1.Handbook of Separation Technique for Chemical Engineers by P.A. Schwwitzer, 1990 2.Handbook of Separation Technology by R.W. Rousscan,1987 3.化工原理（下） 天大、华东、大工 4.化工原理学习指导 匡国柱

4、主编 大连理工大学出版社 第第6章章 蒸馏蒸馏 简单简单蒸馏蒸馏过程过程 例：乙醇水溶液 6.1 概述概述 1、蒸馏在工业上的应用、蒸馏在工业上的应用 （1）石油炼制工业 (原油 汽油、煤油、柴油等） （2）石油化工工业（乙烯、丙烯、丁二烯等分离） （3）空气的分离（氧气、氮气的制备） （4）食品加工及医药生产 2、 蒸馏的目的和依据蒸馏的目的和依据 目的目的：均相液体混合物的分离。 依据依据：利用液体混合物中各组分在一定温度下挥发能力 的差异。 混合物中较易挥发的组分易挥发组分, MVC 混合物中较难挥发的组分难挥发组分 DVC B A B A x x y y 蒸馏方法分离混合物必要条件：蒸

5、馏方法分离混合物必要条件： 1. 通过加热或冷却使混合物形成气、液两相共 存体系，为相际传质提供必要的条件； 2.各组分间挥发能力差异足够大，以保证蒸馏过 程的传质推动力。 3、分类、分类 组分数组分数: 双组分蒸馏 多组分蒸馏 操作方式操作方式 : 间歇蒸馏 简单蒸馏 连续蒸馏 平衡蒸馏、精馏 操作压力：操作压力： 常压蒸馏 减压蒸馏 加压蒸馏 6.2 溶液的气、液相平衡溶液的气、液相平衡 相平衡过程相平衡过程：不同相保持物理平衡共存状态。 达到相平衡时，从热力学上看，体系的自由焓最 小；从动力学上看，相间表观传递速率为零。 相平衡关系取决于体系的热力学性质，是蒸馏过 程的热力学基础和基本依

6、据。 混合物分类：混合物分类： (1) 气相理想气体混合物，液相是理想溶液，称 为完全理想系或理想体系；（苯-甲苯） (2) 液相是理想溶液,气相是非理想气体的理想混 合，不服从Dalton定律，服从Lowis-Randall 逸度法则： 0 ii V i fyf (3) 气相是理想气体或接近理想气体混合物,液相 是非理想溶液；（醇、醛、酮和水的体系） (4) 气相非理想气体混合物,液相是非理想溶液。 （高压下轻烃类等） 6.2.1 气、液相平衡与自由度气、液相平衡与自由度 自由度F是自身变化不影响系统平衡的独立变量数独立变量数 2cF 双组分物系的气液平衡，其自由度为2。 F为自由度数，c为

7、组分数，为相数 c=2 =2 F=2 共有四个独立变量，规定其中的两个，则系 统平衡状态即定。 一般蒸馏压力恒定，所以仅有一个自由度， 即压力一定的条件下，若所有独立变量中有一 个确定，则所有的状态变量均确定。 气相组成：yA , yB 液相组成：xA, xB 温度、压力：T，P a) 计算 热力学数据、方程、理论（thermodynamics） b) 实验 相平衡关系的获得： 6.2.2 溶液气、液相平衡的条件及表示方法溶液气、液相平衡的条件及表示方法 多组分体系相平衡条件：所有各相温度、压力及 每一组分的化学势相等。 气、液两相平衡条件表示如下： Ci pp TT V i L i VL V

8、L ,2,1 化学势在工程上没有直接的物理真实性，而 采用Lewis等价化学势的物理量逸度。 逸度的物理意义逸度的物理意义：可视为热力学压力，具 有压力的单位。在实际混合物中，逸度可视为 修正非理想溶液组分的分压。 Ci f f RT f f RT f f RT L i V i L i V i L i L i L i L i V i V i V i V i , 2 , 1ln ln ln 0 0 00 0 0 0 0 又 V i L i 气、液平衡时： Ciff L i V i , 2 , 1 气、液逸度分别表示为： 0 iii L iii V i fxfpyf 联立以上两式,多组分体系相平衡

9、的表示方法： p f K xKy i ii i iii 0 Ki组分i的气、液相平衡常数 确定平衡关系的关键是如何求取各组分的确定平衡关系的关键是如何求取各组分的 逸度系数及活度系数逸度系数及活度系数 6.2.3 理想体系的气、液相平衡关系理想体系的气、液相平衡关系 气相符合道尔顿（Dalton）分压定律 液相服从拉乌尔（Raoult）定律 PA + PB =P yA = PA P V L PA, PB xA, xB Daltons law P=Pi Raoults law AAA xPp 0 Ideal mixture In general cases, its true only for

10、high values of xA (low values of xB) Henrys law AeA xHP Ideal mixture Henrys law is true for low values of xA pyf ii V i 0 iii L i fxf Po = f (T) 实验获得 PO可由Antoine公式确定： i i ii CT B Ap 0 ln 一、平衡常数法 p f K xKy i ii i iii 0 理想体系: 00 0 . 10 . 1 iiii pf 则: Ci p p K i i 2, 1 0 理想体系理想体系的相平衡常数相平衡常数仅与体系的温度温度有关

11、 互呈平衡的气、液相组成符合归一定理： ci y x c i i c i i , 3 , 2 , 1 1 1 1 1 a. 泡点计算 1 iii xKy 输入: p xi ； Antoine常数 Tb初值 pi0 Ki yi, =yi-1 N 输出：Tb, xi, yi 结束 Y Tb=Tb-fn/fn 10-3 已知：p xi b. 露点计算 1/ iii Kyx 已知：p yi 对于双组分体系对于双组分体系： )1 ( 00 ABAA xPxP AAA xPp 0 BBB xPp 0 P=PA+ PB PA=f(T,xA) PB= f(T,xB) 所以 00 0 BA B A PP PP

12、x P p y A A P xP AA 0 P p y B B P xP BB 0 iii xKy Ci p p K i i 2, 1 0 i i ii CT B Ap 0 ln 讨论：讨论： （1）已知 ：t 求： 相互平衡的 x , y 不必试差 t PA0, PB0 x,y （2）已知：x 求：与之平衡的 y, t y 求：与之平衡的 x ,t 试差 假设 t x 判断x y 假设 t x y 判断y x 双组分 理想物系 P=const 1. 温度-组成图 T-x-y 二、相图 t-y t-x t x (y) t-x t-y p=101.3kPa tF F G tG EC xC D y

13、D tE I J tI tJ x0 进料状态对 气液影响 P=const t-x线-饱和液体组成与泡点的关系 -饱和液体线或泡点曲线。 t-y线-饱和蒸气组成和露点的关系 -饱和蒸气线或露点曲线。 t-x 线下方-过冷液相区； t-y 线上方-过热气相区； 两线之间-两相共存区； 注意：注意： （1）部分汽化和部分冷凝均可起到分离作用； （2）全部汽化和全部冷凝没有分离作用； （3）不断的部分汽化和冷凝可使分离程度很完全； （4）蒸馏操作应处于汽液两相区内。 二元混合物与纯液体的差别： （1） 泡点与浓度有关，其值在A，B沸点范围之内。 （2）总组成相同其泡点和露点（冷凝点）温度不同。 压力对

14、t-x-y图的影响： p3 p2 p1 2 气、液平衡组成气、液平衡组成 x-y 图图 图 6.1.5 气液平衡曲线 理想物系 对 MVC, yx MVC 在气相增浓 曲线离对角线越远,MVC 在气相中浓度越大 曲线上的点反映平衡关系 1x y 1 0 x-y curve 说明：说明： （1）组成 均以MVC组成表示，曲线位于对角线上方 （2）平衡线上不同点代表一个气、液平衡状态，即 对应一组 x、y、T，且y(或x)越大，T愈低。 （3）平衡线距对角线越远，物系越易分离。 （4）总压的影响（压力增加，平衡线靠近对角线）。 三、相对挥发度法三、相对挥发度法 1、相对挥发度相对挥发度 （1）挥发

15、度 混合物混合物 - i i i x p v 理想溶液 0 AA pv 0 BB pv 纯组分纯组分 - P0 （2）相对挥发度 定义： 任意挥 发组分与基准组分挥发度的比值 h i ih v v 双组分理想体系: A B B A B B A A x x y y x P x P 略去下标： xy xy )1( )1( x x y )1(1 y y x ) 1( 相平衡方程 相平衡常数与相对挥发度的关系：相平衡常数与相对挥发度的关系： iii xKy i i i x y K 低压，液相为理想溶液的物系： P P K i i 0 或 Ki也可以表示组分挥发难易程度 两组分之间的相对挥发度： h i

16、 K K 试差过程参见前面的泡点及露点的计算框图。 Ki=f（P，T） 由Ki 求 x 或 y 一般需采用试差。 )()( BA o B AB o A A B B A o B o A xxP xxP xP xP Tf P P （1）表示物系分离的难易程度， 远离1，易分离， =1，该物系不能用普通的蒸馏方法分离。 （2）对于非理想物系， 不能作为常数处理。 （3）对于理想溶液，相对挥发度变化不大， =const (4) P, (P 变化小于30%，其对的影响可忽略不计) 蒸馏压力的选择，优先考虑采用常压操作，在 特殊情况下采用加压（处理量增加，塔径不够） 或减压操作（热敏性物料）。 的变化 15% = avg 6-1-4 非理想溶液的汽液相平衡非理想溶液的汽液相平衡 非理想溶液： AAAA xPp 0 BBBB xPp 0 P xP P p y AAAA A 0 P xP P p y BBBB B 0 r 活度系数，分子间引力发生变化，使得 r 1。 non- ideal mixture C B O A PA xA OC- Henrys law ; AB- Raoults law 图 6.1.5 体系为负偏差图 6.1.6 体系为正偏差 1、正偏差溶液 r 1 平衡分压