化工原理精馏-PPT课件

1、 精馏 蒸馏概述 双组分溶液的气液相平衡 平衡蒸馏与简单蒸馏 精馏 精馏原理 物料衡算 精馏塔操作线方程 5种加料热状态 理论板计算：计算法，阶梯法 精馏段提馏段 混合物的分离是化工生产中的重要过程。 混合物可分为非均相物系和均相物系。 非均相物系的分离主要依靠质点运动与液体流 动原理实现分离。而化工中遇到的大多 是均相混合物。 均相物质不能采用 机械分离 的方法 （如乙醇与水） 分离条件是必须造成一个两相物系，然后依据 物系中不同组分间某种物性的差异， 使其中某个组分或某些组分从一相向 另一相转移，以达到分离的目的。第一节 概述化工生产中常见的传质过程有蒸馏、吸收、萃取 和干燥等单元操作。如

2、：不同组分其挥发难易度不同，使易挥发组分 在气相中富集，难挥发组分在液相中富集， 直到达到气液平衡。第一节 概述 (1) 质量传递过程（传质过程）： 由浓度差引起的物质在相际间的传质过程。1 、定义1 、定义（ 2 ）蒸馏：利用液体混合物中各组分挥发性的差异 而将组分分离的传质过程。为一次部分 气化分离混合物；（ 3 ）精馏：多次部分汽化，多次部分冷凝。 用浓度表示组分的变化。 易挥发组分：沸点低的组分，用A表示，yA，xA 难挥发组分：沸点高的组分，用B表示，yB，xB y与x的关系无法确定，通常达到平衡时关系才确定第一节 概述（ 1 ）通过蒸馏操作，可以直接获得所需要的产品， 而吸收和萃取

3、还需要如其它组分；（ 2 ）蒸馏分离应用较广泛，历史悠久；（ 3 ）能耗大，在生产过程中产生大量的气相或液相。第一节 概述2 、蒸馏分离的特点第一节 概述3 、蒸馏的分类第一节 概述1）简单蒸馏 是间歇、不稳定的，要考虑到成本、 产率，需要 进行 经济核算； 蒸发时，第一滴的浓度最高，随着蒸馏的进行， x减少，y减少； 提高蒸馏浓度，可以在设备的出口处加一部分 冷凝器，难挥发组分就冷凝的多，可以提高产 品的质量，但设备成本增加。 第一节 概述 混合液经加热器升温后液体温度高于分液器压强 下的液体沸点，然后通过减压阀使其降压后进入 分离器中，这时过热的液体混合物即被部分气化， 平衡的气液两相在分

4、离器中得到分离，将分离器 又称为闪蒸罐（塔）2）闪蒸 是一种单极的平衡操作，连续或间歇、稳定的。例如：高压锅，冷却后才可以打开第一节 概述3）精馏4）特殊精馏：第一节 概述 多次部分气化与冷凝的过程，可以使混合液得到 几乎完全分离，是常压下、连续、双组分的蒸馏； 例如：苯甲苯，乙醇正丙醇，乙醇水 物性相似，沸点（80.1,110.8 ）， 空间结构不同萃取精馏苯环己烷，沸点相近(80.1,80.6 )， 加入萃取剂糠醛改变组分间的挥发度； 5）蒸发与蒸馏的区别 蒸发A组分挥发，B组分不挥发，供热就分离；蒸馏A，B均挥发，存在一个平衡关系！ 恒沸精馏工业酒精的提纯，加入夹带剂苯， 形成三元非均相

5、恒沸液；第一节 概述第二节 两组分溶液的气液平衡1-2-1 两组分理想物系的气液平衡 相律是研究相平衡的基本规律。 表示平衡物系中自由度数、相数及独立组分 数间的关系，即： F = C P + 2 式中 F 自由度数； C 独立组分数； P 相数；2 表示外界只有温度和压力这两 个条件可以影响物系的平衡状态。 一、相律若三个变量固定(t，P，x或y)，则该物系只有一个独立变量（x 或 y) ，其它变量都是它的函数，那么两组分的气液平衡可以用一定压强下的tx(或y)，及xy的函数关系或相图表示。对于两组分的气液平衡物系， F= 2 2 + 2 = 2 气液平衡中可以变化的参数有4个：t，P，x，

6、y 第二节 两组分溶液的气液平衡1 ）用饱和蒸气压和相平衡常数表示气液平衡关系 二、两组分理想物系的气液平衡关系理想物系：液相为理想溶液、气相为理想气体的物系。遵循拉乌尔定律遵循道尔顿定律对于性质极相近、分子结构相似的组分所组成的溶液可视为理想溶液拉乌尔定律：理想溶液中某组分的蒸汽压等于该组分 同温度下的纯液体蒸汽压与溶液中该组 分的摩尔分率的乘积。式中 溶液中组分 A 的蒸汽压；即溶液上方组分 A 的 平衡分压， Pa ； 纯组分 A 的饱和蒸汽压，Pa ； 组分 A 的液相摩尔分率；那么：A 易挥发组分； B 难挥发组分。二、两组分理想物系的气液平衡关系当溶液沸腾时，溶液上方的总压等于各组

7、分的蒸 气压之和;当外压不太高时，平衡的气相可视为理想气体， 遵循道尔顿分压定律，即 由拉乌尔定律表示的气液平衡关系K 为相平衡常数，并非常数，随温度而变。1 ) 用饱和蒸气压和相平衡常数表示气液平衡关系纯组分的饱和蒸气压与温度 t 的关系可由安托因（ Antoine ）方程计算或从手册中查式中 A 、 B 、 C 为组分的安托因常数，可由有关 手册查得。1 ) 用饱和蒸气压和相平衡常数表示气液平衡关系2 ）用相对挥发度表示气液平衡关系（ 1 ）挥发度 对纯液体，挥发度指该液体在一定温度下的饱和蒸汽压 对混合液，各组分的挥发度可用它在蒸气中的分压和 与之平衡的液相中的摩尔分数之比表示，即（ 2

8、 ）相对挥发度：溶液中易挥发组分的挥发度与 难挥发组分 的挥发度之比，用 表示。相对挥发度的数值可由实验测得对理想溶液：当温度变化时，两者的变化不大，一般可将 视为常数，计算时可取操作温度范围内的平均值。3 ）气液平衡方程对于两组分溶液，当总压不高时，由于3 ）气液平衡方程1时，组分 A 较 B 易挥发，可以用蒸馏方法分离。 = 1时，不能用普通蒸馏的方法分离混合液。 1时，挥发度差异愈大，愈有利于蒸馏操作。 a 可作为混合液能否用蒸馏方法分离以及分离难易 程度的判据。 气液平衡方程三、两组分理想溶液的汽液平衡相图 蒸馏操作通常是在一定的外压下进行，溶液的平衡温度随组成而变。溶液的平衡温度 组

9、成图是分析蒸馏原理的基础。1 、温度 组成 ( t x y 图 )温度Tx(y1)x 越大，易挥发组分的含量越高，泡点温度越低。y 越大，易挥发组分含量越高，露点温度越低。沸点露点泡点1 、温度 组成 ( t x y 图 )2 、 x - y 图 平衡线位于对角线的上方，平衡线偏离对角线愈远， 表示该溶液愈易分离。1-2-2 两组分非理想物系的气液平衡非理想溶液的平衡分压可用修正的拉乌尔定律表示，即：如：乙醇水，正丙醇水非理想溶液最低恒沸点最高恒沸点如：硝酸水，氯仿酮正偏差溶液负偏差溶液i 1i y n+1 ， x n 逐板计算法已知：气液平衡关系，操作线方程y1=xD(全凝器)，泡点进料精馏

10、段直到 (泡点进料)时，精馏段所需板数为（n-1），对其它进状况，应计算到 (两操作线的交点) 4-3 理论板层数的求法逐板计算法逐板计算法图示：当计算得到的 时，则第 n 层板已是加料板。再往下计算，要用提馏段操作线方程，即 当计算得到的 时，就停止计算。由于再沸器中的汽液两相达到平衡，所以再沸器相当于一块理论板，因此总的理论板数就等于使用相平衡方程的次数减一。2) 提馏段4-3 理论板层数的求法逐板计算法4-3-2 理论板层数的求法图解法步骤 :1. 画相平衡线和三条操作线；2. 作阶梯。图解法求理论板数的步骤： 建立平面直角坐标系 xOy 。 (2) 在 xOy 中画出平衡线，并 作对角

11、线。 (3) 在 xOy 中画出精馏段操作 线、 q 线和提馏段操作线。 (4) 从 a 点开始，在精馏段操 作线与平衡线之间作直角 梯级，当梯级跨过 d 点时， 则改在提馏段操作线与平 衡线之间作直角梯级，直 至梯级的水平线达到或超 过 c 点。 每个梯级在平衡线上的顶点代表一层理论板，跨过 d 点的顶点代表加料板，加料板顶点以上的顶点数即为精馏段的理论板数，加料板顶点及其以下顶点数减一，即为提馏段的理论板数。精馏段理论板数与提馏段理论板数之和为总理论板数。水平线 a1 表示液体经第一层板后组成自 xD 减小到 x 1 。垂直线 11 表示蒸汽经第一层板后组成自 y2 增大到 y1 。 所以

12、点 1 或梯级 a11 代表一层理论板。图解法求理论板数说明：4-4-1理论板数的计算4-4-2回流比的选择4-4-3加料热状况的选择4-4-4双组分精馏过程的其他类型4-4 双组分精馏的设计型计算最适宜的加料位置，在该板上 ，( xq为两操作线交点的横坐标)此时所需理论板数最少4-4-1 理论板数的计算 最优加料位置的确定 最优加料位置的确定4-4-2 回流比的选择两者均有利于传质，R ，V ， ，能耗NT ，R增加，操作线远离平衡线，NT减少全回流与最小理论板数D0， F0，W0NT最少（Nmin）解析法Fenske Nmin确定图解法全回流应用设备开工调试，或实验研究4-4-2 回流比的

13、选择最小回流比4-4-2 回流比的选择恒浓区（夹紧区）R减少，操作线近平衡线，传质推动力减少Rmin，操作线交点落在平衡线(即e)，传质推动力为零无穷多NTRmin的意义图解法Rmin确定R Rmin ,可精馏操作解析法操作费用与R关系操作费用：冷却器中冷却剂量、再沸器中加热蒸气量操作费用与R成正比设备费用与R关系设备费用：塔、再沸器、冷凝器尺寸总费用与适宜R总费用最低时的R为适宜R，一般为（1.22）Rmin理论板数的简捷法4-4-2 回流比的选择4-4-3加料热状况的选择在 、 、 、 一定的情况下qNT 提馏段斜率操作线越接近平衡线精馏段斜率一定）塔釜供热量不变（q因此，热量尽可能从塔底

14、输入，使所产生的汽相回流能在全塔中发挥作用；而冷量应尽可能施加于塔顶，使所产生的液体回流能经过全塔而发挥最大的效能不变NT 4.5 双组分精馏的操作型计算4-5-1 精馏过程的操作型计算4-5-2 精馏塔的温度分布和灵敏板4-5-1精馏过程的操作型计算操作型计算的命题此类计算的任务是在设备（精馏段板数及全塔理论板数）已定的条件下，由指定的操作条件预计精馏操作的结果已知量为：操作型计算的特点：试差（迭代） 加料板位置（或其它操作条件）一般不满足最优化条件。求：的变化加料板位置回流比增加对精馏结果的影响4-5-1精馏过程的操作型计算4-5-1精馏过程的操作型计算注意D/F规定，R增加以提高xD并非

15、总是有效(1) xD的提高受全塔物料衡算的限制xD的提高受精馏塔分离能力的限制(2) 在回流比较小时，R xD ，xD受分离能力（回流比）的影响在回流比较大时，xD受物料衡算的限制，R ,xD无明显变化 ， xD取决于采出率D/F采出率增加对精馏结果的影响 4-5-1精馏过程的操作型计算进料组成变动的影响 4-5-1精馏过程的操作型计算4-5-2 精馏塔的温度分布和灵敏板精馏塔的温度分布t=f(p,x)各板p,x不同，因而精馏塔存在温度分布灵敏板操作条件变动引起温度变化最为显著的板 这些塔板的温度对外界干扰如回流比、进料组成发生波动等）的反映最灵敏4-5-2 精馏塔的温度分布和灵敏板q为液化率

16、对稳定连续过程，q为定值物料衡算式加热器:原料液减压降温，放出显热；显热用于汽化部分物料产生气相（潜热）物料热量衡算 d时间内物料衡算（轻组分）积分相平衡关系y=f(x) ：W，x+d: 蒸出dW、釜内液体组成下降量dxxWyDxFt13123D,yDF,xFW,xW精馏段塔上半部完成了上升蒸汽的精致，即除去其中的难挥发组分提馏段塔的下半部完成了下降液体中难挥发组分的提浓，即除去了易挥发组分气相默弗里板效率 表达出实际板与理论板的差异 实际塔板数液相默弗里板效率 条件：全回流yn+1=xn; 全凝器y1=xD；气液平衡关系推导：相平衡关系操作关系相平衡关系第N为再沸器解析法Fenske图解法确定 Rmin操作线与平衡线交点e(xe.ye)此时精馏段操作线的斜率解析法确定 Rmin1) 泡点进料情况，2)饱和蒸汽进料 两种特殊情况：RRmin