化工原理第一章课件

化工原理2授课教师：温志英化工原理21第一章蒸馏学习目的掌握蒸馏基本概念和蒸馏过程基本计算方法2.重点掌握的内容（1）两组分理想物系的汽液平衡关系（2）蒸馏过程的原理（3）两组分连续精馏过程的计算3、一般掌握的内容（1）平衡蒸馏与简单蒸馏（2）两组分连续精馏过程的计算第一章蒸馏学习目的21.1概述1、混合物非均相物系：机械分离原理，如沉降均相物系：必须造成一个两相物系，然后利用物性差异实现分离1.1概述非均相物系：机械分离原理，如沉降均相物系：必须造成32、蒸馏过程概述

蒸馏通过加热造成气液两相平衡，利用物系中各组分挥发度不同的特性以实现分离目的。蒸馏分离的依据是，根据溶液中各组分挥发度（或沸点）的差异，使各组分得以分离。较易挥发--易挥发组分（或轻组分）；较难挥发的--难挥发组分（或重组分）。

是分离均相液体混合物的一种方法2、蒸馏过程概述是分离均相液体混合物的一种方法4苯和甲苯混合液气相液相冷凝较高纯度的苯加热苯和甲苯混合液气液冷凝较高纯度的苯加热53、蒸馏过程的分类

1、蒸馏操作方式分为2、蒸馏操作流程可分为间歇蒸馏和连续蒸馏。

3、物系中组分的数目可分为两组分精馏和多组分精馏。

4、操作压力可分为加压、常压和减压蒸馏。简单蒸馏平衡蒸馏（闪蒸）精馏特殊精馏3、蒸馏过程的分类简单蒸馏平衡蒸馏（闪蒸）精馏特殊精馏6化工原理第一章课件74、蒸馏分离的特点1、可直接获得产品；2、应用广泛，历史悠久；3、能耗较大。4、蒸馏分离的特点1、可直接获得产品；81.2、两组分溶液的汽液平衡关系

一、相与相平衡的概念二、拉乌尔定律1、稀溶液拉乌尔定律分压与液相组成关系1.2、两组分溶液的汽液平衡关系一、相与相平衡的概念分压与92、理想溶液与拉乌尔定律所谓理想物系是指液相和汽相应符合以下条件：(1)液相为理想溶液，遵循拉乌尔定律。(2)汽相为理想气体，遵循道尔顿分压定律。当总压不太高（一般不高于104kPa）时汽相可视为理想气体。2、理想溶液与拉乌尔定律所谓理想物系是指液相和汽相应符合以下10三、道尔顿分压定律

三、道尔顿分压定律11四、两组分理想溶液的气液平衡图溶液的平衡温度--组成图是分析精馏原理的基础四、两组分理想溶液的气液平衡图溶液的平衡温度--组成图是分析12恒压下的温度—组成图（t-x-y图）饱和蒸汽线、露点线饱和液体线、泡点线过热蒸汽区气液共存区液相区Ａ的沸点Ｂ的沸点恒压下的温度—组成图（t-x-y图）饱和蒸汽线、露点线饱和液13五、x-y图表示一定外压下，液相组成与之平衡的气相组成间的关系五、x-y图表示一定外压下，液相组成与之平衡的气相组成间的关14x-y图的作用１、判断物系分离的难易程度２、计算理论板层数。x-y图的作用１、判断物系分离的难易程度15六、气液平衡方程１、挥发度与相对挥发度挥发度（ｖ）：纯液体的挥发度是指该液体在一定温度下的饱和蒸汽压。相对挥发度（ａ）：溶液中易挥发组分对难挥发组分之比。２气液平衡方程方程的作用１、表示气液平衡２、挥发难易程度或判断某混合物是否能用蒸馏方法加以分离习题六、气液平衡方程１、挥发度与相对挥发度习题16（二）两组分非理想物系的汽液平衡

(1)液相为非理想溶液，汽相为理想气体；(2)液相为理想溶液，汽相为非理想气体；(3)液相为非理想溶液，汽相为非理想气体。（二）两组分非理想物系的汽液平衡(1)液相为非理想溶液，171.汽液平衡相图1.汽液平衡相图18化工原理第一章课件19化工原理第一章课件201-3

平衡蒸馏与简单蒸馏

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平衡蒸馏与简单蒸馏21一、平衡蒸馏1.平衡蒸馏装置与流程

平衡蒸馏又称闪急蒸馏，简称闪蒸，是一种连续、稳态的单级蒸馏操作。

一、平衡蒸馏1.平衡蒸馏装置与流程平衡蒸馏又称闪急蒸馏，222.平衡蒸馏过程计算

（1）物料衡算

对图1-7所示的平衡蒸馏装置作物料衡算，得总物料衡算：

F=D+W易挥发组分衡算：FxF=Dy+WxF、D、W——分别表示原料液、汽相和液相产品流量，kmol/h或kmol/s；xF、y、x——分别为原料液、汽相和液相产品中易挥发组分的摩尔分率。2.平衡蒸馏过程计算（1）物料衡算23平衡蒸馏中汽液相组成的关系

式中q=W/F……..液化率平衡蒸馏中汽液相组成的关系式中q=W/F……..液化率24例题1

在常压下将组成为0.6（易挥发组分的摩尔分率）的某理想二元混合物分别进行平衡蒸馏，若规定汽化率为1/3，试计算：平衡蒸馏的汽液相组成；假设在操作范围内汽液平衡关系为：解：平衡蒸馏依题意，液化率为q=1-1/3=2/3

由及y=0.46x+0.549联立以上两式，求得平衡的汽液相组成分别x=0.5085,y=0.7830例题1在常压下将组成为0.6（易挥发组分的摩尔分率）解：平25例2例226（2）热量衡算对加热器作热量衡算原料液节流减压后进入分离器，此时物料放出显热等于部分汽化所需潜热原料液离开加热器的温度（2）热量衡算对加热器作热量衡算27--简单蒸馏又称微分蒸馏，是一种间歇、单级蒸馏操作。

二、简单蒸馏--简单蒸馏又称微分蒸馏，是一种间歇、单级蒸馏操作。二、简281-4精馏原理和流程

精馏可视为由多次蒸馏演变而来的1-4精馏原理和流程精馏可视为由多次蒸馏演变而来的29一、精馏过程原理1.多次部分汽化和冷凝

由此可见，液体混合物经多次部分汽化和冷凝后，便可得到几乎完全的分离，这就是精馏过程的基本原理。一、精馏过程原理1.多次部分汽化和冷凝由此可见，液体混合302.精馏塔模型

2.精馏塔模型31化工原理第一章课件32二、精馏操作流程

1.连续精馏操作流程

精馏段提馏段加料板二、精馏操作流程1.连续精馏操作流程精馏段提馏段加料板332.间歇精馏操作流程

间歇精馏只有精馏段而没有提馏段2.间歇精馏操作流程间歇精馏只有精馏段而没有提馏段34

1-5

两组分连续精馏的计算（Ⅰ）

物料衡算与进料热状况的影响

精馏过程的计算可分为设计型计算和操作型计算两类。本知识点重点讨论板式精馏塔的设计型计算问题，其主要内容包括：(1)确定产品的流量或组成；(2)确定精馏塔的理论板层数和适宜的加料位置(3)确定适宜的操作回流比；

1-5

两组分连续精馏的计算（Ⅰ）

物料衡算与进料热35一、计算的基本假定1.

理论板的假定所谓理论板是指离开该板的汽液两相互成平衡，塔板上各处的液相组成均匀一致的理想化塔板。

一、计算的基本假定1.理论板的假定362.恒摩尔流假定

（1）恒摩尔汽流：指在精馏塔内，从精馏段或提馏段每层塔板上升的汽相摩尔流量各自相等，但两段上升的汽相摩尔流量不一定相等。即精馏段v1=v2=…….=vn

提馏段v1`=v2`=……vn`式中下标表示塔板序号。（2）恒摩尔液流：指在精馏塔内，从精馏段或提馏段每层塔板下降的液相摩尔流量分别相等，但两段下降的液相摩尔流量不一定相等。即精馏段L1=L2=…….=Ln

提馏段L1=L2=…….=Ln

式中下标表示塔板序号。2.恒摩尔流假定（1）恒摩尔汽流：指在精馏塔内，从精馏段37二、物料衡算与操作线方程1.全塔物料衡算总物料衡算：F=D+W易挥发组分衡算：FxF=DxD+WxWF—原料液流量，kmol/h或kmol/s；D—塔顶馏出液流量，kmol/h或kmol/s；W—塔底釜残液流量，kmol/h或kmol/s；xF—原料液中易挥发组分的摩尔分率；xD—馏出液中易挥发组分的摩尔分率；xW—釜残液中易挥发组分的摩尔分率。二、物料衡算与操作线方程1.全塔物料衡算F—原料液流量，k38[例题]每小时将15000kg含苯40%（质量分数，下同）和甲苯60%的溶液，在连续精馏塔中进行分离，要求釜残液中含苯不高于2%，塔顶馏出液中苯的回收率为97.1%。试求馏出液和釜残液的流量和组成，以摩尔流量和摩尔分数表示。[例题]每小时将15000kg含苯40%（质量分数，下同）和39进料组成釜残液组成原料液的平均摩尔流量原料液流量F=15000/85.8=175.0kmol/h依题意知DxD/FxF=0.971DxD=0.971*175*0.44全塔物料衡算D+w=175联立，解得D=80.0kmol/h,W=95.0kmol/h,xD=0.935进料组成402.操作线方程

(1)精馏段操作线方程

上式表示在一定操作条件下，精馏段内自任意第n层板下降的液相组成xn与其相邻的下一层板（n+1)上升蒸汽相组成yn+1之间的关系，是一条斜率为R/(R+1)，截距为xD/(R+1)的直线。2.操作线方程(1)精馏段操作线方程上式表示在一定操41(2)提馏段操作线方程

上式表示在一定操作条件下，提馏段内自任意第m层板下降的液相组成xm’与其相邻的下一层板（m+1)上升蒸汽相组成ym+1’之间的关系。(2)提馏段操作线方程上式表示在一定操作条件下，提馏段内42三、进料热状况对操作线方程的影响

1.精馏塔的进料热状况

q>1q=1q=0~1q=0q<0进料热状况参数q指以1kmol/h为基准时，提馏段的液体流量较精馏段中液体流量增大的kmol/h，q=（L’-L）/F三、进料热状况对操作线方程的影响1.精馏塔的进料热状况q43根据工艺条件和操作要求，精馏塔可以不同的物态进料。如图片1-17所示，组成为xF的原料，其进料状态可有以下几种：（1）冷液进料（A点）；（2）饱和液体（泡点）进料（B点）；（3）汽液混合物进料（C点）；（4）饱和蒸汽(露点)进料（D点）；（5）过热蒸汽进料（E点）。根据工艺条件和操作要求，精馏塔可以不同的物态进料。如图片1-44q=1L‘=L+FV’=Vq=0L‘=LV’=V-Fq=1L‘=L+Fq=0L‘=L45q=0~1q>1q<0L‘=L+qFV’=V+（q-1）FL‘>LV’>VL’<LV’<Vq=0~1q>1q<0L‘=L+qFL‘>LL’<L462、进料板上的物料衡算和热量衡算总物料衡算F+V’+L=V+L’热量衡算FIF+V’IV’+LIL=VIV+L’IL’IV=IV’IL=IL’2、进料板上的物料衡算和热量衡算总物料衡算F+V’+L=47总结1、饱和液体：IF=ILq=1(泡点）2、饱和蒸汽：IF=IVq=0(露点）3、汽液混合：IL<IF<IV0<q<14、过冷液体：q>15、过热蒸汽：q<0总结1、饱和液体：IF=ILq=1(泡点）48V与V’,L与L’的关系L’=L+qFV’=v+(q-1)F所以提馏操作线方程可写成：V与V’,L与L’的关系49四、操作线方程的作法1、q线方程（进料方程）提馏段：V‘y=L’x-Wxw精馏段：Vy=Lx+DxD相减（V‘-V）y=（L’-L）x-（DxD+WxW）L‘=L+qFV’=V+（q-1）FFxF=DxD+WxW四、操作线方程的作法1、q线方程（进料方程）L‘=L+qF502、利用q线方程作提馏线方程（1）提馏线方程作法A：作精馏操作线

过点（XD，XD），截距为XD/（R+1）B：作q线过点（xF，xF），斜率为q/（q-1）C：作提馏线过点（Xw，Xw）与d点2、利用q线方程作提馏线方程（1）提馏线方程作法51化工原理第一章课件52（2）进料热状况对q线及操作线的影响

1冷液:If<IL,q>1,∞>q/(q-1)>12饱和液体:If=IL,q=1,q/(q-1)=∞3汽液混合物:IL<If<IV,0>q/(q-1)>-∞4饱和汽体:If=IV,q=0,q/(q-1)=0;5过热汽体:If>IV,q<0,0<q/(q-1)<1热状态对提馏的影响

（2）进料热状况对q线及操作线的影响1冷液:热状态对提531-5

两组分连续精馏的计算（Ⅱ）

理论板层数的计算与回流比的影响

1-5

两组分连续精馏的计算（Ⅱ）

理论板层数的计算与回流54给出精馏的原料F，原料液组成xF，进料热状况q，操作回流比和分离程度xD、xW，回流比R；利用（1）气液平衡关系

（2）操作线方程

求：理论板

一、理论板层数的计算逐板计算法图解法给出精馏的原料F，原料液组成xF，进料热状况q，操作回流比55（一）逐板计算法

计算准确，但繁琐（一）逐板计算法计算准确，但繁琐56双击关闭此窗口例6.4.1双击关闭此窗口例6.4.157图解法步骤1、在x-y图上作平衡线及对角线2、作精馏段操作线ab3、作q线ef4、作提馏操作线cd5、在精馏线提馏线与平衡线间绘梯级。（二）图解法图解法步骤1、在x-y图上作平衡线及对角线（二）图解法581.操作线的作法

1.操作线的作法592.梯级图解法求理论板层数

注：总板数=总梯级数-1跨过d点的梯级为加料板提馏段板数=提馏段梯级数-12.梯级图解法求理论板层数注：60二、回流比的影响及其选择回流比有两个极限值，其上限为全回流（即回流比为无限大）；下限为最小回流比，操作回流比介于两个极限值之间。回流比还是影响精馏操作费用和投资费用的重要因素。

二、回流比的影响及其选择回流比有两个极限值，其上限为全回流（61（一）全回流和最小理论板层数1.全回流的概念（D=0，F=W=0）若上升至塔顶的蒸汽经全凝器冷凝后，冷凝液全部回流到塔内，该回流方式称为全回流精馏线、提馏线与对角线重合yn+1=xn

2.最小理论板层数

（一）全回流和最小理论板层数1.全回流的概念（D=0，F=62（二）最小回流比

1.最小回流比的概念

随着回流比R的减小，使操作线交点向平衡移动，导致过程传质推动力减小，使得完成相同的分离要求所需理论板数N随之增加，使塔增高。当回流比继续减小，使两操作线交点落在平衡曲线上，此时完成规定分离要求所需理论板数为∞，回流比为该条件下的最小回流比Rmin。

（二）最小回流比1.最小回流比的概念63最小回流比的求法1、作图法A、正常线（找交点）最小回流比的求法1、作图法64B、非正常线（不找交点找切点）B、非正常线（不找交点找切点）65(2)解析法(2)解析法66（三）适宜回流比的选择

选择的原则是根据经济核算，使操作费用和设备费用之和为最低。操作费用和设备费用之和最低时的回流比称为适宜回流比。

（三）适宜回流比的选择选择的原则是根据经济核算，使操作费用671-6两组分连续精馏的计算（Ⅲ）

一、简捷法求理论板层数1、吉利兰（Gilliland）图

将许多不同精馏塔的回流比、最小回流比、理论板数及最小理论板数即R、Rmin、N、Nmin四个参数进行定量的关联，称为吉利兰图（Gillilad）图。

1-6两组分连续精馏的计算（Ⅲ）一、简捷法求理论板层数682.求理论板层数的步骤

（1）先按设计条件求出最小回流比Rmin，并选择操作回流比R。（2）计算全回流下的最少理论板层数Nmin。（3）由（R-Rmin）/（R+1）之值作铅垂钱与曲线相交，查出（N-Nmin）/（N+2）之值，计算全塔理论板层数N。（4）求精馏段理论板层数，确定适宜的进料板位置。2.求理论板层数的步骤69二、几种特殊情况理论板层数的计算1.直接蒸汽加热

（1）适用场合：待分离的混合物为水溶液，且水为难挥发组分，釜液近于纯水；（2）特点：无再沸器（3）装置：如图二、几种特殊情况理论板层数的计算1.直接蒸汽加热（1）适70（4）物料衡算总物料：易挥发组分:V0=V’L‘=W（4）物料衡算总物料：V0=V’71求理论板步骤：1、作精馏线；2、作q线；3、作提馏线；4、绘梯级。求理论板步骤：722.提馏塔

总物料：易挥发：原料液中易挥发组分含量低，且对馏出液要求不高。L’=FV‘=D泡点进料2.提馏塔总物料：原料液中易挥发组分含量低，且对馏出液要73泡点进料当泡点进料时，提馏线过（xF，xD）与（Xw，Xw）两点冷液进料泡点进料冷液进料743.多股进料

该塔分为3段：第一股进料以上为精馏段；第二股进料以下为提馏段；两股之间为中间段。中间段的操作线：总物料：易挥发：操作线为：3.多股进料该塔分为3段：75由于进料的加入，使进料下方塔段的操作线斜率大于上方塔段的操作线的斜率。由于进料的加入，使进料下方塔段的操作线斜率大于上方塔段的操作764、具有侧线采出的精馏过程

当需要获取浓度不同的两种或多种产品，应采取侧线出料的方法，侧线抽出的产品可为塔板上泡点液体或板上的饱和蒸气。

如果在精馏段设一侧线采出，则塔被分为三段。塔两端分别同精馏段和提馏段操作线方程，而中段则由物料衡算获得其操作线方程。4、具有侧线采出的精馏过程当需要获取浓度不同的两种或多种产771、精馏线2、物料衡算3、提馏线123V“=V=（R+1）D1L”=L-D21、精馏线123V“=V=（R+1）D178无论抽出液相还是气相产品，其段操作线的斜率均小于第I段塔的操作线的斜率。

无论抽出液相还是气相产品，其段操作线的斜率均小于第I段塔的操795、塔顶蒸汽部分冷凝5、塔顶蒸汽部分冷凝80例题苯、甲苯两组分混合物进行常压连续精馏，原料直接加入釜中，组成为Xf=0.7，要求得到组成为0.8的塔顶产品，塔顶用一分凝器，其中50%的蒸气冷凝并返回塔顶，出分凝器的蒸气于冷凝液体保持平衡，进料量100Kmol/h，相对挥发度为2.46，问塔顶、塔釜产量为多少？汽化量为多少？例题苯、甲苯两组分混合物进行常压连续精馏，原料直接加入釜中，81FxFWXWVyLxV1y1DxD例题附图FxFWXWVyLxV1y1D821-7

两组分连续精馏的计算（Ⅳ）

一、塔高的计算1、板效率和实际板数（1）单板效率EM以气相（或液相）经过实际板的组成变化与经过理论板的组成变化值之比来表示。（2）全塔效率EE=NT/NP2、板式塔的有效高度Z=（Np-1）HT1-7

两组分连续精馏的计算（Ⅳ）一、塔高的计算83二、塔径的计算D—精馏塔内径，mU—空塔速度，m/sVs—塔内上升蒸汽的体积流量，m3/S二、塔径的计算D—精馏塔内径，m841-8恒沸精馏和萃取精馏适用范围：挥发度很