化工原理-精馏课件

化工原理-精馏精馏是分离混合物的一种重要方法，应用于各种化学工程领域。精馏的基本原理是利用混合物中不同组分沸点的差异，通过蒸发和冷凝过程进行分离。精馏的基本原理分离混合物利用混合物中各组分沸点不同，将其分离成不同纯度的组分。气液两相平衡通过气液两相间的物质交换，实现组分分离。多级分离利用多级分离装置，实现更高效的组分分离。气液平衡和相平衡图气液平衡是指在一定温度和压力下，液体和蒸汽两相处于平衡状态。相平衡图则是用来描述不同温度和压力下，液体和蒸汽两相的组成变化关系。相平衡图可以帮助我们了解在不同条件下，液体和蒸汽的相对比例，以及各组分的浓度变化。这对于设计和优化精馏过程至关重要，因为它能够预测分离效率和塔顶产物的组成。相平衡的数学描述气液平衡气相和液相达到平衡时，气相中各组分的偏摩尔吉布斯自由能等于液相中各组分的偏摩尔吉布斯自由能。平衡关系可以用平衡常数来表示，平衡常数由温度和压力决定。相平衡图可以用来直观地表示气液平衡关系，通常以温度、压力和组分浓度为坐标轴。理想溶液的气液平衡理想溶液是指混合物中各组分之间相互作用力与纯组分之间作用力相等，且混合过程不产生热效应的溶液。理想溶液的气液平衡是指在一定温度和压力下，理想溶液的液相和气相处于平衡状态，即液相和气相中各组分的浓度保持不变。Raoult定律描述了理想溶液中各组分的蒸汽压与其在液相中的摩尔分数之间的关系，该定律可以用来计算理想溶液的气液平衡。Henry定律描述了溶质在溶液中溶解度与其在气相中的分压之间的关系，该定律可以用来计算溶质在理想溶液中的气液平衡。非理想溶液的气液平衡理想溶液中，组分的蒸气压与其摩尔分数成正比。非理想溶液则表现出偏差。非理想溶液的气液平衡受分子间作用力影响，可能表现出正偏差或负偏差。1.5正偏差分子间吸引力减弱，实际蒸气压高于理想蒸气压。0.5负偏差分子间吸引力增强，实际蒸气压低于理想蒸气压。Raoult定律和Henry定律Raoult定律Raoult定律描述了理想溶液中挥发性组分蒸汽压与其液相摩尔分数之间的关系。该定律指出，理想溶液中某组分的蒸汽压等于该组分纯态时的蒸汽压乘以其在溶液中的摩尔分数。Henry定律Henry定律描述了难溶气体在液体中的溶解度与其分压之间的关系。该定律指出，在一定温度下，难溶气体在液体中的溶解度与其分压成正比，比例常数称为Henry系数。液-液平衡和三元系的液-液平衡液-液平衡是指在给定温度和压力下，两种互不相溶的液体处于平衡状态。三元系的液-液平衡是指由三种组分组成的体系中，存在两种互不相溶的液相，并处于平衡状态。在三元体系中，三组分之间的相互作用力会影响液-液平衡状态。相平衡图可以直观地展示三元体系的液-液平衡状态，并提供关于体系组成和相平衡温度的信息。相平衡图的构建相平衡图是表示在特定条件下不同相平衡关系的图形表示。1选择坐标轴选择合适的坐标轴，例如温度、压力和摩尔分数。2绘制相边界根据实验数据或理论计算确定相边界。3标注相区标注不同相区，例如气相、液相和固相。4添加其他信息添加其他信息，例如临界点和共沸点。相平衡图可以用来预测不同相的组成和数量，以及在给定条件下不同相之间的平衡关系。多组分系统的相平衡图多组分系统相平衡图绘制更复杂，需要考虑各组分之间相互影响。绘制三元相图时，通常使用三角形坐标系，三个顶点分别代表三个组分。利用相平衡图，可以预测多组分系统在不同温度和压力下的相态。相平衡图可以帮助理解多组分系统的分离过程，例如蒸馏和萃取。单级精馏原理1进料混合物进入塔底2加热加热至沸腾3汽化气相和液相分离4收集塔顶收集气相单级精馏利用一个蒸馏塔，将混合物分离成两个部分。首先，混合物在塔底加热至沸腾。然后，气相和液相在塔内分离。最后，气相在塔顶收集，而液相则在塔底收集。单级精馏可以用来分离混合物中沸点差异较大的组分。单级精馏分离效率指标定义计算公式回收率目标组分从进料中被分离出来的比例回收率=馏出液中目标组分量/进料中目标组分量纯度馏出液中目标组分的浓度纯度=馏出液中目标组分量/馏出液总量分离因子衡量单级精馏分离能力的指标分离因子=馏出液中目标组分浓度/釜液中目标组分浓度单级精馏分离因子单级精馏分离因子是指在单级精馏过程中，馏出液中目标组分浓度与其在进料液中的浓度之比。它衡量了单级精馏分离效率的高低。分离因子越大，则单级精馏分离效果越好，馏出液中目标组分浓度越高。分离因子与进料液组成、操作条件（如温度、压力等）和塔板效率有关。1进料液进料液组成对分离因子影响较大，进料液中目标组分含量越高，分离因子越小。2操作条件操作条件对分离因子也有影响，如温度升高，分离因子一般会降低。3塔板效率塔板效率越高，分离因子越大，分离效果越好。多级精馏过程1塔板多级精馏通常使用塔板或填料塔，形成多个分离阶段，以提高分离效率。2蒸汽上升蒸汽从底部上升，经过塔板或填料层，与下降的液相接触，进行传质和传热。3液相下降液相从塔顶向下流动，与上升的蒸汽接触，进行传质和传热，从而进行分离。4顶部产品塔顶获得富含轻组分的顶部产品，塔底获得富含重组分的底部产品。多级精馏的分离效率多级精馏是指在多级塔板或填料层中进行的精馏操作，可以显著提高分离效率。每个塔板或填料层都相当于一个单级精馏，通过多级串联，可以实现更高的分离度。多级精馏的分离效率主要取决于塔板或填料层的数量、操作条件以及物料的性质等因素。理想多级精馏理论模型假设各板为理想平衡板，塔顶和塔底为等压等温，无热损失。分离效率理论模型下，可以实现理想的组分分离，获得高纯度的产品。设计简化简化了计算和分析，为实际精馏塔设计提供了理论基础。非理想多级精馏1非理想混合物组分间存在非理想相互作用，如正负偏差。2相平衡复杂气液平衡关系无法用理想溶液模型描述。3计算方法需要使用经验相关系数或活度系数模型。4塔板效率实际分离效率与理想情况存在偏差。多组分多级精馏多个组分分离多个组分，提高产品纯度。多级精馏多级塔板或填料，增大接触面积。优化设计考虑各组分挥发度，塔板数，回流比等。控制系统温度、压力、流量等参数控制，保证分离效率。精馏塔设计基本理论物料平衡计算塔内进料、顶产品、釜产品及侧线产品的流量和组成。热量平衡计算进料、回流、蒸汽和冷凝的热量，确定塔内温度分布。塔板效率确定塔内实际分离效果，计算塔板数和塔高。塔径计算考虑气液两相流速，确定塔径和塔内件尺寸。塔压计算考虑塔内压力降，确定塔顶和塔釜压力，确保正常运行。精馏塔的气相物料平衡精馏塔的气相物料平衡是精馏塔设计和操作中重要的基础理论之一，它反映了精馏塔内部气相物料的进出和变化情况。气相物料平衡是指在稳态条件下，精馏塔内任何截面上的气相物料流入量等于流出量。气相物料平衡方程是根据物料守恒定律推导出来的，它是描述精馏塔气相物料平衡关系的数学表达式。1进料包括进料量和进料组成2馏出液包括馏出液量和馏出液组成3釜液包括釜液量和釜液组成精馏塔的液相物料平衡精馏塔的液相物料平衡是指塔内每一层板上液相物料的输入量等于输出量。液相物料平衡方程是根据物料守恒定律建立的，它描述了塔内各层板上液相组成和流量之间的关系。精馏塔的液相物料平衡方程可以用来计算塔内各层板上的液相组成和流量。液相物料平衡方程的建立需要考虑塔内各层板上的进料、馏出液和釜液的组成和流量，以及各层板上的蒸汽和液体的流量。精馏塔的热量平衡精馏塔的热量平衡是指塔内进料、塔顶馏出液、塔底釜液、冷凝液、回流液等各种物流的热量相互平衡。热量平衡计算用于确定塔内所需的热量供应和塔顶冷凝器所需的冷却量，以及塔底再沸器的加热量。热量平衡方程Q进=Q出进料热量Q进料=m进料*Cp进料*(T进料-T参考)馏出液热量Q馏出液=m馏出液*Cp馏出液*(T馏出液-T参考)釜液热量Q釜液=m釜液*Cp釜液*(T釜液-T参考)冷凝器热量Q冷凝器=m冷凝液*Cp冷凝液*(T冷凝液-T参考)再沸器热量Q再沸器=m回流液*Cp回流液*(T回流液-T参考)精馏塔的板效率板效率是指实际精馏塔中每块塔板的传质效率，它与塔板的结构、操作条件和物料性质有关。板效率通常小于100%，意味着实际传质效果低于理论值。计算精馏塔的板效率需要考虑实际操作条件和物料特性。70%典型值实际应用中，板效率通常在70%到90%之间。100%理论值理论板效率为100%，但实际操作中很难达到。精馏塔高度的计算精馏塔高度是一个重要参数，它决定了精馏塔的整体尺寸和成本。精馏塔高度的计算方法主要有两种：理论板法和传质单元法。理论板法传质单元法假设塔内各板效率为100%考虑塔内实际传质效率计算理论板数计算传质单元数根据板间距确定塔高根据传质单元高度确定塔高实际应用中，通常采用传质单元法进行精馏塔高度的计算，因为该方法更接近实际情况。精馏塔直径的计算精馏塔的直径与塔的处理能力有关。处理能力越大，塔的直径就越大。计算塔直径时需要考虑多方面的因素，包括塔的压力、流体性质、液相负荷、塔的结构设计等。HeightPressure精馏塔的压力计算精馏塔的压力计算是设计和操作精馏塔的重要环节之一。计算塔内压力，需要考虑物料的蒸汽压、塔顶压力和塔底压力。压力影响塔内物料的沸点和相平衡，从而影响分离效率。1塔顶压力影响物料的沸点，进而影响分离效果。2塔底压力影响物料的沸点，进而影响分离效果。3塔压降影响塔内物料的流动和分离效果。4压力控制确保精馏塔安全稳定运行的关键因素。精馏塔的操作因素分析回流比回流比是指回流到塔顶的液相流率与塔顶馏出液流率之比。回流比越高，塔顶产品纯度越高，但蒸汽消耗量也越大。进料组成进料组成是指进料中各组分的含量，进料组成直接影响精馏塔分离效果，进料组分越复杂，分离难度越大。进料温度进料温度是指进料的温度，进料温度越高，塔顶产品纯度越高，但蒸汽消耗量也越大。塔压塔压是指精馏塔内的压力，塔压越高，塔顶产品纯度越高，但蒸汽消耗量也越大。精馏工艺的放大设计1确定放大目标确定放大后所需的产能，并明确放大后的产品规格和质量要求。例如，放大后的产能是原来的2倍，产品纯度要求提高1%。2工艺参数的调整根据放大后的产能和产品要求，调整精馏塔的塔径、塔高、理论板数、回流比等工艺参数，以满足放大后的需求。例如，放大后的产能增加，可能需要增加塔径或塔高以维持相同的塔板效率。3设备选型和设计根据放大后的工艺参数，选择合适的精馏塔设备，并进行详细的设计，包括塔体、塔板、塔釜、冷凝器、再沸器等设备的设计。精馏系统的节能优化1优化操作条件通过调整操作条件，例如回流比和进料温度，可以提高分离效率并降低能耗。2选择高效的塔板或填料高效的塔板或填料可以缩短塔高并减少能耗。3采用节能型设备使用节能型泵、风机和加热器可以降低能耗。4优化进料方式采用预热进料或混合进料可以降低能耗。精