化工原理课件3(1)综述

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1、第1章 蒸馏(下册) 1.1 概述 蒸馏是通过加热造成气液两相物系, 利用物系中各组 分挥发度不同的特性以实现分离的单元操作. 蒸馏的特点: (1)通过蒸馏操作可以直接获得所需要的组分。 (2)在蒸馏过程中需消耗大量的能量。 蒸馏进行的依据：混合物中各组分挥发性的差异。 挥发性的辨别：同一T下，饱和蒸汽压不同； 同一P下，沸点不同。 1.1 概述 蒸馏 简单蒸馏 平衡蒸馏 精馏 特殊精馏 两组分 多组分 常压 加压 减压 连续蒸馏 间歇蒸馏 蒸馏的分类 *重点介绍常压下两组分连续精馏 1.2 两组分溶液的气液平衡 一. 理想物系的气液平衡 相律:表示平衡物系中的自由度数、相数及独立组分 数间的

2、关系: F = C P + 2 对于两组分的气液平衡物系, 其自由度数为2, 在 气液平衡中可变化的参数为温度t、压强p、一组分 在液相和气相中的组成x和y，因此在此4个变量中任 意规定其中2个变量，则此平衡物系的状态也就被唯 一确定了。 理想溶液的气液平衡关系遵循拉乌尔定律 : pA溶液上方组分的平衡分压，Pa； -纯组分的饱和蒸气压，由安托尼方程或手册查得； 理想溶液-各组分分子之间的作用力相等的溶液。 A、B之间的作用力等于A-A、B-B的作用力。 泡点方程 : 露点方程 : 安托尼(Antoine)方程 挥发度与相对挥发度 混合液中各组分挥发度: 对于理想溶液和纯组分的挥发度为该组分的

3、饱和蒸汽压 相对挥发度:溶液中两组分挥发度之比，以表示,通常 以易挥发组分的挥发度为分子. 相平衡方程: * 1， 越大, 组分越易分离, =1混合物系不能用普通精 馏分离 二. 气液平衡相图 由两条线划分为三个区。液相线 ：泡点线；气相线：露点线；三 个区：液相区、气液平衡区、气 相区。 三. 总压对气液平衡的影响 当P则液相分子进入气 相需更大的能量，因此 ，汽化变的不易。 当总压改变后,泡点线和 露点线都会发生改变. P 增大, 气液两相区变窄, 变小, 分离变得困难. 在x-y相图中, P增大,平 衡线向对角线靠拢. 四.两组分非理想溶液的气-液平衡 正偏差溶液：相异分子间的排斥倾向起

4、了主导作用，使溶液 的两个组分的平衡分压都比拉乌尔定律所预计的高，正偏差 严重时形成具有最低恒沸点的溶液. 负偏差溶液：相异分子间的吸引力大，使得溶液的两个组分的平 衡分压都比拉乌尔定律所预计的低，负偏差严重时形成具有最高 恒沸点的溶液. 1.3 平衡蒸馏和简单蒸馏 一. 平衡蒸馏 1. 物料衡算: 总物料衡算: F= D + W 易挥发组分衡算: FxF = Dy + Wx 联立上两式,得: 其中 q= W/F （液化分率） 2. 热量衡算 加热器的热负荷 : 又 则料液离开加热器的温度为 3.气液平衡关系 te=f(x) 二. 简单蒸馏（微分蒸馏） 在d时间内作物料衡算： 总物料: dD=

5、 -dL 易挥发组分:Lx = (L+dL)(x+dx) + ydD 由上两式, 可得: 积分上式: (积分边界条件为: L=F,x=x1;L=W,x=x2) 将代入,得 : 1.4 精馏原理 通过多次的部分汽 化和多次的部分冷 凝, 最终可以获得几 乎纯的易挥发组分 和难挥发组分 一. 精馏原理 二. 连续精馏流程 精馏塔 精馏段 提馏段 实现连续精馏的 条件:塔顶要有回 流,塔底要有再沸 器 1.5 两组分连续精馏的计算 计算要解决的问题: (1)确定产品的流量或组成； (2)确定完成一定分离任务所需要的塔板数； (3)塔板选型，塔高、塔径的计算； (4)冷凝器、再沸器的热负荷。 计算依据

6、： 气液相平衡、物料衡算、热量衡算 1.5 两组分连续精馏的计算 一. 理论板的概念与恒摩尔流假定 理论板是一个理想化的塔板，即不论进入塔板的气液组成如何，在 塔板上充分混合和接触与传质的最终结果表现为离开该板的气液两 相在传热，传质两方面都达到平衡状态，两相的温度相等，组成互 成平衡。 恒摩尔气流:在精馏操作中,在精馏段或提馏段内,每块塔板上 升的气相摩尔流量相等。 V1=V2=V3=Vn=V 恒摩尔液流:在精馏操作中,在精馏段或提馏段内，每 块塔板下降的液相摩尔流量相等。 L1=L2=L3=Ln=L 二. 全塔物料衡算 总物料衡算：F = D + W 轻组分衡算: F.xF=DxD + W

7、xW 馏出液采出率 馏残液采出率 D/F+ W/F=1 轻组分的回收率 重组分的回收率 三. 操作线方程 1精馏段操作线方程 总物料衡算：V = L + D 易挥发组分衡算:Vyn+1=Lxn + DxD 令R=L/D（R即为回流比） 精馏段操作线方程 L=RDV=L+D=(R+1)D 操作线为直线, 其斜率R/(R+1)，截距xD/(R+1)。 2.提馏段操作线方程 总物料衡算：L= V+ W 易挥发组分:Lxm= Vym +1+W xW 提馏段操作线方程: 精馏段操作线交对角线于点a (xD, xD), 提馏段操作线交对角 线于点c(xW, xW). 四. 进料热状况的影响及q线方程 a.

8、温度低于泡点的过冷液体； b.温度等于泡点的饱和液体； c.温度介于泡点和露点之间的气、液 混合物； d.温度等于露点的饱和蒸汽； e.温度高于露点的过热蒸汽。 引入塔内的原料有5种热状况 : 总物料衡算：F+L+V=L+V 总热量衡算： FIF + LIL+ VIV = LIL + VIV V-V= F -（L-L） q进料热状况参数 L=L+qF V=V-（1-q）F 精馏段物料衡算: Vy=Lx+DxD 提馏段物料衡算: Vy=Lx - WxW 联立求解,得: (q线方程) (两操作线交点的轨迹方程) 与对角线交点e(xF, xF) 特点 斜率为 进进料热热状况进进料的焓值焓值q 值值q

9、 线线斜率 冷液进料IF ILq 1 饱和液进料IF ILq 1 气液混合进料IL IFIV0q 1 饱和蒸汽进料IF IV q 00 过热蒸汽进料IF IV q 0 *进料越冷，按顺时针方向 ，q线越向对角线靠拢。 五. 理论板层数的求法 1、逐板计算法： 通常是从塔顶开始进行计算，因塔顶为全凝器, 则: y1 =xD 根据理论板的概念 x1与y1互成平衡 : y2与x1 关系遵循操作线方程: 交替使用上述两方程式逐板计算, 直至 xnxq ,换提 馏段操作线方程, 继续交替使用平衡关系和提馏段 操作线方程,直至 xnXW, 理论板数N=n-1.(再沸器 相当于一块理论板) 2. 图解法 (

10、Mccabe-Thiele图解法) 图解法本质与逐板计 算法一样, 只是将平衡 关系和操作线方程用 图线形式表示, 在平衡 线和操作线间画梯级 求理论板数, 梯级数即 为理论板数. *当梯级跨越两操作线交点时要及时换操作线, 这样 对一定的分离任务,所需理论板数最少. 例:用一常压操作的连续精馏塔，分离含苯为0.44（摩 尔分率，以下同）的苯甲苯混合液，要求塔顶产品中含 苯不低于0.975，塔底产品中含苯不高于0.0235。操作回流 比为3.5。试用图解法求以下两种进料情况时的理论板层数 及加料板位置。 （1）原料液为20的冷液体。 （2）原料为液化率等于1/3的气液混合物。 已知数据如下：操

11、作条件下苯的汽化热为389kJ/kg； 甲苯的汽化热为360kJ/kg。苯甲苯混合液的气液平衡数 据及t-x-y图见图1-1。 六. 回流比的影响与选择 1. 全回流 全回流特点: D=0, R =L/D= 此时操作线与对角线重合(yn+1=xn)，操作线与平衡线间的 距离最大，过程推动力最大，完成指定任务所需的理论塔 板数最少. 最少理论板数: 2. 最小回流比 yq xq R，XD/(R+1) ，操作线上移， 当两操作线的交点正好落在平衡 线上时，此时的回流比为最小回 流比 对某些非理想溶液, 平衡线出现明显下凹时: 3. 适宜回流比的选择 精馏的设备费包括精馏塔, 再沸 器, 冷凝器等的

12、设备折旧费. 操作费用与塔内上升蒸气量有关: V=(R+1)D V=V-(1-q)F 当F, q, D一定时, V和V随着R的增 大而增大, 即R增大,操作费增加. 适宜回流比 七.简捷法求理论板数 回归方程式: Y=0.545827-0.591422X+0.002743/X 八. 直接蒸汽加热情况下理论板数的计算 直接蒸汽加热时精馏段操作线与 常规塔的相同, q线也不变. 提馏段物料衡算: 联立求解上两式,可得提馏段 操作线方程: 九. 塔高和塔径的计算 1. 塔高的计算 Z = (NP-1) HT Z塔的有效段高度; HT板间距 2. 塔径的计算 塔板效率 1. 全塔效率(总板效率) 全塔

13、效率是指达到指定分离效果所需理论板层数与实际板层 数的比值。 2. 单板效率 默弗里 (Murphree) 板效率: 十. 精馏装置的热量衡算 1.冷凝器的热量衡算 对塔顶冷凝器(全凝器)进行热量衡算 : QC冷凝器带出的热量(冷凝器的热负荷), 冷却剂的消耗量: kJ/h. 2. 再沸器的热量衡算 对再沸器进行热量衡算: QB再沸器的热负荷, kJ/h. 加热蒸汽用量: 双组分精馏的操作型计算 回流比增加对精馏结果的影响 6.6 间歇精馏 间歇精馏的特点: (1)间歇精馏为非稳态过程; (2) 间歇精馏塔只有精馏段. 间歇精馏的操作方式: (1) 维持馏出液浓度恒定的操作 (2) 维持回流比

14、恒定的操作 (3) 联合方式操作 回流比保持恒定的间歇精馏 馏出液组成恒定时的间歇精馏 确定理论论板数 第2章 吸收 吸收:将混合气体与一种适当的液体接触，使其中一种或多种组 分溶解于液体中，而使气体混合物得以分离的操作。 吸收进行的依据：利用混合气中各组分的溶解度不同而将气体 混合物分离。 和蒸馏比较： 相同点：都是均相混合物的分离操作，也都是传质过程 不同点：物质是单方向传质，且温度远低于沸点。 吸收剂：吸收过程所用的溶剂（S） 吸收质：混合气中能被溶剂吸收的组分（A） 惰性组分：混合气中不能被溶剂吸收的组分（B） 吸收剂的选择 1、具有良好的选择性; 2、不具挥发性,蒸气压低; 3、吸收

15、剂粘度要低，有利于传质，且有利于降低泵的功耗; 4、化学性能稳定 5、既经济又安全，价廉、易得、无毒、不易燃烧 吸收操作的分类 按有无化学变化 化学吸收 物理吸收 按吸收组分的多少 单组分吸收 多组分吸收 按吸收过程温度变化 等温吸收 非等温吸收 按含量的高低 低浓度吸收 高浓度吸收 *重点介绍低组成单组分等温物理吸收 吸收过程：当气相中溶质的实际分压高于与液相成平 衡的溶质分压时，溶质便由气相向液相转移。 解吸（脱吸）是吸收的逆过程，如果气相中溶质的实 际分压低于与液相成平衡的溶质分压时，溶质便由液 相向气相转移。 2.1气体吸收的相平衡关系 1. 气体在液体中的溶解度 当气液两相达到溶解平

16、衡时，气相中溶质的分压称平衡分压，用 PA*表示；而液相中溶质的浓度称气体在液体中的饱和浓度或溶解 度。 影响溶解度的因素: 不同物质在同一溶剂中的溶解度不同，同一物质在不同的溶剂 中的溶解度不同。 t，溶解度（PA一定）。 P，溶解度；P，溶解度（t一定, y不变）。 *加压降温有利于吸收. 二. 亨利定律 E亨利系数， KPa或 Pa。 t,E ; 气体的E 越大,溶解度越小 亨利定律的其它表示方法: H溶解度系数，kmol/(kN.m) 易溶气体有较大的H. 对于稀溶液 ： 二. 亨利定律 m相平衡常数 t, m; P, m 溶质在气、液相的组成分别都有摩尔分数表示 ： 用比摩尔分率(摩尔比)表示相组成 : 或 对低浓度溶液: 三、相平衡关系在吸收过程中的应用 1. 判断过程进行的方向 3. 指明过程进行的极限 2. 确定过程的推动力 *吸收过程进行的必要条件是 或 2.2