海川化工论坛_1-4精馏原理

《海川化工论坛_1-4精馏原理》由会员分享，可在线阅读，更多相关《海川化工论坛_1-4精馏原理（27页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、第六章 蒸馏（14 学时） 第六章 蒸馏（14 学时） 教学目的：教学目的：通过本章学习，掌握蒸馏的原理、精馏过程计算和优化。 通过本章学习，掌握蒸馏的原理、精馏过程计算和优化。 教学重点：精馏原理、精馏装置作用精馏分离过程原理及分析教学重点：精馏原理、精馏装置作用精馏分离过程原理及分析 教学难点： 精馏原理， 部分气化和部分冷凝在实际精馏操作中有机结合的过程。教学难点： 精馏原理， 部分气化和部分冷凝在实际精馏操作中有机结合的过程。 教学内容：教学内容： 第一节第一节 概述 概述 1、易挥发组分和难挥发组分 液体均具有挥发性，但各种液体的挥发性各不相同。通常沸点较低的组 分挥发性强，称为易挥

2、发组分，沸点较高的组分挥发性较弱，称为难挥 发组分，因此液体混合物加热部分汽化时所生成的气相组成和液相组成 必有差异。利用这一差异，就可将液体混合物分离。 易挥发 沸点低 轻组分 难挥发 沸点高 重组分 2、蒸馏：根据混合液中各组分挥发度的差异而达到分离的单元 按操作方式： 可分为间歇蒸馏和连续蒸馏。生产中以连续蒸馏为主，间歇蒸馏 只用于小规模的场合。 2、按蒸馏方法： 简单蒸馏、平衡蒸馏(闪蒸)(易分离或分离要求不高的物系) 精馏(各种物系得到较纯的产品) 特殊精馏(很难分离或普通精馏不能完成的物 系) 3、按操作压力： 常压(一般情况)；减压(沸点高且热敏性)；加压（常温常压下 呈气态，沸

3、点低，冷凝困难） 。 双组分和多组分 ：双组分是多组分的特殊情况；多组分（多用于工业上） 。 石油加工： 苯、甲苯、二甲苯的分离。 造酒： 从发酵的醪液中提取饮料酒。 合成材料： 从反应的混合物中提出高纯度的单体（苯乙烯、氯乙稀） 第二节 双组分溶液的汽掖相平衡第二节 双组分溶液的汽掖相平衡 本节重点本节重点：气液两相平衡物系的自由度、理想溶液和拉乌尔定律 本节难点本节难点：汽液相组成与温度（泡点、露点）的关系 6-1 溶液的蒸气压及拉乌尔定律溶液的蒸气压及拉乌尔定律 1、理想溶液： 指其中各个组分都在全部浓度范围内服从拉乌尔定律 2.拉乌尔定律： 设在纯液体 A 中逐渐加入较难挥发的溶液 B

4、， 形成 A、 B 的溶液，当 A 的平衡分压（蒸汽压）PA仅仅由于被 B 所释放而降低，则： pA = pAo xA pAo 纯液体 A 的蒸汽压； xA 溶液中组分 A 的摩尔分率。 同理，将拉乌尔定律用于组分 B 为：pB=pBoxB 3.道尔顿分压定律: p = pA + pB pA = pAoxA = pAox pB = pBo (1-x) 精馏原理是根据图所示的 t-x-y 图，在一定的压力下，通过多次部分气 化和多次部分冷凝使混合液得以分离，以分别获得接近纯态的组分。 理论上多次部分气化在液相中可获得高纯度的难挥发组分， 多次部分冷凝在气相中可获得高纯度的易挥发组分，但因产生大量

5、中间组分而使产品量极少，且设备庞大。 工业生产中的精馏过程是在精馏塔中将部分气化过程和部分冷凝过程有机结合而实现操作的。 6-2 精馏装置流程6-2 精馏装置流程 一、精馏装置流程：典型的精馏设备是连续精馏装置，包括精馏塔、冷凝器、再沸器等，如图所示。用于精馏的塔设备有两种，即板式塔和填料塔，但常采用的是板式塔。连续精馏操作中，原料液连续送入精馏塔内，同时从塔顶和塔底连续得到产品（馏出液、釜残液），所以是一种定态操作过程。 二精馏装置的作用 精馏塔以加料板为界分为两段，精馏段和提馏段。 1精馏段的作用：加料板以上的塔段为精馏段，其作用是逐板增浓上升气相中易挥发组分的浓度。 2提馏段的作用：包括

6、加料板在内的以下塔板为提馏段，其作用逐板提取下降的液相中易挥发组分。 3塔板的作用：塔板是供气液两相进行传质和传热的场所。每一块塔板上气液两相进行双向传质，只要有足够的塔板数，就可以将混合液分离成两个较纯净的组分。 4再沸器的作用：其作用是提供一定流量的上升蒸气流。 5冷凝器的作用：其作用是提供塔顶液相产品并保证有适当的液相回流。 回流主要补充塔板上易挥发组分的浓度，是精馏连续定态进行的必要条件。 精馏是一种 利用回流使混合液得到高纯度分离的蒸馏方法。 第三节 两组分连续精馏的计算 第三节 两组分连续精馏的计算 本节重点：物料衡算式的应用，操作线方程和 q 线方程的应用及其在 x-y 图 本节

7、重点：物料衡算式的应用，操作线方程和 q 线方程的应用及其在 x-y 图 本节难点：进料热状况参数的计算，最小回流比的计算，进料热状况对 q 线和操作线的影响。本节难点：进料热状况参数的计算，最小回流比的计算，进料热状况对 q 线和操作线的影响。 掌握的内容：掌握的内容：(1) 精馏塔物料衡算的应用。(2) 操作线方程和 q 线方程及其在x-y 图上的作法和应用。 (3) 理论板和实际板数的确定 （逐板计算法和图解法） 、塔高和塔径的计算。(4) 进料热状况参数 q 的计算及其对精馏操作的影响(5) 全回流时最小理论板数，最小回流比的计算，回流比与塔板数的关系和适宜回流比的确定 6-3 理论板

8、的概念及恒摩尔流假定 6-3 理论板的概念及恒摩尔流假定 一、理论板的概念：指离开该板的气液两相达到平衡状态，且两相温度相等的塔板。实际上，理论板是不存在的，它仅用作衡量实际塔板分离效率的一个标准。理论板的概念对精馏过程的分析和计算是十分有用的。 二、恒摩尔流假定 1恒摩尔气流：是指在精馏塔内，为简化精馏计算，通常引入塔内恒摩尔流动的假定。各层塔板上升蒸气摩尔流量相等，即：精馏段： 但两段上升的蒸气摩尔流量不一定相等 2恒摩尔液流：是指在精馏塔内，在没有中间加料（或出料）条件下各层塔板下降液体摩尔流量相等，但两段下降的液体摩尔流量不一定相等。 恒摩尔流动的假定必须符合以下的条件才能成立。 混合

9、物中各组分的摩尔气化热相等。 各板上液体显热的差异可忽略。 塔设备保温良好，热损失可忽略。 以下是以恒摩尔流为前提介绍的精馏计算 6-4 物料衡算和操作线方程 6-4 物料衡算和操作线方程 一、全塔物料衡算 对的连续精馏装置做物料衡算，并以单位时间为基准，则： 总物料衡算：F=D+W 易挥发组分： 式中：F、D、W分别表示原料、塔顶产品（馏出液）、塔底产品（釜残液）流量，kmol/h； xF、xD、xW分别表示原料中、塔顶产品中、塔底产品中易挥发 组分的摩尔分数。 应该指出，在精馏计算中，分离要求可以用不同形式表示，如：馏出液的采出率：QB釜残液的采出率：QL 塔顶易挥发组分的回收率： 塔釜难

10、挥发组分的回收率：QLW 应该提出：通常原料的流量与组成是给定的，在规定分离要求时，应满足全塔总衡算的约束条件，即 或 。 （一）精馏段操作线方程 对图虚线范围（包括精馏段第 n+1 板和冷凝器在内）作物料衡算， 以单位时间为基准，即： 总物料衡算： 易挥发组分的物料衡算： 式中：V、L分别表示精馏段内每块塔板上升蒸气的摩尔流量和下降液体的摩尔流量，kmol/h； yn+1精馏段中任意第n+1 层板上升的蒸气组成，摩尔分数； xn精馏段中任意第n层板下降的液体组成，摩尔分数。 并整理得：为精馏段操作线方程。该方程的物理意义是表达在一定的操作条件下，精馏段内自任意第n层塔板下降的液相组成xn与其

11、相邻的下一层塔板上升的蒸汽组成yn+1之间的关系。 该方程为直线方程， 其斜率为 ， 截距为 ，在x-y图中为一条直线， 如图 1-11 中ab所示。 可由两点法作图， b点由截距确定；a点（xD，xD)，则略去精馏段操作线方程中变 量的下标，由精馏段操作线方程与对角线方程联立可得。连接 a、b 两点的直线，即为精馏段操作线。也可由点 a 作斜率为 的直线 ab，得此线。 （二）提馏段操作线方程 对图 1-12 虚线范围（包括自提馏段第 m 板以下塔段和塔釜在内）作物料衡算，即：总物料衡算： 易挥发组分的物料衡算： 式中： 、 分别表示提馏段内每块塔板上升蒸汽的摩尔流量和下降液体的摩尔流量，k

12、mol/h； 提馏段中任意第 m 层板下降的液体组成，摩尔分数； 提馏段中任意第 m+1 层板上升的蒸汽组成，摩尔分数； 为提馏段操作线方程。该方程的物理意义是表达在一定的操作条件下，提馏段内自任意第 m 板下降的液相组成 与其相邻的下一层塔板上升的蒸汽组成 之间的关系。 该方程也为直线方程， 其斜率为， 截距为在x-y 图上也为一条直线。(其在图上的表示在下小节介绍) 应该指出，提馏段内液体摩尔流量 不仅与 的大小有关，而且还受进料量 及进料热状况的影响。 6-4 进料热状况的影响和进料线方程 进料热状况的影响和进料线方程 一、进料热状况的影响 1进料五种热状况 在实际生产中，引入精馏塔内的

13、原料可能有五种不同状况，即：低于泡点的冷液体；泡点下的饱和液体；气液混合物；饱和蒸气；过热蒸气。 进料热状况不同， 将直接影响进料板上、 下两段上升蒸气和下降液体的流量，为表明它的影响，现介绍如下物理量。 2进料热状况参数图 113 进料板上的物料衡算和焓衡算 对图 1-13 所示的虚线范围分别作进料板的物料衡算和焓衡算，以单位时间为基准，即：物料衡算： 焓衡算： ； 式中： 原料液的焓， 分别表示进料板上、下处饱和蒸气的焓，；分别表示进料板上、 下处饱和液体的焓， ；由于进料板上、下处的温度及气、液浓度都比较接近， 故： ， 将以上关系与式整理得： q 称为进料热状况参数。对各种进料热状况都

14、可用上式计算 q 值。 于是由上两式得出精馏塔内两段的气、 液相流量与进料量及进料热状况参数之间的基本关系 进料热状况对进料板上、下各流股的影响： a 冷液体进料 b 饱和液体进料 c气、液混合物进料 e 过热蒸气进料 3进料热状况对上升蒸汽量和下降液体量的影响 进料热状况不同，q 值就不同，因此直接影响精馏塔内两段上升蒸汽和下降液体量之间的关系，如图所示。 冷液体进料（q1）饱和液体进料（q=1） 气液混合物进料（q=01）饱和蒸汽进料（q=0） 过热蒸汽进料（q0） 4提馏段操作线方程另一种形式 对定态精馏过程而言，式中L、F、W、xw、q为已知值。 如前所述提馏段操作线方程同样为直线方程

15、，其斜率为截距为，在x-y图上为一条直线，也可用两点法作出。略去提馏段操作线方程中变量的下标与对角线方程联解得出点c(xw，xw)，如图 1-11 上的点c所示。为了反映进料热状况的影响，故通常找出两操作线的交点，将c点与该点连接而得出提馏段操作线。 二、进料方程（q 线方程） 1进料方程因在交点处两操作线方程中的变量相同，故略去方程式中变量上、下标，即：及全塔易挥发组分的衡算式，并整理得： 上式称为进料线方程。该方程为代表两操作线交点的轨迹方程。该式亦为直线方程，其斜率为，截距为。在x-y图上为一条直线并必与两操作线相交于一点。 此线作法q线方程与对角线方程联解得交点e(xf， xf)，过点e作斜率为的直线ef，即为q线。q线与精馏段操作线ab相交于点d，连接c、d两点即得到提馏段操作线， 2进料热状况对 q 线及操作线的影响。 进料热状况不同，q 值便不同，q 线的位置也不同，故 q 线和精馏段操作线的交点随之而变，从而提馏段操作线的位置也相应变动。 当进料组成、回流比和分离要求一定时，五种不同进料状况对 q 线及操作线的影响如上图 不同进料热状况对 q 线的影响情况列于表 1-1 中。 6-5 理论板数的计算 6-5 理论板数的计算 对两组分连续精馏塔，理论板数的求算方法常采用逐板计算法和图