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1、化工原理多媒体课件,第1章 蒸馏 Distillation,1.1 概述 1.2 两组分溶液的气液平衡 1.3 平衡蒸馏和简单蒸馏 1.4 精馏原理和流程 1.5 两组分连续精馏的计算 1.6 间歇精馏 1.7 恒沸精馏和萃取精馏 1.8 多组分精馏,下一页,上一页,1.1 概述,1 蒸馏的概念 利用液体混合物中各组分挥发度的不同实现分离的单元操作 2 蒸馏分离的特点 直接得到产品 历史悠久、应用广泛 能耗高 3 分类 间歇精馏、连续精馏 简单蒸馏、平衡蒸馏、精馏、特殊精馏,下一页,上一页,常压、减压、加压精馏 双组分精馏、多组分精馏 本章主要内容 常压双组分连续精馏的原理和计算方法,下一页,
2、上一页,返回,1.2 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 1.2.2 两组分非理想物系的气液平衡,下一页,上一页,返回,1.2.1 两组分理想物系的气液平衡,1 相律 phase rule t，p，x，y: t：p-x-y；p：t-x-y 2 气液平衡函数关系 理想物系：理想溶液、理想气体 液相符合拉乌尔定律、气相符合道尔顿分压定律,下一页,上一页,1)饱和蒸汽压法 2)相平衡常数法,上一页,下一页,3)相对挥发度法 relative volatility 3 气液平衡相图 1 t-x-y图 2 x-y图 3 p-x-y图,下一页,上一页,下一页,上一页,下一页,上一页
3、,上一页,下一页,返回,1 分类 非理想溶液、理想气体 理想溶液、非理想气体 非理想溶液、非理想气体 2 解析法,上一页,下一页,1.2.2 两组分非理想物系的气液平衡,3 图解法 正偏差溶液，具有最低恒沸点溶液,下一页,上一页,下一页,上一页,下一页,上一页,负偏差溶液，具有最高恒沸点溶液,下一页,上一页,下一页,上一页,气液平衡数据来源 实验测定或从有关手册中查得 由纯组分的某些物性按经验的或理论的公式估算 根据少量实验数据，由经验的或理论的公式估算,下一页,上一页,例11 苯与甲苯的饱和蒸汽压和温度的关系如本题附表所示。试利用拉乌尔定律和相对挥发度，分别计算苯甲苯混合液在总压为101.3
4、3kPa下的气液平衡数据，并做出温度组成图。该溶液可视为理想溶液。,下一页,上一页,（1）利用拉乌尔定律,上一页,下一页,（2）利用相对挥发度,下一页,上一页,第1讲小结 蒸馏是分离均相液体混合物最广泛采用的单元操作。蒸馏分离的依据是混合液中组分挥发度的差异。 在恒压下，气液相平衡关系是t-x-y及x-y关系。表示这些定量关系的方程是泡点方程、露点方程与相平衡方程。或者采用直观的t-x-y图及x-y图。 相对挥发度数值大小可以说明物系采用蒸馏法进行分离的难易。越大，溶液越容易分离，反之则越难。而当l时，由于平衡气、液相浓度相等，即yx，则不能采用普通蒸馏法将此物系进行分离。 非理想溶液起因于溶
5、液中异种分子间与同种分子间的作用力不同，表现为平衡蒸汽压对Raoult定律的偏差。其极端情况是具有最高或最低恒沸点的溶液。在恒沸点组成下yx，即1，普通蒸馏法不能越过此点。,下一页,上一页,返回,1.3 平衡蒸馏和简单蒸馏,1.3.1 平衡蒸馏 1.3.2 简单蒸馏,上一页,下一页,返回,上一页,下一页,1.3.1 平衡蒸馏 equilibrium ditillation,1 物料衡算 q=W/F 称为液化分率 2 热量衡算 加热器： 绝热闪蒸：,下一页,上一页,3 气液平衡关系,上一页,下一页,例12 对某两组分理想溶液进行常压闪蒸，已知 为0.5（易挥发组分的摩尔分率），若要求汽化率为60
6、，试求闪蒸后平衡的气液相组成及温度。 解：,下一页,上一页,返回,上一页,下一页,1.3.2 简单蒸馏 simple distillation,1 物料衡算 （1）若x-y平衡关系用曲线或表格表示时，采用图解积分或数值积分。 （2）若为理想溶液,下一页,上一页,（3）若x-y平衡关系为直线 若为通过原点的直线 2 馏出液的平均组成,上一页,下一页,例13 对例12中的液体混合物进行简单蒸馏，若汽化率仍为60，试求釜残液组成和馏出液平均组成。已知常压下该混合物的平均相对挥发度为2.16。 平衡蒸馏与简单蒸馏的比较 原因：平衡蒸馏造成物料的返混,下一页,上一页,返回,1.4 精馏原理和流程,精馏
7、rectification 1.4.1 精馏过程原理和条件 1.4.2 精馏操作流程,下一页,上一页,返回,上一页,下一页,1.4.1 精馏过程原理和条件,原理：多次部分汽化，多次部分冷凝 工程实现面临的问题 设备庞杂 能量消耗大 产生中间馏分使产品收率低 改进 用一个设备：塔（板式塔，填料塔） 冷凝放出的热用于汽化需要的热 塔顶引入液相回流，塔底引入气相回流,下一页,上一页,下一页,上一页,精馏过程原理及条件 理论依据：挥发度不同 工程手段：精馏塔，塔顶液相回流，塔底气相回流 传热传质：多次、同时进行气相的部分冷凝和液相 的部分汽化 结果：实现高纯度的分离 理论板：离开该板的气液两相达到平衡
8、状态。,下一页,上一页,返回,1 连续精馏流程,下一页,上一页,1.4.2 精馏操作流程,2 间歇精馏流程,下一页,上一页,第2讲小结 平衡蒸馏和简单蒸馏是工业上最简单的蒸馏方式，它们的原理是混合液的一次部分气化，因此分离效果非常有限，只能用于分离程度要求不高的物系或物系的初步分离。 平衡蒸馏与简单蒸馏属于平衡过程。其计算途径是联立求解物料衡算、热量衡算和相平衡方程。由于简单蒸馏为非稳态过程，所以计算中要采用微积分方法。 工业上实现高纯度分离最常采用的方法是精馏，精馏原理可概括为：分离依据(组分挥发度差异)十工程手段(回流液、气相回流)多次、同时部分气化和部分冷凝实现高纯度分离。,下一页,上一
9、页,返回,1.5 两组分连续精馏的计算,1.5.1 理论板的概念及恒摩尔流假定 1.5.2 物料衡算和操作线方程 1.5.3 进料热状况的影响 1.5.4 理论板层数的求法 1.5.5 回流比的影响及其选择 1.5.6 简洁法求理论板层数 1.5.7 几种特殊情况下理论板层数的求法 1.5.8 塔高和塔径的计算 1.5.9 连续精馏装置的热量衡算和节能 1.5.10 精馏塔的操作和调节,下一页,上一页,返回,工艺设计内容 确定产品流量和组成； 确定精馏塔类型，选择板式塔或填料塔，计算理论板数或填料层高度； 确定塔高和塔径； 板式塔：塔板结构尺寸设计，流体力学验算；填料塔：确定填料类型，计算流动
10、阻力； 计算冷凝器和再沸器热负荷，确定换热器类型和尺寸； 绘制工艺流程图和设备条件图,下一页,上一页,1.5.1 理论板的概念及恒摩尔流假定,1 理论板的概念 该板上气液两相的传热、传质达到平衡 离开该板的气液两相温度相等、组成满足平衡关系 2 恒摩尔流假定 恒摩尔气流 恒摩尔液流,下一页,上一页,恒摩尔流成立的条件 各组分摩尔汽化潜热相等； 气液接触时因温度不同而交换的显热可以忽略； 塔设备保温良好，热损失可以忽略。,下一页,上一页,返回,1 全塔物料衡算,下一页,上一页,1.5.2 物料衡算和操作线方程,总物料 易挥发组分 塔顶易挥发组分回收率 塔底难挥发组分回收率,下一页,上一页,例14
11、 每小时将15000kg含苯40（质量，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及组成，以摩尔流量和摩尔分率表示。 解：,上一页,下一页,下一页,上一页,2 精馏段操作线方程,上一页,下一页,3 提馏段操作线方程,下一页,上一页,返回,1 五种进料热状况 冷液进料 泡点进料 气液混合物进料 饱和蒸汽进料 过热蒸汽进料 原因：物料性质，工程实际 2 进料热状况对塔内气液负荷的影响,上一页,下一页,1.5.3 进料热状况的影响,上一页,下一页,冷液进料 泡点进料 气液混合物进料 饱和蒸汽进料 过热蒸汽进料
12、,下一页,上一页,3 进料热状况参数的计算,下一页,上一页,进料热状况参数的意义 以1kmol进料为基准时，提馏段中的液体流量较精馏段中液体流量增大的kmol/h数，即为q值。 对饱和液体、气液混合物及饱和蒸汽三种进料，q值就等于进料中的液相分率。 提馏段方程的另一种形式 例15 分离例14中的溶液时，若进料为饱和液体，选用的回流比R=2.0，试求提馏段操作线方程，并说明操作线的斜率和截距的数值。 解：,上一页,下一页,下一页,上一页,第3讲小结 二元精馏塔的简化物理模型要点是：塔内各板视为理论板；塔内物流为恒摩尔流(注意条件)，即精馏段与提馏段内的气、液流率各为恒定量，二段物流关系由进料状态
13、(q值)决定即有；LL十qF及VV(1q)F。 操作线方程是物料衡算的数学表达式，若回流比与进料状态恒定，并满足恒摩尔流假设，精馏段与提馏段操作线方程都是直线方程。 描述简化精馏塔的方程组是：精馏段方程，提馏段方程，相平衡方程。,下一页,上一页,返回,1 逐板计算法,上一页,下一页,1.5.4 理论板层数的求法,步骤 （1） （2） （3） （4）,下一页,上一页,对饱和液体进料，若： 精馏段理论板数：n-1 以下计算采用提馏段操作线，因为： （5） （6） 结束： 提馏段理论板数：m-1,上一页,下一页,2 图解法 1）操作线的作法 （1）做精馏段操作线 （2）做q线 （3）做提馏段操作线,
14、上一页,下一页,（4）进料热状况对q线及操作线的影响,下一页,上一页,上一页,下一页,2）图解方法,下一页,上一页,3）适宜的进料位置,上一页,下一页,例16 用一常压操作的连续精馏塔分离含苯为0.44（莫尔分率，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）原料为汽化率等于1/3的气液混合物。 已知数据如下：操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图见例11和图1
15、1。 解：,下一页,上一页,（1）20C的冷液进料 绘制平衡线与对角线，确定 做精馏段操作线 做q线,上一页,下一页,做提馏段操作线 从a点开始画梯级,下一页,上一页,上一页,下一页,（2）气液混合物进料,下一页,上一页,上一页,下一页,第4讲小结 精馏过程理论板数的计算途径是交替使用操作线方程与平衡关系，在计算过程中使用平衡关系的次数便是理论板数。当计算中的液相浓度近似等于进料组成时，要更换提馏段操作线方程，而这块理论板便是最佳加料板。分凝器与再沸器中的气、液相组成呈平衡关系，应各视为一块理论板。 进料热状态q会影响提馏段操作线位置，进而影响为完成规定分离要求所需的理论板数及加料板位置。是一
16、个需综合考虑才能确定的设计参数。,上一页,下一页,返回,1 全回流和最少理论板数 （1）全回流的特点 操作线与对角线重合 理论板数最少 没有进料、没有产品 （2）应用 工厂开工阶段，使系统尽快达到稳态 科学研究，测定塔板效率,上一页,下一页,1.5.5 回流比的影响及其选择,(3)理论板层数的计算 上两式称为芬斯克方程式,上一页,下一页,2 最小回流比 1）恒浓区（夹紧区）d点称为夹紧点 2）求法 （1）作图法 正常的平衡曲线：q线与平衡线的交点,下一页,上一页,不正常的平衡线：切线与q线的交点,上一页,下一页,（2）解析法（理想物系）,上一页,下一页,3 适宜回流比的选择 1）确定原则 操作费用：加热、冷却介质消耗量； 设备费用：投资、折旧。,下一页,上一页,2）经验值 例18 根据例16的数据，试求实际回流比为最小回流比的倍数。 解：,上一页,下一页,（1）冷液进料 （2）气液混合物进料,下一页,上一页,3）最小回流比的影
