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1、1,主讲教师： 赵清华 联系电话: 13594361068 Email:,化 工 原 理,2,第一章 蒸馏,第一讲 气液相平衡 第二讲 平衡蒸馏、简单蒸馏、精馏原理 第三讲 两个假定、物料衡算、操作线、q 第四讲 理论板层数的求法、R 第五讲 简捷法求N，特殊情况 N，z、D 第六讲 Q、操作调节、综合题 总复习、习题课,3,绪论,1. 分离过程在化工中的应用,3. 传质单元操作的主要类型,2. 相际传质过程与分离,4. 传质分离方法的分类,4,二、蒸馏过程的应用,炼油生 产装置,5,二、蒸馏过程的应用,乙烯生 产装置,6,二、蒸馏过程的应用,己内酰胺生产装置,7,二、蒸馏过程的应用,丙烯腈生
2、产装置,8,1. 分离过程在化工中的应用,原料,反应产物,目的产物,副产物,分离过程,反应过程,示例：三氯甲烷的制备,示例：炼油过程,原料,目的产物,副产物,分离过程,9,2. 相际传质过程与分离,分离过程,非均相物系分离,均相物系分离,可通过机械方法分离，易实现分离。,不能通过简单的机械方法分离，需通过某种物理（或化学）过程实现分离，难实现分离。,10,2. 相际传质过程与分离,均相物系,某种过程,两相物系,根据不同组分在各相中物性的差异，使某组分由一相向另一相转移：相际传质过程,实现均相物系的分离,相际传质过程,均相物系分离,均相物系的分离方法,11,2. 相际传质过程与分离,空气氨,水,
3、空气,氨水,示例：空气和氨分离,吸 收 塔,12,蒸馏、吸收、萃取分离过程的区别,3. 传质单元操作的主要类型,13,4. 传质分离方法的分类,速率分 离过程,平衡分 离过程,分离过程,气液传质过程,液液传质过程,气固传质过程,液固传质过程,膜分离,场分离,吸收,蒸馏,萃取,干燥,结晶,14,第1章 蒸馏,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,15,重点和难点,两组分理想物系的汽液平衡关系 精馏原理 两组分连续精馏过程的计算,16,1.1 概述,1.蒸馏的原理 2.蒸馏的特点 3.蒸馏过程的分类 4.相组成
4、的表示方法？,17,利用各组分挥发度的差异将液体混合物加以分离的单元操作称为蒸馏。,1. 蒸馏的原理,分离物系：,形成两相体系的方法：,传质原理：,示例：,液体混合物,丙酮与水的分离,（液相气相）,部分汽化和冷凝,各组分挥发度不同,18,1. 蒸馏的原理,丙酮水体系的蒸馏分离,丙酮水,加热,汽相: 酮富集,液相: 水富集,冷凝,冷却,丙酮 产品,废水,19,(1) 可以直接获得所需要的产品 ； (2) 适用范围广； (3) 耗能较大 。,2.蒸馏的特点,20,3. 蒸馏的分类,按蒸馏操作方式分类,蒸馏,按蒸馏操作流程分类,简单蒸馏,平衡蒸馏,精 馏,特殊精馏,蒸馏,间歇蒸馏,连续蒸馏,按物系中
5、组分数目分类,蒸馏,两组分蒸馏,多组分蒸馏,按操作压力分类,蒸馏,常压蒸馏,加压蒸馏,减压蒸馏,21,4.相组成的表示方法,1）摩尔分率,注：用 x 表示液相中的摩尔分率；用 y 表示气相中的摩尔分率。,2） 摩尔比,3） 对气体，可用分压 p 表示其组成。,22,第1章 蒸馏,1.1 概述 1.2 两组分溶液的气液平衡 1.2.1 两组份理想物系的气液平衡,23,1. 相 律,自由度=组分数-相数+2,以纯物质为例，组分数是1，相数是2，因此自由度为1。因此，对于水-水蒸气呈相平衡时，温度t与压力p之间存在一一对应关系。,对二元物系的气液相平衡，组分数是2，相数是2，因此自由度为2。只要固定
6、两个变量，平衡体系就唯一确定。,24,1. 相 律,二元物系汽液相平衡时，所涉及的变量有： 温度t、压力P、汽相组成y、液相组成 x 等4个变量。,在一定压力下：,25,2.两组分理想物系的气液平衡函数关系 （气液相组成和平衡温度间的关系）,理想物系：,1. 液相为理想溶液，遵循拉乌尔定律；,2.气相为理想气体，遵循理想气体状态方程和道尔顿分压定律,只有物性和结构相似，且分子大小也相近的物系才符合拉乌尔定律，如苯甲苯、甲醇乙醇、烃类同系物组成的溶液等等,当总压不高（104 kpa 时）气相可视为理想气体。,26,2.两组分理想物系的气液平衡函数关系 （气液相组成和平衡温度间的关系）,拉乌尔定律
7、：,当理想溶液气液两相呈平衡时，溶液上方组分的分压与溶液中该组分的摩尔分数成正比。,拉乌尔定律,1）用饱和蒸气压表示气液平衡关系,27,整理，得,溶液上方的总压 p 等于各组分的分压之和,气液平衡时液相组成与平衡温度间的关系,安托尼 方程,泡点方程,2.两组分理想物系的气液平衡函数关系 （气液相组成和平衡温度间的关系）,28,2.两组分理想物系的气液平衡函数关系 （气液相组成和平衡温度间的关系）,设平衡的气相遵循道尔顿分压定律，即,将其代入泡点方程，得,气液平衡时气相组成与平衡温度间的关系,露点方程,29,2.两组分理想物系的气液平衡函数关系 （气液相组成和平衡温度间的关系）,2）以平衡常数表
8、示的气液平衡方程,令,平衡常数,则,30,3）用相对挥发度表示的气液平衡关系,2.两组分理想物系的气液平衡函数关系 （气液相组成和平衡温度间的关系）,对于理想物系，有,(1)挥发度,挥发度,31,2.两组分理想物系的气液平衡函数关系 （气液相组成和平衡温度间的关系）,(2)相对挥发度,对于理想物系，有,相对挥发度,相对挥发度,32,2.两组分理想物系的气液平衡函数关系 （气液相组成和平衡温度间的关系）,由道尔顿分压定律，有,(3)以相对挥发度表示的气液平衡方程,33,2.两组分理想物系的气液平衡函数关系 （气液相组成和平衡温度间的关系）, 蒸馏操作 1， 值愈大，分离愈容易。,略去下标，经整理
9、可得,讨论：, 若 =1，不能用普通蒸馏方法分离。,以相对挥发度表示 的气液平衡方程,34,3. 两组份理想溶液的气液平衡相图,1）温度-组成图（t-x-y图）,在恒定的总压下，溶液的平衡温度随组成而变，将平衡温度与液（气）相的组成关系标绘成曲线图，该曲线图即为温度一组成图。,35,苯甲苯混合液的 t x y图,ty 气相线 （露点线）,tx 液相线 （泡点线）,液相区,气相区,两相区,泡点,露点,36,3. 两组份理想溶液的气液平衡相图,2)气液相组成图（x-y 图）,气液相组成图直观地表达了在一定压力下，处于平衡状态的气液两相组成的关系，在蒸馏计算中应用最为普遍。,37,苯甲苯混合液的 x
10、 y图,平衡线,对角线,平衡线与对角线之间的距离越大,分离越容易,x1与y1互成平衡,D,38,压力对x-y图的影响,3.两组份理想溶液的气液平衡相图,P ， ，平衡线越靠近对角线，分离难度大,39,1.2 两组分溶液的气液平衡,1.2.1 两组份理想物系的气液平衡 1.2.2 两组份非理想物系的气液平衡（自学）,40,1.2.2 两组分非理想溶液的气液平衡,非理想物系可能有如下三种情况： (1) 液相为非理想溶液，气相为理想气体； (2) 液相为理想溶液，气相为非理想气体； (3) 液相为非理想溶液，气相为非理想气体。,对非理想溶液，其表现是溶液中各组分的平衡分压与拉乌尔定律发生偏差。,此时
11、：,41,1.2.2 两组分非理想溶液的气液平衡,乙醇水溶液相图,正偏差溶液：恒沸组成x=0.894；最低恒沸点78.15,如甲醇-水、乙醇-水、苯-乙醇等。,1.正偏差溶液,42,1.2.2 两组分非理想溶液的气液平衡,硝酸水溶液相图,负偏差溶液：恒沸组成x=0.383；最高恒沸点121.9,2.负偏差溶液,如硝酸-水、氯仿-丙酮等。,43,例：计算含苯0.5（摩尔分率）的苯甲苯混合液在总压101.33 kPa下的泡点温度。苯（A）甲苯（B）的饱和蒸汽压数据如下表所示。,解：设泡点温度 t = 95 ，查附表得,得,计算结果表明，所设泡点温度偏高。,44,再设泡点温度t =92.2 ，由附表
12、数据插值求得,得,得泡点温度t =92.2 。,求解本题的关键是明确用汽液平衡关系求泡点温度时，需采用试差法。,45,小结气液相平衡,1. 理想物系的气液平衡相图,泡点方程,露点方程,t x y图,46,小结气液相平衡,1. 理想物系的气液平衡相图,x y图,气液平衡方程,47,小结气液相平衡,2. 基本概念,传质 蒸馏 理想物系,挥发度,相对挥发度,48,练 习 题 目,思考题,作业题: 1,1.讨论溶液的气液平衡关系有何意义。 2.挥发度与相对挥发度有何不同？ 3.相对挥发度在精馏计算中有何重要意义？,49,1.2 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
13、组分非理想物系的气液平衡(选读),1.3 平衡蒸馏和简单蒸馏,1.3.1 平衡蒸馏,第 1 章 蒸 馏,50,平衡蒸馏装置简图,1加热器,2减压阀,3分离器,51,将混合液在压力p1下加热，然后通过减压阀使压力降低至p2后进入分离器。过热液体混合物在分离器中部分汽化，将平衡的气、液两相分别从分离器的顶部、底部引出，即实现了混合液的初步分离。,平衡蒸馏的原理,平衡蒸馏为单级蒸馏操作。,闪蒸,1. 装置流程和特点,52,2. 平衡蒸馏过程的计算,(1) 物料衡算,总物料衡算,易挥发组分物料衡算,气相产品的流量为,1加热器 2加压阀 3分离器,53,设,则,整理得,直线 方程,斜率,过点,液化率,汽
14、化率,平衡蒸馏中气液 相组成的关系式,2.平衡蒸馏过程的计算,54,忽略热损失。,（2）热量衡算,2. 平衡蒸馏的计算,对加热器作热量衡算：,对减压阀和分离器作热量衡算：,整理得,55,（3）气液平衡关系,平衡蒸馏中，气液两相处于平衡状态，即两相温度相等，组成互为平衡。,在平衡蒸馏中，气液组成关系同时满足平衡方程与物料衡算方程。,2. 平衡蒸馏过程的计算,注意,56,1.2 两组分溶液的气液平衡,1.3 平衡蒸馏和简单蒸馏,1.3.1 平衡蒸馏,第 1 章 蒸 馏,1.3.2 简单蒸馏,57,简单蒸馏装置简图,1蒸馏釜,2冷凝器,3接受器,58,1.简单蒸馏装置,原料液在蒸馏釜中通过间接加热使
15、之部分汽化，产生的蒸气进入冷凝器中冷凝，冷凝液作为馏出液产品排入接受器中。在一批操作中，馏出液可分段收集，以得到不同组成的馏出液。,简单蒸馏为间歇、单级蒸馏操作。,微分 蒸馏,59,2. 简单蒸馏的特点及其应用,（1）简单蒸馏的特点, 间歇操作过程。, 非稳态过程。, 单级过程，无塔段。,（2）简单蒸馏的应用场合, 液体混合物的初步分离。, 测油品的沸程恩式蒸馏。, 某些料液的脱色。,60,3. 简单蒸馏过程的计算,简单蒸馏为非稳态过程。因此，简单蒸馏的计算应该进行微分衡算。,设在某瞬间,釜液量为L，kmol,釜液组成为 x,经时间,釜液量为L - dL，kmol,釜液组成为 x - dx,馏
16、出量 dD ，kmol,馏出组成为 y,61,总物料衡算,易挥发组分衡算,联立以上两式，并略去二阶无穷小量，得,3. 简单蒸馏过程的计算,62,设,初始时，釜液量为F， 组成为xF 。,结束时，釜液量为W，组成为xW。,3. 简单蒸馏过程的计算,积分,得,简单蒸馏过程 物料衡算关系,63,设气液平衡关系为,积分，可得,3. 简单蒸馏过程的计算,64,联立得,馏出液的 平均组成,3. 简单蒸馏过程的计算,馏出液的平均组成 可通过一批操作的物料衡算求得,65,1.2 两组分溶液的气液平衡,1.3 平衡蒸馏和简单蒸馏,第 1 章 蒸 馏,1.4 精馏原理和流程,1.4.1 精馏过程原理和条件,66,1.多次部分汽化和多次部分冷凝,平
