化工原理——蒸馏ppt课件.ppt

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1、1,第六章 蒸馏,第一节 双组分溶液的气液相平衡,第二节 蒸馏与精馏原理,第三节 双组分连续精馏的计算与分析,第五节 恒沸精馏与萃取精馏,第四节 间歇精馏,第六节 板式塔,2,蒸馏在化工生产中的应用,分离多组分混合物;,某一组分的提纯;,有用组分的回收。,目的:,广泛性:,液体混合物;,气体混合物;,固体混合物。,3,4,5,蒸馏过程的分离依据,依据:蒸馏是利用混合物中各组分挥发性的差 异。,易挥发组分(或轻组分): 挥发性高的组分,以A表示;难挥发组分(或重组分): 挥发性低的组分,以B表示。,蒸馏过程,液体混合物,液相:xA, xB,6,必有: yA xA, yB xB即:,蒸馏过程的分类

2、方法,7,8,第一节 双组分溶液的气液相平衡,一、溶液的蒸气压与拉乌尔定律,二、理性溶液气液相平衡,三、非理想溶液气液相平衡,9,一、溶液的蒸气压与拉乌尔定律,密闭容器内,一定温度,纯组分液体的气液两相达到平衡状态,饱和状态。蒸汽为饱和蒸汽,其压力为饱和蒸汽压(蒸气压)。,Antoine方程:,o纯组分液体的饱和蒸汽压,kPa,A、B、C纯组分液体的饱和蒸汽压,kPa,10,理想溶液与拉乌尔定律,拉乌尔定律:在一定温度下,汽相中任一组分的分压 等于此纯组分在该温度下的蒸汽压乘以 它在溶液中的摩尔分率。,理想溶液:微观 :fAB= fAA= fBB; 宏观:体积和不变,无热效应。,pA=pAox

3、ApB=pBoxB= pBo(1-xA),11,A 、pB 溶液上方A和B两组分的平衡分压,Papao、pBo 同温度下,纯组分A和B的饱和蒸汽压,Pa;xA 、 xB 分别为混合液组分A和B的摩尔分率,二、 理想溶液气液相平衡,(一)理想溶液t y x关系式,理想气体,12,汽液两相平衡组成间的关系,泡点方程,露点方程,13,(二)t y x图与y x图,三个区:液相区,过冷液体,气相区,过热蒸汽,两相区,气液共存,两相区特点:两相温度相同 y x,两条线:液相线(泡点线) 气相线(露点线),组成相同,t露点t泡点,14,对角线y=x为辅助曲线,yx ,平衡线在对角线之上;,xy线上各点温度

4、不同;,平衡线离对角线越远,挥发性差异越大,物系越易分离。,15,压力对txA(yA)图及xy图的影响,压力增加,平衡线靠近对角线,分离难度大,16,(三) 相对挥发度与理想溶液的yx关系,组分的挥发度: 是该物质挥发难易程度的标志,表示。,A、 pB汽液平衡时,组分A,B在气相中的分压;xA、xB汽液平衡时,组分A,B在液相中的摩尔分率。,混合液某组分挥发度:,1. 挥发度,纯组分的挥发度: = pAo,17,理想溶液则:,2. 相对挥发度(以表示),理想气体:,或:,一般物系:,18,3. 理想溶液的气液相平衡方程式,代入,相平衡方程,讨论:,的物理意义:汽相中两组分组成之比是液相中两 组

5、分组成 之比的倍数。,其值标志着分离的难易程度。,19,若=1,则普通蒸馏方式将无法分离此混合物。,1。,平均相对挥发度m。,三、 非理想溶液气液相平衡,(一)对拉乌尔定律有正偏差的溶液,(1)无恒沸点的溶液 如甲醇-水溶液pApA理, pBpB理,介于pAo、pBo 之间。,20,(2)有最低恒沸点的溶液 如乙醇-水,(二)对拉乌尔溶液有负偏差的溶液,(1)无恒沸点溶液 如氯仿-苯溶液 pApA理, pBpB理,介于pao、pBo 之间。,21,(2)有最高恒沸点的溶液 如硝酸-水溶液,22,第二节 蒸馏与精馏原理,二、精馏原理,一、简单蒸馏与平衡蒸馏,23,(一)简单蒸馏(微分蒸馏),y,

6、原料液,x,蒸气,冷凝器,特点:间歇、非定态,R=0,一、简单蒸馏与平衡蒸馏,24,(二)平衡蒸馏,特点:可连续; 定态; 单级。,分离器,塔顶产品,yA,xA,加热器,原料液,塔底产品,Q,减压阀,25,二、精馏原理,(一)精馏塔内气液两相的流动、传热与传质,26,精馏原理:多次部分冷凝、多次部分汽化、液相回流及 上升蒸气。,进料板:原料液进入的那层塔板,精馏段:进料板以上的塔段,提馏段:进料板以下(包括进料板)的塔段,塔顶冷凝器和塔低再沸器,27,yn-1*,xn+1*,n+1,n,n-1,tn+1,tn,tn-1,xn-1,yn+1,(二)塔板上气液两相的传质与传热,28,两相传热,两相

7、传质,液相中的易挥发组分部分汽化向气相传递;,气相中的难挥发组分部分冷凝向液相传递;,平衡:,离开该级的气液两相温度相等;,理论级:离开该级的气液两相组成相平衡。,29,问题:1. 精馏过程的能耗在何处?,无液相回流,分离结果如何?无气相回流,分离结果如何?,(三)回流作用,连续精馏的充分必要条件:,最上要有高纯度易挥发组分的液相:液相回流,最下要有高纯度难挥发组分的气相:气相回流(上升蒸气),30,第三节 双组分连续精馏的计算与分析,一、 全塔物料衡算,二、 恒摩尔流量的假定,三、 进料热状态参数q,四、 操作线方程与q线方程,五、 理论板数的计算,六、 回流比与进料热状态对精馏的影响,九、

8、 精馏塔的操作计算,八、 理论板数的捷算法计算,七、 塔顶回流比的选择,31,设计目标:1)根据分离任务,确定产品流量D,W;,2)选择操作条件R、进料状态;,3)确定塔板数及加料位置;,4)选择塔型,确定塔径,塔内结构尺寸, 流体力学验算;,5)冷凝器及再沸器热负荷及设计计算。,32,一、 全塔物料衡算,单位时间为基准,总物料衡算:,F=D+W,易挥发组分物料衡算:,FxF=DxD+WxW,F、D、W:kmol/s,xF、xD、xW:摩尔分数,33,分离要求的不同形式:,2)组分回收率:,1) 规定xD、xW,二、恒摩尔流量的假定,1.恒摩尔流假定,34,即:V1=V2=V=常数 V1=V2

9、=V=常数 V-精馏段上升蒸汽的摩尔流量,kmol/h; V-提馏段上升蒸汽的摩尔流量,kmol/h。,(1)精馏段,每层塔板上升的蒸汽摩尔流量都 相等,提馏段也一样。,但两段的上升蒸汽的摩尔流量不一定相等。,35,即:L1=L2= L=常数 L1=L2= L=常数但两段下降的液体摩尔流量不一定相等。式中:L-精馏段下降液体的摩尔流量,kmol/h; L-提馏段下降液体的摩尔流量,kmol/h。,(2)精馏段内,每层塔板下降的液体摩尔流量 都相等,提馏段也一样。,36,2.恒摩尔流假设适用条件 两组分的摩尔汽化潜热相等; 两相接触因温度不同交换的显热忽略不计; 塔设备保温良好,热损失可以忽略不

10、计。,37,三、 进料热状态参数q,过冷液体P,饱和液体C,汽液混合物G,饱和蒸汽D,过热蒸汽H,H,38,冷液进料,泡点进料,F,L,V,L,V,汽液混合进料,39,过热蒸汽进料,饱和蒸汽进料,40,(一)精馏段操作线方程,总物料衡算:V=L+D,易挥发组分的物料衡算:,Vyn+1=Lxn+DxD,精馏段的操作线方程,四、 操作线方程与q线方程,41,令R=L/D,R称为回流比,精馏段的操作线方程,(二)提馏段操作线方程,总物料衡算:,易挥发组分:,精馏段的操作线方程,42,塔釜的气相回流比,43,(三)塔釜气相回流比R与塔顶液相回流比R及进料热 状态参数q的关系,44,(四) 操作线的绘制

11、与q线方程,1.精馏段操作线,斜率:,截距:,操作线为过点(xD, xD ),45,过点(xW, xW ),斜率,截距:,D,I,f,2.提馏段操作线,F,W,3.两操作线交点坐标与q线方程,46,两操作线交点坐标,q线方程,47,L与L,进料状况,q值,q线位置,V与V,48,q线对两操作线的影响,对精馏操作线无影响,对提馏操作线有影响, q 提馏操作线斜率推动力 。,49,五、 理论板数计算,(一)理论板数的图解法计算,梯级的物理意义,理论板上浓度特征:xnyn相平衡,落到平衡线上。,某截面浓度特征: xnyn+1操作关系,落到操作线上。,50,图解法求理论板数,讨论:,确定最佳进料位置,

12、最优进料位置:塔内汽相或液相组成与进料组成 相等或相近的塔板。,图解法最优进料板:跨越两操作线交点的梯级, NT最少。,51,52,(二)理论板数的逐板计算法,全凝器泡点回流泡点进料间接蒸汽加热,精馏段:,y1=xD,精馏段塔板数:n-1,n平衡关系的次数,53,提馏段:,平衡关系:,操作关系:,或,提馏段塔板数:m-1(不含再沸器),54,平衡关系:,操作关系:,或,注意:,塔顶分凝器与冷 凝器,分凝器相 当于一块理论板.,精馏段塔板数: n-1-1,55,六、回流比与进料热状态对精馏过程的影响,q一定,R,R、V、V、L、L都,(一) R、 q和R对冷凝器和蒸馏釜的热负荷影响,56,R一定

13、,QB一定,QF(q ),分离任务一定,热进料,减少塔釜负荷,总输入热量一定,塔釜输入热量多,有利传质传热,R , QC,R一定,D、W、xD、xW一定,QD、QW一定,57,(一) R、 q和R理论板数的影响,q一定,R,R一定,D、W、xD、xW一定,q的影响,58,D、F、xD、R一定,q,推动力 NT,q NT是以塔釜负荷增加为代价,59,R一定,xF、xD、xW一定,q的影响,推动力 NT,q NT是以塔顶负荷增加为代价,60,R的影响,RNT、操作费,七、塔顶液相回流比的选择,61,(一)全回流与最少理论板数,全回流:塔顶上升蒸气冷 凝后全部引回塔 顶作为回流。,D=0,W=0,F

14、=0;,两条操作线合二为一,与对角线重合。,N=Nmin,全回流的特点:,62,全回流时Nmin:,第1块,63,第1块第2块,第2块,第N-1板,第N块(再沸器),塔顶全凝器,64,芬斯克公式(多组分),适用条件:双组分混合物,塔顶全凝器,塔釜间接加热。,65,注意:,Nmin:包括再沸器;,xw=xF,全回流的意义:开工、实验研究、设备异常或调试时, 便于控制。,66,(二)最小回流比Rmin,67,最小回流比对于某一物系,在一定的分离任务下,所需理论板为无穷多时所对应的回流比。,恒浓区(夹紧点) 在p点前后气液两相浓度没有变化 ,即无增浓作用。所以此区称作恒浓区,p点叫夹紧点。,68,作

15、图法:,理想物系平衡线,非理想物系平衡线,最小回流比的计算,69,70,(三)适宜回流比,R 对操作费用的影响:,R 对设备费用的影响:,71,八、理论板的简捷计算法,R 、NT 、Rmin 、Nmin关系关联图:吉利兰图,72,左端:,右端:,最小回流,全回流,适用条件:多组分,多种进料状态,:1.264.05 N: 2.443.1,特点:简便、快; 双组分、多组分都适用; 误差大,可用N估算,方案的比较。,73,NT的计算步骤:,(1)由物系性质及分离程度定Rmin 、R;,(2)计算全回流下的Nmin (图解法、芬斯克公式 ),(4)xw=xF,定加料位置,注意:吉利兰图可回归成,74,

16、九、精馏塔的操作计算,(试差法),先设xw,物料衡算求xD(y1),(接近xw为止),十、直接蒸气加热及两股进料的精馏塔,(一)直接蒸汽加热的精馏塔,75,目的:处理某轻组分的水溶液,难挥发组分为水时, 直接蒸气加热,省再沸器,流程及特点:,76,NT的计算,精馏段操作线,提馏段操作线,q线,总物料衡算,L+S=V+b,易挥发组分,Lxn=Vyn+1+bxn,77,S=V,b=L,理论板数的求取,78,(二)两股进料的精馏塔,段:,段:,79,D,xF2,xF1,xD,xw,共7块(含再沸器),第3块为xF1加料板,第5块为xF2加料板,斜率: ,注意:, 有Rmin 有Rmin,Rmin取其

17、大的,q2,q1,W,f1,f2,80,第四节 间歇精馏,二、xD恒定的操作,一、恒定R的操作,81,特点:,1)非定态;,2)只有精馏段。,操作方式:,2)恒定xD,R;,1)恒定R, xD 。,一、 恒定R的操作,1. 操作(NT、 R一定), xW xWe 、 xD 平均xD,82,xD1,xD2,xW1,xW2,2. 计算,xD1,NT计算以xD1及xF为基准,RminR NT,始态为基准,二、 xD恒定的操作,1. 操作,恒定NT、xD xW 达到xWe 、R,83,2. 计算,NT计算依据:终态,xD 、xWeRminR NT,xD,xW1,xW2,工业间歇操作常为两种方式的结合。

18、,84,第五节 恒沸精馏与萃取精馏,一、 恒沸精馏,二、 萃取精馏,85,一、 恒沸精馏,(一)含义:加第三组份,形成恒沸物(沸点 更低),塔底得纯产品。,(二)实例,89%E11%W,恒沸精馏塔,苯回收塔,乙醇回收塔,富水,富苯,86,(三)挟带剂应具备的条件,1)新恒沸液A挟带含量少的组分;,2)A冷凝后分层;,3)A沸点低;,能耗低,易分离,易分离,4)价廉、稳定、安全。,二、 萃取精馏,(一)含义:加萃取剂,,87,(三)萃取剂应具备的条件,1)选择性好, ;,2)沸点高,易回收;,3)与原料互溶度大;,4)价廉、稳定、安全。,回收塔,(二)实例,88,恒沸精馏与萃取精馏的比较:,1)

19、原理: 恒沸物 ,2)第三组份: 塔顶出 塔底出 难选 易选 加量受限 量变,变,3)加入位置: 加料处 塔顶,4)能耗: 大 小,89,第六节 板式塔,六、塔板类型,一、塔板结构,二、塔板上气液两相的流体现象,四、塔高的确定,三、塔效率,五、塔径的计算,90,逐级接触式,连续接触式,91,1.生产能力大;2.分离效率高;3.阻力小,压降低;4.操作弹性大;5.结构简单、造价低、安装维修方便等。,评价塔设备性能的指标,92,一、塔板结构,(一)气液鼓泡区,(二)溢流堰,(三)降液管,(四)塔板液体流动安排,93,二、塔板上气液两相的流体现象,(一)气液接触状态(3种),液体:连续相 气体:分散

20、相传质面:气泡表面,鼓泡接触工况,94,泡沫接触工况,液体:连续相气体:分散相传质面:不断更新的 液膜表面,95,气体:连续相液体:分散相传质面:不断更新 的液滴表面,喷射接触工况,工业上常用的是:喷射和泡沫接触状态,96,(二)塔板上的液面落差,液面落差:塔板进出口清液层高度差,减少液面落差的措施: 多溢流。,97,(三)塔板筛孔漏液,孔速过小或气液分布不均匀,大量液体由筛孔漏下。,(四)液泛,定义:液体进塔量大于出塔量,结果使塔内不 断积液,直至塔内充满液体,破坏塔内 正常操作,称为液泛。,(五)液沫夹带,98,气量 夹带量板间距HT 夹带量,要求液沫夹带量 eV0.1kg液沫/kg干气,

21、减少措施:HT ;u ,三、塔效率,(一)全塔效率,ET=f(物系、 板结构、操作条件)关联图,99,(1)气相单板效率,平均组成,n,(2)液相单板效率,平均组成,(二)单板效率,100,注意:1)同一个板,EML不一定等于EMV;仅当 平衡线与操作线平行时两者相等,2)不同的板, EML 或EMV不一定相等,3)EMV或EML 可能100,全回流,101,四、塔高的确定,五、塔径的计算,u气相的空塔气速,m/s.,102,C气相负荷因子,液体表面张力,dyne/cm (同mN/m),20,20dyne/cm,C,s,下的气相负荷因子,103,泡 罩,泡罩塔板,(一)泡罩塔,六、板式塔类型,104,V- 浮阀,V- 浮阀塔板,(二)浮阀塔,105,筛 板,导向筛板,(三)筛板塔,106,浮舌塔板,舌形塔板,(四)其它类型塔板,1)舌形塔板与浮动舌形塔板,107,2) ADV浮阀塔板,108,ADV塔盘的鼓泡状态,

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