化工原理第09章01改课件.ppt

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1、第9章 液体精馏,9.1 蒸馏概述9.1.1 蒸馏分离的目的和依据 目的：液体混合物的分离，提纯或回收有用组分。依据：混合液中各组分挥发性的差异。,液体部分气化后的组成与剩余的液体组成必须有区别。,9.1.2 工业蒸馏过程,平衡蒸馏(闪蒸):连续定态,简单蒸馏:间歇,9.1.3 蒸馏操作的费用和操作压强 汽化：耗热：冷凝：需提供冷却量。操作费用：加热费和冷却费。加压蒸馏：Tc免用冷冻剂，但Th。减压蒸馏：Th免用高温载热体，但Tc。,9.2 双组分溶液的汽液相平衡,9.2.1 理想物系的汽液相平衡 理想物系:(1)液相为理想溶液；(2)汽相为理想气体。9.2.1.1 汽液两相平衡共存时的自由度

2、 F=N+2=2 2+2=2 参数:p,t,yi,xi；p 一定，F=1，故:x(y)t 一一对应 y x,9.2.1.2 液相组成与温度（泡点）关系式 沸腾：Antoine 方程：,双组分理想物系的液相组成温度(泡点)关系式 1)液相为理想液体(组分分子结构相似),服从拉乌尔定律;2)气相为理想气体(低压气体),服从道尔顿分压定律.,平衡常数：,9.2.1.4 汽相组成与温度（露点）关系式,9.2.1.3 汽液两相平衡组成间的关系式,9.2.1.5 t x(y)图和 y x图,例：某二元组成，由液相升温过程的变化；由气相降温过程的变化。,xA,xB,t,泡点线,露点线,气相区,液相区,两相区

3、,重组分沸点,P=常数,轻组分沸点,9.2.1.6 相对挥发度 挥发度：，相对挥发度：对双组分物系，则 理想溶液：，,y(x一定),标志分离难易。,讨论:1)上式相平衡方程，反映了双组分物系平衡时两 相的浓度关系2)对理想物系3)对物系相对挥发度相差不大（操作温度范围）4)相差较大,但不超过30%5)越大平衡线离对角线越远，容易分离。,非理想物系：（1）液相为非理想液体（2）气相为非理想气体,9.2.2 非理想物系的汽液相平衡 非理想物系（R）9.2.2.1 非理想溶液，分别为组分A，B的活度系数,当总压不太高时，有：当偏差达到一定程度时，会形成恒沸物。,活度系数可以用实验数据关联：常用的关联

4、式有范拉（Van laar）方程，马古斯方程（Margules）。关联的实例见P55例9-2 由实验数据关联方程参数。,9.2.2.2 总压对相平衡的影响 蒸馏的压强增高，泡点升高，相对挥发减小，分离困难。（见P57 图9-12）,9.3 平衡蒸馏和简单蒸馏,9.3.1 平衡蒸馏9.3.1.1 过程的数学描述(1)物料衡算,(2)热量衡算 加热炉的热流量：节流减压后：料液加热温度：(3)过程特征方程式 相平衡方程(理想溶液)泡点方程,9.3.1.2 平衡蒸馏过程的计算 给定汽化率(1 q)，联立方程：(1)(2)可得汽、液相组成 y，x,9.3.2 简单蒸馏9.3.2.1 过程的数学描述 微元

5、时间作易挥发组分的物料衡算：略去二阶无穷小量，则 积分 相平衡方程式,9.3.2.2 简单蒸馏的过程计算 理想溶液 馏出液平均组成：,9.4 精馏,9.4.1 精馏过程9.4.1.1 精馏原理 精馏段作用 提馏段作用 相平衡条件 y x 保证了只需部分回流。y x LV,常规精馏,上述平衡蒸馏与简单蒸馏可见只经过一次部分气化,即只利用一次平衡关系,因此不能获得高纯度产品.精馏实际是多次部分气化或多次部分冷凝,即利用多次平衡关系。,得到许多中间产品,为了消除中间产品可以以下流程用上升蒸汽的热量使液体部分气化,由于是同一物系,可用直接接触方式换热。,工业上精馏是在精馏塔内完成的，塔顶冷凝器将蒸汽冷

6、凝后，一部分冷凝液回流入塔,称为回流液.塔底装有再沸器气化部分液体成蒸汽使之沿塔上升，与下降的液体逆流接触进行物质传递,达到分离的目的。,常规精馏塔见图9-14 一股进料,二股出料,塔顶是全凝器,塔底是间壁式的再沸器.在塔的加料板以上完成上升蒸汽的精制,除去其中的重组分,称为精馏段;在塔的加料板以下完成液体中提浓,提出轻组分,称为提馏段.精馏与简单蒸馏的区别在于”回流”,回流构成气液两相接触传质的必要条件,使重组分向液相传递,轻组分向气相传递.（P60）全塔物料衡算 精馏塔操作的各流率和组成间的关系均受全塔物料衡算的约束.流率以kmol/s表示,气液组成以摩尔分率y和x表示.,精馏段作用：吸收

7、重组分，完成上升 蒸汽的精制。提馏段作用：脱除轻组分，完成下降 液体中重组分的提浓。,9.4.1.2 全塔物料衡算 总物料衡算 轻组分衡算，(1)规定 xD,xW,则 D/F 及 W/F 亦随之确定；(2)规定 D,xD,则W,xW 亦随之确定。，,9.4.1.3 回流比和能耗 回流比：R，V，加热速率，冷凝量，能耗。,9.4.2 塔板上过程的数学描述9.4.2.1 单块塔板的物料衡算和热量衡算 总物料衡算 Vn+1+Ln-1=Vn+Ln 轻组分衡算 Vn+1yn+1+Ln-1xn-1=Vnyn+Lnxn 热量衡算 Vn+1In+1+Ln-1in-1=VnIn+Lnin（忽略热损失）（实际塔板

8、结构）,饱和蒸汽：I=i+Vn+1(n+1+in+1)+Ln-1in-1=Vn(n+in)+Lnin热量衡算的简化与恒摩尔流假定假设 in+1=in-1=in=i，n+1=n=，则(Vn+1 Vn)=(Ln+Vn Ln-1 Vn+1)in联立总物料衡算 Vn+1=Vn，Ln=Ln-1，无加料和出料的任一塔段中，各板上升的蒸汽量均相等，各板下降的液体量也均相等。恒摩尔流假定条件：两组分的汽化热近似相等；忽略显热项误差；忽略热损失。,9.4.2.2 塔板传质过程的简化 理论板：汽液两相充分混合，传质和传热 过程阻力为零的理想化塔板。满足 tn=(xn)yn=f(xn)板效率：表达实际塔板与理论板的

9、差异。对于具体分离任务，所需理论板的数目只 决定于物系的相平衡及两相的流量比。,理论加料板:不论进入加料板各物流的组成、热状态及接触方式如何，离开加料板的汽液两相温度相等，组成互为平衡。理论板概念的引入使复杂的精馏问题分解为两个问题,然后分步解决.理论板数量取决于分离要求,相平衡和回流比.板效率大小取决于设备和气液接触状况.(相当于NOG和HOG)经过简化单块板的数学方程为:物料衡算式 相平衡方程,9.4.2.3 加料板过程分析(1)理论加料板 理论加料板（R）物料衡算式 相平衡方程 ym=f(xm),加料的热状况原料加热到不同 温度时状态不一；有冷液，饱和液，气液两相，饱和气，过热气。不同的

10、加料状态，离开加料板 的两相流量和组成也不同。q：加料热状态参数，大小等于每加入1 kmol 的原料使提馏段液体所增加的kmol数。,(2)精馏段与提馏段两相流量的关系 总物料衡算 热量衡算 联立上两式：q的定义：q：(R)q,五种加料热状态：q=0 饱和蒸汽进料；0 1 冷液进料；q 0 过热蒸汽进料,9.4.2.4 精馏塔内的摩尔流率 精馏段 提馏段 塔顶全凝器的热负荷 塔釜热负荷 冷凝器物料衡算 塔釜物料衡算,9.4.3 精馏塔的操作方程9.4.3.1 精馏段操作方程,9.4.3.2 提馏段操作方程,9.4.3.3 q 线方程，两操作线交点的轨迹方程。,9.4.3.4 操作方程的图示_操

11、作线,操作方程的图示操作线精馏段的端点yxD，xxD 斜率R(R+1),截距xD/(R+1)提馏段的端点yxW，xxW 斜率两操作线的交点,xW,xD,9.4.3.5 理论板的增浓度,9.5 双组分精馏的设计型计算,9.5.1 理论板数的计算9.5.1.1 设计型计算的命题 分离要求：(1)D，xD(W,xW)；(2)xD,xW；(3)=DxD/FxF 规定一个，其余随之而定。选择条件：操作压强 p，回流比R和进料热状态q，选定后，相平衡关系及操作方程随之而定。求取：NT,9.5.1.2 逐板计算法 连续精馏塔，塔顶设全凝器，泡点回流。步骤：(1)；(2)；(3)交替使用相平衡方程和操作方程，

12、至 xi xq时，改换提馏段操作方程，至 xNxW 止。,逐板计算法的图示,见图阶梯数为理论板数；跨越点xq，yq的板为加料板位置。再沸器由于体积大液体停留时间长可以认为是一块理论板。,xD,xW,x1，y1,xN，yN,xq，yq,逐板计算法的图示,操作线的实际作法消去上二式的xD，得1）以点xD和截距作 精馏段操作线；2）以q线的斜率和点xF作q线；3）以点xW和点xq，yq作提馏段操作线。,q,q,热状态和q线的斜率泡点加料是垂线露点加料是水平线,q1,q=0,0q1,q 1,q0,xF,9.5.1.3 最优加料位置的确定 最优加料板位置：该板 xxq(xq 为两操作线交点坐标),9.5

13、.2 回流比的选择两者均有利于传质,NT，但R，能耗。,9.5.2.1 全回流与最少理论板数,最少理论板数的计算，对应理想溶液：,9.5.2.2 最小回流比 Rmin Rmin 与相平衡性质及分离要求有关。,最小回流比Rmin 两操作线向平衡线靠近，理论板数需要无穷多，e点为挟点，附近为恒浓区；最小回流比与平衡关系和分离要求有关。,9.5.2.3 最适宜回流比的选取,9.5.2.4 理论板数的捷算法,9.5.3 加料热状态的选择(1)R一定（冷却量固定）q 值的变化不影响精馏段操作线的位置，但明显改变了提馏段操作线的位置。q（预热原料），NT热量尽可能施于塔底!原因(R)原因,原因：R 一定（

14、冷却量固定），q（预 热原料），,传质推动力，NT,一定（塔釜加热量固定）q（预冷原料）NT，冷量尽可能施于塔顶!原因：一定(加热量一定),q(预冷原料),R,，传质推动力,NT。,9.5.4 双组分精馏过程的其它类型9.5.4.1 直接蒸汽加热 由恒摩尔流假定：,在分离要求相同的情况下，因加热蒸汽凝液排出时也带出少量轻组分，将使轻组分的回收率降低。因此须尽可能除去加热蒸汽夹带的水分。,9.5.4.2 多股加料 浓度不同的料液在同一塔内分离。回流比减小时，三操作线均向平衡线靠拢。挟点位置有多种可能。混合加料不利，能耗增加。,9.5.4.3 侧线出料 需要组成不同的多种产品。无论侧线产品为液相还

15、是汽相，总有：挟点一般在 q 线与平衡线交点处。,9.5.4.4 回收塔 回收稀溶液中的轻组分，馏出液浓度需要不高。xD,F/D,NT,9.5.5 精馏方案的比较 不同的物系性质及分离要求，可有多种流程，应从能耗、设备费及产品收率等方面作经济分析。分离重组分为水的溶液，直接蒸汽加热可免去蒸馏釜。,(1)xF,q,R,xD,xW 相同,比较能耗及顶直接蒸汽加热间接蒸汽加热 R不变,D直,能耗直NT直 NT间,(2)xF,q,R,xD,相同，比较 NT 及能耗 D,xD 相同,V=(R+1)D相同，相同，能耗相同。D/F 保持一定,S 冷凝 由釜底排出,xW直,NT直,9.6 双组分精馏的操作型计

16、算,9.6.1 精馏塔的温度分布和灵敏板9.6.1.1 精馏塔的温度分布 tB=f(p,x),各板p，x不同，因而精馏塔存在温度分布。,9.6.1.2 灵敏板 灵敏板：操作条件变动引起温度变化最为显著的塔板。这些塔板的温度对外界干扰的反映最灵敏。,9.6.2 精馏过程的操作型计算9.6.2.1 操作型计算的命题 已知：NT,加料板位置m,相平衡关系,xF,q,R,规定：D/F。求取：xD,xW及逐板的组成分布。特点:(1)变量众多且关系为非线性，须试差求解。(2)加料板位置(或其它操作条件)一般不满 足最优化条件。计算所用方程与设计时相同。以下仅作定性分析。,9.6.2.2 回流比增加对精馏结

17、果的影响 已知：NT,m,xF,q,D/F一定，R 求：xD,xW 的变化。分析：，xD,tD,xW,tW,D/F 规定，籍R增加以提高 xD 并非总是有效！(1)xD 的提高受全塔物料衡算限制，极限值；xD 的提高受精馏塔分离能力的限制。,在回流比较小时，R,xD,xD 受分离能力(回流比)的影响。在回流比较大时,xD 受物料衡算限制,R,xD无明显变化,xD 取决于采出率 D/F。,9.6.2.3 采出率增加对精馏结果的影响 已知：NT,m,xF,q,R一定,D/F,求：xD,xW 的变化，分析：不变，xD,tD,xW,tW,9.6.2.4 进料组成变动的影响 已知：NT,m,q,R,D/

18、F一定,xF。求：xD,xW 的变化。分析：不变，xD,xW 加料板位置不一定最优。,9.6.3 精馏塔的操作 板式精馏塔的不正常操作现象,9.7 间歇精馏,9.7.1 间歇精馏过程的特点特点：(1)过程非定态；(2)无提馏段，获得 xD,xW 一定的产品，能耗大于连续精馏。,9.7.2 xD 恒定的间歇精馏 设计计算命题：已知 F,xF,指定xD 不变，操作至规定xw 或，选择 R 变化范围。求：NT。,9.7.2.1 确定理论板数 NT xD不变，xW，以 xW终 为计算基准。,9.7.2.2 每批料液的操作时间 在 时间内的汽化量为，且等于塔顶蒸汽量(1)任一瞬时之前已馏出的液体量 D

19、由物料衡算式确定，即 将此式代入(1),积分得 在操作过程中因塔板数不变，每一釜液组成 x必对应一R，可用数值积分上式求出每批料液的。,9.7.3 R 恒定的间歇精馏 设计计算命题：已知 F,xF,xW终，选择适宜 R，求：NT。,9.7.3.1 xD始 的验算 对 瞬间作物料衡算，可得 NT、R 为定值，任一时刻，x 与 xD 相对应，数值积分上式，可得残液量 W。此时：当 规定值，则计算有效。,9.8 恒沸精馏与萃取精馏 当有恒沸物的物系，不能用精馏的方法把恒沸物中的两个组分分离；或相对挥发度接近1，用精馏所需的理论板太多。需用特殊精馏的方法，即一般加入第三组分来改变各组分间相对挥发度以实

20、现分离目标。常用的特殊精馏有恒沸精馏和萃取精馏。恒沸精馏加入第三组分挟带剂，形成新的恒沸物从塔顶蒸出。萃取精馏不形成恒沸物，第三组分萃取剂从塔底排出。,9.8.1 恒沸精馏 加入的第三组分能和原溶液中的一种组分形成最低恒沸物，从塔顶馏出。,9.8.1.1 双组分非均相恒沸精馏,9.8.1.2 三组分恒沸精馏,挟带剂的选择：1）能与一个或二个组分形成最低恒沸物从塔顶 蒸出。最好与量少的成恒沸物，以减少能耗。2）新的恒沸物要容易分离，回收挟带剂。如最后冷凝后能分层。3）挟带剂的挟带量要大，可以少有挟带剂。,9.8.2 萃取精馏 加入的第三组分仅改变组分间的相对挥发度，随重组分从塔底排出。,萃取剂的选择1）选择性高；2）挥发度小，易回收；3）与原物系能有足够的互溶度，混合良好。操作特点：1）各板保持足够的萃取剂浓度，回流比太大会 使萃取剂浓度下降；2）为使精馏段和提馏段萃取剂浓度接近，原料 以饱和蒸汽加入；3）萃取剂加入量一般较多，能耗主要提高萃取 剂温度。,恒沸精馏和萃取精馏的比较1）因恒沸精馏要形成恒沸物，恒沸剂比较难选 择；萃取剂容易选择，适用范围大；2）恒沸物塔顶蒸出，萃取剂塔顶排除，因此恒 沸精馏能耗大；3）萃取剂不断从塔顶加入，难以间歇操作；恒 沸精馏大规模生产和实验室都能间歇精馏。,