化工原理精馏教学课件PPT.ppt

天津工业大学环境与化工工程学院 化工原理下册简介 精馏、吸收、萃取、塔设备、干燥 精馏塔、吸收塔、萃取塔、干燥器等 基本方法： 主要内容： 物料衡算、能量衡算、平衡关系、过程速率 。 相关设备： 第一章 蒸馏 蒸馏利用混合液中各组分挥发度的 差异，采用汽化、冷凝的方法，使之分 离为较纯组分的操作。 对象：混合液目的：获得较纯组分 依据：挥发度的差异方法：汽化、冷凝 制酒、煤化工、石化等 行业分离液体混合物。 【举例 】 f d w f原料液 d馏出液 w釜残液 易挥发（轻）组分 液相 气相 难挥发（重）组分 气相液相 熟 悉 并 掌 握 这 些 术 语 f d 间歇精馏装置 物料一次投入 产品组成不断变化 釜内组成不断变化 蒸馏的分类 按操作方式 连续 处理大批量物料时 间歇 小批量、多产品或有特殊要求。 特点:物料一次投入 按操作压强 常压 加压 减压 沸点t，避免用冷冻剂 沸点t，避免高温 蒸馏的分类 按蒸馏方式 简单蒸馏 平衡蒸馏 多次部分气化与冷凝精馏 特殊精馏：恒沸精馏、萃取精馏、 一次部分气化与冷凝 一次部分气化与冷凝 按混合液 双组分 多组分(3) 两组分溶液的气液平衡 平衡蒸馏和简单蒸馏（平衡关系、操作关系） 精馏（平衡关系、操作关系、求理论板数） 原理和流程 两组分连续精馏的计算 间歇精馏、恒沸精馏、萃取精馏 、多组分精馏 本章主要内容： 本章重点：两组分溶液的连续精馏 第一节 二元溶液相平衡 1-1-1 相律和拉乌尔定律 一、相律 例：苯甲苯形成的气、液物系 fc2 2222 在t、p、x(或 y)中任意选定2个参数，平衡物 系的状态就被唯一地确定了。 而通常认为蒸馏是在恒压下进行的，此时系 统 的自由度数仅为1，即仅有1个独立变量。 于是，气液平衡关系实际上就是：一定压强下 的t-x（或 t-y）、x-y函数关系。 当用曲线图表示这种函数关系时，就叫做相 图。 fc2 2222 二、拉乌乌尔定律 当p1mpa (10atm)时,与液相达平衡的气相可 视为理想气体, 根据溶液中“同、异“分子间作用力的差异，把溶 液分为： 理想溶液 非理想溶液 1.理想溶液 (气液平衡关系遵循拉乌尔定律) pa=paxa ; pb=pbxbpb(1-xa) p=pa+pb pa p pb ya xa 称为泡点 方程 2.非理想溶液 用“活度系数 “修正的拉乌尔定律 pa=paxa a pb=pbxb b ya=paxa a /p (低压时) 活度系数随p,t和组成而变，其值可能1（ 正偏差），或1（负偏差） 气液平衡关系不满足拉乌尔定律的溶液 1-1-2相对挥发度 一、挥发度 1.纯纯液体的挥发挥发 度：t一定，用其饱和蒸气压度量。 2.溶液中组分i的挥发度： 对于理想溶液，由拉乌尔定律知：pi/xi=pi=i 二、相对挥发度 【定义】相对挥发度 对p不高的情况，遵循道尔顿分压定律： 对于理想溶液：可视为常数 温度的影响不大，可以按常数使用。定性温度按操 作温度范围取平均值。 将xb(1-xa)和yb(1-ya)代入得: 略去下标a 当=1时，y=x， 气、液两相浓度相同，无法用普通蒸馏方法达到分离 的目的！ 若x一定，则y，易分离！ 值可用于判断溶液可否采用蒸馏分离及分离的难易 气液平衡式 xx0 y ty饱和蒸气线 （露点线） t p定 tx饱和液体线 （泡点线） x(y) 气相(过热蒸汽)区 气液区 液相区 一、温度组成(t-x-y) 图 1-1-3 两组分理想溶液的气液平衡相图 二、汽液相组成 (xy)图 若已知液相组成x1，可 由平衡曲线得出与之平 衡的汽相组成y1，反之 亦然。图中对角线（ x=y）作为参考线供计 算时使用。对于理想物 系：yx，故平衡线位 于对角线左上方。 平衡线偏离对角线愈远 ，表示该溶液愈易分离 。 x1 y1 x2 y2 x3 y3 1-1-4 两组分非理想溶液的气液平衡相图 实际生产中的大多数物系为非理想物系。非理想物系有 (1) 液相为非理想溶液，汽相为理想气体； (2) 液相为理想溶液，汽相为非理想气体； (3) 液相为非理想溶液，汽相为非理想气体。 精馏过程一般在较低的压力下进行，此时汽相通常可视为 理想气体，故多数非理想物系可视为第一种情况。 对拉乌尔定律具有正偏差 对拉乌尔定律具有负偏差 非理想溶液 常压下乙醇水溶液的t-x-y图 乙醇水物系是具有很大正偏差的例子，表现为溶液在某一组 成时其两组分的饱和蒸汽压之和出现最大值，易挥发，对应的 溶液泡点比两纯组分的沸点都低，为具最低恒沸点的溶液。 图中点m代表汽液两相组成相等。常压下恒沸组成为0.894， 最低恒沸点为78.15，在该点溶液的相对挥发度为1 非理想溶液（负偏差） 氯仿丙酮和硝酸水物系为具有很大负偏差的例子。图示 分别为硝酸水混合液的txy图和xy图，常压下其最高恒沸 点为121.9，对应的恒沸组成为0.383，在图中的点n溶液的相 对挥发度为1 【例】计算含苯0.5(摩尔分率)的苯甲苯混合液在总压101.3 kpa 下的泡点温度。苯（a）甲苯（b）的饱和蒸汽压数据如本例附 表所示。 温度，80.185.090.095.0100.0 105.0 110.6 pa/kpa 101.3 116.9 135.5 155.7 179.2 204.2 240.0 pb /kpa 40.046.054.063.374.386.0101.3 解： 0.20.4 0.60.80 1.0 x或 y 温度t, 70 80 90 100 110 120 xa t 设泡点温度t=95，查附表得: pa=155.7kpa, pb=63.3kpa 计算结果表明，所设泡点温度偏高. 设泡点温度t按表查pa， pb由pa， pb计算xa 与xa=0.5比较检验所设温度的正确性 再设泡点温度t=92.2，由附表数据插值求得 pa=144.4kpa, pb=58.1kpa 【例】苯（a）甲苯（b）的饱和蒸汽压数据见下表，试计算在总 压101.3 kpa下苯甲苯的混合液的汽液平衡数据和平均相对挥发度 。该溶液可视为理想溶液。 温度，80.185.090.095.0100.0 105.0 110.6 pa/kpa 101.3 116.9 135.5 155.7 179.2 204.2 240.0 pb /kpa 40.046.054.063.374.386.0101.3 解： 以90下的数据为例 其它温度下的计算结果列于本例附表。 温度，80.185.090.095.0100.0105.0110.6 x1.0000 0.78000.58040.41130.25740.12940 y1.0000 0.90010.77630.63220.45530.26080 2.5332.5412.5092.4602.4122.3742.369 计算ya还可以采用相对挥发度计算： 第一节 平衡蒸馏和简单蒸馏 平衡蒸馏和简单蒸馏均为一次部分汽化和 部分冷凝，仅用于分离要求不高的情况。 它们的计算包括物料平衡、热量平衡和气 液平衡关系。 1-2-1 平衡蒸馏 也叫闪蒸，为单级蒸馏操作， 多用连续操作方式。 计算包括物料平衡、热量平衡和气液平衡关系 流程示意如下 f,xf ,tf 加热器 减压阀 分离器 d,y,te w,x,te t 平衡蒸馏中气液相 组成关系式。 令 q = w/f，称为液化分率 ； 则 d/f = 1-q，称为汽化率 。 一、物料衡算 总物料：fdw 易挥发组分物料：f xfd y+w x f,xf ,tf 加热器 减压阀 分离器 d,y,te w,x,te t 平均摩尔气化潜热 二、热热量衡算 加热器热负荷 分离器热平衡 q = f cp( t-tf ) f cp( t-te ) (1-q) f r 气化温度 f,xf ,tf 加热器 减压阀 d,y,te w,x,te t 除了用上述三个关系直接计算外，也可用图解法进 行计算。 三、气液平衡关系 平衡蒸馏中，气液两相总处于平衡状态。若为理 想溶液，则 平衡温度te与组成 x 的关系即为泡点曲线。 于是,利用这三种关系就可实现对平衡蒸馏的计算 ,包括求取气液相组成x、y及温度。 【例】对某两组分理想溶液进行常压闪蒸，已知xf=0.5,若要求气 化率为60%，求闪蒸后平衡的气液相组成及温度。 常压下该两组分理想溶液的x-y及te-x关系见本题附图 00.20.40.60.81.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 te-x y 125 115 105 95 te, x 解： 1-q=0.6q=0.4 e(xf,xf) 0 0.20.40.6 0.8 1.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 te-x y x 125 115 105 95 te, f (1)由上述方程作ef线 (2)由f 点读出闪蒸后 的气液平衡组成， x=0.387,y=0.575 (3)由f向上作垂线交 te-x于g点，g点对应 的温度既为所求。 g 也叫微分蒸馏，为单级蒸馏操作 ，多用间歇方式 1-2-2 简单蒸馏 主要涉及物料衡算和气 液平衡关系 是一种不稳态过程，计 算要采用微分方法 。 虽然其瞬间形成的蒸气 与液相可以视为相互平 衡，但形成的全部蒸汽 并不与剩余的液体相平 衡，简单蒸馏的流程示意图 x1 x2 简单蒸馏 设某瞬间釜内液体量为lkmol，组成为x,经时间d后，蒸出的 气相量为dd,气相组成为y*: 对易挥发组分，蒸出的量减少的量 简单蒸馏过程中气液相组成关系的推导 y*dd=d(lx) 总量变化相同：dd=dl 所以y*dl=xdlldx 蒸出的量= y* dd 减少的量=d(lx) y* x1 x2 (1) y*-x关系非常复杂，或用图形表示时，采用图解积分的方法 x2 ,xf间所包围的面积即为所求 x x x2xf 分离变量积分得： (3)若x-y平衡关系为直线：y=mx+b,则有： 若b=0则： 要计算馏出液的平均组成,可以通过对一批物料进行物料恒算 总物料： f=d+w (2)对理想溶液，有气液平衡关系： 易挥发组分： d w f 【例】 在常压下将组成为0.6（易挥发组分的摩尔分率）的某理想 二元混合物分别进行平衡蒸馏和简单蒸馏，若规定汽化率为1/3，试 计算： (1) 平衡蒸馏的汽液相组成； (2) 简单蒸馏的易挥发组分平均