《化工原理课件蒸馏》PPT课件.ppt

,1.4 精馏原理与流程,School of Chemistry and Chemical Engineering, SCUT , Yang dongjie,One flash-vaporization stage,y1x1,1.4.1 精馏原理,多次部分汽化和多次部分冷凝,y1x2x3xW,Pure A and Pure B The amount of A and B is few, yield is lower,缺点： 1.收率低；(大量的中间产品) 2.设备重复量大，设备投资大； 3.能耗大，过程有相变。,多次部分汽化和多次部分冷凝 是精馏分离的必要条件,问题：工业上如何实现？,x3 y1 Mass transfer T3T1 heat tramsfer,缺点:设备复杂,有回流的多次部分汽化和多次部分冷凝,引入回流 最上层冷凝器 提供下降液流 最下层加热器 提供上升蒸汽,School of Chemistry and Chemical Engineering, SCUT , Yang dongjie,In a distillation column the stages (referred to as sieve plates or trays) in a distillation tower are arranged vertically,School of Chemistry and Chemical Engineering, SCUT , Yang dongjie,塔板的作用,塔板提供了汽液分离的场所； 每一块塔板是一个混合分离器； 足够多的板数可使各组分较完全分离。,School of Chemistry and Chemical Engineering, SCUT , Yang dongjie,精馏与简单蒸馏的区别：汽相和液相的部分回流。也是精馏操作的基本条件。,精馏原理,料液, xF Feed,塔顶产品, xD Overhead product,塔底产品, xW Bottoms product,液相回流 Liquid reflux,汽相回流 Vapor reflux,精馏段 Rectifying section,提馏段 Stripping section,再沸器 Reboiler,冷凝器condenser,进料板以上称为精馏段 精制汽相中的易挥发组分。 进料板以下（包括进料板）称为提馏段提浓液相中难挥发组分。,塔顶产品称为馏出液 富含易挥发组分。 塔底产品称为釜液 富含难挥发组分。,School of Chemistry and Chemical Engineering, SCUT , Yang dongjie,F,xF,condenser,reboiler,xn-1 yn+1.,Bottom,Top,TBottomTTop PBottomPTop xDxW,板式塔内相邻几块板的温度、组成的关系为,n-1,tn-1,n,tn,n+1,tn+1,yn+2,yn+1,yn,yn-1,xn-2,xn-1,xn,xn+1,塔顶回流液,回流液：在任意塔板上，上一块塔板下来的液体，轻组分含量高，温度低。,塔釜汽相回流,回流汽：任意塔板上，下一块塔板上来的汽体，重组分含量高，温度高；,浓度变化,yn+1,xn-1,传质推动力,热量传递过程 液体汽化所需热量由蒸汽冷凝提供。,易挥发组分：液相汽相 难挥发组分：汽相液相。,传质方向,易挥发组分沿塔高方向增加，而温度沿塔高方向降低。,过程控制 精馏过程速率由传质过程控制。,传质设备 板式塔逐级接触式设备； 填料塔微分接触式设备。,板式塔,填料塔,School of Chemistry and Chemical Engineering, SCUT , Yang dongjie,1)回流的作用是什么？ 2) 塔底再沸器和塔顶冷凝器能否省去？,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。,1.5 两组分连续精馏塔的计算,1.5.1理论板的概念和恒摩尔流的假设,汽、液两相在其上进行接触传质时，离开该塔板的两相在传质、传热方面都达到了平衡。,1. 理论板的概念,理论板具有最大的分离能力， 是塔分离的极限能力,tn=Tn ， yn=f(xn),Vn yn,Vn+1 yn+1,Ln-1 xn-1,Ln xn,n,t,n,n-1,n+1,xn,yn,xn+1,xn-1,yn+1,yn-1,实际中，塔板上气液两相间的接触时间和接触表面积是有限的； 理论板的提出，便于衡量实际板分离的效果。通常在设计过程中先求出理论板数，经修正得实际板。,同一板上气液浓度服从平衡关系 隔板之间气液浓度服从操作关系（物料衡算）,2. 恒摩尔流的假设,前提条件 (1)各板上混合物的摩尔汽化潜热近似相等 rA=rB (2)汽液接触时因温度不同交换的显热忽略 Cpt0 (3)塔设备保温良好，热损失可以忽略 QL=0,精馏： V1=V2= Vn=V; L1=L2= Ln=L; 提馏段 V1=V2=Vn=V; L1=L2=Ln=L,恒摩尔汽、液流：,L,L,L,V,V,V,B,xB,精馏与提馏段两相流量 L=L; V=V (?) 与什么有关？,物料衡算,全塔物料衡算,总物料衡算 F=W+D,FxF=WxW+DxD,难挥发组分回收率：,易挥发组分回收率：,公式记忆：符合杠杆定律,馏出液的采出率:,釜液采出率:,a 非进料板物料衡算,塔板上物料衡算,任意n非进料板物料衡算则有：,Ln-1 xn-1,Vn yn,Ln xn,Vn+1 yn+1,第n块板,一类是非进料塔板 一类是进料塔板,b.进料塔板的物料衡算,设进料板为第m板，,第m块加料板,F, xF,Lm-1 xm-1,Vm ym,Lm xm,Vm+1 ym+1,Operating lines equation,yn+1xn 相邻两板汽液组成的关系 Two sections two operating lines,操作线方程,xn-1,yn,xn,yn+1,第n块板,1 精馏段操作线方程,V=L+D Vyn+1=Lxn+DxD,回流比reflux ratio： R= L/D When condensate is liquid at its bubble point, L=LcL1L2., V=V1V2=,L, xD,V, y1,1,2,3,n,L, xn,V, yn+1,L=RD V=(R+1)D,Top-Total condenser：y1 = xD.,讨论：,当 F（进料量）确定，同时规定了塔顶及塔底的产品组成，增加回流比是否意味着 D 减少？,并不意味着D减少，而是意味着上升蒸汽量增加； 增大回流比的措施是增大塔底的加热速率和塔顶的冷凝量； 增大回流比的代价是能耗的增大。,精馏段操作线:,当R, D, xD为一定值时,该操作线为一直线.,斜率:,截距:,y,x,xD,操作线为过点（xD， xD ）,2 提馏段操作线方程,L=V+W Lxm=Vym+1+WxW,m+1,m+2,m+3,N,L, xm,V, ym+1,过点（xW， xW ）,斜率：,截距:,a,b,q,提馏段操作线,提馏操作线： y =x= xW L/V -WxW /V,操作线方程的在图上的画法,精馏操作线： y =x= xD R/(R+1) xD /(R+1),x,y,0,1.0,1.0,xD,a,b,xW,c,d,e,Stripping section Vm+1 = Vm = V Lm= Lm+1 =.= L,V= V ? L= L ？,Rectifying section,Vn+1 = Vn =.= V Ln = Ln-1= L,进料热状况,a: 冷液 b: 饱和液体，泡点 c: 气液混合物 d: 饱和蒸气，露点 e: 过热蒸气,1 进料热状况,进料热状况参数,加料板F,F, IF,L IL,V IV,L IL,V IV,IV=IV,IL=IL,3 进料热状态对塔内气、液流量的影响,气液混合物进料(0q1),过热蒸气进料(q0),冷液进料(q1),饱和液体进料(q=1),饱和蒸气进料(q=0),V,进料热状态对塔内气、液流量的影响,cPLspecific heats of liquid TF= temperature of feed Tb= bubble point of feed, r= heat of vaporization,For cold feed q1; For partially vapor feed, 0q1 moles of liquid of column per mole of feed,For superheated vapor feed,cPvspecific heats of vapor, TF= temperature of feed Td= dew point of feed, r= heat of vaporization,Material balance of feed plate,= fraction of feed that is vaporized 原料汽化分率,q= fraction of feed that is fluidified 原料液化分率,L=L+qF V=V-(q-1)F V=V+(q-1)F,q = 2/3，表明总量为3，含液体量2，汽体量为1 则进料液中 汽：液 = 1：2， 液体量：总量 = 2/3，,Feed line,Feed line -Line of intersections of the two operating lines.,xW,进料方程q线方程,两操作线交点轨迹即q线,Vy =Lx + DxD,Vy = Lx - WxW,(V V)y = (L L)x - (DxD + WxW),(q-1)Fy = qFx - FxF,经过点（xF, xF)的直线 斜率：q/(q-1) 截距：-xF/(q-1),V =V+(q-1)F L =L+ qF,进料热状况对操作线的影响,精馏段操作线斜率不变，长度增长 提馏段操作线斜率增大，操作线更靠近平衡曲线，提馏段分离能力不断下降,c,xW,xD,xF,D,F,W,a,b,d,e,q1,q=1,0q1,q=0,q0,当R和分离要求不变时，随着进料温度的升高，q值减小,L与L,(1) 冷液 q1,(2) 饱和液体 q1,(3) 气液混合 0q1,(4) 饱和蒸汽 q0,(5) 过热蒸汽 q0,进料状况,q值,q线位置,V与V,【例】在由一层理论板和塔釜组成的精馏塔中，每小时向塔釜加入苯甲苯混合液100kmol，含苯量为50%（摩尔，下同），泡点进料，要求塔顶馏出液中含苯量为80%，塔顶采用全凝器，回流液为饱和液体，回流比为3，相对挥发度为2.5，求每小时获得的塔顶馏出液量D，塔釜排出液量W及浓度xw。,已知条件：F100kmol/h xF=0.5 xD=0.8 R=3 =2.5 y1=xD,物料衡算,F=D+W,FxF=DxD + WxW,平衡线,精馏线,y1=xD x1 y2(yW) x2(xW),解: 平衡线 y1=xD=0.8,得 x1=0.615,得 D=17.0kmol/h W=83.0kmol/h,精馏操作线,得 y 2=0.6615,再由平衡线 得 x2= xW =0.4385,由物料衡算,F=D+W,FxF=DxD + WxW,【例】将含0.24（摩尔分数，下同）易挥发组分的某液体混合物送入一连续精馏塔中。要求馏出液含0.95易挥发组分，釜液含0.03易挥发组分。送入冷凝器的蒸汽量为850kmol/h，流入精馏塔的回流液为670kmol/h，试求： 1. 每小时能获得馏出液和釜液的量？ 2. 回流比R为多少？ 3. 写出精馏段操作线方程。,此题复习的知识点：,（1）塔顶回流 V=L+D,（2）物料衡算 F=D+W FxF=WxW+DxD,（3）回流比 R=L/D,（4）精馏段操作线,问题,1、精馏塔中从上至下的第n-1，n，n+1理论板，比较 yn+1 yn； xn+1 xn ； yn xn Tn tn-1 ；Tn tn; yn xn-1,2、为什么说分凝器相当于一块理论板？为什么说再沸器也相当于一块理论板？,3、其他条件不变，精馏塔顶的全凝器改为分凝器。塔顶产品的浓度,a) 不变 b)变小 c)变大 d)说不定,1、欲高纯度分离为什么必须采用回流,2、精馏过程的实现,3、为什么回流有产品,4. 用什么样设备、采用怎样的技术工艺才能同时实现多次部分汽化，部分冷凝呢？,塔内上半部分回流液自上而 下与上升蒸汽交换热量，回流液中轻组分首先汽化进入汽相； 而上升蒸汽受冷却，则其中重组分必先冷凝进入回流液。, 精馏与蒸馏的区别在于精馏有“回流”,轻、重组分交换原因：,蒸馏无回流则不能实现轻、重组分的再分配 用有回流的精馏技术才能得到高纯度产品, 只有回流才有轻、重组分的交换,2、精馏过程的实现,工业上是在连续精馏塔中对液体混合物实现 多次汽化和多次冷凝而达到高纯度分离的目的,设备： 连续精馏塔,（3）塔底再沸器（蒸馏釜）加热液体产生上升蒸汽(称为汽相回流)，与下降液体逆流接触，塔底连续排出部分液体，作为塔底产品。,（1）料液自塔中部适当位置进入塔内,（2）塔顶冷凝器使蒸汽