化工原理精馏教学课件PPT.ppt

化工原理 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 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 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 f c 2 2 2 2 2 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 f c 2 2 2 2 2 二 拉乌尔定律 当p 1mpa 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 pa xa pb pb xb pb 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 pa xa apb pb xb bya pa xa 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 纯液体的挥发度 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 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 x x0 y t y饱和蒸气线 露点线 t p定 t x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 x y 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 y x 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 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t x y图和x y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 解 设泡点温度t 95 查附表得 p a 155 7kpa p b 63 3kpa 计算结果表明 所设泡点温度偏高 设泡点温度t 再设泡点温度t 92 2 由附表数据插值求得 p a 144 4kpa p b 58 1kpa 解 以90 下的数据为例 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 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 f d w 易挥发组分物料 fxf dy wx 平均摩尔气化潜热 二 热量衡算 加热器热负荷 分离器热平衡 q fcp t tf fcp t te 1 q fr 气化温度 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 解 1 q 0 6 2 由f点读出闪蒸后的气液平衡组成 x 0 387 y 0 575 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 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 蒸出的量 y dd 减少的量 d lx 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 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 总物料 f d w 2 对理想溶液 有气液平衡关系 易挥发组分 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组成及收