化工原理-精馏PPT课件

精馏,蒸馏概述,双组分溶液的气液相平衡,平衡蒸馏与简单蒸馏,精馏,混合物的分离是化工生产中的重要过程。混合物可分为非均相物系和均相物系。非均相物系的分离主要依靠质点运动与液体流动原理实现分离。而化工中遇到的大多是均相混合物。均相物质不能采用机械分离的方法（如乙醇与水）分离条件是必须造成一个两相物系，然后依据物系中不同组分间某种物性的差异，使其中某个组分或某些组分从一相向另一相转移，以达到分离的目的。,第一节概述,化工生产中常见的传质过程有蒸馏、吸收、萃取和干燥等单元操作。,如：不同组分其挥发难易度不同，使易挥发组分在气相中富集，难挥发组分在液相中富集，直到达到气液平衡。,第一节概述,(1)质量传递过程（传质过程）：由浓度差引起的物质在相际间的传质过程。,1、定义,1、定义（2）蒸馏：利用液体混合物中各组分挥发性的差异而将组分分离的传质过程。为一次部分气化分离混合物；（3）精馏：多次部分汽化，多次部分冷凝。用浓度表示组分的变化。易挥发组分：沸点低的组分，用A表示，yA，xA难挥发组分：沸点高的组分，用B表示，yB，xBy与x的关系无法确定，通常达到平衡时关系才确定,第一节概述,（1）通过蒸馏操作，可以直接获得所需要的产品，而吸收和萃取还需要如其它组分；（2）蒸馏分离应用较广泛，历史悠久；（3）能耗大，在生产过程中产生大量的气相或液相。,第一节概述,2、蒸馏分离的特点,第一节概述,3、蒸馏的分类,第一节概述,1）简单蒸馏是间歇、不稳定的，要考虑到成本、产率，需要进行经济核算；蒸发时，第一滴的浓度最高，随着蒸馏的进行，x减少，y减少；提高蒸馏浓度，可以在设备的出口处加一部分冷凝器，难挥发组分就冷凝的多，可以提高产品的质量，但设备成本增加。,第一节概述,混合液经加热器升温后液体温度高于分液器压强下的液体沸点，然后通过减压阀使其降压后进入分离器中，这时过热的液体混合物即被部分气化，平衡的气液两相在分离器中得到分离，将分离器又称为闪蒸罐（塔）,2）闪蒸是一种单极的平衡操作，连续或间歇、稳定的。,例如：高压锅，冷却后才可以打开,第一节概述,3）精馏,4）特殊精馏：,第一节概述,多次部分气化与冷凝的过程，可以使混合液得到几乎完全分离，是常压下、连续、双组分的蒸馏；,例如：苯甲苯，乙醇正丙醇，乙醇水物性相似，沸点（80.1,110.8），空间结构不同,萃取精馏苯环己烷，沸点相近(80.1,80.6)，加入萃取剂糠醛改变组分间的挥发度；,5）蒸发与蒸馏的区别,蒸发A组分挥发，B组分不挥发，供热就分离；蒸馏A，B均挥发，存在一个平衡关系！,恒沸精馏工业酒精的提纯，加入夹带剂苯，形成三元非均相恒沸液；,第一节概述,第二节两组分溶液的气液平衡,1-2-1两组分理想物系的气液平衡,相律是研究相平衡的基本规律。表示平衡物系中自由度数、相数及独立组分数间的关系，即：F=CP+2式中F自由度数；C独立组分数；P相数；2表示外界只有温度和压力这两个条件可以影响物系的平衡状态。,一、相律,若三个变量固定(t，P，x或y)，则该物系只有一个独立变量（x或y)，其它变量都是它的函数，那么两组分的气液平衡可以用一定压强下的tx(或y)，及xy的函数关系或相图表示。,对于两组分的气液平衡物系，F=22+2=2气液平衡中可以变化的参数有4个：t，P，x，y,第二节两组分溶液的气液平衡,1）用饱和蒸气压和相平衡常数表示气液平衡关系,二、两组分理想物系的气液平衡关系,理想物系：液相为理想溶液、气相为理想气体的物系。,遵循拉乌尔定律,遵循道尔顿定律,对于性质极相近、分子结构相似的组分所组成的溶液可视为理想溶液,拉乌尔定律：理想溶液中某组分的蒸汽压等于该组分同温度下的纯液体蒸汽压与溶液中该组分的摩尔分率的乘积。,式中溶液中组分A的蒸汽压；即溶液上方组分A的平衡分压，Pa；,纯组分A的饱和蒸汽压，Pa；,组分A的液相摩尔分率；,那么：,A易挥发组分；B难挥发组分。,二、两组分理想物系的气液平衡关系,当溶液沸腾时，溶液上方的总压等于各组分的蒸气压之和;,当外压不太高时，平衡的气相可视为理想气体，遵循道尔顿分压定律，即,由拉乌尔定律表示的气液平衡关系,K为相平衡常数，并非常数，随温度而变。,1)用饱和蒸气压和相平衡常数表示气液平衡关系,纯组分的饱和蒸气压与温度t的关系可由安托因（Antoine）方程计算或从手册中查,式中A、B、C为组分的安托因常数，可由有关手册查得。,1)用饱和蒸气压和相平衡常数表示气液平衡关系,2）用相对挥发度表示气液平衡关系,（1）挥发度,对纯液体，挥发度指该液体在一定温度下的饱和蒸汽压,对混合液，各组分的挥发度可用它在蒸气中的分压和与之平衡的液相中的摩尔分数之比表示，即,（2）相对挥发度：溶液中易挥发组分的挥发度与难挥发组分的挥发度之比，用表示。,相对挥发度的数值可由实验测得,对理想溶液：,当温度变化时，两者的变化不大，一般可将视为常数，计算时可取操作温度范围内的平均值。,3）气液平衡方程,对于两组分溶液，当总压不高时，由于,3）气液平衡方程,1时，组分A较B易挥发，可以用蒸馏方法分离。,=1时，不能用普通蒸馏的方法分离混合液。,1时，挥发度差异愈大，愈有利于蒸馏操作。,a可作为混合液能否用蒸馏方法分离以及分离难易程度的判据。,气液平衡方程,三、两组分理想溶液的汽液平衡相图,蒸馏操作通常是在一定的外压下进行，溶液的平衡温度随组成而变。溶液的平衡温度组成图是分析蒸馏原理的基础。,1、温度组成(txy图),x越大，易挥发组分的含量越高，泡点温度越低。,y越大，易挥发组分含量越高，露点温度越低。,沸点,露点,泡点,1、温度组成(txy图),2、x-y图,平衡线位于对角线的上方，平衡线偏离对角线愈远，表示该溶液愈易分离。,1-2-2两组分非理想物系的气液平衡,非理想溶液的平衡分压可用修正的拉乌尔定律表示，即：,当总压不高时，气相为理想气体，则平衡气相组成为：,第三节平衡蒸馏和简单蒸馏,平衡蒸馏又称为闪蒸，是一种单级蒸馏操作，常以连续方式进行。原料连续进入加热器中，加热到一定温度后经节流阀减到规定的压力，部分液体迅速汽化，汽液两相在分离器中分开。由于汽液两相成平衡状态，所以称为平衡蒸馏。,1平衡蒸馏,流程及原理：又称微分蒸馏，也是一种单级蒸馏操作，常以间歇方式进行。在恒定压力下，将蒸馏釜中的溶液加热至沸腾，并使液体不断汽化，产生的蒸汽随即进入冷凝器中冷凝，冷凝液用多个罐子收集。,2简单蒸馏,第三节平衡蒸馏和简单蒸馏,蒸馏是一个非稳态过程，虽然瞬间形成的蒸气与液体可视为互相平衡，但形成的全部蒸气并不与剩余液体相平衡。因此，简单蒸馏的计算应该作微分衡算。,2简单蒸馏,第四节精馏,4-1精馏原理与流程,4-2物料衡算和操作线方程,4-3理论板层数的求法,4-4双组分精馏的设计型计算,4-5双组分精馏的操作型计算,4-6塔高和塔径的计算,4-1精馏原理和流程,4-1-1精馏过程原理,1、多次部分汽化和多次部分冷凝,精馏原理：精馏塔中蒸汽自下而上流动，液体自上而下流动。汽液两相在塔板上接触并分开。,接触时汽相的热传递给液体，使液体易挥发组分部分汽化传质到汽相中；,而汽相被液体冷凝使汽相中的难挥发组分部分冷凝转入到液相中。,4-1精馏原理和流程,精馏与平衡蒸馏之区别在于是否需要外界换热。回流是保证精馏过程连续稳定操作的必要条件。,于是，经过多次部分汽化和部分冷凝，最后在塔顶得到高纯度的轻组分，而在塔底获得高纯度的重组分，达到较完善的分离程度。,汽相与液相离开后，汽相中的易挥发组分浓度高，液相中难挥发组分提高。,2、精馏是多次部分汽化与多次部分冷凝的联合操作,精馏塔由若干块塔板构成，每块塔板均为理论板，其上温度为泡点；,塔板中间再沸器和中间部分冷凝器,液流冷却剂,汽流热源，,4-1-1精馏过程原理和条件,精馏塔除了塔板外，在塔顶还有冷凝器，在塔底还有再沸器。再沸器的作用是提供一定量的上升蒸气流，冷凝器的作用是提供塔顶液相产品及保证有适宜的液相回流，,因而使精馏能连续进行。塔顶如果没有回流液体返回精馏塔，则塔顶最上一层塔板的传质就无法进行，同样塔底如果没有上升蒸汽返回精馏塔，则塔底最下一层塔板的传质也无法进行。,4-1-1精馏过程原理和条件,精馏塔的精馏过程,1、采用多次部分汽化和多次部分冷凝的方法对液体混合物进行高纯度分离,2、精馏与蒸馏的区别：精馏有“回流”，而蒸馏没有“回流”。,精馏操作的基本流程：塔精馏段+提馏段（含进料板）、再沸器、冷凝器,塔顶的液相回流与塔釜部分汽化造成的气相回流。,精馏操作的必要条件,1、为什么要回流？,2、为什么要再沸？,讨论与说明,1理论板的概念,1、理论板,塔板是开有许多小孔的圆板，在精馏塔内放有许多塔板。假设蒸汽和液体充分接触，并在离开第n层板时达到相平衡，则yn与xn平衡，且ynyn+1，xn逐板计算法,已知：气液平衡关系，操作线方程,y1=xD(全凝器)，泡点进料,精馏段,直到(泡点进料)时，精馏段所需板数为（n-1），,对其它进状况，应计算到(两操作线的交点),4-3理论板层数的求法逐板计算法,逐板计算法图示：,当计算得到的时，则第n层板已是加料板。再往下计算，要用提馏段操作线方程，即,当计算得到的时，就停止计算。由于再沸器中的汽液两相达到平衡，所以再沸器相当于一块理论板，因此总的理论板数就等于使用相平衡方程的次数减一。,2)提馏段,4-3理论板层数的求法逐板计算法,4-3-2理论板层数的求法图解法,步骤:,1.画相平衡线和三条操作线；,2.作阶梯。,图解法求理论板数的步骤：,建立平面直角坐标系xOy。(2)在xOy中画出平衡线，并作对角线。(3)在xOy中画出精馏段操作线、q线和提馏段操作线。(4)从a点开始，在精馏段操作线与平衡线之间作直角梯级，当梯级跨过d点时，则改在提馏段操作线与平衡线之间作直角梯级，直至梯级的水平线达到或超过c点。,每个梯级在平衡线上的顶点代表一层理论板，跨过d点的顶点代表加料板，加料板顶点以上的顶点数即为精馏段的理论板数，加料板顶点及其以下顶点数减一，即为提馏段的理论板数。精馏段理论板数与提馏段理论板数之和为总理论板数。,水平线a1表示液体经第一层板后组成自xD减小到x1。垂直线11表示蒸汽经第一层板后组成自y2增大到y1。所以点1或梯级a11代表一层理论板。,图解法求理论板数说明：,4-4-1理论板数的计算4-4-2回流比的选择4-4-3加料热状况的选择4-4-4双组分精馏过程的其他类型,4-4双组分精馏的设计型计算,最适宜的加料位置，在该板上，(xq为两操作线交点的横坐标)此时所需理论板数最少,4-4-1理论板数的计算,最优加料位置的确定,最优加料位置的确定,4-4-2回流比的选择,两者均有利于传质，,R增加，操作线远离平衡线，NT减少,全回流与最小理论板数,D0，F0，W0,NT最少（Nmin）,解析法Fenske,Nmin确定,图解法,全回流应用,设备开工调试，或实验研究,4-4-2回流比的选择,最小回流比,4-4-2回流比的选择,恒浓区（夹紧区）,R减少，操作线近平衡线，传质推动力减少,Rmin，操作线交点落在平衡线(即e)，传质推动力为零,无穷多NT,Rmin的意义,图解法,Rmin确定,RRmin,可精馏操作,解析法,操作费用与R关系,操作费用：冷却器中冷却剂量、再沸器中加热蒸气量,操作费用与R成正比,设备费用与R关系,设备费用：塔、再沸器、冷凝器尺寸,总费用与适宜R,总费用最低时的R为适宜R，一般为（1.22）Rmin,理论板数的简捷法,4-4-2回流比的选择,4-4-3加料热状况的选择,在、一定的情况下,提馏段斜率,操作线越接近平衡线,一定）,塔釜供热量不变（,因此，热量尽可能从塔底输入，使所产生的汽相回流能在全塔中发挥作用；而冷量应尽可能施加于塔顶，使所产生的液体回流能经过全塔而发挥最大的效能,不变,4.5双组分精馏的操作型计算,4-5-1精馏过程的操作型计算4-5-2精馏塔的温度分布和灵敏板,4-5-1精馏过程的操作型计算,操作型计算的命题,此类计算的任务是在设备（精馏段板数及全塔理论板数）已定的条件下，由指定的操作条件预计精馏操作的结果,已知量为：,操作型计算的特点：,试差（迭代）加料板位置（或其它操作条件）一般不满足最优化条件。,求：,的变化,加料板位置,回流比增加对精馏结果的影响,4-5-1精馏过程的操作型计算,4-5-1精馏过程的操作型计算,注意,D/F规定，,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的限制,xD的提高受精馏塔分离能力的限制,(2),在回流比较小时，RxD，xD受分离能力（回流比）的影响,在回流比较大时，xD受物料衡算的限制，R,xD无明显变化，xD取决于采出率D/F,采出率增加对精馏结果的影响,4-5-1精馏过程的操作型计算,进料组成变动的影响,4-5-1精馏过程的操作型计算,4-5-2精馏塔的温度分布和灵敏板,精馏塔的温度分布,t=f(p,x),各板p,x不同，因而精馏塔存在温度分布,灵敏板,操作条件变动引起温度变化最为显著的板,这些塔板的温度对外界干扰如回流比、进料组成发生波动等）的反映最灵敏,4-5-2精馏塔的温度分布和灵敏板,q为液化率,对稳定连续过程，q为定值,物料衡算式,加热器:,