化工原理课件

第三章蒸馏,教学要求31概述32双组分溶液的汽液平衡34精馏原理3-5两组分连续精馏的计算36,间歇精馏,教学要求,基本概念：挥发度、相对挥发度、泡点、露点、恒摩尔流假设、进料热状况、最小回流比、全回流、点效率、板效率和塔效率,重点：两组分的相平衡关系；两组分连续精馏的计算。,教学要求,基本公式：拉乌尔定律、泡点方程、露点方程、两组分物系的汽液平衡关系，全塔物料衡算、精馏段和提馏段操作线方程，进料热状况参数q的计算，q线方程、最小回流比的计算、理论板数的确定（图解法，逐板计算法及简捷法）；精馏装置的热衡算；,教学要求,基本原理：t-x-y图及其应用，精馏原理，回流比、进料温度、进料位置等对精馏过程的影响，精馏塔全塔效率及点效率的测定方法。,了解内容：平衡蒸馏、简单蒸馏的特点及计算，间歇精馏的特点及计算步骤；恒沸精馏、萃取精馏的概念。,31概述,一、蒸馏蒸馏利用溶液中各组分挥发性的差异，加热溶液使之部分汽化而分离溶液的操作。,轻组分：易挥发组分，沸点低、饱和蒸汽压高。,重组分：难挥发组分，沸点高、饱和蒸汽压低。,31概述,本章重点：双组分常压连续精馏的原理和计算,二、蒸馏分类,按操作原理,平衡蒸馏,简单蒸馏,按组分数,精馏,特殊精馏,按操作压强,减压蒸馏,常压蒸馏,加压蒸馏,多组分精馏,双组分精馏,31概述,精馏在精馏设备内，使上升蒸汽与回流液体相互作用，进行多次部分汽化和多次部分冷凝，使溶液得以较完全分离的操作。,特殊精馏,加盐精馏；反应精馏,共沸精馏；萃取精馏,精馏的发展,精馏操作的节能,新型的精馏设备（新型塔板，填料）,计算机在精馏过程中的应用,32双组分溶液的汽液平衡,一、相律,在t,P,x,y四个变量中，f=2。当Pconst,f=1t-x-y关系即为平衡关系。,二、拉乌尔定律及相对挥发度,1.拉乌尔定律,32双组分溶液的汽液平衡,2.相对挥发度,挥发度：,相对挥发度:,完全理想系：v=pi0,32双组分溶液的汽液平衡,讨论：,1时，yx,三、t-x-y,x-y图,数值偏离1的程度表征了分离的难易程度。,1时，yx,=1时，y=x,1.t-x-y图,t-x-y图的应用：A.分析精馏原理B.确定物料的温度,t-x-y图四点、两线、三区,32双组分溶液的汽液平衡,作图：A.由测取的t-x-y数据绘图B.由泡、露点方程计算值绘图,由P,pA0,pB0,取t,算,x,y作图,2.x-y图,x-y图的应用精馏计算,查,32双组分溶液的汽液平衡,例：已知苯甲苯混合液可视为理想溶液，两纯组分的蒸汽压由安托因公式可算。试计算含苯浓度20（mol%)的溶液在总压为800mmHg和32.5mmHg下的相对挥发度。两组分的安托因公式如下：,式中:tpi0mmHg,34精馏原理,x(y),t,P,xF,xD,xW,L1,V1,y1,V2,x1,y2,xm,yn,问题：1.中间产物多2.中间多次换热3.产品量少,多次部分汽化多次部分冷凝,思考：如何解决？,34精馏原理,N+1,N,N-1,LN,LN-1,VN+1,VN,LN-1,VN+1,LN-1,VN+1,x(y),t,LN-1=LN-1(l)+LN-1(g),VN+1=VN+1(l)+VN+1(g),LN,VN,LN-1(g),VN+1(l),温度如何分布？,问题：塔顶第一块板？,塔底最后一块板？,结论：什么是完整的精馏塔？,思考：精馏塔塔顶、塔底温度如何确定？,35双组分连续常压精馏计算,主要内容：1.塔顶、底产品流量及组成2.回流比的确定3.理论塔板数,35双组分连续常压精馏计算,一、全塔物料衡算,F,xF,D,xD,W,xW,F=D+W,FxF=DxD+WxW,D/F馏出率DxD/FxF轻组分馏出率,杠杆定律,xF,W,D,F,xW,xD,35双组分连续常压精馏计算,二、恒摩尔流假设,2.恒摩尔气流精馏段：V1=V2=V提馏段：V1=V2=V,1.恒摩尔液流精馏段：L1=L2=L提馏段：L1=L2=L,35双组分连续常压精馏计算,3.条件及证明（1）各组分摩尔汽化潜热相等（2）各相的焓相等（显热可忽略）（3）热损失不计对第N板进行物热衡算,N+1,N,N-1,LN,LN-1,VN+1,VN,VN+1+LN-1=VN+LN,VN+1I+LN-1i=VNI+LNi,I=r+i,35双组分连续常压精馏计算,三、操作线方程1.精馏段操作线,V,yN+1,L,xN,D,xD,L,V,V=L+D,VyN+1=LxN+DxD,令：回流比,35双组分连续常压精馏计算,a,b,P,y,xD,x,(xD,xD),特点：直线，斜率R/(R+1),过（xD,xD)及（0，xD/(R+1),35双组分连续常压精馏计算,2.提馏段操作线,V,ym,L,xm-1,L,V,W，xW,L=V+W,Lxm-1=Vym+WxW,特点:直线，斜率L/V，过（xW,xW),截距：,35双组分连续常压精馏计算,a,b,c,d,P,x,y,xD,xW,0,35双组分连续常压精馏计算,3.进料热状况,q进料热状况参数（每千摩尔进料能为提馏段带入的液体千摩尔数）,L=L+qF=RD+qF,V=V-(1-q)F=(R+1)D-(1-q)F,五种进料热状况,q值的求取,F,L,L,V,V,对进料板进行物热衡算,F,L,V,L,V,冷液进料,泡点进料,F,L,V,L,V,F,qF,(1-q)F,L,V,L,V,汽液混合进料,35双组分连续常压精馏计算,F,L,V,L,V,过热蒸汽进料,F,L,V,L,V,饱和蒸汽进料,35双组分连续常压精馏计算,35双组分连续常压精馏计算,F+V+L=L+V,FIF+VI+Li=Li+VI,q,冷液：,ttb,泡点：,t=tbq=1,露点：,t=tdq=0,混合物：,tbttd,0q1,过热蒸气：,q0,35双组分连续常压精馏计算,两操作线交点轨迹方程,FxF=DxD+WxW,V-V=（1-q）F,L-L=qF,Vy=Lx-WxW,Vy=Lx+DxD,联解方程组：,特点：直线，斜率q/q-1,过（xF,xF),称为进料方程,交点坐标：,35双组分连续常压精馏计算,过（xD,xD)及（0，xD/(R+1).,过（xW,xW)及（xq,yq),过（xF,xF)，斜率q/q-1.,小结,L=L+qF=RD+qF,V=V-(1-q)F=(R+1)D-(1-q)F,35双组分连续常压精馏计算,四、理论板数求取,已知：F，xF,tF,xD,xW,R,平衡关系,塔顶采用全凝（泡点回流）1.逐板计算法主要用于求取塔特殊位置汽液两相组成,由全塔物料衡算求取D、W、xD、xW中的未知项,算q，得xq或画出q线方程,写出（画出）精馏段及提馏段操作线方程,准备：,35双组分连续常压精馏计算,xD=y1,平衡,精操,x1,平衡,xn,xnxq,进入提馏段，N精n-1,提操,xn=x1,平衡,y2,平衡,xm,xmxw,计算结束,N提,m,xmxw,xm=xw,N含再沸器,35双组分连续常压精馏计算,2.图解法,y,x,P,1,0,(xD,xD),(xW,xW),(xF,xF),q,xD,xW,xF,xq,x4,x7,(含再沸器）,第四块板进料,35双组分连续常压精馏计算,y,x,P,1,0,(xD,xD),(xW,xW),(xF,xF),q,xD,xW,xF,xq,x4,x7,3.适宜的进料位置,试分析原因,N=6.3,N=7.6,提前进料呢？,35双组分连续常压,y,x,P,1,0,q,0.9,0.1,0.55,0.4,0.3,0.625,某二元连续精馏过程如图所示。试求：1.产品组成；2.原料组成；3.回流比；4.最小回流比；5.理论板数；6.进料热状况。,35双组分连续常压精馏计算,例要在常压操作的连续精馏塔中把含0.4苯及0.6甲苯溶液加以分离，以便得到含0.95苯的馏出液和0.04苯（以上均为摩尔分率）的釜液。回流比为3，泡点进料，进料摩尔流量为100kmol/h。求从冷凝器回流入塔顶的回流液的摩尔流量及自釜升入塔底的蒸气的摩尔流量。,35双组分连续常压精馏计算,例：在连续精馏塔中，精馏段操作线为yn+1=0.75xn+0.2075，q线方程y=-0.5x+1.5xF，塔顶采用全凝器，泡点回流，操作压力下的平均相对挥发度为3。试求：1）回流比R；2）馏出液组成；3）从上往下数的第二块理论板上上升汽相组成4）进料热状况参数q，并判断进料状态；5）当xF=0.44时，精馏段操作线和提馏段操作线的交点坐标。,35双组分连续常压精馏计算,五、回流比的影响及求取,1.回流比的影响,从设计角度看,P,xD/R+1,y,xD,xF,xW,xD/R+1,R,N将？,设备费将？,操作费将？,总费用将？,已知分离任务及原料。,原则？,35双组分连续常压精馏计算,Ropt,操作费,总费用,设备费,费用,Rmin,R,费用min,从产品质量角度看,原则？,原料及设备一定,R,产品质量将？,需要注意的3个问题：,a塔的正常操作,b物料衡算限制,c费用的限制,35双组分连续常压精馏计算,2.全回流及最少理论板数,全回流,特点:,不进料，不采出产品,塔不分段,操作线yn+1=xn,Nmin,应用:,精馏塔开车,实验室精馏过程研究,35双组分连续常压精馏计算,交替使用,最少理论板数,（包括再沸器）,且：,得：芬斯克公式,试分析图解法,35双组分连续常压精馏计算,最小回流比,P,xD/R+1,y,xD,xF,xW,xD/R+1,xD/Rmin+1,讨论：R下列变化：精馏段操作线？（xq,yq)？提馏段操作线？,变化导致什么结果？,35双组分连续常压精馏计算,35双组分连续常压精馏计算,结果,（xq,yq)落在平衡线上,精馏段操作线与平衡线相切,提馏段操作线与平衡线相切,Rmin,Rminf(物系，P,xF,xD,xW,tF),由：,注意特殊进料状况时Rmin的求取,35双组分连续常压精馏计算,3.捷算法求理论板数,吉利兰图,使用条件：(1)组分数目=211；(2)进料热状态包括冷液至过热蒸汽的五种情况；(3)Rmin=0.537.0；(4)组分间相对挥发度=1.264.05；(5)理论板数=2.443.1。,35双组分连续常压精馏计算,例.在一连续精馏塔中分离某理论混合液，xD=0.94、xw=0.04（均为摩尔分率）。已知此塔进料q线方程为y=6x-1.5，采用回流比为最小回流比的1.2倍，泡点回流。混合液在本题条件下的相对挥发度为2，求：1）精馏段的操作线方程；2）第二块理论板上下降液相组成（从上往下数）；3）若塔底产品W=150kmol/h，则进料量F和塔顶馏出液各为多少；4）提馏段中各理论板上上升汽相流量。,35双组分连续常压精馏计算,六、其它情况理论板数的求取,1.塔顶采用分凝器,x,y,V,y1,D,xD,分,全,试在t-x-y图上分析各物料浓度变化过程,结论：分凝器相当于一块理论板,35双组分连续常压精馏计算,2.塔顶冷液回流,V1,V,L1,D,xD,L,控制回流比：R控L1/D,实际回流比：R实L/D,令：R实/R控L/L1K,即：R实KR控,关键解K值。方法：对第一块板进行物热衡算,35双组分连续常压精馏计算,3.提馏塔（回收塔）特点：不回流，塔顶进料，只有提馏段,V,y1,F,xF,tF,D,xD,W,xW,已知：F,xF,tF,xW,DxD/FxF,平衡关系,求：理论板数,关键：找出操作线的特殊性,35双组分连续常压精馏计算,该操作线同样过（xW,xW)及（xq,yq),联解操作线和q线，找操作线起点（xq,yq),y=xD,35双组分连续常压精馏计算,1.图解法,P,xD=yq,xW,xF,xq,y,x,第1步：作q线；,第2步：作y=xD线；,(xq,yq),(xW,xW),第3步：作操作线；,第4步：求理论板数,逐板计算法？,35双组分连续常压精馏计算,4.直接蒸汽加热,分离水为重组分的物料时可将加热蒸汽直接通入塔釜加热。,直接蒸汽加热不影响精操线。由于塔底多了一股直接蒸汽，使提馏段的操作线与间接蒸汽加热精馏过程略有差异。,F,zF,D,xD,W,xW,加热蒸气V0,V,L,V,L,总物料衡算,易挥发组分衡算,若恒摩尔流假设仍成立，则V=V0，L=W，上式可改写为,提馏段操作线,两操作线的交点仍由精馏段操作线与q线交点确定；因xn=xW时yn+1=0，提馏段操作线的终点在x轴上g点(xW,0)处。,由图中a点出发绘梯级至g点可得所需的理论板数。直接加热精馏所需的理论板数较间接精馏稍有增加。这是因为直接加热蒸汽的稀释作用，使得塔内物料分离任务增加，当达到相同的馏出液组成及回收率时就需更多的塔板。,35双组分连续常压精馏计算,35双组分连续常压精馏计算,y,P,xF,xW,xD,q=1,xW,前提2,35双组分连续常压精馏计算,例：已知一提馏塔，采用直接蒸汽加热。泡点进料进料组成为30（轻组分mol），进料流量1000kmol/h，入塔蒸汽流量700kmol/h，要求塔底轻组分含量不得高于1。操作条件下的相对挥发度为3。试求：塔顶产品组成；操作线方程；理论板数。,35双组分连续常压精馏计算,例：教材P72第十四题,理论板数无穷？,最小蒸汽量与xD关系,35双组分连续常压精馏计算,P,xD=yq,xW,xF=xq,y,(xq,yq),xDmax,35双组分连续常压精馏计算,5.多侧线塔(多股进料，多股产品采出）,计算原则：有几个塔段，列几个物料衡算方程。,T,yT,L,D,xD,W,xW,F,xF,V1,L1,第段操作线方程。,V1V,L1L关系,采出为饱和液时？,采出为饱和汽时？,35双组分连续常压精馏计算,结论：第操作线与第操作线交点泡点采出：xq1=xT露点采出：yq1=yT,已知：操作条件下的平衡关系，F,xF,tF,xD,xWT,xT(yT),采出热状况，R求：理论板数，采出位置，进料位置,35双组分连续常压精馏计算,a,P,y,x,b,d,c,xF,yq=yT,q=1,第操作线：ab,第操作线：bc,第操作线：cd,假设：露点采出,xW,xD,35双组分连续常压精馏计算,七、塔效率及实际板数,1.效率,（1）点效率,Emp1,q=1,0q1,q=0,q0,xW,xD,35双组分连续常压精馏计算,例:已知苯-甲苯溶液流量100kmol/h,xF=0.3,tF=20要求xD=0.9,轻组分馏出率90%,操作条件下的相对挥发度为2.47.试比较下列情况所需最低能耗?(1)20进料;(2)泡点进料;(3)露点进料.操作条件下原料的泡点98,cP=161.5kJ/kmolr=32600kJ/kmol,35双组分连续常压精馏计算,灵敏板：操作条件改变时反映最显著的塔板。,t变化规律?,t变化反映?规律?,监测t变化的意义?,t,t,R2,R1,36平衡蒸馏,简单蒸馏,间歇精馏,一、平衡蒸馏.,F,xF,D,y,W,x,D/F汽化率（1q),W/F液化率q,做物料衡算：,F=D+W,FxF=Dy+Wx,W/F=q,T,tF,te,36平衡蒸馏,简单蒸馏,间歇精馏,做热量衡算：,T需要加热的温度,加热器的供热速率,36平衡蒸馏,简单蒸馏,间歇精馏,tex,x,y,xF,x,y,te,te,1.解x,y,2.得te,3.算T,4.算Q,36平衡蒸馏,简单蒸馏,间歇精馏,二、简单蒸馏.,已知：F,xF,要得到浓度为xW2的残液求：产品的量W2及D,解决问题关键：对任意时刻的轻组分进行物衡算