化学工程与工艺课件精馏单元操作技术02

精馏单元操作技术,任务2：酒精蒸馏回收工艺条件的确定(1),双组分溶液的气液组成的表示方法,1）质量分率：混合物中某一组分在混合物中占的百分数,易挥发组分A,易挥发组分B,2）摩尔分率：,3）换算关系：,气液相平衡的概念,在一封闭容器中,如图所示。在一定条件下，液相中各组分均有部分分子从介面逸出进入液面上方气相空间，而气相也有部分分子返回液面进入液相内。经长时间接触，当每个组分的分子从液相逸出与气相返回的速度相同，或达到动平衡时，即该过程达到了相平衡。把这种气液两相在平衡状态下的浓度关系成为气液相平衡关系。,pA,pB溶液上方A、B组分的分压，Pa；pA0,pB0溶液温度下纯组分的饱和蒸汽压，Pa；xA,xB液相中A、B组分的摩尔分率。,对于理想溶液，在一定温度下，气液相平衡时，气相中任一组份的分压等于该组分的在该温度下的饱和蒸汽压乘以它在液相中的摩尔分数。,1.拉乌尔定律（RaoultsLaw）,理想溶液的气液相平衡关系,液相组成x与温度的关系,蒸馏通常是在一定外压下进行，操作过程中溶液的沸点随组成而变，故总压一定下的沸点与组成图是分析精馏过程的基础。,沸点组成图,以苯-甲苯混合液为例，在常压下，其txy图如图所示，以温度t为纵坐标，液相组成xA和汽相组成yA为横坐标(x，y均指易挥发组分的摩尔分数)。,沸点组成图,图中有两条曲线，下曲线表示平衡时液相组成与温度的关系，称为液相线，上曲线表示平衡时汽相组成与温度的关系，称为汽相线。两条曲线将整个txy图分成三个区域，液相线以下代表尚未沸腾的液体，称为液相区。汽相线以上代表过热蒸汽区。被两曲线包围的部分为汽液共存区。,沸点组成图,在恒定总压下，组成为x，温度为t1（图中的点A）的混合液升温至t2(点J)时，溶液开始沸腾，产生第一个汽泡，相应的温度t2称为泡点，产生的第一个气泡组成为y1(点C)。同样，组成为y、温度为t4（点B）的过热蒸汽冷却至温度t3（点H）时，混合气体开始冷凝产生第一滴液滴，相应的温度t3称为露点，凝结出第一个液滴的组成为x1(点Q)。F、E两点为纯苯和纯甲苯的沸点。,气液相平衡图,yx图表示在恒定的外压下，蒸气组成y和与之相平衡的液相组成x之间的关系。图2是101.3kPa的总压下，苯甲苯混合物系的yx图，它表示不同温度下互成平衡的汽液两相组成y与x的关系。图中任意点D表示组成为x1的液相与组成为y1的气相互相平衡。,沸点-组成图（txy图),两条线：气相线（露点线）yAt关系曲线液相线（泡点线）xAt关系曲线,三个区域：液相区气、液共存区气相区,气液平衡图xy图,对角线y=x为辅助线；xy曲线上各点具有不同的温度；对于大多数溶液，平衡时yx，故平衡曲线在对角线的上方；平衡线离对角线越远，挥发性差异越大，物系越易分离。,压力对txy图及xy图的影响,压力增加，平衡线靠近对角线，分离难度加大。,正偏差溶液：x=0.894，最低恒沸点，78.15,乙醇水溶液相图,非理想溶液的气液相平衡关系1.具有正偏差的溶液,硝酸水溶液相图,负偏差溶液：x=0.383，最高恒沸点，121.9,2.具有负偏差的溶液,挥发度与相对挥发度,pA、pB汽液平衡时，组分A,B在气相中的分压；xA、xB汽液平衡时，组分A,B在液相中的摩尔分数。,混合液某组分挥发度:,1.挥发度,意义：是该物质挥发难易程度的标志。,定义：气相中某一组分的蒸汽分压和与之平衡的液相中的该组分摩尔分数之比，用符号表示。,理想溶液：,理想溶液：,一般溶液：,相对挥发度(以表示),定义：溶液中两组分挥发度之比。,对于二元理想溶液：yB=1-yAxB=1-xA,即,相平衡方程,理想溶液：,则,3.平均相对挥发度,式中顶塔顶的相对挥发度釜塔釜的相对挥发度,4.的物理意义,气相中两组分组成之比是液相中两组分组成之比的倍数；标志着分离的难易程度；若1,则yx,可用蒸馏方法分离，且愈大，x-y图中平衡线愈远离对角线，物系愈易分离；=1,无法用普通蒸馏方法分离。,简单蒸馏和平衡蒸馏,简单蒸馏又称为微分蒸馏，瑞利（Rayleigh)1902年提出了该过程数学描述方法，故该蒸馏又称之为瑞利蒸馏。,1.装置,2.特点:,间歇非定态。一次进料。xD,xW不是一对平衡组成。适合于大的组分。,一、简单蒸馏,二、平衡蒸馏(又叫闪蒸),1.流程,2.特点:一次进料，粗分xi,yi是一对平衡组成,三、简单蒸馏和平衡蒸馏的比较,简单蒸馏：相当于分批多次采用一个理论塔板进行蒸馏，故同一理论板相当多次发挥作用。,平衡蒸馏：相当于总进料一次通过一个理论板，进行一次分离。分离效果不及简单蒸馏。,精馏原理,无回流的多次部分汽化和多次部分冷凝,缺点：1.收率低；2.设备重复量大，设备投资大；3.能耗大，过程有相变。,问题：工业上如何实现？,有回流的多次部分汽化和多次部分冷凝,多次部分汽化和多次部分冷凝,精馏原理,通过多次部分气化和多次部分冷凝，最终可以获得几乎纯态的易挥发组分和难挥发组分，但得到的气相量和液相量却越来越少。,精馏模型,进料板：原料液进入的那层塔板。,精馏段：进料板以上的塔段。,提馏段：进料板以下（包括进料板）的塔段。,1.3.3连续精馏装置流程,.连续精馏装置,2.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。,特点：,回流的作用：提供不平衡的气液两相，是构成气液两相传质的必要条件。精馏的主要特点就是有回流。,3.精馏过程的回流,回流包括：,塔顶回流液塔底回流汽,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；,理论板的概念和恒摩尔流的假设,假设（1）两组分的摩尔汽化潜热相等；（2）两相接触因两相温度不同而交换的显热可忽略不计；（3）塔设备保温良好，热损失可以忽略不计。,2.恒摩尔流的假设,1.理论板的概念,所谓理论塔板是指这样一块塔板，当汽液两相在其上进行接触传质时，离开该塔板的两相在传热、传质方面都达到了平衡，即汽液两相的温度相同、组成互呈平衡。,精馏段，每层塔板上升的蒸汽摩尔流量都相等，提馏段也一样。即：V1=V2=V=常数V1=V2=V=常数式中：V精馏段上升蒸汽的摩尔流量，kmol/h;V提馏段上升蒸汽的摩尔流量，kmol/h。（下标1、2表示自上而下的塔板序号。）,（1）恒摩尔汽化,精馏段内，每层塔板下降的液体摩尔流量都相等，提馏段也一样。即：L1=L2=L=常数L1=L2=L=常数式中L精馏段下降液体的摩尔流量，kmol/h;L提馏段下降液体的摩尔流量，kmol/h。（下标1、2表示自上而下的塔板序号。）,（2）恒摩尔液流,塔顶采出率,塔底采出率,全塔物料衡算,F、D、Wkmol/h,xF、xD、xW轻组分的摩尔分率,塔顶易挥发组分回收率,塔底难挥发组分回收率,精馏段操作线方程,令回流比,精馏段操作线方程,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（yD）),操作线如图所示：,提馏段操作线方程,提馏段操作线方程,意义：提馏段ym1f（xm）,提馏段操作线为过点（xW，xW（yW）,斜率：,截距:,a,b,q,将5000kg/h含乙醇0.4（摩尔分数，下同）和水0.6的混合液在常压连续精馏塔中分离。要求馏出液含乙醇0.85，釜液含乙醇不高于0.02，求馏出液，釜液的流量及塔顶易挥发组分的回收率和采出率。,练习：,问题：1、简单蒸馏和平衡蒸馏的比较,作用？,塔顶回流液塔底回流汽,2、回流包括：,3.理论板的概念,4.恒摩尔流的假设的前提？,1.4.4进料热状况的影响,(1)冷液tFtd,冷液进料,泡点进料,F,L,V,L,V,汽液混合进料,过热蒸汽进料,饱和蒸汽进料,1.加料板的物料衡算,FIF+LIL+VIV=VIV+LIL,物料恒算：F+V+L=V+L即V-V=F-(L-L),2.热量衡算,加料板F,F,xF,IF,LIL,VIV,LIL,VIV,式中IV，IVIL，IL分别为进料板上、下饱和蒸汽和饱和液体的摩尔焓kJ/kmol；,IVIV,ILIL,假设,上式化简后：,q进料热状况参数,由于加料板附近塔板的温度，液相组成相近。,即：1kmol原料由饱和液体变为饱和蒸汽所需热量,所以：,将精馏段与提馏段关联起来,q值的计算式:,r:进料的平均气化潜热，KJ/kmol；ts:进料泡点温度CP:进料的平均比热，KJ/（kmol.）；tF:进料温度,1.4.5进料方程（q线方程）,q线方程或进料方程,意义：精馏段与提馏段交点轨迹方程；,L与L,进料状况,q值,q线位置,V与V,例6-2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850km