化工原理第09章01改.ppt

1、第9章 液体精馏,9.1 蒸馏概述 9.1.1 蒸馏分离的目的和依据 目的：液体混合物的 分离，提纯或回收有用 组分。 依据：混合液中各组 分挥发性的差异。,液体部分气化后的组成与剩余的液体组成 必须有区别。,9.1.2 工业蒸馏过程,平衡蒸馏(闪蒸): 连续定态,简单蒸馏: 间歇,9.1.3 蒸馏操作的费用和操作压强 汽化：耗热： 冷凝：需提供冷却量。 操作费用：加热费和冷却费。 加压蒸馏：Tc免用冷冻剂，但Th。 减压蒸馏：Th免用高温载热体，但Tc 。,9.2 双组分溶液的汽液相平衡,9.2.1 理想物系的汽液相平衡 理想物系: (1) 液相为理想溶液； (2) 汽相为理想气体。 9.2

2、.1.1 汽液两相平衡共存时的自由度 F=N + 2 = 2 2 + 2 = 2 参数: p , t , yi , xi ； p 一定，F=1，故: x (y) t 一一对应 y x,9.2.1.2 液相组成与温度（泡点）关系式 沸腾： Antoine 方程：,双组分理想物系的液相组成温度(泡点)关系式 1)液相为理想液体(组分分子结构相似), 服从拉乌尔定律; 2)气相为理想气体(低压气体),服从道尔 顿分压定律.,平衡常数：,9.2.1.4 汽相组成与温度（露点）关系式,9.2.1.3 汽液两相平衡组成间的关系式,9.2.1.5 t x(y) 图和 y x图,例：某二元组成，由液相升温过程

3、的变化； 由气相降温过程的变化。,xA,xB,t,泡点线,露点线,气相区,液相区,两相区,重组分沸点,P=常数,轻组分沸点,9.2.1.6 相对挥发度 挥发度： ， 相对挥发度： 对双组分物系， ， ，则 理想溶液： ， , y (x一定) , 标志分离难易。,讨论: 1)上式相平衡方程，反映了双组分物系平衡时两 相的浓度关系 2)对理想物系 3)对物系相对挥发度相差不大（操作温度范围） 4)相差较大,但不超过30% 5)越大平衡线离对角线越远，容易分离。,非理想物系： （1）液相为非理想液体 （2）气相为非理想气体,9.2.2 非理想物系的汽液相平衡 非理想物系（R） 9.2.2.1 非理想

4、溶液 ， 分别为组分A，B的活度系数,当总压不太高时，有： 当偏差达到一定程度时，会形成恒沸物。,活度系数可以用实验数据关联： 常用的关联式有范拉（Van laar）方程， 马古斯方程（Margules）。 关联的实例见P55例9-2 由实验数据关联方程参数。,9.2.2.2 总压对相平衡的影响 蒸馏的压强增高，泡点升高，相对挥发 减小，分离困难。（见P57 图9-12）,9.3 平衡蒸馏和简单蒸馏,9.3.1 平衡蒸馏 9.3.1.1 过程的数学描述 (1) 物料衡算,(2) 热量衡算 加热炉的热流量： 节流减压后： 料液加热温度： (3) 过程特征方程式 相平衡方程 ( 理想溶液 ) 泡点

5、方程,9.3.1.2 平衡蒸馏过程的计算 给定汽化率 (1 q) ， 联立方程： (1) (2) 可得汽、液相组成 y，x,9.3.2 简单蒸馏 9.3.2.1 过程的数学描述 微元时间作易挥发组分的物料衡算： 略去二阶无穷小量，则 积分 相平衡方程式,9.3.2.2 简单蒸馏的过程计算 理想溶液 馏出液平均组成：,9.4 精馏,9.4.1 精馏过程 9.4.1.1 精馏原理 精馏段作用 提馏段作用 相平衡条件 y x 保证 了只需部分回流。 y x LV,常规精馏,上述平衡蒸馏与简单蒸馏可见 只经过一次部分气化,即只利用一次平衡关系,因 此不能获得高纯度产品.精馏实际是多次部分气 化或多次部

6、分冷凝,即利用多次平衡关系。,得到许多中间产品,为了消除中间产品可以以下流程 用上升蒸汽的热量使液体部分气化,由于是同一物 系,可用直接接触方式换热。,工业上精馏是在精馏塔内完成的，塔顶冷凝器将蒸汽 冷凝后，一部分冷凝液回流入塔,称为回流液.塔底装有再沸器气化部分液体成蒸汽使之沿塔上升，与下降的液体逆流接触进行物质传递,达到分离的目的。,常规精馏塔见图9-14 一股进料,二股出料,塔顶是全凝器,塔底是间壁式的再 沸器. 在塔的加料板以上完成上升蒸汽的精制,除去其中的 重组分,称为精馏段;在塔的加料板以下完成液体中提浓, 提出轻组分,称为提馏段. 精馏与简单蒸馏的区别在于”回流”,回流构成气液两

7、 相接触传质的必要条件,使重组分向液相传递,轻组分向 气相传递.（P60） 全塔物料衡算 精馏塔操作的各流率和组成间的关系均受全塔物料 衡算的约束.流率以kmol/s表示,气液组成以摩尔分率y 和x表示.,精馏段作用：吸收重组分，完成上升 蒸汽的精制。 提馏段作用：脱除轻组分，完成下降 液体中重组分的提浓。,9.4.1.2 全塔物料衡算 总物料衡算 轻组分衡算 ， (1) 规定 xD , xW , 则 D/F 及 W/F 亦随之确定； (2) 规定 D , xD ,则W , xW 亦随之确定。 ，,9.4.1.3 回流比和能耗 回流比： R，V，加热速率 ， 冷凝量 ，能耗 。,9.4.2 塔

8、板上过程的数学描述 9.4.2.1 单块塔板的物料衡算和热量衡算 总物料衡算 Vn+1 + Ln-1 = Vn + Ln 轻组分衡算 Vn+1yn+1 + Ln-1xn-1 =Vnyn + Lnxn 热量衡算 Vn+1In+1 + Ln-1in-1 = VnIn+Lnin（忽略热损失） （实际塔板结构）,饱和蒸汽：I = i + Vn+1(n+1+in+1) + Ln-1in-1 = Vn (n+in) + Lnin 热量衡算的简化与恒摩尔流假定 假设 in+1 = in-1 = in= i，n+1 = n = ， 则 (Vn+1 Vn) =(Ln+Vn Ln-1 Vn+1) in 联立总物料

9、衡算 Vn+1=Vn ，Ln= Ln-1， 无加料和出料的任一塔段中，各板上升的蒸 汽量均相等，各板下降的液体量也均相等。 恒摩尔流假定条件：两组分的汽化热近似相等； 忽略显热项误差； 忽略热损失。,9.4.2.2 塔板传质过程的简化 理论板：汽液两相充分混合，传质和传热 过程阻力为零的理想化塔板。满足 tn=( xn ) yn = f( xn ) 板效率：表达实际塔板与理论板的差异。 对于具体分离任务，所需理论板的数目只 决定于物系的相平衡及两相的流量比。,理论加料板: 不论进入加料板 各物流的组成、热状态及接触方式如何，离开加 料板的汽液两相温度相等，组成互为平衡。 理论板概念的引入使复杂

10、的精馏问题分解为 两个问题,然后分步解决. 理论板数量取决于分离要求,相平衡和回流比. 板效率大小取决于设备和气液接触状况. (相当于NOG和HOG) 经过简化单块板的数学方程为: 物料衡算式 相平衡方程,9.4.2.3 加料板过程分析 (1) 理论加料板 理论加料板（R） 物料衡算式 相平衡方程 ym = f ( xm ),加料的热状况原料加热到不同 温度时状态不一；有冷液，饱和液，气液两相， 饱和气，过热气。不同的加料状态，离开加料板 的两相流量和组成也不同。 q：加料热状态参数，大小等于每加入1 kmol 的原料使提馏段液体所增加的kmol数。,(2) 精馏段与提馏段两相流量的关系 总物

11、料衡算 热量衡算 联立上两式： q的定义： q：(R) q,五种加料热状态： q = 0 饱和蒸汽进料； 0 1 冷液进料； q 0 过热蒸汽进料,9.4.2.4 精馏塔内的摩尔流率 精馏段 提馏段 塔顶全凝器的热负荷 塔釜热负荷 冷凝器物料衡算 塔釜物料衡算,9.4.3 精馏塔的操作方程 9.4.3.1 精馏段操作方程,9.4.3.2 提馏段操作方程,9.4.3.3 q 线方程 ， 两操作线交点的轨迹方程。,9.4.3.4 操作方程的图示_操作线,操作方程的图示操作线 精馏段的端点yxD，xxD 斜率R(R+1),截距xD/(R+1) 提馏段的端点yxW，xxW 斜率 两操作线的交点,xW,

12、xD,9.4.3.5 理论板的增浓度,9.5 双组分精馏的设计型计算,9.5.1 理论板数的计算 9.5.1.1 设计型计算的命题 分离要求： (1) D，xD(W, xW) ； (2) xD , xW ；(3) = DxD/FxF 规定一个，其余随之而定。 选择条件：操作压强 p，回流比R和进料热状态q，选定后，相平衡关系及操作方程随之而定。 求取：NT,9.5.1.2 逐板计算法 连续精馏塔，塔顶设全凝器，泡点回流。 步骤：(1) ； (2) ； (3) 交替使用相平衡方程和操作方程，至 xi xq时，改换提馏段操作方程，至 xNxW 止。,逐板计算法的图示,见图 阶梯数为理论 板数； 跨

13、越点xq，yq 的板为加料板 位置。 再沸器由于体 积大液体停留 时间长可以认 为是一块理论 板。,xD,xW,x1，y1,xN，yN,xq，yq,逐板计算法的图示,操作线的实际作法 消去上二式的xD，得 1）以点xD和截距作 精馏段操作线； 2）以q线的斜率和点xF作q线； 3）以点xW和点xq，yq作提馏段操作线。,q,q,热状态和q线的斜率 泡点加料是垂线 露点加料是水平线,q1,q=0,0q1,q 1,q0,xF,9.5.1.3 最优加料位置的确定 最优加料板位置：该板 xxq (xq 为两操作线交点坐标),9.5.2 回流比的选择 两者均有利于传质, NT，但R， ，能耗。,9.5.

14、2.1 全回流与最少理论板数,最少理论板数的计算，对应理想溶液：,9.5.2.2 最小回流比 Rmin Rmin 与相平衡性质 及分离要求有关。,最小回流比Rmin 两操作线向平衡线 靠近，理论板数需要 无穷多，e点为挟点， 附近为恒浓区；最小 回流比与平衡关系和 分离要求有关。,9.5.2.3 最适宜回流比的选取,9.5.2.4 理论板数的捷算法,9.5.3 加料热状态的选择 (1) R一定（冷却量固定） q 值的变化不影响精馏 段操作线的位置，但明显 改变了提馏段操作线的位 置。 q（预热原料），NT 热量尽可能施于塔底! 原因(R) 原因,原因：R 一定（冷却量固定），q （预 热原料）

15、， ， , 传质推动力， NT,一定（塔釜加热量固定） q（预冷原料） NT ， 冷量尽可能施于塔顶! 原因： 一定(加 热量一定), q( 预冷 原料), R, ， 传质推动力 , NT 。,9.5.4 双组分精馏过程的其它类型 9.5.4.1 直接蒸汽加热 由恒摩尔流假定：,在分离要求相同的情 况下，因加热蒸汽凝 液排出时也带出少量 轻组分，将使轻组分 的回收率降低。因此 须尽可能除去加热蒸 汽夹带的水分。,9.5.4.2 多股加料 浓度不同的料液在同一塔内分离。回流比减小时，三操作线均向平衡线靠拢。挟点位置有多种可能。混合加料不利，能耗增加。,9.5.4.3 侧线出料 需要组成不同的多种

16、产品。 无论侧线产品为液相还是汽相，总有： 挟点一般在 q 线与平衡线交点处。,9.5.4.4 回收塔 回收稀溶液中的轻组分， 馏出液浓度需要不高。 xD, , F/D, NT,9.5.5 精馏方案的比较 不同的物系性质及分离要求，可有多种流程，应从能耗、设备费及产品收率等方面作经济分析。分离重组分为水的溶液，直接蒸汽加热可免去蒸馏釜。,(1) xF , q , R , xD , xW 相同, 比较能耗及顶 直接蒸汽加热 间接蒸汽加热 R不变, D直, , 能耗直 NT直 NT间,(2) xF , q , R , xD , 相同，比较 NT 及能耗 D , xD 相同, V = (R+1)D相

17、同， 相同，能耗相同。 D/F 保持一定, S 冷凝 由釜底排出, xW直, NT直,9.6 双组分精馏的操作型计算,9.6.1 精馏塔的温度分布和灵敏板 9.6.1.1 精馏塔的温度分布 tB =f (p, x), 各板p，x不同，因而精馏塔 存在温度分布。,9.6.1.2 灵敏板 灵敏板：操作条件变 动引起温度变化最为显著 的塔板。 这些塔板的温度对外 界干扰的反映最灵敏。,9.6.2 精馏过程的操作型计算 9.6.2.1 操作型计算的命题 已知：NT ,加料板位置m, 相平衡关系, xF , q , R , 规定：D/F 。 求取：xD , xW及逐板的组成分布。 特点: (1) 变量众

18、多且关系为非线性，须试差求解。 (2) 加料板位置 ( 或其它操作条件 ) 一般不满 足最优化条件。 计算所用方程与设计时相同。以下仅作定性分析。,9.6.2.2 回流比增加对精馏结果的影响 已知： NT , m , , xF , q , D/F一定，R 求： xD , xW 的变化。 分析： ， xD, tD, xW, tW,D/F 规定，籍R增加以提高 xD 并非总是有效！ (1) xD 的提高受全塔物料 衡算限制，极限值 ； xD 的提高受精馏塔 分离能力的限制。,在回流比较小时，R, xD, xD 受分离能力( 回流比 ) 的影响。 在回流比较大时, xD 受物料衡算限制,R, xD无

19、明显变化, xD 取决于采出率 D/F 。,9.6.2.3 采出率增加对精馏结果的影响 已知：NT , m , xF , q , R一定 , D/F, 求：xD , xW 的变化， 分析： 不变， xD , tD , xW , tW ,9.6.2.4 进料组成变动的影响 已知：NT , m , q , R , D/F一定, xF。 求： xD , xW 的变化。 分析： 不变， xD , xW 加料板位置不一定最优。,9.6.3 精馏塔的操作 板式精馏塔的不正常操作现象,9.7 间歇精馏,9.7.1 间歇精馏过程的特点 特点：(1) 过程非定态； (2) 无提馏段，获得 xD , xW 一定的

20、产品，能耗 大于连续精馏。,9.7.2 xD 恒定的间歇精馏 设计计算命题： 已知 F , xF , 指定xD 不变， 操作至规定xw 或， 选择 R 变化范围。 求： NT 。,9.7.2.1 确定理论板数 NT xD不变，xW，以 xW终 为计算基准。,9.7.2.2 每批料液的操作时间 在 时间内的汽化量为 ，且等于塔顶蒸汽量 (1) 任一瞬时之前已馏出的液体量 D 由物料衡算式确定，即 将此式代入 (1),积分得 在操作过程中因塔板数不变，每一釜液组成 x必对应一R，可用数值积分上式求出每批料液的 。,9.7.3 R 恒定的间歇精馏 设计计算命题：已知 F , xF , xW终 ， 选择适宜 R ，求：NT 。,9.7.3.1 xD始 的验算 对 瞬间作物料衡算， 可得 NT 、R 为定值，任一时刻，x 与 xD 相对应，数值积分上式，可得残液量 W 。 此时： 当 规定值，则计算