化工原理 蒸馏.ppt

1、1,第六章 蒸馏,第一节 双组分溶液的气液相平衡,第二节 蒸馏与精馏原理,第三节 双组分连续精馏的计算与分析,第五节 恒沸精馏与萃取精馏,第四节 间歇精馏,第六节 板式塔,2,蒸馏在化工生产中的应用,分离多组分混合物；,某一组分的提纯；,有用组分的回收。,目的：,广泛性：,液体混合物；,气体混合物；,固体混合物。,3,4,5,蒸馏过程的分离依据,依据：蒸馏是利用混合物中各组分挥发性的差 异。,易挥发组分(或轻组分): 挥发性高的组分，以A表示； 难挥发组分(或重组分): 挥发性低的组分，以B表示。,蒸馏过程,液体混合物,液相：xA, xB,6,必有： yA xA, yB xB 即：,蒸馏过程的

2、分类方法,7,8,第一节 双组分溶液的气液相平衡,一、溶液的蒸气压与拉乌尔定律,二、理性溶液气液相平衡,三、非理想溶液气液相平衡,9,一、溶液的蒸气压与拉乌尔定律,密闭容器内，一定温度，纯组分液体的气液两相达到平衡状态，饱和状态。蒸汽为饱和蒸汽，其压力为饱和蒸汽压（蒸气压）。,Antoine方程：,po纯组分液体的饱和蒸汽压，kPa,A、B、C纯组分液体的饱和蒸汽压，kPa,10,理想溶液与拉乌尔定律,拉乌尔定律：在一定温度下，汽相中任一组分的分压 等于此纯组分在该温度下的蒸汽压乘以 它在溶液中的摩尔分率。,理想溶液：微观 ：fAB= fAA= fBB； 宏观：体积和不变，无热效应。,pA=p

3、AoxA pB=pBoxB= pBo（1-xA）,11,pA 、pB 溶液上方A和B两组分的平衡分压，Pa pao、pBo 同温度下，纯组分A和B的饱和蒸汽压，Pa； xA 、 xB 分别为混合液组分A和B的摩尔分率,二、 理想溶液气液相平衡,（一）理想溶液t y x关系式,理想气体,12,汽液两相平衡组成间的关系,泡点方程,露点方程,13,（二）t y x图与y x图,三个区：液相区，过冷液体,气相区，过热蒸汽,两相区，气液共存,两相区特点：两相温度相同 y x,两条线：液相线（泡点线） 气相线（露点线）,组成相同，t露点t泡点,14,对角线y=x为辅助曲线，yx ，平衡线在对角线之上；,x

4、y线上各点温度不同；,平衡线离对角线越远，挥发性差异越大，物系越易分离。,15,压力对txA（yA）图及xy图的影响,压力增加，平衡线靠近对角线，分离难度大,16,（三） 相对挥发度与理想溶液的yx关系,组分的挥发度: 是该物质挥发难易程度的标志，表示。,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在液相中的摩尔分率。,混合液某组分挥发度:,1. 挥发度,纯组分的挥发度： = pAo,17,理想溶液则:,2. 相对挥发度(以表示),理想气体：,或：,一般物系：,18,3. 理想溶液的气液相平衡方程式,代入,相平衡方程,讨论:,的物理意义：汽相中两组分组成

5、之比是液相中两 组分组成 之比的倍数。,其值标志着分离的难易程度。,19,若=1，则普通蒸馏方式将无法分离此混合物。,1。,平均相对挥发度m。,三、 非理想溶液气液相平衡,（一）对拉乌尔定律有正偏差的溶液,（1）无恒沸点的溶液 如甲醇-水溶液 pApA理， pBpB理，介于pAo、pBo 之间。,20,（2）有最低恒沸点的溶液 如乙醇-水,（二）对拉乌尔溶液有负偏差的溶液,（1）无恒沸点溶液 如氯仿-苯溶液 pApA理， pBpB理，介于pao、pBo 之间。,21,（2）有最高恒沸点的溶液 如硝酸-水溶液,22,第二节 蒸馏与精馏原理,二、精馏原理,一、简单蒸馏与平衡蒸馏,23,（一）简单蒸

6、馏（微分蒸馏）,y,原料液,x,蒸气,冷凝器,特点：间歇、非定态，R=0,一、简单蒸馏与平衡蒸馏,24,（二）平衡蒸馏,特点： 可连续； 定态； 单级。,分离器,塔顶产品,yA,xA,加热器,原料液,塔底产品,Q,减压阀,25,二、精馏原理,（一）精馏塔内气液两相的流动、传热与传质,26,精馏原理：多次部分冷凝、多次部分汽化、液相回流及 上升蒸气。,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,塔顶冷凝器和塔低再沸器,27,yn-1*,xn+1*,n+1,n,n-1,tn+1,tn,tn-1,xn-1,yn+1,（二）塔板上气液两相的传质与传热

7、,28,两相传热,两相传质,液相中的易挥发组分部分汽化向气相传递；,气相中的难挥发组分部分冷凝向液相传递；,平衡：,离开该级的气液两相温度相等；,理论级：离开该级的气液两相组成相平衡。,29,问题：1. 精馏过程的能耗在何处？,无液相回流，分离结果如何？ 无气相回流，分离结果如何？,（三）回流作用,连续精馏的充分必要条件：,最上要有高纯度易挥发组分的液相：液相回流,最下要有高纯度难挥发组分的气相：气相回流(上升蒸气),30,第三节 双组分连续精馏的计算与分析,一、 全塔物料衡算,二、 恒摩尔流量的假定,三、 进料热状态参数q,四、 操作线方程与q线方程,五、 理论板数的计算,六、 回流比与进料

8、热状态对精馏的影响,九、 精馏塔的操作计算,八、 理论板数的捷算法计算,七、 塔顶回流比的选择,31,设计目标：1）根据分离任务，确定产品流量D，W；,2）选择操作条件R、进料状态；,3）确定塔板数及加料位置；,4）选择塔型，确定塔径，塔内结构尺寸， 流体力学验算；,5）冷凝器及再沸器热负荷及设计计算。,32,一、 全塔物料衡算,单位时间为基准,总物料衡算：,F=D+W,易挥发组分物料衡算：,FxF=DxD+WxW,F、D、W：kmol/s,xF、xD、xW：摩尔分数,33,分离要求的不同形式：,2）组分回收率：,1） 规定xD、xW,二、恒摩尔流量的假定,1.恒摩尔流假定,34,即：V1=V

9、2=V=常数 V1=V2=V=常数 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。,（1）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。,但两段的上升蒸汽的摩尔流量不一定相等。,35,即：L1=L2= L=常数 L1=L2= L=常数 但两段下降的液体摩尔流量不一定相等。 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。,（2）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。,36,2.恒摩尔流假设适用条件 两组分的摩尔汽化潜热相等； 两相接触因温度不同交换的显热忽略不计； 塔设

10、备保温良好，热损失可以忽略不计。,37,三、 进料热状态参数q,过冷液体P,饱和液体C,汽液混合物G,饱和蒸汽D,过热蒸汽H,H,38,冷液进料,泡点进料,F,L,V,L,V,汽液混合进料,39,过热蒸汽进料,饱和蒸汽进料,40,（一）精馏段操作线方程,总物料衡算：V=L+D,易挥发组分的物料衡算：,Vyn+1=Lxn+DxD,精馏段的操作线方程,四、 操作线方程与q线方程,41,令R=L/D，R称为回流比,精馏段的操作线方程,（二）提馏段操作线方程,总物料衡算：,易挥发组分：,精馏段的操作线方程,42,塔釜的气相回流比,43,（三）塔釜气相回流比R与塔顶液相回流比R及进料热 状态参数q的关系

11、,44,（四） 操作线的绘制与q线方程,1.精馏段操作线,斜率:,截距:,操作线为过点（xD， xD ）,45,过点（xW， xW ）,斜率,截距:,D,I,f,2.提馏段操作线,F,W,3.两操作线交点坐标与q线方程,46,两操作线 交点坐标,q线方程,47,L与L,进料状况,q值,q线位置,V与V,48,q线对两操作线的影响,对精馏操作线无影响， 对提馏操作线有影响， q 提馏操作线斜率 推动力 。,49,五、 理论板数计算,（一）理论板数的图解法计算,梯级的物理意义,理论板上浓度特征：xnyn相平衡，落到平衡线上。,某截面浓度特征： xnyn+1操作关系，落到操作线上。,50,图解法求理

12、论板数,讨论：,确定最佳进料位置,最优进料位置：塔内汽相或液相组成与进料组成 相等或相近的塔板。,图解法最优进料板：跨越两操作线交点的梯级， NT最少。,51,52,（二）理论板数的逐板计算法,全凝器 泡点回流 泡点进料 间接蒸汽加热,精馏段：,y1=xD,精馏段塔板数：n-1,n平衡关系的次数,53,提馏段：,平衡关系：,操作关系：,或,提馏段塔板数：m-1(不含再沸器）,54,平衡关系：,操作关系：,或,注意：,塔顶分凝器与冷 凝器，分凝器相 当于一块理论板.,精馏段塔板数： n-1-1,55,六、回流比与进料热状态对精馏过程的影响,q一定，R,R、V、V、L、L都,（一） R、 q和R对

13、冷凝器和蒸馏釜的热负荷影响,56,R一定，QB一定，QF（q ）,分离任务一定，热进料，减少塔釜负荷,总输入热量一定，塔釜输入热量多，有利传质传热,R , QC,R一定，D、W、xD、xW一定,QD、QW一定,57,（一） R、 q和R理论板数的影响,q一定，R,R一定，D、W、xD、xW一定，q的影响,58,D、F、xD、R一定，q,推动力 NT,q NT是以塔釜负荷增加为代价,59,R一定，xF、xD、xW一定，q的影响,推动力 NT,q NT是以塔顶负荷增加为代价,60,R的影响,RNT、操作费,七、塔顶液相回流比的选择,61,（一）全回流与最少理论板数,全回流：塔顶上升蒸气冷 凝后全部

14、引回塔 顶作为回流。,D=0，W=0，F=0；,两条操作线合二为一，与对角线重合。,N=Nmin,全回流的特点：,62,全回流时Nmin：,第1块,63,第1块第2块,第2块,第N-1板,第N块（再沸器）,塔顶全凝器,64,芬斯克公式(多组分),适用条件：双组分混合物，塔顶全凝器，塔釜间接加热。,65,注意：,Nmin：包括再沸器；,xw=xF,全回流的意义:开工、实验研究、设备异常或调试时， 便于控制。,66,（二）最小回流比Rmin,67,最小回流比 对于某一物系，在一定的分离任务下，所需理论板为无穷多时所对应的回流比。,恒浓区（夹紧点） 在p点前后气液两相浓度没有变化 ，即无增浓作用。所

15、以此区称作恒浓区，p点叫夹紧点。,68,作图法：,理想物系平衡线,非理想物系平衡线,最小回流比的计算,69,70,（三）适宜回流比,R 对操作费用的影响：,R 对设备费用的影响：,71,八、理论板的简捷计算法,R 、NT 、Rmin 、Nmin关系关联图：吉利兰图,72,左端：,右端：,最小回流,全回流,适用条件：多组分，多种进料状态，：1.264.05 N： 2.443.1,特点：简便、快； 双组分、多组分都适用； 误差大，可用N估算，方案的比较。,73,NT的计算步骤：,（1）由物系性质及分离程度定Rmin 、R；,（2）计算全回流下的Nmin （图解法、芬斯克公式 ）,（4）xw=xF，

16、定加料位置,注意：吉利兰图可回归成,74,九、精馏塔的操作计算,（试差法）,先设xw,物料衡算求xD（y1),（接近xw为止）,十、直接蒸气加热及两股进料的精馏塔,（一）直接蒸汽加热的精馏塔,75,目的：处理某轻组分的水溶液，难挥发组分为水时， 直接蒸气加热，省再沸器,流程及特点：,76,NT的计算,精馏段操作线,提馏段操作线,q线,总物料衡算,L+S=V+b,易挥发组分,Lxn=Vyn+1+bxn,77,S=V,b=L,理论板数的求取,78,（二）两股进料的精馏塔,段：,段：,79,D,xF2,xF1,xD,xw,共7块（含再沸器）,第3块为xF1加料板,第5块为xF2加料板,斜率： ,注意

17、：, 有Rmin 有Rmin,Rmin取其大的,q2,q1,W,f1,f2,80,第四节 间歇精馏,二、xD恒定的操作,一、恒定R的操作,81,特点：,1）非定态；,2）只有精馏段。,操作方式：,2）恒定xD，R；,1）恒定R， xD 。,一、 恒定R的操作,1. 操作（NT、 R一定）， xW xWe 、 xD 平均xD,82,xD1,xD2,xW1,xW2,2. 计算,xD1,NT计算以xD1及xF为基准,RminR NT,始态为基准,二、 xD恒定的操作,1. 操作,恒定NT、xD xW 达到xWe 、R,83,2. 计算,NT计算依据：终态,xD 、xWeRminR NT,xD,xW1

18、,xW2,工业间歇操作常为两种方式的结合。,84,第五节 恒沸精馏与萃取精馏,一、 恒沸精馏,二、 萃取精馏,85,一、 恒沸精馏,（一）含义：加第三组份，形成恒沸物（沸点 更低），塔底得纯产品。,（二）实例,89%E 11%W,恒 沸 精 馏 塔,苯 回 收 塔,乙 醇 回 收 塔,富水,富苯,86,（三）挟带剂应具备的条件,1）新恒沸液A挟带含量少的组分；,2）A冷凝后分层；,3）A沸点低；,能耗低,易分离,易分离,4）价廉、稳定、安全。,二、 萃取精馏,（一）含义：加萃取剂，,87,（三）萃取剂应具备的条件,1）选择性好， ；,2）沸点高，易回收；,3）与原料互溶度大；,4）价廉、稳定、

19、安全。,回 收 塔,（二）实例,88,恒沸精馏与萃取精馏的比较：,1）原理： 恒沸物 ,2）第三组份： 塔顶出 塔底出 难选 易选 加量受限 量变,变,3）加入位置： 加料处 塔顶,4）能耗： 大 小,89,第六节 板式塔,六、塔板类型,一、塔板结构,二、塔板上气液两相的流体现象,四、塔高的确定,三、塔效率,五、塔径的计算,90,逐级接触式,连续接触式,91,1.生产能力大； 2.分离效率高； 3.阻力小，压降低； 4.操作弹性大； 5.结构简单、造价低、安装维修方便等。,评价塔设备性能的指标,92,一、塔板结构,（一）气液鼓泡区,（二）溢流堰,（三）降液管,（四）塔板液体流动安排,93,二、塔板上气液两相的流体现象,（一）气液接触状态（3种）,液体：连续相 气体：分散相 传质面：气泡表面,鼓泡接触工况,94,泡沫接触工况,液体：连续相 气体：分散相 传质面：不断更新的 液膜表面,95,气体：连续相 液体：分散相 传