化工原理课件-ch6.ppt

1、6.1 概述 6.2 双组分溶液的汽液相平衡 6.3 蒸馏与精馏原理 6.4 双组分连续精馏的分析与计算 6.5 恒沸精馏与萃取精馏 习题课,第六章 蒸馏,幻灯片1目录,6.1 概述 6.2 二元物系的汽液相平衡 6.3 蒸馏方式与精馏原理 1、简单蒸馏 2、平衡蒸馏 3、平衡级和精馏原理,第六章 蒸馏,6.1 概述,获得高纯度产品； 获得粗馏分。 例如： 在酿酒业中饮料酒；,利用各组分挥发度的差异将液体混合物加以分离的单元操作称为蒸馏。,一、什么是蒸馏？,二、蒸馏在工业生产中的应用,蒸馏的分类,6.1 概述,三、基本概念,1、易挥发组分（轻组分）：在一定的外界压力下，混合物中沸点低的组分容易

2、挥发 2、难挥发组分（重组分）：混合物中沸点高的组分 3、饱和蒸气压：在密闭容器内，在一定温度下，纯组分液体的汽液两相达到平衡状态，称为饱和状态，其蒸气称为饱和蒸气，其压力就是饱和蒸气压。 在一定温度下，混合液中饱和蒸气压高的组分容易挥发，低的组分难挥发。,液体的饱和蒸气压是表示液体挥发能力的一种属性。 液体的挥发能力越大，其蒸气压就越大。,相对挥发度,显然对理想溶液，有：,液体混合物的蒸气压,1、对于二组分混合液，由于B组分的存在，使得A组分在汽相中的蒸气分压比其在纯态下的饱和蒸气压要小。,2、理想溶液：在全部浓度范围内符合拉乌尔定律的 溶液,四、理想溶液汽液相平衡,蒸馏一般在恒压下操作，恒

3、压下不同组成混合液加热汽化达到汽液两相平衡时的平衡温度与液相组成及汽相组成之间的关系。,6.2 双组分溶液的气液相平衡,二元物系汽液相平衡时，所涉及的变量有： 温度t、压力P、汽相组成y、液相组成x等4个。,11,杠杆原理： 力力臂 = 常数,即：液相量L1=汽相量L2,量,浓度差,露点线一定在泡点线上方。,6.2 二元物系的汽液相平衡,1）对于理想溶液，曾得到这样一条规则： “相对较易挥发物质，在平衡蒸气相中的浓度要大于其在溶液相中的浓度。” 2）数学表示式为： 若 PA0 PB0 ，则 yA xA 3）上述规则对非理想溶液来说，一般也是适用的。,补充：经验规则（ 1881年，阿诺华洛夫）,

4、由于较易挥发的物质其沸点较低，因此蒸气压组成图中，蒸气压较高的物质A有较低的沸点； 而具有较低沸点的组分在平衡气相中的浓度要大于其在溶液中的浓度。 所以气相线在液相线 的右上方（如图）,纯组分A,纯组分B,6.2.1 双组分理想物系的气液相平衡,1. 利用饱和蒸气压计算气液平衡关系,下标A表示易挥发组分（轻组分）； 下标B表示难挥发组分（重组分）,拉乌尔定律,1. 利用饱和蒸气压计算气液平衡关系,相对挥发度,2 用相对挥发度表示的气液平衡关系,在一定温度范围内，近似为常数；对理想物系，相对挥发度与温度关系不大，可近似认为与温度无关。 的大小反映了混合液分离的难易程度。,2 用相对挥发度表示的气

5、液平衡关系,.双组分理想溶液的气液相平衡方程,因为yx,说明：,（1）相平衡曲线必落在对角线的上方；,2）气液平衡相图（y-x图）,说明：,（2） 越远离1，也就愈有利于蒸馏操作- 越大，相平衡曲线偏离对角线愈远，表示达到气液相平衡时气、液两相组成的差异愈大，,非理想溶液的气液相平衡,6.2.2 双组分非理想物系的气液相平衡,t-x,t-y,极大正偏差溶液：,6.2.2 双组分非理想物系的气液相平衡,2负偏差溶液,t-y,t-x,极大负偏差溶液：有最高恒沸物,t-y,6.2.2 双组分非理想物系的气液相平衡,非理想物系的相平衡关系方程仍可用式,但通常不再是一个常数。,6.2.2 双组分非理想物

6、系的气液相平衡,6. 3 蒸馏方式,1、简单蒸馏,2、平衡蒸馏,又称闪蒸,1） 流程及特点,3、平衡级和精馏原理,使不平衡的气液两相（气相温度高、液相温度低）经过足够长时间充分接触，离开时，气液两相达到了平衡，这个过程称为平衡级。,1）平衡级定义,x0 t0 L,饱和液相,饱和气相,y0 T0 V,T0 t0,精馏是利用混合物中各组分挥发能力的差异，通过液相和气相的回流、经过多次平衡级过程，使物系实现高纯度分离的操作。,2）精馏原理及设备,平衡级,平衡级,平衡级,说明,1）在精馏过程中，传热、传质过程同时进行，属传质过程控制。 2）工业上的精馏过程是在精馏塔内将液相的多次部分汽化和气相的多次部

7、分冷凝过程有机结合而进行的。 3）气、液相回流是精馏的重要特点。冷凝器从塔顶提供液相回流，再沸器从塔底提供气相回流。 4）由于在塔的进料板以下（包括进料板）的塔段中，上升气相从下降液相中提出了易挥发组分，故称提馏段（stripping section)；由于塔的上半段上升气相中难挥发组分被除去，易挥发（轻）组分得到了精制，故称精馏段。,幻灯片2目录,6.4 双组分连续精馏的分析与计算 6.4.1 全塔物料衡算 6.4.2 理论板的概念和恒摩尔流假定 6.4.1 操作线方程 6.4.4 进料热状况的影响及q线方程,第六章 蒸馏,6.4 二元连续精馏塔的计算,计算项目： 塔顶（或塔底）产量和浓度

8、塔内物流量 回流量 塔板数或填料层高度 进料位置 塔径,6.4.1 全塔物料衡算,F原料流量，kmol/h D塔顶产品（馏出液）流量，kmol/h W塔底产品（釜液）流量，kmol/h xF 原料中易挥发组分的摩尔分数 xD 馏出液中易挥发组分的摩尔分数 xW 釜液中易挥发组分的摩尔分数,采 出 率,6.4.1 全塔物料衡算,参见：例题6-3,1.理论板的概念 理论板指离开该板的气相组成与离开该板的液相组成之间温度相等，且平衡的理想化塔板。,6.4.2 理论板的概念及恒摩尔流假定,2.恒摩尔流假定 （1）恒摩尔气流 精馏段 V1= V2= V3= V=常数 提馏段 V1= V2= V3= V=

9、常数 （2）恒摩尔液流 精馏段 L1= L2= L3= L=常数 提馏段 L1= L2= L3= L=常数,6.4.2 理论板的概念及恒摩尔流假定,下标1,2,表示塔板的序号。,6.4.2 理论板的概念及恒摩尔流假定,-若组分A、B的汽化潜热接近，则NA=NB,6.4.3 进料热状况的影响及q线方程,6.4.3 进料热状况的影响及q线方程,1. 进料热状态参数,对气液混合物进料：,q表示了进料中液体量占总进料的分率，称为液体分率。,-,操作线方程：表达由任意板下降液相组成xn与其下一层塔板上升的气相组成yn+1之间关系的方程。 在连续精馏塔中，因原料液不断从塔的中部加入，使得精馏段和提馏段具有

10、不同的操作关系。,6.4.4 操作线方程,1、精馏段操作线方程,n,1,1、精馏段操作线方程,操作线斜率大，意味着经过一块理论板后，汽相的增浓程度变大，液相的减浓程度变大。故操作线斜率大对精馏段的分离是有利的 。,液相减浓浓程度,思考：操作线斜率大，对精馏是否有利？,2提馏段操作线方程,定义：塔釜的汽相回流比（蒸出比）,提馏段操作线方程为：,斜率小，提馏段内塔板的分离能力高。,3、塔釜汽相回流比R与塔顶液相回流比R及进料热状态参数q的关系式,例题,在一连续操作的精馏塔中，分离正戊烷-正己烷溶液。进料温度20，进料组成为0.4，q值为1.22，馏出液组成为0.95，釜液组成为0.05，上述组成均

11、为正戊烷的摩尔分数。精馏段每层塔板下降液体的流量为馏出液流量的1.6倍（摩尔比），试写出本题条件下的提馏段操作线方程。,根据题意，R=1.6，q=1.22,4. q 线方程,6.4.5 理论塔板数N的计算,理论板数的求取方法：,1 逐板法,(1) 作出精、提操作线、q线； (2) 从点a开始在平衡线和精馏段操作线之间画阶梯，当梯级跨过点d时，就改在平衡线和提馏段操作线之间画阶梯，直至梯级跨过点b为止；,2图解法,麦卡勃-蒂列（Mccabe-Thiele）法，简称M-T法,(3) 所画的总阶梯数就是全塔所需的理论塔板数（包含再沸器），跨过点d的那块板就是加料板，其上的阶梯数为精馏段的理论塔板数。

12、,理论板12.8块（包括再沸器）， 其中精馏段5.7块， 提馏段板数=11.8-5.7=6.1块， 加料板在第6块。,说明：,1）点1表示气相浓度y1与液相浓度x1成平衡，相当于逐板计算中使用一次平衡关系，由y1求x1，因此代表一块理论板。 2）每一梯级的水平线代表液相向下流经每一理论板，其组成由xn降至xn+1；每一梯级的垂直线代表气相向上流经每一理论板，其组成由yn升至yn-1。 3）平衡曲线上各点代表离开该理论板的上升蒸气组成yn与下降液体组成xn的平衡关系。 4）操作线上各点代表相邻两层理论板之间的上升蒸气组成yn+1与下降液体组成xn的操作线关系。,幻灯片3目录,6.4 二元连续精馏

13、的分析与计算 6.4.6 回流比的影响及选择 6 .4.7 理论板数的捷算法 6.4.8 塔板效率与实际塔板数 习题课,第六章 蒸馏,6.4.6 回流比的影响及选用,1最小回流比Rmin,为完成某一分离要求，所需的理论塔板数为无穷多时的回流比称为最小回流比。,6.4.6 回流比的影响及选用,图解法 解析法,6.4.6 回流比的影响及选用,L=V,2 全回流和最少理论板数Nmin,6.4.6 回流比的影响及选用,Nmin的求取方法： 逐板法、图解法,（N、Nmin均包括再沸器在内）,4.6.7 理论板数的捷算法,6.4.8 塔板效率与实际塔板数,1单板效率EmV、EmL,6.4.8 塔板效率与实

14、际塔板数,1单板效率EmV、EmL,2全塔效率E0,又称总板效率，其定义为：,其值一定小于1，多数在0.50.7之间。,6.4.8 塔板效率与实际塔板数,ET与Em数值上不一定相等； ET大，则表明Em一定大。 但反过来，Em大，则ET不一定大，这是因为，板和板之间传质会相互影响，可能存在着各种不利的操作现象，如漏液、雾沫夹带、液泛等。,思考：单板效率Em与全塔效率ET有何关系？,习题课,公式：,例1 苯和甲苯构成的理想混合物中，含苯0.4，流量1000kmol/h，在一常压精馏塔内进行分离，要求塔顶馏出液中含苯0.9（以上均为摩尔分率），苯的回收率不低于90，泡点进料，泡点回流，取回流比为最

15、小回流比的1.5倍。已知2.5。试求： (1) 塔底残液量W及组成；(2) 精馏段操作线方程； (3) 提馏段操作线方程。,习题课,例2 欲用连续精馏塔分离苯甲苯溶液。已知xF=0.5，xW=0.1，xD=0.9（均为摩尔分率）。采用回流比R2 Rmin，系统相对挥发度=2。 饱和液体由塔中部加入，泡点回流，塔釜间接蒸汽加热。试求： (1) 采出率D/F； (2) 精馏段及提馏段操作线方程。,例3 设计型问题 组成为xF=0.45的原料以汽液混合状态进入精馏塔，其中汽液摩尔比为1:2，塔顶xD=0.95（以上均为摩尔分率），塔顶易挥发组分回收率为95%，回流比R=1.5Rmin，塔釜间接蒸汽加

16、热，相对挥发度=2.5 。试求： （1）原料中汽相和液相组成； （2）列出提馏段操作线方程。,设计型问题举例,汽液摩尔比为1:2,解：（1）原料中汽相和液相组成,设原料中汽相组成为ye ，液相组成为xe ，则,设计型问题举例,（2）列出提馏段操作线方程,设计型问题举例,6.5 恒沸精馏和萃取精馏,一些具有恒沸点的非理想溶液，因该点的相对挥发度等于1，不能采用常规精馏方法将完全分离。有些相对挥发度接近1的体系，采用常规精馏，则需要理论板数多，回流比大，很不经济。 对于上述两种情况，可采用恒沸精馏和萃取精馏。,6.5.1 恒沸精馏 在双组分的混合液中加入第三组分（称为夹带剂），该组分能与溶液中的一

17、个或两个组分形成一新的最低恒沸物，恒沸物从塔顶蒸出，塔底引出较纯产品，此即恒沸精馏。 eg：乙醇水恒沸精馏中，加入夹带剂苯 6.5.2 萃取精馏 和恒沸精馏相似，也是向原料液中加入第三组分（称为萃取剂或溶剂），以改变原组分间的相对挥发度而达到分离要求的特殊精馏方法。 eg：常压下环己烷苯中，加入糠醛作为萃取剂。,复习题,1 、精馏过程是利用 和 的原理进行完成的。 2、最小回流比是指 。 3、 当分离要求和回流比一定时， 进料的 q 值最小，此时分离所需的理论板数 。 4、 精馏操作的依据是 _ 。,5、若精馏塔塔顶某理论板上气相露点温度为t1，液相泡点温度为t2；塔底某理论板上气相露点温度为t3，液相露点温度为t4。请将4个温度间关系用、=、符号顺序排列如下_。 答案： t1=t2t3=t4 6、某二元理想物系的相对挥发度为2.5，全回流操作