化工原理第09章01改课件.ppt
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1、第第9章章 液体精馏液体精馏9.1 蒸馏概述蒸馏概述9.1.1 蒸馏分离的目的蒸馏分离的目的和依据和依据 目的:液体混合物的目的:液体混合物的分离,提纯或回收有用分离,提纯或回收有用组分。组分。依据:混合液中各组依据:混合液中各组分挥发性的差异。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液体部分气化后的组成与剩余的液体组成必须有区别。必须有区别。9.1.2 工业蒸馏过程工业蒸馏过程平衡蒸馏平衡蒸馏(闪蒸闪蒸):连续定态连续定态简单蒸馏简单蒸馏:间歇间歇9.1.3 蒸馏操作的费用和操作压强蒸馏操作的费用和操作压强 汽化:耗热:汽化:耗热:冷凝:需提供冷却量。冷凝:需提供冷却量。操作费用
2、:加热费和冷却费。操作费用:加热费和冷却费。加压蒸馏:加压蒸馏:Tc免用冷冻剂,但免用冷冻剂,但Th。减压蒸馏:减压蒸馏:Th免用高温载热体,但免用高温载热体,但Tc。9.2 双组分溶液的汽液相平衡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的汽液相平衡 理想物系理想物系:(1)液相为理想溶液;液相为理想溶液;(2)汽相为理想气体。汽相为理想气体。9.2.1.1 汽液两相平衡共存时的自由度汽液两相平衡共存时的自由度 F=N +2=2 2+2=2 参数参数:p,t,yi ,xi ;p 一定,一定,F=1,故,故:x(y)t 一一对应一一对应 y x9.2.1.2 液相组成与温度
3、(泡点)关系式液相组成与温度(泡点)关系式 沸腾:沸腾:Antoine 方程:方程:双组分理想物系的液相组成双组分理想物系的液相组成温度温度(泡点泡点)关系式关系式 1)1)液相为理想液体液相为理想液体(组分分子结构相似组分分子结构相似),),服从拉乌尔定律服从拉乌尔定律;2)2)气相为理想气体气相为理想气体(低压气体低压气体),),服从道尔服从道尔顿分压定律顿分压定律.平衡常数:平衡常数:9.2.1.4 汽相组成与温度(露点)关系式汽相组成与温度(露点)关系式9.2.1.3 汽液两相平衡组成间的关系式汽液两相平衡组成间的关系式9.2.1.5 t x(y)图和图和 y x图图例:某二元组成,由
4、液相升温过程的变化;例:某二元组成,由液相升温过程的变化;由气相降温过程的变化。由气相降温过程的变化。xAxBt泡点线泡点线露点线露点线气相区气相区液相区液相区两相区两相区重组分沸点重组分沸点P=常数常数轻组分沸点轻组分沸点9.2.1.6 相对挥发度相对挥发度 挥发度:挥发度:,相对挥发度:相对挥发度:对双组分物系,对双组分物系,则,则 理想溶液:理想溶液:,,y (x一定一定),标志分离难易。标志分离难易。讨论讨论:1)1)上式相平衡方程,反映了双组分物系平衡时两上式相平衡方程,反映了双组分物系平衡时两 相的浓度关系相的浓度关系2)2)对理想物系对理想物系3)3)对物系相对挥发度相差不大(操
5、作温度范围)对物系相对挥发度相差不大(操作温度范围)4)4)相差较大相差较大,但不超过但不超过30%30%5)5)越大平衡线离对角线越远,容易分离。越大平衡线离对角线越远,容易分离。9.2.2 非理想物系的汽液相平衡非理想物系的汽液相平衡 非理想物系(非理想物系(R)9.2.2.1 非理想溶液非理想溶液 ,分别为组分分别为组分A,B的活度系数的活度系数当总压不太高时,有:当总压不太高时,有:当偏差达到一定程度时,会形成恒沸物。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:活度系数可以用实验数据关联:常用的关联式有范拉(常用的关联式有范拉(Van laar)方程,)方程,马古斯
6、方程(马古斯方程(Margules)。)。关联的实例见关联的实例见P55例例9-2 由实验数据关联方程参数。由实验数据关联方程参数。9.2.2.2 总压对相平衡的影响总压对相平衡的影响 蒸馏的压强增高,泡点升高,相对挥发蒸馏的压强增高,泡点升高,相对挥发减小,分离困难。(见减小,分离困难。(见P57 图图9-12)9.3 平衡蒸馏和简单蒸馏平衡蒸馏和简单蒸馏9.3.1 平衡蒸馏平衡蒸馏9.3.1.1 过程的数学描述过程的数学描述 (1)物料衡算物料衡算 (2)热量衡算热量衡算 加热炉的热流量:加热炉的热流量:节流减压后:节流减压后:料液加热温度:料液加热温度:(3)过程特征方程式过程特征方程式
7、 相平衡方程相平衡方程 (理想溶液理想溶液 )泡点方程泡点方程9.3.1.2 平衡蒸馏过程的计算平衡蒸馏过程的计算 给定汽化率给定汽化率(1 q),联立方程:联立方程:(1)(2)可得汽、液相组成可得汽、液相组成 y,x9.3.2 简单蒸馏简单蒸馏9.3.2.1 过程的数学描述过程的数学描述 微元时间作易挥发组分的物料衡算:微元时间作易挥发组分的物料衡算:略去二阶无穷小量,则略去二阶无穷小量,则 积分积分 相平衡方程式相平衡方程式 9.3.2.2 简单蒸馏的过程计算简单蒸馏的过程计算 理想溶液理想溶液 馏出液平均组成:馏出液平均组成:9.4 精馏精馏9.4.1 精馏过程精馏过程9.4.1.1
8、精馏原理精馏原理 精馏段作用精馏段作用 提馏段作用提馏段作用 相平衡条件相平衡条件 y x 保证保证了只需部分回流。了只需部分回流。y x LV常规精馏常规精馏 上述平衡蒸馏与简单蒸馏可见上述平衡蒸馏与简单蒸馏可见只经过一次部分气化只经过一次部分气化,即只利用一次平衡关系即只利用一次平衡关系,因因此不能获得高纯度产品此不能获得高纯度产品.精馏实际是多次部分气精馏实际是多次部分气化或多次部分冷凝化或多次部分冷凝,即利用多次平衡关系。即利用多次平衡关系。得到许多中间产品得到许多中间产品为了消除中间产品可以以下流程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用上升蒸汽的热量使液体部分气
9、化,由于是同一物由于是同一物系系,可用直接接触方式换热。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冷凝后,一部分冷凝液回流入塔,称为回流液称为回流液.塔底装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的液体逆流接触进行物质传递,达到分离的目的。达到分离的目的。常规精馏塔见图常规精馏塔见图9-14 一股进料一股进料,二股出料二股出料,塔顶是全凝器塔顶是全凝器,塔底是间壁式的再塔底是间壁式的再沸器沸器.在塔的加料板以上完
10、成上升蒸汽的精制在塔的加料板以上完成上升蒸汽的精制,除去其中的除去其中的重组分重组分,称为精馏段称为精馏段;在塔的加料板以下完成液体中提浓在塔的加料板以下完成液体中提浓,提出轻组分提出轻组分,称为提馏段称为提馏段.精馏与简单蒸馏的区别在于精馏与简单蒸馏的区别在于”回流回流”,回流构成气液两回流构成气液两相接触传质的必要条件相接触传质的必要条件,使重组分向液相传递使重组分向液相传递,轻组分向轻组分向气相传递气相传递.(P60)全塔物料衡算全塔物料衡算 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衡算的约束.流率以流率以kmol/s表示表示,气
11、液组成以摩尔分率气液组成以摩尔分率y和和x表示表示.9.4.1.2 全塔物料衡算全塔物料衡算 总物料衡算总物料衡算 轻组分衡算轻组分衡算 ,(1)规定规定 xD,xW,则则 D/F 及及 W/F 亦随之确定;亦随之确定;(2)规定规定 D,xD,则则W,xW 亦随之确定。亦随之确定。,9.4.1.3 回流比和能耗回流比和能耗 回流比:回流比:R,V,加热速率,加热速率,冷凝量冷凝量,能耗,能耗。9.4.2 塔板上过程的数学描述塔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单块塔板的物料衡算和热量衡算 总物料衡算总物料衡算 Vn+1+Ln-1=Vn+Ln 轻组分衡算轻组分衡算
12、Vn+1yn+1+Ln-1xn-1 =Vnyn+Lnxn 热量衡算热量衡算 Vn+1In+1+Ln-1in-1=VnIn+Lnin(忽略热损失)(忽略热损失)(实际塔板结构)(实际塔板结构)饱和蒸汽: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热量衡算的简化与恒摩尔流假定假设假设 in+1=in-1=in=i,n+1=n=,则则(Vn+1 Vn)=(Ln+Vn Ln-1 Vn+1)in联立总物料衡算联立总物料衡算 Vn+1=Vn,Ln=Ln-1,无加料和出料的任一塔段中,各板上升的蒸无加料和出料的任一塔段中,各板上升的
13、蒸汽量均相等,各板下降的液体量也均相等。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;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;忽略显热项误差;忽略热损失。忽略热损失。9.4.2.2 塔板传质过程的简化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。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
14、衡及两相的流量比。决定于物系的相平衡及两相的流量比。9.4.2.3 加料板过程分析加料板过程分析 (1)理论加料板理论加料板 理论加料板(理论加料板(R)物料衡算式物料衡算式 相平衡方程相平衡方程 ym=f(xm)(2)精馏段与提馏段两相流量的关系精馏段与提馏段两相流量的关系 总物料衡算总物料衡算 热量衡算热量衡算 联立上两式:联立上两式:q的定义:的定义:q:(R)q五种加料热状态:五种加料热状态:q=0 饱和蒸汽进料;饱和蒸汽进料;0 q 1 冷液进料;冷液进料;q 0 过热蒸汽进料过热蒸汽进料9.4.2.4 精馏塔内的摩尔流率精馏塔内的摩尔流率 精馏段精馏段 提馏段提馏段 塔顶全凝器的热
15、负荷塔顶全凝器的热负荷 塔釜热负荷塔釜热负荷 冷凝器物料衡算冷凝器物料衡算 塔釜物料衡算塔釜物料衡算9.4.3 精馏塔的操作方程精馏塔的操作方程9.4.3.1 精馏段操作方程精馏段操作方程9.4.3.2 提馏段操作方程提馏段操作方程9.4.3.3 q 线方程线方程 ,两操作线交点的轨迹方程。两操作线交点的轨迹方程。9.4.3.4 操作方程的图示操作方程的图示_操作线操作线操作方程的图示操作方程的图示操作线操作线精馏段的端点精馏段的端点yxD,xxD 斜率斜率R(R+1),截距截距xD/(R+1)提馏段的端点提馏段的端点yxW,xxW 斜率斜率两操作线的交点两操作线的交点xWxD9.4.3.5
16、理论板的增浓度理论板的增浓度9.5 双组分精馏的设计型计算双组分精馏的设计型计算9.5.1 理论板数的计算理论板数的计算9.5.1.1 设计型计算的命题设计型计算的命题 分离要求: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。规定一个,其余随之而定。选择条件:操作压强选择条件:操作压强 p,回流比,回流比R和进料热和进料热状态状态q,选定后,相平衡关系及操作方程随之,选定后,相平衡关系及操作方程随之而定。而定。求取:求取:NT9.5.1.2 逐板计算法逐板计算法 连续精馏塔,塔顶设全凝器,泡点回流。连续精馏塔,塔顶设全凝器,泡点回流。
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- 化工 原理 09 01 课件
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