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学习情境一：精制提纯工业酒精Chapter 1 Distillation,应用热力学基本理论表达体系的热力学性质的相互关系、相平衡关系。对过程进行物料和热量衡算，确定给定条件下完成分离要求所需的理论板数，塔内物流流量、组成的分布。通过严格的模拟计算还可获得温度、物流性质等分布，为精馏塔设计提供工艺条件及数据。,本章研究方法,本章重点,连续精馏过程的基本原理及过程描述的基 本方法。 二元精馏过程的设计以及精馏过程的操作 分析与诊断。 精馏过程及塔设备的工艺计算。,1.1.1 蒸馏的应用 液体产品的精制,苯 甲苯 二甲苯等,煤焦油,目的：对液体混合物的分离，提取或回收有用组分。 依据：液体混合物中各组分挥发性的差异。,1.1.2 蒸馏分离的目的和依据,乙醇水体系的蒸馏分离,二元蒸馏 液体混合物：(酒精水溶液),必有： yA xA, yB xB,按蒸馏方式,简单蒸馏,平衡蒸馏 （闪蒸）,精馏,特殊精馏,恒沸蒸馏,萃取蒸馏,水蒸汽蒸馏,较易分离的物系或对分离要求不高的物系,难分离的物系,很难分离的物系或用普通方法难以分离的物系,1.1.3 蒸馏过程的分类,按操作压强,常压,加压,减压,一般情况下多用常压,常压下不能分离或达不到分离要求,混合物中组分,双组分,多组分,按操作方式,间歇,连续,1.1.4 蒸馏操作的费用,主要费用：加热和冷却费用，即能耗大。,1.1.5 与吸收、萃取的比较,分离依据 挥发性的差异 溶解度的差异,单元操作 蒸馏 吸收 萃取,操作难易 操作简便，操作费用在于加热、冷却耗能 需加入分离剂，操作费用在于解吸过程耗能,适用性 适于各种浓度液态混合物的分离 仅适于低浓气体、液体混合物的分离,1.2.1 双组分溶液的气液关系 1.2.2 气液相平衡 1.2.3 挥发度与相对挥发度 1.2.4 非理想溶液,1.2 双组分溶液的气液相平衡,1.2.1 双组分溶液的气液关系,1、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：,组分(C)： A、B 变量 ： t、p、xA、 yA 相数( )： 气相、液相,一定压力下，液相（气相）组成xA(yA)与温度t存在一一对应关系，气液组成之间xAyA存在一一对应关系。,自由度：,2、相律分析,1.2.1 双组分溶液的气液关系,2、理想溶液 定义 ：溶液中同分子间的作用力与异分子间的 作用力相等。,如：甲醇与乙醇，苯和甲苯， 二甲苯和对二甲苯,理想物系：液相为理想溶液，服从拉乌尔定律； 气相为理想气体，服从道尔顿分压定律。,1.2.2 气液相平衡,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。,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：,1. 拉乌尔定律（ Raoults Law）,泡点方程,液相组成 x 与温度（泡点）的关系,气液两相平衡组成间的关系：,气相组成yA与温度（露点）的关系,露点方程,2、道尔顿分压定律：,3、组成温度图（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,混合液体的泡点随组成的变化而变化； 同温度下，气液两相达平衡，气液量大小由 杠杆定律确定； 同组成下，露点高于泡点。,4、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。,5. 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。,1.2.3 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：,理想气体：,一般物系：,相对挥发度(以 表示) (Relative volatility),定义：溶液中两组分挥发度之比。,对于二元物系：yB=1-yA xB=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。,1.2.4 非理想溶液,1.具有正偏差的溶液,一般正偏差：pApA理， pBpB理，介于pAo、pBo 之间。,正偏差溶液：x=0.894，最低恒沸点，78.15,乙醇水溶液相图,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,一般负偏差 pApA理， pBpB理。,注意： 1.非理想溶液不一定都具有恒沸点。 如甲醇水溶液，属正偏差系统。 2.精馏分离的依据： 挥发度的差异，而非沸点的大小。,1.3.1 简单蒸馏与平衡蒸馏 1.3.2 精馏原理 1.3.3 连续精馏装置流程 1.3.4 理论板的概念和恒摩尔流假设,1.3 蒸馏与精馏原理,1.3.1 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,2. 计算: 1)物料衡算 总物料的衡算：,易挥发组分的衡算：,令：,加料液中液相与进料总量的比值,操作线方程,2)热量衡算 I 加热器的热量衡算：,II 闪蒸罐的热量衡算：,自蒸发显热=部分气化所需的潜热,例题：,在常压下，对苯与甲苯二元理想溶液进行平衡蒸馏，若原料液中苯的浓度为0.5（摩尔分率），物系的相对挥发度为2.47。求：当气化率为0.4时，釜液与馏出液的组成？,解：因苯和甲苯为二元理想溶液，其平衡关系可表示为：,因为气化率为（1-q）=0.4,则 q=0.6 物料衡算式：,联立方程式得：,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。,1.3.2 精馏原理,1、多次部分汽化和多次部分冷凝,1.3.2 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。,2. 有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？,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：,塔盘主要结构,塔板流动状态,说明： 1、下降的液相泡点tn-1与上升的气相露点tn+1不等，当气液平衡时，两相温度相等tn，即传质伴有传热过程。 2、重组分由气相冷凝至液相，放出潜热，轻组分由液相汽化成气相，需要潜热，二者同时发生，潜热抵消； 3、气液两相偏离平衡越远，传质过程进行越快。,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；,1.3.4 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,1.4 双组分连续精馏的计算,1.4.1 全塔物料衡算 1.4.2 精馏段操作线方程 1.4.3 提馏段操作线方程 1.4.4 进料热状况的影响 1.4.5 进料方程（q线方程）,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。,设计目标:,1.4.1 全塔物料衡算,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,1.4.2 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：,1.4.3 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,F IF +L IL +V IV=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,L IL,V IV,L IL,V IV,式中 IV，IV IL，IL 分别为进料板上、下饱和蒸汽和饱和液体的摩尔焓kJ/kmol；,IV IV,IL IL,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850kmol/h，流入精馏塔的回流液为670kmol/h，试求： 1每小时能获得多少kmol/h的馏出液？多少kmol/h 的釜液？ 2. 回流比R为多少？ 3. 写出精馏段操作线方程。,求： (1)D, W (2)V, L (3) 泡点进料, V L ? (4) 饱和蒸汽进料 V L?,例6-3：分离苯-甲苯混合液，理想物系。 已知：加料板温度96 , F=110kmol/h, xF=0.4, xD=0.95 , xw0.02, R=3.2。,