电子课件化学原理第6章 精馏.pptx

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2、章 精馏什么是扩散？什么是传质过程？p扩散：流体内某组分存在浓度差时，由于分子的运动，使该组分从浓度高处传递到浓度低处p传质过程：物质以扩散的方式，从一相转移到另一相的相界面的转移过程，称为物质的传递过程传质过程的研究方法传质传质过程过程相平衡相平衡关系关系传质速传质速率关系率关系物料衡物料衡算关系算关系二元混合物的表示法质量分数：摩尔分数：摩尔比：蒸馏蒸馏电子课件化学原理第6章 精馏 利利用用各各组组分分挥挥发发度度的的差差异异将将液液体体混混合合物物加以分离的单元操作称为加以分离的单元操作称为蒸馏蒸馏。什么是蒸馏？蒸馏过程的分离依据依据：依据：蒸馏是利用混合物中各组分挥发性的差异。蒸馏是利

3、用混合物中各组分挥发性的差异。易挥发组分易挥发组分(或轻组分或轻组分):挥发性高的组分，以挥发性高的组分，以A表示；表示；难挥发组分难挥发组分(或重组分或重组分):挥发性低的组分，以挥发性低的组分，以B表示。表示。蒸馏过程蒸馏过程液体混合物液体混合物 加热加热部分汽化部分汽化液相：液相：xA,xB 汽相：汽相：yA,yB 液相液相冷凝冷凝必有：必有：yA xA,yB x1)；当当气气液液两两相相组组成成相相同同 时时(x2=y3)，气气相相露露点点温温度度总总是是高高于于液液相相的的泡泡点点温温度度。(t3t2)x1 y1 t1 x2 y3 t2 t3 温度组成图（t-x-y图）的讨论tx(y

4、)当混合物的汽液平衡温度t与组成xs位于S点时，则必分成互成平衡的汽液两相，液相组成x在L点，汽相组成y在V，yx。xS SLVtx y汽液相平衡图（x-y 图）p平衡线位于对角线的上方。(Why?)p平衡线偏离对角线愈远，表示该溶液愈易分离。WHY?取t-x-y图中的x,y数据，以x为横坐标，y为纵坐标，绘成的图为x-y图。因为因为y x 挥发度和相对挥发度p挥发度挥发度达到相平衡时，某组分在蒸气中的分压pA和它在平衡液相中的摩尔分数 xA之比p相对挥发度相对挥发度各组分的挥发度之比通常定义易挥发组分挥发度与难挥发组分挥发度之比为相对挥发度。挥发度和相对挥发度p对于二元理想溶液气液平衡方程气

5、液平衡方程（6-3）由 知，时，组分A较B易挥发，可以用蒸馏方法分离时，挥发度差异愈大，愈有利于蒸馏操作。时，不能用普通蒸馏的方法分离混合液。可作为混合液能否用蒸馏方法分离以及分离难易程度的判据。能否用蒸馏方法分离以及分离难易程度的判据。二元理想体系相平衡函数二元理想体系相平衡函数-方程方程-图形对应关系图形对应关系条件条件函数函数名称名称方程式方程式图形图形t一定p=f(x)拉乌尔定律p-x图p一定x=f(t),y=f(t)泡点、露点方程t-x-y图p一定y=f(x)相平衡方程y-x图状态参量：t,p,x,y解题解题思路思路例6-1【例6-1】正庚烷和正辛烷的饱和蒸气压和温度的关系数据如下表

6、所示。试求该体系的平均相对挥发度。解：例如第二组数据，计算如下。计算结果列在表6-1中。例6-1随温度升高而降低随温度升高而降低但随温度变化不大；但随温度变化不大；可视为常数。可视为常数。简单蒸馏简单蒸馏电子课件化学原理第6章 精馏简单蒸馏原理简单蒸馏是一个非稳态过程，并不简单！又名微分蒸馏微分蒸馏（differential distillation）在简单蒸馏过程中，釜液浓度在不断降低，因为易挥发组份或沸点低的组份先蒸发了。即x1x2x3。而x1对应的蒸汽组份y1，也在不断降低，即y1y2y3。所以将y1冷凝得到的产品浓度最高，将y3冷凝得到的产品浓度最低。这就是为什么简单蒸馏要用多个容器存

7、放产品。简单蒸馏计算公式（6-4）简单蒸馏计算公式（6-5）（6-7）（6-8）精馏原理和流程电子课件化学原理第6章 精馏纯度高纯度高多次简单蒸馏多次简单蒸馏缺点？缺点？设备投资大；设备投资大；能耗大；产量小；间歇能耗大；产量小；间歇利用前段蒸气加热后段液体利用前段蒸气加热后段液体稳定？稳定？多次简单蒸馏操作是不稳定的！操作是不稳定的！有回流的多次简单蒸馏x2,L2 x3,L3 xi,Li xi+1,Li+1 xn,Ln 精精 馏馏 塔塔再沸器冷凝器F精馏段精馏段提馏段提馏段进料板进料板连续精馏的充连续精馏的充分必要条件：分必要条件：p向塔顶引入向塔顶引入回流液回流液p塔底再沸器塔底再沸器产生

8、蒸气返回产生蒸气返回塔中塔中精馏的原理p精馏操作：利用液体混合物各组分沸点（或挥发度）的不同，将物质多次部分汽化与部分冷凝，从而使液体混合物分离与提纯的过程。中山大学化工基础(化工原理)，主讲：莫冬传两组分连续精馏的两组分连续精馏的分析和计算分析和计算 电子课件化学原理第6章 精馏1、理论板及恒摩尔流1、理论板、理论板 离开这种板的气液两相互成平衡，而且塔板上的液相组成也可视为均匀的。n-1n+1nxn,tnyn,tn1、理论板及恒摩尔流恒摩尔流假设恒摩尔流假设1、恒摩尔汽化恒摩尔汽化2、恒摩尔溢流、恒摩尔溢流 恒摩尔流假设的条件恒摩尔流假设的条件（1）各组分的摩尔汽化潜热相等；(潜热相等)（

9、2）气液接触时因温度不同而交换的显热可以忽略;(忽略显热)（3）塔设备保温良好，热损失可以忽略。(忽略热损失)2、全塔物料衡算 对总物料：对于易挥发组分：馏出液的采出率：D/F釜液的采出率：W/F馏出液的易挥发组分回收率：釜液的难挥发组分回收率：F,xFD,xDW,xW3.操作线方程F,xFD,xDW,xWVLx1y1y212y1=xDxDx1=f(y1)y2=g(x1)?汽液平衡方程汽液平衡方程yn+1=g(xn)?L操作线方程可以解操作线方程可以解决第决第n+1块板上升蒸块板上升蒸气组成气组成yn+1与第与第n块块板上液体组成板上液体组成xn的的关系。关系。塔板数=？3.1 精馏段操作线方

10、程F,xFD,xDW,xWVLxnynyn+1对总物料：对易挥发组分：回流比回流比:(6-11)nn+1L3.1 精馏段操作线方程F,xFD,xDW,xWVLxnynyn+1nn+1从塔底画从塔底画衡算范围衡算范围亦可得到亦可得到同样结果：同样结果：L对总物料：对易挥发组分：回流比回流比:(6-11)3.1 精馏段操作线方程精馏段操作线方程精馏段操作线方程:(6-11)xy(xD,xD)xD3.2 提馏段操作线方程F,xFD,xDW,xWVLxmymym+1提馏段操作线方程：提馏段操作线方程：(6-12)mm+1L对总物料：对易挥发组分：3.2 提馏段操作线方程F,xFD,xDW,xWVLxm

11、ymym+1提馏段操作线方程：(6-12)mm+1从塔顶画衡算范围从塔顶画衡算范围亦可得到同样结果：亦可得到同样结果：L(6-12)xy(xW,xW)xD3.3 进料状态p状况低于泡点的过冷液进料 p状况泡点液体进料 p状况汽-液混合物进料 p状况露点蒸汽进料 p状况高于露点的过热蒸汽进料Etx(y)DCBA露点线露点线泡点线泡点线过热蒸汽区过热蒸汽区液体区液体区两相区两相区提馏段与精提馏段与精馏段下降液馏段下降液体流量之差体流量之差值值q:单位进料流量所单位进料流量所引起的提馏段与精引起的提馏段与精馏段下降液体流量馏段下降液体流量之差值之差值进料状况进料状况q：(6-13)(6-14)(6-

12、15)(6-16)L包括三部分包括三部分:L;F;因因原原料料温温度度低低于于加加料料板板上上气气液液温温度度，故故原原料料进进入入加加料料板板后后将将一一部部分分从从提提馏段上升蒸气冷凝下来馏段上升蒸气冷凝下来（1）冷液进料：）冷液进料：电子课件化学原理第6章 精馏（2）饱和液体进料）饱和液体进料原原料料进进入入加加料料板板后后全全部部以以原原来来液液体体的的状状况况进进入入提馏段提馏段电子课件化学原理第6章 精馏原原料料含含有有一一部部分分液液体体（往往下下流流），一一部部分分气气体体（上上升）升）（3）气液混合物进料）气液混合物进料电子课件化学原理第6章 精馏（4）饱和蒸气进料）饱和蒸气

13、进料原原料料进进入入加加料料板板后后全全部部以原来气体的状况上升以原来气体的状况上升电子课件化学原理第6章 精馏因因原原料料温温度度高高于于加加料料板板上上气气液液温温度度，故故原原料料进进入入加加料料板板后后势势必必将将原原塔塔内内下下降降的液体加热气化上升。的液体加热气化上升。（5）过热蒸气进料）过热蒸气进料电子课件化学原理第6章 精馏xyxWxDxF3.4 进料线方程p精馏段操作线与提馏段操作线的交点轨迹方程。精馏段操作线与提馏段操作线的交点轨迹方程。进料线方程3.4 进料线方程p精馏段操作线与提馏段操作线的交点轨迹方程。精馏段操作线与提馏段操作线的交点轨迹方程。(6-17)进料热状况对

14、q线及操作线的影响 某液体混合物含易挥发组分0.65(摩尔分数,下同)，以饱和蒸汽加入连续精馏塔中，加料量为50 kmol/h，残液组成为 0.04，塔顶产品的回收率为 99%，回流比为 3，试求：塔顶、塔底的产品流量；精馏段和提馏段内上升蒸汽及下降液体的流量；写出精馏段和提馏段的操作线方程。【例6-3】解题思路：解题思路：DWLVLVF,xFD,xDW,xWVLLVL精馏段操作线方程提馏段操作线方程解题思路：解题思路：DWLVLV精馏段操作线方程提馏段操作线方程解：（1）根据回收率的定义有：解题思路：解题思路：DWLVLV精馏段操作线方程提馏段操作线方程（2）根据回流比的定义因为进料为饱和蒸

15、汽 q=0，所以提馏段上升蒸汽和下降的液流量如下：解题思路：解题思路：DWLVLV精馏段操作线方程提馏段操作线方程（3）精馏段操作线方程为：提馏段操作线方程为：某液体混合物含易挥发组分0.65(摩尔分数,下同)，以饱和蒸汽加入连续精馏塔中，加料量为50 kmol/h，残液组成为 0.04，塔顶产品的回收率为 99%，回流比为 3，试求：塔顶、塔底的产品流量；精馏段和提馏段内上升蒸汽及下降液体的流量；写出精馏段和提馏段的操作线方程。【例6-3】解题思路二：解题思路二：F,xFD,xDW,xWVLLVL物料衡算物料衡算某液体混合物含易挥发组分0.65(摩尔分数,下同)，以饱和蒸汽加入连续精馏塔中，

16、加料量为50 kmol/h，残液组成为 0.04，塔顶产品的回收率为 99%，回流比为 3，试求：塔顶、塔底的产品流量；精馏段和提馏段内上升蒸汽及下降液体的流量；写出精馏段和提馏段的操作线方程。【例6-3】解法二：解法二：F,xFD,xDW,xWVLLVL解：按虚线范围对全塔作总物料衡算得：按虚线范围对全塔作易挥发组分物料衡算得：根据回收率的定义有：联立以上三式，求得：某液体混合物含易挥发组分0.65(摩尔分数,下同)，以饱和蒸汽加入连续精馏塔中，加料量为50 kmol/h，残液组成为 0.04，塔顶产品的回收率为 99%，回流比为 3，试求：塔顶、塔底的产品流量；精馏段和提馏段内上升蒸汽及下

17、降液体的流量；写出精馏段和提馏段的操作线方程。【例6-3】解题思路二：解题思路二：F,xFD,xDW,xWVLLVL（2）按绿线范围作总物料衡算得：回流比：得：某液体混合物含易挥发组分0.65(摩尔分数,下同)，以饱和蒸汽加入连续精馏塔中，加料量为50 kmol/h，残液组成为 0.04，塔顶产品的回收率为 99%，回流比为 3，试求：塔顶、塔底的产品流量；精馏段和提馏段内上升蒸汽及下降液体的流量；写出精馏段和提馏段的操作线方程。【例6-3】解题思路二：解题思路二：F,xFD,xDW,xWVLLVL（2）按蓝线范围作总物料衡算。由于是饱和蒸汽进料，可得一步整理为左图，由图可得：理论塔板层数的求

18、法 1逐板计算法逐板计算法（已知）平衡关系操作关系1）精馏段）精馏段平衡关系操作关系泡点进料精馏段n-1层2）提馏段）提馏段（已知）提馏段操作线提馏段m-1层平衡关系操作关系abyxxDxWcxFefd2、图解法、图解法(1).作平衡线与对角线作平衡线与对角线(2).画精馏段操作线画精馏段操作线(3).画进料线画进料线(4).画提馏段操作线画提馏段操作线(5).作阶梯作阶梯xyxWxDxF12345回流比与吉利兰图回流比与吉利兰图电子课件化学原理第6章 精馏回流比R对理论板数NT的影响xyxqxD123412312RxD/(R+1)N精馏段操作线上移精馏段操作线上移RxD/R+1 NT精馏段操

19、作线下移精馏段操作线下移当回流比小于当回流比小于Rmin,操作线和操作线和q 线线的交点落在平衡的交点落在平衡线外，精馏操作线外，精馏操作无法完成无法完成xyxqxDd最小回流比是指对于一定分离要求的最小回流比。分离要求变动了（例如xD变了），对应的最小回流比Rmin亦要改变。当R减小时，操作线斜率R/(R+1)减小，当R减至两操作线交点逼近平衡线时，此时理论板数NT趋于无穷大，此时回流比R称为最小回流比最小回流比。最小回流比最小回流比的求法xq,yqq线与平衡线的交点坐标 1）作图法）作图法(6-18)最小回流比的求法xq,yqq线与平衡线的交点坐标 当泡点液体进料时（q=1)：xq=xF,

20、关键是求关键是求xq,yq!当露点蒸汽进料时（q=0)：yq=yF,yF=xF yq=xF联立可求得xqq=1q=0回流比对设备费与操作费的影响R=（1.12）Rmin总费用总费用操作费操作费设备费设备费全回流及最少理论板层数当产品量趋于零时D0，则回流比趋于无穷大，此时称为全回流。这时精馏段与提馏段操作线方程均与对角线 重合，此时理论板数最少（Nmin）。1）Nmin的求法的求法 a）图解法 xWxD芬斯克公式推导（1）对于二元理想溶液，则有而对于第一块理论板 对于第二块理论板 而全回流时(1)(2)相平衡方程(3)操作线方程芬斯克公式推导（2）式（1）相平衡方程式（3）操作线方程式（2）相

21、平衡方程化简操作线方程全回流时（6-19）操作线相平衡吉利兰图求理论板数2.选定R，计算1.求最小回流比4.芬斯克公式求Nmin 3.读取对应的(N-Nmin)/(N+2)5.代入求N初步设计时才用此法塔效率（1）p由于精馏过程十分复杂，传质速率仅用板效率表示由于精馏过程十分复杂，传质速率仅用板效率表示。塔效率（2）p实际上，汽相与液相不可能达到平衡p达到指定的分离要求，实际板数Np要大于计算的理论板数NTxyxqxD121234全塔效率全塔效率(E0)：莫弗里板效率p汽相莫弗里板效率(EMG)xyxDxny*nyn+1ynxn-1y*n yn yn+1yn+1 莫弗里板效率p液相莫弗里板效率

22、(EML)xyxDx*nxnxn-1x*n xn xn-1yn+1【例6-5】在连续精馏塔中，分离某二元理想溶液。进料为气-液混合物进料，进料中气相组成为 0.428，液相组成为0.272，进料平均组成 xF=0.35，假定进料中气、液相达到平衡。要求塔顶组成为 0.93（以上均为摩尔分数），料液中易挥发组分的96%进入馏出液中。取回流比为最小回流比的1.242倍。试计算：(1)塔底产品组成；(2)写出精馏段方程；(3)写出提馏段方程；(4)假定各板效率为0.5，从塔底数起的第一块板上，上升蒸汽的组成为多少？借助全塔物料衡算方程和回收率F,xFD,xDW,xWVLLVL解题思路：解题思路：【例

23、6-5】在连续精馏塔中，分离某二元理想溶液。进料为气-液混合物进料，进料中气相组成为 0.428，液相组成为0.272，进料平均组成 xF=0.35，假定进料中气、液相达到平衡。要求塔顶组成为 0.93（以上均为摩尔分数），料液中易挥发组分的96%进入馏出液中。取回流比为最小回流比的1.242倍。试计算：(1)塔底产品组成；(2)写出精馏段方程；(3)写出提馏段方程；(4)假定各板效率为0.5，从塔底数起的第一块板上，上升蒸汽的组成为多少？解题解题思路：思路：R精馏段方程Rmin进料气液平衡qq可视为进料中液相所占分率【例6-5】解题解题思路：思路：R精馏段方程Rmin进料气液平衡qq可视为进

24、料中液相所占分率解：进料气液平衡q可视为进料中液相所占分率平衡线方程是进料线方程是联立求解平衡线方程和进料线方程得【例6-5】在连续精馏塔中，分离某二元理想溶液。进料为气-液混合物进料，进料中气相组成为 0.428，液相组成为0.272，进料平均组成 xF=0.35，假定进料中气、液相达到平衡。要求塔顶组成为 0.93（以上均为摩尔分数），料液中易挥发组分的96%进入馏出液中。取回流比为最小回流比的1.242倍。试计算：(1)塔底产品组成；(2)写出精馏段方程；(3)写出提馏段方程；(4)假定各板效率为0.5，从塔底数起的第一块板上，上升蒸汽的组成为多少？解题思路：解题思路：提馏段方程LWL=L+q FW=F-DL=R DRD/Fq【例6-5】在连续精馏塔中，分离某二元理想溶液。进料为气-液混合物进料，进料中气相组成为 0.428，液相组成为0.272，进料平均组成 xF=0.35，假定进料中气、液相达到平衡。要求塔顶组成为 0.93（以上均为摩尔分数），料液中易挥发组分的96%进入馏出液中。取回流比为最小回流比的1.242倍。试计算：(1)塔底产品组成；(2)写出精馏段方程；(3)写出提馏段方程；(4)假定各板效率为0.5，从塔底数起的第一块板上，上升蒸汽的组成为多少？解题思路：解题思路：y2y*2x2y1x1