化学工程与工艺课件精馏单元操作技术02.ppt

1、精馏单元操作技术任务任务2：酒精蒸馏回收工艺条件的：酒精蒸馏回收工艺条件的确定确定(1) 双组分溶液的气液组成的表示方法双组分溶液的气液组成的表示方法1）质量分率：混合物中某一组分在混合物中占的百）质量分率：混合物中某一组分在混合物中占的百分数分数BAAAAmmmmmwBABBBmmmmmw易挥发组分易挥发组分A易挥发组分易挥发组分B2）摩尔分率：）摩尔分率：BAAAAnnnnnx BABBBnnnnnx 1 BAxx3）换算关系：）换算关系：xwBBAAAAAMwMwMwxwx BBAAAAAMxMxMxw气液相平衡的概念气液相平衡的概念B0BBA0AAxppxpp pA, pB 溶液上方溶

2、液上方A、B组分的分压，组分的分压，PaPa；pA0 , pB0 溶液温度下纯溶液温度下纯组分的饱和蒸汽压，组分的饱和蒸汽压，PaPa； xA , xB 液相中液相中A、B组分的摩尔分率。组分的摩尔分率。 对于理想溶液，在一定温度下，气液相平衡时，对于理想溶液，在一定温度下，气液相平衡时，气相中任一组份的分压等于该组分的在该温度下的气相中任一组份的分压等于该组分的在该温度下的饱和蒸汽压乘以它在液相中的摩尔分数。饱和蒸汽压乘以它在液相中的摩尔分数。1.1. 拉乌尔定律（拉乌尔定律（ Raoults Law）理想溶液的气液相平衡关系理想溶液的气液相平衡关系B0BBA0AAxppxppA0B0A0B

3、A0BA0AB0BA0ABA)()1 (xpppxpxpxpxpppP液相组成液相组成 x 与温度的关系与温度的关系蒸馏通常是在一定外压下进行，操作过程中溶液的沸点随组成而变，故总压一定下的沸点与组成图是分析精馏过程的基础。沸点组成图 以苯-甲苯混合液为例，在常压下，其t x y图如图所示，以温度t为纵坐标，液相组成xA和汽相组成yA为横坐标(x，y均指易挥发组分的摩尔分数)。 沸点组成图 图中有两条曲线，下曲线表示平衡时液相组成与温度的关系，称为液相线，上曲线表示平衡时汽相组成与温度的关系，称为汽相线。两条曲线将整个t x y图分成三个区域，液相线以下代表尚未沸腾的液体，称为液相区。汽相线以

4、上代表过热蒸汽区。被两曲线包围的部分为汽液共存区。沸点组成图 在恒定总压下，组成为x，温度为t1（图中的点A）的混合液升温至t2(点J)时，溶液开始沸腾，产生第一个汽泡，相应的温度t2称为泡点，产生的第一个气泡组成为y1(点C)。同样，组成为y、温度为t4（点B）的过热蒸汽冷却至温度t3（点H）时，混合气体开始冷凝产生第一滴液滴，相应的温度t3称为露点，凝结出第一个液滴的组成为x1(点Q)。F、E两点为纯苯和纯甲苯的沸点。 气液相平衡图 y x图表示在恒定的外压下，蒸气组成y和与之相平衡的液相组成x之间的关系。图2是101.3 kPa 的总压下，苯甲苯混合物系的y x图，它表示不同温度下互成平

5、衡的汽液两相组成y与x的关系。图中任意点D表示组成为x1的液相与组成为y1的气相互相平衡。 沸点沸点-组成图组成图（txy图图)两条线：气相线（露点线）两条线：气相线（露点线） yAt 关系曲线关系曲线 液相线（泡点线）液相线（泡点线） xAt 关系曲线关系曲线三个区域：液相区三个区域：液相区 气、液共存区气、液共存区 气相区气相区气液平衡图气液平衡图xy图图 对角线对角线 y=x 为辅助为辅助线线； xy曲线上各点具有曲线上各点具有不同的温度；不同的温度； 对于大多数溶液，对于大多数溶液，平衡时平衡时yx ，故平衡曲线，故平衡曲线在对角线的上方；在对角线的上方； 平衡线离对角线越远，平衡线离

6、对角线越远，挥发性差异越大，物系挥发性差异越大，物系越易分离。越易分离。 压力压力对对txy图及图及xy图的影响图的影响压力增加，平衡线靠近对角线，分离难度加大。压力增加，平衡线靠近对角线，分离难度加大。123ppp 正偏差溶液：正偏差溶液：x=0.894，最低恒沸点，最低恒沸点，78.15乙醇水溶液相图乙醇水溶液相图非理想溶液的气液相平衡关系非理想溶液的气液相平衡关系1.具有正偏差的溶液具有正偏差的溶液硝酸水溶液相图硝酸水溶液相图负偏差溶液：负偏差溶液：x=0.383，最高恒沸点，最高恒沸点，121.92. 具有负偏差的溶液具有负偏差的溶液挥发度与相对挥发度挥发度与相对挥发度pA、 pB汽液

7、平衡时，组分汽液平衡时，组分A,B在气相中的分压；在气相中的分压； xA、xB汽液平衡时，组分汽液平衡时，组分A,B在液相中的摩尔分数。在液相中的摩尔分数。 BBBAAA ,xpxp 混合液某组分挥发度混合液某组分挥发度: :1. 1. 挥发度挥发度意义：是该物质意义：是该物质挥发难易程度挥发难易程度的标志的标志。定义：气相中某一组分的蒸汽分压和与之平衡的液定义：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，用符号相中的该组分摩尔分数之比，用符号 表示表示。 理想溶液：理想溶液：0BB0BBB0AA0AAABBAApxxpxppxxpxp BBAABAxpxp 理想溶液：理想

8、溶液：BABABBAAxxyyxyxyxPyxPyxpxpBBAABBAA 一般溶液：一般溶液：2. 相对挥发度相对挥发度(以以 表示表示) 定义：溶液中两组分挥发度之比定义：溶液中两组分挥发度之比。 对于二元理想溶液对于二元理想溶液 ：yB=1-yA xB=1-xA即即xxy)1(1 相平衡方程相平衡方程0B0App 理想溶液：理想溶液：xxyy 11 则3. 3. 平均相对挥发度平均相对挥发度釜釜 顶m式中式中顶顶塔顶的相对挥发度塔顶的相对挥发度釜釜塔釜的相对挥发度塔釜的相对挥发度4 4.的物理意义的物理意义 气相中两组分组成之比是液相中两组分组成之气相中两组分组成之比是液相中两组分组成之

9、 比的倍数；比的倍数； 标志着分离的难易程度标志着分离的难易程度； 若若1,则则 yx ,可用蒸馏方法分离，且可用蒸馏方法分离，且愈大，愈大， x-y图中平衡线愈远离对角线，物系愈易分离；图中平衡线愈远离对角线，物系愈易分离； =1, =1, 无法用普通蒸馏方法分离。无法用普通蒸馏方法分离。 简单蒸馏和平衡蒸馏简单蒸馏和平衡蒸馏 1. 装置装置2. 特点特点:间歇非定态。间歇非定态。一次进料。一次进料。xD, xW不是一对平衡不是一对平衡组成。组成。适合于适合于 大的组分。大的组分。二、平衡蒸馏二、平衡蒸馏(又叫闪蒸又叫闪蒸)1. 流程流程2. 特点特点:一次进料，粗分一次进料，粗分xi, y

10、i是一对平衡是一对平衡组成组成W(液液)、xD( 气气)、y三、简单蒸馏和平衡蒸馏的比较三、简单蒸馏和平衡蒸馏的比较精馏原理精馏原理无回流的多次部分汽化和多次部分冷凝无回流的多次部分汽化和多次部分冷凝 缺点：缺点：1.1.收率低；收率低；2.2.设备重复量大，设备投资大；设备重复量大，设备投资大；3.3.能耗大，过程有相变。能耗大，过程有相变。问题：工业上如何实现？问题：工业上如何实现？有回流的多次部分汽化和多次部分冷凝有回流的多次部分汽化和多次部分冷凝 多次部分汽化和多次部分冷凝多次部分汽化和多次部分冷凝 精馏原理精馏原理通过多次部分气化和多通过多次部分气化和多次部分冷凝，最终可以次部分冷凝

11、，最终可以获得几乎纯态的易挥发获得几乎纯态的易挥发组分和难挥发组分，但组分和难挥发组分，但得到的气相量和液相量得到的气相量和液相量却越来越少。却越来越少。 精馏模型精馏模型进料板：进料板：原料液进入原料液进入的那层塔板的那层塔板。精馏段：精馏段：进料板以上的进料板以上的塔段塔段。提馏段：提馏段：进料板以下（包进料板以下（包括进料板）的塔段括进料板）的塔段。1.3.3 连续精馏装置流程连续精馏装置流程. . 连续精馏装置连续精馏装置2. 2. 塔板的作用塔板的作用 塔板提供了塔板提供了汽液汽液分离的场所；分离的场所；每一块塔板是一每一块塔板是一个个混合分离器；混合分离器；足够多的板数足够多的板数

12、可可使各组分使各组分较完全分较完全分离。离。特点：特点：3. 3. 精馏过程的回流精馏过程的回流 回流包括：回流包括：塔顶回流液塔顶回流液塔底回流汽塔底回流汽塔顶回流液塔顶回流液回流液回流液：在任意塔板上，上一块塔板下来的液：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。体，轻组分含量高，温度低。塔釜汽相回流塔釜汽相回流回流汽回流汽：任意塔板上，下一块塔板上来的汽：任意塔板上，下一块塔板上来的汽体，重组分含量高，温度高；体，重组分含量高，温度高；理论板的概念和恒摩尔流的假设理论板的概念和恒摩尔流的假设 假设假设（1） 两组分的摩尔汽化潜热相等；两组分的摩尔汽化潜热相等；（2）两相接

13、触因两相温度不同而交换的）两相接触因两相温度不同而交换的显热可忽略显热可忽略不计不计；（3）塔设备保温良好，热损失可以忽略不计。）塔设备保温良好，热损失可以忽略不计。 2. 恒摩尔流的假设恒摩尔流的假设1. 理论板的概念理论板的概念 精馏段，每层塔板上升的蒸汽摩尔流量都相等，提馏精馏段，每层塔板上升的蒸汽摩尔流量都相等，提馏段也一样。段也一样。即：即： V1=V2= V=常数常数 V1=V2= V=常数常数式中：式中：V 精馏段上升蒸汽的摩尔流量，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，提馏段上升蒸汽的摩尔流量，kmol/h。 （下标（下标1、2表示自上而下的塔板

14、序号。）表示自上而下的塔板序号。）（1）恒摩尔汽化）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，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。提馏段也一样。即：即： L1=L2= L=常数常数 L1=L2= L=常数常数式中式中L 精馏段下降液体的摩尔流量，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，提馏段下降液体的摩尔流量，kmol/h。（下标（下标1、2表示自上而下的塔板序号。）表示自上而下的塔板序号。） （2）恒摩尔液流）恒摩尔液流 WDFWxDxFxWDF塔顶采出率塔顶采出率WDWFxxxxFD 塔底采出率塔底采出率FDFW 1F, xFD

15、, xDW, xW全塔物料衡算全塔物料衡算F、D、Wkmol/hxF、xD、xW轻组分的摩尔分率轻组分的摩尔分率%100FDA FxDx 塔顶易挥发组分回收率塔顶易挥发组分回收率塔底难挥发组分回收率塔底难挥发组分回收率%100)1 ()1 (FWB xFxW 精馏段操作线方程精馏段操作线方程 Dn1nDxLxVyDLVDnDn1nxDLDxDLLxVDxVLy 11Dn1n RxxRRy令令 回流比回流比 DLR 精馏段操作线方程精馏段操作线方程精馏段操作线精馏段操作线:当当R, D, xD为一定值时为一定值时,该操作线为一直线该操作线为一直线.斜率斜率:VLRR 1截距截距:1D Rxyx1

16、D RxxD操作线为过点（操作线为过点（xD， xD（yD）)操作线如图所示：操作线如图所示：提馏段操作线方程提馏段操作线方程 W1mmWxyVxLWVLwmwm1mxWLWxWLLxVWxVLy 提馏段操作线方程提馏段操作线方程xW 意义：提馏段意义：提馏段 ym1f（xm） 提馏段操作线为提馏段操作线为 过点（过点（xW， xW（ yW ）VL 斜率：斜率：截距截距:VWxW-yxxD1D RxxFabq将将5000kg/h含乙醇含乙醇0.4（摩尔分数，下同）和水（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。要求馏的混合液在常压连续精馏塔中分离。要求馏出液含乙醇出液含乙醇0.

17、85，釜液含乙醇不高于，釜液含乙醇不高于0.02，求，求馏出液，釜液的流量及塔顶易挥发组分的回收馏出液，釜液的流量及塔顶易挥发组分的回收率和采出率。率和采出率。练习：练习：问题：问题：1、简单蒸馏和平衡蒸馏的比较、简单蒸馏和平衡蒸馏的比较作用？作用？塔顶回流液塔顶回流液塔底回流汽塔底回流汽2 2、回流包括：回流包括：3. 理论板的概念理论板的概念4. 恒摩尔流的假设的前提？恒摩尔流的假设的前提？1.4.4 进料热状况的影响进料热状况的影响(1) (1) 冷液冷液 tFts (2) (2) 饱和液体（泡点进料）饱和液体（泡点进料）tFts (3) (3) 气液混合气液混合 tstFtd FLVL

18、V冷液进料冷液进料泡点进料泡点进料FLL VV FLLVV FLVLVFqF(1-q)FLVLV汽液混合进料汽液混合进料FqVV)1( qFLL FLVLV过热蒸汽进料过热蒸汽进料LL FVV FLVLV饱和蒸汽进料饱和蒸汽进料FVV LL 1. 1. 加料板的物料衡算加料板的物料衡算F IF +L IL +V IV=VIV+LIL 物料恒算：物料恒算：F+V+L=V+L 即即V-V=F-(L-L)2. 2. 热量衡算热量衡算加料板加料板FF, xF, IFL ILV IVL ILV IV式中式中 IV，IV IL，IL 分别为进料板上、下饱和蒸汽和饱和分别为进料板上、下饱和蒸汽和饱和液体的摩

19、尔焓液体的摩尔焓k kJ/kmol；IV IVIL IL假设假设上式化简后：上式化简后：q q进料热状况参数进料热状况参数汽汽化化潜潜热热原原料料的的热热量量进进料料变变为为饱饱和和蒸蒸汽汽所所需需将将令令kmolkmol1IIIILVFV q由于加料板附近塔板的温度，液相组由于加料板附近塔板的温度，液相组成相近。成相近。LVFVIIIIFLL )()()(FVLVIIFIILL 即：即：1kmol1kmol原料由饱和液体变为饱和蒸汽所需热量原料由饱和液体变为饱和蒸汽所需热量 FqVVqFLL)1(所以：所以：将精馏段与提馏段关联起来将精馏段与提馏段关联起来其中饱和液体所占分率为其中饱和液体所

20、占分率为 q，饱和蒸汽所占分率为，饱和蒸汽所占分率为（1q）。 10 液液相相分分率率在在数数值值上上等等于于原原料料液液的的，若若qq q值的计算式值的计算式:rttCrqFsP)( r:进料的平均气化潜热，进料的平均气化潜热，KJ/kmol； ts:进料泡点温度进料泡点温度CP:进料的平均比热，进料的平均比热， KJ/（kmol. ）；）；tF:进料温度进料温度1.4.5 进料方程（进料方程（q线方程）线方程） WDWxxLyVDxLxVyFqVV)1( qFLL 11F qxxqqyq q 线方程或进料方程线方程或进料方程xWyxxD1D RxxF意义：精馏段与提馏段交点轨迹方程；意义：

21、精馏段与提馏段交点轨迹方程；L与与L(1) 冷液冷液 q1FLL VV (2) 饱和液体饱和液体 q1FLL VV (3) 气液混合气液混合 0q1LL VV (4) 饱和蒸汽饱和蒸汽 q0LL FVV (5) 过热蒸汽过热蒸汽 q0LL FVV 进料状况进料状况q值值q线位置线位置V与与V例例6-2 将含将含0.24（摩尔分数，下同）易挥发组分的某（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，釜液含易挥发组分，釜液含0.03易挥发组分。送入冷易挥发组分。送入冷凝器的蒸汽量为凝器的蒸汽量为850kmol/

22、h，流入精馏塔的回流液，流入精馏塔的回流液为为670kmol/h，试求：，试求：1每小时能获得多少每小时能获得多少kmol/h的馏出液？多少的馏出液？多少kmol/h 的釜液？的釜液？2. 回流比回流比R为多少？为多少？3. 写出精馏段操作线方程。写出精馏段操作线方程。求：求：(1)D, W (2)V, L(3) 泡点进料泡点进料, V L ?(4) 饱和蒸汽进料饱和蒸汽进料 V L?xW 0.02F=110kmol/hxF=0.4xD=0.95例例6-3：分离苯：分离苯-甲苯混合液，理想物系。甲苯混合液，理想物系。已知：加料板温度已知：加料板温度96 , F=110kmol/h, xF=0.4, xD=0.95 , xw 0.02, R=3.2。