电子教案与课件：化工原理(制药专业适用)-第04章01.ppt

1、 第第4章章 液体精馏液体精馏1 蒸馏概述蒸馏概述1.1 蒸馏分离的依据蒸馏分离的依据(原理原理)液体中各组分挥发度的差异液体中各组分挥发度的差异 分离液体混合物分离液体混合物恒定温度、压力，气液相平衡恒定温度、压力，气液相平衡A组分比组分比B组分易挥发：组分易挥发：A为轻组分为轻组分,B为重组分为重组分挥发度定义挥发度定义 相对挥发度相对挥发度BBAABAxpxpvv/iiixpv 即即汽相冷凝后，汽相冷凝后，A的浓度升高的浓度升高 实现了部分分离实现了部分分离BABAxxyy/1/BABABABABBAAxxyyxxppxpxp1.2 蒸馏过程及经济性蒸馏过程及经济性平衡蒸馏平衡蒸馏简单蒸

2、馏简单蒸馏只能达到有限的分离只能达到有限的分离精馏操作的经济性精馏操作的经济性主要操作费用：加热沸腾、冷却冷凝主要操作费用：加热沸腾、冷却冷凝 沸腾和冷凝的温度与操作压强有关沸腾和冷凝的温度与操作压强有关加压精馏：如空气分离；加压精馏：如空气分离；P,t,冷凝费用降低冷凝费用降低真空精馏：真空精馏：P,t,如高沸点物质、热敏物质分离如高沸点物质、热敏物质分离2 双组分溶液的汽液相平衡双组分溶液的汽液相平衡双组份汽液平衡的自由度双组份汽液平衡的自由度 F=N +2 组分数组分数 相数相数F=2,P,t 一定一定,组成就定了组成就定了 P,x 一定一定,t 就定了就定了2.1 理想物系的汽液相平衡

3、理想物系的汽液相平衡理想物系理想物系服从拉乌尔定律服从拉乌尔定律 服从道尔顿分压定律服从道尔顿分压定律安托万方程安托万方程相平衡相平衡 fV=fLCtBAP 0ln理想物系理想物系 ,拉乌尔定律拉乌尔定律 ,归一条件归一条件沸腾时沸腾时1)泡点关系式泡点关系式道尔顿分压定律道尔顿分压定律0AAAAAPxPy 1 A 1 A 0AAAPxp 0BBBPxp 1 BAxxPppBA PxPxPABAA )1(00),()()()(000tPftPtPtPPxBABA AAAAxPtPPpy)(0 泡点线泡点线(液相线液相线)2)露点关系式露点关系式露点线露点线(汽相线汽相线)3)yx的近似表达式的

4、近似表达式由由 和归一方程和归一方程可得相平衡方程可得相平衡方程)()()(000tPtPtPPxBABA )()()(0000tPtPtPPPPyBABAA BBAAxyxy/xxy)1(1 理想物系理想物系在操作温度范围在操作温度范围(纯纯A、纯、纯B沸点沸点)，若，若变化不大，变化不大，可取可取=1时，时，y=x，不能进行分离，不能进行分离为什么不用沸点来衡量挥发性？为什么不用沸点来衡量挥发性？例：例：101.3kPa下，乙醇沸点：下，乙醇沸点：78.3 水沸点：水沸点：1002%乙醇的水溶液，蒸发后留水乙醇的水溶液，蒸发后留水98%乙醇的水溶液，蒸发后留乙醇乙醇的水溶液，蒸发后留乙醇)

5、(00tfPPBA )(2121 2.2 非理想物系的汽液相平衡非理想物系的汽液相平衡强正偏差强正偏差pAp0AxA，出现最低恒沸物，出现最低恒沸物强负偏差强负偏差pAp0AxA，出现最高恒沸物，出现最高恒沸物 苯苯-乙醇乙醇 氯仿氯仿-丙酮丙酮常用相平衡计算方法常用相平衡计算方法 PyA=p0AxAA,PyB=p0BxBB活度系数活度系数A,B2.3 总压对相平衡的影响总压对相平衡的影响P，泡点泡点，露点，露点，相对挥发度相对挥发度 3 液体的蒸馏液体的蒸馏3.1 平衡蒸馏平衡蒸馏(闪蒸闪蒸)物料衡算物料衡算 F=D+W FxF=Dy+Wx定义定义 W=qF,D=(1-q)F杠杆定律杠杆定律

6、FWq WxFxDyF qxxyqF )1(11 qxxqqyF同时，同时，y 与与 x 满足相平衡满足相平衡热量衡算热量衡算 Q=FCp(T-t0)节流后，显热节流后，显热潜热潜热 FCp(T-te)=(1-q)Fr应加热至应加热至xxy)1(1 peCrqtT)1(3.2 简单蒸馏简单蒸馏非定态非定态 y(),x()Wx=ydW+(W-dW)(x-dx)得得 (y-x)dW=Wdx 2121xxWWxydxWdW当当 时，时，当简单蒸馏中当简单蒸馏中 与平衡蒸馏中与平衡蒸馏中q相等时，分离程相等时，分离程度哪个大？度哪个大？xxy)1(1 11lnln11ln122121xxxxWW 22

7、1121)(xWxWWWy 212211WWxWxWy 12WW4 精馏原理精馏原理4.1 精馏过程分析精馏过程分析1 多次部分汽化和部分冷凝多次部分汽化和部分冷凝xFxxx”xFyyy”2 精馏分离过程精馏分离过程3 精馏的必要条件：回流精馏的必要条件：回流4.2 精馏过程数学描述精馏过程数学描述 液体逐板下降液体逐板下降 汽体逐板上升汽体逐板上升每块塔板为一个汽液接触单元每块塔板为一个汽液接触单元基本分析方法：基本分析方法：物料衡算物料衡算 热量衡算热量衡算 过程特征方程过程特征方程考察单元：一块塔板考察单元：一块塔板1)全塔物料衡算全塔物料衡算 F=D+W FxF=DxD+WxW6个变量

8、个变量,已知已知4个个,求求2个个或或5个变量个变量()已知已知3个求个求2个个已知已知 ，求，求 以以xW为支点，为支点，,已知已知 (塔顶采出率塔顶采出率),求：求：，WDFxxxFWFD,WDFxxx,FWFD,WDWFxxxxFD FDFW 1FDxxDF,FWxW,FDFW 1FWFDxxWDxFxxDFDFW/已知已知 ，轻组分回收率，轻组分回收率 A()，求：求：，DFxx,FDFxDx BWFWx,DFAxxFD FDFW 1AFWFxWx 1FWxxFAW/)1()1()1(FWBxFxW 2)单块板上过程的数学描述单块板上过程的数学描述 L,V kmol/s I,i kJ/

9、kmol r 汽化潜热汽化潜热物料衡算物料衡算总物料：总物料：轻组分：轻组分：热量衡算热量衡算nnnnLVLV 11nnnnnnnnxLyVxLyV 1111nnnnnnnniLIViLIV 1111tCpiriI ,nnnnnnnnnniLriViLriV )()(11111忽略组成与温度引起的饱和液体焓、汽化热差别忽略组成与温度引起的饱和液体焓、汽化热差别 in+1=in=in-1=i rn+1=rn=r则有则有 (Vn+1-Vn)r=(Vn+Ln-Vn+1-Ln-1)i=0结论：结论：Vn+1=Vn，Ln=Ln-1 汽液相摩尔流率不变汽液相摩尔流率不变恒摩尔流假定恒摩尔流假定主要条件：两

10、组份的摩尔汽化热相等主要条件：两组份的摩尔汽化热相等过程特征方程过程特征方程理论板理论板离开塔板的汽液两相达到传质、离开塔板的汽液两相达到传质、传热平衡传热平衡过程特征方程简化为：过程特征方程简化为：泡点方程泡点方程 tn=(xn)相平衡方程相平衡方程 yn=f(xn)如如实际板与理论板的差别实际板与理论板的差别板效率板效率默弗里板效率默弗里板效率 其中其中 nnnxxy)1(1 理理想想增增浓浓实实际际增增浓浓 11*nnnnmVyyyyEnnnxxy)1(1*方法方法过程分解过程分解简化结果简化结果:yn=f(xn)加料板过程分析加料板过程分析 得得 定义定义nnnnLxVyLxVy 11

11、mmmmfxLVyLxyVFx 11)(mmxfy iIiIFLLf iIiIqf 两相流量关系两相流量关系q为加料热状态参数为加料热状态参数(液化率液化率)q=0 饱和蒸汽加料饱和蒸汽加料0q1 冷液加料冷液加料q0 过热蒸汽加料过热蒸汽加料rttCqFSP)(1 rTTCqSFV)(塔釜和冷凝器塔釜和冷凝器塔釜蒸发器热负荷塔釜蒸发器热负荷物料衡算物料衡算塔釜塔釜=1块理论板块理论板全凝器全凝器,泡点回流条件下泡点回流条件下塔顶冷凝器热负荷塔顶冷凝器热负荷 QC=V rc物料衡算物料衡算 V=L+D Vy1=Lx0+DxDbBrVQ WLV WNNWxxLyV14.3 塔段的数学描述塔段的数

12、学描述1)塔内汽液摩尔流量塔内汽液摩尔流量定义回流比定义回流比 R=L/D全凝器全凝器,泡点回流条件下泡点回流条件下精馏段：精馏段：L=RD V=L+D=(R+1)D提馏段：提馏段：qFRDL FqDRFqVV)1()1()1(2)操作线方程操作线方程精馏段操作线精馏段操作线操作线操作线表示同一塔截面上的表示同一塔截面上的 汽液两相浓度关系。汽液两相浓度关系。塔段物料衡算的结果塔段物料衡算的结果 L=RD,V=(R+1)DDnnDxLxVy1VDxxVLyDnn1111RxxRRyDnn提馏段操作线提馏段操作线操作线图示操作线图示精馏段过精馏段过(xD,xD)点点,截距截距提馏段过提馏段过(xW,xW)点点,斜率斜率交点：交点：FDnnFxDxxLyV1VFxDxxVLyFDnn1FqDRWxxFqDRqFRDyWnn)1()1()1()1(1qRqxRxyDFq qRxqxRxDFq )1()1(q 线方程线方程由由xq与与yq消去消去xD，得，得q线方程线方程理论板增浓理论板增浓B点代表离开点代表离开n板的两相浓度关系板的两相浓度关系11 qxxqqyFqq本次讲课习题：本次讲课习题：第第4章章 14