06 第六章 蒸馏.pptx

第1页：第六章蒸馏

• 蒸馏(Distillation)
• 概述
• 双组分溶液的气液相平衡
• 蒸馏与精馏原理
• 双组分连续精馏的计算
• 双组分精馏的设计计算
• 其它精馏方式
• 塔高塔径的计算
• 操作型计算
• 恒沸精馏与萃取精馏

第2页：6.1概述

• 概述
• 蒸馏的应用
• 蒸馏分离的目的和依据
• 蒸馏过程的分类
• 蒸馏操作的费用

第3页：1、蒸馏的应用

1、蒸馏的应用

液体产品的精制----石油的精制

第4页：

第5页：2、蒸馏分离的目的和依据

2、蒸馏分离的目的和依据

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

挥发性大(乙醇)

挥发性大(乙醇),称为易挥发组分或轻组分(

挥发性小(水),称为难挥发组分或重组分(B

液体混合物:(如:酒精水溶液)

第6页：3、蒸馏过程的分类

3、蒸馏过程的分类

简单蒸馏

按蒸馏方式:平衡蒸馏

精馏

常压蒸馏

按操作压力:加压蒸馏

减压(真空)蒸馏

按物系的组分数

双组分蒸馏

多组分蒸馏

第7页：间歇蒸馏

间歇蒸馏

连续蒸馏

按操作方式:

普通蒸馏

特殊蒸馏

按分离难易:

4、蒸馏操作的费用

主要费用:加热和冷却费用,即能耗大。

第8页：6.2.1双组分溶液的气液关系

• 双组分溶液的气液关系
• 气液相平衡
• 挥发度与相对挥发度
• 非理想溶液
• 双组分溶液的气液相平衡

第9页：相数:气相、液相

组分: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xA~yA存在一一对应关系

自由度:

1、相律分析:

6.2.1双组分溶液的气液关系

第10页：pA,pB——溶液上方A、B组分的分压

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(Raoult’sLaw)

6.2.2气液相平衡

第11页：2、道尔顿分压定律

2、道尔顿分压定律:

——泡点方程

液相组成x与温度(泡点)的关系

第12页：气相组成yA与温度露点的关系

气相组成yA与温度(露点)的关系

——露点方程

第13页：3、组成~温度图t~x~y图

3、组成~温度图(t~x~y图)

两条线:气相线(露点线)

yA~t关系曲线

液相线(泡点线)

xA~t关系曲线

三个区域:液相区

气、液共存区

气相区

第14页：对角线y=x为辅助曲线

4、x~y图

对角线y=x为辅助曲线

x~y曲线上各点具有不同的温度;

平衡线离对角线越远,挥发性差异越大,物系越易分离。

第15页：5.压力x~y图的影响

5.压力x~y图的影响

压力增加,平衡线靠近对角线,分离难度大

第16页：6.2.3挥发度与相对挥发度

6.2.3挥发度与相对挥发度

组分的挥发度:是该物质挥发难易程度的标志,ν表示。

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在液相中的摩尔分率。

混合液某组分挥发度:

1.挥发度

第17页：理想溶液则

理想溶液则:

2.相对挥发度(以α表示)

理想气体:

一般物系:

第18页：对于二元物系

对于二元物系:yB=1-yAxB=1-xA

即

——相平衡方程

理想溶液:

4.平均相对挥发度

第19页：3.α的物理意义

3.α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

α标志着分离的难易程度:

α愈大,平衡线愈远离对角线,物系愈易分离;

α=1,无法用普通蒸馏方法分离。

第20页：6.2.4非理想溶液

6.2.4非理想溶液

1.具有正偏差的溶液

一般正偏差:pA>pA理,pB>pB理。

正偏差溶液:x=0.894,最低恒沸点,78.15℃

乙醇-水溶液相图

第21页：硝酸-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pA<pA理,pB<pB理。

第22页：6.3.1简单蒸馏与平衡蒸馏

• 简单蒸馏与平衡蒸馏
• 精馏原理
• 连续精馏装置流程
• 理论板的概念和衡摩尔流假设
• 蒸馏与精馏原理

第23页：6.3.1简单蒸馏和平衡蒸馏

• 简单蒸馏和平衡蒸馏
• 简单蒸馏
• 装置

第24页：二.平衡蒸馏又叫闪蒸

• 平衡蒸馏(又叫闪蒸)
• 流程
• 特点:
• 一次进料,粗分
• xD,xW是一对平衡组成

第25页：1、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
• 缺点:
• 收率低;
• 设备重复量大,设备投资大;
• 能耗大,过程有相变。

第26页：2、有回流的多次部分汽化

2、有回流的多次部分汽化和多次部分冷凝

第27页：6.3.3连续精馏装置流程

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

6.3.3连续精馏装置流程

1.连续精馏装置

第28页：2、塔板的作用

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:

第29页：回流的作用

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

第30页：6.3.4理论板的概念和衡摩尔流的假设

• 理论板的概念和衡摩尔流的假设
• 理论板的概念
• 理论板:离开塔板的蒸汽和液体呈平衡的塔板。
• 假设:
• 两组分的摩尔汽化潜热相等;
• 两相接触因两相温度不同而交
• 换的显热可忽略不计;
• 塔设备保温良好,热损失可以忽略不计。
• 恒摩尔流的假设

第31页：精馏段,每层塔板上升的蒸汽摩尔流量都相等

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。

(1)恒摩尔汽化

第32页：精馏段内,每层塔板下降的液体摩尔流量都相

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)恒摩尔溢流

第33页：6.4双组分连续精馏的计算

• 双组分连续精馏的计算
• 全塔物料衡算
• 精馏段操作线方程
• 提馏段操作线方程
• 进料热状况的影响
• 进料方程(q线方程)

第34页：塔顶采出率

塔顶采出率

塔底采出率

F,xF

D,xD

W,xW

6.4.1全塔物料衡算

F、D、W——kmol/h

xF、xD、xW——摩尔分率

塔顶易挥发组分回收率

塔底难挥发组分回收率

第35页：6.4.2精馏段操作线方程

6.4.2精馏段操作线方程

令——回流比

——精馏段操作线方程

第36页：精馏段操作线

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)

画操作线过程如下:

第37页：6.4.3提馏段操作线方程

6.4.3提馏段操作线方程

——提馏段操作线方程

第38页：操作线的实际做法

操作线的实际做法

第39页：6.4.4进料热状况的影响

• 进料热状况的影响
• 冷液
• 饱和液体(泡点进料)
• 气液混合
• 饱和蒸汽(露点进料)
• 过热蒸汽

第40页：冷液进料泡点进料、汽液混合进料

F

L

V’

L’

V

冷液进料

泡点进料

F

L

V’

L’

V

F

qF

(1-q)F

L

V’

L’

V

汽液混合进料

第41页：过热蒸汽进料、饱和蒸汽进料

F

L

V’

L’

V

过热蒸汽进料

F

L

V’

L’

V

饱和蒸汽进料

第42页：1、加料板的物料衡算

1、加料板的物料衡算

FhF+LhF-1+V’HF+1=VHF+L’hF

物料恒算:F+V’+L=V+L’

2、热量衡算

加料板F

F,xF,hF

LhF-1

VHF

L’hF

V’HF+1

式中:

H,h,hF---分别为饱和蒸汽、饱和液体、原料液的摩尔焓KJ/kmol;

第43页：进料热状况参数、原料在饱

HF=HF+1=H=原料在饱和蒸汽状态下的摩尔焓

hF=hF-1=h=原料在饱和液体状态下的摩尔焓

假设:

令q=

q——进料热状况参数

第44页：6.4.5进料方程q线方程

6.4.5进料方程(q线方程)

q线方程或进料方程

第45页：

第46页：6.5双组分精馏的设计计算

• 双组分精馏的设计计算
• 理论塔板数的计算
• 回流比的影响与选择
• 理论板的捷算法

第47页：精馏操作分离要求

精馏操作分离要求:

(1)D,xD(W,xW);

(2)xD,xW;

(3)

选择条件:

操作压力p,回流比R,进料热状态q。

确定:塔板数N

第48页：6.5.1理论塔板数的计算

6.5.1理论塔板数的计算

1.逐板计算法

xn~yn符合平衡关系;

yn+1~xn符合操作关系。

塔顶设全凝器,泡点回流。

塔顶全凝器

精馏段(n-1)块板,第n块为加料板。

精馏段:

F,xF

D,xD

W,xW

yW

m-1

1

2

n

x1

x2

xn

xm-1

y2

y1

ym-1

第49页：提馏段

提馏段:

提馏段(m-1)块板

2.图解法

第50页：

第51页：3.最优加料位置的确定

3.最优加料位置的确定

加料过晚

加料过早

最优加料板位置:

第52页：6.5.2回流比的影响与选择

6.5.2回流比的影响与选择

1.回流比对精馏操作的影响

第53页：

第54页：2.全回流与最少理论板数

2.全回流与最少理论板数

全回流与最少理论板数

第55页：操作线

操作线:

平衡线:

第1块板:

全凝器

或

则

第2块板:

第56页：NT块板后

NT块板后

(不包括再沸器)

α相差不大时:

双组分:

(不包括再沸器)

第57页：最小回流比

最小回流比:对于一定的分离任务,所需理论板为无穷多时所对应的回流比。

3.最小回流比

第58页：一般形状的平衡线

一般形状的平衡线:

斜率法

截矩法:

公式法:

q=1时,xq=xF

q=0,yq=xF

第59页：

第60页：不同平衡线形状的最小回流比

不同平衡线形状的最小回流比

第61页：4.适宜回流比

4.适宜回流比

适宜回流比:

第62页：6.5.3理论板的捷算法

• 理论板的捷算法
• 先算Rmin
• R=(1.1-2)Rmin
• Nmin⇑由坐标Y⇑N
• 注意:
• N,Nmin不包括再沸器。

第63页：6.6其它精馏方式

• 其它精馏方式
• 直接蒸汽加热
• 回收塔(提馏塔)
• 多股进料
• 分凝器
• 间歇精馏

第64页：6.6.1直接蒸汽加热

6.6.1直接蒸汽加热

操作前提:

1、物料中有水

2、水是重组分,从塔釜出去

提馏段物料恒算:

操作线方程:

FxF

W

D

第65页：间接加热

间接加热

直接蒸汽加热

第66页：6.6.2回收塔提馏塔

6.6.2回收塔(提馏塔)

特点:

从第一块板加料,无精馏段,无回流,下降的液体由进料提供。

加料情况:

冷液或泡点进料。

FxF

DxD

WxW

第67页：泡点进料

已知:xF,F,xW,η

泡点进料

L’=F,V’=D

例:回收塔分离乙醇水溶液,塔内有蒸馏釜,一块理论板,已知为泡点进料,要求xD=0.6,xW=0.1。

求:xF,D/F

第68页：6.6.3多股进料

6.6.3多股进料

两股进料:

F1,xF1;F2,xF2分别与相应塔板组成与xF1,xF2相当;

F1q1xF1

F2q2xF2

DxD

І

П

Ш

WxW

第69页：两股进料将塔分成三段

两股进料将塔分成三段,得三个操作线方程

第一段:

第二段:

第三段:

第70页：例:泡点回流

例:泡点回流,塔釜间接加热,理想液体

第一股加料:F1=10kmol/h,XF1=0.6q1=1

第二股加料:F2=5kmol/h,XF2=0.4,q2=0

要求:XD=0.99,Xw=0.02

求:1)D,W2)R=1时求第二段操作线3)若α=3Rmin=?

第71页：分凝器

D,xD

分凝器

全凝器

分凝器也相当于一块理论板,可以x0、y0计,其它相同。

6.6.4分凝器

第72页：分凝器

92908886T℃10811020.8963.2908.2PA0mmHg433.7406.7381.1356.1PB0mmHg

分凝器

例:分离苯-甲苯混合液,塔顶装有分凝器与全凝器,已知塔顶的蒸汽出口温度92℃,分凝器出口的汽液温度为88℃(汽液温度同),p=1atm,若上述两个温度均下降2℃,即90℃与86℃,试问回流比与流出液组成有何变化?

苯-甲苯沸点与饱和蒸汽压数据

第73页：6.6.5间歇精馏

• 间歇精馏
• 特点:
• 过程非定态
• 塔底加料,无提馏段
• 获得xD,xW一定的产品,能耗大于连续精馏
• 两种操作:
• 恒回流比R=常数,定xW
• 恒流出液组成,定xD

第74页：恒回流比R=常数,定xW

(1)恒回流比R=常数,定xW

回流比以开始的状态计算

已知:FxF,xW终,xD,选择适宜的R

求:NT

第75页：恒流出液组成,定xD

(2)恒流出液组成,定xD

第76页：6.7塔高塔径的计算

• 塔高塔径的计算
• 塔效率
• 精馏装置的热量恒算
• 塔径的计算
• 塔高的计算

第77页：6.7.1塔效率

1、全塔效率E

NT:不包括塔釜

6.7.1塔效率

2、单板效率(默弗里板效率)Emv,EmL

xn*xnxn-1

yn*

yn

yn+1

第78页：例:用一个蒸馏釜和一层实际板组成的精馏塔

例:用一个蒸馏釜和一层实际板组成的精馏塔分离二元理想溶液。

组成为0.2的料液在泡点温度下有塔顶加入,系统的相对挥发度为2.5。

若使塔顶轻组分的回收率为80%,并要求塔顶产品组成为0.80,试求该层塔板的液相默弗里板效率。

第79页：6.7.3塔径的计算

6.7.2塔高的计算

塔的有效高度:

HT

6.7.3塔径的计算

注意:

将两段的摩尔流量换成体积流量

第80页：精馏段

精馏段

提馏段

由于q及操作条件不同,Vs,Vs’可能不同,

D精与D提可能不同,若相差不大,可统一。

第81页：6.7.4精馏装置的热量恒算

6.7.4精馏装置的热量恒算

目的:加热剂与冷却剂的用量

带入系统的热:

1、再沸器的热量恒算:

QB,QF,QR

带出系统的热:Qv,Qw,Q’

对全塔作热量衡算,以1小时,0℃为基准。

QF

QD

QW

Qc

Q’

Qv

QR

QB

第82页：冷凝器为全

冷凝器为全凝器,作热量衡算,以1小时,0℃为基准,忽略热损失

蒸汽用量:

GB-----水蒸汽用量,kg/h;

r-------水蒸气的汽化潜热,kJ/kg..

2、冷凝器的热量恒算

冷却剂的消耗量GC

热量衡算

能量恒算:

第83页：6.8操作型计算

1.NT不变,泡点进料,讨论xD,xW如何变化?

a.xF↓,其它不变,D,W不变。

结论:xD↓,xW↓

6.8操作型计算

xF↓对xD,xW的影响

第84页：b.加料板位置上移

b.加料板位置上移

结论:xD↓,xW↑

加料板位置↑对xD,xW的影响

第85页：R↑对xD,xW的影响

c.R↑

结论:xD↑,xW↓

R↑对xD,xW的影响

第86页：q↑对xD,xW的影响

d.q↑,R不变,D不变,V’↑

结论:xD↑,xW↓

q↑对xD,xW的影响

第87页：2、一个正常操作的精馏塔

2、一个正常操作的精馏塔,泡点进料,塔顶塔底产品均合乎要求,由于某种原因,xF↓。

问:(1)此时产品组成将有何变化?

(2)若维持xD不变,可采用哪些措施,并比较这些方法的优缺点?

第88页：6.9恒沸精馏与萃取精馏

• 恒沸精馏与萃取精馏
• 恒沸精馏
• 萃取精馏

第89页：6.9.1恒沸精馏

6.9.1恒沸精馏

原理:在混合液中加入第三组分(称为挟带剂)形成新的最低恒沸物。

第90页：6.8.2萃取精馏

6.8.2萃取精馏

原理:向混合液中加入溶剂(又称萃取剂),与恒沸精馏不同的是萃取剂不与原料液中任何组分形成恒沸物。