化學(xué)工程與工藝課件精餾單元操作技術(shù)02

1、精餾單元操作技術(shù),任務(wù)2：酒精蒸餾回收工藝條件的確定(1),雙組分溶液的氣液組成的表示方法,1）質(zhì)量分率：混合物中某一組分在混合物中占的百分?jǐn)?shù),易揮發(fā)組分A,易揮發(fā)組分B,2）摩爾分率：,,3）換算關(guān)系：,氣液相平衡的概念,在一封閉容器中,如圖所示。在一定條件下，液相中各組分均有部分分子從介面逸出進(jìn)入液面上方氣相空間，而氣相也有部分分子返回液面進(jìn)入液相內(nèi)。經(jīng)長時(shí)間接觸，當(dāng)每個(gè)組分的分子從液相逸出與氣相返回的速度相同，或達(dá)到動(dòng)平衡時(shí)，

2、即該過程達(dá)到了相平衡。把這種氣液兩相在平衡狀態(tài)下的濃度關(guān)系成為氣液相平衡關(guān)系。,,,pA, pB ——溶液上方A、B組分的分壓，Pa；pA0 , pB0 ——溶液溫度下純組分的飽和蒸汽壓，Pa； xA , xB ——液相中A、B組分的摩爾分率。,對(duì)于理想溶液，在一定溫度下，氣液相平衡時(shí)，氣相中任一組份的分壓等于該組分的在該溫度下的飽和蒸汽壓乘以它在液相中的摩爾分?jǐn)?shù)。,1. 拉烏爾定律（ Raoult’s Law）,理

3、想溶液的氣液相平衡關(guān)系,液相組成 x 與溫度的關(guān)系,蒸餾通常是在一定外壓下進(jìn)行，操作過程中溶液的沸點(diǎn)隨組成而變，故總壓一定下的沸點(diǎn)與組成圖是分析精餾過程的基礎(chǔ)。,沸點(diǎn)－組成圖,以苯-甲苯混合液為例，在常壓下，其t－ x－ y圖如圖所示，以溫度t為縱坐標(biāo)，液相組成xA和汽相組成yA為橫坐標(biāo)(x，y均指易揮發(fā)組分的摩爾分?jǐn)?shù))。,沸點(diǎn)－組成圖,圖中有兩條曲線，下曲線表示平衡時(shí)液相組成與溫度的關(guān)系，稱為液相線，上曲線表示平衡時(shí)汽相組成與溫度的關(guān)

4、系，稱為汽相線。兩條曲線將整個(gè)t－ x－ y圖分成三個(gè)區(qū)域，液相線以下代表尚未沸騰的液體，稱為液相區(qū)。汽相線以上代表過熱蒸汽區(qū)。被兩曲線包圍的部分為汽液共存區(qū)。,沸點(diǎn)－組成圖,在恒定總壓下，組成為x，溫度為t1（圖中的點(diǎn)A）的混合液升溫至t2(點(diǎn)J)時(shí)，溶液開始沸騰，產(chǎn)生第一個(gè)汽泡，相應(yīng)的溫度t2稱為泡點(diǎn)，產(chǎn)生的第一個(gè)氣泡組成為y1(點(diǎn)C)。同樣，組成為y、溫度為t4（點(diǎn)B）的過熱蒸汽冷卻至溫度t3（點(diǎn)H）時(shí)，混合氣體開始冷凝產(chǎn)生第一滴

5、液滴，相應(yīng)的溫度t3稱為露點(diǎn)，凝結(jié)出第一個(gè)液滴的組成為x1(點(diǎn)Q)。F、E兩點(diǎn)為純苯和純甲苯的沸點(diǎn)。,氣液相平衡圖,y－ x圖表示在恒定的外壓下，蒸氣組成y和與之相平衡的液相組成x之間的關(guān)系。圖2是101.3 kPa 的總壓下，苯—甲苯混合物系的y－ x圖，它表示不同溫度下互成平衡的汽液兩相組成y與x的關(guān)系。圖中任意點(diǎn)D表示組成為x1的液相與組成為y1的氣相互相平衡。,沸點(diǎn)-組成圖（t~x~y圖),兩條線：氣相線（露點(diǎn)線）

6、 ——yA~t 關(guān)系曲線 液相線（泡點(diǎn)線） ——xA~t 關(guān)系曲線,三個(gè)區(qū)域：液相區(qū) 氣、液共存區(qū) 氣相區(qū),氣液平衡圖x~y圖,對(duì)角線 y=x 為輔助線； x~y曲線上各點(diǎn)具有不同的溫度； 對(duì)于大多數(shù)溶液，平衡時(shí)y>x ，故平衡曲線在對(duì)角線的上方； 平衡線離對(duì)角線越遠(yuǎn)，揮發(fā)性差異越大，物系越易分離。,壓力對(duì)t~x~y圖及x~y圖的影響,壓力增

7、加，平衡線靠近對(duì)角線，分離難度加大。,正偏差溶液：x=0.894，最低恒沸點(diǎn)，78.15℃,乙醇－水溶液相圖,非理想溶液的氣液相平衡關(guān)系1.具有正偏差的溶液,硝酸－水溶液相圖,負(fù)偏差溶液：x=0.383，最高恒沸點(diǎn)，121.9℃,2. 具有負(fù)偏差的溶液,揮發(fā)度與相對(duì)揮發(fā)度,pA、 pB——汽液平衡時(shí)，組分A,B在氣相中的分壓； xA、xB——汽液平衡時(shí)，組分A,B在液相中的摩爾分?jǐn)?shù)。,,混合液某組分揮發(fā)度:,1. 揮發(fā)度,意義：

8、是該物質(zhì)揮發(fā)難易程度的標(biāo)志。,定義：氣相中某一組分的蒸汽分壓和與之平衡的液相中的該組分摩爾分?jǐn)?shù)之比，用符號(hào)?表示。,,理想溶液：,理想溶液：,一般溶液：,相對(duì)揮發(fā)度(以 表示),定義：溶液中兩組分揮發(fā)度之比。,對(duì)于二元理想溶液 ：yB=1-yA xB=1-xA,即,—— 相平衡方程,理想溶液：,,則,3. 平均相對(duì)揮發(fā)度,式中α頂——塔頂?shù)南鄬?duì)揮發(fā)度α釜——塔釜的相對(duì)揮發(fā)度,4.α的物理意義,氣相中兩組分組成之比是液相中兩組

9、分組成之 比的倍數(shù)； α標(biāo)志著分離的難易程度； 若α>1,則 y>x ,可用蒸餾方法分離，且α愈大， x-y圖中平衡線愈遠(yuǎn)離對(duì)角線，物系愈易分離； α=1, 無法用普通蒸餾方法分離。,簡單蒸餾和平衡蒸餾,簡單蒸餾又稱為微分蒸餾，瑞利（Rayleigh)1902年提出了該過程數(shù)學(xué)描述方法，故該蒸餾又稱之為瑞利蒸餾。,1. 裝置,2. 特點(diǎn):,間歇非定態(tài)。一次進(jìn)料。xD, xW不

10、是一對(duì)平衡組成。適合于?大的組分。,一 、 簡單蒸餾,二、平衡蒸餾(又叫閃蒸),1. 流程,2. 特點(diǎn):一次進(jìn)料，粗分xi, yi是一對(duì)平衡組成,三、簡單蒸餾和平衡蒸餾的比較,簡單蒸餾：相當(dāng)于分批多次采用一個(gè)理論塔板進(jìn)行蒸餾，故同一理論板相當(dāng)多次發(fā)揮作用。,平衡蒸餾：相當(dāng)于總進(jìn)料一次通過一個(gè)理論板，進(jìn)行一次分離。分離效果不及簡單蒸餾。,精餾原理,無回流的多次部分汽化和多次部分冷凝,缺點(diǎn)：1.收率低；2.設(shè)備重復(fù)量大，設(shè)備投資大

11、；3.能耗大，過程有相變。,問題：工業(yè)上如何實(shí)現(xiàn)？,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,精餾原理,通過多次部分氣化和多次部分冷凝，最終可以獲得幾乎純態(tài)的易揮發(fā)組分和難揮發(fā)組分，但得到的氣相量和液相量卻越來越少。,精餾模型,進(jìn)料板：原料液進(jìn)入的那層塔板。,精餾段：進(jìn)料板以上的塔段。,提餾段：進(jìn)料板以下（包括進(jìn)料板）的塔段。,1.3.3 連續(xù)精餾裝置流程,１. 連續(xù)精餾裝置,2. 塔板的作用,塔板提供了汽液

12、分離的場(chǎng)所；每一塊塔板是一個(gè)混合分離器；足夠多的板數(shù)可使各組分較完全分離。,特點(diǎn)：,回流的作用：提供不平衡的氣液兩相，是構(gòu)成氣液兩相傳質(zhì)的必要條件。精餾的主要特點(diǎn)就是有回流。,3. 精餾過程的回流,回流包括：,塔頂回流液塔底回流汽,,塔頂回流液,回流液：在任意塔板上，上一塊塔板下來的液體，輕組分含量高，溫度低。,塔釜汽相回流,回流汽：任意塔板上，下一塊塔板上來的汽體，重組分含量高，溫度高；,理論板的概念和恒摩爾流的假設(shè),假設(shè)

13、（1） 兩組分的摩爾汽化潛熱相等；（2）兩相接觸因兩相溫度不同而交換的顯熱可忽略不計(jì)；（3）塔設(shè)備保溫良好，熱損失可以忽略不計(jì)。,2. 恒摩爾流的假設(shè),1. 理論板的概念,所謂理論塔板是指這樣一塊塔板，當(dāng)汽液兩相在其上進(jìn)行接觸傳質(zhì)時(shí)，離開該塔板的兩相在傳熱、傳質(zhì)方面都達(dá)到了平衡，即汽液兩相的溫度相同、組成互呈平衡。,精餾段，每層塔板上升的蒸汽摩爾流量都相等，提餾段也一樣。即： V1=V2= ··&

14、#183;··· V=常數(shù) V1’=V2’= ······ V’=常數(shù)式中：V ——精餾段上升蒸汽的摩爾流量，kmol/h; V’——提餾段上升蒸汽的摩爾流量，kmol/h。 （下標(biāo)1、2······表示自上而下的塔板序

15、號(hào)。）,（1）恒摩爾汽化,精餾段內(nèi)，每層塔板下降的液體摩爾流量都相等，提餾段也一樣。即： L1=L2= ······ L=常數(shù) L1’=L2’= ······ L’=常數(shù)式中L ——精餾段下降液體的摩爾流量，kmol/h;L’——提餾段下降液體的摩爾流量，kmol/h。（下

16、標(biāo)1、2······表示自上而下的塔板序號(hào)。）,（2）恒摩爾液流,塔頂采出率,塔底采出率,全塔物料衡算,F、D、W——kmol/h,xF、xD、xW——輕組分的摩爾分率,塔頂易揮發(fā)組分回收率,塔底難揮發(fā)組分回收率,精餾段操作線方程,令 ——回流比,——精餾段操作線方程,,,,精餾段操作線:,當(dāng)R, D, xD為一定值時(shí),該操作線為一直線.,斜率:,截距:,,,,y

17、,x,,,xD,操作線為過點(diǎn)（xD， xD（yD）),操作線如圖所示：,提餾段操作線方程,——提餾段操作線方程,,,意義：提餾段 ym＋1＝f（xm）,提餾段操作線為 過點(diǎn)（xW， xW（ yW ））,斜率：,截距:,,,a,b,q,將5000kg/h含乙醇0.4（摩爾分?jǐn)?shù)，下同）和水0.6的混合液在常壓連續(xù)精餾塔中分離。要求餾出液含乙醇0.85，釜液含乙醇不高于0.02，求餾出液，釜液的流量及塔頂易揮發(fā)組分的回收率和采出率。,練

18、習(xí)：,問題：1、簡單蒸餾和平衡蒸餾的比較,作用？,塔頂回流液塔底回流汽,,2、回流包括：,3. 理論板的概念,4. 恒摩爾流的假設(shè)的前提？,1.4.4 進(jìn)料熱狀況的影響,(1) 冷液 tFtd,冷液進(jìn)料,泡點(diǎn)進(jìn)料,,,,,,,,F,L,V’,,L’,V,,汽液混合進(jìn)料,過熱蒸汽進(jìn)料,飽和蒸汽進(jìn)料,1. 加料板的物料衡算,,F IF +L IL +V’ IV’=VIV+L’IL’,物料恒算：F+V’+L=

19、V+L’ 即V-V’=F-(L’-L),2. 熱量衡算,,,,,,,,,加料板F,F, xF, IF,L IL,V IV,L’ IL’,V’ IV’,,式中 IV，IV’ IL，IL’ ——分別為進(jìn)料板上、下飽和蒸汽和飽和液體的摩爾焓kJ/kmol；,IV IV’,IL IL’,假設(shè),上式化簡后：,q——進(jìn)料熱狀況參數(shù),由于加料板附近塔板的溫度，液相組成相近。,,即

20、：1kmol原料由飽和液體變?yōu)轱柡驼羝锜崃?所以：,將精餾段與提餾段關(guān)聯(lián)起來,q值的計(jì)算式:,r:進(jìn)料的平均氣化潛熱，KJ/kmol； ts:進(jìn)料泡點(diǎn)溫度CP:進(jìn)料的平均比熱， KJ/（kmol. ℃）；tF:進(jìn)料溫度,1.4.5 進(jìn)料方程（q線方程）,q 線方程或進(jìn)料方程,,意義：精餾段與提餾段交點(diǎn)軌跡方程；,L與L’,進(jìn)料狀況,q值,q線位置,V與V’,例6-2 將含0.24（摩爾分?jǐn)?shù)，下同）易揮發(fā)組分的某

21、液體混合物送入一連續(xù)精餾塔中。要求餾出液含0.95易揮發(fā)組分，釜液含0.03易揮發(fā)組分。送入冷凝器的蒸汽量為850kmol/h，流入精餾塔的回流液為670kmol/h，試求：1．每小時(shí)能獲得多少kmol/h的餾出液？多少kmol/h 的釜液？2. 回流比R為多少？3. 寫出精餾段操作線方程。,求：(1)D, W (2)V, L(3) 泡點(diǎn)進(jìn)料, V ’ L’ ?(4) 飽和蒸汽進(jìn)料 V ’ L