理解蒸馏的原理与分类课件.ppt

1,第1章 蒸馏,2,要求：1.理解蒸馏的原理与分类；2.理解两组分溶液的气液平衡关系；3.掌握相对挥发度的概念及应用；4.理解简单蒸馏和平衡蒸馏；5.掌握精馏的原理及两组份连续精馏的计算；6.了解间歇精馏的特点及计算方法。,3,重 点：1.掌握相对挥发度的概念及应用；2.掌握精馏的原理及两组分连续精馏的计算。,4,传质过程或分离操作：物质在相间的转移过程。蒸馏：将液体混合物部分气化，利用各组分的挥发度不同的性质以实现分离目的的操作。易挥发组分（轻组份）：沸点低的组分难挥发组分（重组份）：沸点高的组分,5,蒸馏分类：操作流程,蒸馏方式,简单蒸馏 平衡蒸馏（闪蒸）精馏特殊精馏,间歇精馏连续精馏,较易分离或分离要求不高 较难分离很难分离,6,常压加压 混合物在常压下为气态减压 沸点较高又是热敏性的混合物,两（双）组分多组分 工业生产中常见，原理及 计算方法无本质区别。,操作压强,组分数目,7,第一节 两组分溶液的气液平衡,1-1-1 相律和拉乌尔定律,一、相律 表示平衡物系中的自由度数、相数、独立组分数之间的关系。,8,9,例：两组分的气液平衡C=2=2 F=2+2-2 可变化的参数有四个：温度 T、压强 P、一组分在液相中的组成 x 及在气相中的组成 y（另一组分的组成不独立），自由度数为 2，即只要知道T、P、x、y中的任意两个，可确定其余两个。若固定P，则 T、x、y 中只有一个独立变量。,10,二、拉乌尔定律（Raoults Law）理想溶液：,11,若平衡的气相为理想气体，可用道尔顿分压定律：,12,所以，恒P时，已知t x,y 恒P时，已知x(或y)t,y(或x)（试差）两组分的气液平衡关系：恒P，t-x(y)，x-y相图,13,1-1-2 相对挥发度,相对挥发度的引入使得气液平衡的表示更为简便。,14,15,16,1-1-3 两组分理想溶液的气液相图,常用：恒P下，t-x(y)或 x-y一、温度组分图t-x(y)图,17,图1-1 苯甲苯混合溶液的图,18,由图可看出：温度相同时，yx，组成相同时，露点温度高于泡点温度。注意：P对t-x(y)图影响较大。,19,二、x-y图,y x P对x-y图影响较小。,20,1-1-4 两组分非理想溶液的气液相图,恒沸组成:正偏差溶液：两组分分压以及总压均大于拉乌尔定律的计算值，图中有最高点。负偏差溶液：两组分分压以及总压均小于拉乌尔定律的计算值，图中有最低点。恒沸组成与压强有关。,21,22,23,24,25,第二节 平衡蒸馏和简单蒸馏,1-2-1 平衡蒸馏,是一种单级蒸馏操作。物料衡算 热量衡算 汽液平衡,26,27,一、物料衡算,F、D、W：分别为原料液、气相、液相的流量，kmol/h或mol/s；xF、y、x：分别为原料液、气相、液相的组成，摩尔分率。,28,29,30,二、热量衡算对加热器作热量衡算，忽略热损失，则：,Q：加热器的热负荷，kJ/h；F：原料液流量，kmol/h；Cp：原料液平均比热，kJ/(kmol0C)；tF：原料液温度，0C；T：原料液离开加热器后的温度，0C。,31,原料液经节流减压后进入分离器，物料放出的显热等于部分气化所需的潜热，即：,te：分离器中物料的平衡温度，0C；r：平均摩尔气化潜热，kJ/kmol。,32,三、气液平衡关系t-x(y)or x y相图理想溶液，理想气体：,33,1-2-2 简单蒸馏,简单蒸馏又称微分蒸馏，也是一种单级蒸馏，常间歇操作。是不稳定过程，瞬间形成的蒸气与液相达相平衡，全部蒸气与剩余的液体达不到相平衡。,34,35,设瞬间釜中液相量为 L kmol，组成为 x，经微分时间 d 后，蒸出气量为dD，其组成为 y。在 d时间内，对总组分和易挥发组分分别作物料衡算，可得：,36,37,38,求解方法：若x-y平衡关系用曲线或表格表示时，则应用图解法或数值积分。若溶液为理想溶液:,39,若在操作范围内，平衡关系 x-y为一直线，即y=mx+b，则可得：,40,简单蒸馏和平衡蒸馏分离效果的比较。（理想溶液）,若气化率相同,41,42,若残液温度相同（残液浓度也相同）,43,第三节 精馏原理,1-3-1 多次部分气化和多次部分冷凝,1.要想使混合物得到比较完全的分离，有必要进行多次部分气化和多次部分冷凝。,44,图1-9 一次部分气化示意图,45,图1-10 一次部分气化的图,46,一次部分气化 x1 xF y1，x1 xW，y1 xD，故一次部分气化分离程度不高，需采用多次部分气化和冷凝，使得 x1 xW，y1 xD。,47,2.多次部分气化和多次部分冷凝的实现。两个过程分开：收率很低，能耗高，设备庞杂；同时进行：必须将塔顶产品部分引入塔中（回流）；再沸器使溶液部分气化产生上升蒸气。收率高，气化所需的能量可由冷凝过程提供。设备：板式塔、填料塔,48,图1-11 多次部分气化的分离示意图,49,图1-13 无中间产品及中间加热器与冷凝器的多次部分气化（冷凝）分离示意图,50,图1-12 多次部分气化和冷凝的示意图,51,1-3-2 精馏塔和精馏操作流程,一、精馏塔单块塔板,52,53,二、精馏操作流程1.连续精馏,图1-16 连续精馏操作流程,54,2.间歇精馏,图1-17 间歇精馏操作流程,55,第四节 两组分连续精馏的计算,工艺计算内容：1.确定产品的流量和组成；2.确定精馏塔的类型（板式塔或填料塔），根据塔型，求算理论板层数或填料层高度；3.确定塔高和塔径；,56,4.对板式塔，确定塔板结构、尺寸及塔板流体力学验算；对填料塔，确定填料类型及尺寸和流体阻力的计算。5.计算冷凝器和再沸器的热负荷，并确定两者的类型和尺寸。,57,1-4-1 理论板的概念及恒摩尔流假定,一、理论板 离开塔板的气液两相达到热力学平衡，而且塔板上的液相组成也视为均匀。,58,二、恒摩尔流假定1何为恒摩尔流：恒摩尔气流：,恒摩尔液流：,59,2.假定的必要性：简化计算3.假定成立的条件：各组分的摩尔气化潜热相等；气液接触时因温度不同而交换的显热可以忽略；塔设备保温良好，热损失可以忽略。,60,1-4-2 物料衡算和操作线方程,一、全塔物料衡算,图1-18 精馏塔的物料衡算,61,F、D、W：分别为原料液、气相、液相的流量，kmol/h或mol/s；xF、xD、xW：分别为原料液、气相、液相的组成，摩尔分率。,62,回收率：塔顶易挥发组分的回收率,塔底难挥发组分的回收率,63,二、精馏段操作线方程,图1-19 精馏段操作线方程的推导,64,对精馏段作物料衡算，可得：,65,三、提馏段操作线方程,图1-20 提馏段操作线方程的推导,66,对提馏段作物料衡算，可得：,方程中的L1与原料液的进料热状况有关，故需对原料液的进料热状况进行分析。,67,1-4-3 进料热状况的影响,原料液的热状况：1.温度低于泡点的过冷液体；2.泡点下的饱和液体；3.温度介于泡点和露点之间的气液混合物；4.露点下的饱和蒸气；5.温度高于露点的过热蒸气。原料液的热状况影响到进料板上上升蒸气量及下降液体量。,68,图1-21 进料热状况对进料板上、下各流体的影响,69,图1-21 进料板上的物料衡算和热量衡算,70,对进料板分别作物料衡算及热量衡算，可得：,71,q：进料热状况参数物理意义：1kmol进料时，提馏段中液体流量较精馏段中增加的值；对饱和液体、气液混合物、饱和蒸气，q等于进料的液相分率。,72,1-4-4 理论板层数的求法,已知：原料液组成、进料热状况、操作回流比、分离程度关系式：气液平衡关系、操作线方程一、逐板计算法,73,图1-23 逐板计算法计算法示意图,74,方法：交替利用气液平衡关系和操作线方程,75,分凝器：计算同上，只是精馏段为（n-2）层板,第n-1层为加料板。,76,二、图解法1.操作线的作法,图1-24 操作线的作法,77,78,进料热状况对q线方程及操作线的影响,表1-3 进料热状况对q值及q线的影响,79,80,2.图解方法,81,3.适宜的进料位置,82,1-4-5 几种特殊情况时理论板数的求法,一、直接蒸气加热水为重组分的混合溶液，以省掉再沸器。精馏段操作线方程与常规塔一样，q线不变，提馏段操作线方程需修正。,83,84,85,结论：进料组成、热状况、回流比、产品组成相同时，所需理论板较多。二、多侧线的塔（自学）,86,1-4-6 回流比的影响及其选择,一、全回流和最小理论板数全回流：塔顶蒸气冷凝后全部回流。D0，F0，W=0 精馏段和提馏段的操作线合二为一，y=x 所需理论板层数最少，Nmin。Nmin的计算：图解法，芬斯克方程,87,二、最小回流比夹紧点,88,求法：1.作图法,89,90,2.解析法三、适宜回流比的选择 R=(1.12.0)Rmin,91,92,1-4-7 简捷法求理论板数,一、吉利兰（Gilliland）图,93,94,二、求理论板数的步骤（略）,95,1-4-8 塔高和塔径的计算,一、塔高的计算1.板效率和实际板数（1）全塔效率E（总效率）,96,（2）单板效率EM（默弗里效率）,97,（3）点效率点效率可能大于1.02.理论板当量高度和填料层高度理论板当量高度又称等板高度HETP填料层高度=理论板数等板高度,98,二、塔径的计算,u如何计算，本书在塔设备这章中讲解。,99,1-4-9 连续精馏装置的热量衡算,100,一、冷凝器忽略热损失,QC：全凝器的热负荷，kJ/h；IVD：塔顶上升蒸气的焓，kJ/kmol；ILD：塔顶馏出液的焓，kJ/kmol。,101,二、再沸器的热负荷,QB：再沸器的热负荷，kJ/h；QL：再沸器的热损失，kJ/h；IVW：再沸器中上升蒸气的焓，kJ/kmol；ILW：釜残液的焓，kJ/kmol；ILM：提馏段底层塔板下降液体的焓，kJ/kmol。,102,103,第五节 间歇精馏,间歇精馏又称分批精馏，其特点：非稳定过程；只有精馏段。操作方式：恒定回流比，馏出液组成减小；恒定馏出液组成，回流比增大。,104,1-5-1 回流比恒定时的间歇精馏计算,一、确定理论板数1.计算最小回流比Rmin，确定适宜回流比R。2.图解法求理论板数。,105,106,二、对具有一定理论板层数的精馏塔，确定操作过程中各瞬间的xD和xW之间的关系,107,108,三、对具有一定理论板层数的精馏塔，确定操作过程中各瞬间的xD（xW）与W、D之间的关系,109,1-5-2 馏出液组成恒定时的间歇精馏计算,一、确定理论板数1.计算最小回流比Rmin，确定适宜回流比R。2.求理论板数。,110,111,二、确定xW和R的关系Ri xWixWi Ri 试差法,112,113,三、计算一批操作的气化量（了解）,114,第七节 多组分精馏（自学）,第六节 恒沸精馏和萃取精馏（了解）,