【正文】 化工原理多媒體課件 第 1章 蒸餾 Distillation ? 概述 ? 兩組分溶液的氣液平衡 ? 平衡蒸餾和簡單蒸餾 ? 精餾原理和流程 ? 兩組分連續(xù)精餾的計(jì)算 ? 間歇精餾 ? 恒沸精餾和萃取精餾 ? 多組分精餾 下一頁 上一頁 概述 ? 1 蒸餾的概念 ? 利用液體混合物中各組分揮發(fā)度的不同實(shí)現(xiàn)分離的單元操作 ? 2 蒸餾分離的特點(diǎn) ? 直接得到產(chǎn)品 ? 歷史悠久、應(yīng)用廣泛 ? 能耗高 ? 3 分類 ? 間歇精餾、連續(xù)精餾 ? 簡單蒸餾、平衡蒸餾、精餾、特殊精餾 下一頁 上一頁 ? 常壓、減壓、加壓精餾 ? 雙組分精餾、多組分精餾 ? 本章主要內(nèi)容 ? 常壓雙組分連續(xù)精餾的原理和計(jì)算方法 下一頁 上一頁 返回 兩組分溶液的氣液平衡 ? 兩組分理想物系的氣液平衡 ? 兩組分非理想物系的氣液平衡 下一頁 上一頁 返回 兩組分理想物系的氣液平衡 ? 1 相律 phase rule ?t， p， x， y: t： pxy； p： txy ? 2 氣液平衡函數(shù)關(guān)系 ?理想物系：理想溶液、理想氣體 ?液相符合拉烏爾定律、氣相符合道爾頓分壓定律 2 2 2 2 2FC ?? ? ? ? ? ? ?下一頁 上一頁 ? 1)飽和蒸汽壓法 ? 2)相平衡常數(shù)法 000BAABPpxpp??? Ppy AA0?000BABpppP?? A A Ay K x?0AApKP?0l g ( )BpAtC?? ? 安 托 因 方 程上一頁 下一頁 AAAyxK＝ ? 3)相對(duì)揮發(fā)度法 relative volatility ? 3 氣液平衡相圖 ? 1 txy圖 ? 2 xy圖 ? 3 pxy圖 1 ( 1 )xyx????? ( 1 )yxy?????下一頁 上一頁 下一頁 上一頁 下一頁 上一頁 上一頁 下一頁 返回 ? 1 分類 ? 非理想溶液、理想氣體 ? 理想溶液、非理想氣體 ? 非理想溶液、非理想氣體 ? 2 解析法 上一頁 下一頁 兩組分非理想物系的氣液平衡 0B B B Bp p x ?? 0A A A Ap p x ??0A A AApxyP??? 3 圖解法 ? 正偏差溶液，具有最低恒沸點(diǎn)溶液 下一頁 上一頁 下一頁 上一頁 下一頁 上一頁 ? 負(fù)偏差溶液，具有最高恒沸點(diǎn)溶液 下一頁 上一頁 下一頁 上一頁 ? 氣液平衡數(shù)據(jù)來源 ? 實(shí)驗(yàn)測(cè)定或從有關(guān)手冊(cè)中查得 ? 由純組分的某些物性按經(jīng)驗(yàn)的或理論的公式估算 ? 根據(jù)少量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，由經(jīng)驗(yàn)的或理論的公式估算 下一頁 上一頁 ? 例 1－ 1 苯與甲苯的飽和蒸汽壓和溫度的關(guān)系如本題附表所示。試?yán)美瓰鯛柖珊拖鄬?duì)揮發(fā)度，分別計(jì)算苯－甲苯混合液在總壓為 數(shù)據(jù)，并做出溫度－組成圖。該溶液可視為理想溶液。 下一頁 上一頁 ? （ 1）利用拉烏爾定律 0001 0 1 . 3 3 6 3 . 3 0 . 4 1 21 5 5 . 7 6 3 . 3BABPpxpp? ?? ? ???0 P? ? ? ?上一頁 下一頁 ? （ 2）利用相對(duì)揮發(fā)度 00ABpp? ?2 .5 4 2 .3 7 2 .4 62m????1 ( 1 ) 1 xxyxx????? ? ?下一頁 上一頁 ? 第 1講小結(jié) ? 蒸餾是分離均相液體混合物最廣泛采用的單元操作 。蒸餾分離的依據(jù)是混合液中組分揮發(fā)度的差異 。 ? 在恒壓下 ， 氣 — 液相平衡關(guān)系是 txy及 xy關(guān)系 。表示這些定量關(guān)系的方程是泡點(diǎn)方程 、 露點(diǎn)方程與相平衡方程 。 或者采用直觀的 txy圖及 xy圖 。 ? 相對(duì)揮發(fā)度 α數(shù)值大小可以說明物系采用蒸餾法進(jìn)行分離的難易 。 α越大 ， 溶液越容易分離 ， 反之則越難 。 而當(dāng) α＝ l時(shí) ， 由于平衡氣 、 液相濃度相等 ，即 y＝ x， 則不能采用普通蒸餾法將此物系進(jìn)行分離 。 ? 非理想溶液起因于溶液中異種分子間與同種分子間的作用力不同，表現(xiàn)為平衡蒸汽壓對(duì) Raoult定律的偏差。其極端情況是具有最高或最低恒沸點(diǎn)的溶液。在恒沸點(diǎn)組成下 y＝ x， 即 α＝ 1， 普通蒸餾法不能越過此點(diǎn)。 下一頁 上一頁 返回 平衡蒸餾和簡單蒸餾 ? 平衡蒸餾 ? 簡單蒸餾 上一頁 下一頁 返回 上一頁 下一頁 平衡蒸餾 equilibrium ditillation ? 1 物料衡算 q=W/F 稱為液化分率 ? 2 熱量衡算 –加熱器： –絕熱閃蒸： 1 FFFy x xDD??? ? ????? 11Fxqyxqq????()pFQ F c T t??( ) ( 1 )peF c T t q F r? ? ?( 1 )eprT t qc? ? ?下一頁 上一頁 ? 3 氣液平衡關(guān)系 1 ( 1 )xyx?????()et f x?上一頁 下一頁 ? 例 1－ 2 對(duì)某兩組分理想溶液進(jìn)行常壓閃蒸，已知 為 （易揮發(fā)組分的摩爾分率），若要求汽化率為 60％，試求閃蒸后平衡的氣液相組成及溫度。 ? 解： Fx下一頁 上一頁 返回 上一頁 下一頁 簡單蒸餾 simple distillation ? 1 物料衡算 ? （ 1）若 xy平衡關(guān)系用曲線或表格表示時(shí)，采用圖解積分或數(shù)值積分。 ? （ 2）若為理想溶液 下一頁 上一頁 12lnxxF dxW y x???122111l n l n l n11xxFW x x???? ??? ??????? （ 3）若 xy平衡關(guān)系為直線 ? 若為通過原點(diǎn)的直線 ? 2 餾出液的平均組成 y12( 1 )1l n l n1 ( 1 )m x bFW m m x b???? ? ?121l n l n1xFW m x? ?D F W??12D y Fx W x??上一頁 下一頁 y m x b??? 例 1－ 3 對(duì)例 1－ 2中的液體混合物進(jìn)行簡單蒸餾，若汽化率仍為 60％，試求釜?dú)堃航M成和餾出液平均組成。已知常壓下該混合物的平均相對(duì)揮發(fā)度為。 ? 平衡蒸餾與簡單蒸餾的比較 ? 原因：平衡蒸餾造成物料的返混 下一頁 上一頁 返回 平衡蒸餾 簡單蒸餾 y= y= 精餾原理和流程 ?精餾 rectification ? 精餾過程原理和條件 ? 精餾操作流程 下一頁 上一頁 返回 上一頁 下一頁 精餾過程原理和條件 11Fy x x??兩 相 的 量 由 杠 桿 定 律 確 定3 2 1y y y??3 2 1x x x? ? ???原理：多次部分汽化，多次部分冷凝 工程實(shí)現(xiàn)面臨的問題 設(shè)備龐雜 能量消耗大 產(chǎn)生中間餾分使產(chǎn)品收率低 改進(jìn) 用一個(gè)設(shè)備：塔（板式塔，填料塔） 冷凝放出的熱用于汽化需要的熱 塔頂引入液相回流，塔底引入氣相回流 下一頁 上一頁 下一頁 上一頁 11,n n n ny y x x????11nntt???1 2 1...... nny y y y ?? ? ? ?1 2 1...... nnx x x x?? ? ? ?1 2 1 1...... n n nt t t t t??? ? ? ? ? ? 精餾過程原理及條件 –理論依據(jù)：揮發(fā)度不同 –工程手段：精餾塔，塔頂液相回流，塔底氣相回流 –傳熱傳質(zhì)：多次、同時(shí)進(jìn)行氣相的部分冷凝和液相 的部分汽化 –結(jié)果：實(shí)現(xiàn)高純度的分離 ? 理論板：離開該板的氣液兩相達(dá)到平衡狀態(tài)。 下一頁 上一頁 返回 ? 1 連續(xù)精餾流程 下一頁 上一頁 精餾操作流程 ? 2 間歇精餾流程 下一頁 上一頁 ? 第 2講小結(jié) – 平衡蒸餾和簡單蒸餾是工業(yè)上最簡單的蒸餾方式 ，它們的原理是混合液的一次部分氣化 ， 因此分離效果非常有限 ， 只能用于分離程度要求不高的物系或物系的初步分離 。 – 平衡蒸餾與簡單蒸餾屬于平衡過程 。 其計(jì)算途徑是聯(lián)立求解物料衡算 、 熱量衡算和相平衡方程 。 由于簡單蒸餾為非穩(wěn)態(tài)過程 ， 所以計(jì)算中要采用微積分方法 。 – 工業(yè)上實(shí)現(xiàn)高純度分離最常采用的方法是精餾 ， 精餾原理可概括為：分離依據(jù) (組分揮發(fā)度差異 )十工程手段 (回流 — 液 、 氣相回流 )＋多次 、 同時(shí)部分氣化和部分冷凝 → 實(shí)現(xiàn)高純度分離 。 下一頁 上一頁 返回 兩組分連續(xù)精餾的計(jì)算 ? 理論板的概念及恒摩爾流假定 ? 物料衡算和操作線方程 ? 進(jìn)料熱狀況的影響 ? 理論板層數(shù)的求法 ? 回流比的影響及其選擇 ? 簡潔法求理論板層數(shù) ? 幾種特殊情況下理論板層數(shù)的求法 ? 塔高和塔徑的計(jì)算 ? 連續(xù)精餾裝置的熱量衡算和節(jié)能 ? 精餾塔的操作和調(diào)節(jié) 下一頁 上一頁 返回 ?工藝設(shè)計(jì)內(nèi)容 ? 確定產(chǎn)品流量和組成； ? 確定精餾塔類型，選擇板式塔或填料塔，計(jì)算理論板數(shù)或填料層高度； ? 確定塔高和塔徑； ? 板式塔：塔板結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì)，流體力學(xué)驗(yàn)算；填料塔：確定填料類型，計(jì)算流動(dòng)阻力； ? 計(jì)算冷凝器和再沸器熱負(fù)荷，確定換熱器類型和尺寸； ? 繪制工藝流程圖和設(shè)備條件圖 下一頁 上一頁 理論板的概念及恒摩爾流假定 ? 1 理論板的概念 ? 該板上氣液兩相的傳熱、傳質(zhì)達(dá)到平衡 ? 離開該板的氣液兩相溫度相等、組成滿足平衡關(guān)系 ? 2 恒摩爾流假定 ? 恒摩爾氣流 恒摩爾液流 下一頁 上一頁 12 nV V V V? ? ??? ? ?39。 39。 39。 39。12 mV V V V? ? ??? ? ?12 nL L L L? ? ??? ? ?39。 39。 39。 39。12 mL L L L? ? ??? ? ?? 恒摩爾流成立的條件 –各組分摩爾汽化潛熱相等； –氣液接觸時(shí)因溫度不同而交換的顯熱可以忽略； –塔設(shè)備保溫良好，熱損失可以忽略。 下一頁 上一頁 返回 ? 1 全塔物料衡算 下一頁 上一頁 物料衡算和操作線方程