大學(xué)課件-化工原理-蒸餾-1

1、化工原理 (下冊(cè)) ( fluid flow ) 反應(yīng)器 原料 反應(yīng)過(guò)程 ( heat transfer) 化工過(guò)程單元操作（Unit operation） 混合物 (separation) 產(chǎn)品 types of process: 動(dòng)量傳遞：流體流動(dòng)、流體輸送、 過(guò)濾、沉降、固定床、流化床 熱量傳遞：傳熱、蒸發(fā) 質(zhì)量傳遞：蒸餾、吸收、萃取、干燥、膜分離蒸餾、吸收、萃取、干燥、膜分離 本學(xué)期學(xué)習(xí)內(nèi)容本學(xué)期學(xué)習(xí)內(nèi)容 遵循守恒定律 質(zhì)量傳遞 單元操作:分離過(guò)程 精餾（Distillation） 吸收（Absorption ） （Adsorption 吸附） 萃?。↙iquidliquid extr

2、action） 干燥（Drying） 膜分離（ Membrane separation） 蒸發(fā)（Evaporation） 過(guò)濾（Filtration） 氣體凈化（Gas cleaning） 沉降（Sedimentation） 結(jié)晶（Crystallization） Chapters teaching hours 精餾（distillation） 18 吸收（absorption） 14 萃?。╨iquidliquid extraction） 6 干燥（drying） 8 膜分離（membrane separation) 2 48 （Tus.,3-4,材 208；Fri.,1-2,材208） 課

3、程設(shè)計(jì) 2 周 精餾過(guò)程分離： 苯 - 甲苯 乙醇 - 水 課程基本要求課程基本要求: 作業(yè)作業(yè): 每周二交上一周作業(yè), 獨(dú)立完成 答疑：答疑： 期末考核期末考核: 平時(shí)作業(yè) 10分 卷面 90分 建議建議： 工夫用在平時(shí) 及時(shí)解決疑難問(wèn)題 參考書: 1.Handbook of Separation Technique for Chemical Engineers by P.A. Schwwitzer, 1990 2.Handbook of Separation Technology by R.W. Rousscan,1987 3.化工原理（下） 天大、華東、大工 4.化工原理學(xué)習(xí)指導(dǎo) 匡國(guó)柱

4、主編 大連理工大學(xué)出版社 第第6章章 蒸餾蒸餾 簡(jiǎn)單簡(jiǎn)單蒸餾蒸餾過(guò)程過(guò)程 例：乙醇水溶液 6.1 概述概述 1、蒸餾在工業(yè)上的應(yīng)用、蒸餾在工業(yè)上的應(yīng)用 （1）石油煉制工業(yè) (原油 汽油、煤油、柴油等） （2）石油化工工業(yè)（乙烯、丙烯、丁二烯等分離） （3）空氣的分離（氧氣、氮?dú)獾闹苽洌?（4）食品加工及醫(yī)藥生產(chǎn) 2、 蒸餾的目的和依據(jù)蒸餾的目的和依據(jù) 目的目的：均相液體混合物的分離。 依據(jù)依據(jù)：利用液體混合物中各組分在一定溫度下?lián)]發(fā)能力 的差異。 混合物中較易揮發(fā)的組分易揮發(fā)組分, MVC 混合物中較難揮發(fā)的組分難揮發(fā)組分 DVC B A B A x x y y 蒸餾方法分離混合物必要條件：蒸

5、餾方法分離混合物必要條件： 1. 通過(guò)加熱或冷卻使混合物形成氣、液兩相共 存體系，為相際傳質(zhì)提供必要的條件； 2.各組分間揮發(fā)能力差異足夠大，以保證蒸餾過(guò) 程的傳質(zhì)推動(dòng)力。 3、分類、分類 組分?jǐn)?shù)組分?jǐn)?shù): 雙組分蒸餾 多組分蒸餾 操作方式操作方式 : 間歇蒸餾 簡(jiǎn)單蒸餾 連續(xù)蒸餾 平衡蒸餾、精餾 操作壓力：操作壓力： 常壓蒸餾 減壓蒸餾 加壓蒸餾 6.2 溶液的氣、液相平衡溶液的氣、液相平衡 相平衡過(guò)程相平衡過(guò)程：不同相保持物理平衡共存狀態(tài)。 達(dá)到相平衡時(shí)，從熱力學(xué)上看，體系的自由焓最 ??；從動(dòng)力學(xué)上看，相間表觀傳遞速率為零。 相平衡關(guān)系取決于體系的熱力學(xué)性質(zhì)，是蒸餾過(guò) 程的熱力學(xué)基礎(chǔ)和基本依

6、據(jù)。 混合物分類：混合物分類： (1) 氣相理想氣體混合物，液相是理想溶液，稱 為完全理想系或理想體系；（苯-甲苯） (2) 液相是理想溶液,氣相是非理想氣體的理想混 合，不服從Dalton定律，服從Lowis-Randall 逸度法則： 0 ii V i fyf (3) 氣相是理想氣體或接近理想氣體混合物,液相 是非理想溶液；（醇、醛、酮和水的體系） (4) 氣相非理想氣體混合物,液相是非理想溶液。 （高壓下輕烴類等） 6.2.1 氣、液相平衡與自由度氣、液相平衡與自由度 自由度F是自身變化不影響系統(tǒng)平衡的獨(dú)立變量數(shù)獨(dú)立變量數(shù) 2cF 雙組分物系的氣液平衡，其自由度為2。 F為自由度數(shù)，c為

7、組分?jǐn)?shù)，為相數(shù) c=2 =2 F=2 共有四個(gè)獨(dú)立變量，規(guī)定其中的兩個(gè)，則系 統(tǒng)平衡狀態(tài)即定。 一般蒸餾壓力恒定，所以僅有一個(gè)自由度， 即壓力一定的條件下，若所有獨(dú)立變量中有一 個(gè)確定，則所有的狀態(tài)變量均確定。 氣相組成：yA , yB 液相組成：xA, xB 溫度、壓力：T，P a) 計(jì)算 熱力學(xué)數(shù)據(jù)、方程、理論（thermodynamics） b) 實(shí)驗(yàn) 相平衡關(guān)系的獲得： 6.2.2 溶液氣、液相平衡的條件及表示方法溶液氣、液相平衡的條件及表示方法 多組分體系相平衡條件：所有各相溫度、壓力及 每一組分的化學(xué)勢(shì)相等。 氣、液兩相平衡條件表示如下： Ci pp TT V i L i VL V

8、L ,2,1 化學(xué)勢(shì)在工程上沒(méi)有直接的物理真實(shí)性，而 采用Lewis等價(jià)化學(xué)勢(shì)的物理量逸度。 逸度的物理意義逸度的物理意義：可視為熱力學(xué)壓力，具 有壓力的單位。在實(shí)際混合物中，逸度可視為 修正非理想溶液組分的分壓。 Ci f f RT f f RT f f RT L i V i L i V i L i L i L i L i V i V i V i V i , 2 , 1ln ln ln 0 0 00 0 0 0 0 又 V i L i 氣、液平衡時(shí)： Ciff L i V i , 2 , 1 氣、液逸度分別表示為： 0 iii L iii V i fxfpyf 聯(lián)立以上兩式,多組分體系相平衡

9、的表示方法： p f K xKy i ii i iii 0 Ki組分i的氣、液相平衡常數(shù) 確定平衡關(guān)系的關(guān)鍵是如何求取各組分的確定平衡關(guān)系的關(guān)鍵是如何求取各組分的 逸度系數(shù)及活度系數(shù)逸度系數(shù)及活度系數(shù) 6.2.3 理想體系的氣、液相平衡關(guān)系理想體系的氣、液相平衡關(guān)系 氣相符合道爾頓（Dalton）分壓定律 液相服從拉烏爾（Raoult）定律 PA + PB =P yA = PA P V L PA, PB xA, xB Daltons law P=Pi Raoults law AAA xPp 0 Ideal mixture In general cases, its true only for

10、high values of xA (low values of xB) Henrys law AeA xHP Ideal mixture Henrys law is true for low values of xA pyf ii V i 0 iii L i fxf Po = f (T) 實(shí)驗(yàn)獲得 PO可由Antoine公式確定： i i ii CT B Ap 0 ln 一、平衡常數(shù)法 p f K xKy i ii i iii 0 理想體系: 00 0 . 10 . 1 iiii pf 則: Ci p p K i i 2, 1 0 理想體系理想體系的相平衡常數(shù)相平衡常數(shù)僅與體系的溫度溫度有關(guān)

11、 互呈平衡的氣、液相組成符合歸一定理： ci y x c i i c i i , 3 , 2 , 1 1 1 1 1 a. 泡點(diǎn)計(jì)算 1 iii xKy 輸入: p xi ； Antoine常數(shù) Tb初值 pi0 Ki yi, =yi-1 N 輸出：Tb, xi, yi 結(jié)束 Y Tb=Tb-fn/fn 10-3 已知：p xi b. 露點(diǎn)計(jì)算 1/ iii Kyx 已知：p yi 對(duì)于雙組分體系對(duì)于雙組分體系： )1 ( 00 ABAA xPxP AAA xPp 0 BBB xPp 0 P=PA+ PB PA=f(T,xA) PB= f(T,xB) 所以 00 0 BA B A PP PP

12、x P p y A A P xP AA 0 P p y B B P xP BB 0 iii xKy Ci p p K i i 2, 1 0 i i ii CT B Ap 0 ln 討論：討論： （1）已知 ：t 求： 相互平衡的 x , y 不必試差 t PA0, PB0 x,y （2）已知：x 求：與之平衡的 y, t y 求：與之平衡的 x ,t 試差 假設(shè) t x 判斷x y 假設(shè) t x y 判斷y x 雙組分 理想物系 P=const 1. 溫度-組成圖 T-x-y 二、相圖 t-y t-x t x (y) t-x t-y p=101.3kPa tF F G tG EC xC D y

13、D tE I J tI tJ x0 進(jìn)料狀態(tài)對(duì) 氣液影響 P=const t-x線-飽和液體組成與泡點(diǎn)的關(guān)系 -飽和液體線或泡點(diǎn)曲線。 t-y線-飽和蒸氣組成和露點(diǎn)的關(guān)系 -飽和蒸氣線或露點(diǎn)曲線。 t-x 線下方-過(guò)冷液相區(qū)； t-y 線上方-過(guò)熱氣相區(qū)； 兩線之間-兩相共存區(qū)； 注意：注意： （1）部分汽化和部分冷凝均可起到分離作用； （2）全部汽化和全部冷凝沒(méi)有分離作用； （3）不斷的部分汽化和冷凝可使分離程度很完全； （4）蒸餾操作應(yīng)處于汽液兩相區(qū)內(nèi)。 二元混合物與純液體的差別： （1） 泡點(diǎn)與濃度有關(guān)，其值在A，B沸點(diǎn)范圍之內(nèi)。 （2）總組成相同其泡點(diǎn)和露點(diǎn)（冷凝點(diǎn)）溫度不同。 壓力對(duì)

14、t-x-y圖的影響： p3 p2 p1 2 氣、液平衡組成氣、液平衡組成 x-y 圖圖 圖 6.1.5 氣液平衡曲線 理想物系 對(duì) MVC, yx MVC 在氣相增濃 曲線離對(duì)角線越遠(yuǎn),MVC 在氣相中濃度越大 曲線上的點(diǎn)反映平衡關(guān)系 1x y 1 0 x-y curve 說(shuō)明：說(shuō)明： （1）組成 均以MVC組成表示，曲線位于對(duì)角線上方 （2）平衡線上不同點(diǎn)代表一個(gè)氣、液平衡狀態(tài)，即 對(duì)應(yīng)一組 x、y、T，且y(或x)越大，T愈低。 （3）平衡線距對(duì)角線越遠(yuǎn)，物系越易分離。 （4）總壓的影響（壓力增加，平衡線靠近對(duì)角線）。 三、相對(duì)揮發(fā)度法三、相對(duì)揮發(fā)度法 1、相對(duì)揮發(fā)度相對(duì)揮發(fā)度 （1）揮發(fā)

15、度 混合物混合物 - i i i x p v 理想溶液 0 AA pv 0 BB pv 純組分純組分 - P0 （2）相對(duì)揮發(fā)度 定義： 任意揮 發(fā)組分與基準(zhǔn)組分揮發(fā)度的比值 h i ih v v 雙組分理想體系: A B B A B B A A x x y y x P x P 略去下標(biāo)： xy xy )1( )1( x x y )1(1 y y x ) 1( 相平衡方程 相平衡常數(shù)與相對(duì)揮發(fā)度的關(guān)系：相平衡常數(shù)與相對(duì)揮發(fā)度的關(guān)系： iii xKy i i i x y K 低壓，液相為理想溶液的物系： P P K i i 0 或 Ki也可以表示組分揮發(fā)難易程度 兩組分之間的相對(duì)揮發(fā)度： h i

16、 K K 試差過(guò)程參見(jiàn)前面的泡點(diǎn)及露點(diǎn)的計(jì)算框圖。 Ki=f（P，T） 由Ki 求 x 或 y 一般需采用試差。 )()( BA o B AB o A A B B A o B o A xxP xxP xP xP Tf P P （1）表示物系分離的難易程度， 遠(yuǎn)離1，易分離， =1，該物系不能用普通的蒸餾方法分離。 （2）對(duì)于非理想物系， 不能作為常數(shù)處理。 （3）對(duì)于理想溶液，相對(duì)揮發(fā)度變化不大， =const (4) P, (P 變化小于30%，其對(duì)的影響可忽略不計(jì)) 蒸餾壓力的選擇，優(yōu)先考慮采用常壓操作，在 特殊情況下采用加壓（處理量增加，塔徑不夠） 或減壓操作（熱敏性物料）。 的變化 15% = avg 6-1-4 非理想溶液的汽液相平衡非理想溶液的汽液相平衡 非理想溶液： AAAA xPp 0 BBBB xPp 0 P xP P p y AAAA A 0 P xP P p y BBBB B 0 r 活度系數(shù)，分子間引力發(fā)生變化，使得 r 1。 non- ideal mixture C B O A PA xA OC- Henrys law ; AB- Raoults law 圖 6.1.5 體系為負(fù)偏差圖 6.1.6 體系為正偏差 1、正偏差溶液 r 1 平衡分壓