化工原理第一章課件

化工原理2授課教師：溫志英第一章蒸餾學(xué)習(xí)目的掌握蒸餾基本概念和蒸餾過程基本計(jì)算方法2.重點(diǎn)掌握的內(nèi)容（1）兩組分理想物系的汽液平衡關(guān)系（2）蒸餾過程的原理（3）兩組分連續(xù)精餾過程的計(jì)算3、一般掌握的內(nèi)容（1）平衡蒸餾與簡單蒸餾（2）兩組分連續(xù)精餾過程的計(jì)算1.1概述1、混合物非均相物系：機(jī)械分離原理，如沉降均相物系：必須造成一個(gè)兩相物系，然后利用物性差異實(shí)現(xiàn)分離2、蒸餾過程概述

蒸餾通過加熱造成氣液兩相平衡，利用物系中各組分揮發(fā)度不同的特性以實(shí)現(xiàn)分離目的。蒸餾分離的依據(jù)是，根據(jù)溶液中各組分揮發(fā)度（或沸點(diǎn)）的差異，使各組分得以分離。較易揮發(fā)--易揮發(fā)組分（或輕組分）；較難揮發(fā)的--難揮發(fā)組分（或重組分）。

是分離均相液體混合物的一種方法苯和甲苯混合液氣相液相冷凝較高純度的苯加熱3、蒸餾過程的分類

1、蒸餾操作方式分為2、蒸餾操作流程可分為間歇蒸餾和連續(xù)蒸餾。

3、物系中組分的數(shù)目可分為兩組分精餾和多組分精餾。

4、操作壓力可分為加壓、常壓和減壓蒸餾。簡單蒸餾平衡蒸餾（閃蒸）精餾特殊精餾4、蒸餾分離的特點(diǎn)1、可直接獲得產(chǎn)品；2、應(yīng)用廣泛，歷史悠久；3、能耗較大。1.2、兩組分溶液的汽液平衡關(guān)系

一、相與相平衡的概念二、拉烏爾定律1、稀溶液拉烏爾定律分壓與液相組成關(guān)系2、理想溶液與拉烏爾定律所謂理想物系是指液相和汽相應(yīng)符合以下條件：(1)液相為理想溶液，遵循拉烏爾定律。(2)汽相為理想氣體，遵循道爾頓分壓定律。當(dāng)總壓不太高（一般不高于104kPa）時(shí)汽相可視為理想氣體。三、道爾頓分壓定律

四、兩組分理想溶液的氣液平衡圖溶液的平衡溫度--組成圖是分析精餾原理的基礎(chǔ)恒壓下的溫度—組成圖（t-x-y圖）飽和蒸汽線、露點(diǎn)線飽和液體線、泡點(diǎn)線過熱蒸汽區(qū)氣液共存區(qū)液相區(qū)Ａ的沸點(diǎn)Ｂ的沸點(diǎn)五、x-y圖表示一定外壓下，液相組成與之平衡的氣相組成間的關(guān)系x-y圖的作用１、判斷物系分離的難易程度２、計(jì)算理論板層數(shù)。六、氣液平衡方程１、揮發(fā)度與相對揮發(fā)度揮發(fā)度（ｖ）：純液體的揮發(fā)度是指該液體在一定溫度下的飽和蒸汽壓。相對揮發(fā)度（ａ）：溶液中易揮發(fā)組分對難揮發(fā)組分之比。２氣液平衡方程方程的作用１、表示氣液平衡２、揮發(fā)難易程度或判斷某混合物是否能用蒸餾方法加以分離習(xí)題（二）兩組分非理想物系的汽液平衡

(1)液相為非理想溶液，汽相為理想氣體；(2)液相為理想溶液，汽相為非理想氣體；(3)液相為非理想溶液，汽相為非理想氣體。1.汽液平衡相圖1-3

平衡蒸餾與簡單蒸餾

一、平衡蒸餾1.平衡蒸餾裝置與流程

平衡蒸餾又稱閃急蒸餾，簡稱閃蒸，是一種連續(xù)、穩(wěn)態(tài)的單級蒸餾操作。

2.平衡蒸餾過程計(jì)算

（1）物料衡算

對圖1-7所示的平衡蒸餾裝置作物料衡算，得總物料衡算：

F=D+W易揮發(fā)組分衡算：FxF=Dy+WxF、D、W——分別表示原料液、汽相和液相產(chǎn)品流量，kmol/h或kmol/s；xF

、y、x——分別為原料液、汽相和液相產(chǎn)品中易揮發(fā)組分的摩爾分率。平衡蒸餾中汽液相組成的關(guān)系

式中q=W/F……..液化率例題1

在常壓下將組成為0.6（易揮發(fā)組分的摩爾分率）的某理想二元混合物分別進(jìn)行平衡蒸餾，若規(guī)定汽化率為1/3，試計(jì)算：平衡蒸餾的汽液相組成；假設(shè)在操作范圍內(nèi)汽液平衡關(guān)系為：解：平衡蒸餾依題意，液化率為q=1-1/3=2/3

由及y=0.46x+0.549聯(lián)立以上兩式，求得平衡的汽液相組成分別x=0.5085,y=0.7830例2（2）熱量衡算對加熱器作熱量衡算原料液節(jié)流減壓后進(jìn)入分離器，此時(shí)物料放出顯熱等于部分汽化所需潛熱原料液離開加熱器的溫度--簡單蒸餾又稱微分蒸餾，是一種間歇、單級蒸餾操作。

二、簡單蒸餾1-4精餾原理和流程

精餾可視為由多次蒸餾演變而來的一、精餾過程原理1.多次部分汽化和冷凝

由此可見，液體混合物經(jīng)多次部分汽化和冷凝后，便可得到幾乎完全的分離，這就是精餾過程的基本原理。2.精餾塔模型

二、精餾操作流程

1.連續(xù)精餾操作流程

精餾段提餾段加料板2.間歇精餾操作流程

間歇精餾只有精餾段而沒有提餾段

1-5

兩組分連續(xù)精餾的計(jì)算（Ⅰ）

物料衡算與進(jìn)料熱狀況的影響

精餾過程的計(jì)算可分為設(shè)計(jì)型計(jì)算和操作型計(jì)算兩類。本知識點(diǎn)重點(diǎn)討論板式精餾塔的設(shè)計(jì)型計(jì)算問題，其主要內(nèi)容包括：(1)確定產(chǎn)品的流量或組成；(2)確定精餾塔的理論板層數(shù)和適宜的加料位置(3)確定適宜的操作回流比；一、計(jì)算的基本假定1.

理論板的假定所謂理論板是指離開該板的汽液兩相互成平衡，塔板上各處的液相組成均勻一致的理想化塔板。

2.恒摩爾流假定

（1）恒摩爾汽流：指在精餾塔內(nèi)，從精餾段或提餾段每層塔板上升的汽相摩爾流量各自相等，但兩段上升的汽相摩爾流量不一定相等。即精餾段v1=v2=…….=vn

提餾段v1`=v2`=……vn`

式中下標(biāo)表示塔板序號。（2）恒摩爾液流：指在精餾塔內(nèi)，從精餾段或提餾段每層塔板下降的液相摩爾流量分別相等，但兩段下降的液相摩爾流量不一定相等。即精餾段L1=L2=…….=Ln

提餾段L1=L2=…….=Ln

式中下標(biāo)表示塔板序號。二、物料衡算與操作線方程1.全塔物料衡算總物料衡算：F=D+W易揮發(fā)組分衡算：FxF=DxD+WxWF—原料液流量，kmol/h或kmol/s；

D—塔頂餾出液流量，kmol/h或kmol/s；

W—塔底釜?dú)堃毫髁?，kmol/h或kmol/s；xF—原料液中易揮發(fā)組分的摩爾分率；xD—餾出液中易揮發(fā)組分的摩爾分率；xW—釜?dú)堃褐幸讚]發(fā)組分的摩爾分率。[例題]每小時(shí)將15000kg含苯40%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同）和甲苯60%的溶液，在連續(xù)精餾塔中進(jìn)行分離，要求釜?dú)堃褐泻讲桓哂?%，塔頂餾出液中苯的回收率為97.1%。試求餾出液和釜?dú)堃旱牧髁亢徒M成，以摩爾流量和摩爾分?jǐn)?shù)表示。進(jìn)料組成釜?dú)堃航M成原料液的平均摩爾流量

原料液流量F=15000/85.8=175.0kmol/h依題意知DxD/FxF=0.971DxD=0.971*175*0.44全塔物料衡算D+w=175聯(lián)立，解得D=80.0kmol/h,W=95.0kmol/h,xD=0.9352.操作線方程

(1)精餾段操作線方程

上式表示在一定操作條件下，精餾段內(nèi)自任意第n層板下降的液相組成xn與其相鄰的下一層板（n+1)上升蒸汽相組成yn+1之間的關(guān)系，是一條斜率為R/(R+1)，截距為xD/(R+1)的直線。(2)提餾段操作線方程

上式表示在一定操作條件下，提餾段內(nèi)自任意第m層板下降的液相組成xm’與其相鄰的下一層板（m+1)上升蒸汽相組成ym+1’之間的關(guān)系。三、進(jìn)料熱狀況對操作線方程的影響

1.精餾塔的進(jìn)料熱狀況

q>1q=1q=0~1q=0q<0進(jìn)料熱狀況參數(shù)q指以1kmol/h為基準(zhǔn)時(shí)，提餾段的液體流量較精餾段中液體流量增大的kmol/h，q=（L’-L）/F根據(jù)工藝條件和操作要求，精餾塔可以不同的物態(tài)進(jìn)料。如圖片1-17所示，組成為xF的原料，其進(jìn)料狀態(tài)可有以下幾種：（1）冷液進(jìn)料（A點(diǎn)）；（2）飽和液體（泡點(diǎn)）進(jìn)料（B點(diǎn)）；（3）汽液混合物進(jìn)料（C點(diǎn)）；（4）飽和蒸汽(露點(diǎn))進(jìn)料（D點(diǎn)）；（5）過熱蒸汽進(jìn)料（E點(diǎn)）。q=1L‘=L+FV’=Vq=0L‘=LV’=V-Fq=0~1q>1q<0L‘=L+qFV’=V+（q-1）FL‘>LV’>VL’<LV’<V2、進(jìn)料板上的物料衡算和熱量衡算總物料衡算F+V’+L=V+L’熱量衡算FIF+V’IV’+LIL=VIV+L’IL’IV=IV’IL=IL’總結(jié)1、飽和液體：IF=ILq=1(泡點(diǎn)）2、飽和蒸汽：IF=IVq=0(露點(diǎn)）3、汽液混合：IL<IF<IV0<q<14、過冷液體：q>15、過熱蒸汽：q<0V與V’,L與L’的關(guān)系L’=L+qFV’=v+(q-1)F所以提餾操作線方程可寫成：四、操作線方程的作法1、q線方程（進(jìn)料方程）提餾段：V‘y=L’x-Wxw精餾段：Vy=Lx+DxD相減（V‘-V）y=（L’-L）x-（DxD+WxW）L‘=L+qFV’=V+（q-1）FFxF=DxD+WxW2、利用q線方程作提餾線方程（1）提餾線方程作法A：作精餾操作線

過點(diǎn)（XD，XD），截距為XD/（R+1）B：作q線過點(diǎn)（xF，xF），斜率為q/（q-1）C：作提餾線過點(diǎn)（Xw，Xw）與d點(diǎn)（2）進(jìn)料熱狀況對q線及操作線的影響

1冷液:If<IL,q>1,∞>q/(q-1)>12飽和液體:If=IL,q=1,q/(q-1)=∞3汽液混合物:IL<If<IV,0>q/(q-1)>-∞4飽和汽體:If=IV,q=0,q/(q-1)=0;5過熱汽體:If>IV,q<0,0<q/(q-1)<1熱狀態(tài)對提餾的影響

1-5

兩組分連續(xù)精餾的計(jì)算（Ⅱ）

理論板層數(shù)的計(jì)算與回流比的影響

給出精餾的原料F，原料液組成xF，進(jìn)料熱狀況q，操作回流比和分離程度xD、xW，回流比R；利用（1）氣液平衡關(guān)系

（2）操作線方程

求：理論板

一、理論板層數(shù)的計(jì)算逐板計(jì)算法圖解法（一）逐板計(jì)算法

計(jì)算準(zhǔn)確，但繁瑣雙擊關(guān)閉此窗口例6.4.1圖解法步驟1、在x-y圖上作平衡線及對角線2、作精餾段操作線ab3、作q線ef4、作提餾操作線cd5、在精餾線提餾線與平衡線間繪梯級。（二）圖解法1.操作線的作法

2.梯級圖解法求理論板層數(shù)

注：總板數(shù)=總梯級數(shù)-1跨過d點(diǎn)的梯級為加料板提餾段板數(shù)=提餾段梯級數(shù)-1二、回流比的影響及其選擇回流比有兩個(gè)極限值，其上限為全回流（即回流比為無限大）；下限為最小回流比，操作回流比介于兩個(gè)極限值之間?；亓鞅冗€是影響精餾操作費(fèi)用和投資費(fèi)用的重要因素。

（一）全回流和最小理論板層數(shù)1.全回流的概念（D=0，F(xiàn)=W=0）若上升至塔頂?shù)恼羝?jīng)全凝器冷凝后，冷凝液全部回流到塔內(nèi)，該回流方式稱為全回流精餾線、提餾線與對角線重合yn+1=xn

2.最小理論板層數(shù)

（二）最小回流比

1.最小回流比的概念

隨著回流比R的減小，使操作線交點(diǎn)向平衡移動(dòng)，導(dǎo)致過程傳質(zhì)推動(dòng)力減小，使得完成相同的分離要求所需理論板數(shù)N隨之增加，使塔增高。

當(dāng)回流比繼續(xù)減小，使兩操作線交點(diǎn)落在平衡曲線上，此時(shí)完成規(guī)定分離要求所需理論板數(shù)為∞，回流比為該條件下的最小回流比Rmin。

最小回流比的求法1、作圖法A、正常線（找交點(diǎn)）B、非正常線（不找交點(diǎn)找切點(diǎn)）(2)解析法（三）適宜回流比的選擇

選擇的原則是根據(jù)經(jīng)濟(jì)核算，使操作費(fèi)用和設(shè)備費(fèi)用之和為最低。操作費(fèi)用和設(shè)備費(fèi)用之和最低時(shí)的回流比稱為適宜回流比。

1-6兩組分連續(xù)精餾的計(jì)算（Ⅲ）

一、簡捷法求理論板層數(shù)1、吉利蘭（Gilliland）圖

將許多不同精餾塔的回流比、最小回流比、理論板數(shù)及最小理論板數(shù)即R、Rmin、N、Nmin四個(gè)參數(shù)進(jìn)行定量的關(guān)聯(lián)，稱為吉利蘭圖（Gillilad）圖。

2.求理論板層數(shù)的步驟

（1）先按設(shè)計(jì)條件求出最小回流比Rmin，并選擇操作回流比R。（2）計(jì)算全回流下的最少理論板層數(shù)Nmin。（3）由（R-Rmin）/（R+1）之值作鉛垂錢與曲線相交，查出（N-Nmin）/（N+2）之值，計(jì)算全塔理論板層數(shù)N。（4）求精餾段理論板層數(shù)，確定適宜的進(jìn)料板位置。二、幾種特殊情況理論板層數(shù)的計(jì)算1.直接蒸汽加熱

（1）適用場合：待分離的混合物為水溶液，且水為難揮發(fā)組分，釜液近于純水；（2）特點(diǎn)：無再沸器（3）裝置：如圖（4）物料衡算總物料：易揮發(fā)組分:V0=V’L‘=W求理論板步驟：1、作精餾線；2、作q線；3、作提餾線；4、繪梯級。2.提餾塔

總物料：易揮發(fā)：原料液中易揮發(fā)組分含量低，且對餾出液要求不高。L’=FV‘=D泡點(diǎn)進(jìn)料泡點(diǎn)進(jìn)料當(dāng)泡點(diǎn)進(jìn)料時(shí)，提餾線過（xF，xD）與（Xw，Xw）兩點(diǎn)冷液進(jìn)料3.多股進(jìn)料

該塔分為3段：第一股進(jìn)料以上為精餾段；第二股進(jìn)料以下為提餾段；兩股之間為中間段。中間段的操作線：總物料：易揮發(fā)：操作線為：由于進(jìn)料的加入，使進(jìn)料下方塔段的操作線斜率大于上方塔段的操作線的斜率。4、具有側(cè)線采出的精餾過程

當(dāng)需要獲取濃度不同的兩種或多種產(chǎn)品，應(yīng)采取側(cè)線出料的方法，側(cè)線抽出的產(chǎn)品可為塔板上泡點(diǎn)液體或板上的飽和蒸氣。

如果在精餾段設(shè)一側(cè)線采出，則塔被分為三段。塔兩端分別同精餾段和提餾段操作線方程，而中段則由物料衡算獲得其操作線方程。1、精餾線2、物料衡算3、提餾線123V“=V=（R+1）D1L”=L-D2無論抽出液相還是氣相產(chǎn)品，其段操作線的斜率均小于第I段塔的操作線的斜率。

5、塔頂蒸汽部分冷凝例題苯、甲苯兩組分混合物進(jìn)行常壓連續(xù)精餾，原料直接加入釜中，組成為Xf=0.7，要求得到組成為0.8的塔頂產(chǎn)品，塔頂用一分凝器，其中50%的蒸氣冷凝并返回塔頂，出分凝器的蒸氣于冷凝液體保持平衡，進(jìn)料量100Kmol/h，相對揮發(fā)度為2.46，問塔頂、塔釜產(chǎn)量為多少？汽化量為多少？FxFWXWVyLxV1y1DxD例題附圖1-7

兩組分連續(xù)精餾的計(jì)算（Ⅳ）

一、塔高的計(jì)算1、板效率和實(shí)際板數(shù)（1）單板效率EM

以氣相（或液相）經(jīng)過實(shí)際板的組成變化與經(jīng)過理論板的組成變化值之比來表示。（2）全塔效率EE=NT/NP2、板式塔的有效高度Z=（Np-1）HT二、塔徑的計(jì)算D—精餾塔內(nèi)徑，mU—空塔速度，m/sVs—塔內(nèi)上升蒸汽的體積流量，m3/S1-8恒沸精餾和萃取精餾適用范圍：揮發(fā)度很接近或具有恒沸點(diǎn)的兩組分溶液?；驹恚涸诨旌弦褐屑尤氲谌M分，以提