化工原理-精餾課件

化工原理-精餾精餾是分離混合物的一種重要方法，應用于各種化學工程領域。精餾的基本原理是利用混合物中不同組分沸點的差異，通過蒸發(fā)和冷凝過程進行分離。精餾的基本原理分離混合物利用混合物中各組分沸點不同，將其分離成不同純度的組分。氣液兩相平衡通過氣液兩相間的物質交換，實現組分分離。多級分離利用多級分離裝置，實現更高效的組分分離。氣液平衡和相平衡圖氣液平衡是指在一定溫度和壓力下，液體和蒸汽兩相處于平衡狀態(tài)。相平衡圖則是用來描述不同溫度和壓力下，液體和蒸汽兩相的組成變化關系。相平衡圖可以幫助我們了解在不同條件下，液體和蒸汽的相對比例，以及各組分的濃度變化。這對于設計和優(yōu)化精餾過程至關重要，因為它能夠預測分離效率和塔頂產物的組成。相平衡的數學描述氣液平衡氣相和液相達到平衡時，氣相中各組分的偏摩爾吉布斯自由能等于液相中各組分的偏摩爾吉布斯自由能。平衡關系可以用平衡常數來表示，平衡常數由溫度和壓力決定。相平衡圖可以用來直觀地表示氣液平衡關系，通常以溫度、壓力和組分濃度為坐標軸。理想溶液的氣液平衡理想溶液是指混合物中各組分之間相互作用力與純組分之間作用力相等，且混合過程不產生熱效應的溶液。理想溶液的氣液平衡是指在一定溫度和壓力下，理想溶液的液相和氣相處于平衡狀態(tài)，即液相和氣相中各組分的濃度保持不變。Raoult定律描述了理想溶液中各組分的蒸汽壓與其在液相中的摩爾分數之間的關系，該定律可以用來計算理想溶液的氣液平衡。Henry定律描述了溶質在溶液中溶解度與其在氣相中的分壓之間的關系，該定律可以用來計算溶質在理想溶液中的氣液平衡。非理想溶液的氣液平衡理想溶液中，組分的蒸氣壓與其摩爾分數成正比。非理想溶液則表現出偏差。非理想溶液的氣液平衡受分子間作用力影響，可能表現出正偏差或負偏差。1.5正偏差分子間吸引力減弱，實際蒸氣壓高于理想蒸氣壓。0.5負偏差分子間吸引力增強，實際蒸氣壓低于理想蒸氣壓。Raoult定律和Henry定律Raoult定律Raoult定律描述了理想溶液中揮發(fā)性組分蒸汽壓與其液相摩爾分數之間的關系。該定律指出，理想溶液中某組分的蒸汽壓等于該組分純態(tài)時的蒸汽壓乘以其在溶液中的摩爾分數。Henry定律Henry定律描述了難溶氣體在液體中的溶解度與其分壓之間的關系。該定律指出，在一定溫度下，難溶氣體在液體中的溶解度與其分壓成正比，比例常數稱為Henry系數。液-液平衡和三元系的液-液平衡液-液平衡是指在給定溫度和壓力下，兩種互不相溶的液體處于平衡狀態(tài)。三元系的液-液平衡是指由三種組分組成的體系中，存在兩種互不相溶的液相，并處于平衡狀態(tài)。在三元體系中，三組分之間的相互作用力會影響液-液平衡狀態(tài)。相平衡圖可以直觀地展示三元體系的液-液平衡狀態(tài)，并提供關于體系組成和相平衡溫度的信息。相平衡圖的構建相平衡圖是表示在特定條件下不同相平衡關系的圖形表示。1選擇坐標軸選擇合適的坐標軸，例如溫度、壓力和摩爾分數。2繪制相邊界根據實驗數據或理論計算確定相邊界。3標注相區(qū)標注不同相區(qū)，例如氣相、液相和固相。4添加其他信息添加其他信息，例如臨界點和共沸點。相平衡圖可以用來預測不同相的組成和數量，以及在給定條件下不同相之間的平衡關系。多組分系統的相平衡圖多組分系統相平衡圖繪制更復雜，需要考慮各組分之間相互影響。繪制三元相圖時，通常使用三角形坐標系，三個頂點分別代表三個組分。利用相平衡圖，可以預測多組分系統在不同溫度和壓力下的相態(tài)。相平衡圖可以幫助理解多組分系統的分離過程，例如蒸餾和萃取。單級精餾原理1進料混合物進入塔底2加熱加熱至沸騰3汽化氣相和液相分離4收集塔頂收集氣相單級精餾利用一個蒸餾塔，將混合物分離成兩個部分。首先，混合物在塔底加熱至沸騰。然后，氣相和液相在塔內分離。最后，氣相在塔頂收集，而液相則在塔底收集。單級精餾可以用來分離混合物中沸點差異較大的組分。單級精餾分離效率指標定義計算公式回收率目標組分從進料中被分離出來的比例回收率=餾出液中目標組分量/進料中目標組分量純度餾出液中目標組分的濃度純度=餾出液中目標組分量/餾出液總量分離因子衡量單級精餾分離能力的指標分離因子=餾出液中目標組分濃度/釜液中目標組分濃度單級精餾分離因子單級精餾分離因子是指在單級精餾過程中，餾出液中目標組分濃度與其在進料液中的濃度之比。它衡量了單級精餾分離效率的高低。分離因子越大，則單級精餾分離效果越好，餾出液中目標組分濃度越高。分離因子與進料液組成、操作條件（如溫度、壓力等）和塔板效率有關。1進料液進料液組成對分離因子影響較大，進料液中目標組分含量越高，分離因子越小。2操作條件操作條件對分離因子也有影響，如溫度升高，分離因子一般會降低。3塔板效率塔板效率越高，分離因子越大，分離效果越好。多級精餾過程1塔板多級精餾通常使用塔板或填料塔，形成多個分離階段，以提高分離效率。2蒸汽上升蒸汽從底部上升，經過塔板或填料層，與下降的液相接觸，進行傳質和傳熱。3液相下降液相從塔頂向下流動，與上升的蒸汽接觸，進行傳質和傳熱，從而進行分離。4頂部產品塔頂獲得富含輕組分的頂部產品，塔底獲得富含重組分的底部產品。多級精餾的分離效率多級精餾是指在多級塔板或填料層中進行的精餾操作，可以顯著提高分離效率。每個塔板或填料層都相當于一個單級精餾，通過多級串聯，可以實現更高的分離度。多級精餾的分離效率主要取決于塔板或填料層的數量、操作條件以及物料的性質等因素。理想多級精餾理論模型假設各板為理想平衡板，塔頂和塔底為等壓等溫，無熱損失。分離效率理論模型下，可以實現理想的組分分離，獲得高純度的產品。設計簡化簡化了計算和分析，為實際精餾塔設計提供了理論基礎。非理想多級精餾1非理想混合物組分間存在非理想相互作用，如正負偏差。2相平衡復雜氣液平衡關系無法用理想溶液模型描述。3計算方法需要使用經驗相關系數或活度系數模型。4塔板效率實際分離效率與理想情況存在偏差。多組分多級精餾多個組分分離多個組分，提高產品純度。多級精餾多級塔板或填料，增大接觸面積。優(yōu)化設計考慮各組分揮發(fā)度，塔板數，回流比等?？刂葡到y溫度、壓力、流量等參數控制，保證分離效率。精餾塔設計基本理論物料平衡計算塔內進料、頂產品、釜產品及側線產品的流量和組成。熱量平衡計算進料、回流、蒸汽和冷凝的熱量，確定塔內溫度分布。塔板效率確定塔內實際分離效果，計算塔板數和塔高。塔徑計算考慮氣液兩相流速，確定塔徑和塔內件尺寸。塔壓計算考慮塔內壓力降，確定塔頂和塔釜壓力，確保正常運行。精餾塔的氣相物料平衡精餾塔的氣相物料平衡是精餾塔設計和操作中重要的基礎理論之一，它反映了精餾塔內部氣相物料的進出和變化情況。氣相物料平衡是指在穩(wěn)態(tài)條件下，精餾塔內任何截面上的氣相物料流入量等于流出量。氣相物料平衡方程是根據物料守恒定律推導出來的，它是描述精餾塔氣相物料平衡關系的數學表達式。1進料包括進料量和進料組成2餾出液包括餾出液量和餾出液組成3釜液包括釜液量和釜液組成精餾塔的液相物料平衡精餾塔的液相物料平衡是指塔內每一層板上液相物料的輸入量等于輸出量。液相物料平衡方程是根據物料守恒定律建立的，它描述了塔內各層板上液相組成和流量之間的關系。精餾塔的液相物料平衡方程可以用來計算塔內各層板上的液相組成和流量。液相物料平衡方程的建立需要考慮塔內各層板上的進料、餾出液和釜液的組成和流量，以及各層板上的蒸汽和液體的流量。精餾塔的熱量平衡精餾塔的熱量平衡是指塔內進料、塔頂餾出液、塔底釜液、冷凝液、回流液等各種物流的熱量相互平衡。熱量平衡計算用于確定塔內所需的熱量供應和塔頂冷凝器所需的冷卻量，以及塔底再沸器的加熱量。熱量平衡方程Q進=Q出進料熱量Q進料=m進料*Cp進料*(T進料-T參考)餾出液熱量Q餾出液=m餾出液*Cp餾出液*(T餾出液-T參考)釜液熱量Q釜液=m釜液*Cp釜液*(T釜液-T參考)冷凝器熱量Q冷凝器=m冷凝液*Cp冷凝液*(T冷凝液-T參考)再沸器熱量Q再沸器=m回流液*Cp回流液*(T回流液-T參考)精餾塔的板效率板效率是指實際精餾塔中每塊塔板的傳質效率，它與塔板的結構、操作條件和物料性質有關。板效率通常小于100%，意味著實際傳質效果低于理論值。計算精餾塔的板效率需要考慮實際操作條件和物料特性。70%典型值實際應用中，板效率通常在70%到90%之間。100%理論值理論板效率為100%，但實際操作中很難達到。精餾塔高度的計算精餾塔高度是一個重要參數，它決定了精餾塔的整體尺寸和成本。精餾塔高度的計算方法主要有兩種：理論板法和傳質單元法。理論板法傳質單元法假設塔內各板效率為100%考慮塔內實際傳質效率計算理論板數計算傳質單元數根據板間距確定塔高根據傳質單元高度確定塔高實際應用中，通常采用傳質單元法進行精餾塔高度的計算，因為該方法更接近實際情況。精餾塔直徑的計算精餾塔的直徑與塔的處理能力有關。處理能力越大，塔的直徑就越大。計算塔直徑時需要考慮多方面的因素，包括塔的壓力、流體性質、液相負荷、塔的結構設計等。HeightPressure精餾塔的壓力計算精餾塔的壓力計算是設計和操作精餾塔的重要環(huán)節(jié)之一。計算塔內壓力，需要考慮物料的蒸汽壓、塔頂壓力和塔底壓力。壓力影響塔內物料的沸點和相平衡，從而影響分離效率。1塔頂壓力影響物料的沸點，進而影響分離效果。2塔底壓力影響物料的沸點，進而影響分離效果。3塔壓降影響塔內物料的流動和分離效果。4壓力控制確保精餾塔安全穩(wěn)定運行的關鍵因素。精餾塔的操作因素分析回流比回流比是指回流到塔頂的液相流率與塔頂餾出液流率之比?；亓鞅仍礁?，塔頂產品純度越高，但蒸汽消耗量也越大。進料組成進料組成是指進料中各組分的含量，進料組成直接影響精餾塔分離效果，進料組分越復雜，分離難度越大。進料溫度進料溫度是指進料的溫度，進料溫度越高，塔頂產品純度越高，但蒸汽消耗量也越大。塔壓塔壓是指精餾塔內的壓力，塔壓越高，塔頂產品純度越高，但蒸汽消耗量也越大。精餾工藝的放大設計1確定放大目標確定放大后所需的產能，并明確放大后的產品規(guī)格和質量要求。例如，放大后的產能是原來的2倍，產品純度要求提高1%。2工藝參數的調整根據放大后的產能和產品要求，調整精餾塔的塔徑、塔高、理論板數、回流比等工藝參數，以滿足放大后的需求。例如，放大后的產能增加，可能需要增加塔徑或塔高以維持相同的塔板效率。3設備選型和設計根據放大后的工藝參數，選擇合適的精餾塔設備，并進行詳細的設計，包括塔體、塔板、塔釜、冷凝器、再沸器等設備的設計。精餾系統的節(jié)能優(yōu)化1優(yōu)化操作條件通過調整操作條件，例如回流比和進料溫度，可以提高分離效率并降低能耗。2選擇高效的塔板或填料高效的塔板或填料可以縮短塔高并減少能耗。3采用節(jié)能型設備使用節(jié)能型泵、風機和加熱器可以降低能耗。4優(yōu)化進料方式采用預熱進料或混合進料可以降低能耗。精