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(yīng)用于各種化學(xué)工程領(lǐng)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(jìn)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(zhì)交換，實現(xiàn)組分分離。多級分離利用多級分離裝置，實現(xiàn)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(guān)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(shè)計和優(yōu)化精餾過程至關(guān)重要，因為它能夠預(yù)測分離效率和塔頂產(chǎn)物的組成。相平衡的數(shù)學(xué)描述氣液平衡氣相和液相達(dá)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(guān)系可以用平衡常數(shù)來表示，平衡常數(shù)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(guān)系，通常以溫度、壓力和組分濃度為坐標(biāo)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(chǎn)生熱效應(yīng)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?jǐn)?shù)之間的關(guān)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(zhì)在溶液中溶解度與其在氣相中的分壓之間的關(guān)系，該定律可以用來計算溶質(zhì)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?jǐn)?shù)成正比。非理想溶液則表現(xiàn)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(xiàn)出正偏差或負(fù)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(fù)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?jǐn)?shù)之間的關(guān)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?jǐn)?shù)。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(guān)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(shù)稱為Henry系數(shù)。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(guān)于體系組成和相平衡溫度的信息。相平衡圖的構(gòu)建相平衡圖是表示在特定條件下不同相平衡關(guān)系的圖形表示。1選擇坐標(biāo)軸選擇合適的坐標(biāo)軸，例如溫度、壓力和摩爾分?jǐn)?shù)。2繪制相邊界根據(jù)實驗數(shù)據(jù)或理論計算確定相邊界。3標(biāo)注相區(qū)標(biāo)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(yù)測不同相的組成和數(shù)量，以及在給定條件下不同相之間的平衡關(guān)系。多組分系統(tǒng)的相平衡圖多組分系統(tǒng)相平衡圖繪制更復(fù)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(biāo)系，三個頂點分別代表三個組分。利用相平衡圖，可以預(yù)測多組分系統(tǒng)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(tǒng)的分離過程，例如蒸餾和萃取。單級精餾原理1進(jìn)料混合物進(jìn)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(nèi)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(biāo)定義計算公式回收率目標(biāo)組分從進(jìn)料中被分離出來的比例回收率=餾出液中目標(biāo)組分量/進(jìn)料中目標(biāo)組分量純度餾出液中目標(biāo)組分的濃度純度=餾出液中目標(biāo)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(biāo)分離因子=餾出液中目標(biāo)組分濃度/釜液中目標(biāo)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(biāo)組分濃度與其在進(jìn)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(biāo)組分濃度越高。分離因子與進(jìn)料液組成、操作條件（如溫度、壓力等）和塔板效率有關(guān)。1進(jìn)料液進(jìn)料液組成對分離因子影響較大，進(jìn)料液中目標(biāo)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(jīng)過塔板或填料層，與下降的液相接觸，進(jìn)行傳質(zhì)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(jìn)行傳質(zhì)和傳熱，從而進(jìn)行分離。4頂部產(chǎn)品塔頂獲得富含輕組分的頂部產(chǎn)品，塔底獲得富含重組分的底部產(chǎn)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(jìn)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(dāng)于一個單級精餾，通過多級串聯(lián)，可以實現(xiàn)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(shù)量、操作條件以及物料的性質(zhì)等因素。理想多級精餾理論模型假設(shè)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(xiàn)理想的組分分離，獲得高純度的產(chǎn)品。設(shè)計簡化簡化了計算和分析，為實際精餾塔設(shè)計提供了理論基礎(chǔ)。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(fù)偏差。2相平衡復(fù)雜氣液平衡關(guān)系無法用理想溶液模型描述。3計算方法需要使用經(jīng)驗相關(guān)系數(shù)或活度系數(shù)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(chǎn)品純度。多級精餾多級塔板或填料，增大接觸面積。優(yōu)化設(shè)計考慮各組分揮發(fā)度，塔板數(shù)，回流比等。控制系統(tǒng)溫度、壓力、流量等參數(shù)控制，保證分離效率。精餾塔設(shè)計基本理論物料平衡計算塔內(nèi)進(jìn)料、頂產(chǎn)品、釜產(chǎn)品及側(cè)線產(chǎn)品的流量和組成。熱量平衡計算進(jìn)料、回流、蒸汽和冷凝的熱量，確定塔內(nèi)溫度分布。塔板效率確定塔內(nèi)實際分離效果，計算塔板數(shù)和塔高。塔徑計算考慮氣液兩相流速，確定塔徑和塔內(nèi)件尺寸。塔壓計算考慮塔內(nèi)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(shè)計和操作中重要的基礎(chǔ)理論之一，它反映了精餾塔內(nèi)部氣相物料的進(jìn)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(nèi)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(jù)物料守恒定律推導(dǎo)出來的，它是描述精餾塔氣相物料平衡關(guān)系的數(shù)學(xué)表達(dá)式。1進(jìn)料包括進(jìn)料量和進(jìn)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(nèi)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(jù)物料守恒定律建立的，它描述了塔內(nèi)各層板上液相組成和流量之間的關(guān)系。精餾塔的液相物料平衡方程可以用來計算塔內(nèi)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(nèi)各層板上的進(jìn)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(nèi)進(jìn)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(nèi)所需的熱量供應(yīng)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(jìn)=Q出進(jìn)料熱量Q進(jìn)料=m進(jìn)料*Cp進(jìn)料*(T進(jìn)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(zhì)效率，它與塔板的結(jié)構(gòu)、操作條件和物料性質(zhì)有關(guān)。板效率通常小于100%，意味著實際傳質(zhì)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(yīng)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(dá)到。精餾塔高度的計算精餾塔高度是一個重要參數(shù)，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(zhì)單元法。理論板法傳質(zhì)單元法假設(shè)塔內(nèi)各板效率為100%考慮塔內(nèi)實際傳質(zhì)效率計算理論板數(shù)計算傳質(zhì)單元數(shù)根據(jù)板間距確定塔高根據(jù)傳質(zhì)單元高度確定塔高實際應(yīng)用中，通常采用傳質(zhì)單元法進(jìn)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(guān)。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(zhì)、液相負(fù)荷、塔的結(jié)構(gòu)設(shè)計等。HeightPressure精餾塔的壓力計算精餾塔的壓力計算是設(shè)計和操作精餾塔的重要環(huán)節(jié)之一。計算塔內(nèi)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(nèi)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(jìn)而影響分離效果。2塔底壓力影響物料的沸點，進(jìn)而影響分離效果。3塔壓降影響塔內(nèi)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(guān)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?shù)囊合嗔髀逝c塔頂餾出液流率之比。回流比越高，塔頂產(chǎn)品純度越高，但蒸汽消耗量也越大。進(jìn)料組成進(jìn)料組成是指進(jìn)料中各組分的含量，進(jìn)料組成直接影響精餾塔分離效果，進(jìn)料組分越復(fù)雜，分離難度越大。進(jìn)料溫度進(jìn)料溫度是指進(jìn)料的溫度，進(jìn)料溫度越高，塔頂產(chǎn)品純度越高，但蒸汽消耗量也越大。塔壓塔壓是指精餾塔內(nèi)的壓力，塔壓越高，塔頂產(chǎn)品純度越高，但蒸汽消耗量也越大。精餾工藝的放大設(shè)計1確定放大目標(biāo)確定放大后所需的產(chǎn)能，并明確放大后的產(chǎn)品規(guī)格和質(zhì)量要求。例如，放大后的產(chǎn)能是原來的2倍，產(chǎn)品純度要求提高1%。2工藝參數(shù)的調(diào)整根據(jù)放大后的產(chǎn)能和產(chǎn)品要求，調(diào)整精餾塔的塔徑、塔高、理論板數(shù)、回流比等工藝參數(shù)，以滿足放大后的需求。例如，放大后的產(chǎn)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(shè)備選型和設(shè)計根據(jù)放大后的工藝參數(shù)，選擇合適的精餾塔設(shè)備，并進(jìn)行詳細(xì)的設(shè)計，包括塔體、塔板、塔釜、冷凝器、再沸器等設(shè)備的設(shè)計。精餾系統(tǒng)的節(jié)能優(yōu)化1優(yōu)化操作條件通過調(diào)整操作條件，例如回流比和進(jìn)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(shè)備使用節(jié)能型泵、風(fēng)機和加熱器可以降低能耗。4優(yōu)化進(jìn)料方式采用預(yù)熱進(jìn)料或混合進(jìn)料可以降低能耗。精