大学精品课件：第八章 蒸馏.ppt

1、1,第八章 蒸馏 （Chapter 8 Distillation）,讲授人:黄德春 中国药科大学,2,内容纲要（一）,概述,两组分溶液的气液平衡,相率,拉乌尔定律,温度-组成图,y-x图,非理想溶液,挥发度与相对挥发度,蒸馏与精馏原理,单级分离,3,精馏原理,连续精馏,间歇精馏,双组分连续精馏的计算,理论板与恒摩尔流假设,全塔物料衡算,精馏段操作线方程,提馏段操作线方程,进料方程,理论板数的计算,内容纲要（二）,4,回流比,吉利兰图,塔高和塔径,精馏塔,塔设备,板式塔,作业参考答案,内容纲要（三）,6,第一节 概述,一、传质过程：,物质在相内或相间转移,7,第一节 概述,8,第一节 概述,9,

2、二、蒸馏目的：,分离液体混合物,三、分离依据：,各组分的挥发度不同,A挥发度大沸点低轻组分,B挥发度小沸点高重组分,第一节 概述,10,四、 分 类,简单蒸馏,特殊精馏,精馏,按操作流程,连续精馏,间歇精馏,平衡蒸馏(闪蒸),按操作压强,常压精馏,减压精馏,按组分数目,两组分精馏,多组分精馏,加压精馏,第一节 概述,11,第二节 双组分溶液的气液平衡,一、相率：,常压下：,双组分气液平衡：,12,第二节 双组分溶液的气液平衡,1.饱和蒸汽压,2.道尔顿分压定律:,(理想气体),二、拉乌尔定律：,13,第二节 双组分溶液的气液平衡,3.拉乌尔定律：,理想溶液：,同温度下纯A的饱和蒸汽压,Pa,同

3、样：,若气液均为理想,14,第二节 双组分溶液的气液平衡,(平衡时),15,第二节 双组分溶液的气液平衡,例1.苯(A)和甲苯(B)的饱和蒸汽压和温度的关系数据如表。利用拉乌尔定律计算苯甲苯混合液在P101.33kPa下气液平衡数据。可视为理想溶液。,16,第二节 双组分溶液的气液平衡,解：以t=85为例,17,第二节 双组分溶液的气液平衡,三、温度-组成图：,饱和液体线,饱和蒸气线,液相区,气液 共存区,过热蒸气区,A,B,（泡点线）,C,E,（露点线）,D,18,说明：,沸点(泡点)不为定值,沸点(泡点)与露点不等,区别于纯液体,第二节 双组分溶液的气液平衡,19,四、 图：,说明：,平衡

4、线多数在对角线的上方( )；,平衡线偏离对角线越远，越易精馏。,第二节 双组分溶液的气液平衡,20,五、非理想溶液：,不符合拉乌尔定律,第二节 双组分溶液的气液平衡,正偏差,1.正、负偏差溶液：,负偏差,21,第二节 双组分溶液的气液平衡,22,2.恒沸液：,第二节 双组分溶液的气液平衡,23,恒沸液,说明：,恒沸液普通精馏时,产品浓度最高为恒沸组成。,恒沸点处的气、液组成一致;,第二节 双组分溶液的气液平衡,24,第二节 双组分溶液的气液平衡,3.特殊精馏：,共(恒)沸精馏,加入第三组分，形成新的更低沸点共沸物,摩尔分率：0.228 0.233 0.539,原料液+苯,苯 + 乙醇 + 水,

5、0.539 + 0.228 + 0.223,恒 沸 精 馏 塔,全凝器,苯+乙醇+水,0.745+0.217+0.038,苯相(20时),苯+乙醇+水,0.043+0.35+0.607,水相(20时),苯回收 塔,苯+乙醇+水(恒沸),乙醇+水 (稀溶液),乙醇回收 塔,水,(恒沸),乙醇 + 水,(恒沸),全凝器,无水酒精,工业酒精,分层器,26,第二节 双组分溶液的气液平衡,萃取精馏,加入第三组分，改变相对挥发度,27,1.挥发度( )：,平衡时,2.相对挥发度( )：,若为理想溶液, 则,第二节 双组分溶液的气液平衡,六、挥发度与相对挥发度：,28,气液 平衡 方程,说明：,若 越大于1

6、,越易精馏；,若 (恒沸液)时，,则不能采用普通精馏。,理想溶液,随温度变化不大。,第二节 双组分溶液的气液平衡,作业：P236中习题(2)。,29,第三节 蒸馏与精馏原理,一、单级分离：,30,1.简单(微分)蒸馏：,气液平衡组成不断变化,(非稳态过程),第三节 蒸馏与精馏原理,31,第三节 蒸馏与精馏原理,32,第三节 蒸馏与精馏原理,2.平衡蒸馏(闪蒸)：,气液发生一次平衡,33,第三节 蒸馏与精馏原理,闪蒸罐,塔顶产品,yA,xA,加热器,原料液,塔底产品,Q,减压阀,34,第三节 蒸馏与精馏原理,35,二、精馏原理：,缺点：收率低、能耗高,第三节 蒸馏与精馏原理,36,必要条件：,塔

7、顶液体回流;,塔釜液体部分气化。,第三节 蒸馏与精馏原理,温 度 依 次 降低,浓 度 依 次 升高,37,第三节 蒸馏与精馏原理,38,第三节 蒸馏与精馏原理,39,第三节 蒸馏与精馏原理,40,第三节 蒸馏与精馏原理,41,第三节 蒸馏与精馏原理,42,第三节 蒸馏与精馏原理,43,三、连续精馏：,加料板以上,精馏段,加料板及其以下,提馏段,第三节 蒸馏与精馏原理,加料位置,与原料液组成相近的板上进料,44,第三节 蒸馏与精馏原理,45,第三节 蒸馏与精馏原理,46,四、间歇精馏：,只有精馏段， 没有提馏段,第三节 蒸馏与精馏原理,47,第四节 双组分连续精馏的计算,一、理论板与恒摩尔流假

8、设：,理论板,1.理论板：,48,离开理论板时,气相的露点等于液相的泡点,第四节 双组分连续精馏的计算,49,第四节 双组分连续精馏的计算,50,2.恒摩尔流假设：,第四节 双组分连续精馏的计算,注：V不一定等于V，L不一定等于L,51,二、全塔物料衡算：,总物料：,轻组分：,回收率(重)：,回收率(轻)：,第四节 双组分连续精馏的计算,52,第四节 双组分连续精馏的计算,浓度表示法,摩尔分率,质量分率,摩尔浓度,质量浓度,摩尔比,质量比,53,第四节 双组分连续精馏的计算,算例：,以1kgB为基准：,以1kmol(A+B)为基准：,54,例:将15000kg/h含苯40%（质量分率）和甲苯6

9、0%的溶液，在连续精馏塔中进行分离，要求釜残液中含苯不高于2%，塔顶馏出液中苯的回收率为97.1%。试求馏出液和釜残液的流量及组成，以摩尔流量和摩尔分率表示。,解：,进料组成：,釜残液组成：,平均分子量：,第四节 双组分连续精馏的计算,55,原料液流量：,已知：,全塔物衡：,即：,作业：P237中习题3和补充习题。,第四节 双组分连续精馏的计算,56,补充习题：一精馏塔用于分离乙苯(C8H10)-苯乙烯(C8H8)-混合物，进料量为 ，其中乙苯的质量分率为0.6，塔顶乙苯的回收率为79.2%，塔底苯乙烯的回收率为93.7%。试求塔顶、底产品的摩尔流量。,( ),第四节 双组分连续精馏的计算,5

10、7,三、精馏段操作线方程：,总物料：,轻组分：,令：,回流比,第四节 双组分连续精馏的计算,58,第四节 双组分连续精馏的计算,59,第四节 双组分连续精馏的计算,例：在一两组份连续精馏塔中，进入精馏塔中第n层理论板的气相组成为0.75，从该板流出的液相组成为0.65(均为摩尔分数)，塔内气液比V/L2，物系的相对挥发度为2.5，求(1)从该板上升的蒸汽组成；(2)流入该板的液相组成；(3)回流比R。,解:,(1)已知,和 成平衡,60,第四节 双组分连续精馏的计算,(2)求 ：,和,满足精馏段操作线关系。,但 和,满足精馏段操作线关系。,61,第四节 双组分连续精馏的计算,方法二：,由第n板

11、的物料衡算可得：,(3),62,四、提馏段操作线方程：,总物料：,轻组分：,第四节 双组分连续精馏的计算,63,第四节 双组分连续精馏的计算,64,五、进料方程：,第四节 双组分连续精馏的计算,1.五种热状况：,65,第四节 双组分连续精馏的计算,66,第四节 双组分连续精馏的计算,67,2.定量描述：,由于：,第四节 双组分连续精馏的计算,68,令：,和,泡点进料,露点进料,第四节 双组分连续精馏的计算,例题,69,第四节 双组分连续精馏的计算,例：20的苯-甲苯原料液,x苯=0.44,求q.已知苯的汽化潜热为389kJ/kg,甲苯的汽化潜热为360kJ/kg.,解：,原料液,20,93,饱

12、和蒸汽,液体,93,显热,潜热,(1) 潜热rm:,由苯-甲苯的t-x-y图查得，该条件下tD=93,70,第四节 双组分连续精馏的计算,(2) 显热r:,在平均温度 下：,返回,71,例：在常压操作的连续精馏塔中分离含甲醇0.4与水0.6（摩尔分率）的溶液，进料的热状况参数为1.1，原料液流量为100kmol/h，要求塔顶易挥发组分的回收率不低于0.94，釜液组成为0.04（以上均为易挥发组分的摩尔分率），回流比为2.5，试求产品的流量、精馏段和提馏段的操作线方程及提馏段上升的蒸汽流量。假设气液相均为恒摩流动。,解:,(1),第四节 双组分连续精馏的计算,72,(2)精馏段操作线方程:,(3

13、),提馏段操作线方程:,第四节 双组分连续精馏的计算,73,(4),另,第四节 双组分连续精馏的计算,74,3.q线方程：,第四节 双组分连续精馏的计算,75,第四节 双组分连续精馏的计算,76,4.q线对操作线的影响：,第四节 双组分连续精馏的计算,77,第四节 双组分连续精馏的计算,78,作业：P237中习题5(改q线方程为y=0.5x+0.15)。,例: 某连续精馏操作中，已知操作线方程为：精馏段y =0.723x+0.263；提馏段y =1.25x0.0187；若原料液于露点温度下进入精馏塔中，试求原料液、馏出液和釜液的组成及回流比。,解:,第四节 双组分连续精馏的计算,79,六、理论

14、板数的计算：,精馏段：,若塔顶为全凝器,第四节 双组分连续精馏的计算,1.逐板计算法：,已知,80,第四节 双组分连续精馏的计算,81,第四节 双组分连续精馏的计算,*当 时,则第n层为加料板，,即,*若非泡点进料,则取,（泡点进料）,操作线交点处的液相组成,加料板算在提馏段,82,第四节 双组分连续精馏的计算,若塔顶为分凝器，则分凝器也相当于一块理论板。,平衡关系,操作关系,83,第四节 双组分连续精馏的计算,提馏段：,已知,84,总板数：,当 时，,结束，,则,(包括加料板),(再沸器),第四节 双组分连续精馏的计算,作业：P237中习题6。,85,2.梯级图解法,86,第四节 双组分连续

15、精馏的计算,步骤：,当 时，,在平衡线与精馏段操线间作梯级;,当 时，,在平衡线与提馏段操线间作梯级;,当 时，,停止作图。,87,3.进料位置确定：,原则：,使所需的理论板层数最少,选择与进料组成与温度相近的塔板作为加料板,方法：,平衡线与操作线间的垂直(水平)距离越大，说明该塔板的增浓能力越大。,说明：,第四节 双组分连续精馏的计算,88,4.分析：,当 时，,只有精馏段操作线；,当 时，,存在两条操作线；,当 时，,只有提馏段操作线；,*当 时，,平衡线与精馏段操作线间距离大,*当 时，,平衡线与提馏段操作线间距离大,第四节 双组分连续精馏的计算,89,第四节 双组分连续精馏的计算,90

16、,第四节 双组分连续精馏的计算,例：某苯与甲苯的混合原料，苯的摩尔分率为0.4。拟采用精馏塔分离，原料液处理量为100 kmol/h。要求塔顶产品含量为0.9，苯的回收率不低于90，原料预热至泡点加入塔内。塔顶采用全凝器冷凝，回流比为1.875。已知在操作条件下，物系的相对挥发度为2.47。求为完成分离任务所需要的理论板数及加料位置。,解:,(1)求D，W,逐板计算法：,91,第四节 双组分连续精馏的计算,(2)求精馏段操作线方程,92,第四节 双组分连续精馏的计算,(3)求提馏段操作线方程,(4)求相平衡方程,由,得：,93,第四节 双组分连续精馏的计算,(5)计算精馏段理论板数,由,故第5

17、块板为加料板,94,第四节 双组分连续精馏的计算,(6)求提馏段理论板数,95, 梯 级 图 解 法,96,七、回流比：,若D=0,(通常也有F=0,W=0),操作线：,(即L=V),1.全回流：,第四节 双组分连续精馏的计算,任一塔截面上升蒸汽和下降液体的流量和组成均相等,97,求,平衡方程：,第四节 双组分连续精馏的计算,98,操作线方程：,若塔顶为全凝器，,则,故,第四节 双组分连续精馏的计算,99,第四节 双组分连续精馏的计算,100,第四节 双组分连续精馏的计算,101,若令,第四节 双组分连续精馏的计算,102,芬斯克方程,全塔平均相对挥发度,当 变化不大时，,全回流说明：,为回流

18、比的上限；,对应着最少理论板数。,第四节 双组分连续精馏的计算,103,2.最小回流比：,分析:,(平衡线与操作线越近),当四条线交于一点时,交点附近板上无增浓作用,即,恒浓区(挟紧区),挟紧点,第四节 双组分连续精馏的计算,104, 的求取：,其中：,第四节 双组分连续精馏的计算,105,第四节 双组分连续精馏的计算,106,非正常平衡曲线的 ：,第四节 双组分连续精馏的计算,107,3.回流比的选择：,设计时R的选择：,选择依据：,总费用=操作费用+设备折旧费,费用最低,第四节 双组分连续精馏的计算,108,分析：,难分离物系：,第四节 双组分连续精馏的计算,109,第四节 双组分连续精馏

19、的计算,110,操作时R的调节：,第四节 双组分连续精馏的计算,111,例：某混合物在一常压连续精馏塔进行分离。进料中轻组分A含量为0.4(摩尔分率),流量为 。要求塔顶馏出液中含A为0.9,A的回收率不低于0.9。泡点进料，取回流比为最小回流比的1.5倍,塔釜间接蒸汽加热.且知系统的相对挥发度为=2.5。试求(1)塔顶产品流量D,塔底产品流量W 及组成 ;(2)最小回流比;(3)精馏段和提馏段操作线方程;(4)从塔底数起的第二块理论板上 (塔底可视为第一块理论板)流下的液体组成;(5)操作时,若第一块板下降的液体中含苯0.8,求该板的气相默弗里板效率 。,第四节 双组分连续精馏的计算,112

20、,解：,（1）,第四节 双组分连续精馏的计算,113,（2）,泡点进料,第四节 双组分连续精馏的计算,114,（3）,精操线：,提操线：,第四节 双组分连续精馏的计算,115,或,第四节 双组分连续精馏的计算,116,（4）,又,第四节 双组分连续精馏的计算,117,（5）,作业：P237中习题8。,第四节 双组分连续精馏的计算,118,补充习题：在常压连续精馏塔中,分离某理想溶液。原料液组成为0.4,塔顶馏出液组成0.95(以易挥发组分的摩尔分率计)。回流比为最小回流比的1.5倍。每kmol原料液变成饱和蒸汽所需的热量等于原料液的kmol汽化潜热的1.2倍。操作条件下溶液的平均相对挥发度为2

21、.0,塔顶采用全凝器。试计算由第二块理论板上升的气相组成(序号自塔顶往下编写)。,第四节 双组分连续精馏的计算,119,第四节 双组分连续精馏的计算,八、吉利兰图：,生产任务确定,原料确定,（不含再沸器）,120,1.塔板效率：,第四节 双组分连续精馏的计算,九、塔高和塔径：,*AIChE 估算法；,*奥康乃尔关联法:,121,第四节 双组分连续精馏的计算,122,第四节 双组分连续精馏的计算,123,单板效率EM：,第四节 双组分连续精馏的计算,（莫弗里效率）,气相：,液相：,124,第四节 双组分连续精馏的计算,说明：,*不同板的 通常不相等；,*同一板的 且 。,？,？,*总板效率 ，但

22、 ；,图示,125,第四节 双组分连续精馏的计算,返回,126,理论板当量高度,（等板高度）,含义:一个等板高度的填料层，它的传质作用相当于一 层理论塔板的传质作用。,第四节 双组分连续精馏的计算,2.塔高计算：,板式塔：,填料塔：,HETP :,127,3.塔径计算：,空塔气速，,塔内上升蒸汽的体积流量，,第四节 双组分连续精馏的计算,128,第五节 精馏塔,一、塔设备：,逐级接触式,微分接触式 (连续),板式塔,填料塔,1.分类,2.性能评价：,*生产能力；,*分离效率；,*操作弹性；,*气流阻力。,塔器,129,第五节 精馏塔,返回,130,二、板式塔：,第五节 精馏塔,131,第五节

23、精馏塔,错流式：,逆流(穿流)式：,1.分类：,132,2.塔板流体力学性能：,第五节 精馏塔,气液接触状态：,鼓泡接触,泡沫接触,喷射接触,133,第五节 精馏塔,气液接触状态,134,塔板压降：,*重要性：,*产生原因：,*确定原则：,在保证板效率的前提下, 尽量降低塔板压降。,第五节 精馏塔,135,漏液：,*危害性：,*产生原因：,*预防措施：,预留安定区,第五节 精馏塔,136,雾沫夹带：,*分析：,*产生原因：,*确定原则：,*预防措施：,适当加大板间距,第五节 精馏塔,137,第五节 精馏塔,138,第五节 精馏塔,气相返混,139,液泛(淹塔)：,*危害性：,*产生原因：,*防

24、范措施：,优化板结构,增大板间距,可提高液泛气速,操作被完全破坏,第五节 精馏塔,140,第五节 精馏塔,141,液面落差：,*危害性：,*产生原因：,*防范措施：,板效率下降,板面上流动阻力所致,合理设计塔板流型,第五节 精馏塔,142,补：负荷性能图,分析：,性能曲线：,第五节 精馏塔,143,说明：,*针对某块特定塔板而言， 并非某一塔段；,*操作点越靠近中间，操作越稳定；,*操作线为辅助线，其与性能图两交点表示控制负荷上下限的两因素。,第五节 精馏塔,144,3.塔板类型：,第五节 精馏塔,145,泡罩塔板：,第五节 精馏塔,146,第五节 精馏塔,147,第五节 精馏塔,148,筛板：,第五节 精馏塔,149,第五节 精馏塔,150,第五节 精馏塔,151,浮阀塔板：,第五节 精馏塔,F-1型,152,第五节 精馏塔,153,第五节 精馏塔,154,第五节 精馏塔,155,第五节 精馏塔,156,导向筛板：,第五节 精馏塔,157,喷射型塔板：,舌形塔板,浮舌塔板,第五节 精馏塔,158,喷射塔板,第五节 精馏塔,159,第五节 精馏塔,160,第五节 精馏塔,161,第五节 精馏塔,162,作业参考答案,习题2：,习题3：,习题5：,习题6：,习题8：,