《学习情境一精制提纯工业酒精Chapter1Distillation.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《学习情境一精制提纯工业酒精Chapter1Distillation.ppt（78页珍藏版）》请在taowenge.com淘文阁网|工程机械CAD图纸|机械工程制图|CAD装配图下载|SolidWorks_CaTia_CAD_UG_PROE_设计图分享下载上搜索。
1、学习情境一精制提纯工业酒精Chapter1Distillation Still waters run deep.流静水深流静水深,人静心深人静心深 Where there is life,there is hope。有生命必有希望。有生命必有希望 应用热力学基本理论表达体系的应用热力学基本理论表达体系的应用热力学基本理论表达体系的应用热力学基本理论表达体系的热力学性质的相热力学性质的相热力学性质的相热力学性质的相互关系、相平衡关系互关系、相平衡关系互关系、相平衡关系互关系、相平衡关系。对过程进行物料和热量衡算，。对过程进行物料和热量衡算，。对过程进行物料和热量衡算，。对过程进行物料和热量衡算，
2、确定给定条件下完成分离要求所需的确定给定条件下完成分离要求所需的确定给定条件下完成分离要求所需的确定给定条件下完成分离要求所需的理论板数理论板数理论板数理论板数，塔，塔，塔，塔内物流内物流内物流内物流流量、组成的分布流量、组成的分布流量、组成的分布流量、组成的分布。通过严格的模拟计算还。通过严格的模拟计算还。通过严格的模拟计算还。通过严格的模拟计算还可获得温度、物流性质等分布，为精馏塔设计提供可获得温度、物流性质等分布，为精馏塔设计提供可获得温度、物流性质等分布，为精馏塔设计提供可获得温度、物流性质等分布，为精馏塔设计提供工艺条件及数据。工艺条件及数据。工艺条件及数据。工艺条件及数据。本章研究
3、方法本章研究方法本章重点本章重点 连续精馏过程的基本原理及过程描述的基连续精馏过程的基本原理及过程描述的基连续精馏过程的基本原理及过程描述的基连续精馏过程的基本原理及过程描述的基 本方法。本方法。本方法。本方法。二元精馏过程的设计以及精馏过程的操作二元精馏过程的设计以及精馏过程的操作二元精馏过程的设计以及精馏过程的操作二元精馏过程的设计以及精馏过程的操作 分析与诊断。分析与诊断。分析与诊断。分析与诊断。精馏过程及塔设备的工艺计算。精馏过程及塔设备的工艺计算。精馏过程及塔设备的工艺计算。精馏过程及塔设备的工艺计算。1.1.1 蒸馏的应用蒸馏的应用 液体产品的精制液体产品的精制汽油汽油煤油煤油柴油
4、柴油其其他他油品油品石油石油苯苯甲苯甲苯二甲苯等二甲苯等煤焦油煤焦油目的目的目的目的：对液体混合物的分离，提取或回收有用组分。：对液体混合物的分离，提取或回收有用组分。：对液体混合物的分离，提取或回收有用组分。：对液体混合物的分离，提取或回收有用组分。依据：依据：依据：依据：液体混合物中液体混合物中液体混合物中液体混合物中各组分挥发性各组分挥发性各组分挥发性各组分挥发性的差异。的差异。的差异。的差异。1.1.2 蒸馏分离的目的和依据蒸馏分离的目的和依据乙醇水乙醇水乙醇水乙醇水加热加热加热加热汽相汽相汽相汽相:醇富集醇富集醇富集醇富集液相液相液相液相:水富集水富集水富集水富集冷凝冷凝冷凝冷凝冷却
5、冷却冷却冷却乙醇乙醇乙醇乙醇产品产品产品产品废水废水废水废水乙醇水体系的蒸馏分离乙醇水体系的蒸馏分离挥发性高（乙醇），称为易挥发组分或轻组分（挥发性高（乙醇），称为易挥发组分或轻组分（A A）挥发性低（水）挥发性低（水），称为难挥发组分或重组分（称为难挥发组分或重组分（B B）二元蒸馏二元蒸馏液体混合物：液体混合物：(酒精水溶液酒精水溶液)液体混合物液体混合物 加热加热部分汽化部分汽化 气相：气相：yA,yB 液相：液相：xA,xB 液相液相冷凝冷凝必有：必有：yA xA,yB x，故平衡曲线，故平衡曲线在对角线的上方；在对角线的上方；平衡线离对角线越远，平衡线离对角线越远，挥发性差异越大，物
6、系挥发性差异越大，物系越易分离。越易分离。5.5.压力压力对对txy图及图及xy图的影响图的影响压力增加，平衡线靠近对角线，分离难度加大。压力增加，平衡线靠近对角线，分离难度加大。1.2.3 挥发度与相对挥发度挥发度与相对挥发度pA、pB汽液平衡时，组分汽液平衡时，组分A,B在气相中的分压；在气相中的分压；xA、xB汽液平衡时，组分汽液平衡时，组分A,B在液相中的摩尔分数。在液相中的摩尔分数。混合液某组分挥发度混合液某组分挥发度:1.1.挥发度挥发度意义：是该物质意义：是该物质挥发难易程度挥发难易程度的标志的标志。定义：气相中某一组分的蒸汽分压和与之平衡的液定义：气相中某一组分的蒸汽分压和与之
7、平衡的液相中的该组分摩尔分数之比，用符号相中的该组分摩尔分数之比，用符号 表示表示。理想溶液：理想溶液：理想气体：理想气体：一般物系：一般物系：2.相对挥发度相对挥发度(以以 表示表示)(Relative volatility)定义：溶液中两组分挥发度之比定义：溶液中两组分挥发度之比。对于二元物系对于二元物系：yB=1-yA xB=1-xA即即 相平衡方程相平衡方程理想溶液：理想溶液：则3.3.平均相对挥发度平均相对挥发度式中式中顶顶塔顶的相对挥发度塔顶的相对挥发度釜釜塔釜的相对挥发度塔釜的相对挥发度4 4.的物理意义的物理意义 气相中两组分组成之比是液相中两组分组成之气相中两组分组成之比是液
8、相中两组分组成之 比的倍数；比的倍数；标志着分离的难易程度标志着分离的难易程度；若若1,则则 yx,可用蒸馏方法分离，且可用蒸馏方法分离，且愈大，愈大，x-y图中平衡线愈远离对角线，物系愈易分离；图中平衡线愈远离对角线，物系愈易分离；=1,=1,无法用普通蒸馏方法分离。无法用普通蒸馏方法分离。1.2.4 1.2.4 非理想溶液非理想溶液1.1.具有正偏差的溶液具有正偏差的溶液 一般正偏差一般正偏差：pApA理理，pBpB理理，介于，介于pAo、pBo 之间。之间。正偏差溶液：正偏差溶液：x=0.894，最低恒沸点，最低恒沸点，78.15乙醇水溶液相图乙醇水溶液相图硝酸水溶液相图硝酸水溶液相图负
9、偏差溶液：负偏差溶液：x=0.383，最高恒沸点，最高恒沸点，121.92.具有负偏差的溶液具有负偏差的溶液一般负偏差一般负偏差 pApA理理，pBpB理理。注意：注意：1.1.非理想溶液不一定都具有恒沸点。非理想溶液不一定都具有恒沸点。如甲醇水溶液，属正偏差系统。如甲醇水溶液，属正偏差系统。2.2.精馏分离的依据：精馏分离的依据：挥发度的差异，而非沸点的大小。挥发度的差异，而非沸点的大小。1.3.1简单蒸馏与平衡蒸馏简单蒸馏与平衡蒸馏1.3.2精馏原理精馏原理1.3.3连续精馏装置流程连续精馏装置流程1.3.4 理论板的概念和恒摩尔流假设理论板的概念和恒摩尔流假设1.3蒸馏与精馏原理蒸馏与精
10、馏原理1.3.1 简单蒸馏和平衡蒸馏简单蒸馏和平衡蒸馏 简单蒸馏又称为微分蒸馏，瑞利（简单蒸馏又称为微分蒸馏，瑞利（简单蒸馏又称为微分蒸馏，瑞利（简单蒸馏又称为微分蒸馏，瑞利（Rayleigh)1902Rayleigh)1902Rayleigh)1902Rayleigh)1902年提出年提出年提出年提出了该过程数学描述方法，故该蒸馏又称之为瑞利蒸馏。了该过程数学描述方法，故该蒸馏又称之为瑞利蒸馏。了该过程数学描述方法，故该蒸馏又称之为瑞利蒸馏。了该过程数学描述方法，故该蒸馏又称之为瑞利蒸馏。1.装置装置2.特点特点:间歇非定态。间歇非定态。一次进料。一次进料。xD,xW不是一对平不是一对平衡组
11、成。衡组成。适合于适合于 大的组分。大的组分。一一一一 、简单蒸馏简单蒸馏简单蒸馏简单蒸馏二、平衡蒸馏二、平衡蒸馏(又叫闪蒸又叫闪蒸)1.流程流程2.特点特点:一次进料，粗分一次进料，粗分xi,yi是一对平衡是一对平衡组成组成W(液液)、xD(气气)、y2.计算计算:1)物料衡算物料衡算总物料的衡算：总物料的衡算：易挥发组分的衡算：易挥发组分的衡算：令：令：加料液中液相与进料总量的比值加料液中液相与进料总量的比值操作线方程操作线方程W(液液)、xD(气气)、yW(液液)、xD(气气)、y2)热量衡算热量衡算I 加热器的热量衡算：加热器的热量衡算：II 闪蒸罐的热量衡算：闪蒸罐的热量衡算：自蒸发
12、显热自蒸发显热=部分气化所需的潜热部分气化所需的潜热例题：例题：在常压下，对苯与甲苯二元理想溶液进行平衡蒸馏，若在常压下，对苯与甲苯二元理想溶液进行平衡蒸馏，若在常压下，对苯与甲苯二元理想溶液进行平衡蒸馏，若在常压下，对苯与甲苯二元理想溶液进行平衡蒸馏，若原料液中苯的浓度为原料液中苯的浓度为原料液中苯的浓度为原料液中苯的浓度为0.50.50.50.5（摩尔分率），物系的相对挥发度（摩尔分率），物系的相对挥发度（摩尔分率），物系的相对挥发度（摩尔分率），物系的相对挥发度为为为为2.472.472.472.47。求：当气化率为。求：当气化率为。求：当气化率为。求：当气化率为0.40.40.40.4
13、时，釜液与馏出液的组成？时，釜液与馏出液的组成？时，釜液与馏出液的组成？时，釜液与馏出液的组成？解：因苯和甲苯为二元理想溶液，其平衡关系可表示为：解：因苯和甲苯为二元理想溶液，其平衡关系可表示为：因为气化率为（因为气化率为（1-q）=0.4,则则 q=0.6 物料衡算式：物料衡算式：联立方程式得：联立方程式得：三、简单蒸馏和平衡蒸馏的比较三、简单蒸馏和平衡蒸馏的比较简单蒸馏：相当简单蒸馏：相当简单蒸馏：相当简单蒸馏：相当于分批多次采用于分批多次采用于分批多次采用于分批多次采用一个理论塔板进一个理论塔板进一个理论塔板进一个理论塔板进行蒸馏，故同一行蒸馏，故同一行蒸馏，故同一行蒸馏，故同一理论板相
14、当多次理论板相当多次理论板相当多次理论板相当多次发挥作用。发挥作用。发挥作用。发挥作用。平衡蒸馏：相当于平衡蒸馏：相当于平衡蒸馏：相当于平衡蒸馏：相当于总进料一次通过一总进料一次通过一总进料一次通过一总进料一次通过一个理论板，进行一个理论板，进行一个理论板，进行一个理论板，进行一次分离。分离效果次分离。分离效果次分离。分离效果次分离。分离效果不及简单蒸馏。不及简单蒸馏。不及简单蒸馏。不及简单蒸馏。1.3.2 精馏原理精馏原理1 1、多次部分汽化和多次部分冷凝、多次部分汽化和多次部分冷凝 1.3.2 精馏原理精馏原理通过多次部分气化和多通过多次部分气化和多次部分冷凝，最终可以次部分冷凝，最终可以
15、获得几乎纯态的易挥发获得几乎纯态的易挥发组分和难挥发组分，但组分和难挥发组分，但得到的气相量和液相量得到的气相量和液相量却越来越少。却越来越少。2.2.有回流的多次部分汽化和多次部分冷凝有回流的多次部分汽化和多次部分冷凝 缺点：缺点：1.1.收率低；收率低；2.2.设备重复量大，设备投资大；设备重复量大，设备投资大；3.3.能耗大，过程有相变。能耗大，过程有相变。问题：工业上如何实现？问题：工业上如何实现？进料板：进料板：原料液进入的原料液进入的那层塔板那层塔板。精馏段：精馏段：进料板以上的进料板以上的塔段塔段。提馏段：提馏段：进料板以下（包进料板以下（包括进料板）的塔段括进料板）的塔段。1.
16、3.3 连续精馏装置流程连续精馏装置流程.连续精馏装置连续精馏装置2.2.塔板的作用塔板的作用 塔板提供了塔板提供了汽液汽液分离的场所；分离的场所；每一块塔板是一每一块塔板是一个个混合分离器；混合分离器；足够多的板数足够多的板数可可使各组分使各组分较完全分较完全分离。离。特点：特点：塔盘主要结构塔盘主要结构塔板流动状态塔板流动状态说明：说明：1、下降的液相泡点、下降的液相泡点tn-1与上升的气相露点与上升的气相露点tn+1不等，不等，当气液平衡时，两相温度相等当气液平衡时，两相温度相等tn，即传质伴有传热，即传质伴有传热过程。过程。2、重组分由气相冷凝至液相，放出潜热，轻组分、重组分由气相冷凝
17、至液相，放出潜热，轻组分由液相汽化成气相，需要潜热，二者同时发生，潜由液相汽化成气相，需要潜热，二者同时发生，潜热抵消；热抵消；3、气液两相偏离平衡越远，传质过程进行越快。、气液两相偏离平衡越远，传质过程进行越快。回流的作用：回流的作用：回流的作用：回流的作用：提供不平衡的气液两相，是构成气液两提供不平衡的气液两相，是构成气液两提供不平衡的气液两相，是构成气液两提供不平衡的气液两相，是构成气液两相传质的必要条件。相传质的必要条件。相传质的必要条件。相传质的必要条件。精馏的主要特点就是有回流。精馏的主要特点就是有回流。精馏的主要特点就是有回流。精馏的主要特点就是有回流。3.3.精馏过程的回流精馏
18、过程的回流 回流包括：回流包括：塔顶回流液塔顶回流液塔底回流汽塔底回流汽塔顶回流液塔顶回流液回流液回流液：在任意塔板上，上一块塔板下来的液：在任意塔板上，上一块塔板下来的液体，轻组分含量高，温度低。体，轻组分含量高，温度低。塔釜汽相回流塔釜汽相回流回流汽回流汽：任意塔板上，下一块塔板上来的汽：任意塔板上，下一块塔板上来的汽体，重组分含量高，温度高；体，重组分含量高，温度高；1.3.4 理论板的概念和恒摩尔流的假设理论板的概念和恒摩尔流的假设 假设假设（1）两组分的摩尔汽化潜热相等；两组分的摩尔汽化潜热相等；（2）两两相相接接触触因因两两相相温温度度不不同同而而交交换换的的显显热热可可忽忽略略不
19、计不计；（3）塔设备保温良好，热损失可以忽略不计。）塔设备保温良好，热损失可以忽略不计。2.恒摩尔流的假设恒摩尔流的假设1.理论板的概念理论板的概念 所谓理论塔板是指这样一块塔板，当汽液两相在其上所谓理论塔板是指这样一块塔板，当汽液两相在其上所谓理论塔板是指这样一块塔板，当汽液两相在其上所谓理论塔板是指这样一块塔板，当汽液两相在其上进行接触传质时，离开该塔板的两相在传热、传质方面都进行接触传质时，离开该塔板的两相在传热、传质方面都进行接触传质时，离开该塔板的两相在传热、传质方面都进行接触传质时，离开该塔板的两相在传热、传质方面都达到了平衡，即汽液两相的温度相同、组成互呈平衡。达到了平衡，即汽液
20、两相的温度相同、组成互呈平衡。达到了平衡，即汽液两相的温度相同、组成互呈平衡。达到了平衡，即汽液两相的温度相同、组成互呈平衡。精精馏馏段段，每每层层塔塔板板上上升升的的蒸蒸汽汽摩摩尔尔流流量量都都相相等等，提提馏馏段也一样。段也一样。即：即：V1=V2=V=常数常数 V1=V2=V=常数常数式中：式中：V 精馏段上升蒸汽的摩尔流量，精馏段上升蒸汽的摩尔流量，kmol/h;V提馏段上升蒸汽的摩尔流量，提馏段上升蒸汽的摩尔流量，kmol/h。（下标（下标1、2表示自上而下的塔板序号。）表示自上而下的塔板序号。）（1）恒摩尔汽化）恒摩尔汽化精精馏馏段段内内，每每层层塔塔板板下下降降的的液液体体摩摩尔
21、尔流流量量都都相相等等，提馏段也一样。提馏段也一样。即：即：L1=L2=L=常数常数 L1=L2=L=常数常数式中式中L 精馏段下降液体的摩尔流量，精馏段下降液体的摩尔流量，kmol/h;L提馏段下降液体的摩尔流量，提馏段下降液体的摩尔流量，kmol/h。（下标（下标1、2表示自上而下的塔板序号。）表示自上而下的塔板序号。）（2）恒摩尔液流）恒摩尔液流 1.4 双组分连续精馏的计算双组分连续精馏的计算1.4.1全塔物料衡算全塔物料衡算1.4.2精馏段操作线方程精馏段操作线方程1.4.3提馏段操作线方程提馏段操作线方程1.4.4进料热状况的影响进料热状况的影响1.4.5进料方程（进料方程（q线方
22、程）线方程）1 1）根据分离任务，确定产品流量）根据分离任务，确定产品流量D D，W W；2 2）选择操作条件）选择操作条件R R、进料状态；、进料状态；3 3）确定塔板数及加料位置；）确定塔板数及加料位置；4 4）选择塔型，确定塔径，塔内结构尺寸，）选择塔型，确定塔径，塔内结构尺寸，流体力学验算；流体力学验算；5 5）冷凝器及再沸器热负荷及设计计算。）冷凝器及再沸器热负荷及设计计算。设计目标设计目标:1.4.1 全塔物料衡算全塔物料衡算塔顶采出率塔顶采出率塔底采出率塔底采出率F,xFD,xDW,xW全塔物料衡算全塔物料衡算F、D、Wkmol/hxF、xD、xW轻组分的摩尔分率轻组分的摩尔分率
23、塔顶易挥发组分回收率塔顶易挥发组分回收率塔底难挥发组分回收率塔底难挥发组分回收率1.4.2 精馏段操作线方程精馏段操作线方程令令 回流比回流比 精馏段操作线方程精馏段操作线方程精馏段操作线精馏段操作线:当当R,D,xD为一定值时为一定值时,该操作线为一直线该操作线为一直线.斜率斜率:截距截距:yxxD操作线为过点（操作线为过点（xD，xD（yD）)操作线如图所示：操作线如图所示：1.4.3 提馏段操作线方程提馏段操作线方程提馏段操作线方程提馏段操作线方程xW 意义：提馏段意义：提馏段 ym1f（xm）提馏段操作线为提馏段操作线为 过点（过点（xW，xW（yW）斜率：斜率：截距截距:yxxDxF
24、abq将将5000kg/h含乙醇含乙醇0.4（摩尔分数，下同）和水（摩尔分数，下同）和水0.6的混合液在常压连续精馏塔中分离。要求馏的混合液在常压连续精馏塔中分离。要求馏出液含乙醇出液含乙醇0.85，釜液含乙醇不高于，釜液含乙醇不高于0.02，求馏，求馏出液，釜液的流量及塔顶易挥发组分的回收率出液，釜液的流量及塔顶易挥发组分的回收率和采出率。和采出率。练习：练习：问题：问题：1、简单蒸馏和平衡蒸馏的比较、简单蒸馏和平衡蒸馏的比较作用？作用？塔顶回流液塔顶回流液塔底回流汽塔底回流汽2 2、回流包括：回流包括：3.理论板的概念理论板的概念4.恒摩尔流的假设的前提？恒摩尔流的假设的前提？1.4.4
25、进料热状况的影响进料热状况的影响(1)(1)冷液冷液 tFts (2)(2)饱和液体（泡点进料）饱和液体（泡点进料）tFts (3)(3)气液混合气液混合 tstFtd FLVLV冷液进料冷液进料泡点进料泡点进料FLVLVFqF(1-q)FLVLV汽液混合进料汽液混合进料FLVLV过热蒸汽进料过热蒸汽进料FLVLV饱和蒸汽进料饱和蒸汽进料1.1.加料板的物料衡算加料板的物料衡算F IF+L IL+V IV=VIV+LIL 物料恒算：物料恒算：F+V+L=V+L 即即V-V=F-(L-L)2.2.热量衡算热量衡算加料板加料板FF,xF,IFL ILV IVL ILV IV式中式中 IV，IV I
26、L，IL 分别为进料板上、下饱和蒸汽和饱分别为进料板上、下饱和蒸汽和饱和液体的摩尔焓和液体的摩尔焓k kJ/kmol；IV IVIL IL假设假设上式化简后：上式化简后：q q进料热状况参数进料热状况参数由于加料板附近塔板的温度，液相组由于加料板附近塔板的温度，液相组成相近。成相近。即：即：1kmol1kmol原料由饱和液体变为饱和蒸汽所需热量原料由饱和液体变为饱和蒸汽所需热量所以：所以：将精馏段与提馏段关联起来将精馏段与提馏段关联起来其中饱和液体所占分率为其中饱和液体所占分率为 q，饱和蒸汽所占分率为，饱和蒸汽所占分率为（1q）。q值的计算式值的计算式:r:进料的平均气化潜热，进料的平均气化
27、潜热，KJ/kmol；ts:进料泡点温度进料泡点温度CP:进料的平均比热，进料的平均比热，KJ/（kmol.）；）；tF:进料温度进料温度1.4.5 进料方程（进料方程（q线方程）线方程）q q 线方程或进料方程线方程或进料方程xWyxxDxF意义：精馏段与提馏段交点轨迹方程；意义：精馏段与提馏段交点轨迹方程；L与与L(1)冷液冷液 q1(2)饱和液体饱和液体 q1(3)气液混合气液混合 0q1(4)饱和蒸汽饱和蒸汽 q0(5)过热蒸汽过热蒸汽 q0进料状况进料状况q值值q线位置线位置V与与V例例6-2 将含将含0.24（摩尔分数，下同）易挥发组分的某（摩尔分数，下同）易挥发组分的某液体混合物
28、送入一连续精馏塔中。要求馏出液含液体混合物送入一连续精馏塔中。要求馏出液含0.95易挥发组分，釜液含易挥发组分，釜液含0.03易挥发组分。送入冷易挥发组分。送入冷凝器的蒸汽量为凝器的蒸汽量为850kmol/h，流入精馏塔的回流液，流入精馏塔的回流液为为670kmol/h，试求：，试求：1每小时能获得多少每小时能获得多少kmol/h的馏出液？多少的馏出液？多少kmol/h 的釜液？的釜液？2.回流比回流比R为多少？为多少？3.写出精馏段操作线方程。写出精馏段操作线方程。求：求：(1)D,W (2)V,L(3)泡点进料泡点进料,V L?(4)饱和蒸汽进料饱和蒸汽进料 V L?xW 0.02F=110kmol/hxF=0.4xD=0.95例例6-3：分离苯：分离苯-甲苯混合液，理想物系。甲苯混合液，理想物系。已知：加料板温度已知：加料板温度96,F=110kmol/h,xF=0.4,xD=0.95,xw 0.02,R=3.2。