【化工原理 課件】第一章 精餾第一次課

1,第一章 精 餾,本章主要內(nèi)容 1.蒸餾的基本原理 2. 常用的蒸餾方法，運用相關(guān)的基本理論和方法描述蒸餾過程。 3.結(jié)合二元連續(xù)精餾過程，關(guān)聯(lián)精餾主要設(shè)計變量或操作條件與分離過程關(guān)系。 4. 選擇適宜設(shè)計變量或操作參數(shù)，進行精餾塔設(shè)計和實際精餾過程的分析診斷。,2,概 述,一、精餾的應(yīng)用,精餾廣泛應(yīng)用于石油、化工、輕工等工業(yè)生產(chǎn)中，是液體混合物分離中首選分離方法。 在工業(yè)中，廣泛應(yīng)用蒸餾方法分離液體混合物，從石油工業(yè)、酒精工業(yè)直至焦油分離，基本有機合成，空氣分離等等，常常采用蒸餾分離方法，特別是大規(guī)模的生產(chǎn)中蒸餾的應(yīng)用更為廣泛。 蒸餾是分離液體混合物的一種方法，是傳質(zhì)過程中最重要的單元操作之一。,3,液體均具有一定的揮發(fā)性。 蒸餾原理是利用混合液中各組分在熱能驅(qū)動下，具有不同的揮發(fā)能力，使得各組分在氣液兩相中的組成之比發(fā)生改變，即易揮發(fā)組分（輕組分）在氣相中增濃，難揮發(fā)組分（重組分）在液相中得到濃縮。其過程如圖所示。,二、蒸餾原理,4,例如，加熱苯（沸點80.2）和甲苯（沸點110.4）的混合物時，由于苯的沸點較甲苯為低,即苯揮發(fā)度較甲苯高，故苯較甲苯易從液相中汽化出來。若將汽化的蒸汽全部冷凝，即可得到苯組成高于原料的產(chǎn)品，依此進行多次汽化及冷凝過程，即可將苯和甲苯分離。最終可以在汽相中得到較純的易揮發(fā)組分，而在液相中得到較純的難揮發(fā)組分。這叫精餾（rectification）。,5,三、蒸餾過程的分類,蒸餾過程分類有多種方式，可按蒸餾方式、連續(xù)性、以及組分數(shù)多少等進行分類。,按操作方式：簡單蒸餾、平衡蒸餾、精餾、特殊精餾等。,操作壓力： 常壓蒸餾 真空蒸餾：沸點較高，熱敏性物系 加壓蒸餾：沸點較低，常壓為氣態(tài)混合物,6,應(yīng)用熱力學(xué)基本理論表達體系的熱力學(xué)性質(zhì)的相互關(guān)系、相平衡關(guān)系。 對過程進行物料和熱量衡算，關(guān)聯(lián)流入與流出的物流及能流之間關(guān)系及塔內(nèi)級間物流、能流的關(guān)系，進而確定給定條件下完成分離要求所需的理論板數(shù)，塔內(nèi)物流流量、組成的分布。 通過嚴格的模擬計算還可獲得溫度、物流性質(zhì)等分布，為精餾塔設(shè)計提供工藝條件及數(shù)據(jù)。,四、研究基本方法,7,第一節(jié) 氣液相平衡,a. 氣液相平衡,圖 1.1.1 氣、液平衡,1.1.1 基本概念,平衡時氣液兩相的組成之間的關(guān)系取決于體系的熱力學(xué)性質(zhì)，稱為相平衡關(guān)系，是蒸餾過程的熱力學(xué)基礎(chǔ)和基本依據(jù)。,8,達到相平衡時，溶液上方蒸汽的壓力溫度 pi0為 i組分飽和蒸汽壓由安妥因(Antion)公式求得：,C. 體系的分類 氣液平衡的分類，既和混合物所受的壓力有關(guān)，又和構(gòu)成此混合物的組分的化學(xué)結(jié)構(gòu)相聯(lián)系。,b. 飽和蒸汽壓,9,10,（2）液相是理想溶液，氣相也是理想溶液。,(1) 氣相是理想氣體混合物，液相是理想溶液。 只有在低壓下和兩種組分的分子結(jié)構(gòu)十分相近的溶液才比較接近于這樣的體系。例如苯和甲苯，以及2個大氣壓（絕壓）下的輕烴混合物。,11,（3）氣相是理想氣體或接近于理想氣體的混合物，而液相是非理想溶液。 在低壓下的大部分體系都屬于這一類，例如醇，醛，酮和水的體系等。,（4）兩相都是非理想溶液。 在高壓下的輕烴類，以及其他的化學(xué)結(jié)構(gòu)不相同的物質(zhì)所組成的體系，特別氣相發(fā)生締合等現(xiàn)象的體系，均屬于這一類型。,12,（1）氣液相平衡共存時的自由度,1.1.2 二元組分理想體系氣液相平衡關(guān)系,自由度2個，在t，p，y，x4個變量中，任意確定其中兩個變量，物系的狀態(tài)即確定。 一般精餾在恒壓下操作，因此指定t，則氣液相組成y，x均為t的函數(shù)。,FN22222,13,(2)二元混合物相平衡關(guān)系,泡點方程,露點方程,1.1.2 二元組分理想體系氣液相平衡關(guān)系,道爾頓（Dalton）分壓定律 拉烏爾(Raoult)定律,14,例1.1.1 已知苯（A）和甲苯（B）的飽和蒸汽壓可按Antoine公式計算： 試求總壓力為 101.3 kPa下，苯一甲苯溶液在100時的汽、液相平衡組成。該溶液為理想溶液。,15,例1.1.1 解：將t100373 K代入上述安妥因方程，可分別求得PA0=1344 mmHg179.2kPa；PB0554 mmHg73.86 kPa 又P101.3k Pa，得兩相組成x，y（摩爾分數(shù)）,16,例1.1.2 已知雙組分混合液中，苯（A）占 80，甲苯占 20（摩爾百分率）。試求常壓下與該液相相平衡的汽相組成及溫度。苯、甲苯的飽和蒸汽壓可按Antoine公式計算。,17,例1.1.2解：由已知x0.8，P101.3kPa，汽相平衡組成可利用下式計算： 飽和蒸汽壓和溫度的關(guān)系已知，為求，需先確定溫度t。 因， 故 此式可作為試差計算中所設(shè)溫度是否正確的判據(jù)。 假設(shè)t85，由上述安妥因方程可求得 PA0116.9kPa，PB045.8kPa。 重設(shè)t84.5，重復(fù)上述計算，可得PA0 115.2kPa， PA0 45kPa,18,a: 冷液 b: 飽和液體，泡點 c: 汽液共存 d：飽和蒸汽，露點 e: 過熱蒸汽 上曲線：飽和蒸汽線，露點線；（露點方程） 下曲線：飽和液體線，泡點線，泡點方程 t-x-y圖還與壓力有關(guān)。隨壓力提高，使泡點及露點溫度升高，兩相區(qū)縮小,一、t-x-y相圖,(3) 理想體系氣液相平衡關(guān)系圖,19,二、氣、液平衡曲線(x-y圖),將t-x-y圖平衡組成關(guān)系直接影射到直角坐標x-y中，如圖所示。或由x-y平衡數(shù)據(jù)直接標繪在x-y直接坐標系中 可將x-y平衡數(shù)據(jù)擬合成平衡關(guān)系經(jīng)驗表達式y(tǒng)=f(x),20,圖是苯甲苯混合液的YX圖，圖中對角線（Y=X）為參考線。 達到平衡時，汽相中易揮發(fā)組分濃度總是大于液相的，所其平衡線位于對角線的上方。（一般用易揮發(fā)組分的濃度表示體系的組成） 平衡線離對角線越遠，表示該溶液越易分離。 蒸餾中使用XY圖較TYX圖 更為方便。,21,揮發(fā)度 v 表示某種純物質(zhì)在一定溫度下蒸汽壓大小，衡量組分揮發(fā)能力的物理量。 在一定條件下純組分的揮發(fā)度：vi=pi0 在混合物中i組分的揮發(fā)度vi ： 相對揮發(fā)度 在混合物中各組分間揮發(fā)能力的差異定義為相對揮發(fā)度。,三、理想體系氣液相平衡關(guān)系,22,汽液平衡方程：,對二元理想體系：,的影響因素 理想體系的 僅與溫度有關(guān)，與組成無關(guān),的物理意義： 值的大小可反映分離的難易程度，可分析某混合液可分離的難易程度 1, yx 可用普通蒸餾法分離 =1 y=x 不能用普通蒸餾法分離 <1 y<x 說明B為輕組分,23,由于體系內(nèi)的組分在混合前后，分子作用不同導(dǎo)致溶液中各組分產(chǎn)生偏離拉烏爾定律。,存在負偏差,分子間存在吸引力， 活度系數(shù) r <1，pi<pi0 出現(xiàn)最低蒸汽壓或最高恒沸點M，1 硝酸水、氯仿丙酮等系統(tǒng)。,1.1.3 二元組分非理想體系氣液相平衡關(guān)系,24,液相混合物存在正偏差：,分子間存在排斥力， 活度系數(shù)r1，pipi0 出現(xiàn)最高蒸汽壓或最低恒沸點M，1 例如醇，醛，酮和水的體系。,