第一章蒸馏.ppt
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第一章蒸馏.ppt
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1,化工原理,杨楚芬,2,采用教材,华南理工大学出版社李功样陈兰英余林主编化工单元操作过程与设备参考书:
化工传递过程基础王绍亭化工原理谭天恩传递过程与单元操作陈维杻化工原理夏清,3,教学安排,理论课基础理论课习题课作业每周一次,分单双号上交,4,考核方式,考勤15%(缺勤超1/3者没有考试资格)作业15%(缺作业超1/3者没有考试资格)考试70%,5,授课内容,蒸馏气体吸收气液传质设备干燥,6,第一章蒸馏,概述两组分溶液的气液平衡平衡精馏和简单精馏精馏原理和流程两组分连续精馏的计算间歇精馏特殊精馏多组分精馏,7,第一节概述,蒸馏:
利用各组分挥发性的差异将均相液体混合物加以分离的单元操作称为蒸馏。
挥发性:
液体挥发成为蒸气的能力。
蒸馏操作中,挥发性大、沸点低的组分称为易挥发组分;挥发性小、沸点高的组分称为难挥发组分。
8,4.在酿酒业中饮料酒;5.在石油炼制工业中,原油经蒸馏后制取汽油、煤油、柴油等产品;6.在合成材料工业中。
1.液体混合物分离,混合芳烃蒸馏可得到苯、甲苯及二甲苯等。
2.气体混合物分离,空气液化蒸馏可得到纯态的液氧和液氮等。
3.固体混合物分离,固体脂肪酸加热融化后用蒸馏方法分离。
蒸馏在工业上的应用,9,通过蒸馏分离,可以直接获得所需要的产品。
蒸馏分离的特点,蒸馏过程适用于各种浓度混合物的分离。
蒸馏操作耗能较大,节能是个值得重视的问题。
蒸馏分离具有以下特点:
适用范围广,可分离液态、气态或固态混合物。
10,精馏分离的分类,11,第二节两组分溶液的气液平衡,蒸馏操作与相平衡关系蒸馏操作是气液两相间的传质过程,常用组分在两相间的浓度偏离平衡状态的程度来衡量传质推动力的大小,因此,气液两相达到平衡状态是传质过程的极限。
12,气液平衡状态:
在一定条件下,气液两相互相接触,当每个组分的分子从液相逸出与从气相返回的速度相同,达到动态平衡时,即达到相平衡状态。
平衡时气液两相组成之间的关系称为相平衡关系。
它是蒸馏原理和设备设计的热力学基础。
13,理想物系的气液相平衡关系,理想液相:
遵守拉乌尔定律理想气相:
遵守道尔顿分压定律,当理想溶液气液两相呈平衡时,溶液上方组分的分压与该组分的饱和蒸汽压和溶液中该组分的摩尔分数成正比。
拉乌尔定律,14,当外压不太高时,理想气体中各组分的组成,等于该组分的分压与总压的比值。
道尔顿分压定律,理想物系的气液相平衡关系,15,整理,得,溶液上方的总压p等于各组分的分压之和,气液平衡时液相组成与平衡温度间的关系,饱和蒸汽压表示的气液平衡关系,该式表示气液相平衡时,液相组成与A、B两纯组分的饱和蒸汽压的关系。
可根据此式计算一定压强下液体混合物的泡点温度,因此称为泡点方程。
(x-t),16,纯组分的饱和蒸汽压p0仅与t有关,可直接从理化手册查得,或用安托尼方程计算:
安托尼方程,17,设平衡的气相遵循道尔顿分压定律,即,该式表示气液相平衡时,气相组成与平衡温度之间的关系,根据此式可计算一定压强下,某蒸汽混合物的露点温度,称为露点方程。
(y-t),18,平衡常数表示的气液平衡方程,令,平衡常数,则,19,挥发度和相对挥发度,1、挥发度:
衡量组分挥发能力的物理量。
对纯液体,挥发度指该液体在一定温度下的饱和蒸汽压,对混合液,挥发度为组分在蒸气中分压和与之平衡的液相中的摩尔分率之比,20,对于理想溶液:
对于非理想溶液:
21,2、相对挥发度溶液中易挥发组分的挥发度与难挥发组分的挥发度之比,用表示。
22,相对挥发度的数值可由实验测得对理想溶液:
理想溶液中组分的相对挥发度等于同温度下两组分的饱和蒸汽压之比。
当t变化时,两者的变化不大,一般可将视为常数,计算时可取操作温度范围内的平均值。
23,若操作压强不高,气相遵循道尔顿分压定律,以相对挥发度表示的气液平衡方程,24,时,,组分A较B易挥发,可以用蒸馏方法分离,时,,相对挥发度差异愈大,愈有利于蒸馏操作。
时,,不能用普通蒸馏的方法分离混合液。
可作为混合液能否用蒸馏方法分离以及分离难易程度的判据。
25,两组分理想溶液的气液平衡相图,1.温度组成图,在恒定的总压下,溶液的平衡温度随组成而变,将平衡温度与液(气)相的组成关系标绘成曲线图,该曲线图即为温度一组成图。
txy图,26,两条线三个区三种点,27,表示混合液的平衡温度和液相组成之间关系,t-x线。
露点线,两条线,28,过热蒸汽区,两相区,液相区,三个区,29,x越大,易挥发组分的含量越高,泡点温度越低。
y越大,易挥发组分含量越高,露点温度越低。
30,2.气液相组成图,气液相组成图直观地表达了在一定压力下,处于平衡状态的气液两相组成的关系,在蒸馏计算中应用最为普遍。
xy图,31,D,苯甲苯混合液的xy图,平衡线,对角线,平衡线与对角线之间的距离越大,分离越容易,x1与y1互成平衡,32,两组分非理想物性的气液平衡,非理想溶液,最低恒沸点,如:
乙醇水,正丙醇水,最高恒沸点,如:
硝酸水,氯仿酮,正偏差溶液,负偏差溶液,33,34,t-y,t-x,有最高恒沸物,35,第三节平衡蒸馏和简单蒸馏,平衡蒸馏与简单蒸馏均为仅利用一次部分汽化或部分冷凝的蒸馏操作过程。
36,1、原理与流程使混合液体部分气化,并使气液两相处于平衡状态,然后将气液两相分开。
又名闪蒸(flashdistillation),平衡蒸馏(Equilibriumdistillation),37,2计算,1)物料衡算对总物料:
对易挥发组分:
38,令,平衡蒸馏物料衡算方程,液化分率,39,2)热量衡算对加热器作热量衡算,若忽略加热器的热损失,原料液节流减压后进入分离器,物料放出的显热等于部分气化所需的潜热,原料液离开加热器的温度:
40,3)气液平衡关系,已知原料液流量F,组成xF,温度tF及汽化率,即可求得平衡的汽液相组成及温度。
41,图解计算平衡蒸馏步骤,作出该原料液的y-x相图和t-x图。
由汽化分率(1-q)求出液化分率q。
过点e(xF,xF)作斜率为q/(q-1)的直线,与平衡线y-x交于点f,由f可读出平衡的气液相组成y和x。
过点f作垂线与t-x线相交,由交点可读出平衡温度t。
42,43,简单蒸馏(Simpledistillation),1、流程及原理简单蒸馏是一种单级蒸馏,又称微分蒸馏。
流程如图所示:
将原料液整批加入蒸馏釜中,在恒定压力下加热沸腾汽化,产生的蒸气进入冷凝器中,冷凝后的馏出液进入接收器中作为产品。
44,45,在蒸馏的任一瞬间,产生的气相与釜液互为平衡,且气相组成y大于液相组成x。
随着蒸馏的进行,釜液不断减少,气液两相组成逐渐降低,温度随着升高,当釜液中易挥发组分的浓度降到规定值时,完成此批蒸馏。
46,简单蒸馏的特点及其应用,1.简单蒸馏的特点,间歇操作过程。
非稳态过程。
单级过程,无塔段。
2.简单蒸馏的应用场合,液体混合物的初步分离。
测油品的沸程恩式蒸馏。
某些料液的脱色。
47,简单蒸馏过程的计算,简单蒸馏为非稳态过程。
因此,简单蒸馏的计算应该进行微分衡算。
设在某瞬间,釜液量为L,kmol,釜液组成为x,经时间,釜液量为L-dL,kmol,釜液组成为x-dx,馏出量dD,kmol,馏出组成为y,48,总物料衡算,易挥发组分衡算,联立以上两式,并略去二阶无穷小量,得,49,设,积分,得,简单蒸馏过程物料衡算关系,初始时,釜液量为F,组成为x1。
结束时,釜液量为W,组成为x2。
50,设气液平衡关系为,积分,可得,51,若操作范围内平衡线可近似地看作直线,若平衡线为过原点的直线,,52,联立得,馏出液的平均组成,馏出液的平均组成可通过一批操作的物料衡算求得,53,例:
在常压下对苯与甲苯二元理想溶液分别进行平衡蒸馏与简单蒸馏。
若原料液中苯的浓度为0.5(摩尔分率)。
物系的相对挥发度为2.47。
试求:
1)用平衡蒸馏方法分离,当汽化率为0.4时,釜液与馏出液的组成。
2)用简单蒸馏方法分离,使釜液浓度与平衡蒸馏相同,所得馏出物中苯的平均组成。
解:
1),54,因为汽化率f=0.4,q=0.6物料衡算式为:
2)简单蒸馏终了时的釜液浓度与平衡蒸馏时相同,55,设馏出液的平均组成为,56,在相同的原料液浓度及相同釜液的条件下,简单蒸馏所得到的馏出液浓度高于平衡蒸馏,而平衡蒸馏的优点是连续操作,但其分离效果不如间歇操作的简单蒸馏。
57,作业,P774,58,第四节精馏原理和流程,精馏的原理:
液体混合物通过多次部分汽化和多次部分液化,从而实现几乎完全的分离,是多次部分汽化与多次部分冷凝的联合操作。
59,多次部分汽化和冷凝,平衡蒸馏,简单蒸馏,单级过程,精馏,多级过程,液体混合物的初步分离,进行一次部分汽化,比较,进行多次部分汽化和冷凝,实现液体混合物的完全分离,60,1、液体混合物经过多次部份汽化后可变为高纯度的难挥发组分,61,62,2、汽体混和物经过多次部分泠凝后可变为高纯度的易挥发组分,63,64,精馏塔模型,上述的多次部分汽化和冷凝过程是在精馏塔内进行的。
精馏塔,板式塔:
塔内装有若干层塔板,填料塔:
塔内装有一定高度的填料层,65,精馏塔模型,塔板上的操作情况,66,F,67,68,L,D,1、为什么要回流?
2、为什么要再沸?
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