天津大学化工传质与分离过程化学工业出版社讲义市公开课一等奖百校联赛特等奖课件.pptx
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1、化工传质与分离过程第1页第一部分 蒸馏1.1概述混合物分离混合物分离均相混合物:均相混合物:气气-气、液气、液-液、固液、固-固三类;均相混合物普通用传质固三类;均相混合物普通用传质过程单元操作处理。过程单元操作处理。净化原料、纯化产物净化原料、纯化产物混合物分离为单一产物混合物分离为单一产物非均相混合物:非均相混合物:气气-液、气液、气-固、液固、液-气、液气、液-液、液液、液-固、固固、固-固等;固等;非均相混合物普通可用沉降、过滤等伎俩分离。非均相混合物普通可用沉降、过滤等伎俩分离。第2页第一部分 蒸馏1.1概述传质过程以及单元操传质过程以及单元操作作1.传质过程:传质过程:物质借助物质
2、借助扩散作用扩散作用由由一相一相转移到转移到另一相另一相过程称为传质过程过程称为传质过程单元操作单元操作适用体系适用体系传质方向传质方向1吸收吸收气体混合物(氨气体混合物(氨-空气分离体系)空气分离体系)气气液液2解吸解吸液体混合物(吸收逆过程)液体混合物(吸收逆过程)液液气气3蒸馏蒸馏液体混合物(苯液体混合物(苯-甲苯分离体系)甲苯分离体系)气气液液4萃取萃取液体混合物(有机物溶解分离)液体混合物(有机物溶解分离)液液液液5结晶结晶液体混合物(水溶液结晶分离)液体混合物(水溶液结晶分离)液液固固6吸附吸附气体混合物、液体混合物气体混合物、液体混合物气气固固液液固固7浸取浸取固体混合物固体混合
3、物(中药有效成份分离)(中药有效成份分离)固固液液8离子交换离子交换液体混合物(水软化)液体混合物(水软化)液液固固2.单元操作单元操作:第3页第一部分 蒸馏1.1概述本部分主要内容n蒸馏基本原理n蒸馏方法、基本理论描述蒸馏过程n精馏塔设计和实际精馏过程分析诊疗n液体(气体)混合物,n挥发度,n易挥发(低沸点、轻组分)组分,n难挥发(高沸点、重组分)组分第4页第一部分 蒸馏1.1概述蒸馏分类n按操作原理n间歇:小规模 非定态n连续:大规模 定态n按蒸馏方式n平衡蒸馏和简单蒸馏:组分挥发度差异大,分离要求低n精馏:组分挥发度差异不大,分离要求高n特殊精馏:组分挥发度差异很小,或恒沸点(萃取精馏、
4、恒沸精馏)n按混合物重组分数n双组分n多组分双组分连续精馏原理与计算第5页第一部分 蒸馏1.1概述研究基本方法n相平衡、物料衡算和热量衡算n相平衡关系、操作线方程、热焓方程(q线)n理论塔板数,浓度、温度分布,产量第6页第一部分 蒸馏1.2两组分溶液气液平衡气液相平衡 体系分类气液平衡自由度:T、P相数理想体系理想气体理想溶液n动态平衡n气液两相组成关系 相平衡关系为组分数C第7页第一部分 蒸馏1.2.1两组分理想体系气液平衡1.相平衡常数法3.气液平衡相图 t-x-y图 x-y图2.相对挥发度法第8页第一部分 蒸馏1.2.2 两组分非理想体系气液平衡非理想溶液理想气体相图第9页第一部分 蒸馏
5、1.2.1 1.相平衡常数法理想气体理想溶液第10页第一部分 蒸馏1.2.1 2.相对挥发度法挥发度相对挥发度理想溶液理想溶液第11页第一部分 蒸馏1.2.1 3.相平衡t-x-y图n两条线:露点(饱和蒸气)线,泡点(饱和液体)线n三个相:液相区,气液共存区,过热蒸气区n平衡气液相:气相浓度液相浓度(易挥发组分)n同一组成:露点温度泡点温度n压力改变,t-x-y相平衡图改变第12页第一部分 蒸馏1.2.1 3.相平衡x-y图n一定压力下n对角线x=y作参考nx-y在对角线上方(易挥发组分在气相中含量比在液相中大)n平衡线越偏离对角线,体系越易分离第13页第一部分 蒸馏回顾1.相平衡常数法3.气
6、液平衡相图 t-x-y图 x-y图2.相对挥发度法两组分理想体系气液平衡两组分理想体系气液平衡第14页第一部分 蒸馏1.3 平衡蒸馏和简单蒸馏平衡蒸馏平衡蒸馏流程平衡蒸馏流程减压减压使液体混合物使液体混合物部分部分汽化汽化加热器,节流阀,闪蒸塔加热器,节流阀,闪蒸塔平衡蒸馏原理平衡蒸馏原理F,xF,t,P1混合物混合物F,xF,T,P2混合物混合物te,P,D,y,W,x气液两相气液两相加热加热节流节流平衡蒸馏特点平衡蒸馏特点一次平衡,可间歇,可连续一次平衡,可间歇,可连续第15页第一部分 蒸馏1.3.1平衡蒸馏平衡蒸馏计算v 物料衡算物料衡算v 热量衡算热量衡算v 气液平衡关系气液平衡关系x
7、-yt-x-yq,xFx,ytev 例例1-2第16页第一部分 蒸馏1.3 平衡蒸馏和简单蒸馏简单蒸馏 简单蒸馏流程简单蒸馏流程随蒸馏进行,随蒸馏进行,x下降,下降,y下降,下降,t增加增加 简单蒸馏特点简单蒸馏特点微分蒸馏,非定态,用于初步分离微分蒸馏,非定态,用于初步分离 简单蒸馏计算简单蒸馏计算微分计算:微分计算:物料平衡物料平衡 气液平衡气液平衡 例例1-3,P13第17页第一部分 蒸馏1.4精馏原理(一)x xW Wy yD Dx xF Ft t3 32 21 11 12 23 3屡次部分屡次部分汽化和汽化和部分部分冷凝可分别得到较纯轻重组分冷凝可分别得到较纯轻重组分F,xF,xF
8、FD,yD,yD DW,xW,xW W重复单级操作重复单级操作,流程复杂,能耗大,中间产品多,产品收率低,流程复杂,能耗大,中间产品多,产品收率低第18页第一部分 蒸馏1.4精馏原理(二)屡次部分汽化和冷凝联合操作屡次部分汽化和冷凝联合操作精馏塔精馏塔x xW Wy yD Dx xF Ft t1 13 31 12 23 3D,yD,yD DF,xF,xF FW,xW,xW W2 2第19页精馏原理D,yD,yD DF,xF,xF FW,xW,xW W第20页第一部分 蒸馏1.4精馏原理(三)n下一层板(下一层板(n+1)上升蒸气:)上升蒸气:Vn+1,yn+1,tn+1n上一层板(上一层板(n
9、-1)下降液体:)下降液体:Ln-1,xn-1,tn-1v 第第n块板情况块板情况 进入物流(准备接触两相)进入物流(准备接触两相)离开物流离开物流n第第n板上升蒸气:板上升蒸气:Vn,yn,tnn第第n板下降液体:板下降液体:Ln,,xn,tntn+1tn-1:传热:传热xn-1 x*n+1(与(与yn+1呈相平衡):传质呈相平衡):传质n Xnyn+1n使使重组分重组分进入进入液相液相,浓度增高,浓度增高n使使轻组分轻组分进入进入气相气相,浓度增加,浓度增加v 传质结果传质结果第21页第一部分 蒸馏1.4精馏原理(四)v 理论板理论板第第n板上升蒸气(板上升蒸气(Vn,yn)与下降液体(与
10、下降液体(Ln,,xn)呈)呈相平衡相平衡v 精馏操作必要条件精馏操作必要条件上升蒸气上升蒸气气相回流气相回流再沸器再沸器下降液体下降液体液相回流液相回流冷凝器冷凝器精馏操作基本流程:精馏操作基本流程:塔塔、再沸器、冷凝器、再沸器、冷凝器v 几个概念几个概念 进料板进料板 精馏段精馏段 提馏段(含进料板)提馏段(含进料板)第22页作业nP64,4第23页x xW Wy yD Dx xF Ft t1 12 23 31 12 23 3x xW Wy yD Dx xF Ft t3 32 21 11 12 23 3第24页F,xF,xF FD,yD,yD DW,xW,xW W第25页D,yD,yD D
11、F,xF,xF FW,xW,xW W第26页第一部分 蒸馏1.3.1 平衡蒸馏物料衡算q为液化率为液化率对稳定连续过程,对稳定连续过程,q为定值为定值第27页第一部分 蒸馏1.3.1 平衡蒸馏热量衡算加热器加热器:原料液减压降温,放出显热;原料液减压降温,放出显热;显热用于汽化部分物料产生气相(潜热)显热用于汽化部分物料产生气相(潜热)物料热量衡算物料热量衡算第28页第一部分 蒸馏1.3.1平衡蒸馏例1-2 P11已知:相平衡图已知:相平衡图x-y和和te-x,xF=0.5,汽化率,汽化率60,求,求x,y,texyte-xtexFf 令令x=xF,则,则y=xF,对角线上,对角线上e点点 过
12、过e点作斜率为点作斜率为q/(q-1)直线直线v 物料平衡线作图:物料平衡线作图:v q=1-气化率气化率v 由由x,te-x曲线求曲线求teef(x,y)即为所求即为所求第29页第一部分 蒸馏1.3.2简单蒸馏简单蒸馏计算:L,x+d:+d:L+dL,x+dx,蒸出,蒸出dD、y(与与x平衡)平衡)v d d时间内物料衡算时间内物料衡算积分积分上限:上限:L LF F,x=xx=x1 1下限:下限:L LW W,x=xx=x2 2相平衡关系相平衡关系y=f(x)y=f(x)v 一批操作物料平衡一批操作物料平衡第30页塔设备塔设备板式塔、填料塔板式塔、填料塔第31页F,xFD,yDW,xW12
13、3457nXn xn-1,yn+1 yn Xn x7 x6 x5 x4 x3 x2 x1 yn y7 y6 y5 y4 y3 y2 1.31.4小节回顾小节回顾v 平衡蒸馏平衡蒸馏v 简单蒸馏简单蒸馏v 精馏原理精馏原理原理:屡次部分汽化和冷凝,轻组分原理:屡次部分汽化和冷凝,轻组分塔顶塔顶 重组分重组分塔底塔底必要条件:气液两相回流必要条件:气液两相回流基本流程:塔,再沸器,冷凝器基本流程:塔,再沸器,冷凝器一次平衡一次平衡微分蒸馏微分蒸馏塔板:提供传质传热场所塔板:提供传质传热场所几个概念:理论板、进料板、精馏段、提馏段几个概念:理论板、进料板、精馏段、提馏段第33页第一部分第一部分 蒸馏
14、蒸馏1.5 两组分连续精馏计算两组分连续精馏计算主要内容:主要内容:n确定产品流量与组成确定产品流量与组成n确定精馏塔类型(板式塔、填料塔),确定理论板数、填料高度确定精馏塔类型(板式塔、填料塔),确定理论板数、填料高度n确定塔径、塔高确定塔径、塔高n板式塔结构尺寸、流体力学验算板式塔结构尺寸、流体力学验算n填料类型与尺寸、流体流动阻力填料类型与尺寸、流体流动阻力n冷凝器与再沸器负荷、类型、尺寸冷凝器与再沸器负荷、类型、尺寸第34页第一部分第一部分 蒸馏蒸馏1.5.1理论板概念与恒摩尔假理论板概念与恒摩尔假定定离开板气液两相呈平衡离开板气液两相呈平衡板上液相均匀板上液相均匀 板上气液接触时间有
15、限板上气液接触时间有限流动阻力等原因,板上液相组成份布不均流动阻力等原因,板上液相组成份布不均v 理论板是一个理想板理论板是一个理想板v 理论板概念理论板概念v“理论板理论板”意义意义 衡量实际板分离效率依据和标准衡量实际板分离效率依据和标准 由理论板和板效率,确定实际板数由理论板和板效率,确定实际板数第35页第一部分第一部分 蒸馏蒸馏1.5.1理论板概念与恒摩尔假理论板概念与恒摩尔假定定v 恒恒摩尔摩尔假定假定恒摩尔汽流恒摩尔汽流恒摩尔液流恒摩尔液流精馏段:精馏段:V1V2.Vn提馏段:提馏段:V1=V2=.=Vm精馏段:精馏段:L1L2.Ln提馏段:提馏段:L1=L2=.=Lmv 恒摩尔假
16、定成立条件恒摩尔假定成立条件板上情况是:板上情况是:1 mol蒸气冷凝蒸气冷凝1 mol 液体汽化液体汽化 各组分摩尔汽化热相等各组分摩尔汽化热相等 交换显热可忽略交换显热可忽略(接触两相温度不一样)(接触两相温度不一样)忽略热损失忽略热损失v“恒摩尔假定恒摩尔假定”意义意义 简化计算简化计算 有些系统基本满足条件有些系统基本满足条件第36页第一部分第一部分 蒸馏蒸馏1.5.2 物料衡算与操作线方程物料衡算与操作线方程v 全塔物料衡算全塔物料衡算v 回收率回收率v 例例1-4,P18,利用回收率概念,利用回收率概念第37页第一部分第一部分 蒸馏蒸馏1.5.2 精馏段操作线方程精馏段操作线方程n
17、精馏段操作线方程推导精馏段操作线方程推导v 精馏段操作线方程特点精馏段操作线方程特点 定态操作下,直线方程,斜率定态操作下,直线方程,斜率R/(R+1)、截踞)、截踞xD/(R+1)作图:过点(作图:过点(xD,xD)、截踞、截踞xD/(R+1)xD/(R+1)xDv 精馏段操作线意义精馏段操作线意义相邻两板间物料组成关系相邻两板间物料组成关系:第:第n板板下降液相下降液相xn、下一层板、下一层板n+1上升上升气相气相yn+1第38页第一部分第一部分 蒸馏蒸馏1.5.2 提馏段操作线方程提馏段操作线方程v 提馏段操作线方程推导提馏段操作线方程推导v 提馏段操作线方程特点提馏段操作线方程特点v
18、提馏段操作线意义提馏段操作线意义 定态操作下,直线方程定态操作下,直线方程L与进料状态相关与进料状态相关 作图:过点(作图:过点(xW,xW)、截踞、截踞WxW/(L-W)相邻两板间物料组成关系相邻两板间物料组成关系xW第39页第一部分第一部分 蒸馏蒸馏1.5.3 进料热情况影响进料热情况影响五种热情况五种热情况v温度低于泡点冷液体温度低于泡点冷液体abcdetx(y)v饱和液体饱和液体v气液混合液气液混合液v饱和蒸气饱和蒸气v过热蒸气过热蒸气第40页第一部分第一部分 蒸馏蒸馏1.5.3 进料热情况影响进料热情况影响进料热情况参数进料热情况参数v 进料热情况参数进料热情况参数q计算计算LILL
19、ILVIVVIVFIFv 进料热情况参数进料热情况参数q意义意义v 进料热情况参数进料热情况参数q应用应用提馏段操作线方程表示提馏段操作线方程表示v 例例1-5,P22提馏段操作线方程截踞很小提馏段操作线方程截踞很小第41页作业nP64 5,6第42页第一部分第一部分 蒸馏蒸馏1.5.2 精馏段操作线方程推精馏段操作线方程推导导第43页第一部分第一部分 蒸馏蒸馏1.5.2 提馏段操作线方程推导提馏段操作线方程推导第44页第一部分第一部分 蒸馏蒸馏1.5.3 进料热情况影响进料热情况影响 进料热情况参数进料热情况参数q计算计算LILLILVIVVIVFIF 进料板物料衡算进料板物料衡算 进料板热
20、量衡算进料板热量衡算第45页第46页第47页化工传质与分离过程第48页第一部分 蒸馏回顾1.相平衡常数法3.气液平衡相图 t-x-y图 x-y图2.相对挥发度法两组分理想体系气液平衡两组分理想体系气液平衡第49页第一部分 蒸馏1.3 平衡蒸馏和简单蒸馏平衡蒸馏平衡蒸馏流程平衡蒸馏流程减压减压使液体混合物使液体混合物部分部分汽化汽化加热器,节流阀,闪蒸塔加热器,节流阀,闪蒸塔平衡蒸馏原理平衡蒸馏原理F,xF,t,P1混合物混合物F,xF,T,P2混合物混合物te,P,D,y,W,x气液两相气液两相加热加热节流节流平衡蒸馏特点平衡蒸馏特点一次平衡,可间歇,可连续一次平衡,可间歇,可连续第50页第一
21、部分 蒸馏1.3.1平衡蒸馏平衡蒸馏计算v 物料衡算物料衡算v 热量衡算热量衡算v 气液平衡关系气液平衡关系x-yt-x-yq,xFx,ytev 例例1-2第51页第一部分 蒸馏1.3 平衡蒸馏和简单蒸馏简单蒸馏 简单蒸馏流程简单蒸馏流程随蒸馏进行,随蒸馏进行,x下降,下降,y下降,下降,t增加增加 简单蒸馏特点简单蒸馏特点微分蒸馏,非定态,用于初步分离微分蒸馏,非定态,用于初步分离 简单蒸馏计算简单蒸馏计算微分计算:微分计算:物料平衡物料平衡 气液平衡气液平衡 例例1-3,P13第52页第一部分 蒸馏1.4精馏原理(一)x xW Wy yD Dx xF Ft t3 32 21 11 12 2
22、3 3屡次部分屡次部分汽化和汽化和部分部分冷凝可分别得到较纯轻重组分冷凝可分别得到较纯轻重组分F,xF,xF FD,yD,yD DW,xW,xW W重复单级操作重复单级操作,流程复杂,能耗大,中间产品多,产品收率低,流程复杂,能耗大,中间产品多,产品收率低第53页第一部分 蒸馏1.4精馏原理(二)屡次部分汽化和冷凝联合操作屡次部分汽化和冷凝联合操作精馏塔精馏塔x xW Wy yD Dx xF Ft t1 13 31 12 23 3D,yD,yD DF,xF,xF FW,xW,xW W2 2第54页精馏原理D,yD,yD DF,xF,xF FW,xW,xW W第55页第一部分 蒸馏1.4精馏原理
23、(三)n下一层板(下一层板(n+1)上升蒸气:)上升蒸气:Vn+1,yn+1,tn+1n上一层板(上一层板(n-1)下降液体:)下降液体:Ln-1,xn-1,tn-1v 第第n块板情况块板情况 进入物流(准备接触两相)进入物流(准备接触两相)离开物流离开物流n第第n板上升蒸气:板上升蒸气:Vn,yn,tnn第第n板下降液体:板下降液体:Ln,,xn,tntn+1tn-1:传热:传热xn-1 x*n+1(与(与yn+1呈相平衡):传质呈相平衡):传质n Xnyn+1n使使重组分重组分进入进入液相液相,浓度增高,浓度增高n使使轻组分轻组分进入进入气相气相,浓度增加,浓度增加v 传质结果传质结果第5
24、6页第一部分 蒸馏1.4精馏原理(四)v 理论板理论板第第n板上升蒸气(板上升蒸气(Vn,yn)与下降液体(与下降液体(Ln,,xn)呈)呈相平衡相平衡v 精馏操作必要条件精馏操作必要条件上升蒸气上升蒸气气相回流气相回流再沸器再沸器下降液体下降液体液相回流液相回流冷凝器冷凝器精馏操作基本流程:精馏操作基本流程:塔塔、再沸器、冷凝器、再沸器、冷凝器v 几个概念几个概念 进料板进料板 精馏段精馏段 提馏段(含进料板)提馏段(含进料板)第57页作业nP64,4第58页x xW Wy yD Dx xF Ft t1 12 23 31 12 23 3x xW Wy yD Dx xF Ft t3 32 21
25、 11 12 23 3第59页F,xF,xF FD,yD,yD DW,xW,xW W第60页D,yD,yD DF,xF,xF FW,xW,xW W第61页第一部分 蒸馏1.3.1 平衡蒸馏物料衡算q为液化率为液化率对稳定连续过程,对稳定连续过程,q为定值为定值第62页第一部分 蒸馏1.3.1 平衡蒸馏热量衡算加热器加热器:原料液减压降温,放出显热;原料液减压降温,放出显热;显热用于汽化部分物料产生气相(潜热)显热用于汽化部分物料产生气相(潜热)物料热量衡算物料热量衡算第63页第一部分 蒸馏1.3.1平衡蒸馏例1-2 P11已知:相平衡图已知:相平衡图x-y和和te-x,xF=0.5,汽化率,汽
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