化工原理授课提纲 9.精馏 K 片Kx1→ f(Y、中) a=yaXB/yBrA >y=ox/1+(a-llrI 4.压力的影响:P增加,α下降,分离困难增大 §93.蒸馏方式 简单蒸馏 1.过程分析 图所示流程 间歇操作→非稳态过程 产品与釜残液相不平衡 图9-9:简单蒸馏流程图 2.数学模型 取时间微元r→rdr (输入量)=(输出量)+(消失量)十(累计量) wx-(w-dw )(x-d 得:微分方程 dx=(y-x)·dr 边界条件BC 0x=x1v=1 积分方程:ln= 3.过程计算 (1) 相平衡方程: 代入上式得:1n xI XI 若令:W1=A1+B1 W2=A2+B2 则:x1=A1W11-x=B1W1 代入上式:mnA=cnB1或 B A2)(B2 上式可用于多组分物系中任何两个组分 (2)相平衡关系:y=mx+b 化学工程与工艺专业本科教学用 9-6
化工原理授课提纲 9.精馏 化学工程与工艺专业本科教学用 9-6 yi=Kixi → K i= f f i l i g ( ) ( ) 0 0 =f(γI、φi) α＝yAxB/yBxA → y=αx/[1+(α-1)x] 4. 压力的影响： P 增加，α下降，分离困难增大。 §9.3. 蒸馏方式 一. 简单蒸馏 1. 过程分析： 如图所示流程 • 间歇操作→ 非稳态过程 • 产品与釜残液相不平衡 2. 数学模型： 取时间微元 τ→τ+dτ w →w-dw x →x-dx （输入量）＝（输出量）＋（消失量）＋（累计量） 0 y·dw 0 wx-(w-dw)(x-dx) 得：微分方程 w·dx=(y-x)·dw 边界条件B.C： t=0 x=x1 w=w1 t=tf x=x2 w=w2 积分方程： ∫ − = 1 2 2 1 ln x x y x dx w w 3. 过程计算： ⑴ 相平衡方程： y = αx/[1+(α-1)x] 代入上式得： − − + − = 1 2 2 1 2 1 1 1 ln ln 1 1 ln x x x x w w α α 若令： W1＝A1＋B1 W2＝A2＋B2 则： x1=A1/W1 1-x1=B1/W1 x2=A2/W2 1-x2=B2/W2 代入上式： 2 1 2 1 ln ln B B A A = α 或 α = 2 1 2 1 B B A A 上式可用于多组分物系中任何两个组分； ⑵ 相平衡关系：y=mx+b 图 9-9:简单蒸馏流程图
化工原理授课提纲 9.精馏 In In )产物浓度 总物料衡算D=W1-W2 轻组分衡算 Dy2=Wixr-k2x2 y2=x+-12 1-x2 平衡蒸馏 1.过程分析: 连续稳态过程~定常态 相平衡过程:y~x ●汽液两相进料:0<q<1 器 ·控制点~T, 平衡级操作 2.数模及计算: (1)物料衡算 总衡算:F=D+W 图9-10:平衡蒸馏流程图 轻组分: FxFDy+Wx F 操作方程:y=DD 定义液汽比:q=WD 汽化分率:1-q=DF 则操作方程:y (2)相平衡方程:y=ax/[1+(x-1x] (3)过程计算: q线 命题 已知:F, 生产要求x,求yq 生产要求汽化率(1-q,求xy 解析法:W,D由物料衡算计算 图9-11:平衡蒸馏图解 由操作方程和平衡方程联立求解 图解法:如图 (4)热量衡算:平衡温度le 汽化热量:O 化学工程与工艺专业本科教学用
化工原理授课提纲 9.精馏 化学工程与工艺专业本科教学用 9-7 2 1 2 1 ln 1 1 ln x x w m w − = ⑶ 产物浓度： 总物料衡算 D＝W1－W2 轻组分衡算 Dy2=W1x1-W2x2 ( ) 1 2 1 2 2 2 1 x x w w w y x − − = + 二. 平衡蒸馏 1. 过程分析： • 连续稳态过程～定常态； • 相平衡过程：y～x; • 汽液两相进料：0<q<1; • 控制点～T; • 平衡级操作。 2. 数模及计算： ⑴ 物料衡算： 总衡算：F＝D＋W 轻组分：Fxf=Dy+Wx 操作方程： f x D F x D w y = − + 定义液汽比：q=W/D 汽化分率： 1－q＝D/F 则操作方程： 1 −1 − − = q x x q q y f ⑵ 相平衡方程：y=αx/[1+(α-1)x] ⑶ 过程计算： z 命题: 已知: F，xf 生产要求:x，求 y,q; 生产要求:汽化率(1-q), 求 x,y 解析法：W,D 由物料衡算计算 由操作方程和平衡方程联立求解； 图解法：如图 ⑷ 热量衡算：平衡温度 t e 汽化热量：Qr 泵 加热器 节流阀 分 离 器 V ,y F ,x f L ,x w q 图9-10:平衡蒸馏流程图 y x x q 线 f 图9-11：平衡蒸馏图解
化工原理授课提纲 9.精馏 料显 则:Q=FCn(Te) O (5)泵的出口压力PP>PA+P日~T 精馏 1.精馏原理 (1) 多次部分汽化与部分冷凝过程 设想工业流程如图,存在问题: 生成极大量的中间馏分,产品量极少 。需大量的换热设备和能量。 中间馏分合并→需更多的换热 设备和能量 图9-12:部分汽化及冷凝图解 (2)精馏过程的工程手段 热耦合一汽化与冷凝过程合并 回流一冷回流一液体产品回流; 热回流一重组分汽化回流 XD X 图9-13:部分汽化及冷凝流程 图9-14:工业精馏原理图 (3)精馏原理 原理一由于回流,造成各级单元进料相的不平衡,促使两相间的传质,实现分离操作 实质一传质过程,而非传热过程 热流程一热由底部加入,冷由顶部加入 2.连续精馏过程 ·板式塔或填料塔一每块塔板组成一个单元; 精馏段、提馏段 化学工程与工艺专业本科教学用 9-8
化工原理授课提纲 9.精馏 化学工程与工艺专业本科教学用 9-8 进料显热：FCpF (T-t e) 则： Qr=FCpF (T-t e) T = t e + p f FC Qr ⑸ 泵的出口压力 P：P>pA +pB～T 三. 精馏 1. 精馏原理 ⑴ 多次部分汽化与部分冷凝过程： 设想工业流程如图，存在问题： z 生成极大量的中间馏分，产品量极少； z 需大量的换热设备和能量。 → 中间馏分合并 → 需更多的换热 设备和能量。 ⑵ 精馏过程的工程手段 热耦合—汽化与冷凝过程合并； 回流—冷回流— 液体产品回流； 热回流— 重组分汽化回流； ⑶ 精馏原理： 原理—由于回流，造成各级单元进料相的不平衡, 促使两相间的传质, 实现分 离操作； 实质—传质过程，而非传热过程； 热流程—热由底部加入，冷由顶部加入。 2. 连续精馏过程： • 板式塔或填料塔—每块塔板组成一个单元； • 精馏段、提馏段； t x D y 2 y 3 y 4 y 5 x 4 x 3 x 2 x 1 x w x f 图9-12:部分汽化及冷凝图解 x w xf x D 图9-13:部分汽化及冷凝流程 5 4 3 2 1 xw xD xf 图9-14:工业精馏原理图
化工原理授课提纲 冷凝器与再沸器 馏出液与釜残液 §94.二元连续精馏的分析和计算 塔板传质过程分析 1.理论板与板效率 四大方程 物料衡算方程 图9-15:精馏流程图 热量衡算方程 过程计算+物系问题→理论板假设 相平衡方程 传质速率方程→流动十设备问题→板效率 理论板假设一离开塔板的汽液两相达到相平衡; 板效率一全塔板效率、单板效率 2.恒摩尔流假设一塔板衡算 取精馏段或提馏段中任一塔板作热量衡算: VI In L- in-I Vn+1 In+1+Ln- in|=V In +Lmin 饱和蒸汽:ln1=rn+t+int In=rn+in 假设:Ⅰ:连续稳定流动 VI+ In In 忽略组分及浓度对的影响; 图9-16:塔板衡算 Ⅲ忽略组分及浓度对r的影响 l1=l2=13==n=l n=2=3=…=nr 得:(n+1-n)=(LnLn-1+ln-n+1) 物料衡算:Ln+Vn=n+1+n-1 代入上式得:Vn+1=Vn 代入物料衡算式得:L1=Ln 结论 精馏段L1=L2=L3=…=Ln=L VI=VO=v2 提馏段L1=L2=L3=…=Ln=L 1=2=3=…=hn'= 物料衡算: 化学工程与工艺专业本科教学用
化工原理授课提纲 9.精馏 化学工程与工艺专业本科教学用 9-9 • 冷凝器与再沸器； • 馏出液与釜残液。 §9.4. 二元连续精馏的分析和计算 一. 塔板传质过程分析 1. 理论板与板效率 四大方程： • 物料衡算方程 • 热量衡算方程 过程计算＋物系问题→理论板假设 • 相平衡方程 • 传质速率方程 →流动＋设备问题 →板效率 理论板假设—离开塔板的汽液两相达到相平衡； 板效率—全塔板效率、单板效率。 2. 恒摩尔流假设 — 塔板衡算 取精馏段或提馏段中任一塔板作热量衡算: Vn+1 I n+1 +Ln-1 i n-1 =Vn In +Lnin 饱和蒸汽：In+1=rn+1+in+1 In=rn+i n 假设：Ⅰ:连续稳定流动； Ⅱ:忽略组分及浓度对I的影响; Ⅲ:忽略组分及浓度对r的影响; i1 =i2=i3=…=in=i r1=r2=r3=…=rn=r 得：(Vn+1-Vn)r=(Ln-Ln-1+Vn-Vn+1)I 物料衡算: Ln+Vn=Vn+1+Ln-1 代入上式得: Vn+1=Vn 代入物料衡算式得: Ln-1=Ln 结论： 精馏段 L1＝L2＝L3＝…=Ln =L V1= V2= V3= …=Vn =V 提馏段 L' 1＝L' 2＝L' 3＝…=L' n =L' V' 1= V2 ' = V3 ' = …=Vn' =V' 二. 物料衡算： F , x f D , x D W , x w 图9-15:精馏流程图 Vn In Ln -1 in -1 Vn +1 In +1 Ln in n 图9-16：塔板衡算
化工原理授课提纲 9.精馏 全塔物料衡算 总物料F=D+W 轻组分Fx=Dxb+Wxy F,x e 已知条件:F、x; 工艺要求: 精馏达到的程度:x、xy ·馏出液D、x或釜残液W、x 轻组分回收率=Dxb/Fx 连续稳定操作的必要条件:物料平衡! 图9-17:全塔物料衡算 精馏段的分析 操作线方程 假设:Ⅰ连续稳定流动 Ⅱ恒摩尔流动 Ⅲ泡点回流 如图:取第n块以上的物料衡算: V=L+D Vyn+I=Ln+Dxp L 斜率=L/=L(L+D) 定义:回流比R=LD代入物衡式得 R ym+l u+d ntl+ R+1 R 图9-18:精馏段物料衡算图 R (2)逐板计算法: 相平衡方程为 y=ax(1+(∝-1)x] 步骤为:y1=D→相平衡x1~y→操作线求2→相 平衡 操作线求y→…→>yn+1相平衡计算的次数为理论板数 (3)图解法:yx图 操作线:当x0=x时,y=xb则方程交于(xbxD)点,且斜率为 R(R+1),截距为xD/(R+1)。 图9-19:精馏段逐板计算图解 化学工程与工艺专业本科教学用 9-10
化工原理授课提纲 9.精馏 化学工程与工艺专业本科教学用 9-10 1. 全塔物料衡算 如图： 总物料 F=D+W 轻组分 Fxf=DxD+Wxw 已知条件：F 、xf ； 工艺要求： z 精馏达到的程度：xD 、xw ； z 馏出液 D 、xD 或釜残液 W、xw； z 轻组分回收率η=DxD /Fxf 注：连续稳定操作的必要条件:物料平衡！ 2. 精馏段的分析 ⑴ 操作线方程： 假设：Ⅰ 连续稳定流动； Ⅱ 恒摩尔流动; Ⅲ 泡点回流。 如图：取第n块以上的物料衡算： V=L+D Vyn+1=Lxn+DxD yn+1＝ V L xn+DxD/V 斜率＝L/V=L/(L+D) 定义：回流比 R=L/D 代入物衡式得 1 1 1 + + + = + + + + = R x x R R x L D D x L D L y D n n D n 即: 1 +1 + + = R x x R R y D ⑵ 逐板计算法： 相平衡方程为 y =αx/[1+(α-1)x] 步骤为：y 1 =xD → 相平衡x1 ～y1 → 操作线求y2 → 相 平衡求x2 → 操作线求y3 →…→yn+1 相平衡计算的次数为理论板数。 ⑶ 图解法：y—x 图 操作线：当x0=xD时，y1 =xD 则方程交于(xD,xD)点，且斜率为 R/(R+1),截距为xD/(R+1)。 F,xf D ,xD W ,xw 图9-17:全塔物料衡算 1 2 n D,xD xf L xn V yn+1 图9-18:精馏段物料衡算图 y x x y y y 2 3 1 1 2 x x f x D 图9-19:精馏段逐板计算图解