化工原理蒸馏教案

第一授课单元蒸馏概述及拉乌尔定律教案内容备注*一．教学目的1．了解蒸馏在化工生产上有那些应用2．掌握蒸馏的基本概念和二元理想溶液的汽液平衡二．教学内容蒸馏，理想溶液，拉乌尔定律，二元理想溶液的t-x-y相图和x-y相图三．教学重点、难点及其处理1．重点拉乌尔定律，汽液平衡关系2．难点及其处理方法二元理想溶液的汽液平衡和t-x-y相图x-y相图结合相图讲解。四．教学方法、手段结合生活中的例子引出蒸馏单元操作，以课堂讲解为主介绍理想溶液及拉乌尔定律。五．板式设计蒸馏过程概述与汽液平衡关系（一）蒸馏过程概述1.蒸馏过程在化工中的应用蒸馏分离的依据是，根据溶液中各组分挥发度（或沸点）的差异，使各组分得以分离。2.蒸馏分离的特点3.蒸馏过程的分类工业上，蒸馏操作可按以下方法分类：（1）蒸馏操作方式可分为简单蒸馏、平衡蒸馏（闪蒸），精馏和特殊精馏等。教材：谭天恩等编著《化工原理》第三版下册2006参考书：姚玉英编著《化工原理》新版2003年王志魁主编《化工原理》第二版2003年刘佩茹编著《化工过程与设备》（2）蒸馏操作流程可分为间歇蒸馏和连续蒸馏。（3）物系中组分的数目可分为两组分蒸馏和多组分蒸馏。（4）操作压力可分为加压、常压和减压蒸馏。本章重点讨论两组分物系连续精馏的原理及计算方法。（二）蒸馏过程的汽液平衡关系两组分理想物系的汽液平衡所谓理想物系是指液相和汽相应符合以下条件：(1)液相为理想溶液，遵循拉乌尔定律。(2)汽相为理想气体，遵循道尔顿分压定律。1.汽液平衡相图（1）温度—组成)(yxt图（2）汽—液相组成图(x–y图)2.汽液平衡的关系式（1）拉乌尔定律000BABApppPx（2）以平衡常数表示的汽液平衡方程0000BABAApppPPpy六．思考题蒸馏操作和吸收操作依据的原理分别是什么？七．作业第二授课单元挥发度和相对挥发度，非理想溶液的汽液平衡关系，简单蒸馏和平衡蒸馏教案内容备注*一．教学目的1.熟悉非理想溶液的最低恒沸点及相应的最高蒸汽压和最高恒沸点及相应的最低蒸汽压2.掌握理想溶液及非理想溶液的挥发度和相对挥发度的定义，理想溶液的相对挥发度随温度增加而略有减小，简单蒸馏的计算二．教学内容纯组分和溶液中各组分的挥发度，理想溶液和非理想溶液中两组分的相对挥发度，非理想溶液的相图，最高恒沸点和最低恒沸点，简单蒸馏的总物料衡算和微分物料衡算。三．教学重点、难点及其处理1.重点理想溶液和非理想溶液相对挥发度的计算2.难点及其处理方法非理想溶液的最高恒沸点和最低恒沸点。四．教学方法、手段课堂讲解为主五．板式设计（3）以相对挥发度表示的汽液平衡方程xxy)1(1（二）两组分非理想物系的汽液平衡实际生产中所遇到的大多数物系为非理想物系。非理想物系可能有如下三种情况：(1)液相为非理想溶液，汽相为理想气体；(2)液相为理想溶液，汽相为非理想气体；教材：谭天恩等编著《化工原理》第三版下册2006参考书：姚玉英编著《化工原理》新版2003年王志魁主编《化工原理》第二版2003年刘佩茹编著《化工过程与设备》(3)液相为非理想溶液，汽相为非理想气体。1.汽液平衡相图正偏差系负偏差系2.汽液平衡方程第二节平衡蒸馏与简单蒸馏（一）平衡蒸馏1.平衡蒸馏装置与流程2.平衡蒸馏过程计算总物料衡算WDF易挥发组分衡算WxDyFxF11qxxqqyF（二）简单蒸馏1.简单蒸馏装置与流程2.简单蒸馏的计算]11ln[ln11ln22FFxxxxWF六．思考题非理想溶液的最高恒沸点和最低恒沸点的意义？七．作业第三授课单元平衡级蒸馏和精馏原理教案内容备注*一．教学目的掌握平衡蒸馏的计算，液相分率对汽液相组成的影响，比较平衡蒸馏和简单蒸馏的分离效果，理解平衡级蒸馏，精馏的设备条件、回流条件和理论板假设、恒摩尔流假设二．教学内容平衡蒸馏，平衡蒸馏与简单蒸馏的比较，平衡级蒸馏，精馏的设备条件、回流条件和理论板假设、恒摩尔流假设三．教学重点、难点及其处理1.重点精馏的设备条件、回流条件和理论板假设、恒摩尔流假设2.难点及其处理方法简单蒸馏与平衡蒸馏的分离效果比较，用例题讲解。为什么简单蒸馏的分离效果好，结合t-x-y相图给同学讲解。四．教学方法、手段课堂讲解为主五．板式设计结合图10－12讲解精馏的原理和流程第三节精馏原理和流程（一）精馏过程原理1.多次部分汽化和多次部分冷凝2.精馏塔模型（二）精馏操作流程1.连续精馏操作流程2.间歇精馏操作流程间歇精馏与连续精馏相比，有如下特点：1．间歇精馏为非定态过程，它有两种操作方式；即恒回流教材：谭天恩等编著《化工原理》第三版下册2006参考书：姚玉英编著《化工原理》新版2003年王志魁主编《化工原理》第二版2003年刘佩茹编著《化工过程与设备》比操作和恒馏出液组成操作。2．间歇精馏只有精馏段。六．思考题平衡蒸馏与平衡级蒸馏的区别是什么？七．作业第四授课单元二元连续精馏的全塔物料衡算，精馏段的分析及其图解教案内容备注*一．教学目的掌握回流比是精馏设计中的核心因素，二元连续精馏的全塔物料衡算，精馏段操作线方程二．教学内容全塔物料衡算，回流比，精馏段操作线方程三．教学重点、难点及其处理1．重点全塔物料衡算，精馏段操作线方程，精馏段操作线和理论板的图解2．难点及其处理方法理论板图解方法的理论依据四．教学方法、手段课堂讲解为主五．板式设计图示精馏段操作线和理论板的画法（图10－15）全塔物料衡算（一）物料衡算：连续稳定操作，进料流量=出料流量DWFDxWxFxDWFXF——原料中易挥发组分的摩尔分率XD——馏出液中易挥发组分的摩尔分率XW——釜液中易挥发组份的摩尔分率应用时要注意F与XF的关系，F若用质量表示，则XF要用质量分率表示，统一例题（二）精馏过程所要求的分离表示法教材：谭天恩等编著《化工原理》第三版下册2006参考书：姚玉英编著《化工原理》新版2003年王志魁主编《化工原理》第二版2003年刘佩茹编著《化工过程与设备》1．用产品的组成表示（XD=95%）2．用回收率表示回收率：指回收了原料中易挥发（或难挥发）组分百分数如：塔顶易挥发组分的回收率ηη易=馏出液中易挥发组份/原料液中易挥发组份=DXD/FXF×100%η难=W（1—XW）/F（1—XF）×100%精馏的分析及其图解法（一）几个概念1、理论塔板（theoreticalplate）：离开该塔板的汽、液组成达到相平衡的塔板。注：理论板并不存在，但它可以作为衡量实际塔板分离效果的最高标准。在设计中，求理论数后，则实际板数=理论板数×校正系数2、操作关系：任意板下降液体组成Xn与下一板上升蒸汽组成yn+1之间的关系。由物料衡算决定。（二）恒摩尔流的假定1．恒摩尔汽化精馏段内，由每层塔板上升的蒸汽摩尔流量皆相等；提馏段内也是一样2．恒摩尔溢流精馏段内，由每层塔板溢流的液体摩尔流量相等；提馏段内也是一样。L——精馏段下流的液体摩尔流量kmol/hL′——提馏段下流的液体摩尔流量kmol/hL1=L2=L3=……=Ln=定值=LL′1=L′2=L′3=……=Ln=定值两段下降流体摩尔流量不一定相等总称为恒摩尔流假设3．如符合以下条件，则上述两项假设与实际情况相近①各组分的摩尔潜热相等②汽液接触时回温度不同而变换的显热可以忽略③保温良好，塔的热损失可以忽略不计（三）操作线方程的推导1．精馏段操作线方程式（笔记）2．提馏段操作线方程六．思考题精馏操作的两个基本假设是什么？七．作业第五授课单元提馏段的分析和进料状况的影响教案内容备注*一．教学目的掌握进料的五种热状况及其对应的q，提馏段的操作线方程，加料板的物料衡算，q线方程二．教学内容五种热状况及其对应的q，提馏段的操作线方程，加料板的物料衡算，q线方程，图解法求解理论塔板数，直接水蒸气加热的适用场合和优缺点三．教学重点、难点及其处理1．重点全塔物料衡算，精馏段操作线方程，精馏段操作线和图解法求理论塔板数2．难点及其处理方法进料的热状况q对于理论板数的影响。结合图解讲解（图10－22，10－23）四．教学方法、手段课堂讲解为主五．板式设计1．进料状况的影响在提馏段操作线中，液、气流量L′及V′尚需根据精馏段的液、汽流量L、V和进料物流量及其受热状况来决定。进料共有五种可能的热状况①过冷液体（tFts）②饱和液体（泡点液体进料）tF=ts③饱和液汽的混合物（tsttd）教材：谭天恩等编著《化工原理》第三版下册2006参考书：姚玉英编著《化工原理》新版2003年王志魁主编《化工原理》第二版2003年刘佩茹编著《化工过程与设备》④饱和蒸汽（t=td）⑤过热蒸汽（ttd）(q-1)Fy=qFz-FxF(q线方程，利用q线作提馏段操作线)2．以第3种情况分析，其它类推第3种情况tstFtd(汽、液混合)1)设进料中液相所占的分率为q，则汽相为（1—q）加料板上物料衡算：L`=L+qF汽相:V`+(1-q)F=VV`=V-(1-q)F2)进料液相分率q与热状况有一定的关系。令进料液、饱和液体，饱和蒸汽焓分别为iF,iL,iV(kj/kmol)进料带入的总焓=汽、液两相各自带入的焓之和，即：FivqiLqFFiF1对1mol进料，则ivqqiLiF1进料的千摩汽化潜热化为饱和蒸气所需热每千克进料从进料状况iLiviFivq对于饱和汽、液混合进料这情况，tstFtd，iL＜iF＜iV则iV-iLiV-iF0∴0q13．推广至其它的情况1)过冷液体进料：原料进塔与蒸汽接触后应升至平衡温度（泡点），这就需要将提馏段上升的一部分蒸汽冷凝下来，用冷凝放出的潜热Q供进料升温用。V`V∵iFiL∴iV-iFiV-iL,即q1(图ｂ，P405)2)泡点液体进料（饱和液体进料）：tS=tF,iF=iL,∴q=13)汽液混合进料：iLiFiV,0q14)饱和蒸汽进料：t=td即iF=iv,∴q=0,V=F+V`,L=L`5)过热蒸汽进料：ttd即iFiv,∴q0进料不仅全部与提馏段上升蒸汽V′汇合进入精馏段，还将释放出显热，使精馏段的回流液额外汽化一部分，结果VV`+F,L`L4．q线方程（进料操作线方程）FxgFWDDWWDFFxqFFqxqxqqyWxDxxLLyVVDxLxVyWxxLyVWDFWxDxFxFqVVqFLL1111,1,两操作线的交点方程：又若以V表示精馏段上升的蒸汽摩尔流量kmol/hV′——表示提馏段上升的蒸汽摩尔流量kmol/h“下标”表示塔板序号，则V1=V2=V3=……，V′1=V′2=V′3=……注意：两段上升的蒸汽摩尔流量不一定相等。六．思考题五种进料状况所对应的q值各是多少？物理意义是什么？七．作业第六授课单元理论板数确定教案内容备注*一．教学目的掌握逐板计算法和图解法求解理论板数二．教学内容逐板计算法用到三个方程和四条线，直接水蒸气加热的适用场合和优缺点三．教学重点、难点及其处理1．重点图解理论板数2．难点及其处理方法逐板计算法和图解法的对应关系四．教学方法、手段结合图讲解五．板式设计一、理论塔板数的确定求理论塔板数，必须利用：（1）汽液两相的平衡关系（平衡曲线X—Y），（2）相邻两板间汽液两相组成的操作关系（操作线方程）求解方法：逐板法和图解法（一）逐板计算法教材：谭天恩等编著《化工原理》第三版下册2006参考书：姚玉英编著《化工原理》新版2003年王志魁主编《化工原理》第二版2003年刘佩茹编著《化工过程与设备》WmmxWlWxWLLy'''''1111RxxRRyDnn)381(11qxxqqyfWx,m,2,2......xx系平衡y系操作提qxn...x3y系操作精2x系平衡2y系操作精1x系平衡)dx(1y关关关关关关馏段馏段馏段（二）图解法（笔记）X—Y图解法1．