化工原理蒸馏教案.docx

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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。

（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

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

（2）以平衡常数表示的汽液平衡方程

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

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》

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

（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；

（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

易挥发组分衡算

（二）简单蒸馏

1.简单蒸馏装置与流程

2.简单蒸馏的计算

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

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》

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

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》

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

XF——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

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η

η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/h

L′——提馏段下流的液体摩尔流量kmol/h

L1=L2=L3=……=Ln=定值=L

L′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

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》

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（tF

②饱和液体（泡点液体进料）tF=ts

③饱和液汽的混合物（ts

④饱和蒸汽（t=td）

⑤过热蒸汽（t>td）

（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ts

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）F

2）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：

对1mol进料，则

对于饱和汽、液混合进料这情况，ts

则iV-iL>iV-iF>0∴0

3．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

∵iFiV-iL,即q>1（图ｂ，P405）

2）泡点液体进料（饱和液体进料）：

tS=tF,iF=iL,∴q=1

3）汽液混合进料：

iL

4）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：

t>td即iF>iv,∴q<0

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V>V`+F,L`

4．q线方程（进料操作线方程）

若以V表示精馏段上升的蒸汽摩尔流量kmol/h

V′——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

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》

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

（二）图解法（笔记）X—Y图解法

1．操作线的绘制

（1）精馏段操作线

精馏段操作线方程：

对角线方程：

y=x

精馏段操作线与对角线交点a（xd,xd）,与纵轴交点b（0,xd/（R+1））;

则，ab即为精馏段操作线。

（2）提馏段操作线

提馏段操作线方程:

提馏段操作线与对角线交点：

c（xW，xW）;

提馏段操作线与精馏段操作线的交点：

精馏段操作线方程：

　　　Vy=Lx+DxD

提馏段操作线方程：

　　　V’y’=L’x’－WxW

联立两个方程并整理得：

式（1－38）称为q线方程或进料方程，是描述两个操作线交点轨迹的方程。

q线的绘制：

q线与对角线交点为e（xf,xf）、其斜率为q/（q-1）;据此做直线ef即为q线。

q线与精馏段操作线交点d;　则连db即得提馏段操作线

2．图解求理论塔板数

过a依次在两个操作线与平衡线之间画梯级，即可求得理论塔板数。

（一个梯级代表一块理论塔板）

六．思考题

图解理论板的要点是什么？

七．作业

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》

第七授课单元

塔板效率，回流比的影响及其选择

教案内容

备注*

一．教学目的

1．了解影响塔板效率的因素

2．熟悉回流比对精馏费用的影响

3．掌握最小回流比的概念和计算，全回流和操作线方程

二．教学内容

默弗里板效率，总板效率，最小回流比，全回流

三．教学重点、难点及其处理

1．重点

已知总板效率和理论板数求解实际板数；最小回流比的概念和计算，全回流的概念和操作线方程

2．难点及其处理方法

操作中如何调节回流比保证产品质量

四．教学方法、手段

课堂讲解为主

五．板式设计

回流比的影响及其选择

（一）回流比R=L/D的改变对精馏操作的影响

（1）R↑，精馏段操作线向对角线靠近，N↓，但L↑，即冷凝器的负荷加大。

（2）R↓，精馏段远离对角线，N↑，当R,q线→与平衡线相交，则N→∞，此时R称为Rmin，全回流。

（二）回流比R=L/D的改变对提馏段操作线的影响

（1）R↑，q点下降，提馏段接近对角线，板数减少，但再沸器负荷加大，纯度↑

（2）R↓，提馏段与操作线相距越远，当与平衡线相交（q线），N↑。

（三）回流比的选择

1．Rmin

2．Nmin：

R→∞，此时两操作线与对角线重合，称为全回流。

只有在特定条件下才用它：

如精馏塔的启动阶段，或操作中因意外而产品纯度低于要求时，进行一定时间的全回流，使能较快地达到操作正常。

3．正确选择Ropt

（1）操作费：

①加热蒸汽和冷却水②设备折旧，维修

（2）设备费（塔板数）

4．注意几点：

①设计的角度看，在给定任务下，必须考虑设备费与操作费来选择R;②对于投产中的精馏塔，则只能从调节操作状态来考虑回流比影响。

如当蒸气流量V和进料流量、组成、热状况不变，若R↑，其影响为：

（1）D=V/R+1，则塔顶产量D↓。

（2）由于达成原分离要求所需的板数减少，现板数不变，就可超过原来的分离要求，即XD↑。

（四）最小回流比的计算

1．作图法；

2．解析法

六．思考题

1．非理想物系确定最小回流比应当注意什么？

2．全回流操作的适用场合？

七．作业

补充题

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》

第八授课单元

理论板数的捷算法

教案内容

备注*

一．教学目的

1．熟悉捷算法求解理论板数

2．掌握图解法求解最少理论板数Nmin。

二．教学内容

最少理论板数Nmin，芬斯克方程，吉利兰关联图

三．教学重点、难点及其处理

1．重点

捷算法求解理论板数

四．教学方法、手段

课堂讲解为主

五．板式设计

简捷法求理论板层数程序：

（1）计算Rmin、确定R，计算横坐标；

（2）查图得横坐标；

（3）计算Nmin和，根据横坐标值和Nmin的值计算N。

六．作业

补充题

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》

第九授课单元

精馏塔的操作型问题和其他蒸馏方式

教案内容

备注*

一．教学目的

1．了解水蒸气蒸馏、间歇蒸馏、恒沸蒸馏和萃取蒸馏

2．掌握回流比对精馏操作的影响

二．教学内容

精馏塔的操作型问题，水蒸气蒸馏、间歇蒸馏、恒沸蒸馏和萃取蒸馏

三．教学重点、难点及其处理

1．重点

回流比对精馏操作的影响

2．难点及其处理方法

四．教学方法、手段

课堂讲解为主

五．板式设计

第六节恒沸精馏和萃取精馏

恒沸精馏和萃取精馏的共同特点是在混合物中加入第三组分。

两者都属多组分非理想物系的分离过程。

恒沸精馏中加入的第三组分能与原料中的一个或两个组分形成新的最低恒沸物，从塔顶蒸出。

萃取精馏加入的第三组分不与原料中的组分形成恒沸物，只改变原料中组分的相对挥发度，其沸点高，第三组分从塔底馏出。

下面是分离乙醇－水的恒沸精馏和分离苯－环己烷的萃取精馏的流程示意图。

分离乙醇－水的恒沸精馏

分离－环己烷的萃取精馏

六．思考题

无水乙醇制备方法需要用到几种蒸馏方法？

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》

第十授课单元

本章（蒸馏）小结和讲解习题

教案内容

备注*

一．教学目的

1．总结本章主要内容

2．讲评习题

二．教学内容

总结本章的主要内容，讲评习题

三．教学重点、难点及其处理

1．重点

总结本章的主要内容

2．难点及其处理方法

比较难的习题，例如10－16，10－19

四．教学方法、手段

讲解为主

五．板式设计