精馏教案 - 图文

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授课日期 课 型 （请打√） 课时 理论课 ? 实验课 □ 习题课 □ 上机课 □ 其他 □ 授课章、节或主题 任务1：酒精回收提纯初步方案的制定 教学目的要求： 能力目标 1．能根据工艺要求选用分离方法；2．会根据物料性质与分离要求选用蒸馏方法、设备类型与确定基本流程。 知识目标 1．了解传质分离技术的各种方法及适用情况；2. 了解蒸馏方法及适用情况；3. 了解蒸馏分离设备、精馏实训装置与流程。 素质目标 1.培养团队合作精神、认真钻研、勤于思考的学习态度；2.建立化工生产的安全、环保意识；3.培养学生的文字组织与语言表达能力。 教学重点及难点： 1．能根据工艺要求选用分离方法； 2．会根据物料性质与分离要求选用蒸馏方法、设备类型与确定基本流程。 教 学 设 计（可附页） 说 明 一、项目梗概 某公司乙醇回收车间，要从20%的乙醇-水溶液中回收乙醇，原料最创设情景，大处理量为20L/h，要求回收乙醇的浓度达90%（质量%）以上。 导入任务。 任务1：酒精回收提纯初步方案的制定； 任务2：酒精蒸馏回收工艺条件的确定； 任务3：酒精回收的仿真操作； 作业与思考题：P51 简答题1、3 计算题1、2 课后回忆： 任课教师 教研室主任签字 济源职业技术学院

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教 学 设 计 任务4：酒精回收操作规程的编制； 任务5：酒精回收的操作； 任务6：酒精回收操作中异常现象的判别及处理。 二、任务1实施步骤 序号 步骤名称 1 2 3 告知 教学内容 告知任务一学习目标 教师活动 告知 告知 指导、检查 学生活动 听、记录 听、记录 自习、讨论、记录、提问 时间分配(分) 15 5 45 工具与材料 多媒体 多媒体 多媒体 课内/课外 课内 课内 课内 布置任务 确定分离方法 分组完成 确定分离方法 集中汇报与小组互评 教师点评与方案修改 4 确定分离方法 聆听、记录、代表发言、思提问 考、回答问题 听、思考、回答问题 10 多媒体 课内 5 确定分离方法 点评、提问 15 多媒体 课内 7 确定蒸馏方法与分组完成 设备类型 集中汇报与小组互评 教师点评与方案修改 确定蒸馏方法与设备类型 确定蒸馏方法与设备类型 自习、讨论、指导、检查 记录、提问、看录象等 聆听、记录、代表发言、思提问 考、回答问题 听、思考、回答问题 60 多媒体 课内 8 10 多媒体 课内 9 点评、提问 15 多媒体 课内 10 通过二组分溶液精馏分离的影响布置任务 因素分析以确定精馏操作工艺条件 告知 听、记录 5 多媒体 课内 三、教师点评知识 济源职业技术学院

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教 学 设 计 一、蒸馏综述 蒸馏是分离液体均相混合物最早实现工业化的典型单元操作。它是通过加热造成汽液两相体系，利用混合物中各组分挥发性不同而达到分离的目的。混合物中挥发能力高的组分称为易挥发组分或轻组分，把挥发能力低的组分称为难挥发组分或重组分。 二、蒸馏操作的分类 表1 蒸馏操作的分类 分类 平衡蒸馏 按蒸馏方式分类 简单蒸馏 精馏 特殊精馏 加压精馏 按操作压力分类 常压精馏 真空精馏 特点及应用 平衡蒸馏和简单蒸馏，只能达到有限程度的提浓而不可能满足高纯度的分离要求。常用于混合物中各组分的挥发度相差较大，对分离要求又不高的场合。 精馏是借助回流技术来实现高纯度和高回收率的分离操作。 特殊精馏适用于普通精馏难以分离或无法分离的物系。 常压下为气态（如空气）或常压下沸点为室温的混合物，常采用加压蒸馏；对于常压下沸点较高（一般高于150℃）或高温下易发生分解，聚合等变质现象的热敏性物料宜采用真空蒸馏，以降低操作温度。 按被分离混合物中组分的数目分类 按操作流程分类 两组分精馏 多组分精馏 间歇精馏 连续精馏 间歇操作是不稳定操作，主要应用于小规模、多品种或某些有特殊要求的场合，工业中以连续精馏为主。 工业生产中，绝大多数为多组分精馏，多组分精馏过程更复杂 说 明 三、板式塔 板式塔：塔内沿塔高装有若干层塔板，相邻两板有一定的间隔距离。塔内气、液两相在塔板上互相接触，进行传热和传质，属于逐级接触式塔设备。 （一）板式塔的结构 板式塔结构如图1所示。它是由圆柱形壳体、塔板、气体和液体进、出口等部件组成的。操作时，塔内液体依靠重力作用，自上而下流经各层塔板，并在每层塔板上保持一定的液层，最后由塔底排出。气体则在压力差的推动下，自下而上穿过各层塔板上的液层，在液层中气液两相密切而充分的接触，进行传质传热，济源职业技术学院

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教 学 设 计 最后由塔顶排出。在塔中，使两相呈逆流流动，以提供最大的传质推动力。塔板是板式塔的核心构件，其功能是提供气、液两相保持充分接触的场所，使之能在良好的条件下进行传质和传热过程。 说 明 图1 板式塔结构 1-塔体；2-塔板； 3-溢流堰；4-受液盘； 5-降液管 特点 应用 应用广泛。 图2 塔板分类 塔板有错、逆流两种，见表2。 表2 塔板的分类 分类 结构 塔板间设有降液管。液体横向流过塔板，气体经过塔板错流 塔板 液两相呈错流接触, 如图2（a）所示。 适当安排降液管位置和溢流堰高度，可以控制板上液层厚度，从而获得较高的20％，影响了塔的生产能力，而且，液体横过塔板时要克服各种阻力，引起液面落差，液面落差大时，能引起板上气体分布不均匀，降低分离效率。 上的孔道上升，在塔板上气、传质效率。但是降液管约占塔板面积的逆流 塔板 塔板间无降液管，气、液同时由板上孔道逆向穿流而过，如图2（b）所示 结构简单、板面利用充分，无液面落差，应用不及气体分布均匀，但需要较高的气速才能错流塔板维持板上液层，操作弹性小，效率低， 广泛。 本章只介绍错流塔板。按照塔板上气液接触元件不同，可分为多种型式，见表3-2。 表3 塔板的类型 济源职业技术学院

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教 学 设 计 分类 结构 每层塔板上开有圆形孔，孔上焊有若干短管作为升气管。升气管高出升气管上盖有泡罩，泡罩分圆形和条形两种，多数选用圆形泡罩，其尺寸一般为Φ80 mm，100 mm，150mm三种直径，其下部周边开有许多齿缝。 在塔板上开有许多均匀分布的筛孔，筛孔在塔板上作正三角形排列，孔径一般为3～8mm，孔心距筛板 板上设置溢流堰，以使板上维持一定深度的液层 优点：结构简单，金属耗量小，造价低廉；气体压降小，板上液面落差也较小，其生产能力及板效率较高。 塞，不宜处理易结焦、粘度大的物料。 近年来对大孔（直径10mm以上）筛板的研究和应用有所进展。 阀片可随气速变化而升降。阀片上装有限位的三条腿，插入阀孔后将阀腿底脚旋转90°，限制操作时阀浮阀塔板 片在板上升起的最大高度，使阀片不被气体吹走。阀片周边冲出几个略向下弯的定距片。浮阀的类型很多，常用的有F1型、V-4型及T型等。 舌形 塔喷射型结板 板 浮舌 塔板 斜孔 塔板 说 明 特点 优点：低气速下操作不会发生严重漏液现象，有较好的操作弹性；塔板不易堵塞，对缺点：塔板结构复杂，金属耗量大，造价高；板上液层厚，气体流径曲折，塔板压降大，生产能力及板效率低。 近年来已很少应用。 液面，故板上液体不会从中漏下。于各种物料的适应性强。 泡罩塔板 与孔径之比常在2.5～4.0范围内。缺点：操作弹性范围较窄，小孔筛板容易堵优点：结构简单，制造方便，造价低。塔板的开孔面积大，生产能力大。操作弹性大。塔板效率高。 缺点：不易处理易结焦、粘度大的物料；操作中有时会发生阀片脱落或卡死等现象，使塔板效率和操作弹性下降。 应用广泛。 在塔板上开出许多舌型孔，向塔板液流出口处张开，张角20°左右。舌片与板面成一定的角度，按一定降液管面积也比一般塔板大些。 将固定舌片用可上下浮动的舌片替代。 优点：开孔率较大，故可采用较大空速，生产能力大；传质效率高；塔板压降小。 缺点：操作弹性小；板上液流易将气泡带到规律排布，塔板出口不设溢流堰，下层塔板，使板效率下降。 生产能力大，操作弹性大，压降小。 在塔板上冲有一定形状的斜孔，斜孔开口方向与液流方向垂直，相邻两排斜孔的开口方向相反，如图。 生产能力比浮阀塔大30％左右，结构简单，加工制造方便，是一种性能优良的塔板。

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教 学 设 计 在塔板上冲压出许多网状定向切 网孔 口，网孔的开口方向与塔板水平夹塔板 角约为30°，有效张口高度为2～5mm，如图3-9所示。 具有处理能力大、压力降低、塔板效率高等优点，特别适用于大型化生产。 说 明 结构 复杂 简单 一般 简单 简单 成本 1.0 0.4～0.5 0.7～0.8 0.5～0.6 0.5～0.6 压力降 高 低 中 低 低 工业上常用的几种塔板的性能比较见表4。 表4 常见塔板的性能比较 塔板类型 泡罩塔板 筛板 浮阀塔板 舌形塔板 斜孔塔板 相对生产能力 1.0 1.2～1.4 1.2～1.3 1.3～1.5 1.5～1.8 相对塔板效率 1.0 1.1 1.1～1.2 1.1 1.1 操作弹性 中 低 大 小 中 济源职业技术学院

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授课日期 课 型 （请打√） 课时 理论课 □ 实验课 □ 习题课 □ 上机课 □ 其他 □ 授课章、节或主题 任务2：酒精蒸馏回收工艺条件的确定(1) 教学目的要求： 能力目标 1．能通过计算选择具体的精馏方法；2. 会正确使用常用工程计算图表。 知识目标 1．理解蒸馏与精馏的原理；2. 理解二组分理想溶液的汽-液相平衡关系与表示法；3. 掌握全塔物料衡算 素质目标 1.培养团队合作精神、认真钻研、勤于思考的学习态度；2.建立化工生产的安全、环保意识；3.培养学生的文字组织与语言表达能力。 教学重点及难点： 1．理解蒸馏与精馏的原理； 2．汽-液相平衡关系与表示法。 教 学 设 计（可附页） 说 明 一、项目梗概 某公司乙醇回收车间，要从20%的乙醇-水溶液中回收乙醇，原料最创设情景，大处理量为20L/h，要求回收乙醇的浓度达90%（质量%）以上。 导入任务。 任务1：酒精回收提纯初步方案的制定； 任务2：酒精蒸馏回收工艺条件的确定； 任务3：酒精回收的仿真操作； 作业与思考题：P51一2，二2、3、4、5 课后回忆： 任课教师 教研室主任签字 济源职业技术学院

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教 学 设 计 任务4：酒精回收操作规程的编制； 任务5：酒精回收的操作； 任务6：酒精回收操作中异常现象的判别及处理。 二、任务2实施步骤 序步骤名称 号 1 告知 集中汇报与小组互评 教学内容 回顾与告知项目任务 汽液相平衡，气液相平衡关系，精馏原理，物料衡算 教师活动 告知 学生活动 听、记录 时间分配(分) 5 工具与材料 多媒体 课内/课外 课内 4 聆听、记录、代表发言、思提问 考、回答问题 听、思考、回答问题 自习、讨论、记录、提问 55 多媒体 课内 5 汽液相平衡，气液教师点评 相平衡关系，精馏原理，物料衡算 修改方案与分组完成 精馏原理 点评、提问 70 多媒体 课内 6 指导、检查 40 实训室 课内 精馏过程的物料10 布置任务 衡算级操作线方程 告知 听、记录 10/ 180 多媒体 课内/课外 三、教师点评知识 济源职业技术学院

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教 学 设 计 一、双组分理想溶液的气液相平衡 根据溶液中同分子间与异分子间作用力的差异，溶液可分为理想溶液和非理想溶液。理想溶液实际上并不存在，但是在低压下当组成溶液的物质分子结构及化学性质相近时，如苯—甲苯，甲醇—乙醇，正己烷—正庚烷以及石油化工中所处理的大部分烃类混合物等可视为理想溶液。 溶液的气液相平衡是精馏操作分析和过程计算的重要依据。汽液相平衡是指溶液与其上方蒸汽达到平衡时汽液两相间各组分组成之间的关系。 用相图来表达气液相平衡关系比较直观、清晰，而且影响精馏的因素可在相图上直接反映出来，对于双组分精馏过程的分析和计算非常方便。精馏中常用的相图有以下两种。 1．沸点－组成图 （1）结构 t－ x－ y图数据通常由实验测得。以苯-甲苯混合液为例，在常说 明 压下，其t－ x－ y图如图1所示，以温度t为纵坐标，液相组成xA和汽相组成 yA为横坐标(x，y均指易挥发组分的摩尔分数)。图中有两条曲线，下曲线表示平衡时液相组成与温度的关系，称为液相线，上曲线表示平衡时汽相组成与温度的关系，称为汽相线。两条曲线将整个t－ x－ y图分成三个区域，液相线以下代表尚未沸腾的液体，称为液相区。汽相线以上代表过热蒸汽区。被两曲线包围的部分为汽液共存区。 （2）应用 在恒定总压下，组成为x，温度为t1（图中的点A）的混合液升温至t2(点J)时，溶液开始沸腾，产生第一个汽泡，相应的温度t2称为泡点，产生的第一个气泡组成为y1(点C)。同样，组成为y、温度为t4（点B）的过热蒸汽冷却至温度t3（点H）时，混合气体开始冷凝产生第一滴液滴，相应的温度t3称为露点，凝结出第一个液滴的组成为x1(点Q)。F、E两点为纯苯和纯甲苯的沸点。 济源职业技术学院

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教 学 设 计 说 明 图1 苯－甲苯物系的t－ x－ y图 图2 苯－甲苯物系的y－ x图 应用t－ x－ y图，可以求取任一沸点的气液相平衡组成。当某混合物系的总组成与温度位于点K时，则此物系被分成互成平衡的汽液两相，其液相和汽相组成分别用L、G两点表示。两相的量由杠杆规则确定。 操作中，根据塔顶、塔底温度，确定产品的组成，判定是否合乎质量要求；反之，则可以根据塔顶、塔底产品的组成，判定温度是否合适。 2．气液相平衡图 在两组分精馏的图解计算中，应用一定总压下的y－ x图非常方便快捷。 y－ x图表示在恒定的外压下，蒸气组成y和与之相平衡的液相组成x之间的关系。图2是101.3kPa的总压下，苯—甲苯混合物系的y－ x图，它表示不同温度下互成平衡的汽液两相组成y与x的关系。图中任意点D表示组成为x1的液相与组

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教 学 设 计 成为y1的气相互相平衡。图中对角线y＝x，为辅助线。两相达到平衡时，气相中易挥发组分的浓度大于液相中易挥发组分的浓度，即y ＞ x，故平衡线位于对角线的上方。平衡线离对角线越远，说明互成平衡的气液两相浓度差别越大，溶液就越容易分离。常见两组分物系常压下的平衡数据，可从物理化学或化工手册中查得。 二、相对挥发度 溶液中两组分的挥发度之比称为两组分的相对挥发度，用?表示。例如，?AB表示溶液中组分A对组分B的相对挥发度，根据定义 说 明 ?AB? ?ApA/xApAxB?? （1） ?BpB/xBpBxA 若气体服从道尔顿压分压定律，则 ?AB PyAxByAxB?? （2） PyBxAyBxA 对于理想溶液，因其服从拉乌尔定律，则 ??p0A0pB （3） 式（3）说明理想溶液的相对挥发度等于同温度下纯组分A和纯组分B的饱和蒸气压之比。pA0、 pB0随温度而变化，但pA0／pB0随温度变化不大，故一般可将?视为常数，计算时可取其平均值。 四、相平衡方程 对于二元体系，xB = 1－xA ，yB = 1－yA ，通常认为A为易挥发组分，B为难挥发组分，略去下标A、B，则式（2）可得 y??x （4） 1?(??1)x上式称为相平衡方程，在精馏计算中用式（4）来表示气液相平衡关系更为 济源职业技术学院

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教 学 设 计 简便。 由式（4）可知，当?＝1时，y＝ x，气液相组成相同，二元体系不能用普通精馏法分离；当?＞1时，分析式（4）可知，y＞x。?越大，y比x大得越多，互成平衡的气液两相浓度差别越大，组分A和B越易分离。因此由?值的大小可以判断溶液是否能用普通精馏方法分离及分离的难易程度。 图3 多次部分汽化和多次部分 冷凝示意图 说 明 五、精馏原理 平衡蒸馏仅通过一次部分汽化，只能部分地分离混合液中的组分，若进行多次的部分汽化和部分冷凝，便可使混合液中各组分几乎完全分离。 1．多次部分汽化和多次部分冷凝 如图3，组成为xF的原料液加热至泡点以上，如温度为t1，使其部分汽化，并将汽相和液相分开，汽相组成为y1，液相组成为x1，且必有y1>xF>x1。若将组成为y1的汽相混合物进行部分冷凝，则可得到汽相组成为y2与液相组成为x2’的平衡两相，且y2>y1；若将组成为y2的汽相混合物进行部分冷凝，则可得到汽相组成为y3与液相组成为x3’的平衡两相，且y3>y2>y1； 同理，若将组成为x1的液体加热，使之部分汽化，可得到汽相组成为y2’与液相组成为x2的平衡液两相，且x2

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教 学 设 计 到的纯产品量极少，而且设备庞杂，能量消耗大。为解决上述问题，工业生产中精馏操作采用精馏塔进行，同时并多次进行部分汽化和多次部分冷凝。 2．塔板上汽液两相的操作分析 图4为板式塔中任意第n块塔板的操作情况。如原料液为双组分混合物，下降液体来自第n－1块板，其易挥发组分的浓度为xn－1，温度为tn－1。上升蒸气来自第n+1块板，其易挥发组分的浓度为yn+1，温度为tn+1。当气液两相在第n块板上相遇时，tn+1＞ tn－1，因而上升蒸气与下降液体必然发生热量交换，蒸气放出热量，自身发生部分冷凝，而液体吸收热量，自身发生部分气化。由于上升蒸气与说 明 下降液体的浓度互相不平衡，如图5所示，液相部分气化时易挥发组分向气相扩 散，气相部分冷凝时难挥发组分向液相扩散。结果下降液体中易挥发组分浓度降低，难挥发组分浓度升高；上升蒸气中易挥发组分浓度升高，难挥发组分浓度下降。 若上升蒸气与下降液体在第n块板上接触时间足够长，两者温度将相等，都等于tn，气液两相组成yn与xn相互平衡，称此塔板为理论塔板。实际上，塔板上的气液两相接触时间有限，气液两相组成只能趋于平衡。 图4 塔板上的传质分析 图5 精馏过程的t－ x－ y示意图 由以上分析可知，气液相通过一层塔板，同时发生一次部分汽化和一次部分冷凝。通过多层塔板，即同时进行了多次进行部分汽化和多次部分冷凝，最后，在塔顶得到的气相为较纯的易挥发组分，在塔底得到的液相为较纯的难挥发组分，从而达到所要求的分离程度。 济源职业技术学院

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教 学 设 计 3．精馏必要条件 为实现分离操作，除了需要有足够层数塔板的精馏塔之外，还必须从塔底引入上升蒸汽流（气相回流）和从塔顶引入下降的液流（液相回流），以建立气液两相体系。塔底上升蒸汽和塔顶液相回流是保证精馏操作过程连续稳定进行的必要条件。没有回流，塔板上就没有气液两相的接触，就没有质量交换和热量交换，也就没有轻、重组分的分离。 六、精馏操作流程 精馏过程可连续操作，也可间歇操作。精馏装置系统一般都应由精馏塔、塔顶冷凝器、塔底再沸器等相关设备组成，有时还要配原料预热器、产品冷却器、回流用泵等辅助设备。 连续精馏装置流程如图6所示。以板式塔为例，原料液预热至指定的温度后从塔的中段适当位置加入精馏塔，与塔上部下降的液体汇合，然后逐板下流，最后流入塔底，部分液体作为塔底产品，其主要成分为难挥发组分，另一部分液体在再沸器中被加热，产生蒸气，蒸气逐板上升，最后进入塔顶冷凝器中，经冷凝器冷凝为液体，进入回流罐，一部分液体作为塔顶产品，其主要成分为易挥发组分，另一部分回流作为塔中的下降液体。 图6 连续精馏流程 说 明 济源职业技术学院

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教 学 设 计 通常，将原料加入的那层塔板称为加料板。加料板以上部分，起精制原料中易挥发组分的作用，称为精馏段，塔顶产品称为馏出液。加料板以下部分(含加料板)，起提浓原料中难挥发组分的作用，称为提馏段，从塔釜排出的液体称为塔底产品或釜残液。 说 明 七、全塔物料衡算 通过对精馏塔的全塔物料衡算，可以确定馏出液及釜液的流量及组成。 稳定连续操作的精馏塔作全塔物料衡算，如图7，并以单位时间为基准。 总物料衡算： F=D+W （5） 易挥发组分衡算： F xF=D xD +W xW （6） 式中 F、D、W——分别为原料、塔顶产品和塔底产品 的流量，Kmol/h； xF、xD、xW——分别为原料、塔顶产品和图7 全塔物料衡算 塔底产品中易挥发组分的摩尔分数。 式（5）、（6）称为全塔物料衡算式。应用全塔物料衡算式可确定产品流量及组成。 一般称率。 【例3-1】 每小时将15000kg，含苯40％和含甲苯60％的溶液，在连续精馏塔中进行分离，要求将混合液分离为含苯97％的馏出液和釜残液中含苯不高于2％（以上均为质量百分数）。操作压力为101.3kPa。试求馏出液及釜残液的流量及组成，以千摩尔流量及摩尔分数表示。 DxDD×100％为馏出液的采出率，?100%为易挥发组分的回收FFxF

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授课日期 课 型 （请打√） 课时 理论课 □ 实验课 □ 习题课 □ 上机课 □ 其他 □ 授课章、节或主题 任务2：酒精蒸馏回收工艺条件的确定(2) 教学目的要求： 能力目标 1．能选择精馏操作的合适进料状态；2. 正确使用操作线方程进行工艺计算。 知识目标 1. 掌握精馏操作中进料状态的影响； 2.掌握精馏操作线方程；3.掌握精馏q线方程。 素质目标 1.培养团队合作精神、认真钻研、勤于思考的学习态度；2.建立化工生产的安全、环保意识；3.培养学生的文字组织与语言表达能力。 教学重点及难点： 1. 理解精馏操作的影响因素；2.掌握精馏操作操作条件的确定方法；3. 掌握理论塔板数的计算方法。 教 学 设 计（可附页） 说 明 一、项目梗概 某公司乙醇回收车间，要从20%的乙醇-水溶液中回收乙醇，原料最创设情景，大处理量为20L/h，要求回收乙醇的浓度达90%（质量%）以上。 导入任务。 任务1：酒精回收提纯初步方案的制定； 任务2：酒精蒸馏回收工艺条件的确定； 任务3：酒精回收的仿真操作； 作业与思考题：P52二8、9、11 课后回忆： 任课教师 教研室主任签字 济源职业技术学院

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教 学 设 计 任务4：酒精回收操作规程的编制； 任务5：酒精回收的操作； 任务6：酒精回收操作中异常现象的判别及处理。 二、任务2实施步骤 序号 1 步骤名称 教学内容 教师活动 学生活动 时间分配(分) 5 工具与材料 多媒体 课内/课外 课内 告知教学目标回顾与告知 与回顾项目任务 集中汇报与小组互评 精馏过程的物料衡算级操作线方程，进料状态 精馏过程的物料衡算级操作线方程，进料状态 精馏过程的物料衡算级操作线方程，进料状态 告知 听、记录 2 聆听、记录、代表发言、思提问 考、回答问题 60 多媒体 课内 3 教师点评 点评、提问 听、思考、回答问题 70 多媒体 课内 4 修改方案 自习、讨论、指导、检查 记录、提问 35 实训室、资料室 多媒体 课内 5 布置任务 塔板数的计算 告知 听、记录 10/180 课内/课外 三、教师点评知识 一、操作线方程 精馏塔内任意板下降液相组成xn及由其下一层板上升的蒸汽组成yn＋1之间关系称为操作关系。描述精馏塔内操作关系的方程称为操作线方程。由于精馏过程既涉及传热又涉及传质，影响因素很多，为了简化精馏过程，得到操作关系，进行恒摩尔假定。 （一）恒摩尔流假定 1．恒摩尔流假定成立的条件 济源职业技术学院

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教 学 设 计 若在精馏塔塔板上气、液两相接触时有nkmol的蒸汽冷凝，相应就有nkmol的液体汽化，这样恒摩尔流的假定才能成立。为此，必须满足的条件是： ①各组分的摩尔汽化潜热相等； ②气液接触时因温度不同而交换的显热可以忽略； ③塔设备保温良好，热损失可也忽略。 2．恒摩尔流假定内容 （1）恒摩尔汽化 精馏操作时，在精馏塔的精馏段内，每层板的上升蒸汽摩尔流量都是相等的，在提馏段内也是如此： 精馏段 V1=V2=V3=?＝V=常数 ''提馏段 V1=V'2=V3=?＝V=常数 '说 明 但两段的上升蒸汽摩尔流量却不一定相等。 （2）恒摩尔液流 精馏操作时，在塔的精馏段内，每层板下降的液体摩尔流量都是相等，在提馏段内也是如此： 精馏段 L1=L2=L3=?＝L=常数 '提馏段 L1=L2=L3=?＝L=常数 '''但两段的下降液体摩尔流量不一定相等。 （二）操作线方程 在连续精馏塔中，因原料液不断从塔的中部加入，致使精馏段和提馏段具有不同的操作关系，应分别予以讨论。 1．精馏段操作线方程 对图9中虚线范围(包括精馏段的第n十1层板以上塔段及冷凝器)作物料衡算，以单位时间为基准，即 总物料衡算： V=L+D 易挥发组分衡算： Vyn+1=Lxn+DxD 济源职业技术学院

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教 学 设 计 式中 V——精馏段上升蒸汽的摩尔流量，kmol/h； L——精馏段下降液体的摩尔流量，kmol/h； yn+1——精馏段第n十1层板上升蒸汽中易挥发组分的摩尔分数； xn——精馏段第n层板下降液体中易挥发组分的摩尔分数。 整理： 说 明 yn?1? LDxn?xD （7） L?DL?D 令回流比R ＝L／D并代入上式，得精馏段操作线方程 yn?1?xRxn?D （8） R?1R?1 图9 精馏段操作线方程推导 图10 精馏塔的操作线 精馏段操作线方程反映了一定操作条件下精馏段内的操作关系，即精馏段内自任意第n层板下降的液相组成xn与其相邻的下一层板（第n+1层板）上升汽相组成yn+1之间的关系。在稳定操作条件下，精馏段操作线方程为一直线。斜率为xR，截距为D。由式（8）可知，当xn＝xD时，yn+1＝xD，即该点位于y－xR?1R?1图的对角线上，如图10中的点a；又当xn＝0时，yn+1＝xD/(R+1)，即该点位于y轴上，如图中点b，则直线ab即为精馏段操作线。 济源职业技术学院

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教 学 设 计 2．提馏段操作线 按图11虚线范围(包括提馏段第m层板以下塔板及再沸器)作物料衡算，以单位时间为基础，即 总物料衡算： L’ = V’ + W 易挥发组分衡算： L’x’m = V’y’m+1+WxW 提馏段操作线方程： 'ym?1?说 明 L'W'xm?xWL'?WL'?W （9） 式中 L’——提馏段下降液体的摩尔流量， kmol/h； V’——提馏段上升蒸汽的摩尔流量，kmol/h； x’m——提馏段第m层板下降液相中易挥发组分的摩尔分数； y’m+1——提馏段第m+1层板上升蒸汽中易挥发组分的摩尔分数。 提馏段操作线方程反映了一定操作条件下，提馏段内的操作关系。在稳定操作条件下，提馏段操作线方程为一直线。斜率为图11 提馏段操作线方程推导 L'W，截距为。由式（3-9）L'?WL'?W可知，当x'm＝xw时，y'm?1?xW，即该点位于y－x图的对角线上，如图中的点c；'当xm?0时，ym?1??WxW/(L?W)，该点位于y轴上，如图中点g，则直线cg''即为提馏段操作线。由图11可见，精馏段操作线和提馏段操作线相交于点d。 应予指出，提馏段内液体摩尔流量L不仅与精馏段液体摩尔流量L的大小有关，而且它还受进料量及进料热状况的影响。 （三）进料状况的影响 1．精馏塔的进料热状况 '

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教 学 设 计 1、停车操作规程 1.1、降负荷 (1)逐步关小FIC101调节阀，降低进料至正常进料量的70%。 (2)在降负荷过程中，保持灵敏板温度TC101的稳定性和塔压PC102的稳定，使精馏塔分离出合格产品。 (3)在降负荷过程中，尽量通过FC103排出回流罐中的液体产品，至回流罐液位LC104在20%左右。 (4)在降负荷过程中，尽量通过FC102排出塔釜产品，使LC101降至30%左右。 1.2、停进料和再沸器 在负荷降至正常的70%，且产品已大部采出后，停进料和再沸器。 (1)关FIC101调节阀，停精馏塔进料。 (2)关TC101调节阀和V13或V16阀，停再沸器的加热蒸汽。 (3)关FC102调节阀和FC103调节阀，停止产品采出。 (4)打开塔釜泄液阀V10，排不合格产品，并控制塔釜降低液位。 (5)手动打开LC102调节阀，对FA-114泄液。 1.3、停回流 (1)停进料和再沸器后，回流罐中的液体全部通过回流泵打入塔，以降低塔内温度。 (2)当回流罐液位至0时，关FC104调节阀，关泵出口阀V17（或V18），停泵GA412A（或GA412B），关入口阀V19（或V20），停回流。 (3)开泄液阀V10排净塔内液体。 1.4 降压、降温 (1)打开PC101调节阀，将塔压降至接近常压后，关PC101调节阀。 (2)全塔温度降至50℃左右时，关塔顶冷凝器的冷却水(PC102的输出至0)。 2、事故设置一览 下列事故处理操作仅供参考，详细操作以评分系统为准。 2.1热蒸汽压力过高 原因：热蒸汽压力过高。 现象：加热蒸汽的流量增大，塔釜温度持续上升。 处理：适当减小TC101的阀门开度。 2.2热蒸汽压力过低 原因:热蒸汽压力过低。 现象:加热蒸汽的流量减小，塔釜温度持续下降。 处理:适当增大TC101的开度。 2.3冷凝水中断 原因:停冷凝水。 现象:塔顶温度上升，塔顶压力升高。 处理：(1)开回流罐放空阀PC101保压。 (2)手动关闭FC101，停止进料。 说 明 济源职业技术学院

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教 学 设 计 (3)手动关闭TC101，停加热蒸汽。 (4)手动关闭FC103和FC102，停止产品采出。 (5)开塔釜排液阀V10,排不合格产品。 (6)手动打开LIC102,对FA114泄液。 (7)当回流罐液位为0时,关闭FIC104。 (8)关闭回流泵出口阀V17/V18。 (9)关闭回流泵GA424A/GA424B。 (10)关闭回流泵入口阀V19/V20。 (11)待塔釜液位为0时,关闭泄液阀V10。 (12)待塔顶压力降为常压后,关闭冷凝器。 2.4停电 原因:停电。 现象:回流泵GA412A停止，回流中断。 处理：(1)手动开回流罐放空阀PC101泄压。 (2)手动关进料阀FIC101。 (3)手动关出料阀FC102和FC103。 (4)手动关加热蒸汽阀TC101。 (5)开塔釜排液阀V10和回流罐泄液阀V23,排不合格产品。 (6)手动打开LIC102,对FA114泄液。 (7)当回流罐液位为0时,关闭V23。 (8)关闭回流泵出口阀V17/V18。 (9)关闭回流泵GA424A/GA424B。 (10)关闭回流泵入口阀V19/V20。 (11)待塔釜液位为0时,关闭泄液阀V10。 (12)待塔顶压力降为常压后,关闭冷凝器。 2.5回流泵故障 原因：回流泵GA-412A泵坏。 现象：GA-412A断电，回流中断，塔顶压力、温度上升。 处理：(1)开备用泵入口阀V20。 (2)启动备用泵GA412B。 (3)开备用泵出口阀V18。 (4)关闭运行泵出口阀V17。 (5)停运行泵GA412A。 (6)关闭运行泵入口阀V19。 2.6回流控制阀FC104阀卡 原因:回流控制阀FC104阀卡。 现象:回流量减小，塔顶温度上升，压力增大。 处理:打开旁路阀V14，保持回流。 说 明 济源职业技术学院

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教 学 设 计 3、思考题 3.1什么叫蒸馏？在化工生产中分离什么样的混合物？蒸馏和精馏的关系是什么？ 3.2精馏的主要设备有哪些？ 3.3在本单元中，如果塔顶温度、压力都超过标准，可以有几种方法将系统调节稳定？ 3.4当系统在一较高负荷突然出现大的波动、不稳定，为什麽要将系统降到一低负荷的稳态，再从新开到高负荷？ 3.5根据本单元的实际，结合“化工原理”讲述的原理，说明回流比的作用。 3.6若精馏塔灵敏板温度过高或过低，则意味着分离效果如何？应通过改变哪些变量来调节至正常？ 3.7请分析本流程中如何通过分程控制来调节精馏塔正常操作压力的。 3.8根据本单元的实际，理解串级控制的工作原理和操作方法。 说 明 济源职业技术学院

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授课日期 课 型 （请打√） 课时 理论课 □ 实验课 □ 习题课 □ 上机课 □ 其他 □ 授课章、节或主题 任务4：酒精回收操作规程的编制 教学目的要求： 能力目标 1. 会二组分溶液精馏的基本操作。 知识目标 1. 掌握二组分溶液精馏操作操作规程的编写。 素质目标 1．培养团队合作精神；2.培养学生严格遵守操作规程、文明操作、安全操作的职业意识。 教学重点及难点： 1. 会二组分溶液精馏的基本操作； 2. 掌握二组分溶液精馏操作操作规程的编写。 教 学 设 计（可附页） 说 明 一、项目梗概 某公司乙醇回收车间，要从20%的乙醇-水溶液中回收乙醇，原料最创设情景，大处理量为20L/h，要求回收乙醇的浓度达90%（质量%）以上。 导入任务。 任务1：酒精回收提纯初步方案的制定； 任务2：酒精蒸馏回收工艺条件的确定； 任务3：酒精回收的仿真操作； 作业与思考题： 课后回忆： 任课教师

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教 学 设 计 任务4：酒精回收操作规程的编制； 任务5：酒精回收的操作； 任务6：酒精回收操作中异常现象的判别及处理。 二、任务4实施步骤 序步骤名称 号 1 回顾与告知 教学内容 回顾、告知项目任务 教师活动 告知 学生活动 听、记录 时间分工具与配(分) 材料 5 多媒体 多媒体、实训室 多媒体、实训室 多媒体、实训室 / 实训室 / 课内/课外 课内 2 分组完成 编写操作规程 集中汇报与小组互评 自习、查阅资答疑、检查、料、讨论、整指导等 理、记录等 聆听、记录、代表发言、思提问 考、回答问题 听、思考、回点评、提问 答问题 指导、检查 答疑、检查、指导等 点评、提问等 告知 自习、讨论、记录、提问 讨论、操作 听、思考、回答问题 听、记录 50 课内 3 编写操作规程 25 课内 4 教师点评 编写操作规程 10 课内 5 6 7 8 完善方案 编写操作规程 分组完成 集中总结 布置任务 乙醇分离基本操作 乙醇分离基本操作 乙醇分离基本操作（2） 10 75 10 5 课内 课内 课内 多媒体 课内/课外 二、教师点评知识 1.动设备的操作规程 1.1离心泵（原料增压泵，循环水泵和原料泵）的操作规程； 1.2计量泵（原料泵，回流泵和采出泵）的操作规程。 1.3操作安全注意事项 1.3.1启动电动机前要进行盘车（可以先用手转动一下电机的轴看看是否有卡的现象或者通电后进行点触启动，查看电机是否转动；若不转动，应立即查找原因，问题解决后方能启动，否则电机很容易烧毁）。

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教 学 设 计 在生产中，加入精馏塔中的原料可能有以下五种热状态： （1）冷液体进料 t＞t泡。 （2）饱和液体进料 t＝t泡 （3）气液混合物进料 t泡＜t＜t露 （4）饱和蒸汽进料 t＝t露 （5）过热蒸汽进料 t＞t露 2．进料热状况对进料板物流的影响 精馏塔内，由于原料的热状态不同，从而使精馏段和提馏段的液体流量L与L间的关系以及上升蒸汽量V与V均发生变化。进料热状况对两段汽液流量变化的影响如图12所示。 3．进料热状态参数q 对加料板进行物料衡算及热量衡算可得 物料衡算： F+V’+L=V+L’ 热量衡算： FIF+ VIV +LIL= VIV +L’IL’ 式中 IF——原料液焓，KJ/Kmol； IV、IV’——加料板上、下的饱和蒸汽焓，KJ/Kmol； IL、IL’ ——加料板上、下的饱和液体焓，KJ/Kmol。 由于加料板上下板温度及气液相组成都很相近，所以近似取 IV＝IV’， IL＝IL’ 整理得 ''说 明 IV?IFL'?L （10） ?IV?ILF 令： q?IV?IF1Kmol进料变为饱和蒸汽所需的热量? IV?IL原料的千摩尔汽化潜热 济源职业技术学院

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教 学 设 计 说 明 图12 进料热状况对进料板上、下各流股的影响 （a）冷液进料；（b）饱和液体进料；（c）汽液混合物进料；（d）饱和蒸汽进料；（e）过热蒸汽进料 q称为进料热状况参数。q值的意义为：每进料1kmol/h时，提馏段中的液体流量较精馏段中增大的kmol/h值。对于泡点、露点、混合进料，q值相当于进料中饱和液相所占的分率。 根据q的定义，不同进料时的q值如下： （1）冷液 q ＞ 1 （2）饱和液体 q ＝ 1 （3）汽液混合物 0 ＜ q ＜ 1 （4）饱和汽体 q ＝ 0 （5）过热汽体 q ＜ 0 对于各种进料状态，由式（3-10）可知 L'?L?qF (11) V?V'?(1?q)F (12) 则提馏段操作线方程可改写为 y'?L?qFWx'?xWL?qF?WL?qF?W济源职业技术学院

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教 学 设 计 '说 明 L?qFW'y?x?xW (13) L?qF?WL?qF?W 【例3-2】 用某精馏塔分离丙酮—正丁醇混合液。料液含35％的丙酮，馏出液含96％的丙酮（均为摩尔百分数），加料量为14.6kmol/h，馏出液量为5.14kmol/h。进料为沸点状态。回流比为2。求精馏段、提馏段操作线方程。 4．进料方程 （1）进料方程及提馏段操作线的绘制 由图13可知，提馏段操作线截距很小，因此提馏段操作线cg不易准确作出， 而且这种作图方法不能直接反映出进料热状态的影响。因此通常的做法是先找出提馏段操作线与与提馏段操作线的交点d，再连接cd得到提馏段操作线。精、提馏段操作线的交点可联立精、提馏段操作线方程得到 xFq (14) y?x?q?1q?1式（14）即为精馏段操作线与提馏段操作线交点的轨迹方程，称为进料方程，也称q线方程。在进料热状况及进料组成确定的条件下，q及xF为定值，进料方程为一直线方程。将式（3-14）与对角线方程联立，则交点坐标为x=xF，y=xF，如图13中e点，过e点作斜率为q／（q－1）的直线，ef 线，即为q线。q线与提馏段操作线交于d点，d点即是两操作线交点，连接c（xW，xW）、d两点可得提馏段操作线cd。 （2）进料状态对q线及操作线的影响 q线方程还可分析进料热状态对精馏塔设计及操作的影响。进料热状况不同，q线位置不同，从而提馏段操作线的位置也相应变化。 根据不同的q值，将五种不同进料热状况下的q线斜率值及其方位标绘在图14并列于表1中。 济源职业技术学院

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教 学 设 计 说 明 图13 q线与操作线 图14 进料热状况对操作线的影响 表1 进料热状况对q线的影响 进料热状况 冷液体 饱和液体 气液混合物 饱和蒸汽 过热蒸汽 进料的焓IF IF >IL IF = IL IL < IF Iv q值 >1 1 0

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授课日期 课 型 （请打√） 课时 理论课 □ 实验课 □ 习题课 □ 上机课 □ 其他 □ 授课章、节或主题 任务2：酒精蒸馏回收工艺条件的确定(3) 教学目的要求： 能力目标 1．能确定二组分溶液精馏的适宜回流比；2. 能正确计算塔板数和塔板效率。 知识目标 1. 理解精馏操作中回流比的影响；2.掌握精馏操作中加料位置的确定方法；3.掌握理论塔板数的计算方法。 素质目标 1.培养团队合作精神、认真钻研、勤于思考的学习态度；2.建立化工生产的安全、环保意识；3.培养学生的文字组织与语言表达能力。 教学重点及难点： 1. 理解精馏操作的影响因素；2.掌握精馏操作操作条件的确定方法；3. 掌握理论塔板数的计算方法。 教 学 设 计（可附页） 说 明 一、项目梗概 某公司乙醇回收车间，要从20%的乙醇-水溶液中回收乙醇，原料最创设情景，大处理量为20L/h，要求回收乙醇的浓度达90%（质量%）以上。 导入任务。 任务1：酒精回收提纯初步方案的制定； 任务2：酒精蒸馏回收工艺条件的确定； 任务3：酒精回收的仿真操作； 作业与思考题：P52二12、13、14、15、16、18 课后回忆： 任课教师 教研室主任签字

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