分離化学工学4

前回の復習
単蒸留と多段蒸留
回分蒸留と連続蒸留
単蒸留(回分蒸留) 問題設定・物質収支
単蒸留(回分蒸留) 式変形・レイリーの式
単蒸留(回分蒸留) ラウールの法則が成立
単蒸留(回分蒸留) 式変形
単蒸留(回分蒸留) 留出液の平均モル分率
今回の達成目標
(平衡)フラッシュ蒸留
(平衡)フラッシュ蒸留
(平衡)フラッシュ蒸留 問題設定
(平衡)フラッシュ蒸留 物質収支
(平衡)フラッシュ蒸留 物質収支
(平衡)フラッシュ蒸留 xとyの求め方
今回の達成目標

Transcript

1. 分離化学⼯学 第４回 2017年5月12日 (⾦) 0 理⼯学部 応用化学科 データ化学⼯学研究室 専任講師 ⾦⼦ 弘昌
2. 前回の復習 蒸留とは何か説明できる 蒸留の種類をいえる 単蒸留・多段蒸留について説明できる 回分(バッチ)蒸留・連続蒸留について説明できる 単蒸留(回分蒸留)において、ラウールの法則が成り⽴つときの、 蒸留器に残った液体の量と留出液(製品)の液体のモル分率との間の 関係を導出できる 1
3. 単蒸留と多段蒸留 単蒸留 • 加熱して蒸発 と 冷却して凝縮 とのセットが一回 多段蒸留 • 加熱して蒸発 と 冷却して凝縮 とのセットが複数回 2
4. 回分蒸留と連続蒸留 回分(バッチ、batch)蒸留 • 最初に一定量の原料を仕込む • 所定の量の製品を抜き出し終えたら終了 • 非定常操作 (原料の組成が時間とともに変わり、 それにともなって製品の組成も変わる) • 多品種少量⽣産向き 連続蒸留 • 原料を連続的に供給 • 塔頂と塔底から製品を連続的に抜き出す • 定常操作 • ⼤量⽣産向き 3
5. 単蒸留(回分蒸留) 問題設定・物質収支 ウイスキーの蒸留などに利用 4 液体 気体 y [-] F [mol] x [-] F [mol]︓蒸留器内の液体の量 x [-]︓低沸点成分の 液体のモル分率 y [-]︓低沸点成分の 気体のモル分率 t [-]︓時刻 スチーム 蒸留器 製品 冷却⽔ コンデンサー 低沸点成分の物質収支 ( ) d d d d Fx F y t t = 低沸点成分の 液体が減った (蒸発した)量 低沸点成分の 気体が増えた量 =
6. 単蒸留(回分蒸留) 式変形・レイリーの式 5 ( ) d d d d Fx F y t t = ( ) d d F x F y x = − 最初の状態 (F = F0 , x = x0 ) からある時刻 t の状態 (F = Ft , x = xt ) まで積分すると、 ( ) 0 0 1 1 d d t t F x F x F x F y x = − ∫ ∫ 左辺を計算すると・・・ 式変形 ( ) 0 0 1 ln d t x t x F x F y x = − ∫ レイリー(Rayleigh)の式 [液体の量、気体・液体のモル分率 との関係式]
7. 単蒸留(回分蒸留) ラウールの法則が成⽴ 6 ラウールの法則が成り⽴つとき、 ( ) 1 1 x y x α α = + − α [-] ︓相対揮発度 ( ) 0 0 1 ln d t x t x F x F y x = − ∫ ( ) 0 0 1 ln d 1 1 t x t x F x F x x x α α =   −     + −   ∫ レイリーの式は
8. 単蒸留(回分蒸留) 式変形 7 F0 と x0 は最初の状態でわかっているので、 xt か Ft のどちらか分かれば、もう一方も分かる 0 0 0 1 1 ln ln ln 1 1 t t t F x x F x x α α   − = − +   − −   計算すると・・・
9. 単蒸留(回分蒸留) 留出液の平均モル分率 製品(留出液、出てきてたまったもの)のモル分率 xD はいくつか︖ 時刻 t のときの、マスバランスとマテリアルバランスを考え、導いてみよう︕ 時刻 t のときの、製品(留出液)の液体の量を Dt [mol] とおいて マスバランス・マテリアルバランスの式をたて、消去する 8 マスバランス(全物質収支) 0 t t F F D − = 低沸点成分のマテリアルバランス(物質収支) 0 0 D t t t F x F x D x − = 0 0 0 0 D 0 t t t t t t F x F x F x F x x D F F − − = = −
10. 今回の達成目標 (平衡)フラッシュ蒸留について説明できる フラッシュ蒸留における蒸気のモル分率と留出液のモル分率の 求め方がわかる 9
11. (平衡)フラッシュ蒸留 連続蒸留の単蒸留 ① 原料の溶液を加圧下で連続的に供給して加熱 ② 低圧で操作される装置(フラッシュドラム)に断熱的に 吹き込む(フラッシュさせる) ③ 溶液が一部蒸発し、低沸点成分の多い 蒸気と高沸点成分の多い液体が発⽣ ④ 蒸気は塔頂から、液体は塔底から連続的に抜き出す 10 加熱器 フラッシュドラム (フラッシュ蒸留器) 蒸気 液体 減圧弁 原料
12. (平衡)フラッシュ蒸留 気液の組成は平衡状態 沸点の範囲が広い混合溶液をざっくり分離するときに使用 多段蒸留の原料供給段 11 加熱器 フラッシュドラム (フラッシュ蒸留器) 蒸気 液体 減圧弁 原料
13. (平衡)フラッシュ蒸留 問題設定 12 F [mol・h-1]︓原料の流量 xF [-]︓低沸点成分の原料(液体)のモル分率 V [mol・h-1]︓出てきた蒸気の流量 y [-]︓低沸点成分の蒸気のモル分率 L [mol・h-1]︓出てきた液体の流量 x [-]︓低沸点成分の液体のモル分率 加熱器 フラッシュドラム (フラッシュ蒸留器) 蒸気 液体 減圧弁 原料 F [mol・h-1] xF [-] V [mol・h-1] y [-] L [mol・h-1] x [-]
14. (平衡)フラッシュ蒸留 物質収支 13 加熱器 フラッシュドラム (フラッシュ蒸留器) 蒸気 液体 減圧弁 原料 F [mol・h-1] xF [-] V [mol・h-1] y [-] L [mol・h-1] x [-] 全物質収支は︖ F V L = + F Fx Vy Lx = + 低沸点成分の物質収支は︖ ２つの式を用いて、Fを消去して y を x で表してみよう
15. (平衡)フラッシュ蒸留 物質収支 14 F V L = + ( ) ( ) ( ) F F F F F F Fx Vy Lx V L x Vy Lx Vy L x x Vx L y x x x V = + + = + = − − + = − − + より、 y と x との関係が式で表せた︕
16. (平衡)フラッシュ蒸留 xとyの求め方 15 ( ) F F L y x x x V = − − + y (L, V, xF は与えられる) x 気液平衡曲線 (xF , xF ) ・・・ (xF , xF )を通り、傾き -L/V の直線 (下図の赤線) (x, y) 傾き -L/V ⻘線と赤線の交点が 留出液のモル濃度(x)と 留出蒸気のモル濃度(y) V を⼤きくするとどうなるか︖ L を⼤きくするとどうなるか︖ 0 1 0 1 気液平衡はどうなっているか︖
17. 今回の達成目標 (平衡)フラッシュ蒸留について説明できる フラッシュ蒸留における蒸気のモル分率と留出液のモル分率の 求め方がわかる 16