分離化学工学 第５回

前回の復習
単蒸留　回分(バッチ)と連続
今回の達成目標
連続多段蒸留
連続多段蒸留塔
連続多段蒸留塔　問題設定
連続多段蒸留塔　問題設定
連続多段蒸留塔　全体の物質収支式
濃縮部に着目
濃縮部 物質収支・還流比
濃縮部 yn と xn-1 との関係
濃縮部　気液平衡線と操作線
濃縮部　階段作図
回収部に着目
回収部　物質収支
回収部　操作線
操作線と気液平衡線
原料供給部に着目
原料供給部　物質収支
q線
q線の導出1
q線の導出2
q線の特徴
操作線・q線・気液平衡線
今回の達成目標
重要！
連続多段蒸留塔　物質収支式1
連続多段蒸留塔　物質収支式2

Transcript

1. 分離化学⼯学 第５回 2017年5月19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 (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 1
3. 単蒸留 回分(バッチ)と連続 基本・・・気液平衡関係 • 液体と気体との間のモル濃度の関係 ( x と y ) • ラウールの法則が成り⽴つときもある、実験でも求められる 2 ( ) 1 1 x y x α α = + − α [-] ︓相対揮発度 回分蒸留 • レイリーの式 ( ) 0 0 1 ln d t x t x F x F y x = − ∫ 連続蒸留 大事なことは、それぞれ物質収支式から導けるということ ( ) F F L y x x x V = − − +
4. 今回の達成目標 多段蒸留塔について説明できる 多段蒸留塔の物質収支式を導ける 濃縮部の操作線、回収部の操作線を導ける 階段作図の意味を説明できる q線を導ける 3
5. 連続多段蒸留 蒸発・冷却を繰り返し、製品濃度を高くする 各段で平衡関係が成り⽴っている 原油の精製や、石油からいろいろな製品を作るときに 純度の高い物質を得るため使われる 目的の濃度にするために、何回繰り返せばよいか (何段にすればよいか)など、設計する必要がある 実験室で得られる情報(ラウールの法則・気液平衡曲線)から、 大きな化学⼯場を設計する 4
6. 連続多段蒸留塔 5 濃縮部 リボイラー(加熱缶) 還流 原料 缶出液 留出液 全縮器(濃縮器, コンデンサー) 回収部 ・・・ ・・・ 拡大 すると・・・ 液面 蒸気 液体
7. 連続多段蒸留塔 問題設定 6 原料 缶出液 留出液 ・・・ ・・・ F [mol・s-1]︓原料の流量 xF [-]︓低沸点成分の原料 (液体)のモル分率 W [mol・s-1]︓缶出液の流量 xW [-]︓低沸点成分の 缶出液のモル分率 D [mol・s-1]︓留出液の流量 xD [-]︓低沸点成分の 留出液のモル分率 V [mol・s-1]︓濃縮部の蒸気流量 L [mol・s-1]︓濃縮部の液体流量 V’ [mol・s-1]︓回収部の蒸気流量 L’ [mol・s-1]︓回収部の液体流量 R [-]︓還流⽐ ( = L / D ) F xF D xD W xW V R=L / D L xn V yn L’ xm V’ ym L 濃縮部 回収部
8. 連続多段蒸留塔 問題設定 7 原料 缶出液 留出液 ・・・ ・・・ F xF D xD W xW V R=L / D L xn V yn L’ xm V’ ym L 濃縮部 回収部 xn , xm [-]︓低沸点成分の n,m段目の液体の モル分率 yn , ym [-]︓低沸点成分の n,m段目の蒸気の モル分率 上から1段、2段、・・・と数える
9. 連続多段蒸留塔 全体の物質収支式 8 全体の溶液全体 全体の低沸点成分 F D W = + F D W Fx Dx Wx = +
10. 濃縮部に着目 9 原料 缶出液 留出液 ・・・ ・・・ F xF D xD W xW V R=L / D L xn V yn L’ xm V’ ym L 濃縮部 回収部
11. 濃縮部 物質収支・還流⽐ 濃縮部(n段目より上)の溶液と蒸気の全体 濃縮部(n段目より上)の低沸点成分 • 還流⽐ 10 V L D = + 1 D n n Vy Lx Dx − = + L R D = yn と xn-1 との直線関係を、R と xD のみを使って表してみよう その直線が (xD , xD )を通ることを示してみよう 1 D n n L D y x x V V − = +
12. 濃縮部 yn と xn-1 との関係 11 1 D n n L D y x x V V − = + V L D = + より、 1 D 1 D 1 D 1 1 1 n n n n L D y x x L D L D L D D D x x L D L D D D D D R x x R R − − − = + + + = + + + = + + + xn-1 = xD を代入すると、 D D D D 1 1 1 1 1 n R R y x x x x R R R + = + = = + + + これを、濃縮部の操作線 と呼ぶ
13. 濃縮部 気液平衡線と操作線 12 y [-] x [-] 0 1 0 1 (xD , xD ) 操作線 傾き R/(R+1) < 1 気液平衡線 塔頂から出発して、気液平衡線 と操作線(前後の段の関係)との 間を階段状に作図
14. 濃縮部 階段作図 13 y [-] x [-] 気液平衡線 (xD , xD ) 操作線 傾き R/(R+1) < 1 0 1 0 1 (x1 , y1 =xD ) 1段 (x1 , y2 ) (x2 , y2 ) 2段 (x2 , y3 ) 3段 (x3 , y3 )
15. 回収部に着目 14 原料 缶出液 留出液 ・・・ ・・・ F xF D xD W xW V R=L / D L xn V yn L’ xm V’ ym L 濃縮部 回収部
16. 回収部 物質収支 回収部(m段目より下)の溶液と蒸気の全体 回収部(m段目より下)の低沸点成分 15 ' ' L V W = + 1 W ' ' m m L x V y Wx − = + 1 W ' ' ' m m L W y x x V V − = − これを、回収部の操作線 と呼ぶ 回収部の操作線が (xW , xW ) を通ることを示してみよう
17. 回収部 操作線 16 1 W ' ' ' m m L W y x x V V − = − xm-1 = xW を代入すると、 W W W ' ' ' ' ' m L W L W y x x x V V V − = − = W W ' ' m V y x x V = = ' ' L V W = + から、 より、 ' W ' L V − =
18. 操作線と気液平衡線 17 y [-] x [-] 0 1 0 1 (xD , xD ) 濃縮部操作線 傾き: L / V 気液平衡線 (xW , xW ) 回収部操作線 傾き: L’ / V’ Q
19. 原料供給部に着目 18 原料 缶出液 留出液 ・・・ ・・・ F xF D xD W xW V R=L / D L xn V yn L’ xm V’ ym L 濃縮部 回収部
20. 原料供給部 物質収支 19 原料供給部の液体 原料供給部の蒸気 ' L Fq L + = ( ) 1 ' V q F V = − +
21. q線 20 濃縮部の捜査線と回収部の操作線との交点が、 で表されることを示してみよう F 1 y x 1 1 q x q q = − + − − ・・・ q線 また、q線が (xF , xF ) を通ることを示してみよう
22. q線の導出1 21 D y x L D x V V = + 濃縮部操作線 より、 D D y x x V L = − 回収部操作線 W ' y x ' ' L W x V V = − は、 ( ) 1 ' V q F V = − + ' L Fq L + = より、 ( ) ( ) W y x 1 1 L Fq W x V q F V q F + = − − − − − ( ) ( ) { } W x 1 y Wx L Fq V q F = + − − − よって、
23. q線の導出2 22 D D y x x V L = − ( ) ( ) { } W x 1 y Wx L Fq V q F = + − − − を と F D W Fx Dx Wx = + に代入すると ( ) ( ) { } F y x x 1 y Fx V L L Fq V q F = − + + − − − 整理すると ( ) F 1 y= x q F Fq Fx − − + よって、 F 1 y x 1 1 q x q q = − + − −
24. q線の特徴 23 F 1 y x 1 1 q x q q = − + − − x = xF を代入すると、 F F F F 1 1 y 1 1 1 q q x x x x q q q − = − + = = − − −
25. 操作線・q線・気液平衡線 24 y [-] x [-] 0 1 0 1 (xD , xD ) 濃縮部操作線 気液平衡線 塔頂から出発して、 気液平衡線と操作線 (前後の段の関係)と の間を階段状に作図 (xW , xW ) 回収部操作線 Q (xF , xF ) q線
26. 今回の達成目標 多段蒸留塔について説明できる 多段蒸留塔の物質収支式を導ける 濃縮部の操作線、回収部の操作線を導ける 階段作図の意味を説明できる q線を導ける 25
27. 重要︕ 来週は階段作図をやります 方眼用紙を必ず準備しておいてください 26
28. 連続多段蒸留塔 物質収支式1 27 全体の溶液全体 全体の低沸点成分 濃縮部(n段目より上)の溶液と蒸気の全体 濃縮部(n段目より上)の低沸点成分 回収部(m段目より下)の溶液と蒸気の全体 回収部(m段目より下)の低沸点成分 F D W = + F D W Fx Dx Wx = + V L D = + 1 D n n Vy Lx Dx − = + ' ' L V W = + 1 W ' ' m m L x V y Wx − = +
29. 連続多段蒸留塔 物質収支式2 28 原料供給部の液体 原料供給部の蒸気 ' L Fq L + = ( ) 1 ' V q F V = − +