第一章蒸馏

1化工原理杨楚芬[e-mail]2采用教材华南理工大学出版社李功样陈兰英余林主编《化工单元操作过程与设备》参考书：《化工传递过程基础》王绍亭《化工原理》谭天恩《传递过程与单元操作》陈维杻《化工原理》夏清3教学安排理论课——基础理论课——习题课作业——每周一次，分单双号上交4考核方式考勤15%（缺勤超1/3者没有考试资格）作业15%（缺作业超1/3者没有考试资格）考试70%5授课内容蒸馏气体吸收气液传质设备干燥6第一章蒸馏概述两组分溶液的气液平衡平衡精馏和简单精馏精馏原理和流程两组分连续精馏的计算间歇精馏特殊精馏多组分精馏7第一节概述蒸馏：利用各组分挥发性的差异将均相液体混合物加以分离的单元操作称为蒸馏。挥发性：液体挥发成为蒸气的能力。蒸馏操作中，挥发性大、沸点低的组分称为易挥发组分；挥发性小、沸点高的组分称为难挥发组分。84.在酿酒业中饮料酒；5.在石油炼制工业中，原油经蒸馏后制取汽油、煤油、柴油等产品；6.在合成材料工业中。1.液体混合物分离混合芳烃蒸馏可得到苯、甲苯及二甲苯等。2.气体混合物分离空气液化蒸馏可得到纯态的液氧和液氮等。3.固体混合物分离固体脂肪酸加热融化后用蒸馏方法分离。蒸馏在工业上的应用9①通过蒸馏分离，可以直接获得所需要的产品。蒸馏分离的特点③蒸馏过程适用于各种浓度混合物的分离。④蒸馏操作耗能较大，节能是个值得重视的问题。蒸馏分离具有以下特点：②适用范围广，可分离液态、气态或固态混合物。10三.蒸馏的分类根据被蒸馏的混合物的组分数，可分为：多元蒸馏二元蒸馏根据操作过程是否连续，可分为：间歇蒸馏连续蒸馏根据操作压力，可分为减压蒸馏加压蒸馏常压蒸馏根据操作方式，可分为：精馏平衡蒸馏简单蒸馏精馏分离的分类11第二节两组分溶液的气液平衡蒸馏操作与相平衡关系蒸馏操作是气液两相间的传质过程，常用组分在两相间的浓度偏离平衡状态的程度来衡量传质推动力的大小，因此，气液两相达到平衡状态是传质过程的极限。12气液平衡状态：在一定条件下，气液两相互相接触，当每个组分的分子从液相逸出与从气相返回的速度相同，达到动态平衡时，即达到相平衡状态。平衡时气液两相组成之间的关系称为相平衡关系。它是蒸馏原理和设备设计的热力学基础。13理想物系的气液相平衡关系理想液相：遵守拉乌尔定律理想气相：遵守道尔顿分压定律oAAAppxooBBBBA(1)ppxpx当理想溶液气液两相呈平衡时，溶液上方组分的分压与该组分的饱和蒸汽压和溶液中该组分的摩尔分数成正比。拉乌尔定律14当外压不太高时，理想气体中各组分的组成，等于该组分的分压与总压的比值。道尔顿分压定律AApyp理想物系的气液相平衡关系AAAxppy0)1(00ABBBBxpxppy15ABpppooAABA(1)ppxpx整理，得oBAooABppxpp溶液上方的总压p等于各组分的分压之和气液平衡时液相组成与平衡温度间的关系饱和蒸汽压表示的气液平衡关系该式表示气液相平衡时，液相组成与A、B两纯组分的饱和蒸汽压的关系。可根据此式计算一定压强下液体混合物的泡点温度，因此称为泡点方程。(x-t)16纯组分的饱和蒸汽压p0仅与t有关，可直接从理化手册查得，或用安托尼方程计算：ooAB()()ppft安托尼方程CtBAp0lg17AApypoAAApyxp设平衡的气相遵循道尔顿分压定律，即)1(000ABAAAAAxpxpxpy该式表示气液相平衡时，气相组成与平衡温度之间的关系，根据此式可计算一定压强下，某蒸汽混合物的露点温度，称为露点方程。(y-t)18平衡常数表示的气液平衡方程oAAApyxpoAApKpAAAyKx令平衡常数以平衡常数表示的气液平衡方程则19挥发度和相对挥发度1、挥发度：衡量组分挥发能力的物理量。•对纯液体，挥发度指该液体在一定温度下的饱和蒸汽压oBBoAApvpv,•对混合液，挥发度为组分在蒸气中分压和与之平衡的液相中的摩尔分率之比iiixpv20对于理想溶液：AAAxpvAAoAxxpoApoBBpv对于非理想溶液：BBBAAAxpvxpv,212、相对挥发度溶液中易挥发组分的挥发度与难挥发组分的挥发度之比，用α表示。BAvvBBAAxpxpABBAxpxp22相对挥发度的数值可由实验测得对理想溶液：oBoABAppvv理想溶液中组分的相对挥发度等于同温度下两组分的饱和蒸汽压之比。当t变化时，两者的变化不大，一般可将α视为常数，计算时可取操作温度范围内的平均值。23若操作压强不高，气相遵循道尔顿分压定律BABAyyppABBAxpxpABBAxyxyxyxy)1()1(xxy)1(1以相对挥发度表示的气液平衡方程24由xxy)1(1知，1时，。xy组分A较B易挥发，可以用蒸馏方法分离1时，相对挥发度差异愈大，愈有利于蒸馏操作。1时，。xy不能用普通蒸馏的方法分离混合液。α可作为混合液能否用蒸馏方法分离以及分离难易程度的判据。25两组分理想溶液的气液平衡相图1.温度—组成图在恒定的总压下，溶液的平衡温度随组成而变，将平衡温度与液（气）相的组成关系标绘成曲线图，该曲线图即为温度一组成图。t–x–y图261、温度—组成(yxt图)•两条线•三个区•三种点27表示混合液的平衡温度和液相组成之间关系，t-x线。露点线表示混合液的平衡温度和气相组成之间的关系，t-y线，泡点线•两条线28过热蒸汽区液相区•三个区29●●●沸点（boilingpoint）●●泡点（bubblepoint）x越大，易挥发组分的含量越高，泡点温度越低。●●露点（dewpoint）y越大，易挥发组分含量越高，露点温度越低。302.气—液相组成图气—液相组成图直观地表达了在一定压力下，处于平衡状态的气液两相组成的关系，在蒸馏计算中应用最为普遍。x–y图31D苯－甲苯混合液的x–y图平衡线对角线平衡线与对角线之间的距离越大分离越容易x1与y1互成平衡1x1yxy32两组分非理想物性的气液平衡非理想溶液最低恒沸点如：乙醇－水，正丙醇－水最高恒沸点如：硝酸－水，氯仿－酮正偏差溶液1＞i负偏差溶液1＜i33有最低恒沸物t-xt-y34t-yt-x有最高恒沸物35第三节平衡蒸馏和简单蒸馏平衡蒸馏与简单蒸馏均为仅利用一次部分汽化或部分冷凝的蒸馏操作过程。361、原理与流程使混合液体部分气化，并使气液两相处于平衡状态，然后将气液两相分开。又名闪蒸（flashdistillation）平衡蒸馏（Equilibriumdistillation）372．计算1）物料衡算对总物料：WDF对易挥发组分：WxDyFxFxDFDyFxF)(FxDFxDFy)1(38qFW令qFD111qxxqqyF——平衡蒸馏物料衡算方程——液化分率在x-y图上，代表通过点（xF，xF）且斜率为1qq的直线。392）热量衡算对加热器作热量衡算，若忽略加热器的热损失)(fptTFcQFrqtTFcep)1()(原料液节流减压后进入分离器，物料放出的显热等于部分气化所需的潜热原料液离开加热器的温度：PecrqtT)1(403）气液平衡关系xxy)1(1xfte已知原料液流量F，组成xF，温度tF及汽化率，即可求得平衡的汽液相组成及温度。41图解计算平衡蒸馏步骤①作出该原料液的y-x相图和t-x图。②由汽化分率（1-q）求出液化分率q。③过点e（xF，xF）作斜率为q/(q-1)的直线，与平衡线y-x交于点f，由f可读出平衡的气液相组成y和x。④过点f作垂线与t-x线相交，由交点可读出平衡温度t。4243简单蒸馏（Simpledistillation）1、流程及原理简单蒸馏是一种单级蒸馏，又称微分蒸馏。流程如图所示：将原料液整批加入蒸馏釜中，在恒定压力下加热沸腾汽化，产生的蒸气进入冷凝器中，冷凝后的馏出液进入接收器中作为产品。4445在蒸馏的任一瞬间，产生的气相与釜液互为平衡，且气相组成y大于液相组成x。随着蒸馏的进行，釜液不断减少，气液两相组成逐渐降低，温度随着升高，当釜液中易挥发组分的浓度降到规定值时，完成此批蒸馏。46简单蒸馏的特点及其应用1.简单蒸馏的特点①间歇操作过程。②非稳态过程。③单级过程，无塔段。2.简单蒸馏的应用场合①液体混合物的初步分离。②测油品的沸程恩式蒸馏。③某些料液的脱色。47简单蒸馏过程的计算简单蒸馏为非稳态过程。因此，简单蒸馏的计算应该进行微分衡算。设在某瞬间τ釜液量为L，kmol釜液组成为x经时间釜液量为L-dL，kmol釜液组成为x-dxdτ馏出量dD，kmol馏出组成为y48总物料衡算ddLD易挥发组分衡算(d)(d)dLxLLxxyD联立以上两式，并略去二阶无穷小量，得ddLxLyx49设积分得简单蒸馏过程物料衡算关系初始时，釜液量为F，组成为x1。结束时，釜液量为W，组成为x2。FWxxxydxLdL1212lnxxxydxWF50设气液平衡关系为xxy)1(1积分，可得122111lnln11lnxxxxWF51•若操作范围内平衡线可近似地看作直线bmxybxmbxmmWF21)1()1(ln11ln若平衡线为过原点的直线，mxy21ln11lnxxmWF52联立得馏出液的平均组成馏出液的平均组成可通过一批操作的物料衡算求得yWFD21WxFxyDWFWxFxy2153例：在常压下对苯与甲苯二元理想溶液分别进行平衡蒸馏与简单蒸馏。若原料液中苯的浓度为0.5（摩尔分率）。物系的相对挥发度为2.47。试求：1）用平衡蒸馏方法分离，当汽化率为0.4时，釜液与馏出液的组成。2）用简单蒸馏方法分离，使釜液浓度与平衡蒸馏相同，所得馏出物中苯的平均组成。解：1）xxxxy47.1147.2)1(154因为汽化率f=0.4，q=0.6物料衡算式为：11qxxqqyF16.05.016.06.0x25.15.1x634.0,411.0yx2）简单蒸馏终了时的釜液浓度与平衡蒸馏时相同411.02x55122111lnln11lnxxxxWF5.01411.01ln47.2411.05.0ln47.214088.0505.1WF设馏出液的平均组成为y5621WxFxyDWFWxFxy21FWxFWx121505.111505.1411.05.0676.0在相同的原料液浓度及相同釜液的条件下，简单蒸馏所得到的馏出液浓度高于平衡蒸馏，而平衡蒸馏的优点是连续操作，但其分离效果不如间歇操作的简单蒸馏。57作业P77458第四节精馏原理和流程精馏的原理：液体混合物通过多次部分汽化和多次部分液化，从而实现几乎完全的分离，是多次部分汽化与多次部分冷凝的联合操作。59多次部分汽化和冷凝平衡蒸馏简单蒸馏单级过程精馏多级过程液体混合物的初步分离进行一次部分汽化比较进行多次部分汽化和冷凝实现液体混合物的完全分离601、液体混合物经过多次部份汽化后可变为高纯度的难挥发组分61ftfx1t1x1y1x2t2x2y2x21xxxf＞＞622、汽体混和物经过多次部分泠凝后可变为高纯度的易挥发组分63ftfy1t1y1x1y2t2y2x2y21yyyf＜＜64精馏塔模型上述的多次部分汽化和冷凝过程是在精馏塔内进行的。精馏塔板式塔：塔内装有若干层塔板填料塔：塔内装有一定高度的填料层65精馏塔模型塔板上的操作情况664.0FxF98.0Dx02.0WxDW67提馏段精馏段进料板68LDDLR1、为什么要回流？2、为什么要再沸？FW