化工原理第九章 蒸馏

返回西安交大化工原理电子课件返回返回1第九章蒸馏9.1概述9.2二元物系的气液相平衡9.3蒸馏方式9.4二元连续精馏的分析和计算9.5其他精馏方式9.6多元精馏返回西安交大化工原理电子课件返回返回29.1概述蒸馏过程通常以如下方法进行分类：１、根据被蒸馏的混合物的组分数，可分为二元蒸馏和多元蒸馏。２、根据操作过程是否连续，可分为间歇蒸馏和连续蒸馏。３、根据操作压力，可分为常压蒸馏、加压蒸馏和减压蒸馏。４、根据操作方式，可分为简单蒸馏、平衡蒸馏和精馏。根据被分离物系的一些特殊要求，精馏还包括水蒸气精馏、间歇精馏、恒沸精馏、萃取精馏、反应精馏等等。返回西安交大化工原理电子课件返回返回3若气液平衡时总压Ｐ不是很高（），则气相克永道尔顿分压定律来描述：一、理想物系的气液平衡对较易挥发组分A与较难挥发组分B形成的A、B溶液来说，它们之间满足：9.2二元物系的气液相平衡fN2fNC根据相律，用于描述相平衡物系的自由度数应该满足一下关系式：AAAppx。BBBppx。10PatmAApPyBBpPy(1)ABABPpppxpx。。对于二元理想物系，组成中可略去下标Ａ，有返回西安交大化工原理电子课件返回返回4对二元溶液若气相符合道尔顿分压定律，则有或对二元溶液，有，显然对理想溶液，根据拉乌尔定律就有二、挥发度和相对挥发度/AAAvpx/BBBvpxAAvp。BBvp。/ABvv//AABBpxpx//AABByxyxAABByxyxABpp。。若混合物是理想溶液，则有返回西安交大化工原理电子课件返回返回5根据溶液的蒸汽压偏离拉乌尔定律的方向，一般可将非理想溶液分成两大类：１、正偏差溶液当异分子间吸引力小于同分子间吸引力和时，溶液中组分的平衡分压比拉乌尔定律预计的高，即，。属于该类的物系较多，有甲醇－水、乙醇－水、苯－乙醇等。２、负偏差溶液当异分子间吸引力大于同分子间吸引力和时，溶液中组分的平衡分压比拉乌尔定律预计的低，即，。属于该类的有硝酸－水、氯仿－丙酮等物系。三、非理想物系的气液平衡ABfAAfBBfAAAppx。BBBppx。ABfAAfBBfAAAppx。BBBppx。返回西安交大化工原理电子课件返回返回69.3蒸馏方式1加热蒸汽3A3B3C2图９－５简单蒸馏流程简1－蒸馏釜；2－冷凝器；3A、3B、3C－产品罐9.3.1简单蒸馏简单蒸馏的基本流程如图所示。一定量的原料液投入蒸馏釜中，在恒定压力下加热气化，陆续产生的蒸汽进入冷凝器，经冷凝后的液体（又称馏出液）根据不同要求放入不同的产品罐中。因上述流程很简单，故称其为简单蒸馏，它是较早的一种蒸馏方式。返回西安交大化工原理电子课件返回返回7上式可变成此式形式简单，且对多元理想物系也适用。根据物系的相平衡情况，可分为以下三种情况来计算：（１）理想物系，为常数。简单蒸馏的计算要借助物料恒算关系和相平衡关系。()ydWdWxWdxxdWdxdWyxW有：整理得11112222(1)lnln(1)WxWxWxWx1212ln(/)ln(/)AABB返回西安交大化工原理电子课件返回返回8３）若平衡关系不能用简单的数学公式表示，则采用数值积分或图解积分求取。利用上述关系确定或后，某段时间内馏出液的总量和平均组成就可以根据以下的物料恒算关系确定：２）若在操作范围内，相平衡关系可近似用直线表示，则对稀溶液，相平衡关系通常可用通过原点的直线来表示；若蒸馏浓度变化区域不大，则可用直线近似代替曲线。ymxb1122(1)1lnln1(1)WmxbWmmxb2W2xDWDx12D112212DWxWxxWW返回西安交大化工原理电子课件返回返回94L，xF，xF1235图9－6平衡蒸馏流程简图1－泵；2－加热器；3－节流阀；4－分离器（闪蒸塔）；5－冷凝器V,y9.3.2平衡蒸馏平衡蒸馏又称闪蒸，其基本流程如图所示。原料液经泵加压后连续地进入加热器，在加热至一定温度后（高于分离器内压力下的泡点）流经一节流阀减压至预定压力。由于压力的突然降低，液体处于过热状态，高于泡点的显然随即转化为潜热－使部分液体气化。气、液混合物在分离器中分开：顶部为气相产品，其中的易挥发组分得到提浓，经冷凝后收集；底部为液相产品，其中的难挥发组分得到提浓。返回西安交大化工原理电子课件返回返回10由于ｙ，ｘ间达到气液平衡，它们之间满足相平衡关系。因此对为常数的理想物系，可联立上面两式求解ｙ和ｘ。平衡蒸馏的计算也要借助物料恒算关系和相平衡关系。通常已知原料液的流量Ｆ，组成以及闪蒸后的气相流量Ｖ（或液相流量Ｌ），根据物料恒算有：若令１kmol料液经平衡蒸馏后产生的液相量为ｑkmol，则气相量为（１－ｑ）kmol，上式变为FxFFxLxVyFLV11Fxqyxqq返回西安交大化工原理电子课件返回返回11一、平衡级蒸馏平衡级蒸馏的流程如图９－７所示，即让流量为Ｖ和Ｌ（摩尔流率）、组成为和的蒸气和液体在某一设备中进行接触。一个较为常用的气液两相接触设备时如图９－８所示的塔板。若两股流体接触足够充分，离开时气液两相达到相平衡，责成这种设备为一个平衡接触级，简称平衡级。9.3.3精馏0y0x0y0xL,x0V',yV,y0L',x图9－7平衡级蒸馏示意图V',yL,x0V,y0L',x图9－8塔板上的气液两相传质过程返回西安交大化工原理电子课件返回返回120yy0xx经过该接触级后，离开的气液组成ｙ，ｘ满足：，，也就是说气相和液相都得到了提浓。'VV'LL00VyLxVyLx若两组分的摩尔气化潜热近似相等，且组成改变时显热变化、混合热以及热损失可忽略不计或相互抵消，则有，。一个平衡级蒸馏可能达到的分离程度同样由物料恒算关系和相平衡关系所决定。对易挥发组分做物料恒算有虽然平衡级蒸馏与平衡蒸馏在计算方法上基本相同，但这两个过程的实质有着重要的区别：平衡蒸馏是传热过程，过程速率受传热速率控制；而平衡级蒸馏为伴有传热传质过程，过程受传质控制，而且它与外界无需进行直接的热量交换。因此有可能也有必要将多个接触级蒸馏传接起来，以实现混合液的高纯度分离，这就是精馏的基本思路。返回西安交大化工原理电子课件返回返回13进料F,xF提馏段再沸器釜液W,xw同流馏出液D,xD冷凝器精馏段图9－9连续精馏装置流程简图二、精馏原理图９－９时一个典型的板式连续精馏塔。塔内有若干层塔板，每一层就是一个接触级，它为气液两相提供传质场所。总体来看，全塔自塔底向上气相中易挥发组分浓度逐级增加；自塔顶向下液相中难挥发组分浓度主机增加。因此只要有足够多的塔板数，就能在塔顶得到高纯度的易挥发组分Ａ，塔底得到高纯度的难挥发组分Ｂ。返回西安交大化工原理电子课件返回返回149.4.1全塔物料恒算从整体来看，无论塔内的操作状况如何，连续精馏过程的加料、馏出液、釜液的流率和组成受到全塔物料恒算关系的约束。对图９－９所示的二元连续精馏塔作物料恒算，有总物料恒算易挥发组分物料恒算FDWFDWFxDxWxFWDWxxDFxx馏出液产率1100%DFDxFx2(1)100%(1)WFWxFx挥发组分：难挥发组分：9.4二元连续精馏的分析和计算返回西安交大化工原理电子课件返回返回159.4.2操作线方程为简化精馏计算，并了解过程的实质，通常引入以下两个基本假定：（1）理论板假定对板式塔，一层塔板就是一个接触级，通常把能够起一个平衡蒸馏级作用的塔板称为一层理论板。在理论板上，不管进入该板的组成如何，离开该板时气液两相一定达到相平衡。基于这个假定，精馏计算中可略去传质速率方程。（2）恒摩尔流假定认为易挥发组分与难挥发组分的摩尔气化潜热相等，其他热效应则可忽略不计或相互抵消，这样液体气化和气体冷凝所需的热量刚好相互补偿，使得流经每一块塔板的气液两相摩尔流率保持不变。返回西安交大化工原理电子课件返回返回16对图９－１０种虚线所划定的区域作物料恒算得从而有一、精馏段操作线方程精馏段的操作情况的分析如图９－１０所示。12ny1y2ynx1x2xnD,xDL,x0V,y1图9－10精馏段操作情况的分析VLyn+1VLD1nnDVyLxDx1nnDLDyxxVV/RLDLRD(1)VRD111DnnxRyxRR令回流比，则有；，代入上式得返回西安交大化工原理电子课件返回返回17从图可以看出，上式右边中的分子表示经过第ｎ块塔板气相的提浓程度，分母表示经过第ｎ块塔板液相的提浓程度。所以当物系和操作压力确定时，精馏段的斜率决定了精馏段的分离能力。若回流比增大，则斜率增大，操作线便会向靠近对角线的方向移动，使得精馏段内塔板的分离能力提高。所以说提高精馏段讷的液气比对精馏段的分离有利。11DxRyxRR将下标ｎ去掉写成方程的形式为表示了精馏段内任意位置处下降液流和上升气流组成之间的关系，叫做精馏段操作线方程，若对精馏段内任一塔板（第ｎ层）列物料恒算式，可得ycxxDaynyn+1xnxn-1xD/(R+1)斜率＝L/V=R/(R+1)图9－11精馏段的操作线11nnnnyyLVxx返回西安交大化工原理电子课件返回返回18对图９－１２中虚线所划定的区域作物料恒算得从而有将，带入上式得mm+1N-1V'ymL'xm-1xmym+1xm+1yN-1xN-1L',xN-1V',ywNW,xW图９－１２提馏段操作情况的分析二、提馏段操作线方程提馏段操作情况的分析如图９－１２所示，其理论塔板数接着精馏段继续往下数。再沸器将塔釜出来的液体部分气化，其液体作为塔底产品连续排出，而气体则回流入塔，这种再沸器的效果相当于一块理论塔板，所以整个精馏塔的理论塔板数应当包含再沸器这一块。''LVW''1mmWLxVyWx'1''WmmWxLyxVV''VLW'1''WmmWxLyxLWLW即提馏段的操作线方程返回西安交大化工原理电子课件返回返回19'1'1mmmmyyLVxxyxxDynyn+1图9－13精馏段的操作线bxwxmxm-1''''LLVLW斜率＝若对提馏段任一塔板（第m层）列物料恒算式，可得从图９－１３看出，式（９－３８）中右边的分子表示经过第m块塔板气相的提浓程度，分母表示经过第m块塔板液相的提浓程度，且其提浓程度（或该板的分离能力）也可用途中平衡线与操作线之间的梯级（三角形）的跨度大小形象地表示。返回西安交大化工原理电子课件返回返回20V,hVL,hL(1－q)FqFF,hFV',hVL',hL图9－14加料板附近的物料关系示意图9.4.3加料线方程一、进料热状况参数q当进料流量和组成一定时，其温度状况将会直接影响到提馏段内气液相流量与精馏段内气液相流量之间的关系，从而会影响到塔的分离能力。进料状况通常用一个叫做进料热状况参数q来描述。图９－１４表示了加料板及其上面一块塔板至今的物流关系。返回西安交大化工原理电子课件返回返回21对虚线所划定的区域作物料恒算和热量恒算。总物料恒算总热量恒算''FLVLV''FLVLVFhLhVhLhVh'VFVLhhLLFhhVFVLhhqhhkmol每kmol进料从进料状态变为饱和蒸气所需热量进料的气化潜热''(1)LLqFVVqF可得令则从上式中得返回西安交大化工原理电子课件返回返回22二、五种进料状况下ｑ的计算精馏塔的进料通常有五种情况，分别为：１、过冷液体；２、饱和液体；３、气液混合物；４、饱和蒸气；５、过热蒸气。它们对精馏塔内的气液相流量将产生不同的影响，现结合图９－１５进行分析。VL{FV'L'(a)VL{FV'L'(b)VL{FV'L'(c)VL{FV'L'(e)图9－15五种加料方式下塔内气液相流量示意图{VLV'L'(d){(a)过冷液体；(b)饱和液体；（c)气液混合物;(d)饱和蒸气;(e)过热蒸气;返回西安交大化工原理电子课件返回返回23广义的说，