化工原理 第九章 蒸馏 (1)

石油化工学院---DepartmentofPetroleumChemicalEngineering闪蒸罐塔顶产品yAxA加热器原料液塔底产品Q减压阀第九章蒸馏石油化工学院---DepartmentofPetroleumChemicalEngineering蒸馏操作实例：石油炼制中使用的250万吨常减压装置9.1概述（Introduction）许多生产工艺常常涉及到互溶液体混合物的分离问题，如石油炼制品的切割，有机合成产品的提纯，溶剂回收和废液排放前的达标处理等等。分离的方法有多种，工业上最常用的是蒸馏或精馏。2.蒸馏操作的用途1.工作原理:利用液体混合物中各组分(component)挥发性(volatility)差异，以热能为媒介使其部分汽化从而在汽相富集轻组分液相富集重组分而分离的方法。石油化工学院---DepartmentofPetroleumChemicalEngineering蒸馏的分离对象：均相的液体混合物蒸馏分离的介质：实现部分汽化与部分冷凝所需的热量及冷量蒸馏分离的依据：混合液体中各组分挥发度不同将液体混合物加热沸腾使之部分气化必有yAxA或yBxB;将蒸汽混合物冷却使之部分冷凝必有xByB。上述两种情况所得到的气、液相组成均满足BABAxxyy气相中A组分的摩尔分数气相中B组分的摩尔分数液相中A组分的摩尔分数液相中B组分的摩尔分数石油化工学院---DepartmentofPetroleumChemicalEngineering间歇精馏：多用于小批量生产或某些有特殊要求的场合。连续精馏：多用于大批量工业生产中。本章着重讨论常压下双组分连续精馏。蒸馏的分类常压蒸馏：蒸馏在常压下进行。减压蒸馏：常压下物系沸点较高或热敏性物质不能承受高温的情况加压蒸馏：常压下为气体的物系精馏分离，加压提高混合物的沸点.多组分精馏：例如原油的分离。双组分精馏：如乙醇-水体系,苯-甲苯体系等。简单蒸馏或平衡蒸馏：用在分离要求不高的情况下。精馏：分离纯度要求很高时采用。特殊精馏：混合物中各组分挥发性相差很小，难以用普通精馏分离，借助某些特殊手段进行的精馏。蒸馏方式操作方式操作压力组分数目石油化工学院---DepartmentofPetroleumChemicalEngineering9.2双组分溶液的气液相平衡9.1相律自由度=组分数-相数+2即F=C–φ+2故双组分气液平衡物系的自由度为2，在t、p、y、x4个变量中，任意确定其中的两个变量，则物系的状态被唯一地确定,余下的参数已不能任意选择。一般精馏在恒压（p一定）下操作，物系只剩下1个自由度。故：①指定温度t，则气液组成y、x均为t的函数被确定。换句话说，y、x与t之间存在一一对应关系t~y或t~x；②指定液相组成x，则气相组成y被确定，换句话说y与x之间存在一一对应关系y~x。上述函数关系的具体形式到底怎么样？我们先讨论理想物系的情况。石油化工学院---DepartmentofPetroleumChemicalEngineering9.2.2两组分理想物系的气液平衡（1）液相组成x与液相温度t（泡点）关系式理想物系包括两个含义：①液相为理想溶液，服从拉乌尔定律:A0AAxpp液相中A组分的摩尔分数液相上方A组分的蒸汽压在溶液温度t下纯组分A饱和蒸汽压(9-1)B0BBxpp液相中B组分的摩尔分数液相上方B组分的蒸汽压在溶液温度t下纯组分B饱和蒸汽压(9-2)石油化工学院---DepartmentofPetroleumChemicalEngineering②气相为理想气体，符合道尔顿分压定律:pxpppy0AAA总压若汽液平衡时的总压p不很高（如1MPa内），道尔顿分压定律可适用于气相xpxpxpxpppp10B0AB0BA0ABA(9-3))(-)()(-BAB0B0A0Btftftfpppppx(9-4)石油化工学院---DepartmentofPetroleumChemicalEngineering纯组分的饱和蒸汽压p0与温度t的关系式p0=f(t)可用安托因方程表示，即CtBAp0log常用液体的安托因常数A、B、C值可由有关手册查得。注意：式中p0的单位为kPa,温度t的单位为°C。泡点t与液相组成x之间的计算类型及算法有哪些呢？石油化工学院---DepartmentofPetroleumChemicalEngineering①已知总压p及泡点t，求x算法：0Ap0Bp将t及各组分的安托因常数代入安托因方程求出、将p、、代入中直接求出x，算法简便；0Ap0Bp000BABppppx②已知总压p及液相组成x，求泡点t算法：假设一个t用安托因方程求出、0Ap0Bp将p、、代入中求x计0Ap0Bp000BABppppx比较x计与已知x若x计x，说明假设t偏小，下一轮试差时t要增大；若x计x，说明假设t偏大，下一轮试差时t要减小，试差到x计=x为止，所设t即为所求t。石油化工学院---DepartmentofPetroleumChemicalEngineering（2）气相组成y与气相温度t（露点）的关系式将x与p、、的关系式代入道尔顿分压定律即可得y与t(露点)的关系为0Ap0BptftftfpptfppppppyABABA0B0A0B0A与t（泡点）~x间的计算类似，t（露点）~y间的计算也有两种类型，算法也类似。其中已知总压p及气相组成y、求露点t的计算也要用试差（或迭代）法。石油化工学院---DepartmentofPetroleumChemicalEngineering（3）气液两相平衡组成y~x间的关系式把拉乌尔定律代入道尔顿分压定律可得：pxpppy0AAppK0AKxy注意：K称为相平衡常数，实际K并非常数。K是总压p和温度t（与t有关）的函数。工程上用图的形式表示t~x（或y）的关系及y~x的关系直观明了，分析问题或计算方便。t~x（或y）及y~x图是如何画出的？其形式又怎样呢？0Ap石油化工学院---DepartmentofPetroleumChemicalEngineering9.2.3相图（1）t~x（或y）图t~x（或y）图如右图所示，有以下特点：①两个端点：端点A代表纯易挥发组分A（x＝1.0),端点B代表纯难挥发组分B（x＝0）。纯A沸点tA小于纯B沸点tB；②两条线：t~x线为泡点线，泡点与组成x有关；t~y线为露点线，露点与组成y有关；tAy1x10ICHDGx(或y)ByxF(纯难挥发组分B)(纯易挥发组分A)t—x线t—y线yFx1.0FJ图9-1苯-甲苯的t-x(y)相图(总压p=101.3kPa)石油化工学院---DepartmentofPetroleumChemicalEngineering③三个区：t～x线以下为过冷液体区；t～y线以上为过热蒸汽区；两线之间的区域为气液共存区，该区内气液两相的组成y与x服从相平衡关系、两相的量符合杠杆定律。tAy1x10ICHDGx(或y)ByxF(纯难挥发组分B)(纯易挥发组分A)t—x线t—y线yFx1.0FJ图9-1苯-甲苯的t-x(y)相图(总压p=101.3kPa)注意：只有设法使体系落在气液共存区才能实现一定程度的分离。石油化工学院---DepartmentofPetroleumChemicalEngineering注意：①纯物质在一定压力下饱和温度称为沸点，是一定值，且无泡点、露点之分；②二元理想溶液在一定压力下，其泡点与露点不是定值，溶液组成不同，其泡点与露点均不同，且易挥发组分的组成x越大，泡点越小；y越大，露点越小；③即使同一组成的汽相与液相（即y=x）其对应的泡点与露点也不相同，露点大于泡点（非理想体系中的恒沸点处露点=泡点）；④汽液混合物一定符合相平衡关系，如C点液相组成x与汽相组成y成平衡关系，其温度相同，但对x来讲是泡点，对y来讲是露点。石油化工学院---DepartmentofPetroleumChemicalEngineering(2)y~x图y~x图如下图所示，有以下特点：1.00yx总压恒定yxy=x图9-2苯-甲苯的x–y相图1/0Appxppy)/(0A①理想物系，故yx（），相平衡曲线(y～x)必位于对角线上方，且y～x线离对角线越远，越有利于精馏分离；②y～x曲线上各点对应于不同的温度，y、x值越大，体系的平衡温度越低。石油化工学院---DepartmentofPetroleumChemicalEngineering9.2.4挥发度和相对挥发度（1）挥发度挥发度：AAAxpBBBxp（9-6）若为理想溶液，应用拉乌尔定律可得0AAp0BBp（2）相对挥发度相对挥发度：BBAABA//xpxp（9-7）石油化工学院---DepartmentofPetroleumChemicalEngineering把道尔顿分压定律代入上式，可得)1/()1/(//////BABABBAABBAABAxxyyxxyyxyxyxpxp整理上式，可得相平衡方程：yyxxxy)1()1(1或(9-8)相对挥发度：BBAABA//xpxp（9-7）石油化工学院---DepartmentofPetroleumChemicalEngineering讨论：①在图中平衡线上各点温度不同，所以、也不同，那么相对挥发度也不同，虽然温度对饱和蒸汽压影响大，但对理想溶液而言，温度对的影响较小，故可在0~1区间内取平均值；从而用0Ap0Bp00BAppxxy11yyx1或来描述二元溶液的汽液相平衡；x~y图是常用的相图；2塔底塔顶塔底塔顶或石油化工学院---DepartmentofPetroleumChemicalEngineering②一般情况下，yx即α1，α越大，则平衡线远离对角线二元溶液易于分离；操作压力越小则α越大易于分离；③α=1时，平衡线与对角线重合，无法通过普通蒸馏实现二元溶液的分离；④液体的正常沸点（蒸汽压等于101.3kPa时的温度）较低，表明在同一温度下其蒸汽压较高，故理想溶液两组分挥发的难易也可以用其沸点的高低来表示，沸点差越大，则相对挥发度也越大。石油化工学院---DepartmentofPetroleumChemicalEngineering相平衡常数与相对挥发度的关系在进行多组分精馏计算时，常利用相平衡常数表示相平衡关系。iiixKyiiixyK对于低压下，液相为理想溶液的物系，则有：PPKii0或Ki也可以表示组分挥发难易程度。所以两组分之间的相对挥发度可表示为：hiKK说明：a）Ki为温度和压力的函数，即Ki=f（P，T）；b）由Ki求x或y一般需采用试差。石油化工学院---DepartmentofPetroleumChemicalEngineeringc）对一般非理想性不强的体系相对挥发度，可表示为：pfpfKKhhhiiihiih00在压力不太高的情况下，00hihiihpp⑤温度对α的影响温度↑，各组分蒸汽压↑，蒸汽压之比变化缓慢，故相对挥发度αih随温度变化缓慢，在一定温度范围内，可由其平均值代替。石油化工学院---DepartmentofPetroleumChemicalEngineering温度对饱和蒸汽压的影响石油化工学院---DepartmentofPetroleumChemicalEngineering常压下苯、甲苯的相对挥发度随温度的变化石油化工学院---DepartmentofPetroleumChemicalEngineering⑥压力对相平衡的影响P↑，t↑，↓，对分离不利，P↓，t↓，↑，对分离有利。故蒸馏压力的选择，优先考虑采用常压操作，只在特殊情况下采用加压（处理量增加，塔径不够）或减压（热敏性物料）。的影响可忽