化工原理_上下册_修订版_(夏清__陈常贵_着)_天津大学出版社 第六章 蒸馏

四川理工学院材化系化学工程教研室蒸馏1/75第六章蒸馏§6.1概述§6.2双组分溶液的汽液平衡§6.3平衡蒸馏与简单蒸馏§6.4精馏原理§6.5两组分连续精馏的计算§6.6间歇精馏§6.7恒沸精馏与萃取精馏四川理工学院材化系化学工程教研室蒸馏2/75教学要求：重点：两组分的相平衡关系；两组分联系精馏的计算；影响精馏过程的主要因素。覆盖内容：两组分物系的汽液平衡关系，t-x-y图,x-y图，拉乌尔定律，泡点方程、露点方程、相对挥发度及其影响因素；精馏原理；双组分连续精馏塔的物料衡算，恒摩尔流假设，理论板的概念，操作线方程，进料热状况，q的意义及计算，最小回流比的概念及确定，回流比对精馏过程的影响，理论板数的确定；（图解法，逐板计算法及简捷法）；点效率、板效率和塔效率的概念，实际塔板数的确定；精馏装置的热衡算；平衡蒸馏、简单蒸馏的特点及计算，间歇精馏的特点及计算步骤；恒沸精馏、萃取精馏的概念；精馏塔全塔效率及点效率的测定方法。四川理工学院材化系化学工程教研室蒸馏3/756.1概述混合物均相物系非均相物系非均相物系的分离主要依靠质点运动与流体流动原理实现分离均相物系的分离条件是必须造成一个两相物系，然后依据物系中不同组分间某种物性的差异，使其中某个组分或某些组分从一相向另一相转移，以达到分离的目地传质过程——物质以扩散的方式，从一相转移到另一相的相界面的转移过程，称为物质的传递过程，简称传质过程。四川理工学院材化系化学工程教研室蒸馏4/756.1概述蒸馏——通过加热造成气液两相物系，利用物系中各组分的挥发度不同的特性以实现分离的目的。易挥发组分：沸点低的组分难挥发组分：沸点高的组分蒸馏分离的特点：（1）通过蒸馏操作，可以直接获得所需要的组分（产品），因此一般蒸馏操作流程较为简单。（2）蒸馏分离应用较广泛，历史悠久。它不仅可分离液体混合物，而且可分离气体混合物。（3）在蒸馏过程中，由于要产生大量的气相或液相，因此要消耗大量的能量。能耗的高低是决定是否能采用蒸馏分离的主要因素。四川理工学院材化系化学工程教研室蒸馏5/756.1概述间歇蒸馏连续蒸馏按操作压强常压蒸馏减压蒸馏加压蒸馏按蒸馏方式简单蒸馏平衡蒸馏精馏特殊精馏按待分离混合物中组分的数目双组分精馏多组分精馏按操作流程本章重点讨论常压下双组分连续精馏的原理和计算返回四川理工学院材化系化学工程教研室蒸馏6/756.2双组分溶液的汽液平衡溶液的气液平衡关是蒸馏过程的热力学基础，是它的依据，因此了解混合物的气液平衡关系是理解掌握过程的最基本条件。1.2.1两组分理想物系的气液平衡一、理想物系与拉乌尔定律所谓理想物系是指液相和气相应符合以下条件：（1）液相为理想溶液，遵循拉乌尔定律。（2）气相为理想气体，遵循道尔顿分压定律。PpyPpyppPBBAABA四川理工学院材化系化学工程教研室蒸馏7/75ABBBBAAAxpxppxpp1000拉乌尔定律--在一定的温度下，溶液上方任意组分的蒸汽分压，等于该纯组分在同温度下的蒸汽压与该组分在溶液中的摩尔分率之乘积。拉乌尔定律示意图在溶液温度下纯A组分的饱和蒸汽压在溶液温度下纯B组分的饱和蒸汽压四川理工学院材化系化学工程教研室蒸馏8/75二、相律相律是研究相平衡的基本规律。相律表示平衡物系中的自由度数、相数及独立组分数间的关系。2CF式中Ｆ－自由度数Ｃ－独立组分数φ－相数１、对于双组分系统，F＝２平衡物系涉及的参数有温度、压强与气、液两相的组成。对双组分物系，当一相中某一组分的浓度确定后，另一组分的浓度随之确定，故液相或气相的组成均可用单参数表示，因此，只要温度、压强和气、液两相组成这四个变量中任意规定两个，则平衡物系的状态将被唯一地确定，余下的参数不能任意选择。２、恒压操作：Ｐ恒定，则该平衡物系只剩一个自由度，因此，在恒压下的双组分气液平衡物系必存在如下关系：液相（或气相）组成与温度的一一对应关系；气液相间的一一对应关系。1.2.1两组分理想物系的气液平衡四川理工学院材化系化学工程教研室蒸馏9/75三、两组分理想物系的气液平衡函数关系1.液相组成与温度(泡点)的关系--泡点方程由于纯组分A、Ｂ的饱和蒸气压均是温度的函数tfpA0tfpB0混合物的沸腾条件是各组分的液面分压之和等于外压，即：饱和蒸汽压与温度的关系可用安托因（Antoine）方程表示CtBAp0logA、B、C为安托因常数，可由相关的手册查到。一定总压下液相组成与纯组分饱和蒸汽压(泡点温度)关系，称为泡点方程1.2.1两组分理想物系的气液平衡PxpxpBBAA00PppBA000BABApppPx四川理工学院材化系化学工程教研室蒸馏10/75三、两组分理想物系的气液平衡函数关系PxpPpyAAAA00000BABAApppPPpy2.气相组成与温度(露点)的关系--露点方程当汽相为理想气体时，有：000BABApppPx一定总压下气相组成与纯组分饱和蒸汽压(露点温度)之间的关系，称为露点方程1.2.1两组分理想物系的气液平衡四川理工学院材化系化学工程教研室蒸馏11/75三、两组分理想物系的气液平衡函数关系3.用相平衡常数表示AAAxPpy01.2.1两组分理想物系的气液平衡若引入相平衡常数Ｋ，则AAAxKyPpKAA0四川理工学院材化系化学工程教研室蒸馏12/75三、两组分理想物系的气液平衡函数关系4.用相对挥发度表示ABABABPPxx1.2.1两组分理想物系的气液平衡溶液中各组分的挥发度ν可用它在蒸气中的分压和与之平衡的液相中的摩尔分率之比表示。对双组分物系BBAABAxpxp（1）挥发度纯液体的挥发度是指该液体在一定温度下的饱和蒸气压对理想溶液00BBAApp（2）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称为相对挥发度，用表示四川理工学院材化系化学工程教研室蒸馏13/751.2.1两组分理想物系的气液平衡当操作压强低，气相服从道尔顿分压定律时，上式可改写为：ABBAABAAxyxyxPyxPy对理想溶液：00BAPP由于pA0和pB0均随温度沿相同方向变化，因而两者的比值变化不大，故一般可将α视为常数，计算时可取操作温度范围内的平均值。对于双组分溶液，当总压不高时：由ABBAABAAxyxyxPyxPyBABAxxyyAAAAxxyy11xxy11α1，表示组分A较B易挥发；α值越大，两组分在两相中相对含量的差别越大，用蒸馏方法越容易将其分离。相平衡方程四川理工学院材化系化学工程教研室蒸馏14/75四、两组分理想溶液的气液平衡相图（1）等温图在温度一定的条件下，气、液两相平衡时，压力与组分的关系用压力-组成图（p-x图）表示。1.2.1两组分理想物系的气液平衡pA0PpB00xA（xB）1T为常数四川理工学院材化系化学工程教研室蒸馏15/75四、两组分理想溶液的气液平衡相图在一定外压条件下，沸点与汽液相组成的关系，绘在图上即是t-x-y图(2)等压图yxtA、t-x-y图1.2.1两组分理想物系的气液平衡四川理工学院材化系化学工程教研室蒸馏16/75两线：t~x线为泡点线，泡点与组成有关；t~y线为露点线，露点与组成y有关。3区:t~x线以下为过冷液体区；t~y线以上为过热蒸汽区；在t~x与t~y线之间的区域为气液共存区，在此区域内气液组成y与x是成平衡关系，气液两相的量符合杠杆定律。只有设法使体系落在汽液共存区这才能实现一定程度的分离。例如将组成为的过冷溶液加热至C点，产生第1滴气泡，故C点所对应的温度称为泡点，气泡组成为y1，维持加热升温至G点，溶液部分汽化，气相组成为y(F点)，液相组成为x(E点)，yxF，xxF，故原料液得到部分分离，x与y成平衡关系，G点所对应的温度为气液相的平衡浓度；反之将组成为yF的过热混合气体冷却至D点，第1滴冷凝液出现，D点所对应的温度为露点，继续冷却至G点气相部分冷凝，液相组成为x，气相组成为y，xyF，yyF，故部分冷凝亦可实现一定程度的分离。要实现高纯度分离必须采用多次部分汽化和多次部分冷凝，这个过程在工业生产上是如何实现的呢？两端点A与B.端点A代表纯易挥发A组分(x=1)，端点B代表纯难挥发B组分（x=0）。对于一定组成的溶液加热到与相交的点，即出现第一个气泡，所以线亦称泡点线。对于组成为的蒸汽，冷却至与线相交，出现第一个露珠，所以称线为露点线。1.2.1两组分理想物系的气液平衡四川理工学院材化系化学工程教研室蒸馏17/75四、两组分理想溶液的气液平衡相图t-x-y图可通过实验测定。若为二元理想溶液，t-x-y图可利用计算方法求得：…………式说明，只要知道某温度下的（饱和蒸汽压数据），就可以计算得到x与y，就可以作出在指定外压下的图。上式还说明，总压对t-x-y图是有影响的。AoAAxppAoBBoBBxpxpp1AoBAoABAxpxpPpp1PxpPpypppPxAoAAAoBoAoBA1.2.1两组分理想物系的气液平衡四川理工学院材化系化学工程教研室蒸馏18/75四、两组分理想溶液的气液平衡相图Bx-y图取图中的数据，以x为横坐标，y为纵坐标，绘成的图为图。yxtyxx-y图对于易挥发组分，因为，所以x-y线均在对角线上方。X-y线与对角线偏离越远，表示越易分离。若x-y线与对角线重合，则不能用精馏方法分离。对于二元理想溶液，x-y图可由t-x-y图得到。AAxy1.2.1两组分理想物系的气液平衡通常，精馏过程是在接近等压的条件下进行，所以等压图是精馏过程中常用的，尤其是x-y图，常用它来说明两组分混合物精馏过程的计算。返回四川理工学院材化系化学工程教研室蒸馏19/756.3.1平衡蒸馏tBAxWxFyDx或y一、平衡蒸馏过程将一定组成的液体加热至泡点以上使其部分汽化，或一定组成的蒸气冷却至露点以下使其部分冷凝，形成气、液两相，两相达到平衡，然后，将气、液两相分离，此过程的结果是易挥发组分在气相富集，难挥发组分在液相富集，这种过程称为平衡蒸馏。四川理工学院材化系化学工程教研室蒸馏20/756.3.1平衡蒸馏二、过程的数学描述衡蒸馏过平程的主要关系式有：①物料衡算式②热量衡算式③气液平衡关系①物料衡算以两组分混合液的闪蒸为例进行说明以整个装置为系统进行衡算两式联立得：WDFWxDyFxF总物料衡算：易挥发组分的物料算：设液相产物占总加料量的分率为q，qFD1FxDFxDFy1气化率为:11qxxqqyF四川理工学院材化系化学工程教研室蒸馏21/756.3.1平衡蒸馏FptTFcQ对加热器作热量衡算，忽略热损失，则节流减压后，物料放出的显热即供自身的部分气化，故FrqtTFcep1由此式可求得原料液离开加热器的温为pecrqtT12、热量衡算四川理工学院材化系化学工程教研室蒸馏22/756.3.1平衡蒸馏xfy平衡蒸馏中，气、液两相处于平衡状态，即两相温度相同，组成互为平衡。因此，y与x应满足相平衡方程式若为理想溶液应满足平衡温度te与组成x应满足泡点方程即xxy)1(1xte3、气液平衡关系四川理工学院材化系化学工程教研室蒸馏23/756.3.2简单蒸馏简单精馏装置图在实验室或工业生产中，采用如图所示的装置，实质也是一个汽化器，一个冷凝器。一、简单蒸馏的装置四川理工学院材化系化学工程教研室蒸馏24/756.3.2简单蒸馏蒸馏原理示意图釜液量若全部汽化，又全部冷凝，即最终釜液量W=0，则达不到分离的目的。只有部分汽化，部分冷凝，才可得到易挥发组分较高的馏出液。由图看出，当料液组成为x1时，所得馏出液最高组成为y1。所以用简单蒸馏的方法，得不到纯度高的产品。在简单蒸馏的过程中：液相组成由nxxxx321汽相组成（馏出液组成）由nyyyy321釜液量由WdnFF