精馏

2020/3/31第一章蒸馏DistillationofLiquid2020/3/32原料反应产物目的产物副产物分离过程反应过程一、分离过程在化工中的应用示例：三氯甲烷的制备示例：炼油过程原料目的产物副产物分离过程2020/3/33二、相际传质过程与分离分离过程非均相物系分离均相物系分离可通过机械方法分离，易实现分离。不能通过简单的机械方法分离，需通过某种物理（或化学）过程实现分离，难实现分离。2020/3/34均相物系某种过程两相物系根据不同组分在各相中物性的差异，使某组分由一相向另一相转移：相际传质过程实现均相物系的分离相际传质过程均相物系分离均相物系的分离方法2020/3/35空气＋氨水空气氨水示例：空气和氨分离吸收塔2020/3/36分离物系：形成两相体系的方法：传质原理：示例：液体混合物多次部分汽化和冷凝各组分的挥发度（沸点）不同苯与甲苯的分离（液相＋气相）三、传质单元操作的主要类型蒸馏2020/3/37分离物系：形成两相体系的方法：传质原理：示例：气体混合物引入一液相（吸收剂）各组分在吸收剂中溶解度不同水吸收空气中的氨气（液相＋气相）吸收2020/3/38萃取分离物系：形成两相体系的方法：传质原理：示例：液体混合物引入另一液相（萃取剂）各组分在萃取剂中溶解度不同用三氯乙烷萃取分离丙酮水溶液（液相R＋液相E）2020/3/39结晶分离物系：形成两相体系的方法：示例：传质原理：液体混合物溶液冷却过饱和产生晶体各组分的凝固点不同对苯甲酚、邻苯甲酚、间苯甲酚分离（液相＋固相）2020/3/310干燥分离物系：形成两相体系的方法：传质原理：示例：固体中的湿分引入一气相（干燥介质）气、固相中所含湿分不同湿尿素干燥成尿素产品（固相＋气相）2020/3/311第一节双组分溶液的气液相平衡第二节蒸馏与精馏原理第三节双组分连续精馏的计算与分析第五节恒沸精馏与萃取精馏第四节间歇精馏第六节多组分精馏2020/3/312蒸馏在化工生产中的应用•分离多组分混合物；•某一组分的提纯；•有用组分的回收。目的：广泛性：•液体混合物；•气体混合物；•固体混合物。2020/3/3132020/3/3142020/3/315蒸馏过程的分离依据依据：蒸馏是利用混合物中各组分挥发性的差异。易挥发组分(或轻组分):挥发性高的组分，以A表示；难挥发组分(或重组分):挥发性低的组分，以B表示。蒸馏过程液体混合物加热部分汽化液相：xA,xB汽相：yA,yB液相冷凝2020/3/316蒸馏过程的分类方法简单蒸馏按蒸馏方式：平衡蒸馏精馏特殊精馏按物系的组分数双组分蒸馏多组分蒸馏2020/3/317常压蒸馏按操作压力：加压蒸馏减压（真空）蒸馏间歇蒸馏连续蒸馏按操作方式：普通蒸馏特殊蒸馏按分离难易：2020/3/318分离液体混合物的常用单元操作，也是最早实现工业化的分离方法，属传热传质过程。其优点是流程简单，缺点耗能大，需具备一定技术条件（真空、高压、低温）。工业应用：酿酒产品、中间产物石油分离气体先液化后精馏无机物提纯2020/3/319简单蒸馏精馏蒸馏2020/3/320(1)汽液平衡关系的确定1）安托因（Antoine）公式(纯组分）CtBAp0lgA,B,C为安托因常数2）道尔顿定律(理想气体)yA=pA/pyB=pB/pp=pA+pB1.2双组分溶液的汽液平衡2020/3/3213）拉乌尔定律：液相中某组分的蒸气压等于溶液温度下，纯组分的饱和蒸气压乘以该组分在溶液中的摩尔分数。(理想液体)pA=pA0xApB=pB0xBp＝pA＋pB＝pA0xA＋pB0xB＝pA0xA＋pB0(1－xA))()()(000tftftfpPPppxBABBABA上式为泡点方程，表示液相组成与泡点温度的关系。由此可确定t－x图。2020/3/322上式为露点方程，表示气相组成与露点温度的关系。由此可确定t－y图。由t－y－x图很容易作出y－x图。)()()()(00000tftftfpptfpPppppxppppyBABABABAAAAA总压不高时，由道尔顿分压定律得：pA＝pyA2020/3/3231）等压图（沸点组成（t－x－y）图）三个区：液相区，过冷液体气相区，过热蒸汽两相区，气液共存两相区特点：两相温度相同yx两条线：液相线（泡点线）气相线（露点线）组成相同，t露点t泡点eppf＝气相量液相量杠杆原理:问题：蒸馏/精馏发生在哪个区？2020/3/3242）汽液平衡组成图（y－x图）总压对t－x－y图影响大，但总压对y-x图影响不大。因此研究精馏常常采用y-x图。平衡线在对角线上方。2020/3/325（3）相对挥发度与气液相平衡的关系挥发度：相平衡时，某一组分在平衡气相中的分压p与该组分平衡液相中的浓度（摩尔分数）之比叫该组分的挥发度理想溶液υA=pA/xA＝（pA0xA）/xA=pA0υB=pB/xB＝pB0相对挥发度：α＝υA/υB＝pA0/pB0α＝(pA/xA)/(pB/xB)＝(pyA/xA)/(pyB/xB)＝(yA/xA)/(yB/xB)＝(yA/yB)/(xA/xB)表示气相中两组分的比是液相中两组分比的α倍。2020/3/326由α＝(yA/yB)/(xA/xB)可得α的意义：xxy)1(1①α1，表示组分A较组分B易挥发，且α愈大，愈易分离。α是蒸馏分离的推动力，代表了利用蒸馏分离的难易程度。②α＝1时，y＝x，表示汽相组成等于液相组成，此时不能用普通蒸馏方法分离该混合液。2020/3/327已知某精馏塔塔顶蒸气的温度为82℃，使用全凝器时，其馏出液的摩尔分数为苯0.95，甲苯0.05。试求该塔的操作压强，苯和甲苯的饱和蒸气压可用阿托因方程求算。组分ABC苯9.0231206.35220.25甲苯9.0781343.94219.582020/3/328kPaPkPaPA8.41=6.107=0B0，8.41-6.1078.41-×6.107=95.0⇒--=0000PPPPPPPPyBABAkPaP72.99解：根据阿托因方程可得苯和甲苯在82℃下的饱和蒸汽压分别为塔顶为全凝器，如图所示塔顶第一块板上升的蒸汽组成是y1=0.95,故应该用露点方程01206.35lg9.0235.03282220.24ABPATC01343.94lg9.0784.62282219.58BBPATC2020/3/3291.2.2非理想溶液的汽液平衡由于异种分子与同种分子之间的吸引力不同，导致实际溶液与拉乌尔定律存在偏差。当异种分子小于同种分子之间的吸引力时，溶液中分子易汽化，导致溶液中组分的平衡分压比拉乌尔定律预计的高，产生正偏差。此时t－x线降低。如醇－水体系。当异种分子大于同种分子之间的吸引力时，溶液中分子难汽化，导致溶液中组分的平衡分压比拉乌尔定律预计的低，产生负偏差。此时t－x线升高。2020/3/330正偏差溶液2020/3/331有些正偏差溶液会出现最低沸点，在此点x＝y，对应温度称恒沸点。该点组成的混合物称为恒沸物。乙醇－水即为这样的体系。具有恒沸点的正偏差溶液称为具有最低沸点的恒沸液。2020/3/332有些负偏差溶液会出现最高恒沸点，在此点x＝y，该点组成的混合物称为恒沸物。硝酸－水即为这样的体系。具有恒沸点的负偏差溶液称为具有最高恒沸点的恒沸液。原料液在蒸馏釜中通过间接加热使之部分汽化，产生的蒸气进入冷凝器中冷凝，冷凝液作为馏出液产品排入接受器中。在一批操作中，馏出液可分段收集，以得到不同组成的馏出液。简单蒸馏为间歇、单级蒸馏操作。微分蒸馏1.3.1简单蒸馏1.3简单蒸馏与平衡蒸馏简单蒸馏装置简图1－蒸馏釜2－冷凝器3－接受器二、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。三、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y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设积分FWdlnxxFxWyxFWddFxWxLxLyx得简单蒸馏过程物料衡算关系初始时，釜液量为F，组成为xF。结束时，釜液量为W，组成为xW。设气液平衡关系为xxy)1(1积分，可得WFWF11lnlnln11xxFαWαxxWFDFWFxWxyFWFWDyFxWx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y2020/3/3411.3.2平衡蒸馏使混合物汽液两相共存达到平衡后，再将两相分离开以得到一定程度分离，称平衡蒸馏。又称闪蒸。物料衡算：F＝V＋LFxf=VyD+Lxw连续操作，稳定，生产能力大。但也只适于粗分。2020/3/342令液化率q=L/F=1-f则平衡关系：11qxxqqyfwDwwDxxy)1(1联立可求得yD,xw令气化率f=V/F得yD=(f-1)xw/f+xf/f2020/3/343练习题将含苯70％的苯和甲苯混合液加热气化，气化率为1/3，α为2.47，试计算平衡蒸馏时汽液两相的组成。11qxxqqyfwD将q=1－1/3=2/3Xf=0.7α＝2.47代入解得Xw=0.642yD=0.816wwDxxy)1(12020/3/3441.4精馏原理1.4.1部分汽化、部分冷凝x1＜xf＜y1y1＜yFx1＞xw一次汽化2020/3/345多次部分汽化和冷凝缺点：收率低。能耗大。x1＜xF＜y1x1＜x2＜y1xFx2相近x2＜x3＜y2x2＜y1＜y2x3y1相近t3＜t1xFx2混合，x3y1混合，传质传热同时进行。2020/3/346精馏塔模型塔板上的操作情况2020/3/347塔板操作分析1ntnt1nttn-1tntn+11nxnx1nx1nynyyn-1ynyn+1xn+1xnxn-11ny2020/3/348精馏原理利用混合物中各组分挥发能力的差异，通过液相和气相的回流，使气、液两相逆向多级接触，在热能驱动和相平衡关系的约束下，使得易挥发组分（轻组分）不断从液相往气相中转移，而难挥发组分却由气相向液相中迁移，使混合物得到不断分离，称该过程为精馏。该过程中，传热、传质过程同时进行，属传质过程控制。当重组分由气相向液相转移时是一个冷凝过程，放出热量，而当液相中轻组分向气相转移时为一气化过程，将吸收热量，彼此存在交换。由此可见，精馏过程是热能驱动，传质、传热过程同时进行的过程。但该过程还受相平衡关系制约，主要由传质所控制。2020/3/349精馏装置示意图计算用图例原料从塔中部适当位置进塔，将塔分为两段，上段为精馏段，不含进料，下段含进料板为提留段，冷凝器从塔顶提供液相回流，再沸器从塔底提供气相回流。气、液相回流是精馏重要特点。当液体流至塔底建立液面后，再沸器加热使之部分气化。蒸气在塔内逐级上升。当蒸气到达塔顶时，由冷凝器将其部分或全部冷凝，其凝液一部分返回塔内作为回流，另一部分作为液相产品采出。回流液沿塔逐板下流的过程中与上升气体多次逆向接触及分离，在接触过程中发生传质和传热。当流至塔底时，经再沸器加热部分气化，其气相返回塔内作气相回流，而液相部分作为塔底的产品采出。①②XF2020/3/350几个概念理论级（板）回流比R=L/D几个方向传质方向传热方向液流流向汽流流向XF部分汽化部分冷凝加料板提馏段精馏段二元混合物精馏为例，当气相上升至进料板以上第n板时，则与上方（n-1)板流下的液相接触混合。由于气相中的难挥发组分B（俗称重组分）的分率（1-yn）高于液相的平衡气组成(1-yn-1),因过程是趋向平衡的，所以重