《化工原理精馏》PPT课件

第五章蒸馏质量传递热量传递动量传递三传非均相混合物均相混合物分离分离过程在全厂的设备投资费和操作费上占很大比重。对一典型的化工厂，分离设备的投资占60-70％，分离过程的能耗约占30％。固系统：如干燥操作—气操作固系统：如结晶、浸取—液作液系统：如液液萃取操—液操作液系统：如蒸馏、精馏—汽等单元操作液系统：如吸收、解吸—气相界面水pG气相主体pi液相主体传质方向CiCL空气+氨气吸收气相（乙醇-水）乙醇水液相（乙醇-水）蒸馏§5.1概述一、化工生产中的常规分离方法相界面NaOHCG液相主体Ci液相主体传质方向CL煤焦油（含苯酚）液液萃取空气水湿物料干燥在浓度差、压力差等推动力作用下，从一处向另一处的转移过程-------质量传递相界面水pG气相主体pi液相主体传质方向CiCL空气+氨气吸收--------相际间传质的最终状态二、相平衡与热平衡不同之处：▲达到相平衡时，一般两相浓度不相等。▲达到相平衡时，传质过程仍在进行，只不过通过相界面的某一组分的净传质量为零，因此属动态平衡。AB溶液（A+B）加热部分汽化易挥发组分难挥发组分混合液体A＋B部分汽化汽相液相挥发性高组分易挥发组分轻组分浓度高挥发性低组分难挥发组分重组分浓度高部分冷凝汽相液相部分汽化汽相液相一．什么是蒸馏？5.11.蒸馏及其在工业中的应用利用各组分挥发度的差异将液体混合物加以分离的单元操作称为蒸馏。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汽油煤油柴油原油润滑油石蜡沥青精馏二．蒸馏在工业生产中的应用例如：在酿酒业中饮料酒；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；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四、蒸馏操作的费用主要费用：加热和冷却费用，即能耗大第二节二元物系的汽液相平衡5.2.1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。t,P,yABt,x溶液（A+B）加热理想物系的汽液相平衡汽相为理想气体、液相为理想溶液的体系，称为。满足理想气体状态方程、道尔顿分压定律PpyPpyppPBBAABA1．拉乌尔定律在全部浓度范围内都服从拉乌尔定律的溶液称为理想溶液。在组分A、B组成的溶液中，则有：BABBAAfff只有物性和结构相似，且分子大小也相近的物系才符合拉乌尔定律，如苯－甲苯、甲醇－乙醇、烃类同系物组成的溶液等等。5.2.2双组分理想溶液的汽液平衡ApA0At加热BpA**AAABBBppxppx------拉乌尔（Raoult）定律pA*PpB*0xA（xB）1**AAABBBppxppx纯组分A纯组分BP-x图（等温图）理想物系的t-x（y）相平衡关系：*Ap、*Bp仅与温度t有关，可采用实测数据或用安托因（Antoine）方程进行推算：*lgBpATC对理想物系，汽相满足：BAppP1**()ABpxpx***BABPpxpp*AAppxyPP***BABPppp*ApP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A、B、C值与p*和温度t的单位有关。泡点t与液相组成x之间的计算类型及算法有哪些呢？2、泡点方程和露点方程①已知总压p及泡点t，求x。算法：A*pB*p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；A*pB*p***BABppxpp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、A*pB*p将p、、代入中求x计A*pB*p***BABppxpp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。14P一定Bt-ytt-xA0x或y1泡点线露点线两相区液相区汽相区杠杆原理：力力臂=常数1L2L即：液相量L1=汽相量L2量浓度差***BABPpxpp*AAppxyPPt-x(y)(等压图）110100908070t－x或y图FF点：tF=90℃；过冷液体GHIJG点：tG=95℃；饱和液体H点：tH=100℃；汽液共存I点：tI=101.5℃；饱和汽体J点：tJ=120℃；过热汽体泡点线液相线露点线汽相线DC杠杆定律：M液CH=M汽HD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。110100908070t－x或y图FGHIJ泡点线露点线DC3、相平衡常数和气液平衡关系把拉乌尔定律代入道尔顿分压定律可得：AA*ppxyppA*pKp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。A*p对理想物系，相对挥发度与温度关系不大，可近似认为与温度无关。4、相对挥发度和相平衡方程**ABpp对于纯液体，可以用蒸汽压p*大小表示其挥发度对于混合液中的某一组分i，挥发度i定义为:AAAxpvBBBxpv显然对理想溶液，根据拉乌尔定律有：*AAp，*BBpBAvvBBAAxpxpBBAAxyxy什么是挥发度？相对挥发度什么是相对挥发度？显然对理想溶液，有：表1苯－甲苯物系的相对挥发度随温度的变化关系t,0C80.184889296100104108110.6*ApmmHg760856963108112101350150216681783*BpmmHg292334381434492556627705760α2.602.562.532.492.462.432.402.372.35*AAppxyPP1***()AABpxypxpx1****()ABABpxppxxp令**ABppxxy)1(1理想物系的x-y相平衡关系：1**()ABpxpxBAppPyx理想物系的y-x相图xxy)1(1说明：（1）相平衡曲线必落在对角线的上方-----------因为yx（2）越远离1，也就愈有利于蒸馏操作----------越大，相平衡曲线偏离对角线愈远，表示达到汽液相平衡时汽、液两相组成的差异愈大，yxyxyx-y图xxy)1(1yx思考：若=1，则情形如何？xy，不能用普通蒸馏方法分离提纯。(1)正偏差溶液fABfAA，fABfBB，即异分子间的排斥倾向起了主导作用，使溶液的两个组分的平衡蒸汽压都比拉乌尔定律所预计的高，如右图所示。1.00蒸汽压BAppxBpApA*pB*p与拉乌尔定律有偏差的溶液称为~。此时，BABBAAfff**AAABBBppxppx负偏差溶液正偏差溶液5.2.3．非理想溶液的汽液相平衡正偏差严重时形成具有最低恒沸点的溶液，下面两张分别为苯－乙醇溶液的t－x（y）图及y－x图。00.20.40.60.81.08075706560tt/℃x（y）xy=xy00.20.40.60.81.01.00.90.80.70.6050.40.30.20.10苯-乙醇溶液相图（正偏差）由图可知苯－乙醇溶液的最低沸点tM＝68.3°C,恒沸物的组成xM=0.552。(2)负偏差溶液fABfAA，fABfBB，即异分子间的吸引力大于同分子间的吸引力，使得溶液中两组分的平衡蒸汽压都比拉乌尔定律所预计的低，如右图所示。蒸汽压1.00BAppxBpApA*pB*p负偏差严重时形成具有最高恒沸点的溶液，下面两张分别为氯仿－丙酮溶液的t－x（y）图及y－x图。00.20.40.60.81.07065605550tt/℃x（y）氯仿-丙酮溶液相图（负偏差）xy=xy00.20.40.60.81.01.00.90.80.70.60.50.40.30.20.10由图可知氯仿－丙酮溶液的最高恒沸点tM=64.5°C，恒沸物的组成xM=0.65。第三节平衡蒸馏和简单蒸馏平衡蒸馏和简单蒸馏均为单级蒸馏操作过程，通常用于混合液中各组分挥发度相差较大，对分离要求又不高的场合。特点①xw，yD是一对平衡组成②分离程度不高。VyDt0tFPFxFte高温高压LxWBAxWxFyDx或y一．流程及特点5.3.1平衡蒸馏（闪蒸）wFVW加料流率，kmol/s底部产品流率，kmol/s顶部产品流率，kmol/s总物料衡算FDWFxVyWx料液组成，摩尔分数顶部产品组成，摩尔分数顶部产品组成，摩尔分数易挥发组分两式联立得FWD)1(xxFVyFV令q=W/F表示底部液相的残留率，则气化率为f=V/F=(1-q)上式可化为11FWDqxxqqy二．平衡蒸馏计算讨论：①在x-y图上，代表通过点（xF，xF)的直线，其斜率为q/(q-1)。xf1.01.0yDyWxFxqe0②p↑，α↓,平衡线靠近对角线，yD↓，xW↑；③汽化率f↑，q↓，则斜率↑，yD↓，xW↓；④进料组成xF↑，则yD↑，xW↑；⑤闪蒸塔中液相加热实现部分汽化，汽相进行冷却实现部分冷凝也属于平衡蒸馏过程（精馏原理）。理想溶液相平衡关系符合WWD11xxy当xF与q已知，与汽液相平衡联立即可确定yD、xW。11FWDqxxqqy热量衡算节流减压，液体部分汽化所需的热量来自于物料放出的显热，即：0-1kJskW,()pmFQFCtt，或，加热器输入的热量1．流程及特点yxWD,xDW1,x1加热tBAx1y1x或y随着汽化的进行：釜内x，馏出液y，釜内沸点。xyx2y2x2W2特点：1）间歇、不稳定操作；2）分离程度不高。5.3.2简单蒸馏简单蒸馏装置蒸馏釜冷凝器345加热蒸汽简单蒸馏是一非稳定过程，是间歇蒸馏方式，要求得馏出液量与组成或残液量与组成，就必须在微元时间内进行物料衡算而后积分求解。流程假设简单蒸馏某瞬间τ釜液量为Lkmol、组成为x，经微分时间dτ后，釜液量变为L+dL、组成变为x+dx，而蒸出的馏出液量为dD、组成为y，且y与x呈平衡关系。在dτ时间内作物料衡算：总物料：易挥发组分：dD=-dLLx=(L+dL)(x+dx)+ydD2、简单蒸馏的计算联立，并略去二阶无穷小量得：dLdxLyx式中x、y成相平衡关系，积分前应确定y与x的关系，即相平衡关系式。将上式积分得lnFWxxFdxWyx始态釜中液体量，kmol终态釜中液体量，kmol始态釜中液体组成，摩尔分数终态釜中液体组成，摩尔分数理想溶液xxy11且α取平均值视为常数，积分可得：111111()lnlnln()F1111lnlnlnWFWFxxFWxx或DFWDxFxWx总物料：易挥发组分：D=F-WFWDFxWxxFW