第十章 四川大学,化工原理

Chapter10Distillation第十章蒸馏时间安排表9.24吸收……蒸馏概述9.26汽液相平衡简单蒸馏和平衡蒸馏(闪蒸)，精馏10.8精馏原理，全塔板效率，板式塔精馏过程的基本计算式10.10双组分连续精馏塔的计算10.15理论板数的求法10.17传质设备答疑时间:单周星期四下午2:30～5:00;双周星期五晚7:30～9:00网上答疑:信箱[e-mail]概述（Introduction）蒸馏一．什么是蒸馏？AB溶液（A+B）加热部分汽化易挥发组分难挥发组分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。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概述（Introduction）依据概述（Introduction）闪蒸罐塔顶产品yAxA加热器原料液塔底产品QAAxy沸点低的组分易挥发组分(轻组分)，以A表示。沸点高的组分难挥发组分(重组分)，以B表示。BABAxxyy或二．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；在合成材料工业中概述（Introduction）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概述（Introduction）概述（Introduction）本章要讨论的问题汽液相平衡；精馏原理；双组分连续精馏塔的计算：物料恒算：操作线方程；操作回流比的确定；理论塔板数的计算；其他类型精馏塔的特点。气液两相的接触方式连续接触（也称微分接触）：气、液两相的浓度呈连续变化。如填料塔。级式接触：气、液两相逐级接触传质，两相的组成呈阶跃变化。如板式塔。散装填料塑料鲍尔环填料规整填料塑料丝网波纹填料DJ塔盘新型塔板、填料自由度数2CF2222Pxft,Pygt,在一定的压力下在一定的温度下t,P,yABt,x溶液（A+B）加热方程个数变量个数xftygt2方程个数txgyPpB,1txfPypA,xfpAxgpB二元物系汽液相平衡时，所涉及的变量有：温度t、压力P、汽相组成y、液相组成x等4个。一．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．理想溶液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。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。§10.2二元物系的汽液相平衡二元物系的汽液相平衡ApA0At加热BpABBBAAAxppxpp00------拉乌尔（Raoult）定律xftygtxfpAxgpB§10.2二元物系的汽液相平衡pA0PpB00xA（xB）1BBBAAAxppxpp00纯组分A纯组分B在一定的压力下xftygt?理想物系在一定的温度下xfpAxgpBBBBAAAxppxpp00理想物系拉乌尔定律理想物系的t-x（y）相平衡关系：0Ap、0Bp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：CTBAp0ln对理想物系，汽相满足：BAppP)1(00xpxpBA000BABpppPxPxpPpyAA0000BABpppPPpA0§10.2二元物系的汽液相平衡§10.2二元物系的汽液相平衡tftftfPpppPxBABBABA000泡点方程（bubble-pointequation）tftftfPPtfpppPPpyBABABABAA0000露点方程(dew-pointequation)在一定的温度下xfpAxgpBBBBAAAxppxpp00理想物系拉乌尔定律在一定的压力下xftygt理想物系分离苯—甲苯溶液的某蒸馏塔塔顶设有一部分冷凝器和一全凝器，其操作压强为101.3kPa。现测得全凝器出口馏出液中苯的含量为92.3%（摩尔分数）。设离开部分冷凝器的汽、液相组成互为平衡组成，试求部分冷凝器馏出液的组成及温度。苯-甲苯溶液可视为理想溶液，纯组分的蒸汽压为8.2201211031.6log0tpA式中p的单位为kPa，温度t的单位为℃。苯甲苯5.2191345080.6log0tpBy1x1y1,V部分冷凝器全凝器xD=0.923xA例10-1附图L【例10.1】解：对全凝器有923.0DAxy即由露点方程y1x1y1,V部分冷凝器全凝器xD=0.923xA例10-1附图L0000BABAApppPPpy00003.1013.101923.0BABApppp设=83.8℃055.28.2208.831211031.6log0ApkPapA6.1130645.15.2198.831345080.6log0BpkPapB20.440【例10.1】假设正确，即部分冷凝器的馏出液温度为83.8℃，其组成可如下求得y1x1y1,V部分冷凝器全凝器xD=0.923xA例10-1附图L923.020.446.11320.443.1013.1016.1130000BABAppppPp823.06.113923.03.10100AAAAAppyppx【例10.1】10.2.2汽液相平衡图（equilibriumdiagram）P63非理想溶液：（1）正偏差溶液：组分在汽相中的分压比拉乌尔定律预计值大。例如乙醇-水体系（虚线为拉乌尔定律预计值）(P64)。（2）负偏差溶液：组分在汽相中的分压比拉乌尔定律预计值小。例如硝酸-水体系(P65)。理想溶液：组分分压和系统总压与液相组成的关系符合拉乌尔定律。例如：苯-甲苯体系，曲线①、②、③均为直线(P64)。1.p-x图P642.T-x(y)图3.x-y图P64,65图(a)P64,65图(b)P64,65图(c)pxpA0pB0第十章蒸馏——双组分溶液的汽液相平衡10.2.2汽液相平衡图1、p-x图(t一定)：拉乌尔定律的图示，对非理想溶液的判定。px理想溶液pA正偏差溶液pA负偏差溶液非理想溶液AAAxppBBBxpp10.2.2汽液相平衡图（equilibriumdiagram）P63非理想溶液：（1）正偏差溶液：组分在汽相中的分压比拉乌尔定律预计值大。例如乙醇-水体系（虚线为拉乌尔定律预计值）(P64)。（2）负偏差溶液：组分在汽相中的分压比拉乌尔定律预计值小。例如硝酸-水体系(P65)。理想溶液：组分分压和系统总压与液相组成的关系符合拉乌尔定律。例如：苯-甲苯体系，曲线①、②、③均为直线(P64)。1.p-x图P642.T-x(y)图3.x-y图P64,65图(a)P64,65图(b)P64,65图(c)P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量浓度差露点线一定在泡点线上方，why？§10.2二元物系的汽液相平衡10.2.2汽液相平衡图（equilibriumdiagram）P63非理想溶液：（1）正偏差溶液：组分在汽相中的分压比拉乌尔定律预计值大。例如乙醇-水体系（虚线为拉乌尔定律预计值）(P64)。（2）负偏差溶液：组分在汽相中的分压比拉乌尔定律预计值小。例如硝酸-水体系(P65)。理想溶液：组分分压和系统总压与液相组成的关系符合拉乌尔定律。例如：苯-甲苯体系，曲线①、②、③均为直线(P64)。1.p-x图P642.T-x(y)图3.x-y图P64,65图(a)P64,65图(b)P64,65图(c)yy2y1x1x2xtt1t2x1x2y1y23、y-x图第十章蒸馏——双组分溶液的汽液相平衡——直接由t-x(y)图得到，压力恒定。y–x图有两条线:平衡线和参考线（x=y）,平衡线偏离参考线（对角线）越远，表示该溶液越易分离。P↑，平衡线靠近对角线；P↓，平衡线远离对角线.在精馏计算中往往采用y–x图。第十章蒸馏——双组分溶液的汽液相平衡10.2.3汽液平衡关系式相平衡常数K：用于多组分物系的精馏计算；相对挥发度：用于双组分物系的精馏计算。相平衡常数K：iiixyK（10.2-6）对于易挥发组分，Ki大于1，即yixi。显然，Ki值越大，组分在汽、液两相中的摩尔分数相差越大，分离也越容易。第十章蒸馏——双组分溶液的汽液相平衡相对挥发度α：挥发度：（气液平衡时，组分在蒸汽中的分压与溶液中的摩尔分率之比）BBBAAAxpxp,相对挥发度：BBAABAxpxpBABABABBAAKKxxyyxPyxPy相对挥发度：第十章蒸馏——双组分溶液的汽液相平衡BABAxxyyx)1(1xyy)1(yx对理想溶液：若=1，y=x，此系统不能用普通精馏分离；若1，y﹥x，可以用普通精馏分离；越大，越容易分离。0B0ABB0BAA0ABAppx/xpx/xp温度变，PA0、PB0变，但比值PA0/PB0变化不大，可取全塔平均值。平衡蒸馏与简单蒸馏平衡蒸馏闪蒸罐塔顶产品yAxA加热器原料液塔底产品Q减压阀用途：实验室——取试验平衡数据。平衡蒸馏——实际上是溶液的一次部分汽化。工业——用于粗分离。连续的稳态的单级蒸馏操作。平衡蒸馏对闪蒸过程可通过物料衡算、热量衡算以及相平衡数据建立起相关量之间的关系，从而求解所需参数。下面以两组分混合液连续稳定闪蒸过程为例给予说明。物料衡算总物料衡算式中：F、D、W——分别为进料流率和出塔汽、液相产物的流率，kmol/s；xF、yD、xW——分别为进料料液组成以及出塔汽、液相产物的摩尔分数。易挥发组分的物料衡算两式联立可得WDFWxDyFxWDWFxyxxFD闪蒸罐D,yD,teyD加热器F,xF,tFW,xW,teQ减压阀xWt0WDF平衡蒸馏物料衡算若设液相产物占总加料量的分率为q，即W/F=q，则汽化率为D/F=(1-q)，代入上式整理可得11qxqqxyFWD上式表示了汽化率与汽、液相组成的关系。平衡蒸馏过程可认为经部分汽化或部分冷凝后所得的汽、液两相呈平衡，即yD~xW符合平衡关系。若用相对挥发度来表示，则平衡关系若已知进料组成xF和生产任务所要求的汽化率(1-q)，结合物料衡算式可求得汽、液相组成yD、xW。WWDxxy11平衡蒸馏式中：Cpm——混合液的平均摩尔比热，kJ/(kmolK)；——平均摩尔汽化热，kJ/kmol。料液由进料温度tF升至t0需供给的热量Q为闪蒸后，料液温度由t0降至平衡温度te，若不计热损失，则料液放出的显热全部用于料液的部分汽化，即热量衡算FpmttFCQ0FqttFCepm10pmeCqtt10通过以上诸式，在q为已知的条件下，由物料衡算与相平衡关系求得汽、液两相组成yD、xW后，可由平衡关系（如温度-组成相图）求得te，进而求得t0。显然，汽化量大，即(1-q)值大，闪蒸前料液温度需加热至更高的t0值。由上式可得第十章蒸馏——平衡蒸馏与简单蒸馏简单蒸馏——是间歇的不稳定单级蒸馏操作，又称为微分蒸馏。y原料液x蒸气xD1xD2xD3冷凝器tEE＇0xExxFyEyyFx,yMM＇FF＇过程特征：任一瞬时釜内的汽、液相互成平衡。任何时刻汽液相浓度都在变化。工业应用:混合液的初步分离或除去混合液中不挥发的杂质。简单蒸馏