化工基础(张四方)-精馏

吸收1第四章精馏本章重点及难点掌握双组分理想溶液气液相平衡的各种表达形式；掌握进料的不同热状况及其对精馏操作的影响；掌握两组分连续精馏塔理论塔板数的的图解法；掌握回流比对精馏过程的影响及回流比的选择；了解简捷法求理论板层数的方法；吸收2吸收3吸收4吸收5吸收6概述蒸馏基本概念液体都具有挥发而变成蒸气的能力，这种能力称为物质的挥发性。蒸馏是分离均相液体混合物的一种单元操作。蒸馏分离的依据是，利用溶液中各组分挥发度（或沸点）存在的差异，经部分气化，使各组分得以分离。沸点较低而容易挥发的组分称为易挥发组分，或轻组分、A组分；沸点较高而难以挥发的组分称为难挥发组分，或重组分、B组分。吸收7得到的馏出液中轻组分的浓度必大于瓶中液相中的浓度xA，即yAxA。将混合溶液置于蒸馏瓶中，为防暴沸在瓶中加入瓷片，瓶中液体量以不超过其体积的2/3为宜，加热蒸馏瓶使液体部分气化，产生的蒸气经过套管冷凝器时被全部冷凝为液体，冷凝液被称为馏出液。实验室里的蒸馏操作将得到的馏出液作为原料液逐次重复上述蒸馏实验，则馏出液中轻组分的浓度yA将提高，数量减小（少而精）。蒸馏过程中伴有液体沸腾和蒸气冷凝过程，所以为了要得到高纯度的馏出液必需消耗热量。吸收8分离依据蒸馏分离依据---利用液体混合物中各组分具有不同的挥发度而进行分离的操作；易挥发组分（轻组分）A例如：酒精（A）与水（B）溶液，沸腾部分气化，yAxA同理，蒸气部分冷凝，xByB（酿酒的原理）蒸馏----使液体混合物部分气化，利用其挥发度差异实现初步分离的一种传质操作难挥发组分（重组分）B精馏---利用多次部分气化，多次部分冷凝，使气相得到较纯的轻组分，液相得到较纯的重组分的操作。液相气相吸收9蒸馏的分类按操作方式分：简单蒸馏、平衡蒸馏、精馏、特殊精馏按组分数目分：双组分蒸馏及多组分蒸馏按操作压力分：常压蒸馏、加压蒸馏、减压（真空）蒸馏按操作流程分：连续蒸馏和间歇蒸馏简单蒸馏通常适用于较易分离的液体混合物或对分离要求不高的场合;不同蒸馏方法应用范围用普通精馏方法还无法分离或难以分离的混合物可考虑采用特殊精馏。当液体混合物较难分离或分离要求较高时，则应采用精馏方法;间歇蒸馏又称分批蒸馏，适用于多品种和小规模的生产，在大规模连续生产中主要采用连续蒸馏。吸收10蒸馏：液体混合物，挥发度不同蒸馏：操作简便，通常只需提供能量和冷却水，就能得到高纯产品蒸馏：适用于各种浓度混合物分离分离对象和依据不同吸收：气体混合物，溶解度不同操作难易不同吸收：需加入分离剂，用过的分离剂需经过再生循环使用，因而增加了附加操作适用性不同吸收：仅适用于低浓度混合物分离精馏与吸收的对比蒸馏：既有气相传质，也有液相传质传质方向不同吸收：只有气相中溶质分子进入吸收剂中，属于单向传质蒸馏：得到较为纯净的分离产物。操作结果不同吸收：必须通过后续的进一步处理才能得到较纯净的物质吸收114-1双组分物系气液相平衡蒸馏是气液两相间的传热和传质过程气液相平衡关系是指溶液与其上方蒸汽达到相平衡时，气液相间组成、温度和压强的关系。气液相平衡关系是分析蒸馏原理和进行设备计算的理论基础，过程以两相达到平衡为极限。气液相平衡关系可用一定总压下的沸点-组成（t-x或t-y）、一定温度下的平衡分压组成（p-x）或气-液组成（y-x）的函数关系或相图来表示。吸收12气液两相平衡共存的自由度：物系中共有四个变量P、T、y、xF=c-Φ+2=2-2+2=2四个变量中只有两个独立变量。而蒸馏过程的操作压强P一定，则F=1，即T、x、y中只有一个独立变量了。若T一定，则x、y随之而定；若x或y一定，则T（y）或T（x）也随之而定。吸收13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。理想溶液：各组分的性质极相似，分子结构相近，分子与分子之间无缔合作用，同种分子之间和异种分子之间的作用力完全相等（FAA=FAB=FBB）的溶液。如苯-甲苯，甲醇-乙醇，氯苯-溴苯等，能以任意比例混合。反之则为非理想溶液。拉乌尔定律：)1(000ABBBBAAAxpxppxpp当气、液两相达到平衡时，溶液上方某一组分的蒸气压与溶液中该组分的摩尔分数成正比。4-1.1理想溶液的气液相平衡吸收14)1(00ABAABAxpxpppp溶液沸腾时，溶液上方的总压应等于各组分分压之和，即000BABAppppxAAAxppy0得到双组分理想溶液的气液相平衡关系式：（泡点方程）和蒸汽压组分在系统温度下的饱：纯和蒸汽压组分在系统温度下的饱：纯：系统的总压强BA00BAppp吸收150000BABAAppppppy(2)气相为理想气体，遵循道尔顿分压定律。当总压不太高（≤10MPa)时的气体可视为理想气体。000BABAppppxAAAxppy0由：得：严格地说没有完全理想的物系。对那些性质相近、结构相似的组分所组成的溶液，如苯-甲苯，甲醇-乙醇等，可视为理想溶液；若汽相压力不太高，可视为理想气体，则物系可视为理想物系。对非理想物系不能简单地使用上述定律。汽液相平衡数据更多地依靠实验测定。（露点方程）吸收164-1.2相平衡相图t-x（或y）图（温度-组成图）1.0t/Cx(y)0露点线泡点线露点泡点xAyAxf气相区液相区两相区在总压一定的条件下，将组成为xf的溶液加热至该溶液的泡点tA，产生第一个气泡的组成为yA。继续加热，随温度升高，物系变为互成平衡的汽液两相，两相温度相同组成分别为yA和xA当温度达到该溶液的露点，溶液全部汽化成为组成为yA=xf的气相，最后一滴液相的组成为xA。t-x(y)图表示在总压P一定的条件下，相平衡时气（液）相组成与温度的关系。吸收17y—x图（气液组成关系图）由于ｙ＞ｘ，平衡线位于对角线上方，且偏离对角线愈远，愈易分离（传质推动力越大）。总压变化不大时外压影响可忽略，但温度的变化对y-x平衡线的影响较大。吸收184-1.3挥发度与相对挥发度气液平衡关系除用相图表示外，还可用相对挥发度来表示。纯液体的挥发度：该液体在一定温度下的饱和蒸气压。溶液中各组分的挥发度：该组分在蒸气中的分压和与之相平衡的液相中的摩尔分率之比。对理想溶液，因故易挥发组分PA大则νA大，故挥发度可描述组分的挥发物性。相对挥发度：是指溶液中两组分挥发度之比，常以易挥发组分的挥发度为分子。BBBAAAxpxp，BBBPPxAAAPPxBBAApp,吸收19相平衡方程BxAxByAyAyBy1AxBx1xxy)1(1AxAxAyAy11得相平衡方程BBAABAABxpxpyPpA道尔顿分压定律BABAABxxyy吸收20相对挥发度的物理意义表示气相中两组分的浓度比为与之平衡的液相中两组分浓度比的α倍。例：浓度90%和99%两者相差不是9%，而是0.1倍。α的大小可判断混合液是否可用蒸馏方法分离以及分离的难易程度。2、α=1，pA*=pB*，yA=xA，即蒸气组成与液相组成相同，故用普遍精馏方法分不开A、B。说明此溶液有恒沸点。1、若α＞１，由α=pA*/pB*知，pA*pB*，说明A易挥发，可用蒸馏方法分离。α愈大，A愈易挥发，平衡线远离辅助线，y与x相差大，愈易分离。吸收214-2.1精馏原理根据气液相平衡相图，混合液中A组分的挥发度较大，在发生部分气化和部分冷凝时，平衡的气相浓度要比液相浓度大。这在t-x-y图上看得很清楚，这就是分离混合液的根据。如右图，一次部分气化和部分冷凝后：y1xFx1y1——加热原料液时产生的第一个气泡的组成。x1——经过一次气化后原料剩下的液体的组成。4-2连续精馏xwx1xFy1yFABCDP=定值t吸收22tBt3t2t1t2't3'tfx3x2y3y2xfy1x1tAx2'x3'y2'y3'ABCDEFAB多次的部分气化和部分冷凝经多次部分气化，得xfx1x2x3，最终可得到较纯净的液体B；经多次部分冷凝，得y1y2'y3'，最终可得到较纯净的液体A。多次部分气化和部分冷凝如何在精馏塔上实现呢？吸收23xFx2x1y1x3y2y3冷凝器分离器加热器A(y)xmynxFBP=定值t多次的部分气化和部分冷凝液体混合物经过多次部分气化和多次部分冷凝后从气相得到较纯的易挥发组分，而从液相中则得到较纯的难挥发组分。吸收24原料V0V1L1L‘0V‘1V‘m-1L‘1L‘m-2L‘m-1Vn-2Vn-1VnLn-1LnV‘mL‘m多次部分气化的分离示意图多次的部分气化和部分冷凝本装置能体现精馏，但存在问题：1、所得较纯净的A、B产品较少。因为每次部分气化和部分冷凝都存下一批中间产品。2、设备多，能量消耗大。因为部分冷凝需冷量多，部分气化需热量大。吸收25L3'L2'L1'+Q-QV1V2V3FxfAtBt解决办法：下一罐的气相直接引入上一罐的液相作为加热剂，本身部分冷凝。增加了下降液相中的B，节省了中间加热管，节省了热量。上一罐的液相直接引入下一罐的气相，做冷却剂，本身部分气化，增加了上升气相中的A。另外，节省了中间冷凝管，节省了冷量。吸收26修改以上流程：有回流的多次部分汽化、冷凝（1）由部分冷凝放出热量用作部分汽化所需之热量；（2）汽、液量互补；（3）用一个塔来替代全流程。原料V0V1Vn-2Vn-1VnL1Ln-1LnL‘0V‘1V‘m-1V‘mL‘1L‘m-2L‘m-1L‘mtx0y0xWxFxD吸收27精馏工艺精馏流程原料液（进料）、馏出液（产品）、回流液和釜液；冷凝器（分凝器、全凝器）、再沸器（塔釜加热）；加料板、精馏段和提馏段精馏：具有不同挥发度的组分所组成的混合液，经多次进行部分气化和部分冷凝，使其分离成几乎纯态组分的过程。nnyV,冷凝器回流液体,nL降液管塔板加料板再沸器mmxL,上升蒸汽,mV提馏段精馏段FxF,吸收2811nnntttnx1nx1nynyny1nynx1nx1nn1n以第n层板为例来说明塔板的作用，其上为第n-1层板，其下为第n+1层板。来自n-1层板组成为xn-1的液体与来自n+1层板组成为yn+1的蒸汽在第n层板上接触。由于xn-1与yn+1不平衡，而且蒸汽的温度（tn+1）比液体的温度（tn-1）高，所以，组成为yn+1的蒸汽在第n层板上部分冷凝，并使xn-1的液体部分汽化。假设蒸汽和液体充分接触，并在离开第n层板时达到相平衡，则yn与xn平衡，且ynyn+1，xnxn-1。精馏塔中每层板上都进行着与上述相似的过程，其结果是上升蒸汽中易挥发组分浓度逐渐增高，而下降的液体中难挥发组分越来越浓，只要塔内有足够多的塔板数，就可使混合物达到所要求的分离纯度。注意：工业用精馏塔内由于塔顶的液相回流和塔底的汽相回流，为每块塔板提供了汽、液来源。塔板的作用是提供气液分离的场所；每一块塔板是一个混合分离器，并且足够多的板数可使各组分较完全分离。因此每一块塔板是一个混合分离器，经过若干块塔板上的传质后（塔板数足够多），即可达到对溶液中各组分进行较完全分离的目的。塔板的作用回流的作用回流的主要作用就是提供不平衡的汽液两相，而构成汽液两相接触传质的必要条件。吸收30回流的作用从上面所讨论的精馏操作不难看出，精馏区别于蒸馏就在于精馏有“回流”，而蒸馏没有“回流”。回流包括塔顶的液相回流与塔釜部分汽化造成的气相回流。塔顶回流为第一块塔板提供浓度适合的液相，塔釜气相回流为最下一块塔板提供浓度适合的气相，使每一块塔板上气液传质的基本条件得以形成，所以回流是构成汽、液两相接触传质使精馏过程得以连续进行的必要条件。若塔顶没有液相回流，或是塔底没有再沸器产生蒸汽回流，则塔板上的气液传质就缺少了相互作用的一方，也就失去了塔板的分离作用。因此，回流液的逐板下降和蒸汽的逐板上升是实现精馏的必要条件。思考：为什么只需要部分回流而不必全部回流？（唯有如此，塔顶和塔底才有产品，否则没有工业意义）吸收311mm2