《化工原理教学资料》第六章蒸馏(郭锴)

第6章蒸馏（Distillation）6.1概述6.2双组分溶液的汽-液平衡6.3简单蒸馏和平衡蒸馏6.4精馏原理6.5双组分连续精馏塔的计算6.6间歇精馏6.7恒沸精馏与萃取精馏6.8板式塔6.9蒸馏过程的强化与展望6.1概述蒸馏的应用液体产品的精制汽油煤油柴油其它油品石油苯甲苯二甲苯等煤焦油目的：对液体混合物的分离，提取或回收有用组分依据：液体混合物中各组分挥发性的差异蒸馏分离的目的和依据挥发性高（乙醇），称为易挥发组分或轻组分（A）挥发性低（水），称为难挥发组分或重组分（B）液体混合物：(如：酒精水溶液)液体混合物加热部分汽化气相：yA,yB液相：xA,xB液相冷凝必有：yAxA,yBxBBABAxxyy即：部分冷凝：难挥发组分气相→液相部分汽化：易挥发组分液相→气相蒸馏过程的分类按物系的组分数双组分蒸馏多组分蒸馏简单蒸馏平衡蒸馏精馏按蒸馏方式常压蒸馏加压蒸馏减压（真空）蒸馏按操作压力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蒸馏操作的费用主要费用：加热和冷却费用，即能耗大。与吸收、萃取的比较分离依据挥发性的差异溶解度的差异单元操作蒸馏吸收萃取操作难易操作简便，操作费用在于加热、冷却需加入分离剂，操作费用在于解吸适用性适于各种浓度混合物的分离仅适于低浓气体、液体混合物的分离6.2.1理想溶液的汽-液平衡6.2.2温度-组成图6.2.3汽液平衡图6.2.4挥发度与相对挥发度6.2.5非理想溶液的汽液相平衡6.2双组分溶液的汽-液平衡组分：A、B变量：t、p、xA、yA相数：气相、液相一定压力下，液相（气相）组成xA(yA)与温度t存在一一对应关系，气液组成之间xA~yA存在一一对应关系。22cf自由度：1、相律分析6.2.1理想溶液的汽-液平衡2、理想溶液定义：溶液中同分子间的作用力与异分子间的作用力相等ABBBAAfff如：甲醇与乙醇，苯和甲苯，二甲苯和对二甲苯可近似看成理想溶液理想物系：液相为理想溶液，服从拉乌尔定律气相为理想气体，服从道尔顿分压定律BoBBAoAAxppxpppA，pB——溶液上方A、B组分的分压，Pa；pAo，pBo——溶液温度下纯组分的饱和蒸汽压，Pa；xA，xB——液相中A、B组分的摩尔分率。对于理想溶液：拉乌尔定律（Raoult’sLaw）道尔顿分压定律：BBAApyppyp汽液两相在全浓度范围内分别满足道尔顿定律和拉乌尔定律，构成完全理想体系。BoBBBAoAAAxppypxppyp)1(AoBAoABoBAoABAxpxpxpxpppp),(oBoAoBAtpfppppx对双组份体系——泡点方程液相组成x与温度（泡点）的关系对液相，从中解出xA对汽相AoAAAoAAAxPpyxppyp气相组成yA与温度（露点）的关系),(oBoAoBoAAoAAptfppppppxppy——露点方程•例6-1试计算压力为101.3kPa，温度为100℃时，苯(A)-甲苯(B)物系平衡时，苯和甲苯在液相和气相的组成。已知t=100℃时•解kPa3.74kPa2.179oBoAPP5447.04553.017426.02574.014553.0257.03.1012.1792574.03.742.1793.743.101BBAoAAoBoAoBAyxpxpyppppx两条线：汽相线（露点线）——yA~t关系曲线液相线（泡点线）——xA~t关系曲线三个区域：液相区气、液共存区气相区6.2.2温度组成图（t-x-y图)苯-甲苯体系的温度组成图混合液体的泡点随组成的变化而变化；同温度下，汽液两相达平衡，气液量大小由杠杆定律确定；同组成下，露点高于泡点。对角线y=x为辅助曲线；x~y曲线上各点具有不同的温度；平衡线离对角线越远，挥发性差异越大，物系越易分离。6.2.3汽液平衡图（x-y图)6.2.4挥发度与相对挥发度pA、pB—汽液平衡时，组分A,B在气相中的分压；xA、xB—汽液平衡时，组分A,B在液相中的摩尔分数。BBBAAA,xpxp混合液某组分挥发度:1.挥发度意义：是该物质挥发难易程度的标志定义：汽相中某一组分的蒸汽分压和与之平衡的液相中的该组分摩尔分数之比，用符号表示。理想溶液：oBBBoBBBBoAAAoAAAApxxpxppxxpxpBBAABAxpxp理想气体：BBAAxyxy一般物系：2.相对挥发度(以α表示)(relativevolatility)定义：溶液中两组分挥发度之比对于二元物系：yB=1-yAxB=1-xA即xxy)1(1——相平衡方程oBoApp理想溶液：xxyy11则3.平均相对挥发度釜顶m式中:α顶:塔顶的相对挥发度α釜:塔釜的相对挥发度4.α的物理意义气相中两组分组成之比是液相中两组分组成之比的倍数；α标志着分离的难易程度；若α1,则yx,可用蒸馏方法分离，且α愈大，平衡线愈远离对角线，物系愈易分离；α=1,无法用普通蒸馏方法分离。5.压力对x~y图的影响压力增加，平衡线靠近对角线，分离难度大123pppABBBABAAffff6.2.5非理想溶液的汽-液平衡1.具有正偏差的溶液一般正偏差：pApA理，pBpB理，介于pAo、pBo之间。ABBBAAfff正偏差溶液：x=0.894，最低恒沸点，78.15℃乙醇－水溶液相图硝酸－水溶液相图负偏差溶液：x=0.383，最高恒沸点，121.9℃2.具有负偏差的溶液一般负偏差pApA理，pBpB理。注意：1、非理想溶液不一定都具有恒沸点。如甲醇水溶液，属正偏差系统。2、精馏分离的依据：挥发度的差异，而非沸点的大小。6.3简单蒸馏和平衡蒸馏一、简单蒸馏1.装置2.特点:•间歇非定态•一次进料•xD,xW不是一对平衡组成•适合于大的组分•对A部分提出,粗分二.平衡蒸馏(又叫闪蒸)1.流程2.特点:•一次进料，粗分•xD,xW是一对平衡组成WxWTDxDFxF6.4.1多次部分汽化、部分冷凝6.4.2连续精馏装置流程6.4.3塔板的作用6.4.4精馏过程的回流6.4精馏原理6.4.1多次部分汽化、部分冷凝通过多次部分气化和多次部分冷凝，最终可以获得几乎纯态的易挥发组分和难挥发组分，但得到的气相量和液相量却越来越少。缺点：1、收率低；2、设备重复量大，设备投资大；3、能耗大，过程有相变。问题：工业上如何实现？2.有回流的多次部分汽化和多次部分冷凝进料板：原料液进入的那层塔板精馏段：进料板以上的塔段提馏段：进料板以下（包括进料板）的塔段6.4.2连续精馏装置流程•塔板提供了汽液分离的场所；•每一块塔板是一个混合分离器；•足够多的板数可使各组分较完全分离。特点：6.4.3塔板的作用说明：1、下降的液相泡点tn-1与上升的气相露点tn+1不等，当气液平衡时，两相温度相等tn，即传质伴有传热。2、重组分由气相冷凝至液相，放出潜热，轻组分由液相汽化成气相，需要潜热，二者同时发生，潜热抵消；3、气液两相偏离平衡越远，传质过程进行越快。回流的作用：提供不平衡的气液两相，是构成气液两相传质的必要条件。精馏的主要特点就是有回流。6.4.4精馏过程的回流回流包括：塔顶回流液塔底回流汽塔顶回流液回流液：在任意塔板上，上一块塔板下来的液体，轻组分含量高，温度低塔釜汽相回流回流汽：任意塔板上，下一块塔板上来的汽体，重组分含量高，温度高；6.5双组分连续精馏塔的计算6.5.1理论板的概念和恒摩尔流假设6.5.2全塔物料衡算6.5.3操作线方程6.5.4进料热状况的影响及q线方程6.5.5理论塔板数的确定6.5.6回流比的影响与选择6.5.7理论板数的简捷计算6.5.8精馏装置的热量衡算6.5.9双组分精馏的操作型计算6.5.1理论板的概念和恒摩尔流的假设理论板：离开塔板的蒸汽和液体呈平衡的塔板假设：（1）两组分的摩尔汽化潜热相等；（2）两相接触因两相温度不同而交换的显热可忽略不计；（3）塔设备保温良好，热损失可以忽略不计。2.恒摩尔流的假设1.理论板的概念ynxn精馏段，每层塔板上升的蒸汽摩尔流量都相等，提馏段也一样。即：V1=V2=······V=常数V1’=V2’=······V’=常数式中：V------精馏段上升蒸汽的摩尔流量，kmol.h-1;V’-----提馏段上升蒸汽的摩尔流量，kmol.h-1。（下标1、2······表示自上而下的塔板序号。）（1）恒摩尔汽化Vn+1Vn精馏段内，每层塔板下降的液体摩尔流量都相等，提馏段也一样。即：L1=L2=······L=常数L1’=L2’=······L’=常数式中：L------精馏段下降液体的摩尔流量，kmol.h-1;L’-----提馏段下降液体的摩尔流量，kmol.h-1。（下标1、2······表示自上而下的塔板序号。）（2）恒摩尔溢流Ln+1Ln1）根据分离任务，确定产品流量D，W；2）选择操作条件R、进料状态；3）确定塔板数及加料位置；4）选择塔型，确定塔径，塔内结构尺寸，流体力学验算；5）冷凝器及再沸器热负荷及设计计算。设计目标:6.5.2全塔物料衡算WDFWxDxFxWDF塔顶采出率WDWFxxxxFD塔底采出率FDFW1F,xFD,xDW,xW全塔物料衡算F、D、W——kmol.h-1xF、xD、xW——轻组分的摩尔分率%100FDAFxDx塔顶易挥发组分回收率塔底难挥发组分回收率%100)1()1(FWBxFxW例6-3将5000kg/h含乙醇0.4（摩尔分数，下同）和水0.6的混合液在常压连续精馏塔中分离。要求馏出液含乙醇0.85，釜液含乙醇不高于0.02，求馏出液，釜液的流量及塔顶易挥发组分的回收率和采出率。解乙醇=A，水=B，MA=46，MB=18进料平均分子量MF=MAxF+MB(1-xF)%22.5423.17184.92%78.4523.17139.78%3.974.023.17185.039.7884.9239.7802.085.04.023.17123.171kmol.hr23.1712.295000kg.kmol2.29)4.01(184.0461FDWDF11FBFAFFWFDFxDxWDWDWDWxDxFxWDFF-xMxMM塔底采出率塔顶采出率塔顶轻组分回收率6.5.3操作线方程Dn1nDxLxVyDLVDnDn1nxDLDxDLLxVDxVLy11Dn1nRxxRRy令——回流比DLR——精馏段操作线方程取右图虚框内为衡算体系精馏段操作线:当R,D,xD为一定值时,该操作线为一直线.斜率:VLRR1截距:1DRxyx1DRxxD操作线过点（xD，yD）精馏段操作线画法11Dn1nRxxRRy提馏段操作线方程W1m'm'''WxyVxLWVLwmwm1m''''''xWLWxWLLxVWxVLy——提馏段操作线方程取虚框内为衡算体系•意义：提馏段ym＋1＝f（xm）提馏段操作线过点（xW，yW）•斜率:L’/V’截距:'-WVWxxWyxxD1DRxxFabqwm1m'''xVWxVLy例6-4将含0.24（摩尔分数，下同）易挥发组分的某液体混合物送入一连续精馏塔中。要求馏出液含0.95易挥发组分，釜液含0.03易挥发组分。送入冷凝器的蒸汽量为850kmol/h，流入精馏塔的回流液为670kmol/h，试求：1．每小时能获得多少kmol/h的馏出液？多少kmol/h的釜液？2．回流比R为多少？3．写出精馏段操作线方程。201.0788.0172.395.0172.372.31172.3180670kmol.hr6.6081806.788kmol.hr6.78818003.095.018024.