蒸----馏

11第一章蒸馏p2第一节概述一、基本概念1.质量传递过程（传质过程）：由浓度差引起的物质转移过程。2.蒸馏：利用液体混合物中各组分挥发性的差异来分离液体混合物的传质过程。3.精馏：多次部分汽化，多次部分冷凝。二、工作原理利用液体混合物中各组分(component)挥发性(volatility)差异，以热能为媒介使其部分汽化从而在汽相富集轻组分,液相富集重组分而分离的方法。p3闪蒸罐塔顶产品yAxA加热器原料液塔底产品Q减压阀BABAAAxxyyxy或p4三、蒸馏操作的用途对液体混合物进行分离，提取或回收有用组分。许多生产工艺常常涉及到互溶液体混合物的分离问题，如石油炼制品的切割，有机合成产品的提纯，溶剂回收和废液排放前的达标处理等等。分离的方法有多种，工业上最常用的是蒸馏或精馏。挥发性大（乙醇），称为易挥发组分或轻组分（A）挥发性小（水），称为难挥发组分或重组分（B）液体混合物：(如:酒精水溶液)p5蒸馏操作实例：石油炼制中使用的250万吨常减压装置p6四、蒸馏过程的分类简单蒸馏按蒸馏方式平衡蒸馏精馏常压蒸馏按操作压力加压蒸馏减压（真空）蒸馏按物系的组分数双组分蒸馏多组分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p7五、蒸馏的应用六、蒸馏操作的费用液体产品的精制－－石油的精制主要费用：加热和冷却费用，即能耗大。p8七、精馏操作流程精馏操作系统精馏塔塔顶冷凝器塔底再沸器原料预热器产品冷却器回流用泵辅助设备精馏操作流程见书P11图1-1（连续精馏操作流程）；图1-2（间歇精馏操作流程）；加料板：原料加入的那层塔板p9提馏段：加料板以下的塔段（包括加料板）。在提馏段完成了下降液体中易挥发组分的提出，从而提高塔顶易挥发组分的收率，同时获得高含量的难挥发组分塔底产品。馏出液：塔顶产品釜残液：塔底产品或从塔釜排出的液体精馏段：在加料板以上的塔段。在精馏段上升汽相中难挥发向液相中传递，易挥发组分的含量逐渐增高，最终达到了上升汽相的精制，因而称为精馏段。间歇精馏的区别与连续精馏操作流（1）原料液一次性加入釜中，因而间歇精馏塔只有精馏段而无提馏段。（2）间歇精馏釜液组成不断变化。在塔底上升汽量和塔顶回流液量恒定的条件下，馏出液的组成也逐渐降低。p10第二节简单蒸馏与平衡蒸馏一、简单蒸馏与平衡蒸馏的应用场合组分挥发度相关较大、分离要求不高的场合（如原料液的组分或多组分的初步分离）简单蒸馏为间歇、单级操作过程，其流程如下图：1.简单蒸馏（又称微分蒸馏）随着蒸馏过程的进行，釜液中易挥发组分的含量不断降低，与之平衡的汽相组成（即馏出液的组成）也随之下降，釜中液体的泡点则逐渐升高。馏出液分段收集，釜残液一次排放。p112.平衡蒸馏（又称闪蒸）平衡蒸馏又称闪蒸，系连续定态的单级蒸馏操作，其流程如下图：被分离的混合液先经加热器升温，使之温度高于分离器压力下料液的泡点，然后通过节流阀降低压力至规定值，过热的液体混合物在分离器中部分汽化，平衡的汽液两相及时被分离。通常分离器又称闪蒸塔或闪蒸罐。p12二、简单蒸馏与平衡蒸馏的原理1.汽液相平衡(1)纯组分的汽液相平衡。。。。。。。。。。。A达到汽液相平衡时，液面上方蒸汽的压力称为该温度下纯组分A的饱和蒸汽压，pA0。(2)二元混合物的汽液相平衡pApA0pBpB0。。。。。。。。。。。AB××××××①液相（或气相）组成与温度之间是一一对应关系②气液相组成之间是一一对应关系。p13理想溶液中，在一定温度下，汽液相平衡时，汽相中任一组分的分压等于该纯组分在该温度下的饱和蒸汽压乘以它在液相中的摩尔分数。理想溶液遵循拉乌尔定律。(1)拉乌尔定律2.理想物系：液相为理想溶液、气相为理想气体的物系。对于双组分理想溶液，则有：BBBAAAxppxpp00pA，pB——溶液上方A、B组分的分压，Pa；pA0，pB0——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。p14(2)道尔顿分压定律理想混合物的总压等于个组分气体分压之和，即：P=p1+p2+···BBBBBAAAAAxtfxppxtfxpp)()(00)1(0000ABAABBAABAxpxpxpxpppp)()()(000tftftfpppppxBABBABA——泡点方程①液相组成x与温度（泡点）的关系②气相组成yA与温度（露点）的关系)()()()(00000tftftfpptfppppppxppyBABABABAAAA——露点方程p153.汽液相平衡图相图、相平衡常数或相对挥发度是常用的三种汽液相平衡关系。双组分汽液两相，当固定一个独立变量，可用二维坐标中的曲线图来表示两相的平衡关系，称为相图。相图有压强一定的温度-组成T-x(y)图、液相组成和汽相组成x-y图，以及温度一定的压强-组成p-x图。t/Cx(y)01.0露点线泡点线露点泡点xAyAxf气相区液相区两相区（1）T-x(y)图（见右图）两条线：气相线（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p16T-x(y)图代表的是在总压P一定的条件下，相平衡时汽（液）相组成与温度的关系。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/Cx(y)01.0露点线泡点线露点泡点xAyAxf气相区液相区两相区PxpPpypppPxAoAAAoBoAoAA在t~x（y）图上标出坐标点得出该图p17（2）x-y图（见右图）•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；•平衡线上每一点都适合相平衡方程；•右上角温度低，左下角温度高。x-y图代表在总压一定下，液相组成和与之成平衡的汽相组成的关系。x-y图可通过T-x(y)图作出，图中对角线(y=x)为一参考线。大多数溶液，两相平衡时，y总是大于x，平衡线位于对角线上方。恒沸点时，x-y线与对角线相交，该点处汽液相组成相等。p18（3）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p19三、挥发度、相对挥发度及相平衡方程1.挥发度νA—表征物质挥发程度的量。定义：某组分的溶液蒸汽压与该组分的摩尔分率之比。①对纯组分液体，其挥发度就等于该温度下液体的饱和蒸汽压。②双组分液体，其挥发度为：BBBAAAxpxp,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在液相中的摩尔分率。oBBBoBBBBoAAAoAAAApxxpxppxxpxp理想溶液则:p202.相对挥发度α—溶液中两组分挥发度之比。BBAABAxpxp理想气体：BBAAxyxy一般物系：00BApp理想溶液：对双组分物系有yB=1-yA，xB=1-xA，代入并略去下标A可得——相平衡方程xxy11BABAxxyy（1）相平衡方程p21（2）α值的求取——通常由实验测定对理想溶液，用拉乌尔定律代入oBoABBAABAppxpxpvv可以有若干值。值不等，不同温度)(oBoApp原则上α随温度变化而变化，但为常数。均值可在操作温度范围取平与温度关系要小的多，、与温度关系较mBABApppp0000①，算术平均值2/)(21m②，几何平均值21mp22（3）α的意义①一般情况1,故BABAxxyyα愈大则同一液相组成x对应的y值愈大，越易分离；α=1时，y=x，则汽液两相组成相同即yA=xA，yB=xB，这时用一般精馏方法无法分离。因此α的大小可作为用蒸馏分离某一物系的难易程度标志。p231,ABBABAxxyy即②只有在两相区才有分离如：t0（冷液）、t1（过热蒸汽）在一相区无分离125.033.28.02.03.07.0BABAABxxyy8.01,3.01ABABxxyy如：当温度为t时2.0,7.0AAxyp24第三节双组分精馏一、精馏原理1.多次部分汽化和多次部分冷凝缺点：(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。p252.有回流的多次部分汽化和多次部分冷凝p263.连续精馏原理及设备进料釜液馏出液精馏段提馏段冷凝器再沸器理论板(平衡级)回流加料板x0t0ytLt,xy0T0V理论板理论板理论板(1)精馏定义：将由挥发度不同的组分所组成的混合液，在精馏塔中同时多次进行部分气化和部分冷凝，部分产品回流，使其分离成几乎纯态组分的过程。精馏是利用回流手段、同时经过多次部分汽化和部分冷凝过程，使物系实现高纯度分离的操作。p27（2）从t—x（y）相图来看精馏过程A液体混合物组成xf、温度to↓加热，液相组成不变，不能分离C液相xf，气相平衡浓度y2↓加热至温度tEE组成：y1与x1成平衡，y1＞x1↓继续加热，液体量→0H组成：yf=xf，液相平衡浓度x2↓加热B过热蒸汽，组成不变不能分离p28（3）过程原理在气液共存区E点x1与y1平衡，移走y1，剩余的x1液体继续加热至N点，又得到互成平衡的气相和液相…如此反复进行多次汽化，则易挥发组分↓，最终可得到纯的重组分。反之，若将蒸汽混合物采用部分冷凝方法按上述相反程序操作，则最终将得到几乎纯的轻组分。（4）结论液体混合物进行多次部分汽化，重组分在液相中得到富集混和蒸汽进行多次部分冷凝，轻组分在气相中得到富集在同一设备同时进行部分汽化，部分冷凝，将同时得到纯轻组分和纯重组分。p294.实现精馏操作的条件（1）回流概念通常，将部分产品引回设备的操作称为回流。（2）实现精馏操作的条件回流塔底上升的蒸汽流（塔底回流汽）塔顶液体回流（塔顶回流液）5.精馏与蒸馏的区别精馏与蒸馏的区别在于精馏有“回流”而蒸馏无“回流”，所以，“回流”是精馏与普通蒸馏的本质区别。（1）蒸馏无回流则不能实现轻、重组分的再分配（2）只有回流才有轻、重组分的交换p30塔内回流液自上而下与上升蒸汽交换热量，回流液中轻组分首先汽化进入汽相；而上升蒸汽受冷却，则其中重组分必先冷凝进入回流液。轻、重组分交换原因：精馏（或蒸馏）过程既是传热过程，又是传质过程。p316.精馏过程的实现工业上是在连续精馏塔中对液体混合物实现多次汽化和多次冷凝而达到高纯度分离的目的。设备：连续精馏塔p32（3）塔底再沸器（蒸馏釜）加热液体产生蒸汽，与下降液体逆流接触，塔底连续排出部分液体，作为塔底产品。（1）料液自塔中部适当位置进入塔内。（2）塔顶冷凝器使蒸汽冷凝为液体，部分回流，其余作为塔顶产品连续排出。p33二、全塔物料衡算由于精馏过程是涉及传热和传质的过程,相互影响的因素较多,引入恒摩尔流假定,使得连续精馏过程计算大大简化。（1）恒摩尔汽流：精馏段和提馏段内由每层塔板上升蒸汽的摩尔流量分别相等，即hkmolVVVhkmolVVVVmn/,/,221（2）恒摩尔液流：精馏段和提馏段内由每层塔板下降液体的摩尔流量分别相等，即hkmolLLLLhkmolLLLLmn/,/,2121（3）恒摩尔流假定成立的条件①各组分的摩尔潜热相等②汽液交换的显热可以忽略③保温良好，塔的热损失可以忽略1.恒摩尔流假定p342.全塔物料衡算FxFDxDWxW如图所示，设:F—原料(液)摩尔流量，kmol/h；D—馏出液摩尔流量，kmol/h；W—釜残液摩尔流量，kmol/h；xF、xD、xW—原料液、馏出液、釜残液的易挥发组分的摩尔分率。对全塔进行易挥发组分的物料衡算，则WDFWxDxFx定义——易挥发组分的回收率。——难挥发组分的回收率。%100FDDFxDx%100)1()1(FWWxFxWW