第一节概述一、蒸馏操作在化工生产中的应用用于均相液体混

第五章蒸馏第一节概述一、蒸馏操作在化工生产中的应用用于均相液体混合物的分离，以达到提纯或回收某组分的目的。二、蒸馏分离的依据蒸馏过程是利用流体混合物中各组分挥发能力的差异，则将混合物进行分离的单元操作。三、蒸馏的分类1、按操作方式：间歇蒸馏和连续蒸馏。2、按蒸馏方法：简单蒸馏、平衡蒸馏(闪蒸)精馏、特殊精馏。3、按操作压力：常压；减压；加压。4、双组分和多组分第二节气液相平衡—泡点方程1.理想溶液：指其中各个组分都在全部浓度范围内服从拉乌尔定律2.拉乌尔定律：pA=pAo•xA同理，pB=pBoxB3.道尔顿分压定律:p=pA+pBpA=pAoxA=pAoxpB=pBo(1-x)液相组成(1)ABABppppxpxp，BABppxppAAAppxypp1BBBpxpypp气液两相ctBApolog安托因方程5-2.1相对挥发度挥发度对于理想溶液相对挥发度对于理想溶液AAAxpvAAAAAAApxxpxpvBBAAbAxpxpvv//BBAABBAAxyxyxpyxpy////BApp5-2.2相平衡方程对于二元理想溶液111oAAooAAABAoooAABAABAAAoBAAApxppxpyppppxpxxxpxxx11AAAxyxAAxy图5-2x-y平衡曲线5-2.3非理想溶液一、正偏差：异分子间的排斥倾向起了主导作用，使得溶液的两组分的平衡分压都比拉乌尔定律所预计的高，那么t-x线比理想溶液低，因为在较低的温度下，其总蒸汽压可与外界压力相等，即可达到沸点。如甲醇－水溶液。二、负偏差：组分的蒸汽压比拉乌尔定律低，那么沸点或t-x线比理想溶液高。原因是异分子间的作用力大。当负偏差达到一定程度，会出现最高恒沸点，如硝酸－水物系。当xM＝0.383时，有最低的蒸汽压。体系为负偏差体系为正偏差精馏原理汽液原料A+B回馏馏出液A（B）残液B（A）WXwFXfLDXd第三节精馏过程的物料衡算5-3.1理论板的概念及恒摩尔流假定一、理论板：指离开该板的气相组成与离开该板的液相组成之间互成平衡的板。实际，塔板上气液两相间的接触时间和接触表面积是有限的；板面上液层浓度不均匀,特别是有溢流的塔板，气液成错流时；甚至气相也不均匀；气体上升时夹带液滴—雾沫夹带；液体向下流动时夹带气泡；漏液等等都会影响热、质的传递效果。理论板的提出，便于衡量实际板分离的效果。通常在设计过程中先求出理论板数，经修正得实际板数。二、恒摩尔流假定1．恒摩尔汽化精馏段：V1=V2=…=Vn=V提馏段：V1′=V2′=…=Vn′=V′除饱和液体进料q=1以外,其余V≠V′.2．恒摩尔溢流精馏段：L1=L2=…=Ln=L提馏段：L1′=L2′=…=Ln′=L′除饱和气体进料q=0以外,其余L≠L′各流股单位:摩尔流量—[kmol/h]恒摩尔流假定成立的条件(1)各组分的摩尔气化潜热相等。(2)气液接触时因温度不同而交换的显热可以忽略。(3)塔设备保温良好，热损失可以忽略不计。5-3.2全塔物料衡算总物料衡算可得：F=D+W对轻组分作物料衡算可得：FXf=DXD+WXw由以上两式可求出wDwfxxxxFD例5-1每小时将15000kg含苯40%（质量%，下同）和甲苯60%的溶液，在连续精馏塔中进行分离，要求釜残液中含苯不高于2%，塔顶馏出液中苯的回收率为97.1%。试求馏出液和釜残液的流量及组成，以摩尔流量和摩尔分率表示。解：苯的分子量为78；甲苯的分子量为92。进料组成：釜残液组成：原料液的平均分子量：原料液流量：依题意知：所以：全塔物料衡算或解得：精馏段操作线方程物料衡算可得：将上式变形得：将L=RD,V=(R+1)D，上式成为：LDXdn1V,yn+1L,xn精馏段的物料衡算DnnDxLxVy1DnnxVDxVLy1DnnxRxRRy1111加料板（1）1.加料的热状态：五种2.理论板加料料衡算式：相平衡方程：3.精馏段与提馏段的两相物流关系总物流衡算：ym,I,Vxn-1,i,Lym+1,I,V'xm,i,L'F,iF,xF第m块板单板物料与热量衡算mmmmFxLVyLxyVFx''11)(mmxfy''LVLVFiLVILiIVFiF''加料板（2）若定义：可得：L‘=L+qFV=V’+(1-q)FiIiIFLLF'原料的摩尔汽化潜热原料变成饱和蒸汽komlFLLq1'q线方程在进料板上，同时满足精馏段和提馏段的物料衡算，故两操作线的交点落在进料板上。当q为定值，改变塔操作的回流比时，两操作线交点轨迹即q线。联立两操作线方程式的进料线方程。因q为一常数，故一定状态进料q线为直线。wWxxLyVDxLxVyD1qx1-qqyFX•FXf=DXD+WXw进料热状况进料的焓iFq值q/(q+1)q线在x-y图上的位置冷液体饱和液体气液混合物饱和蒸汽过热蒸汽iFiiF=iiFIiF=IiFI110q100+∞0+Q1(↗)Q2(↑)Q3(↖)Q4(←)Q5(↙)q值随q值减小，则提馏段操作线斜率增大，说明提馏段液、气比在增大，气、液两相组成更接近平衡线，意味着提馏段单位流量液体所用蒸气在不断减少，提馏段操作线更靠近平衡曲线，将导致提馏段分离能力不断下降。即每块理论板的传质推动力减小。完成相同分离任务，所需理论板数会增加，也会导致塔两段负荷不均匀，影响塔径设计。提馏段操作方程物料衡算可得：或又L‘=L+qFV=V’+(1-q)FFDnnFxDxxLyV''1'''1VFxDxxVLyFDnnwnnxFqDRDFxFqDRqFRDy)1()1()1()1(1图5-5提馏段物料衡算板效率理论板是一个气、液两相皆充分混合而且传热与传质过程的阻力皆为零的理想化板。表达塔板上传递过程的特征方程式可简化为：泡点方程：相平衡方程：实际板与理论板的传质差别可用板效率来度量：y*n——与离开第n块板液相组成xn成平衡的气相组成Emv——气相的默弗里板效率)(nnxt)(nnxfy理论板数的计算逐板计算法图解法捷算法逐板计算法过程xD=y1由气液平衡x1由操作线方程y2依此类推至xn≤xF按提留段操作线方程由xF=x′1y′2由气液平衡x′2依此类推至x′m≤xW逐板计算法由y1=xD,步骤算到xm﹤xw时，计算终止，在计算过程中使用平衡方程的次数n，就是所需要的理论板数。由于塔釜相当于一块理论板所以实际所需要的理论板数应为n+m-1块。图解法回流比的选择一、回馏比对精馏过程设备和操作费用的影响二、全回馏与最小理论板数A图解法求最小理论板数BFenske方程计算法三、最小回流比RminA最小回流比的定义B最小回流比的求取四、最适宜回流比的选取(一般取(1.2～2.0）Rmin)五、理论板数的捷算法回流比的影响与选择回流比的影响与选择图解法求最小理论板数y1xDxwy2x1x2ywxDyxxw说明：1.由于全回馏所以R为无穷大,所以其操作线与对角线重合,此时达到分离要求所需的理论板数最少。2.最少理论板数可用图解法和逐板计算法。BFenske方程计算法说明：上式中Nmin包括塔釜.loglogminWABDbAxxxxNA最小回馏比的定义当R减少时，两操作线向平衡线靠近，达到指定的分离要求所需的理论板增多。当回流比减少到某一数值时，两操作线的交点e就落在平衡线上，此时达到指定的分离要求所需的理论板就无穷多，液体组成也不能跨过e点，此即为达到指定的分离要求的最小回流比。B最小回流比的求取xDyxxw(Rmin+1)xDxFxeyeafegq根据交点e点的坐标及直线ae的斜率可得Rmin.eDeDxxyxRR1minmin回流比对精馏过程设备和操作费用的影响5、回流比的影响及其选择①、回流比对操作的影响：影响精馏操作的稳定性；在精馏中，回流比是影响设备费用和操作费用的一个重要因素。②、适宜回流比的选择：使操作费用与设备折旧费用之和为最小的回流比，即为适宜回流比。一般据经验选取；R=（1.1~2）Rmin五、理论板数的捷算法1.Gilliland图求解。2.用下面经验公式求解。17.019.01lgminminRRRNNN4、实际塔板数和塔效率实际塔板：因为实际塔板上不能达到平衡状态，故实际所需塔板数总是大于理论塔板数。Er=NrN式中｛Er—塔板效率；Nr—理论塔板数；N—实际塔板数。5.6.7双组分精馏过程的其它类型A直接蒸汽加热B多股加料（了解）C侧线进料（了解）D回收塔（了解）A直接蒸汽加热当待分离的物系为某种轻组分和水混合时,往往可将加热蒸汽直接通入塔釜以汽化釜液。为了便于计算,通常设通入的加热蒸汽为饱和蒸汽。按恒摩尔流的假设,塔釜的蒸发量V‘与加入蒸汽量相等。由于精馏段与间接加热精馏相同,所以其精馏段操作线不变。提馏段操作线同样需要对提馏段进行物料衡算：L‘+S=V‘+WL‘xn=V‘yn+1+Wxw由上式可得：y1D,xDw,xwF,xFS加热蒸汽VLV'L'wnnxswxswy1说明:1.该提馏方程为一条通过点(xw,0)直线;2.与间接蒸汽加热精馏相比,在同等分离要求下所需的理论板多。5.7间歇精馏一、间歇精馏过程的特点A非定态的过程B只有精馏段没有提馏段间歇精馏过程操作恒流出组成操作恒回流比操作先恒回流比操作操作后恒流出组成间歇精馏过程计算y1D,xDVLV'L'间歇精馏5.8恒沸精馏与萃取精馏当体系的相对挥发度很小或二元体系的两组分形成共沸物时用普通蒸馏无法进一步分离此时需要用特殊蒸馏,如：恒沸精馏与萃取精馏.一、恒沸精馏与萃取精馏定义二、恒沸精馏流程举例三、萃取精馏流程举例四、第三组分的选择一、恒沸精馏与萃取精馏定义两种精馏都是在被分离的溶液中加入第三组分以改变原溶液中各组分的相对挥发度而实现分离的。若加入的第三种组分与原溶液中某一或两个组分形成最低共沸物，从塔顶蒸出就称为恒沸精馏。若加入的第三种组分不与原溶液中某一或两个组分形成共沸物，仅改变各组分之间的相对挥发度，第三组分随高沸点液体从塔底出来则称为萃取精馏。二、恒沸精馏流程举例图9-19为糠醛-水恒沸精馏分离流程图异辛烷-甲苯甲苯-酚异辛烷甲苯酚三、萃取精馏流程举例图9-20为异辛烷-甲苯萃取精馏分离流程图12xF0.71%S99%水xw0.009%糠醛四、板式塔1、板式塔主要类型；2、板式塔的流体力学特性。1、板式塔主要类型有降液管式｛泡罩塔浮阀塔筛板塔无降液管式｛筛孔式穿流板栅缝式穿流板｛板式塔2、板式塔的流体力学特性①、塔内气液两相的流动②、气体通过塔板的压力降③、液泛（淹塔）④、液（雾）沫夹带⑤、泄漏⑥、降液管内液面高度⑦、降液管内液体停留时间逆料、错流。不宜太大。气量、液量要适量。液体被气体带到上层塔板。液体直接经筛孔流到下层塔板。不得高于塔板。停留时间不得太短。⑧、塔板的负荷性能图OLsVsAA′液沫夹带上限线BB′液泛线CD液相负荷上限线DE泄漏线液相负荷下限线小结1、基本常识：相的组成和与蒸馏相关的概念；2、拉乌尔定律：气液平衡相图、气液平衡方程；3、蒸馏方式：简单蒸馏、精馏原理、精馏塔；4、精馏塔的相关计算：全塔物料恒算、操作线方程（包括进料热状况的影响）、理论板数的求法、实际塔板数和板效率、回流比的影响和选择；5、板式塔：类型和流体力学特性。