化工原理 蒸馏课件

2020年1月19日第三章蒸馏1/121第三章蒸馏Distillation3.0概述3.1两组分溶液的汽液平衡3.2平衡蒸馏与简单蒸馏3.3精馏原理和流程3.4两组分连续精馏的计算3.5间歇精馏3.6特殊精馏本章总结－联系图工程案例2020年1月19日第三章蒸馏2/1213.0概述蒸馏是分离液体混合物的典型单元操作。1.蒸馏分离的依据将液体混合物部分气化，利用其中各组分挥发度不同的特性而达到分离目的的单元操作。这种分离操作是通过液相和气相间的质量传递来实现的。例如：加热甲醇(沸点64.7℃)和乙醇(沸点78.3℃)混合液的过程。A+B大量A+少量B少量A+大量B2020年1月19日第三章蒸馏3/121将沸点低的组分称为易挥发组分或轻组分lightcomponent，用A表示。将沸点高的组分称为难挥发组分或重组分heavycomponent，用B表示。则混合液：A+BA+B大量A+少量B少量A+大量B2020年1月19日第三章蒸馏4/1212、蒸馏过程的分类按蒸馏方式分为：平衡蒸馏和简单蒸馏。多用于待分离混合物中各组分挥发度相差较大而对分离要求不高的场合，是最简单的蒸馏；精馏。适合于待分离的混合物中各组分挥发度相差不大且对分离要求较高的场合，应用最广泛；特殊蒸馏。适合于待分离混合物中各组分的挥发度相差很小甚至形成共沸物，普通蒸馏无法达到分离要求的场合。主要有萃取精馏、恒沸精馏、盐熔精馏、反应精馏及水蒸气蒸馏。2020年1月19日第三章蒸馏5/121按操作流程分为：间歇蒸馏。又称分批蒸馏，属于非稳态操作，主要适用于小规模及某些有特殊要求的场合；连续蒸馏。属于稳态操作，是工业生产中最常用的蒸馏方式，用于大规模生产的场合。2020年1月19日第三章蒸馏6/121按操作压力分为：加压蒸馏。适用于常压下为气态（如空气）或常压下沸点接近室温的混合物；常压蒸馏。适用于常压下沸点在1500C左右的混合物；减压蒸馏。（真空蒸馏）适用于常压下沸点较高或热敏性物质，可降低其沸点。2020年1月19日第三章蒸馏7/121按待分离混合物的组分数分为：两组分精馏。计算简单。常以此精馏原理为计算基础，然后引申到多组分精馏计算中。多组分精馏。工业上常见。本章重点讨论常压两组分连续精馏过程的原理和计算。2020年1月19日第三章蒸馏8/1213.蒸馏分离的特点直接获取几乎纯态的产品。而吸收、萃取等操作的产品为混合物。应用范围广。可分离液体混合物，气体混合物、固体混合物。能耗高。气化、冷凝需消耗大量的能量。加压、减压，将消耗额外的能量。2020年1月19日第三章蒸馏9/1213.1两组分溶液的气液平衡3.1.1两组分理想物系的汽液关系理想物系是指符合以下条件的物系：液相为理想溶液，遵循拉乌尔定律；汽相为理想气体，遵循道尔顿分压定律，当总压不太高(104kPa)时汽相可视为理想气体。理想溶液的特点：fAA=fBB=fAB：相同与相异分子间的作用力相等。ΔV混和=0，ΔH混和=0：混和前后体积和焓不变，即所形成的溶液无容积效应和热效应。2020年1月19日第三章蒸馏10/1213.1.1.1相律F=C-φ+n组分数C=2(A，B)相数=2(汽，液)影响因素n=2(温度，压力)∴Therefore,forbinarymixture,freedomofdistillationprocessis2.2020年1月19日第三章蒸馏11/121F=2〖说明〗对两组分汽液平衡物系而言，温度t、压力P、汽相组成y、液相组成x四个参数中，任意确定其中2个变量，其余的2个变量随之确定，两组分汽液平衡物系的状态便确定了。一定压力下:液相（汽相）组成x(y)与温度t存在一一对应关系；气液组成之间x~y存在一一对应关系2020年1月19日第三章蒸馏12/1211.利用饱和蒸汽压计算汽液平衡关系理想溶液的汽液平衡关系符合拉乌尔定律Raoult’slaw：理想气体混和时遵循道尔顿分压定律Dolton’slaw：)1(00xppxppBBAA3.1.1.2汽液平衡的函数关系)1(00xpxpppPBABA000BABpppPx——泡点方程2020年1月19日第三章蒸馏13/121〖说明〗因p。=f(t)，所以，上式表明当P一定时，温度t与液相组成x之间的关系，t～x。泡点：混合液开始沸腾时的温度。000BABpppPx2020年1月19日第三章蒸馏14/12100000BABAAAAppppPpxPpyxpPyp——露点方程〖说明〗上式表明当P一定时，温度t与汽相组成y及液相组成x之间的关系，t～x～y。露点：混合汽开始冷凝时的温度。P。=f(t)关系确定：实验测定，查手册；安托尼经验公式计算：CtBAplg2020年1月19日第三章蒸馏15/121BBBBAAAABBAABBAApxxpxppxxpxpxp,xppvpv1)1(11理想溶液：溶液：；纯液体：2.用相对挥发度表示的汽液平衡关系①挥发度v挥发度:是该物质挥发难易程度的标志。2020年1月19日第三章蒸馏16/121xpxpxpxpBABABA)1(1理想物系：xyxyxyPxPy)1()1()1()1(②相对挥发度αRelativevolatility相对挥发度：易挥发组分的挥发度与难挥发组分的挥发度之比。xxy)1(1——汽液平衡方程2020年1月19日第三章蒸馏17/121温度对相对挥发度的影响：t↑，α↓平均相对挥发度的计算：理想溶液中，由于t↑，pA。、pB。↑，因此α变化不大，一般可将α视为常数，计算时取平均值。算法为：)(,2121常用，一般一般底底顶顶nnn2n〖说明〗xxy)1(12020年1月19日第三章蒸馏18/121利用α的大小判断某混合液能否用一般蒸馏方法分离及分离的难易程度：Ifα1:easytobeseparatedIf1α1.1:difficulttobeseparatedIfα=1:Azeotrope,can’tbeseparatedbycommondistillation〖说明〗2020年1月19日第三章蒸馏19/1213.1.1.3两组分理想溶液的汽液平衡相图有t~x~y图和x~y图两种。1.t~x~y图t—x—ychart（温度～组成图）(1)实验测定法通过实验测定不同温度t下的组成x和y，以组成x(y)为横标，温度t为纵标，标绘所得即为t~x~y图。2020年1月19日第三章蒸馏20/121(2)计算法设定一温度t1，查取纯A、纯B组分的饱和蒸汽压，利用泡点方程及露点方程计算出对应的x1和y1，改变温度，重复上述步骤……。将各个t、x、y数据以t为纵标，x(y)为横标标绘在直接坐标系中，即得t~x~y图。2020年1月19日第三章蒸馏21/121〖说明〗图中有2条曲线。上方曲线为t~y线，表示混合物的平衡温度t与汽相组成y之间的关系，称为饱和蒸汽线。下方曲线为t~x线，表示混合物的平衡温度t与液相组成x之间的关系，称为饱和液体线。3个区域。液相区：代表未沸腾液体；过热蒸汽区：代表过热蒸汽；汽液共存区：代表汽液同时存在。2个端点。tA、tB代表纯A、纯B组分的沸点。2020年1月19日第三章蒸馏22/121若将温度为t1，组成为x1的冷液体(A点)加热，升温到J点时溶液开始沸腾，出现第一个气泡，相应的组成为y1，因此饱和液体线又称泡点线。继续升温，进入气液两相共存区，气液组成可由读图确定，两相的量可由杠杆规则进行确定。继续升温到H，液体将全部汽化，继续升温，气体成为过热蒸汽。同理，将过热蒸汽冷却到点H，混和气开始冷凝，产生第一滴液体，因此饱和蒸汽线又称露点线。因此只有将液体部分汽化，才能起到分离作用。所以蒸馏操作必须在气液两相共存区内进行。t-x图_.swf2020年1月19日第三章蒸馏23/121气液共存区两相组成及量的确定1液化率汽化率液化率汽化率液汽mnncnnmnmcnn组成的确定：读图或由泡点方程、露点方程计算。量的确定：由杠杆规则(如m、n点坐标所示的x和y)。mnxy2020年1月19日第三章蒸馏24/1212.x~y图y—xchart（组成图）将t~x~y图中y~x关系标绘在直角坐标系中所得。对角线y=x为参考线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。总压对x~y曲线影响不大，因此蒸馏中使用x~y图较t~x~y图方便。2020年1月19日第三章蒸馏25/1213.2平衡蒸馏与简单蒸馏3.2.1平衡蒸馏(闪急蒸馏)equilibriumdistillation(Flashdistillation)1.流程原料液加热到泡点以上，连续地通过一节流阀减压到预定的压强后进入分离器。减压后的液体呈过热状态，产生自蒸发而使液体部分汽化，形成两相平衡物系。汽液两相在分离器中分离后，分别得到易挥发组分浓度高的塔顶产品和易挥发组分浓度低的塔底产品，使混合液得到一定程度的分离。闪蒸_.swf2020年1月19日第三章蒸馏26/1212.特点:连续操作顶部和底部产品组成不随时间而变化一次进料，粗分x,ycp,tte2020年1月19日第三章蒸馏27/1213.计算①物料衡算WxDyFxWDFFpepcrFWtTtTFcQ)1()(cp,tte2020年1月19日第三章蒸馏28/1213.2.2简单蒸馏Differentialdistillation1.流程原料液一次加入蒸馏釜中，在恒定压强下加热至沸腾使溶液不断汽化，产生蒸汽经冷凝后作为顶部产品。简单蒸馏时，气液两相的接触比较充分，因此可认为两相达到了平衡。随着蒸馏的进行，釜内液体的易挥发组分浓度不断下降，相应的气相中易挥发组分的组成将逐渐降低，釜中溶液的温度不断升高，当釜液中易挥发组分的浓度降到某一值时，停止操作，排出残液，进行下一批蒸馏操作。简单蒸馏1.swf2020年1月19日第三章蒸馏29/1212.特点间歇操作塔顶塔底组成不是一对平衡组成适合于混合物的粗分离，特别适合于沸点相差较大而分离要求不高的场合，例如原油或煤油的初馏。F,xFW,x2y,D2020年1月19日第三章蒸馏30/1213.计算F,xFW,x2y,D)(11lnln11ln2222xxDWxWFWxFxyWFDxxxxWFFFFFF馏出液平均组成：馏出液：2020年1月19日第三章蒸馏31/121平衡蒸馏和简单蒸馏过程在相图上的表示：温度为tF的原料液加热到t1，部分汽化、分离，所得汽相组成为y，液相组成为x。此分离过程不会使yyD、xxW。txFxyxWyDtFt1由此可见，将液体混合物进行一次部分汽化的过程，只能起到部分分离的作用。因此，这种方法只适用于要求粗分或粗加工的场合。要使混合物中的组分得到几乎完全的分离，必须进行多次部分汽化和部分冷凝的过程。2020年1月19日第三章蒸馏32/1213.3精馏rectification原理和流程3.3.1精馏原理将部分汽化得到的汽相经过n次部分冷凝后，最终产品组成为yn。次数愈多，组成愈高，最后可得到几乎纯态的易挥发组分。将部分汽化得到的液相经过m次部分汽化后，最终产品组成为xm。次数愈多，组成愈高，最后可得到几乎纯态的难挥发组分。2020年1月19日第三章蒸馏33/121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。2020年1月19日第三章蒸馏34/121有回流的多次部分汽化和多次部分冷凝缺点：设备庞杂2020年1月19日第三章蒸馏35/121工业上的精馏过程时在直立圆形的精馏塔内进行的。3.3.2精馏操作流