化工原理：4液体的精馏

第四章液体的精馏掌握:1、二组分理想溶液的汽液平衡关系及相图表达2、精馏原理与精馏过程分析3、二组分连续精馏塔的物料衡算、操作线方程4、理论塔板数的确定、最小回流比的计算了解：1、非理想溶液的汽液相平衡关系2、q线方程、进料热状况参数q对理论塔板数的影响3、回流比的选择及其对精馏的影响4、间歇精馏、特殊蒸馏的特点5、板式塔主要类型的结构与特点学习要求典型的化工生产装置包括：反应器；原料、中间产物和产品的分离设备；泵、换热器；分离贯穿化工过程，占有十分重要的地位。分离过程的费用占总投资的50～90％。原料预处理反应分离粗产品精制产品分离工程三废处理第一节概述一、分离过程1.机械分离被分离物为非均相混合物（两相或三相）可用机械来进行分离，如过滤、离心等。2.传质分离被分离物为均相混合物，设法将均相变为非均相，利用物系中不同组分间某种物性的差异来分离，如蒸馏、吸收等。3.速控分离对均相混和物，通过控制各组分的传递速率来分离，如膜分离等。二、传质分离传质过程——物质以扩散的方式，从一相转移到另一相的相界面的转移过程，称为物质的传递过程，简称传质过程。吸收：利用混合气体中各组分在液体中溶解度差异，从而实现混合气体的分离。蒸馏：利用液体混合物中各组分挥发性的不同，把液体混合物中各组分达到某种程度分离的单元操作。三、蒸馏依据原理：将液体混合物部分气化，利用混合物中各组分的挥发度不同使各组分得以分离。其中沸点低的组分为易挥发组分（轻组分）沸点高的组分为难挥发组分（重组分）蒸出冷凝液–––馏出液（D）蒸出后剩余的混合液–––釜残液（W)四、蒸馏分类1、按操作方法分：{2、按蒸馏方法分：简单蒸馏（分离要求不高）平衡蒸馏（闪蒸）精馏特殊精馏{{3、按组分数分：双组分蒸馏多组分蒸馏复杂系蒸馏4、按操作压力分：{常压减压（热敏性物料）加压连续蒸馏间歇蒸馏本章主要讨论常压下双组分连续精馏制酒作坊装置AyAy水的摩尔数乙醇的摩尔数乙醇的摩尔数Ax——蒸汽中乙醇所占的摩尔分率——液相中乙醇所占的摩尔分率AAxy第二节双组分溶液的气液相平衡一、理想溶液的概念根据溶液中同分子间的与异分子间的作用力的差异，可将溶液分为理想溶液和非理想溶液两种。理想溶液：在这种溶液内，组分A、B分子间作用力aAB与纯组分A的分子间作用力aAA或纯组分B的分子间作用力aBB相等。二、气液相平衡单位时间从液相进入气相的分子数与从气相进入液相的分子数相等。轻组分(A)与重组分(B)挥发性：液相中物质的分子可从液相进入气相，这特性称为挥发性。在外压不变（一般为常压）时，设双组分(A，B)溶液中：A:沸点低，易挥发，称为轻组分；B：沸点高，难挥发，称为重组分；xA,xB：分别为液相中A，B的摩尔分率；yA,yB：分别为气相中A，B的摩尔分率；BApp,：分别为纯A，B的饱和蒸气压；BApp,：分别为平衡分压。三、拉乌尔定律(Raoult'sLaw)实验表明，理想溶液的气液平衡关系遵循拉乌尔定律，即:在一定温度下，气相中任一组分的分压等于此纯组分在该温度下的饱和蒸汽压与它在溶液中的摩尔分率的乘积。AAAxpp0ABBBxpxpp100BAAPyp道尔顿分压定律习惯上以ｘ表示液相中易挥发组分的摩尔分率，以（1-ｘ）表示难挥发组分的摩尔分率；以ｙ表示气相中易挥发组分的摩尔分率，以（1-ｙ）表示难挥发组分的摩尔分率。1、泡点方程-总压一定时液相组成与温度（泡点）的关系式pA=pA0xApB=pB0xBp=pA+pB=pA0xA+pB0xB=PA0xA+PB0(1-xA)用途：(1)已知泡点，计算液相组成。(2）已知液相组成求泡点。X=f（pt）000BAAPPppxB四、泡点方程与露点方程泡点：一定组成的液体，在恒压下加热的过程中，出现第一个气泡时的温度露点：在压力一定的情况下，开始从气相中分离出第一滴液滴的温度确定露点温度或气相组成00000BABAAAAApppPPpPxpPpy2、露点方程-总压一定时汽相组成与温度（露点）的关系式五、汽液平衡相图分析温度—组成图二条线：泡点线、露点线。三个相区：液相区、气相区、气液两相区。两个温度：泡点温度、露点温度1、温度—组成图在总压一定的条件下，将T—x、T—y关系标绘在同一直角坐标系中，即得到T—x—y图，T为纵坐标，以液相组成或气相组成为横坐标。2.气液相平衡图（y—x图）t—x—y图y—x图t1t2x1x2y1y2y1y2x1x2对于大多数溶液，达到平衡时，气相轻组分的浓度总大于液相浓度，故平衡线位于对角线上方。平衡线偏离对角线愈远，该溶液愈易分离。六、挥发度及相对挥发度1.挥发度ν：表示某种溶液易挥发的程度。若为纯液体时，通常用其当时温度下饱和蒸气压来表示，如PA0。若为溶液时，各组分的挥发度，则用它在一定温度下蒸气中的分压和与之平衡的液相中该组分的摩尔分率之比来表示，νA=pA/xAνB=pB/xBνA、νB—组分A、B的挥发度。对理想溶液，符合拉乌尔定律νA=pA/xA=pA0xA/xA=pA0νB=pB0**理想溶液中,各组分的挥发度等于其饱和蒸汽压.2.相对挥发度相对挥发度定义：溶液中两组分挥发度之比。3.气液相平衡方程（用相对挥发度表示）：可求得x-y关系的方程，称为气液平衡方程。BABBAAxpxp//压力不太高时BBAAxypxyp//BABAxxyy00/BApp理想溶液AAyy1xxy)1(1AAxx1精馏塔各截面的α变化不大可视为常数，计算可取平均值当α=1时，y=x，不能用普通精馏方法分离该混合物。当α1时，yx,能用普通精馏方法分离该混合物,α越大，越易分离。【例4-1】已知正戊烷（A）及正己烷（B）在不同温度下的饱和蒸汽压，求平均相对挥发度。正戊烷及正己烷的沸点分别为36.1℃和68.7℃。（50℃：pA0=159.16kPapB0=54.04kPa；55℃：pA0=185.18kPapB0=64.44kPa）解：理想溶液的平均相对挥发度可用平均温度下的饱和蒸汽压求取，平均温度t=(36.1+68.7)/2=52.4℃50℃pA0=159.16pB0=54.04α1=pA0/pB0=159.16/54.04=2.9555℃pA0=185.18pB0=64.44α2=pA0/pB0=185.18/64.44=2.87内插法求52.4℃时的相对挥发度t1=50℃α1=2.95t2=55℃α2=2.87)(1121ttt)504.52(595.287.295.29084.2t=52.4℃xxxxy9084.119084.2)1(1相平衡方程KtkPapoA正庚烷kPapoB正辛烷oBoAoBApppPxPxpyAoBAoBoApp157.26949.126【例4-2】总压为101.3kPa时正庚烷和正辛烷的饱和蒸汽压和温度的关系数据如下表所示。试求出该体系的平均相对挥发度。371.4378383388393398.6101.3125.3140.0160.0180.0205.044.455.664.574.886.6101.31.00.6560.4870.3110.15701.00.8110.6730.4910.27902.2822.2542.1712.1392.0792.024第三节蒸馏与精馏原理蒸馏方式:简单蒸馏、平衡蒸馏、精馏、恒沸精馏、萃取精馏、水蒸汽蒸馏。一、简单蒸馏定义：使混合液在蒸馏釜中逐渐受热气化，并不断将生成的蒸气引入冷凝器内冷凝，以达混合液中各组分得以部分分离的方法。操作流程：原理：简单蒸馏的方法，得不到纯度高的产品适用于：1.沸点差较大的混合液；2.分离含量要求不高的情况；3.粗加工过程二、平衡蒸馏-又称为闪蒸，适用于原料液的初步分离DyD,顶部产品WxW,底部产品FxF,原料tAWxFxDyFWxyxxFDWxDxFxWDFWDWFWDF1全系统物料衡算：三、精馏1、多次简单蒸馏无回流多次简单蒸馏消耗大量蒸汽和冷却水；最终产品的产量小；操作是间歇的1iiVV11iiiiyVyV由总物料流衡算得：(a)由易挥发组分衡算：(b)a和b式不能同时成立该流程是不稳定操作2、有回流的多次简单蒸馏.11iiiiLVLV)(c1111iiiiiiiixLyVxLyV总物料流衡算：(c)易挥发组分衡算：(d)c、d两式可以同时满足，称为稳定操作3、精馏塔与提馏塔4、中间进料现代化精馏塔精馏段提馏段进料F塔板12全凝器馏出液D回馏液L进料板蒸气V馏残液WF,D,V,L,W均为摩尔流量[mol/s]精馏流程图：精馏塔再沸器FeedDistillateWasterV[mol/h]精馏设备由精馏塔、冷却器和再沸器等构成；加料板；精馏段；提馏段冷却器精馏塔再沸器精馏段提馏段精馏是多次而且同时运用部分气化和部分冷凝的方法，使混合液较完全分离，获得接近纯组分的单元操作。回流作用：塔顶液体回流和塔底汽相回流为塔板上汽液两相进行部分冷凝和部分汽化提供需要的热量和冷量，是保证精馏操作的必要条件连续精馏操作特点优点：操作条件稳定不变，便于控制，产品质量稳定，容易实现自动化；可以节省辅助时间，设备利用率高，生产能力大；利用换热设备可以回收塔顶和塔底带出的热量，节约能量减少损耗。缺点：设备庞大，只适合大规模生产。精馏塔1、分类：板式塔：泡罩塔、浮阀塔、筛板塔。填料塔：塔内充填一定高度的填料。2、塔板的作用：气液两相传质，传热的场所。板式塔①、组成：塔体、塔板（填料）、再沸器、冷凝器。塔底温度最高，越往上温度越低，塔顶温度最低。越往上易挥发组分含量越高，越往下难挥发组分含量越高。②、温度分布规律：③、气液组成的变化规律；鞍环填料阶梯环填料鲍尔环填料1、理论板：离开这块板的气液两相互成平衡，而且塔板上的液相组成也可视为均匀一致。一、理论板的概念及恒摩尔流假定nnxfy第四节双组分连续精馏的分析和计算2、恒摩尔流假定（1）恒摩尔汽化：在精馏塔的精馏段内每层塔板的上升蒸汽摩尔流量都是相等的，提馏段亦然。但两段的上升蒸汽摩尔流量不一定相等。V1=V2=V3=…=Vn=VV1’=V2’=V’3=…=V’n=V’（2）恒摩尔溢流：在塔的精馏段内，每层塔板下降的液体摩尔流量都是相等的，提馏段亦然。但两段的液体摩尔流量不一定相等。L1=L2=…=Ln=LL1’=L2’=L3’=…=Ln’=L’3、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）气液接触因温差交换的显热可以忽略。（3）塔设备保温良好，热损失可以忽略。1、物料衡算式：总物料衡算F=D+W易挥发组分衡算2、塔顶、塔底产品量3、采出率和回收率馏出液采出率釜残液采出率WxxxxFDDWF)(WDFDxxxxFW)(%100FDDFxDx%100)1()1(FWWxFxWWDFWxDxFxWxxxxFDDWF)(WDFDxxxxFW)(塔顶易挥发组分的回收率塔底难挥发组分的回收率二、全塔物料衡算【例4-3】每小时将1500kg含苯40%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%（以上均为质量百分效），塔顶馏出液的回收率为97.1%。操作压强为1atm。试求馏出液和釜残液的流量及组成，以kmol/h表示。3.精馏段物料衡算和精馏段操作线方程12nn+1L,xnV,yn+1DxD总物料：V=L+D轻组分：上式移项有：将总物料衡算式代入得：DnnDxLxVy1DnnxVDxVLy1DnnxDLDxDLLy1111RxxRRyDnn精馏段操作线方程F11RxxRRyDVL回流比：精馏操作中，由精馏塔塔顶返回塔内的回流液流量L与塔顶产品流量D的比值，即：R=L/D精馏段操作线：xy得交点:A(xD,xD)联解:A(xD,xD)