蒸馏

12《化工基础知识》蒸馏3课程要求：•蒸馏原理、蒸馏分类•蒸馏设备一般知识•精馏流程、原理•连续精馏塔的计算•精馏塔4第一节蒸馏及其分类一、蒸馏——分离液体混合物的单元操作，是溶液和其蒸气两相间的传质过程，该过程是以蒸气和溶液达到相平衡为极限的。蒸馏的依据：根据液体混合物中各组分沸点（或饱和蒸气压）的不同进行分离。5二、蒸馏的分类常压蒸馏：沸点相差较大时采用压力加压蒸馏：常温常压下为气态混合物减压蒸馏：沸点较高的混合物及在高温高压下易聚合、分解的混合物6简单蒸馏：分离要求不高时采用操作精馏：用于较难分离的混合物方式特殊蒸馏：被分离混合液中组分的相对挥发度很小或是恒沸物萃取蒸馏特殊蒸馏恒沸蒸馏水蒸汽蒸馏7※恒沸蒸馏将第三组分加入混合物中，使其与被分离混合液中一个或几个组分形成恒沸混合物，使混合液中各组分间沸点差增大。新的恒沸物一般比原任一组分的沸点低，在蒸馏时从塔顶蒸出，塔底则为另一纯组分。8※萃取蒸馏在混合液中加入第三组分（萃取剂），第三组分可以有选择地溶解某一组分（形成沸点很高的混合物），使其蒸汽压降低，于是增大了与另一组分的沸点差。一般所用第三组分都是沸点高的物质，被它溶解后的某一组分将形成难挥发的混合物。9恒沸蒸馏与萃取蒸馏的比较比较项目恒沸蒸馏萃取蒸馏原理通过形成恒沸物使其分离通过溶剂选择性地溶解，增大相对挥发度，使其分离第三组分排出点由塔顶排出由塔釜排出热量消耗较多（因需蒸出第三组分）较少（不需蒸出第三组分）适用范围用于由塔顶排出较少产物的小规模生产用于由塔顶排出较多产物的大规模连续生产10※水蒸气蒸馏若混合物在常压下沸点较高或在沸点时要分解，就可采用水蒸气蒸馏。但要求所得产品必须与水完全（或几乎）不互溶。11连续蒸馏操作流程间歇蒸馏双组分组分多组分主要介绍常压下双组分混合液的连续精馏12三、气液相平衡1.拉乌尔定律—理想溶液的气液平衡关系理想溶液：溶液中不同种类分子间的引力与同种分子间的引力相等的溶液称为理想溶液。（性质接近、分子结构又极相似的组分所组成的溶液，如苯-甲苯，甲醇-乙醇，烃类同系物等。）气液相平衡：当气液两相接触，互相扩散，两者达到平衡时，传质过程就不再继续进行，此时称气液两相达到相平衡。汽化速度=冷凝速度13拉乌尔定律：在一定温度下，溶液上方蒸汽中任意组分的分压，等于此纯组分在该温度下的饱和蒸汽压乘以它在溶液中的摩尔分率。（理想溶液服从拉乌尔定律）拉乌尔定律的表达式：pA=p0AxApB=p0BxB=p0B（1-xA）142.泡点、露点泡点：在一定压力下，液体内部产生第一个气泡时的温度。露点：在一定压力下，蒸汽产生第一滴冷凝液时的温度。对于纯净物，在一定压力下，泡点等于露点，即它的沸点；混合物的泡点比露点要低。153.饱和蒸汽压—在某一温度下，液体与它液面上的蒸汽呈平衡状态时，蒸汽所产生的压力。4.挥发度和相对挥发度挥发度：某种液体容易挥发的程度，挥发度随温度而变。相对挥发度α：两个组分的挥发度之比，可视为常数16用相对挥发度表示气液平衡关系：—气液平衡方程，y，x表示气液相摩尔分率xaaxy)1(117四、相组成的表示法1.质量分率xw：混合物中某组分的质量与混合物总质量的比值。2.摩尔分率x：混合物中某组分的摩尔数与混合物总摩尔数的比值。mmxAAwmmxBBw1wBwAxxnnxAAnnxBB1BAxx183.压力分率：混合气中某组分的分压与混合气总压的比值。4.体积分率：混合气中某组分在总压下的体积与混合气总体积的比值。理想气体混合物：体积分率=压力分率=摩尔分率若混合气体总压在1MPa以下，上述关系也适用。5.平均分子量的计算19例：已知空气中N2和O2的质量百分率分别为76.7%和23.3%，且总压为101.3KPa，求：它们的摩尔分率、体积分率和分压？206.双组分理想溶液的气液平衡相图⑴t-x-y图（沸点-组成图）图中两条线及三个区的名称及对应组成。⑵y-x图（气液相平衡图）y-x图可以通过t-x-y图作出，对理想溶液，当气液两相达到平衡时，y总是大于x的，故平衡线位于对角线的上方。平衡线偏离对角线越远，表示该溶液越易分离。21第二节蒸馏设备一般知识一、蒸馏设备及作用1.塔——板式塔和填料塔（构造）2.冷凝器3.再沸器4.预热器5.冷却器6.回流液泵——离心泵（性能）换热器（类型和构造）22二、蒸馏塔（以板式塔为例）1.塔板的作用：在每一块塔板上气液两相进行接触，同时进行着传热与传质作用。2.精馏段与提馏段的作用3.回流的作用：补充塔板上的轻组分，使塔板上液体组成保持稳定。4.塔低再沸器的作用给塔板提供一定的上升蒸汽，为液相部分汽化提供热量。23第三节精馏流程和原理一、精馏原理多次而且同时运用部分汽化和部分冷凝，使混合物得以分离。结合温度组成图说明精馏原理二、精馏流程1.连续精馏原则流程2.结合生产实际掌握精馏流程第四节连续精馏塔的计算•1、精馏塔的全塔物料恒算；•2、精馏塔的操作线方程；•3、理论板层数的求法；•4、实际塔板数和板效率；•5、回流比的影响及其选择。25理论板与恒摩尔流假设：理论板—离开该板的气液两相互呈平衡的塔板。恒摩尔流假定：★恒摩尔气化：在精馏段内，由每块塔板上升的蒸汽摩尔流量彼此相等，提馏段内也是如此，即：V1=V2=……=Vn=VV'1=V'2=……=V'n=V'两段上升蒸气的千摩尔流量则不一定相等。（V与V’）26★恒摩尔溢流：在精馏段内，由每层塔板下降的液体摩尔流量彼此相等，提馏段内也是如此，即：L1=L2=……=Ln=LL'1=L'2=……=L'n=L'两段下降液体的千摩尔流量则不一定相等。（L与L’）27一、全塔物料平衡总物料平衡：F=D+W轻组分物料平衡：FxF=DxD+WxW其中：F、D、W—进料、塔顶、塔底产品的摩尔流量，Kmol/h28xF、xD、xW—进料、塔顶、塔底产品中轻组分的摩尔分率。二、回流比、回流指数、收率1.回流比R：塔顶回流量与采出量之比。29定义式：最小回流比Rmin：回流比的下限，此时所需的理论塔板数为无穷多。全回流：塔顶上升蒸汽经冷凝后全部回流到塔内，R=∞此时所需理论塔板数为最少。适宜的回流比R确定原则：操作费用与设备折旧费之和为最小。根据经验选取：R=（1.1~2.0）RminDLR302.回流指数=3.收率：塔顶轻组分的回收率=塔底重组分的回收率=塔顶产品采出率=塔底产品采出率=%100)1()1(%100FwFDxFxWFxDxFWFDFL31三、操作线方程精馏段操作线方程：理论塔板数的确定：求算理论塔板时必须利用：（1）气液平衡关系（2）操作线方程DnnxRxRRy1111逐板计算法•xD=y1由气液平衡x1由操作线方程y2依此类推至xn≤xF33四、进料状况及q值1.进料状况（五种）•⑴冷液进料tF＜泡点q1•⑵饱和液体进料tF=泡点q=1（泡点进料）L’=L+FV=V’•⑶气液混合进料泡点＜tF＜露点0q1•⑷饱和蒸汽进料tF=露点q=0（露点进料）L’=LV=V’+F•⑸过热蒸汽进料tF＞露点q0L’=L+qF;V’=V-(1-q)F342.q值—进料的液化分率指某1Kmol料液中有qKmol是液相，则有（1-q）Kmol是气相。35五、塔板效率1.理论板：离开该板的气液两相互成平衡，则此板称为理论板，即“NT”2.塔板效率E：（全塔效率）完成一定分离任务时所需的理论塔板数与实际塔板数的比值。即：NNET36六、操作弹性：指气相负荷上限与下限之间的范围。上升气速在此范围内变化，精馏塔才能正常。37例：用一精馏塔分离二元理想混合物，塔顶为全凝器冷凝，泡点温度下回流，原料液中含轻组分0.5（摩尔分率，下同），最小回流比为1.23，所得塔顶产品组成为0.95，釜液组成为0.05。料液的处理量为100Kmol/h。料液的平均相对挥发度为3，若进料时蒸汽量占一半，求：①提馏段上升蒸汽量；②自塔顶第2层板上升的蒸汽组成。（①R=1.722；D=50Kmol/h；V=136.1Kmol/h；V’=86.1Kmol/h②y1=0.95;x1=0.86;y2=0.88）38例：某混合物含易挥发组分0.10（摩尔分率，下同），以饱和蒸汽状态加入精馏塔的塔釜，加料量为10Kmol/h，塔顶产品组成为0.90，塔釜排出的残液组成为0.05。（1）画出过程的示意图（2）求:塔顶全凝器的蒸汽冷凝量（3）求:R及塔内的液气比L/V39第五节板式塔一、精馏操作的三大平衡关系1.物料平衡（1）总物料平衡—保证精馏稳定操作的必要条件F=D+W总物料平衡由F、D、W调节40（2）轻组分物料平衡FxF=DxD+WxW，当F、xF、xD、xW一定时，应严格控制采出率D/F、W/F。2.气液平衡：是精馏操作的基础，由操作条件（T、P）及塔板上气液接触情况维持。413.热量平衡：是物料平衡的基础全塔热量平衡：Q入=Q出+Q损各层塔板热量平衡：Q汽化=Q冷凝塔釜加热蒸汽量影响因素塔顶冷凝器冷却水量物料平衡气液平衡42总之：三大平衡相互制约，操作中常以物料平衡的变化为主，相应调节热量平衡，以维持气液平衡。43二、连续精馏操作的异常现象1.雾沫夹带：气量增大时，液滴被带到上一层塔板的现象。主要由空塔气速太大或板间距太小引起。2.液泛：当气量或液量增大时，使降液管内液体不能顺利流下，液体淹到上一层塔板的现象。液泛主要由气相、液相负荷过大引起443.漏液：当气速较小时，液体从塔板上的孔漏下的现象。操作时要控制气相负荷下限，防止漏液现象发生。三、板式塔1、板式塔主要类型2、板式塔的流体力学特性塔设备的性能会影响：产品质量、生产能力、回收率、消耗定额、三废处理和环境保护等方面。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｛板式塔塔板板面分区；溢流形式；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流、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。