化工原理第十章 蒸馏

2020/2/13第十章蒸馏一、蒸馏在工业中的应用二、蒸馏的目的和依据三、蒸馏过程的费用四、蒸馏操作的分类五、与吸收、萃取的比较概述2020/2/13一蒸馏的应用汽油煤油柴油其他油品石油苯甲苯二甲苯等煤焦油非均相混合物的分离（沉降、过滤等）均相混合物的分离（吸收、蒸馏、萃取等）蒸馏主要用于液体产品的精制。eg：2020/2/13目的：对液体混合物的分离，提纯或回收有用组分。依据：液体混合物中各组分挥发性的差异。二蒸馏分离的目的、依据及定义挥发性高（乙醇），称为易挥发组分或轻组分（A）挥发性低（水），称为难挥发组分或重组分（B）蒸馏分离的对象：液体混合物(如酒精水溶液)部分汽化：易挥发组分液相气相部分冷凝：难挥发组分气相液相2020/2/13定义：利用液体混合物中各组分挥发性能的差异，以热能为媒介使其部分汽化(或混合蒸气的部分冷凝)，从而在汽相富集易挥发组分、液相富集难挥发组分，使混合物得以分离的方法称为蒸馏。三蒸馏操作的费用费用包括设备投资费和能耗费，其中加热和冷却费用高，即能耗大。因此降低精馏操作的费用主要通过改变工艺来降低生产的能耗。2020/2/13按蒸馏方式简单蒸馏平衡蒸馏（闪蒸）精馏特殊精馏恒沸蒸馏萃取蒸馏水蒸汽蒸馏较易分离的物系或对分离要求不高的物系难分离的物系很难分离的物系或用普通方法难以分离的物系四蒸馏过程的分类2020/2/13按操作压力常压加压减压一般情况下多用常压常压下不能分离或达不到分离要求混合液中组分数双组分多组分按操作方式间歇连续2020/2/13五与吸收、萃取的比较分离依据挥发性的差异溶解度的差异单元操作蒸馏吸收萃取操作难易操作简便，操作费用在于加热、冷却需加入分离剂，操作费用在于解吸适用性适于各种浓度混合物的分离仅适于低浓气体、液体混合物的分离2020/2/13第十章蒸馏一、双组分溶液的汽液关系二、汽液相平衡三、挥发度和相对挥发度四、非理想溶液第一节二元物系的气液相平衡2020/2/13组分：A、B变量：T、p、xA、yA相数：汽相、液相一定压力下，液相（气相）组成xA(yA)与温度T存在一一对应关系，汽液组成之间xA~yA存在一一对应关系。22cf自由度：1、相律分析一双组分溶液的汽液关系相律是表示平衡物系中的自由度数、相数和独立组分数之间的关系。2020/2/132、理想溶液溶液中同分子间的作用力与异分子间的作用力相等。ABBBAAfff如：甲醇与乙醇，苯和甲苯，二甲苯和对二甲苯理想物系：液相为理想溶液，服从拉乌尔定律；气相为理想气体，服从道尔顿分压定律。2020/2/13B0BBA0AAxppxpp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。对于理想溶液：1.拉乌尔定律（Raoult’sLaw）二气液相平衡2020/2/1300AAAAABBBBB();()ppxftxppxftx0000AABBAAAABB(1)pxpxppxppxp)()()(BAB0B0A0BAtftftfpppppx2、泡点、露点方程：表达了一定总压下液相组成x与溶液泡点之间的关系——————泡点方程汽相压力不高时，可视为理想气体，满足道尔顿分压定律。2020/2/13气液两相平衡组成间的关系：A0AAA0AAAxPpyxppyp气相组成yA与温度（露点）的关系)()()()(BABA0B0A0B0AA0AAtftftfpptfppppppxppy表达了一定总压下汽相组成y与开始冷凝时的温度之间的关系——————露点方程2020/2/133、温度~组成图（t~x~y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、液共存区气相区汽液平衡用相图表示比较直观。2020/2/13从相图中得到如下结论：一定总压的下二元理想溶液：•混合液体的泡点随组成的变化而变化；（随溶液中易挥发组分的含量增加而降低，且介于两纯液体之间）•同温度下，气液两相达平衡，气液量大小由杠杆定律确定；•同组成下，露点高于泡点。2020/2/134、y~x图对角线y=x为辅助曲线；y~x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。蒸馏计算中广泛采用的相图：2020/2/135.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2020/2/13三挥发度与相对挥发度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在液相中的摩尔分数。BBBAAA,xpxp混合液某组分挥发度:1.挥发度意义：是该物质挥发难易程度的标志。定义：气相中某一组分的蒸汽分压和与之平衡的液相中的该组分摩尔分数之比，用符号表示。2020/2/13理想溶液：oooopxxpxppxxpxpBBBBBBBAAAAAAABBAABAxpxp理想气体：BBAAxyxy一般物系：2.相对挥发度(以α表示)(relativevolatility)定义：溶液中两组分挥发度之比。注：习惯上将易挥发组分的挥发度与难挥发组分的挥发度之比称为相对挥发度，α大于1.2020/2/13对于二元物系：yB=1-yAxB=1-xA，忽略角标：即xxy)1(1——相平衡方程0B0App理想溶液：xxyy11则注：α随温度的变化比明显，计算时通常用一平均值进行计算。2020/2/133.平均相对挥发度釜顶m式中α顶——塔顶的相对挥发度α釜——塔釜的相对挥发度4.α的物理意义气相中两组分组成之比是液相中两组分组成之比的倍数；α标志着分离的难易程度；若α1,则yx,可用蒸馏方法分离，且α愈大，平衡线愈远离对角线，物系愈易分离；α=1,无法用普通蒸馏方法分离。2020/2/13非理想溶液最低恒沸点如：乙醇－水，正丙醇－水最高恒沸点如：硝酸－水，氯仿－酮正偏差溶液1＞i负偏差溶液1＜i四非理想溶液2020/2/13第十章蒸馏一、简单蒸馏与平衡蒸馏二、精馏原理三、连续精馏装置流程四、理论板、恒摩尔流第三节蒸馏方式2020/2/13一简单蒸馏和平衡蒸馏1简单蒸馏（1）装置（2）特点:•间歇非定态•一次进料•xD,xW不是一对平衡组成•适合于大的组分•对A部分提出,粗分2020/2/132平衡蒸馏(又叫闪蒸)1.流程2.特点:•一次进料，粗分•xD,xW是一对平衡组成WxWTDxDFxF2020/2/13比较：在相同的原料液浓度及相同釜液的条件下，简单蒸馏所得到的馏出液浓度高于平衡蒸馏，而平衡蒸馏的优点是连续操作，但其分离效果不如间歇操作的简单蒸馏。总结：简单蒸馏和平衡蒸馏一般只能用于对原料的初步分离，但其结果均可使易挥发组分从液相向汽相转移，从而是混合液达到一定程度的分离。2020/2/131、多次部分汽化和多次部分冷凝二精馏原理通过多次部分气化和多次部分冷凝，最终可以获得几乎纯态的易挥发组分和难挥发组分，但得到的气相量和液相量却越来越少。2020/2/132020/2/13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。问题：工业上如何实现？2020/2/132.有回流的多次部分汽化和多次部分冷凝2020/2/13进料板：原料液进入的那层塔板。精馏段：进料板以上的塔段。提馏段：进料板以下（包括进料板）的塔段。三连续精馏装置流程１.连续精馏装置2020/2/132.塔板的作用•塔板提供了汽液分离的场所；•每一块塔板是一个混合分离器；•足够多的板数可使各组分较完全分离。特点：2020/2/13说明：1、下降的液相泡点tn-1与上升的气相露点tn+1不等，当气液平衡时，两相温度相等tn，即传质伴有传热。2、重组分由气相冷凝至液相，放出潜热，轻组分由液相汽化成气相，需要潜热，二者同时发生，潜热抵消；3、气液两相偏离平衡越远，传质过程进行越快。2020/2/13回流的作用：提供不平衡的气液两相，是构成气液两相传质的必要条件。精馏的主要特点就是有回流。3.精馏过程的回流回流包括：塔顶回流液塔底回流汽2020/2/13塔顶回流液回流液：在任意塔板上，上一块塔板下来的液体，轻组分含量高，温度低。2020/2/13塔釜汽相回流回流汽：任意塔板上，下一块塔板上来的汽体，重组分含量高，温度高；2020/2/13四理论板的概念和恒摩尔流假设离开这种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的。假设的条件（1）两组分的摩尔汽化潜热相等；（2）两相接触因两相温度不同而交换的显热可忽略不计；（3）塔设备保温良好，热损失可以忽略不计。2.恒摩尔流假设1.理论板的概念2020/2/13精馏段，每层塔板上升的蒸汽摩尔流量都相等，提馏段也一样。即：V1=V2=······V=常数V1’=V2’=······V’=常数式中：V——精馏段上升蒸汽的摩尔流量，kmol/h;V’——提馏段上升蒸汽的摩尔流量，kmol/h。（下标1、2······表示自上而下的塔板序号。）（1）恒摩尔汽化2020/2/13精馏段内，每层塔板下降的液体摩尔流量都相等，提馏段也一样。即：L1=L2=······L=常数L1’=L2’=······L’=常数式中L——精馏段下降液体的摩尔流量，kmol/h;L’——提馏段下降液体的摩尔流量，kmol/h。（下标1、2······表示自上而下的塔板序号。）（2）恒摩尔溢流2020/2/13第十章蒸馏一、全塔物料衡算二、精馏段操作线方程三、提馏段操作线方程四、进料热状况的影响五、进料方程（q线方程）第四节二元连续精馏的分析和计算2020/2/131）根据分离任务，确定产品流量D，W；2）选择操作条件R、进料状态；3）确定塔板数及加料位置；4）选择塔型，确定塔径，塔内结构尺寸，流体力学验算；5）冷凝器及再沸器热负荷及设计计算。设计目标:一全塔物料衡算2020/2/13WDFWxDxFxWDF塔顶采出率WDWFxxxxFD塔底采出率FDFW1F,xFD,xDW,xW全塔物料衡算F、D、W——kmol/hxF、xD、xW——摩尔分率2020/2/13%100FDAFxDx塔顶易挥发组分回收率塔底难挥发组分回收率%100)1()1(FWBxFxW例：将5000kg/h含乙醇0.4（摩尔分数，下同）和水0.6的混合液在常压连续精馏塔中分离。要求馏出液含乙醇0.85，釜液含乙醇不高于0.02，求馏出液，釜液的流量及塔顶易挥发组分的回收率。2020/2/13二精馏段操作线方程Dn1nDxLxVyDLVDnDn1nxDLDxDLLxVDxVLy11Dn1nRxxRRy令——回流比DLR——精馏段操作线方程2020/2/13精馏段操作线:当R,D,xD为一定值时,该操作线为一直线.斜率:VLRR1截距:1DRxyx1DRxxD操作线为过点（xD，xD）画操作线过程如下:2020/2/13三提馏段操作线方程W1m'm'''WxyVxLWVLwmwm1m''''''xWLWxWLLxVWxVLy——提馏段操作线方程2020/2/13xW•意义：提馏段ym＋1＝f（xm）•提馏段操作线为•过点（xW，xW）''VL•斜率：截距:V'WxW-yxxD1DRxxFabq2020/2/13例将含0.24（摩尔分数，下同）易挥发组分的某液体混合物送入一连续精馏塔中。要求馏出液含0.95易挥发组分，釜液含0.03易挥发组分。送入冷凝器的蒸汽量为850kmol/h，流入精馏塔的回流液为670kmol/h，试求：1．每小时能获得多少kmol/h的馏出液？多少kmol/h的釜液？2.回流比R为多少？3.写出精馏段操作线方程。2020/2/13例题：在一连续操作的精馏塔中，某混合液流量为5000kg/h，其中轻组