第六章 蒸馏技术.

本章主要内容：§6.1概述§6.2双组分物系的汽液相平衡more§6.3平衡蒸馏和简单蒸馏more§6.4精馏原理和流程more§6.5双组分连续精馏的计算more物料衡算与操作线方程more进料热状况对两段物料分配的影响more理论板数的计算more回流比对精馏操作的影响more塔高塔径计算/热量衡算more§6.6间歇精馏more§6.7恒沸精馏和萃取精馏原理及流程more§6.8多组分精馏more关键组分的概念more习题思考题本章重点:常压下双组分连续精馏原理与计算。第六章蒸馏•酿造战国时期保存在铜壶中的酒——保留至今中国最早的古酒16世纪欧洲的酒精蒸馏装置蒸馏XO之源，XO之本轩尼诗XO国酒茅台酒蒸馏酒酒精为alcohol，就是阿拉伯语中“蒸馏”蒸馏轩尼诗XO茅台酒葡萄高粱蒸馏发酵八次发酵，八次蒸馏蒸馏发酵蒸馏§6.1引言蒸馏——均相液体混合物的典型分离方法。基本原理——加热形成汽液两相物系，利用物系中各组分的挥发度差异实现分离。特点1)无需外加其它组分,无需后续分离;2)也可用于均相气体、均相固体混合物的分离；3)能耗高，操作设备要求高。蒸馏的分类：操作流程(间歇、连续)蒸馏方式(简单蒸馏、平衡蒸馏、精馏、特殊精馏)操作压强(常压、减压、加压)待分组分(双组分、多组分)§6蒸馏§6.2双组分物系的汽液相平衡(挥发度理论)6.2.1两组分理想物系的相平衡关系一.相律(见物理化学)F=C–φ+2(6-1)式中F——物系的自由度数目；C——物系的独立组分数；φ——物系的相数.两组分汽液两相物系：C=2,φ=2,因此,F＝2。即:t、P、x、y四个参数中只有两个是独立的,当操作压力恒定时,该物系只有一个自由度。两组分汽液平衡的表示方法：t-x–y关系(p恒定)x-y关系(p恒定)§6蒸馏Root理想物系：①液相为理想溶液；②气相为理想气体。理想溶液：性质、分子结构相近的组分组成的液体。理想气体：总压不太高(≤10MPa)的气体。二.两组分理想物系的汽液平衡关系1.用饱和蒸汽压、相平衡常数表示的汽液平衡关系根据拉乌尔定律，理想溶液上方的平衡分压)1(000ABBBBAAAxpxppxpp(6-2)溶液沸腾时，系统总压P＝pA+pB(6-3)4)-(6000BABApppPxx)5-(60axPpyyAAA联解(6-2)、(6-3)，得§6-2双组分物系的汽液相平衡相平衡常数KA,其实并非常数,随温度及物系总压而变化。纯组分的p0-t关系，可用Antoine方程描述：8)-(6ln0tCBAp式中，A、B、C为常数，随物质不同而不同。从有关手册中查取时，应注意：①p0和t的单位；②是常用对数还是自然对数。引入相平衡常数：)7-(60aPpKAA则，7)-(6AAAxKyxKyA或二.两组分理想物系的汽液平衡关系2.用相对挥发度α表示的汽液平衡关系两组分溶液中，组分A、B的挥发度9)-(6,BBBAAAxpvxpv对理想溶液，)9-(6,Bapvpv0B0AA由于挥发度vA、vB均随温度变化，使用不方便，为此引入相对挥发度——α定义式10)-(61BBAABAxpxpvv系统总压不高时，PypPypBBAA,由此，可得到相对挥发度的计算式：11)-(6BBAABBAAxyxyxPyxPy相对挥发度α数值可由实验测得。二.两组分理想物系的汽液平衡关系对于理想溶液，12)-(60B0App理想溶液的α值随温度变化不大，一般可看作常数。计算时，取操作温度范围的平均值。对于双组分物系，BABAxxyy略去下标，11xxyy解出y，13)-(6)1(1xxy或)13-(6)1(ayyx二.两组分理想物系的汽液平衡关系三.两组分理想溶液的汽液平衡相图用相图表达平衡关系直观、清晰，图解方便。常用的相图有两种：t-x-y图(用于分析原理)x-y图(用于图解)1.温度组成图(t-x-y图)构成要素：一组坐标(x,y,t)两个点(A,B)两条线(te-x,td-y)三个区五种状态10xyx,yP=101.33kPat,℃tBA汽液共存区过热蒸汽区冷液区图6-1苯-甲苯的t-x-y图应用：①蒸馏操作区：共存区②t,x,y三者知其中之一，便可知其余。§6.2双组分物系的汽液相平衡2.汽液组成图(x-y图)可通过t-x-y图作出。由x-y图可以看出：①曲线始终位于直线y＝x的上方，即y＞x。②α值越大,曲线偏离y=x越远；该物系通过蒸馏分离就越容易,反之亦然。③总压变化,曲线理论上也变化。总压变化不大时,外压影响可以忽略。④对于理想物系,可以证明:x-y图对称于直线x+y=1.三.两组分理想溶液的汽液平衡相图.01.00.20.40.60.8....0.20.40.60.81.0yxα1αα2图6-2苯-甲苯的x-y图P=101.33kPaα1＜α＜α2...6.2.2两组分非理想物系的汽液平衡关系由图可见：泡点线与露点线在最低温度时交汇于M点，混合液体蒸馏分离至该点时，分离无法继续。由于M点不是纯组分点，因此称为最低恒沸点。最典型的是乙醇－水溶液,其t-x-y图如右。一.具有最低恒沸点的溶液常压下,乙醇－水溶液体系恒沸点的温度为78.15℃,对应的组成为y=0.894(乙醇的mol分率),乙醇的质量分率约为95％.M●1000.89478.15t/℃图6-3乙醇-水的t-x-y图露点线泡点线P=101.33kPa§6.2双组分物系的汽液相平衡二.具有最高恒沸点的溶液图6-6硝酸-水溶液的x-y图....01.00.20.40.60.8....0.20.40.60.81.0yxP=101.33kPaN●以硝酸-水溶液为例，其x-y图如右所示。泡点与露点在N点重合，此时,x=y=0.383,普通蒸馏到此无法继续。该点在t-x-y图上对应温度最高(121.9℃)，故N点称为最高恒沸点。恒沸物系x-y图上，相平衡曲线有一部分处于参考线y=x的下方，其“相对挥发度”α并非常数。恒沸物系在恒沸点的组成随总压P而变化。参见表6-1.6.2.2两组分非理想物系的汽液平衡关系三.汽液平衡关系数据的获取汽液平衡关系是解决蒸馏理论计算的基本依据，可以有不同的表示方法，用于不同的场合。汽液平衡关系数据获取途径有：1)查阅手册；2)实验测定；3)公式估算；4)实验＋公式估算【例题6-1】计算汽液平衡数据(x,y)。详见教材P8-9.解：方法1)利用拉乌尔定律计算汽液平衡数据，并绘制t-x-y图。方法2)计算相对挥发度α，给出y=f(α,x)。6.2.2两组分非理想物系的汽液平衡关系Root§6.3平衡蒸馏与简单蒸馏6.3.1平衡蒸馏（闪蒸）闪蒸操作：进料↓加热↓减压↓部分汽化Q加热器减压阀汽相产品D,y液相产品W,x闪蒸罐图6-7平衡蒸馏装置原料F,xF§6蒸馏t,℃10xyx,yP=consttBA汽液共存区过热蒸汽区冷液区闪蒸的工作原理xF闪蒸工作原理闪蒸就是一次部分汽化。组成为xF的原料经过一次汽化后，馏出物中轻组分浓度得到提高，即y＞xF；同时，釜液中轻组分浓度得到降低，x＜xF所以有x＜xF＜y§6-3平衡蒸馏与简单蒸馏一.物料衡算式(6-18)称为闪蒸操作线方程,在x–y图上为一条通过(xF,xF)点截距为xF/(1－q)的直线。总物料衡算F=D+W轻组份衡算FxF=Dy+Wx(6-16)联解，得)(1FxDFxDFy于是18)-(611qxxqqyF式中W/F=q——液化分率D/F=1－q——汽化分率闪蒸操作线示意图1.0yxP=constB1.00ExFyxxF/(1-q)xF/q平衡蒸馏二.热量衡算热量计算就是加热器的热负荷计算。是设计换热器、安排生产能源的主要依据。忽略热损失，对加热器作热量衡算，即可得到加热器的热负荷QQ=FCP(T-tF)(6-19)闪蒸时，物料放出的显热＝部分汽化所需的潜热即FCP(T－te)=(1－q)Fr=Dr解出预热温度T21)-(61peCrqtT)(平衡蒸馏三.闪蒸理论计算依据1)相平衡关系:①x–y图或13)-(61)(1xxy②t–x–y图te=f(x)或td=f(y)2)闪蒸操作线方程18)-(611xqqqxyF方法1)运用公式计算；操作方程与相平衡关系y=f(x)联解,可得到馏出液组成xD及釜残液组成xW。2)图解方法参见【例题6-2】。【例题6-2】详见教材P11.已知：xF=0.5,1-q=0.6,x-y图，te-x图求：x,y,te§6.3平衡蒸馏与简单蒸馏原料液蒸汽蒸馏釜冷凝器接受器馏出物釜残液图6-8简单蒸馏装置6.3.2简单蒸馏(微分蒸馏)简单蒸馏是一种间歇式蒸馏操作.一.概述系统构成蒸馏釜冷凝器接受器操作原理原料F(kmol,组成为x1)一次性进入；蒸馏开始釜中液体Fx1↓↓釜残液Wx2馏出物：0→Dy0↓平均组成为y§6-3平衡蒸馏与简单蒸馏二.简单蒸馏计算假设某瞬间釜液量为L(kmol)、组成为x,经时间dτ后,釜液增量为-dL,轻组分组成增量为-dx;馏出液中的轻组分组成为y;微分操作方程xydxLdL忽略二阶微量dxdL，整理得对轻组分作物料衡算：23)-(6ydLdxxdLLLx))((初值条件：L＝F，x＝x1；终值条件：L＝W，x＝x2积分操作方程1224)-(6xxxydxWFln代入初值、终值条件，积分得6.3.2简单蒸馏(L,x)(L-dL,x-dx)时刻后d(dL,y)+根据相平衡关系y=f(x)的表达方式，分以下三种情况：釜残液组成的计算:1)y=f(x)以相图或数表形式给出，→数值积分方法全过程轻组分物料衡算式21xDWxDFy21WxyDFx馏出液平均组成：y【例题6-3】详见教材P13.6.3.2简单蒸馏2)xxy)(11]ln[lnln12211111xxxxWF3)y=mx+b；第三种情形只能是在局部近似成立bxmbxmmWF211111)()(lnln例1：在常压下对苯与甲苯二元理想溶液分别进行平衡蒸馏与简单蒸馏。若原料液中苯的浓度为0.5（摩尔分率）。物系的相对挥发度为2.47。试求：1）用平衡蒸馏方法分离，当汽化率为0.4时，釜液与馏出液的组成。2）用简单蒸馏方法分离，使釜液浓度与平衡蒸馏相同，所得馏出物中苯的平均组成。解：1）xxxxy47.1147.2)1(1因为汽化率1-q=0.4，q=0.6物料衡算式为：11qxxqqyF16.05.016.06.0x25.15.1x634.0,411.0yx2）简单蒸馏终了时的釜液浓度与平衡蒸馏时相同411.02x122111lnln11lnxxxxWF5.01411.01ln47.2411.05.0ln47.114088.0505.1WF设馏出液的平均组成为y21WxFxyDWFWxFxy21FWxFWx121505.111505.1411.05.0676.0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。简单蒸馏与平衡蒸馏的比较6.3.2简单蒸馏简单蒸馏适用的情形：1)原料处理量不大、来源不定期、且分离要求较高2)实验室用来作试验研究Root当原料液组成相同，相平衡关系相同时指标平衡蒸馏简单蒸馏分离效果差好过程特征定常时变操作方式连续分批生产能力高低单产能耗低高单产成本低高§6.4精馏原理和流程6.4.1精馏过程原理和条件§6蒸馏本节以两组分的混合物系为研究对象，在分析简单蒸馏的基础上，通过比较和引申，讲解精馏的操作原理及其实现的方法，从而理解和掌握精馏与简单蒸馏的区别（包括：原理、操作、结果等方面）。6.4.1.1简单蒸馏的操作和结果以苯-甲苯混合液为例，图6-9为其装置和流程简图，其t-x-y