精馏

化工原理内容回顾与索引化工生产过程是将原料进行一系列化学和物理处理，生产出预期产品，并获得附加价值的过程。大体上分为三部分：原料的预处理、反应、产品的分离和加工。存在共同的物理过程，称为单元操作或单元过程单元过程分类传动：流体输送、沉降、过滤、流态化传热：加热、冷却、蒸发传质：蒸馏、吸收、萃取、干燥、结晶平时考核一．考勤方式：全体考勤与部分考勤相结合；点名与课堂作业相结合；二．作业评定成绩时，版面是否整洁，表达是否清晰占一定比例；三．考试资格的审查有下列情况之一者，不得参加考试：1.学期旷课、缺课累计超过该门课教学时数1/3者；2.期缺交作业（含实验报告）次数超过该门课程作业总数1/3者。1．期末考试占70分考试成绩×70%2．考勤和平时作业占30分成绩评定第一章精馏蒸馏概述双组分溶液的气液相平衡平衡蒸馏与简单蒸馏精馏精馏原理物料衡算精馏塔操作线方程5种加料热状态理论板计算：计算法，阶梯法精馏段提馏段混合物的分离是化工生产中的重要过程。混合物可分为非均相物系和均相物系。非均相物系的分离主要依靠质点运动与液体流动原理实现分离。而化工中遇到的大多是均相混合物。均相物质不能采用机械分离的方法（如乙醇与水）分离条件是必须造成一个两相物系，然后依据物系中不同组分间某种物性的差异，使其中某个组分或某些组分从一相向另一相转移，以达到分离的目的。第一节概述化工生产中常见的传质过程有蒸馏、吸收、萃取和干燥等单元操作。如：不同组分其挥发难易度不同，使易挥发组分在气相中富集，难挥发组分在液相中富集，直到达到气液平衡。第一节概述(1)质量传递过程（传质过程）：由浓度差引起的物质在相际间的传质过程。1、定义1、定义（2）蒸馏：利用液体混合物中各组分挥发性的差异而将组分分离的传质过程。为一次部分气化分离混合物；（3）精馏：多次部分汽化，多次部分冷凝。用浓度表示组分的变化。易挥发组分：沸点低的组分，用A表示，yA，xA难挥发组分：沸点高的组分，用B表示，yB，xBy与x的关系无法确定，通常达到平衡时关系才确定第一节概述（1）通过蒸馏操作，可以直接获得所需要的产品，而吸收和萃取还需要如其它组分；（2）蒸馏分离应用较广泛，历史悠久；（3）能耗大，在生产过程中产生大量的气相或液相。第一节概述2、蒸馏分离的特点第一节概述3、蒸馏的分类第一节概述1）简单蒸馏是间歇、不稳定的，要考虑到成本、产率，需要进行经济核算；蒸发时，第一滴的浓度最高，随着蒸馏的进行，x减少，y减少；提高蒸馏浓度，可以在设备的出口处加一部分冷凝器，难挥发组分就冷凝的多，可以提高产品的质量，但设备成本增加。第一节概述混合液经加热器升温后液体温度高于分液器压强下的液体沸点，然后通过减压阀使其降压后进入分离器中，这时过热的液体混合物即被部分气化，平衡的气液两相在分离器中得到分离，将分离器又称为闪蒸罐（塔）2）闪蒸是一种单极的平衡操作，连续或间歇、稳定的。例如：高压锅，冷却后才可以打开第一节概述3）精馏4）特殊精馏：第一节概述多次部分气化与冷凝的过程，可以使混合液得到几乎完全分离，是常压下、连续、双组分的蒸馏；例如：苯─甲苯，乙醇─正丙醇，乙醇─水物性相似，沸点（80.1℃,110.8℃），空间结构不同萃取精馏——苯─环己烷，沸点相近(80.1℃,80.6℃)，加入萃取剂糠醛改变组分间的挥发度；5）蒸发与蒸馏的区别蒸发——A组分挥发，B组分不挥发，供热就分离；蒸馏——A，B均挥发，存在一个平衡关系！恒沸精馏——工业酒精的提纯，加入夹带剂苯，形成三元非均相恒沸液；第一节概述第二节两组分溶液的气液平衡1-2-1两组分理想物系的气液平衡相律是研究相平衡的基本规律。表示平衡物系中自由度数、相数及独立组分数间的关系，即：F=C–P+2式中F—自由度数；C—独立组分数；P—相数；2表示外界只有温度和压力这两个条件可以影响物系的平衡状态。一、相律若三个变量固定(t，P，x或y)，则该物系只有一个独立变量（x或y)，其它变量都是它的函数，那么两组分的气液平衡可以用一定压强下的t—x(或y)，及x—y的函数关系或相图表示。对于两组分的气液平衡物系，F=2–2+2=2气液平衡中可以变化的参数有4个：t，P，x，y第二节两组分溶液的气液平衡1）用饱和蒸气压和相平衡常数表示气液平衡关系二、两组分理想物系的气液平衡关系理想物系：液相为理想溶液、气相为理想气体的物系。遵循拉乌尔定律遵循道尔顿定律对于性质极相近、分子结构相似的组分所组成的溶液可视为理想溶液拉乌尔定律：理想溶液中某组分的蒸汽压等于该组分同温度下的纯组分饱和蒸汽压与溶液中该组分的摩尔分率的乘积。AP式中—溶液中组分A的蒸汽压；即溶液上方组分A的平衡分压，Pa；—纯组分A的饱和蒸汽压，Pa；—组分A的液相摩尔分率；Ax0AP那么：A—易挥发组分；B—难挥发组分。00AAAAPPxPx00(1)BBBBPPxPx二、两组分理想物系的气液平衡关系当溶液沸腾时，溶液上方的总压等于各组分的蒸气压之和;00(1)ABABPPPPxPx000BABPPxPP00000AAABAAABPPPPPyxPPPPP当外压不太高时，平衡的气相可视为理想气体，遵循道尔顿分压定律，即上式为由拉乌尔定律表示的气液平衡下液相组成与温度间关系——K为相平衡常数，并非常数，随温度而变。AAAyKx1)用饱和蒸气压和相平衡常数表示气液平衡关系上式为由道尔顿分压定律表示的气液平衡下气相组成与平衡温度间关系纯组分的饱和蒸气压与温度t的关系可由安托因（Antoine）方程计算或从手册中查式中A、B、C为组分的安托因常数，可由有关手册查得。0lgBPAtC1)用饱和蒸气压和相平衡常数表示气液平衡关系2）用相对挥发度表示气液平衡关系（1）挥发度•对纯液体，挥发度指该液体在一定温度下的饱和蒸汽压•对混合液，各组分的挥发度可用它在蒸气中的分压和与之平衡的液相中的摩尔分数之比表示，即0AAP0BBvPiiiPx（2）相对挥发度：溶液中易挥发组分的挥发度与难挥发组分的挥发度之比，用α表示。////AAAAAABBBBBBBAPxPyxyxvPxPyxyx操作压强不高相对挥发度的数值可由实验测得对理想溶液：当温度变化时，两者的变化不大，一般可将α视为常数，计算时可取操作温度范围内的平均值。00AABBPvP3）气液平衡方程对于两组分溶液，当总压不高时，由于(1)=(1)ABBAyxyxyxyx1(1)xyax3）气液平衡方程α＞1时，组分A较B易挥发，可以用蒸馏方法分离。α=1时，不能用普通蒸馏的方法分离混合液。α1时，挥发度差异愈大，愈有利于蒸馏操作。a可作为混合液能否用蒸馏方法分离以及分离难易程度的判据。——气液平衡方程1(1)xyax对于非理想物系，α不能作为常数处理。对于理想溶液，相对挥发度α变化不大，可取一平均值作为常数处理，相平衡关系简单。常压下苯、甲苯的相对挥发度随温度的变化★温度对α的影响★压力对相平衡的影响P↑，t↑，↓，对分离不利，P↓，t↓，↑，对分离有利。蒸馏压力的选择，优先考虑采用常压操作，只在特殊情况下采用加压（处理量增加，塔径不够）或减压（热敏性物料）。可忽略不计。的影响，其对变化小于　当%30p（没有第三种组分，压力的变化会影响到温度）yxpptBA，，总压一定时，给定00三、两组分理想溶液的汽液平衡相图三、两组分理想溶液的汽液平衡相图蒸馏操作通常是在一定的外压下进行，溶液的平衡温度随组成而变。溶液的平衡温度—组成图是分析蒸馏原理的基础。1、温度—组成(t–x–y图)温度T℃x(y1)x越大，易挥发组分的含量越高，泡点温度越低。y越大，易挥发组分含量越高，露点温度越低。沸点露点泡点1、温度—组成(t–x–y图)从过冷液体至过热气体的变化过程说明：（1）部分汽化和部分冷凝均可起到分离作用；（2）全部汽化和全部冷凝没有分离作用；（3）不断的部分汽化和冷凝可使分离程度不断提高；（4）蒸馏操作应处于汽液两相区内。二元混合物与纯液体的差别：（1）泡点与浓度有关，其值在A，B组分沸点范围之内。（2）总组成相同，其泡点和露点（冷凝点）温度不同。2气、液平衡组成的x-y图从t-x-y图标绘：略去温度坐标，依x-y的对应关系做图，得x-y图。•平衡线位于对角线的上方，平衡线偏离对角线愈远，表示该溶液愈易分离。2气、液平衡组成的x-y图1-2-2两组分非理想物系的气液平衡非理想溶液的平衡分压可用修正的拉乌尔定律表示，即：如：乙醇－水，正丙醇－水非理想溶液最低恒沸点最高恒沸点如：硝酸－水，氯仿－酮正偏差溶液负偏差溶液γi1γi10AAAAPxyP0AAAAPPx0BBBBPPx当总压不高时，气相为理想气体，则平衡气相组成为：第三节平衡蒸馏和简单蒸馏平衡蒸馏又称为闪蒸，是一种单级蒸馏操作，常以连续方式进行。原料连续进入加热器中，加热到一定温度后经节流阀减到规定的压力，部分液体迅速汽化，汽液两相在分离器中分开。由于汽液两相成平衡状态，所以称为平衡蒸馏。1平衡蒸馏平衡蒸馏原理将混合液在压力p1下加热，然后通过减压阀使压力降低至p2后进入分离器。过热液体混合物在分离器中部分汽化，将平衡的气、液两相分别从分离器的顶部、底部引出，即实现了混合液的初步分离。平衡蒸馏的原理平衡蒸馏为单级蒸馏操作。闪蒸原料液在蒸馏釜中通过间接加热使之部分汽化，产生的蒸气进入冷凝器中冷凝，冷凝液作为馏出液产品排入接受器中。在一批操作中，馏出液可分段收集，以得到不同组成的馏出液。简单蒸馏为间歇、单级蒸馏操作。微分蒸馏2简单蒸馏第三节平衡蒸馏和简单蒸馏2简单蒸馏第三节平衡蒸馏和简单蒸馏简单蒸馏多用于混合液的初步分离，通常当馏出液平均组成或釜残液组成降至某规定值后，即停止蒸馏操作。蒸馏是一个非稳态过程，虽然瞬间形成的蒸气与液体可视为互相平衡，但形成的全部蒸气并不与剩余液体相平衡。因此，简单蒸馏的计算应该作微分衡算。1.简单蒸馏的特点①间歇操作过程。②非稳态过程。③单级过程，无塔段。2.简单蒸馏的应用场合①液体混合物的初步分离。②测油品的沸程恩式蒸馏。③某些料液的脱色。第四节精馏4-1精馏原理与流程4-2物料衡算和操作线方程4-3理论板层数的求法4-4双组分精馏的设计型计算4-5塔高和塔径的计算4-1精馏原理和流程4-1-1精馏过程原理1、多次部分汽化和多次部分冷凝精馏原理：精馏塔中蒸汽自下而上流动，液体自上而下流动。汽液两相在塔板上接触并分开。接触时汽相的热传递给液体，使液体易挥发组分部分汽化传质到汽相中；而汽相被液体冷凝使汽相中的难挥发组分部分冷凝转入到液相中。精馏塔模型塔板上的操作情况4-1精馏原理和流程精馏与平衡蒸馏之区别在于是否需要外界换热。回流是保证精馏过程连续稳定操作的必要条件。于是，经过多次部分汽化和部分冷凝，最后在塔顶得到高纯度的轻组分，而在塔底获得高纯度的重组分，达到较完善的分离程度。汽相与液相离开后，汽相中的易挥发组分浓度高，液相中难挥发组分提高。2、精馏是多次部分汽化与多次部分冷凝的联合操作•精馏塔由若干块塔板构成，每块塔板均为理论板，其上温度为泡点；塔板——中间再沸器和中间部分冷凝器液流——冷却剂汽流——热源，4-1-1精馏过程原理和条件塔板操作分析1ntnt1nttn-1tntn+11nxnx1nx1nynyyn-1ynyn+1xn+1xnxn-11ny精馏塔除了塔板外，在塔顶还有冷凝器，在塔底还有再沸器。再沸器的作用是提供一定量的上升蒸气流，冷凝器的作用是提供塔顶液相产品及保证有适宜的液相回流，因而使精馏能连续进行。塔顶如果没有回流液体返回精馏塔，则塔顶最上一层塔板的传质就无法进行，同样塔底如果没有上升蒸汽返回精馏塔，则塔底最下一层塔板的传质也无法进行。4-1-1精馏过程原理和条件精馏塔的精馏过程进料板精馏段提馏段1、采用多次部分汽化和多次部分冷凝的方法对液体混合物进行高