精馏讲义PPT

第五章蒸馏质量传递热量传递动量传递三传非均相混合物均相混合物分离场、电场、磁场等加场，如浓度场、温度加入能量分离剂加入另外一种物质作为方法利用某种性质分离过程在全厂的设备投资费和操作费上占很大比重。对一典型的化工厂，分离设备的投资占60-70％，分离过程的能耗约占30％。概述（Introduction）§5.1概述一、均相与非均相物系的分离依据AB溶液（A+B）加热气相混合物yAxA二、实验室蒸馏操作：1.工作原理:利用液体混合物中各组分(component)挥发性(volatility)差异，以热能为媒介使其部分汽化从而在汽相富集轻组分液相富集重组分而分离的方法。闪蒸罐塔顶产品yAxA加热器原料液塔底产品QBABAAAxxyyxy或减压阀二、蒸馏二、实验室蒸馏操作：2、实验室蒸馏操作3、平衡蒸馏与简单蒸馏1.平衡蒸馏闪蒸罐塔顶产品yAxA加热器原料液塔底产品Q减压阀2.简单蒸馏yx蒸气xD1xD2xD3冷凝器蒸馏操作实例：石油炼制中使用的250万吨常减压装置概述（Introduction）许多生产工艺常常涉及到互溶液体混合物的分离问题，如石油炼制品的切割，有机合成产品的提纯，溶剂回收和废液排放前的达标处理等等。分离的方法有多种，工业上最常用的是蒸馏或精馏。4.蒸馏操作的用途间歇精馏：多用于小批量生产或某些有特殊要求的场合。连续精馏：多用于大批量工业生产中。概述（Introduction）本章着重讨论常压下双组分连续精馏。5.蒸馏的分类常压蒸馏：蒸馏在常压下进行。减压蒸馏：常压下物系沸点较高或热敏性物质不能承受高温的情况加压蒸馏：常压下为气体的物系精馏分离，加压提高混合物的沸点.多组分精馏：例如原油的分离。双组分精馏：如乙醇-水体系,苯-甲苯体系等。简单蒸馏或平衡蒸馏：用在分离要求不高的情况下。精馏：分离纯度要求很高时采用。特殊精馏：混合物中各组分挥发性相差很小，难以用普通精馏分离，借助某些特殊手段进行的精馏。6.1双组分溶液的气液相平衡关系(Vapor-liquidequilibriainbinarysystems)6.1.1理想溶液的汽液平衡——拉乌尔（Raoult）定律蒸馏分离的物系由加热至沸腾的液相和产生的蒸汽相构成。相平衡关系是蒸馏过程分析的重要基础。液相为理想溶液、汽相为理想气体的物系。理想溶液服从拉乌尔（Raoult）定律，理想气体服从理想气体定律或道尔顿分压定律。根据拉乌尔定律，两组分物系理想溶液上方的平衡蒸汽压为AAAxppBBBxpp式中：poA、poB——溶液温度下纯组分饱和蒸汽压。理想物系：溶液沸腾时，溶液上方的总压应等于各组分分压之和，即泡点方程（bubble-pointequation）A、B、C为安托因常数，可由相关的手册查到。ABAABAxpxpppP100000BABApppPxCtBAp0logpoA、poB取决于溶液沸腾温度，上式表达一定总压下液相组成与溶液泡点温度关系。已知溶液的泡点可由上式计算液相组成；反之，已知溶液组成也可算出溶液泡点。纯组分饱和蒸汽压与温度的关系，用安托因（Antoine）方程表示：6.1双组分溶液的气液相平衡关系当汽相为理想气体时PxpPpyAAAA00000BABAApppPPpy上式为一定总压下汽相组成与温度的关系式。该温度又称为露点（dew-point），上式又称为露点方程。严格地说没有完全理想的物系。对那些性质相近、结构相似的组分所组成的溶液，如苯-甲苯，甲醇-乙醇等，可视为理想溶液；若汽相压力不太高，可视为理想气体，则物系可视为理想物系。000BABApppPx对非理想物系不能简单地使用上述定律。汽液相平衡数据更多地依靠实验测定。6.1双组分溶液的气液相平衡关系6.2.2汽液相平衡图（equilibriumdiagram）根据相律，双组分两相物系自由度为2，即相平衡时，在温度t、压强P汽相组成x和液相组成y这四个变量中，只有两个独立变量。若物系的温度和压强一定，汽液两相的组成就一定；若压强和某相的组成一定，则物系的温度和另一相组成将被唯一确定。双组分汽液相平衡关系可由某变量与另两个独立变量的函数关系表达。相图、相平衡常数或相对挥发度是常用的三种汽液相平衡关系。双组分汽液两相，当固定一个独立变量，可用二维坐标中的曲线图来表示两相的平衡关系，称为相图。相图有压强一定的温度-组成T-x(y)图、液相组成和汽相组成x-y图，以及温度一定的压强-组成p-x图。6.1双组分溶液的气液相平衡关系汽液相平衡图（equilibriumdiagram）6.1双组分溶液的气液相平衡关系1.T-x(y)图T-x(y)图代表的是在总压P一定的条件下，相平衡时汽（液）相组成与温度的关系。在总压一定的条件下，将组成为xf的溶液加热至该溶液的泡点tA，产生第一个气泡的组成为yA。继续加热，随温度升高，物系变为互成平衡的汽液两相，两相温度相同组成分别为yA和xA。t/Cx(y)01.0露点线泡点线露点泡点xAyAxf气相区液相区两相区当温度达到该溶液的露点，溶液全部汽化成为组成为yA=xf的气相，最后一滴液相的组成为xA。6.1双组分溶液的气液相平衡关系乙醇-水溶液物系的泡点线和露点线在M点重合，该点溶液的泡点比两纯组分的沸点都低，这是因为该溶液为具有较大正偏差的溶液，组成在M点时两组分的蒸汽压之和出现最大值。M点称为恒沸点，具有这一特征的溶液称为具有最低恒沸点的溶液。常压下，乙醇-水物系恒沸组成摩尔分数为0.894，相应温度为78.15℃(纯乙醇为78.3℃)。与之相反，硝酸-水溶液为负偏差较大的溶液，在硝酸摩尔分数为0.383时，两组分的蒸汽压之和最低，T-x(y)图上对应出现一最高恒沸点（M点），其沸点为121.9℃。此溶液称为具有最高恒沸点的溶液。在恒沸点时汽液两相组成相同，用一般的蒸馏方法不能实现该组成下混合溶液的分离。6.1双组分溶液的气液相平衡关系2.x-y图x-y图代表在总压一定下，液相组成和与之成平衡的汽相组成的关系。x-y图可通过T-x(y)图作出，图中对角线(y=x)为一参考线。大多数溶液，两相平衡时，y总是大于x，平衡线位于对角线上方。平衡线偏离对角线越远，该溶液越易分离。恒沸点时，x-y线与对角线相交，该点处汽液相组成相等。6.1双组分溶液的气液相平衡关系3.汽液平衡关系式的表示方法相平衡常数（distributioncoefficient）汽液两相平衡组成常用相平衡常数K或相对挥发的关系式来表达。Ki表示i组分的相平衡常数，其定义为式中：yi和xi分别表示i组分在互为平衡的汽、液两相中的摩尔分数。对于易挥发组分，Ki1，即yixi。Ki值越大，组分在汽、液两相中的摩尔分数相差越大，分离也越容易。iiixyK6.1双组分溶液的气液相平衡关系气（汽）液相平衡时，两相的温度和压强相等，每个组分在两相中的逸度（fugacity）相等，即对非理想物系，气（汽）、液相的逸度服从下列方程：式中：pio—纯组分i的饱和蒸汽压；io—纯组分i的逸度系数；ViL—纯液体i的摩尔体积。LiGiffˆˆiiGiPyfˆiiLiLixffˆRTpPVpfiLiiiLi000exp式中：i—气（汽）相i组分的逸度系数；i—液相i组分的活度系数；fiL—纯液体i在系统温度、压力下的逸度，可由下式计算波印丁（Poynting）校正因子6.1双组分溶液的气液相平衡关系根据相平衡常数的定义式中i，i的计算与气（汽）相组成和液相组成有关，相平衡常数K不仅与系统温度、压强有关，也与组成有关。当系统压力较低，气相近似为理想气体时，气相逸度系数i接近于1，波印丁因子也接近于1，有iiLiiiiPfxyKiiiPpK0PpKii0若液相也为理想溶液，液相的活度系数就等于1，则液相为非理想溶液，汽相为理想气体的相平衡常数计算式此式即为拉乌尔定律表达式。对多组分物系汽液平衡关系的计算，应用相平衡常数比较方便。6.1双组分溶液的气液相平衡关系溶液中各组分的挥发性由挥发度来量衡，定义为组分在汽相中的平衡蒸汽压与在液相中的摩尔分数的比值。对双组分物系对纯组分液体，其挥发度就等于该温度下液体的饱和蒸汽压。溶液中两组分挥发度之比称为相对挥发度，用表示BBBAAAxpxpBBAABAxpxpBABABABBAAKKxxyyxPyxPy当操作压强不高，气相服从道尔顿分压定律时，上式可改写为大小可以判断能否用蒸馏方法加以分离以及分离的难易程度。6.1双组分溶液的气液相平衡关系6.1.3相对挥发度（Relativevolatility）对双组分物系有yB=1-yA，xB=1-xA，代入并略去下标A可得——相平衡方程对理想溶液，组分的挥发度=po，所以xxy1100BABApp值随温度变化相对较小，在一定的温度范围内，常取的平均值用于相平衡计算。1，表示组分A较B易挥发；值越大，两个组分在两相中相对含量的差别越大，越容易用蒸馏方法将两组分分离；若=1，yA=xA，此时不能用普通蒸馏方法分离该混合物。BABAxxyy若已知两组分的相对挥发度，可由上式确定汽液平衡组成。6.1双组分溶液的气液相平衡关系6.2平衡蒸馏与简单蒸馏6.2.1平衡蒸馏1.定义平衡蒸馏是液体的一次部分汽化或蒸汽的一次部分冷凝的蒸馏操作。生产工艺中溶液的闪蒸分离是平衡蒸馏的典型应用。闪蒸操作流程：一定组成的料液被加热后经节流阀减压进入闪蒸室，液体因沸点下降变为过热而骤然汽化，汽化耗热使得液体温度下降，汽、液两相温度趋于一致，两相组成趋于平衡。由闪蒸室塔顶和塔底引出的汽、液两相即为闪蒸产品。闪蒸罐塔顶产品yAxA加热器原料液塔底产品Q减压阀闪蒸过程可通过物料衡算、热量衡算以及相平衡关系求解所需参数。下面以两组分混合液连续稳定闪蒸过程为例给予说明。2.物料衡算总物料衡算式中：F、D、W——进料流率和出塔汽.液相产物的流率，kmol/s；xF、yD、xW——料液组成以及出塔汽、液相产物的摩尔分数。易挥发组分的物料衡算两式联立可得WDFWxDyFxWDWFxyxxFD闪蒸罐D,yD,teyD加热器F,xF,tFW,xW,teQ减压阀xWt0WDF6.2平衡蒸馏与简单蒸馏若设液相产物占总加料量的分率为q，即W/F=q，则汽化率为D/F=(1-q)，代入上式整理可得11qxqqxyFWD上式表示了汽化率与汽、液相组成的关系。平衡蒸馏过程可认为经部分汽化或部分冷凝后所得的汽液两相呈平衡，即yD~xW符合平衡关系。3.平衡关系若已知进料组成xF和生产任务所要求的汽化率(1-q)，结合物料衡算式可求得汽液相组成yD、xW。WWDxxy116.2平衡蒸馏与简单蒸馏料液由进料温度tF升至t0需供给的热量Q为闪蒸后，料液温度由t0降至平衡温度te，若不计热损失，则料液放出的显热全部用于料液的部分汽化所需的潜热，即4.热量衡算FpmttFCQ0FrqttFCepm10pmeCqtt10通过以上诸式，在q为已知的条件下，由物料衡算与相平衡关系求得yD、xW后，由温度-组成相图求te，进而求t0。汽化量大，(1-q)值大，闪蒸前料液温度需加热至更高的t0值。由上式可得6.2平衡蒸馏与简单蒸馏6.2.2简单蒸馏简单蒸馏也称微分蒸馏，间歇非稳态操作(unsteadybatchoperation)，在蒸馏过程中系统的温度和汽液相组成均随时间改变。分批加入蒸馏釜的原料液持续加热沸腾汽化，产生的蒸汽由釜顶连续引入冷凝器得馏出液产品。釜内任一时刻的汽液两相组成互成平衡。y原料液x蒸气xD1xD2xD3冷凝器6.2平衡蒸馏与简单蒸馏1.定义任一时刻，易挥发组分在蒸汽中的含量y始终大于剩余在釜内的液相中的含量x，釜内易挥发组分含量x由原料的初始组成xF沿泡点线不断下降直至终止蒸馏时组成xE，釜内溶液的沸