食品工程原理----吸收与蒸馏(三)

•重点：理论塔板、恒摩尔流、操作线方程、进料方程、回流比•难点：•操作线方程、进料方程、精馏设备第四节蒸馏•吸收：气相混合物的分离（溶解度不同）•蒸馏：液相混合物的分离（挥发度不同）挥发度高：轻组分挥发度低：重组分蒸馏：使混合液体部分气化，利用各组分挥发度的不同从而使混合物达到分离的单元操作。蒸馏是分离液相混合物的典型单元操作。蒸馏操作的分类按操作方式分：简单蒸馏、平衡蒸馏、精馏、特殊精馏按操作压力分：常压蒸馏、加压蒸馏、减压（真空）蒸馏按原料中所含组分数目分：双组分蒸馏及多组分蒸馏按操作流程分：连续蒸馏和间歇蒸馏本章主要讨论常压双组分连续精馏。相律是研究相平衡的基本规律，它表示平衡物系中自由度数、相数及独立组分数间的关系。F=C-φ+2式中F——自由度数C——独立组分数φ——相数2表示外界只有温度和压强可以影响物系的平衡关系。4.1双组分溶液的气液相平衡1.相律一.相律和拉乌尔定律)1(000ABBBBAAAxpxppxpp汽液相平衡：溶液与其上方蒸气达到平衡时汽液两相各组分组成的关系。溶液的分类：理想溶液和非理想溶液。理想溶液的气液平衡关系遵循拉乌尔定律，即式中pA、pB——溶液上方组分的平衡分压p0——同温度下纯组分的饱和蒸气压x——溶液中组分的摩尔分率2.拉乌尔定律根据道尔顿分压定律，溶液上方的蒸气总压为)1(00ABAABAxpxpppp当总压P不高时，平衡的气相可视为理想气体，服从道尔顿分压定律，即AApyp式（a）和（b）为两组分理想物系的气液平衡关系式。000BABAppppx（a）AAAAxppppy0（b）泡点方程露点方程略去下标双组分物系的独立变量：汽相组成y、液相组成x、温度T、压力P。可见：规定其中的两个，则系统平衡状态即定。一般蒸馏压力恒定，故仅有一个自由度。两组份的气液平衡常用一定压力下的t-x(y)及x-y函数关系或相图来表示利用一定温度下纯组分的饱和蒸气压，即可求得该温度下平衡时气、液组成。反之，若已知一相组成，也可求得与之平衡的另一相组成的温度，但一般需要试差法计算。上曲线：平衡时汽相组成与温度的关系，称为汽相线（露点曲线）；下曲线：平衡时液相组成与温度的关系，称为液相线（泡点曲线）。两曲线将图分成三个区域：液相区、过热蒸汽区、汽液共存区。二.两组分理想溶液的气液平衡相图（1）温度–组成图（t–x–y图）T---X(Y)x(y)t4BHJAt-xt-yTt3t2t1总压恒定EFy1t/℃x(y)t-xt-yp=101.3kPat1FJt2KLx3Gy3t3HQt4t5x1(y2)01.01001108090苯-甲苯温度-组成图y1x2气液两相达到平衡时yx气液组成相同时，露点高于泡点平衡线位于对角线的上方；平衡线离对角线越远，表示该溶液越易分离。注意：总压对t-x-y关系比对x-y关系的影响大；当总压变化不大时,总压对x-y关系的影响可以忽略不计蒸馏中使用x-y图较t-x-y图更为方便。2.气液相平衡图（X—Y图）液相组成x气相组成y110X—Y图总压恒定纯液体的挥发度是指该液体在一定温度下的饱和蒸气压。相对挥发度是指溶液中两组分挥发度之比，常以易挥发组分的挥发度为分子。溶液中各组分的挥发度定义为该组分在蒸气中的分压和与之相平衡的液相中的摩尔分率之比，即3.相对挥发度与气液平衡方程BBBAAAxpvxpv若A、B形成的理想溶液：00BApvpvBABBAABAxpxpvvBBAABAxpxpvvBBAABBAAxyxyxpyxpyAAAAxxyy11xxy)1(1当总压不高时，蒸气服从道尔顿分压定律对于二元溶液xB=1-xAyB=1-yA整理后，略去下标气液相平衡方程其值的大小可用于判断某混合溶液能否用蒸馏方法加以分离以及分离的难易程度。当α1时，表示组分A较B容易挥发，α愈大，挥发度差异愈大，分离愈容易。当α=1时，气相组成与液相组成相同，不能用普通蒸馏方法加以分离。相对挥发度的意义与理想溶液发生正偏差的溶液：如乙醇–水、正丙醇–水等物系。对于乙醇–水体系，其恒沸组成为x=y=0.894，恒沸点t=78.15℃(常压下)。称为具有最低恒沸点的溶液。两组分非理想溶液的气液平衡相图与理想溶液发生负偏差的溶液：如硝酸–水、氯仿–丙酮等物系。对于硝酸–水体系，其恒沸组成为x=y=0.383，恒沸点t=121.9℃(常压下)。称为具有最高恒沸点的溶液。同一种溶液的恒沸组成随压强而变。在理论上可采用改变压强的方法来分离恒沸溶液。但在实际使用时，则应该考虑经济性和操作可能性。一、平衡蒸馏（闪蒸）4.2蒸馏与精馏原理原料底部产品塔顶产品FxF,t0TtbDyD,tbwWx特点：①连续操作；②组成和温度恒定不变；③气、液两相平衡。闪蒸的计算（1）物料衡算WDF对易挥发组分：wDwDFxDFDyWxDyFx)(FwDxDFxDFy)1(原料FxF,t0TtbDyD,tbwWx对总物料：fFD令：——汽液相平衡组成的关系f——汽化率fxxffyFwD1（2）热量衡算)(0tTFcQpfFrtTFcp)(b原料液节流减压后进入分离器，物料放出的显热等于部分气化所需的潜热原料液离开加热器的温度：PcrftTb原料FxF,t0TtbDyD,tbwWx对加热器作热量衡算，若忽略加热器的热损失（3）气液平衡关系wwDxxy)1(1历史上最早应用的蒸馏方法；一种单级蒸馏操作，常以间歇方式进行；简单蒸馏多用于混合液的初步分离。二、简单蒸馏（微分蒸馏）将料液加热至泡点，溶液汽化，产生的蒸汽随即进入冷凝器，冷凝成馏出液；随着过程的进行，釜中液相组成不断下降，使得与之相平衡的气相组成（馏出液组成）亦随时降低，而釜内液体的沸点逐渐升高；当馏出液的平均组成或釜残液组成降至某规定值后，即可停止蒸馏操作；在同一批操作中，馏出液分批收集，可得到不同组成的馏出液。1简单蒸馏操作原理2简单蒸馏流程nF,zFnD3,xD3nD1,xD1nD2,xD2nW2,x23.简单蒸馏的计算设：F、W2——釜内的原料液量和最终残液量，kmol；x1、x2——料液和残液中易挥发组分组成（摩尔分率）W——某一瞬间釜内的液量，kmol；x、y——某一瞬间的液气组成，（摩尔分率）；经过微分时间dt后，残液量减少dW，液相组成减少dx以蒸馏釜为衡算系统对易挥发组分，dt前后的微分物料衡算为：ydWdxxd))((dWdxWdxdWxy)(0WdxdWxy)(xydxWdW积分FWxxFxydxWdW2FxxxydxWF2ln•对于理想溶液，平衡关系用表示，•若操作范围内平衡线可近似地看作直线若平衡线为过原点的直线，mxyxxy)1(1FFxxxxWF11lnln11ln22bxmbxmmWF21)1()1(ln11ln21ln11lnxxmWFbmxy•若平衡关系不能用简单的数学式表示，可以应用图解积分或数值积分。•馏出液的量D及平均组成yWFD21WxFxxDD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。三精馏原理和流程1精馏的定义精馏是将由挥发度不同的组分所组成的混合液，在精馏塔中同时多次地进行部分气化和部分冷凝，使其分离成几乎纯态组分的过程。精馏塔、塔底再沸器、塔顶冷凝器、原料预热器、回流液泵等。精馏段：加料板以上的部分，它起着回收原料中易挥发组分增浓的作用。提馏段：加料板以下的部分（包括加料板），它起着回收原料中难挥发组分的作用。（1）精馏操作流程精馏装置示意图（2）板式塔精馏塔塔板上的传质（3）精馏连续稳定进行的条件回流：升到塔顶的汽流组成在冷凝器中冷凝后，只放出一部份作为塔顶产品，另一部分返回塔顶作为液流，这部份液流称为回流。再沸器：提供一定量上升的蒸气流。加料板：当某块塔板上的浓度与原料的浓度相近或相等时,料液由此加入，该板称为加料板。精馏与简单蒸馏或平衡蒸馏的主要区别在于存在回流：塔顶液相回流和他付部分气化确定产品的流量及组成；确定合适的操作条件:操作压强、回流比和加料状态等；确定精馏塔所需的理论塔板数和加料位置；选择精馏塔的类型、确定塔径、塔高及塔的其它参数；冷凝器和再沸器的设计计算。第五节双组分连续精馏塔的计算两组分连续精馏工艺计算的主要内容例：年处理量为10万吨粗甲醇精馏塔的设计VD,xDL,xDF,xFW,xWxxy)1(1理论板是指离开该塔板的蒸汽和液体呈平衡状态的塔板。理论板不存在的原因：气液间接触面积和接触时间是有限的，难以达到平衡状态。理论板可作为衡量实际板分离效率的依据和标准。5.1理论塔板的概念※恒摩尔汽化：每层塔板上升的蒸汽的摩尔流量相等。精馏段:L1=L2=L3=…Ln=L=定值提馏段:L1’=L2’=L3’=…Lm’=L’=定值但L与L’不一定相等.※精馏段:V1=V2=V3=…Vn=V=定值提馏段:V1’=V2’=V3’=…Vm’=V’=定值但V与V’不一定相等.※恒摩尔液流：每层塔板溢流的液体的摩尔流量相等。5.2恒摩尔流的假设板式塔釜液馏出液进料恒摩尔流满足恒摩尔流的条件（1）各组分的气化潜热相等；（2）气液接触时因温度不同而交换的显热可以忽略；（3）塔设备保温良好，热损失可以忽略。恒摩尔汽化和恒摩尔溢流的总称。5.3全塔物料衡算F=D+W塔顶易挥发组分回收率FxF=DxD+WxW塔底难挥发组分回收率%100)1()1(FWxFxW%100FDFxDxD,xDF,xFW,xW※对进料板作总物料衡算和热量衡算IF——原料液的焓，kJ/kmol；IV、IV΄——分别为进料板上下处饱和蒸气的焓，kJ/kmol；IL、IL΄——分别为进料板上下处饱和液体的焓，kJ/kmol；V,IVL,ILV΄,IV΄L΄,IL΄F,IF进料板物料衡算：F+L+V΄=L΄+V热量衡算：FIF+LIL+V΄IV΄=VIV+L΄IL΄5.4进料板及进料热状态参数原料入塔时温度或状态称为加料的热状态。共五种情况：因为塔板上液相和汽相呈饱和状态，且进料板上下处的温度及气相组成各自都比较相近，所以有：IVIV΄ILIL΄FLLIIIILVFV代入热量衡算式整理得：将物料衡算式代入（V-V΄）IV=FIF-（L΄-L）IL[F-（L΄-L）]IV=FIF-（L΄-L）IL令气化潜热原料液的的热量进料变为饱和蒸气所需将kmolkmol1LVFVIIIIqq称为进料热状况参数。将上式整理可得到：L’=L+qFV’=V+(q-1)Fq的意义：以1kmol/h进料为基准时，提馏段的液体流量较精馏段液体流量增大的kmol数。※L’=L+qFV’=V+(q-1)FD,XDL,XDV,y1F,xFx1x2xnyn+1yny212nn+15.5精馏段操作线方程V=L+DVyn+1=Lxn+DxDDnDnnxDLDxDLLxVDxVLy1DnnxRxRRy1111令R=L/D（R称为回流比），则有上式即为精馏段操作线方程。它描述了任一板(第n层板)的下降液体组成与自相邻的下一塔板(第n+1层)上升的蒸汽组成之间的关系，为一线性关系，其中，斜率为R/(R+1)，截距为xD/(R+1)。※WxWF,xFx΄Nx΄my΄Ny΄m+1mN以提馏段第m层塔板以下塔段及再沸器作为衡算范围，则有总物料衡算:L’=V’+Wxm—提馏段第m板下降液体易挥发组分mol分率；ym+1—提馏段第m+1板上升蒸汽易挥发组分mol分率；式中：L’—提馏段每板下降液体流量,kmol/h；V’—提馏段每板上升蒸汽流量,kmol/h；W—釜液流量,kmol/h；易挥发组分:L’xm=V’ym+