化工原理蒸馏

1《化工原理》PrinciplesofChemicalEngineering化工原理教研室ChemicalEngineeringTeaching&ResearchSection2第十章蒸馏Chapter10Distillation山东轻工业学院3概述（Introduction）蒸馏分离操作：利用液体混合物中各组分（component）挥发性（volatility）的差异，借助热能使混合物部分汽化，汽相富集轻组分，液相富集重组分，从而使液体混合物分离的单元操作。闪蒸罐塔顶产品yAxA加热器原料液塔底产品QBABAAAxxyyxy或减压阀山东轻工业学院4概述（Introduction）蒸馏分离操作实例：石油炼制中使用的250万吨常减压蒸馏装置蒸馏操作的理论依据：均相液体混合物各组分挥发性不同。轻组分：挥发性大的组分；重组分：挥发性小的组分；山东轻工业学院5双组分溶液的汽液相平衡关系Vapor-liquidequilibriainbinarysystems蒸馏分离的物系加热沸腾后由液相和汽相构成。汽、液两相物系分为理想物系与非理想物系两大类。理想物系：液相为理想溶液、汽相为理想气体的物系。实验表明:理想溶液服从拉乌尔（Raoult）定律，理想气体服从道尔顿分压定律。山东轻工业学院6理想溶液的汽液平衡——拉乌尔（Raoult）定律溶液沸腾时，溶液上方的总压等于各组分的分压之和ABAABAxpxpppP100根据拉乌尔定律，两组分理想溶液上方的平衡蒸汽压为AAAxppBBBxpp泡点方程（bubble-pointequation）000BABApppPx山东轻工业学院7理想溶液的汽液平衡——拉乌尔（Raoult）定律A、B、C为安托因常数CtBAp0log纯组分A、B的饱和蒸汽压与温度的关系，通常用安托因（Antoine）方程表示：当汽相为理想气体时0AAAAppxyPP000BABApppPx0000BABAApppPPpy露点方程（dew-pointequation）山东轻工业学院8理想溶液的汽液平衡——拉乌尔（Raoult）定律严格地说没有完全理想的物系。对性质相近、分子结构相似的组分所组成的溶液，如苯-甲苯，甲醇-乙醇，烃内同系物等，可视为理想溶液；若汽相压力不高，可视为理想气体，物系可视为理想物系。已知溶液的泡点可由泡点方程计算液相组成；反之，已知组成计算溶液的泡点，一般需试差。例：某塔操作总压P=760mm，混合液中含苯20mol/L，甲苯80mol/L，求泡点及汽液相组成。山东轻工业学院9汽液相平衡图（equilibriumdiagram）相图:压力一定,温度-组成图（t-x(y)图）汽相组成和液相组成图（y-x图）温度一定,压强-组成图（p-x图）。山东轻工业学院10理想溶液的t-x(y)图泡点线：t–x线露点线：t–y线总压P一定，组成为xf的溶液加热至泡点TA，产生气泡的组成为y0。继续加热升高温度，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、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露点，溶液全部汽化,组成为yA=xf的气相，最后一滴液相的组成为x0。山东轻工业学院11理想溶液的y-x图y-x图可通过t-x(y)图作出。对于大多数溶液，两相平衡时，y大于x，故平衡线位于对角线上方。平衡线偏离对角线越远，表示该溶液越易分离。平衡线xyx(y)txyt山东轻工业学院12汽液相平衡图（equilibriumdiagram）p-x图温度一定、两相平衡时，组分在气相中的蒸汽压与其在液相中的摩尔分数的关系。理想溶液：组分分压和系统总压与液相组成的关系符合拉乌尔定律。例如：苯-甲苯体系，线Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ均为直线。非理想溶液：(1)正偏差溶液：组分在汽相中的分压比拉乌尔定律预计值大。例如乙醇-水体系（虚线为拉乌尔定律预计值）。(2)负偏差溶液：组分在汽相中的分压比拉乌尔定律预计值小。例如硝酸-水体系。山东轻工业学院13t-x(y)图非理想正偏差的溶液乙醇-水溶液具有较大正偏差的溶液，泡点线和露点线在M点重合，该溶液在M点时两组分的蒸汽压之和出现最大值。泡点比两纯组分沸点都低，故称最低恒沸点。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℃)。恒沸点时，x-y线与对角线相交，该点处汽液相组成相等。t-xt-ytx（y)MyxM山东轻工业学院14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M点出现一最高恒沸点，其沸点为121.9℃。在恒沸点时汽液两相组成相同，因此用一般的蒸馏方法不能实现该组成下混合溶液的分离。t-x(y)图非理想负偏差的溶液t-xt-ytx（y)MxyM山东轻工业学院15理想溶液正偏差溶液负偏差溶液山东轻工业学院16挥发度v：溶液中各组分的挥发能力的大小.定义:组分在汽相中的平衡分压与在液相中的摩尔分数比。相对挥发度：溶液中两组分挥发度之比BBBAAAxpxpAAAAABBBBBpxyxpxyx对双组分物系汽液平衡关系式的表示方法——挥发度和相对挥发度纯液体挥发度为该温度下液体的饱和蒸汽压（v=p0）对理想溶液：00BBAApp山东轻工业学院17相对挥发度（Relativevolatility）对双组分物系，略去下标A可得——相平衡方程xxy11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；=1，y=x，此时不能用普通蒸馏方法分离该混合物。xxyyAxBxByAy11山东轻工业学院18相对挥发度（Relativevolatility）对理想溶液，组分的挥发度=po00BABApp组分的饱和蒸汽压随温度变化较大，但值随温度变化相对较小非理想溶液的值随温度有显著变化。相对挥发度是双组分物系相平衡计算中最常采用的方法。xxy11——相平衡方程平衡线xy山东轻工业学院19拉乌尔（Raoult）定律AAAxppBBBxpp000BABApppPx0000BABAApppPPpyCtBAp0logBxByAxAyBxBpAxApBAT-x(y)图：y-x图：P-x图：理想溶液非理想溶液正偏差溶液负偏差溶液xxy11蒸馏定义泡点露点安托万挥发度iiixp相对挥发度相平衡方程山东轻工业学院20蒸馏方式简单蒸馏或平衡蒸馏：一般用在混合物各组分挥发性相差较大，对组分分离程度要求又不高的情况。精馏：在混合物组分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，或形成恒沸物（azeotrope），不能或难用普通精馏分离时，借助某些特殊手段进行的精馏。间歇精馏：分批进料、间歇操作，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。山东轻工业学院21蒸馏方式常压蒸馏：蒸馏在常压下进行。减压蒸馏：若常压物系沸点较高，用高温加热介质不经济或热敏性物质。减压可降低操作温度。加压蒸馏：对常压沸点很低的物系，蒸汽相不易被常温水和空气等冷却剂冷凝，或常温常压为气体的物系进行精馏分离，须加压以提高混合物的沸点。多组分精馏：如原油的分离。双组分精馏：如乙纯-水体系的分离。山东轻工业学院22简单蒸馏简单蒸馏也称微分蒸馏，为间歇非稳态操作。一定组成的原料液加入蒸馏釜持续加热沸腾汽化，产生的蒸汽由釜顶连续引入冷凝器得馏出液产品。y原料液x蒸气xD1xD2xD3冷凝器山东轻工业学院23简单蒸馏任一时刻，汽相中易挥发组分y始终大于釜内液相中的含量x，釜内组分含量由初始组成xf沿泡点线不断下降直至终止蒸馏时组成，釜内溶液的沸点温度不断升高，蒸汽相组成y也随之沿露点线不断降低。简单蒸馏特征：任一瞬间釜内的汽、液相互成平衡。t/Cx(y)01.0露点线泡点线xAyAxf简单蒸馏的分离效果有限，用于混合液的初步分离。山东轻工业学院24简单蒸馏时刻釜内液体量W汽、液相组成为y、x；d后釜内液体量W-dW组成为x-dx；残液中易挥发组分量（W-dW）·（x-dx）蒸出的易挥发组分量ydW易挥发组分在d前后的微分物料衡算:分离变量xyxWWdd12dln21xxxyxWW积分任一时刻y与x互成平衡，符合汽、液两相的平衡关系。Wyxx山东轻工业学院25简单蒸馏1212212111ln)1()1(ln11lnxxxxxxWW理想溶液积分得：xxy1112dln21xxxyxWW若平衡线可近似作为直线y=mx+b处理，则bxmbxmmWW2)1(1)1(ln1121ln由釜液W1，残液W2及组成x1，x2，可求馏出液量WD及平均组成xD总物料衡算121122xWxWxWDD易挥发组分衡算)21(21BBAA12dln21xxxyxWW山东轻工业学院26平衡蒸馏：液体的一次部分汽化或蒸汽的一次部分冷凝的操作闪蒸操作流程：原料液加热至温度高于分离器压力下的沸点，经节流阀减压进入闪蒸室。液体因过热而迅速汽化，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。平衡蒸馏是定态操作闪蒸塔塔顶产品yAxA加热器原料液塔底产品Q减压阀平衡蒸馏山东轻工业学院27平衡蒸馏物料衡算总物料衡算式中：F、V、L——分别为进料流率和出塔汽、液相产物的流率，kmol/s；xF、yD、xW——分别为进料料液组成以及出塔汽、液相产物的摩尔分数。易挥发组分两式联立FDWFxVyLxFWDWxxVFyx闪蒸罐V,yD,teyD加热器F,xF,tFL,xW,teQ减压阀xWt0LVF山东轻工业学院28平衡蒸馏物料衡算设液化率L/F=q，则汽化率为V/F=(1-q)，代入上式可得11qxqqxyFWD液化率q与汽、液相组成的关系平衡关系若已知进料组成xF和生产所要求的汽化率(1-q)，可求得汽、液相组成yD、xW。WWDxxy11FWDWxxVFyx平衡线11qxqqxyFWDxFxwyDE0F山东轻工业学院29PyxWD,xDW1,x1加热VyDPFxFt高温高压LxW思考：在操作压力、原料相同的条件下(x1=xF)，若平衡蒸馏的操作温度与简单蒸馏的最终温度相同，则简单蒸馏与平衡蒸馏相比：分离效果如何？产品量孰大？山东轻工业学院30tBAx2x1yDxDx或y思考：在操作压力、原料相同的条件下(x1=xF)，若平衡蒸馏的操作温度与简单蒸馏的最终温度相同，则简单蒸馏与平衡蒸馏相比：分离效果如何？产品量孰大？答：简单蒸馏分离效果好，但产量小。2211xxxxWWDD2211xyxxWVDDDDxWxWx简：DVyLxxWVLW2111平：VWDDDyx山东轻工业学院31精馏操作：对液体的连续部分汽化，釜液组成沿t-x(y)相图的泡点线变化，其结果可得难挥发组分含量很高而易挥发组分很低的釜液。将混合蒸汽进行连续部分冷凝，蒸汽相的组成沿t-x(y)相图的露点线变化，结果可得到难挥发组分含量很低而易挥发组分y很高的蒸汽。精馏x1x2x3y1y2y3AB山东轻工业学院32精馏是多次部分汽化与多次部分冷凝的联合操作.精馏原理工业精馏的实施：VnynLnxnVn-1yn-1V2y2V1y1Ln-1xn-1L2x2L1’x1’L2’x2’VmymVm-1ym-1Lm-1’xm-1’Lm’xm’加热器加热器冷凝器V’2y’2山东轻工业学院33精馏原理VnynLnxnVn-1yn-1V2y2Ln-1xn-1V1y1L2x2L1’x1’V’2y’2Vm-1ym-1Lm’xm’Lm-1’xm-1