第六章 液体的精馏

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1、2019/10/18,第六章 液体的精馏,6.1 概 述 6.2 气液相平衡 6.3 精馏原理 6.4 双组分连续精馏 6.5 理论塔板数的计算 6.6 特殊精馏方法,2019/10/18,2019/10/18,锅为汽化器 锅盖为冷凝器,蒸馏是包含 传递和 传递的一种单元操作。,质量,热量,2019/10/18,6.1 概述,6.1.1 蒸馏在化工生产中的应用,空分：空气加压液化 精馏 氧气和氮气 乙烯和乙烷的分离、丙烯和丙烷的分离 三苯的分离提纯,2019/10/18,精馏是蒸馏操作中的一种，蒸馏是利用混合物在一定压力下各组分相对挥发度（沸点）的不同进行分离的一种单元操作。,易挥发组分,沸点

2、低的组分A称为 ：,难挥发组分,沸点高的组分B称为 ：,6.1 概述,6.1.2 蒸馏的基本依据（原理）,2019/10/18,乙醇水体系的蒸馏分离,乙醇水,加热,气相: 醇富集,液相: 水富集,冷凝,冷却,乙醇 产品,废水,处理后达标排放,2019/10/18,6.1.3 蒸馏的分类,按蒸馏方式,简单蒸馏,平衡蒸馏 （闪蒸）,精 馏,特殊精馏,共沸精馏,萃取精馏,加盐精馏,较易分离的物系或对分离要求不高的物系,难分离的物系,很难分离的物系或用普通精馏难以分离的物系,反应精馏,2019/10/18,按操作压强,常压,加压,减压,一般情况下多用常压,在常温常压下为气态的物系,按操作方式,间歇,连

3、续,在高温下易分解或聚合的物系,2019/10/18,6.2 气液相平衡,用yA表示气相（酒汗蒸气）中易挥发组分的含量。 用xA表示液相（粗酒）中易挥发组分的含量。,化工基础中是如何来衡量酒汗、汗酒、白干与粗酒的关系呢？,6.2.1 拉乌尔定律,在一定温度下，理想溶液上方气相中任意组分的分压等于纯组分在该温度下的饱和蒸气压与它在溶液中的摩尔分数的乘积：,2019/10/18,可由Antoine方程计算或从手册中查得,当溶液沸腾时，溶液上方的总压等于各组分的蒸气压之和,由拉乌尔定律表示的气液平衡关系,与温度t有关,气相中，分压等于总压与组成之积，即,2019/10/18,2019/10/18,6

4、.2.2 气液相平衡图,（1）温度组成（ 图）,两条线 三个区 三种点,2019/10/18,表示混合液的平衡温度和液相组成之间关系，t-x线 。,表示混合液的平衡温度和气相组成之间的关系，t-y线，,两条线,2019/10/18,气相区,两相区,液相区,三个区,2019/10/18,易挥发组分液相浓度x越大，泡点温度越低。,易挥发组分气相浓度 y越大，露点温度越低。,2019/10/18,气液两相的平衡温度相同，气相组成y大于液相组成x；,t-y线和t-x线相距愈远，可知yyx,表示溶液愈易分离。,x,y,y,2019/10/18,（2）x-y 图,平衡线位于对角线的上方，平衡线偏离对角线愈

5、远，表示该溶液愈易分离。精馏计算的图解法就是采用x-y图来完成。,精馏计算中又是采用什么数学关系来表示y与x的关系呢？,2019/10/18,6.2.3 挥发度和相对挥发度,（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，挥发度为组分在气相中分压和与之平衡的液相中的摩尔分率之比,2019/10/18,对于理想溶液：,（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，用表示。,对理想溶液：,理想溶液中组分的相对挥发度等于同温度下两组分的泡和蒸汽压之比,2019/10/18,若 t 变化时，由于变化不大，精馏估算时可将视为常数；或者在计算时取操作温度范围

6、内的平均相对挥发度均 。,若体系操作压强不高，气相遵循道尔顿分压定律：,气液平衡方程,2019/10/18,时，,组分A较B易挥发，可以用蒸馏方法分离,时，,组分挥发度差异很大，愈有利于蒸馏操作。,时，,不能用普通蒸馏的方法分离混合液。,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。,讨论：,2019/10/18,若苯甲苯混和液在45时沸腾，外界压力为20.3kpa。已知在45时，纯苯的饱和蒸气压,，纯甲苯的饱和蒸气压,的平衡组成。,。求其气、液相,解：（1）平衡时苯的液相组成为x苯、气相组成为y苯,而,（2）平衡时，甲苯在液相和气相中的组成分别为x甲苯和y甲苯,2019/10/18,

7、苯甲苯理想溶液在总压为101.3kpa下，饱和蒸气压和温度的关系如下：在85时，,，,；在105时，,，,，用平均相对挥发,。求：,1）在85和105时该溶液的相对挥发度及平均相对挥发度；2）在此总压下，若85时，,度值求y苯。,解： （1）对于理想溶液，在85时：,在105时：,2019/10/18,因此，平均相对挥发度为,2019/10/18,精馏段,提馏段,6.3 精馏原理,6.3.1 精馏的流程与装置,间歇精馏时，无提馏段！,塔板,2019/10/18,即部分汽化使难挥发组分在液相中富集！,（1）液体混合物经过多次部分汽化后可变为高纯度的难挥发组分,6.3.2 精馏原理,2019/10

8、/18,即部分冷凝使易挥发组分在气相中富集！,（2）气体混合物经过多次部分冷凝后可变为高纯度的易挥发组分,2019/10/18,（3）精馏是多次部分气化与多次部分冷凝的 联合操作,2019/10/18,在实际生产中，上述精馏过程（需要多个加热器和冷凝器）不能采用，工业上的精馏过程是采用精馏塔来完成的。部分气化和部分冷凝操作将在塔板上或填料中进行。,2019/10/18,如果气液两相在塔板上充分接触后，使得离开塔板的气液两相温度相等，且两相组成达到平衡，这种塔板称为理论塔板。实际上，塔板上的气液两相接接触时间有限，难以达到平衡，因此，理论板是不存在的，只是作为衡量实际塔板效率的依据和标准。,在塔

9、板或填料上，易挥发组分由液相向气相传递，难挥发组分由气相向液相传递,2019/10/18,6.4 双组份连续精馏的 物料衡算和能量衡算,2）恒摩尔液流：精馏段和提馏段内由每层塔板下降液体的摩尔流量分别相等， 即,6.4.1 恒摩尔流假定 1）恒摩尔气流：精馏段和提馏段内由每层塔板上升蒸汽的摩尔流量分别相等， 即,2019/10/18,3）恒摩尔流成立的条件 各组分的摩尔汽化潜热相等； 气液接触时因温度不同而交换的显热可以忽略 ； 塔设备保温良好，热损失可以忽略。,2019/10/18,6.4.2 全塔物料衡算,对总物料：,对于易挥发组分：,2019/10/18,塔顶易挥发组分回收率：易挥发组分

10、从塔顶采出的量占全部进料量中轻组分的百分数。,塔底难挥发组分回收率：,2019/10/18,6.4.3 精馏段操作线方程,如图所设，对虚线范围进行总物料衡算， 则 对虚线范围进行易挥发组分的物料衡算， 则,2019/10/18,精馏段操作线方程,它表示在精馏段内，任意相邻的两块塔板之间上升蒸气组成yn+1与下降液体组成xn之间的操作关系。,回流比影响,2019/10/18,6.4.4 提馏段操作线方程,如图所设，对虚线范围进行总物料衡算， 则 对虚线范围进行易挥发组分的物料衡算， 则,2019/10/18,提馏段操作线方程,它表示在提馏段内，任意相邻的两块塔板之间上升蒸气组成y m+1与下降液

11、体组成x m之间的操作关系。,2019/10/18,6.4.5 进料热状况对操作的影响,如图所示，对加料板作物料衡算，有,2019/10/18,如图所示，对加料板作热量衡算，有,式中： hF原料液的焓，Jmol-1 HV,HV离开和进入加料板的蒸气的焓，Jmol-1 hL,hL从精馏段下来的和离开加料板的液体的焓，Jmol-1,2019/10/18,由于塔中液体和蒸气都呈饱和状态，且进料板上下处温度及浓度都比较接近，故可以认为：,因此有，,2019/10/18,q称为进料热状况参数,1）五种进料热状况,冷液进料; 泡点进料（饱和液体进料）; 气液混合物进料; 露点进料（饱和气体进料）; 过热蒸

12、气进料;,2019/10/18,可得， 对于冷液进料、泡点进料和气液混合物进料，q的另一个意义为进料的液相分率。,2019/10/18,对于提馏段操作线方程，可用含q的方程表示：,略去精馏段操作线方程 和提馏段操作线方程,下标,的下标和,上标,，得,2）进料操作线方程,2019/10/18,进料操作线方程（q线方程）,2019/10/18,例：用一连续精馏装置在常压下，分离含苯41%（质量%，下同）的苯-甲苯溶液。要求塔顶产品中含苯不低于97.5%，塔底产品中含甲苯不低于98.2%，每小时处理的原料量为8570kg。操作回流比为3，试计算： （1）塔顶及塔底的产品量； （2）精馏段上升蒸汽量及

13、回流液量； （3）当原料于47进塔和饱和蒸汽进塔时，提馏段上升蒸汽量及回流液量 。 （常压下原料泡点温度为93 ，苯和甲苯混合液的平均比热Cp,l=0.45kcal/kg ，平均气化热为7908kcal/kmol）,2019/10/18,分析：,求W、D,全塔物料衡算,求qn,V , qn,L,已知R,求,求q,解：,（1）产品量,2019/10/18,2019/10/18,(2)回流量及上升蒸汽量,精馏段：,(3)求47进料时,将料液由47升温到93所需的热量为：,继续加热,2019/10/18,饱和蒸汽进料时,2019/10/18,6.5 理论塔板数的求法,6.5.1 逐板计算法,（已知）

14、,1）精馏段,2019/10/18,精馏段n-1层,2）提馏段,（已知）,提馏段 m-1层,再沸器为一层,2019/10/18,6.5.2 图解法,1）画操作线 a）精馏段操作线的画法,b）提馏段操作线的画法,2019/10/18,a,b,x,c,e,f,d,c）进料操作线的画法,先画精馏段，再进料操作线，最后画提馏段！,2019/10/18,2）图解法画塔板,2019/10/18,6.5.3 回流比的影响及其选择,(1) 回流比对精馏操作的影响,R,R,qn,V、qn,V,R=,即操作线与对角线重合,操作线方程,（qn,V= (R+1)qn,D 、qn,V= qn,V-(1-q) qn,F）

15、,2019/10/18,R,R=Rmin,N=,N,Rmin,R,2019/10/18,(2) 适宜回流比的选择,R=（1.12.0）Rmin,1设备费用 2操作费用 3总费用,设备费用主要指精馏塔板、再沸器、冷凝器等设备的数量和大小。 操作费用主要指塔顶冷凝器内冷却介质的用量和塔底再沸器加热介质的用量。,2019/10/18,(3) 全回流及最少理论板层数,全回流时， qn,D =0， qn,F=0，qn,W=0 ；达到给定分离程度所需的理论板层数最少为Nmin。 1）Nmin的求法 a）图解法,2019/10/18,b）解析法芬斯克(Fenske)方程式,全回流时操作线方程式为：yn+1=xn (yA)n+1=(xA)n (yB)n+1=(xB)n 离开任一层板n的汽液平衡组成关系为：,若塔顶采用全凝器，（yA）1=（xA）D ，（yB）1=（xB）D 第一层板的汽液平衡关系为：,2019/10/18,第一层板和第二层板之间的操作关系为：yA2=xA1 ,yB2=xB1,即,同理，第二板的气液平衡关系为：,2019/10/18,若令,全回流时的理论板数为N,塔釜为第N+1块板，则,则有,（N不包括再沸器）,2019/10/18,芬斯克方程,2