. 两组分连续精馏的计算

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1、第1章 蒸馏一教学目的通过本章学习，掌握两组分理想物系的气液平衡关系、平衡蒸馏与简单蒸馏、精馏的原理与流程和两组分连续精馏的基本计算方法；了解间歇精馏与特殊精馏过程。二教学内容1.1 概述；1.2 两组分溶液的气液平衡；1.3 平衡蒸馏和简单蒸馏；1.4 精馏原理和流程；1.5 两组分连续精馏的计算；1.6 间歇精馏；1.7 恒沸精馏和萃取精馏；1.8 多组分精馏（自学） 三教学重点、难点及其处理1重点： 两组分理想物系的汽液平衡关系 蒸馏过程的原理 两组分连续精馏过程的计算（物料衡算与进料热状况的影响、理论板层数的计算与回流比的影响、塔板效率）2难点： 进料热状况参数 的理解。 多侧线的精馏

2、塔理论板层数的求解。四教学方法、手段讲解、实物演示、照片、动画五课时安排共14课时，各章节具体课时分配如下：知识点1-1 授课学时数 2 自学学时数 4知识点1-2 授课学时数 1 自学学时数 2知识点1-3 授课学时数 1 自学学时数 2知识点1-4 授课学时数 2 自学学时数 4知识点1-5 授课学时数 4 自学学时数 6知识点1-6 授课学时数 2 自学学时数 4知识点1-7 授课学时数 1 自学学时数 2知识点1-8 授课学时数 1 自学学时数 26 课程内容设计1.1绪论1.化工生产中的传质过程 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

3、主要依靠质点运动与流体流动原理实现分离，其分离方法有过滤、沉降等。（此处，复习非均 相物系的定义分类等。非均相物系：由具有不同物理性质（如尺寸、密度差别）的分散物质（分散 相）和连续介质（连续相）所组成的物系。显然，非均相物系中存在相界面，且界面两侧物料的性 质不同。根据连续相状态的不同，非均相混合物又可分为两种类型：气态非均物系，如含尘气体、 含雾气体；液态非均物系，如悬浮液、乳浊液、泡沫液等。对于非均相混合物，工业上一般采用机械分离方法将两相进行分离，即造成分散相和连续相之间的相对运动。 而化工生产中遇到的大多为均相混合物（均相物系），均相物系分离方法有蒸馏、吸收、萃取 及干燥等。均相物系

4、：若物系内各处组成均匀且不存在相界面，则称为均相混合物。如溶液及混合气体属于此类。均相混合物组分的分离采用传质分离方法。 混合物分离的目的主要是提纯或回收有用组分。 均相物系的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。物质在相间的转移过程称为 传质（分离）过程。 示例：空气和氨的分离化工生产中的分离过程，总的来讲，可以分为平衡分离过程（气液传质过程、液液传质过程、气固传质过程和液固传质过程）和速率分离过程（膜分离和场分离）。2.何为蒸馏利用液体混合物中各组分挥发度的不同，通过加入热量或取走热量的方法，

5、造成气液两相物 系，因而使易挥发组分在气相中浓集，难挥发组分在液相中浓集，从而使液体混合物的分离的一种 单元操作。 通常将沸点低（挥发度高）的组分称为易挥发组分(A)，而将沸点高（挥发度低）的组分称为 难挥发组分(B)。 3.蒸馏过程的应用在化工生产过程中，常常需要将原料、中间产物或粗产物进行分离，以获得符合工艺要求的化工产品或中间产品。化工上常见的分离过程包括蒸馏、吸收、萃取、干燥及结晶等，其中蒸馏是分离液体混合物的典型单元操作，应用最为广泛。例如将原油蒸馏可得到汽油、煤油、柴油及重油等；将混合芳烃蒸馏可得到苯、甲苯及二甲苯等；将液态空气蒸馏可得到纯态的液氧和液氮等。蒸馏可用于液体、气体和固

6、体混合物的分离。4.蒸馏分离的特点 蒸馏是目前应用最广的一类液体混合物分离方法，其具有如下特点： (1) 通过蒸馏分离可以直接获得所需要的产品，而吸收、萃取等分离方法，由于有外加的溶 剂，需进一步使所提取的组分与外加组分再行分离，因而蒸馏操作流程通常较为简单。 (2) 蒸馏分离的适用范围广，它不仅可以分离液体混合物，而且可用于气态或固态混合物的分 离。例如，可将空气加压液化，再用精馏方法获得氧、氮等产品；再如，脂肪酸的混合物，可用加 热使其熔化，并在减压下建立汽液两相系统，用蒸馏方法进行分离。 (3) 蒸馏过程适用于各种浓度混合物的分离，而吸收、萃取等操作，只有当被提取组分浓度较 低时才比较经

7、济。 (4) 蒸馏操作是通过对混合液加热建立汽液两相体系的，所得到的汽相还需要再冷凝液化。因 此，蒸馏操作耗能较大。蒸馏过程中的节能是个值得重视的问题。 5.蒸馏过程的分类 工业上，蒸馏操作可按以下方法分类： （1）按操作流程 可分为间歇蒸馏和连续蒸馏。间歇蒸馏具有操作灵活、适应性强等优点， 主要应用于小规模、多品种或某些有特殊要求的场合；连续蒸馏具有生产能力大、产品质量稳定、 操作方便等优点，主要应用于生产规模大、产品质量要求高等场合。间歇蒸馏为非稳态操作，连续 蒸馏为稳态操作。 （2）按蒸馏方式 可分为简单蒸馏、平衡蒸馏（闪蒸），精馏和特殊精馏等。简单蒸馏和平 衡蒸馏为单级蒸馏过程，常用于

8、混合物中各组分的挥发度相差较大，对分离要求又不高的场合；精 馏为多级蒸馏过程，适用于难分离物系或对分离要求较高的场合；特殊精馏适用于某些普通精馏难 以分离或无法分离的物系。工业生产中以精馏的应用最为广泛。 （3）按操作压强 可分为常压、减压和加压蒸馏。常压下，泡点为室温至 150左右的混合液， 一般采用常压蒸馏；常压下为气态（如空气、石油气）或常压下泡点为室温的混合物，常采用加压 蒸馏；对于常压下泡点较高或热敏性混合物（高温下易发生分解，聚合等变质现象），宜采用减压 蒸馏，以降低操作温度。 （4）按物系中组分的数目 可分为两组分精馏和多组分精馏。工业生产中，绝大多数为多组分 精馏，但两组分精馏

9、的原理及计算原则同样适用于多组分精馏，只是在处理多组分精馏过程时更为 复杂些，因此常以两组分精馏为基础。 6.相组成的表示方法可用摩尔分率、摩尔比来表示气液相中某个组分的组成。气相中组分组成也可用分压表示。本章重点讨论常压下两组分物系连续精馏的原理及计算方法。 1.2 两组分溶液的气液平衡1、掌握的内容双组分理想物系的汽液平衡，拉乌尔定律、泡点方程、露点方程、汽液相平衡图、挥发度与相对挥发度定义及应用、相平衡方程及应用；2、了解的内容非理想物系汽液平衡；3、本节难点t-x-y图及y-x图，相对挥发度的特点。1.2.1 两组分理想物系的气液平衡1.相律 相律是研究相平衡的基本规律。相律表示平衡物

10、系中的自由度数、相数以及独立组分数间的关系，即 F=C+2（1-1）F自由度数； C独立组分数； 相数； 2表示外界只有温度和压强可以影响物系的平衡状态。 2.两组分理想物系的气液平衡函数关系（气液相组成和平衡温度间的关系）所谓理想物系是指液相和汽相应符合以下条件： 液相为理想溶液，遵循拉乌尔定律。拉乌尔定律实验表明，当理想溶液的汽液两相呈平衡时，溶液上方组分的分压与溶液中该组分的摩尔分率成正比，即: 汽相为理想气体，遵循道尔顿分压定律。当总压不太高（一般不高于104kPa）时汽相可视为理想气体。道尔顿分压定律：理想物系的相平衡是相平衡关系中最简单的模型。严格地讲，理想溶液并不存在，但对于化学

11、结构相似、性质极相近的组分组成的物系，如苯甲苯、甲醇乙醇、常压及150以下的各种轻烃的混合物，可近似按理想物系处理。1）用饱和蒸汽压表示气液平衡关系溶液沸腾时，溶液上方的总压等于各组分的蒸汽压之和：根据拉乌尔定律，有：，代入上式并整理得： 泡点方程同时，在外压不太高时，平衡的气相可视为理想气体，遵循道尔顿分压定律，有：，将其代入泡点方程，可得： 露点方程2）以相平衡常数表示的气液平衡方程设平衡的气相遵循道尔顿分压定律，即：，根据拉乌尔定律又有：，则有：，令：，则平衡时气液相组成的关系可表示为： 以平衡常数表示的气液平衡方程3）以相对挥发度表示的气液平衡方程(1) 挥发度 组分的挥发度是该物质挥

12、发难易程度的标志， 表示。 对理想物系： （2） 相对挥发度 挥发度表示某组分挥发能力的大小，随温度而变，在使用上不太方便，故引出相对挥发度的概念。习惯上将易挥发组分的挥发度与难挥发组分的挥发度之比称为相对挥发度。对理想溶液，有：对于理想物系，气相遵循道尔顿分压定律，上式可写为： 经整理，可得： 以相对挥发度表示的气液平衡方程。讨论： 根据相对挥发度值的大小可判断某混合液是否能用一般蒸馏方法分离及分离的难易程度。若1，可进行蒸馏操作，值愈大，分离愈容易。 若=1，不能用普通蒸馏方法分离。3. 两组分理想溶液的气液平衡相图1）温度-组成图（t-x-y图）图1-1 苯-甲苯体系的T-x图（1） 液

13、相全部汽化或汽相全部冷凝不能使二元物系的组成发生变化，即不能起分离作用。（2） 液相部分汽化或汽相部分冷凝能起一定的分离作用。（3） 露点线与泡点线间距越大，体系越易分离。2） 气液相组成图（x-y图）在一定外压下，气相组成y和与之平衡的液相组成x之间的关系，称气液相平衡图。y-x图可通过t-x-y图作出。图1-2 苯-甲苯体系的相平衡曲线平衡线与对角线距离越大，分离越容易。3）压力对x-y图的影响图中，压力增加，平衡线靠近对角线，分离难度大。4. 气液平衡方程的应用1） 计算泡点温度已知p、x，求t、y 。2）计算露点温度已知p、 y 求t、x3）计算气液平衡组成已知p、 t, 求 x y关

14、系1.2.2 两组分非理想物系的气液平衡在工业生产中，理想溶液很少，原因在于同种分子间的作用力与异种分子间的作用力不同，因偏差有正有负，故将溶液分为对拉乌尔定律具有正偏差的溶液和具有负偏差的溶液。1.具有正偏差的溶液图13 乙醇水溶液的相图当在相同温度下溶液上方各组分的蒸汽分压均大于采用拉乌尔定律的计算值，这种混合液对拉乌尔定律具有正偏差。以图6-3乙醇-水溶液的汽液相平衡图为例。在总压1atm,乙醇的摩尔分数xP=0.894时，所对应的温度为78.15，称为最低恒沸点，而水的沸点为100，乙醇沸点78.3，说明具有该点组成的混合物为恒沸物。2.具有负偏差的溶液当各组分的蒸汽分压小于拉乌尔定律的计算时，这种混合液对拉乌尔定律具有负偏差。如图6-4硝酸-水溶液，在总压1atm下，恒沸组成xM=0.383，最高恒沸点TM=121.9，比水的沸点(100)与纯硝酸的沸点(86)都高。图14 硝酸水溶液的相图本节注意点：1恒压条件下，双组分平衡物系中仅有一个自由度，即在温度t与组成x(y)这两个参数中，只要决定一个参数，另一个即被定。换言之，恒压下的双组分平衡物系中存在着两个对应关系： 2在一定外压下，纯组分的饱和蒸汽压与外压相等时，液体开始沸腾，其对应的温度称为沸点，可见，外压一定时，纯组分的沸点为一定值。在一定外压下