化学分离技术-第10章蒸馏与精馏课件

《化学分离技术-第10章蒸馏与精馏课件》由会员分享，可在线阅读，更多相关《化学分离技术-第10章蒸馏与精馏课件（123页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、第10章 蒸馏与精馏 Distillation,目的及要求： （1）了解简单蒸馏和平衡蒸馏的概念及原理； （2）掌握精馏的依据、原理、必要条件以及精馏的实质； （3）掌握全塔物料衡算及轻组分的物料衡算。 （4）掌握精馏段、提馏段及进料线方程 （5）掌握不同进料状况下，q值得大小及q线的位置 （6）熟练地运用逐板计算法和图解法求取理论板数 （7）掌握最小回流比及适宜回流比的计算,重点和难点： 精馏段、提馏段及进料线方程;不同进料状况下，q值得大小及q线的位置,概述 10.1 两组分溶液的汽液平衡 10.2 平衡蒸馏与简单蒸馏 10.3 精馏原理和流程 10.4 两组分连续精馏的计算 10.5 间

2、歇精馏 10.6 特殊精馏 10.7 多组分精馏 本章总结联系图,概述,蒸馏是分离液体混合物的典型单元操作。 1.蒸馏分离的依据 将液体混合物部分气化，利用其中各组分挥发度不同的特性而达到分离目的的单元操作。 这种分离操作是通过液相和气相间的质量传递来实现的。例如：加热甲醇和乙醇的混合液，使之部分气化，由于甲醇的沸点(64.7)较乙醇的沸点(78.3)低，即其挥发度较乙醇的高，故甲醇较乙醇易于从液相中气化出来。若将气化的蒸汽全部冷凝，即可得到甲醇组成高于原料的产品，从而使甲醇和乙醇得以分离。 将沸点低的组分称为易挥发组分或轻组分，用A表示。 将沸点高的组分称为难挥发组分或重组分，用B表示。 则

3、混合液：A+B,2、蒸馏过程的分类,按蒸馏方式分为： 平衡蒸馏和简单蒸馏。多用于待分离混合物中各组分挥发度相差较大而对分离要求不高的场合，是最简单的蒸馏； 精馏。适合于待分离的混合物中各组分挥发度相差不大且对分离要求较高的场合，应用最广泛； 特殊蒸馏。适合于待分离混合物中各组分的挥发度相差很小甚至形成共沸物，普通蒸馏无法达到分离要求的场合。主要有萃取精馏、恒沸精馏、盐熔精馏、反应精馏及水蒸气蒸馏。 按操作流程分为： 间歇蒸馏。又称分批蒸馏，属于非稳态操作，主要适用于小规模及某些有特殊要求的场合； 连续蒸馏。属于稳态操作，是工业生产中最常用的蒸馏方式，用于大规模生产的场合。,2、蒸馏过程的分类,

4、按操作压力分为： 加压蒸馏。适用于常压下为气态（如空气）或常压下沸点接近室温的混合物； 常压蒸馏。适用于常压下沸点在1500C左右的混合物； 减压蒸馏。（真空蒸馏）适用于常压下沸点较高或热敏性物质，可降低其沸点。 按待分离混合物的组分数分为： 两组分精馏。计算简单。常以此精馏原理为计算基础，然后引申到多组分精馏计算中。 多组分精馏。工业上常见。 本章重点讨论常压两组分连续精馏过程的原理和计算。,3.蒸馏分离的特点,直接获取几乎纯态的产品。而吸收、萃取等操作的产品为混合物。 应用范围广。可分离液体混合物，气体混合物、固体混合物。 能耗高。气化、冷凝需消耗大量的能量。加压、减压，将消耗额外的能量。

5、,3.1 两组分溶液的气液平衡,3.1.1 两组分理想物系的汽液关系 理想物系是指符合以下条件的物系： 液相为理想溶液，遵循拉乌尔定律； 汽相为理想气体，遵循道尔顿分压定律，当总压不太高(104kPa)时汽相可视为理想气体。 理想溶液的特点： fAA=fBB=fAB：相同与相异分子间的作用力相等。 V混和=0， H混和=0 ：混和前后体积和焓不变，即所形成的溶液无容积效应和热效应。 组分组成采用摩尔分率表示： 液相中，A:x，B:1-x 汽相中，A:y，B:1-y,3.1.1.1 相律,F=C-+n 组分数C=2(A，B) 相数=2(汽，液) 影响因素n=2(温度，压力) 自由度F=2 说明

6、对两组分汽液平衡物系而言，温度t、压力P、汽相组成y、液相组成x四个参数中，任意确定其中2个变量，其余的2个变量随之确定，两组分汽液平衡物系的状态便确定了。 一定压力下:液相（汽相）组成x (y)与温度t存在一一对应关系； 气液组成之间xy存在一一对应关系,1.利用饱和蒸汽压计算汽液平衡关系 理想溶液的汽液平衡关系符合拉乌尔定律： 理想气体混和时遵循道尔顿分压定律： 说明 因p。=f(t)，所以，上式表明当P一定时，温度t与液相组成x之间的关系，tx。 泡点：混合液开始沸腾时的温度。,3.1.1.2 汽液平衡的函数关系,泡点方程,露点方程,说明 上式表明当P一定时，温度t与汽相组成y及液相组成

7、x之间的关系，txy。 露点：混合汽开始冷凝时的温度。 P。=f(t)关系确定： 实验测定，查手册； 安托尼经验公式计算：,2.用相对挥发度表示的汽液平衡关系,理想物系：,相对挥发度,相对挥发度：易挥发组分的挥发度与难挥发组分的挥发度之比。,汽液平衡方程,温度对相对挥发度的影响：t， 平均相对挥发度的计算：理想溶液中，由于t，pA。、pB。，因此变化不大，一般可将视为常数，计算时取平均值。算法为： 利用的大小判断某混合液能否用一般蒸馏方法分离及分离的难易程度： 1，表示组分A较B容易挥发，可用一般的蒸发方法进行分离。愈大, 平衡线愈远离对角线，物系愈易分离； =1, 无法用普通蒸馏方法分离。,

8、说明,3.1.1.3 两组分理想溶液的汽液平衡相图,有txy图和xy图两种。 1.txy图（温度组成图） (1)实验测定法 通过实验测定不同温度t下的组成x和y，以组成x(y)为横标，温度t为纵标，标绘所得即为txy图。,(2)计算法 设定一温度t1，查取纯A、纯B组分的饱和蒸汽压，利用泡点方程及露点方程计算出对应的x1和y1，改变温度，重复上述步骤。将各个t、x、y数据以t为纵标，x(y)为横标标绘在直接坐标系中，即得txy图。,说明,图中有2条曲线。上方曲线为ty线，表示混合物的平衡温度t与汽相组成y之间的关系，称为饱和蒸汽线。下方曲线为tx线，表示混合物的平衡温度t与液相组成x之间的关系

9、，称为饱和液体线。,3个区域。液相区：代表未沸腾液体；过热蒸汽区：代表过热蒸汽；汽液共存区：代表汽液同时存在。,2个端点。tA、tB代表纯A、纯B组分的沸点。,若将温度为t1，组成为x1的冷液体(A点)加热，升温到B点时溶液开始沸腾，出现第一个气泡，相应的组成为y1，因此饱和液体线又称泡点线。,继续升温到C点，进入气液两相共存区，气液组成分别如m、n点坐标所示的x和y，可见此时yx，两相的量可由杠杆规则进行确定。,因此只有将液体部分汽化，才能起到分离作用。所以蒸馏操作必须在气液两相共存区内进行。,m,n,同理，将温度为t5，组成为y1(点E)的过热蒸汽冷却，当温度降到t4时(点D)，混和气开始

10、冷凝，产生第一滴液体，因此饱和蒸汽线又称露点线，对应的液相组成为x1。,2.xy图（组成图）,将txy图中yx关系标绘在直角坐标系中所得。 对角线 y=x 为参考线 xy曲线上各点具有不同的温度； 平衡线离对角线越远，挥发性差异越大，物系越易分离。,总压对xy曲线影响不大，因此蒸馏中使用xy图较txy图方便。,3.2 平衡蒸馏与简单蒸馏,3.2.1 平衡蒸馏(闪急蒸馏) 1.流程 原料液加热到泡点以上，连续地通过一节流阀减压到预定的压强后进入分离器。减压后的液体呈过热状态，产生自蒸发而使液体部分汽化，形成两相平衡物系。汽液两相在分离器中分离后，分别得到易挥发组分浓度高的塔顶产品和易挥发组分浓度

11、低的塔底产品，使混合液得到一定程度的分离。,2.特点: 连续操作 顶部和底部产品组成不随时间而变化 一次进料，粗分 x, y是一对平衡组成 3.计算 物料衡算 热量衡算,3.2.2 简单蒸馏,1.流程 原料液一次加入蒸馏釜中，在恒定压强下加热至沸腾使溶液不断汽化，产生蒸汽经冷凝后作为顶部产品。简单蒸馏时，气液两相的接触比较充分，因此可认为两相达到了平衡。随着蒸馏的进行，釜内液体的易挥发组分浓度不断下降，相应的气相中易挥发组分的组成将逐渐降低，釜中溶液的温度不断升高，当釜液中易挥发组分的浓度降到某一值时，停止操作，排出残液，进行下一批蒸馏操作。,2.特点 间歇操作 塔顶塔底组成不是一对平衡组成

12、适合于混合物的粗分离，特别适合于沸点相差较大而分离要求不高的场合，例如原油或煤油的初馏。 3.计算,例1 理想溶液简单蒸馏时，某时刻釜残液量Wkmol与易挥发组分组成x2（摩尔分率）之间有如下关系式 式中：F为初始料液量，kmol；xF（摩尔分率）为初始浓度， 为平均相对挥发度。对苯甲苯溶液，xF=0.6，F=10kmol，=2.5，在101.3kPa下进行简单蒸馏。试求：（1）蒸馏到残液浓度x2=0.5为止，馏出液的量D和平均浓度；（2）若蒸馏至残液量为原加料的一半时，残液的浓度。,解：（1） 解得,（2）依题意W = F/2，将有关数据代入题给方程 整理后得 试差法求得x2=0.4569,

13、平衡蒸馏和简单蒸馏过程在相图上的表示：,温度为tF的原料液加热到t1，部分汽化、分离，所得汽相组成为y，液相组成为x。 此分离过程不会使yyD、xxW。 由此可见，将液体混合物进行一次部分汽化的过程，只能起到部分分离的作用。因此，这种方法只适用于要求粗分或粗加工的场合。要使混合物中的组分得到几乎完全的分离，必须进行多次部分汽化和部分冷凝的过程。,3.3 精馏原理和流程,3.3.1 精馏原理 将部分汽化得到的汽相经过n次部分冷凝后，最终产品组成为yn。次数愈多，组成愈高，最后可得到几乎纯态的易挥发组分。 将部分汽化得到的液相经过m次部分汽化后，最终产品组成为xm。次数愈多，组成愈高，最后可得到几

14、乎纯态的难挥发组分。,多次部分汽化和多次部分冷凝,缺点： 1、收率低； 2、设备重复量大，设备投资大； 3、能耗大，过程有相变。,有回流的多次部分汽化和多次部分冷凝,缺点： 设备庞杂,工业上的精馏过程时在直立圆形的精馏塔内进行的。,3.3.2 精馏操作流程1.连续精馏流程,进料板：原料液进入的那层塔板 精馏段：进料板以上的塔段 提馏段：进料板以下（包括进料板）的塔段。 理论板：离开的汽液两相达到平衡状态的塔板。 再沸器：加热塔底釜残液。 冷凝器：冷凝塔顶上升蒸汽,连续精馏流程(板式塔),2.间歇精馏流程,原料一次加入到塔内，当釜残液达到指定组成后，精馏停止。 无提馏段。 精馏段：全部的塔段 馏

15、出液组成不断变化，在塔底上升蒸汽量和塔顶回流液量恒定的条件下，馏出液组成不断降低。,间歇精馏流程(板式塔),3. 塔板的作用,塔板提供了汽液分离的场所。汽液两相在板上充分接触，进行传质和传热。 每一块塔板是一个混合分离器 足够多的板数可使各组分较完全分离,4. 精馏过程的回流,回流的作用： 提供不平衡的气液两相，是构成气液两相传质的必要条件。 精馏的主要特点就是有回流。 回流包括： 塔顶回流液 塔底回流汽,3.4 两组分连续精馏的计算,3.4.1 理论板的概念和恒摩尔流假定 3.4.1.1 理论板的概念 理论板：离开的汽液两相在组成上互成平衡的塔板。 理论上，液相组成均匀一致，汽液两相温度相同

16、。 实际上，理论板并不存在，它是作为衡量实际板分离效率的依据和标准。计算中，先求得理论板层数，再用塔板效率予以校正，即得实际板数。,3.4.1.2 恒摩尔流假定,恒摩尔汽流： 但两段上升的汽相摩尔流量不一定相等。 恒摩尔液流： 但两段下降的液相摩尔流量不一定相等。 若恒摩尔流假定成立，则在塔板上汽液两相接触时，当有1kmol的蒸汽冷凝时便有1kmol液体汽化。,当物系满足以下条件时，恒摩尔流假定才能成立： 两组分的摩尔汽化潜热相等； 汽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。 恒摩尔流虽然是一项假定，当某些物系能基本上符合上述条件，以后介绍的精馏计算均以恒摩尔流假定为前提。,3.4.2 物料衡算和操作线方程,组成xn、yn表示离开第n块理论板的液、汽相组成。 yn xn关系已知，为平衡关系。 若已知yn+1 xn关系，则塔内各板汽液组成可逐板确定，由此可计算出在指定分离要求下的理论板数， yn+1 xn关系由精馏条件确定，通过物料衡算求得，称为操作关系。,n,n+1