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1、考研考研 化工原理化工原理 必备课件第六章必备课件第六章 蒸馏蒸馏本文由 821240550 贡献ppt 文档可能在 WAP 端浏览体验不佳。建议您优先选择 TXT，或下载源文件到本机查看。第六章 蒸馏6.1 蒸馏概述蒸馏及精馏的分离依据液体均具有挥发成蒸汽的能力，但各种液体的挥发性个不相同。习惯 上，将液体混合物中的易挥发组分 A 称为轻组分，难挥发组分B 则称为重组 分。将液体混合物加热至泡点以上沸腾使之部分汽化必有 yAxA；反之将混 合蒸汽冷却到露点以下使之部分冷凝必有xByB。上述两种情况所得到的气 液组成均满足:yA xA y B xB部分汽化及部分冷凝均可使混合物得到一定程度的分
2、离，它们均是籍混合 物中各组分挥发性的差异而达到分离的目的，这就是蒸馏及精馏分离的依 据。6.1 蒸馏概述工业蒸馏过程平衡蒸馏（闪蒸） 平衡蒸馏又称闪蒸，系连续定态过程，其流程如下图。6.1 蒸馏概述工业蒸馏过程简单蒸馏 简单蒸馏为间歇操作过程，其流程如下图。6.1 蒸馏概述(3)精馏操作的费用和操作压强蒸馏和精馏都是通过气化、冷凝达到分离提浓的目的的。液体 加热气化需要耗热，气相冷凝则需要提供冷却量，因此，蒸馏和精 馏都是能耗很高的单元操作，采用何种措施达到节能降耗是精馏过 程研究的重要任务。此外，蒸馏过程中的液体沸腾温度和蒸汽冷凝 温度均与操作压强有关，故工业蒸馏的操作压强应进行适当的选择
3、。加压精馏可使冷凝温度提高以避免使用费用很高的冷凝器或者在常 压下为气态混合物（如烷、烃类混合物） ，沸点很低，需加压使其 成液态后才能精馏分离；减压精馏可使沸点降低以避免使用高温载 热体，沸点高且又是热敏性混合物精馏宜用减压精馏；除上述情况 外以外一般用常压精馏。6.2 双组分溶液的气、液相平衡6.2.1 理想物系的气液相平衡 6.2.2 非理想物系的气液相平衡6.2.1 理想物系的气液相平衡xt（泡点）关系式液相为理想溶液，服从拉乌尔定律：pA = pA xA = pA xo op B = p B x B = p A (1 ? x )o o气相为理想气体，符合道尔顿分压定律： o pA p
4、A x yA = = p p6.2.1 理想物系的气液相平衡xt（泡点）关系式混合液沸腾的条件是各组分的蒸汽压之和等于外 压，即p = pA + pBo= p A x A + p B (1 ? x )ox =p ? pBoo oPA ? PB6.2.1 理想物系的气液相平衡纯组分的蒸汽压与温度的关系式可用安托因方程表 示，即B log p = A ? t+co故与的关系为非线性关系，已知求用上式很方便， 但是已知求泡点要用试差法（迭代法）求。6.2.1 理想物系的气液相平衡yt（露点）关系式指定用上述方法求出后用道尔顿分压定律求，即pA x yA = po6.2.1 理想物系的气液相平衡yt（
5、或 y）关系式将用上述方法求出的的数据画在同一张图上，就得 到下图。6.2.1 理想物系的气液相平衡tx（或 y）关系式两端点 A 与 B.端点 A 代表纯易挥发 A 组分(x=1)，端点 B 代表纯难挥发 B 组分（x=0 ） 。t A,沸点 xF，xyF，故部分冷凝亦可 实现一定程度的分离。要实现高纯度分离必须采用多次部分汽 化和多次部分冷凝，这个过程在工业生产上是如何实现的呢？6.2.1 理想物系的气液相平衡yx 图在蒸馏计算中广泛应用的是一定总压下的 yx 图。 o 因 pA / p 1，故在任一 x 下 总是 yx，相平衡曲线 yx 必位于对角线 y=x 上方。 若平衡曲线离对角线越
6、远， 越有利于精馏分离。注 意:yx曲线上各点对应不 同的温度。x 、y 值越大， 泡、露点温度越低。6.2.1 理想物系的气液相平衡相对挥发度 和相平衡方程纯组分的饱和蒸汽压 p0 只能反映纯液体挥发性的大小。某组 分与其它组分组成溶液后其挥发性将受其它组分的影响。溶液 中各个组分的挥发性大小应该怎样表达才符合实际情况呢？对 了，要用各组分的平衡蒸汽分压与其液相的摩尔分数的比值， 即挥发度 表示。 挥发度pA A = xApB B = xB6.2.1 理想物系的气液相平衡（6）相对挥发度 和相平衡方程 ）在蒸馏中表示分离难易程度要用两组分挥发度之比，称为相 对挥发度 = A p A / x
7、A y A / x A y A / y B y /(1 ? y ) = = = = B p B / xB y B / xB x A / xB x /(1 ? x)相平衡方程x y= 1 + ( ? 1) x6.2.1 理想物系的气液相平衡（6）相对挥发度 和相平衡方程 ）此式表示互成平衡的气液两相组成间的关系，称为相平衡方 程。如能得知 值，便可算出气液两相平衡时易挥发组分浓度yx 的对应关系。对理想溶液，将拉乌尔定律带入 的定义式可得 A p A / x A PA = = = 0 B p B / x B PB06.2.1 理想物系的气液相平衡（6）相对挥发度 和相平衡方程 ）即理想溶液的值仅
8、依赖于各纯组分的性质。纯组分的饱和蒸汽压 pA0、 pB0 均系温度 t 的函数，且随温度的升高而加大，o o 因此 原则上随温度（也即随 x）而变化。但 p A / p B 与温度的关系较或单独与温度的关系小得多，因而可在操作的温度范围内取 一平均的相对挥发度 并将其视为常数，这样利用相平衡方程 就可方便地算出 yx 平衡关系。换句话说相平衡方程仅对为 常 数的理想溶液好用。 那么怎么取 的平均值呢？（P74-75 两种取法）6.2.1 理想物系的气液相平衡（6）相对挥发度 和相平衡方程 ） 为常数时，溶液的相平衡曲线如下图所示。6.2.1 理想物系的气液相平衡（6）相对挥发度 和相平衡方程
9、 ） = 1 时， yx （即对角线） ， 值越大，同一液相组成 x对应的值 y 越大，可获得的提浓程度越大，分离程度越好。因 此 ， 的大小可作为用蒸馏分离某物系的难易程度的标志。6.2.2 非理想物系的气液相平衡实际生产中所遇到的大多数物系为非理想物系。非理想物系的 气液相平衡关系的计算要涉及逸度、活度系数等参数，计算复杂， 在学习物理化学时同学们有接触，更深入的讨论在后续课程 化工热力学中，我们在化工原理中不要求计算，只需掌握 非理想物系的相平衡图即可。根据具体情况，非理想物系又分为： 液相属非理想溶液；气相属非理想气体两大类。后面仅限于讨 论非理想溶液的相平衡曲线图。6.2.2 非理想
10、物系的气液相平衡（1）非理想溶液 ）溶液的非理想性来源于异种分子之间的作用力 aAB 不同于同 种分子间的作用力 aAA、aBB，其表现是溶液中各组分的平衡蒸 汽压偏离拉乌尔定律。此偏差可以是正偏差，也可以是负偏差， 实际溶液尤以正偏差居多。6.2.2 非理想物系的气液相平衡（1）非理想溶液 ）正偏差：aABaAA， aABaBB ，异分子间的吸引力大，使得 溶液的两个组分的平衡分压都比拉乌尔定律所预计的低，如图 9-6b。 负偏差严重时形成具有最高恒沸点的溶液，图 9-8 氯仿-丙酮溶液就 是这种溶液，其 tm64.5 ，xm0.65，也不能用 普通精馏方 法对具有最高恒沸点的恒沸物中的两个
11、组分加以分离 。6.2.2 非理想物系的气液相平衡（1）非理想溶液 ）6.2.2 非理想物系的气液相平衡（1）非理想溶液 ）非理想溶液相对挥发度随组成的变化很大，不能 示为常数，故相平衡方程不能用。6.2.2 非理想物系的气液相平衡（2）总压对相平衡的影响 ）上述相平衡曲线（包括理想物系及非理想物系）均以恒定总 压 P 为条件。P，泡点 t 、 ，分离较困难，P 对 tx（或 y）图及 yx 图的影响见图 9-12，由图可见，当 P PA,临界时，气、液共存区缩小，精馏只能在一定浓度范围内进行，即得 不到轻组分的高纯度产物。6.2.2 非理想物系的气液相平衡（2）总压对相平衡的影响 ）6.3
12、平衡蒸馏与简单蒸馏6.3.1 平衡蒸馏 6.3.2 简单蒸馏6.3.1 平衡蒸馏过程的数学描述蒸馏过程的数学描述不外为物料衡算式、热量衡算式及反映具 体过程特征的方程，现分述如下。 物料衡算式：对连续定态过程做物料衡算可得 总物料衡算： 易挥发组分的物料衡算： 两式联立可得F = D +W Fx F = Dy + WxD xF ? x = F y?x6.3.1 平衡蒸馏两式联立式中：D xF ? x = F y?xF,xF加料流率，kmol/s 及料液组成摩尔分数； D,y气相产物流率，kmol/s 及组成摩尔分数； W,x液相产物流率，kmol/s 及组成摩尔分数。6.3.1 平衡蒸馏设液相
13、产物占总加料量的分率为 q，气化率为 整理可得D ) = (1 ? q，代入上式 FxF qx y= = q ?1 q ?1显然，将组成为 xF 的料液分为任意两部分时必须满足此物料衡算 式。 以上计算中各股物料流率的单位也可用 kg/s，但各组成均须相 应用质量分数表示。6.3.1 平衡蒸馏热量衡算加热炉的热流量为 Q,则Q = Fc m, p (T ? t F )节流减压后，物料放出显热即供自身的部分气化，故Fc m , p (T ? t F ) = (1 ? q )Fr6.3.1 平衡蒸馏热量衡算 由此式可求得料液加热温度为T = te + (1? q )r cm , F式中： tF,T
14、 分别为料液温度与加热后的液体温度；K; te 闪蒸后气、液两相的平衡温度；K； Cm,p 混合液的平均摩尔热容，KJ/(kmol?K)； r 平均摩尔气化热，KJ/kmol。6.3.1 平衡蒸馏过程特征方程式平衡蒸汽中可设气、液两相处于平衡状态，即两相温度相同， 组成互为平衡。因此，y 与 x 应满足相平衡方程式y = f (x )若为理想溶液应满足x y= 1 + ( ? 1) xt e = (x )平衡温度 te 与组成 x 应满足泡点方程，即6.3.1 平衡蒸馏平衡蒸馏过程的计算： 平衡蒸馏过程的计算：当给定气化率(1-q)，可依照下图所示的方法图解求出所求的气、液相组成。6.3.2
15、简单蒸馏简单蒸馏过程的数学描述： 简单蒸馏过程的数学描述描述简单蒸馏过程的物料衡算、热量衡算方程与平衡蒸馏并无 本质区别，但简单蒸馏是个时变过程，而平衡蒸馏为定态过程。因 此，对简单蒸馏必须选取一个时间微元 d，对该时间微元的始末作 物料衡算。 设 W某瞬间釜中的液体量，它随时而变，由初态 W1 变至终态 W2； x某瞬间釜中液体的组成，它由初态 x1 降至终态 x2； y瞬间由釜中蒸出的气相组成，随时间而变。6.3.2 简单蒸馏若 d 时间内蒸出物料量为 dW,釜内液体组成相应地由 x 降为(x-dx)， 对该时间微元作易挥发组分的物料衡算可得:Wx = ydW + (W ? dW )(x
16、? dx )略去二阶无穷小量，上式可写为 将此式积分得W1 x1 dx ln = W 2 x2 y ? xdW dx = W y?x简单蒸馏过程的特征时任一瞬间的气、液相组成与互为平衡， 故描述此过程的特征方程仍为相平衡方程，即 y = f x 联立上述两式可得：( )W1 1 ? x2 ? 1 ? x1 ? ln = ln ? x + ln 1 ? x ? ? W2 ? 1 ? 2 1 ?6.3.2 简单蒸馏简单蒸馏的过程计算: 简单蒸馏的过程计算原料量 W1 及原料组成 x1 一般已知，当给定 x2 即可联立上式求出 残液量 W2。由于釜液组成 x 随时变化，每一瞬间的气相组成 y也相应 变化。若将全过程的气相产物冷凝后汇集一起，则馏出液的平均组 成 y 及数量可对全过程的始末作物料衡算而求出。全过程易挥发组 分的物料衡算式为y
