《化工原理》气液平衡 _液体精馏

《《化工原理》气液平衡 _液体精馏》由会员分享，可在线阅读，更多相关《《化工原理》气液平衡 _液体精馏（83页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、第7章 液体精馏7.1 概述7.2 双组分溶液的气液相平衡7.3 精馏原理7.4 双组分连续精馏的计算7.5 板式塔1第7章 液体精馏7.1 概 述化工生产过程中，常常需要将均相混合物分离为较 纯净或几乎纯态的物质。对于均相物系必须要造成一个 两相物系，利用原物系中各组分间某种物性的差异，而 使其中某个组分（或某些组分）从一相转移到另一相， 以达到分离的目的。物质在相间的转移过程称为传质过 程或分离过程。化工生产中常见的传质过程有蒸馏、吸 收、干燥和萃取等单元操作，常见的蒸馏方式有简单蒸 馏、平衡蒸馏和精馏。当分离程度要求不高或较易分离 时，可采用简单蒸馏或平衡蒸馏；当分离程度要求很高 时，可

2、采用精馏。精馏是蒸馏操作中应用最广泛的一种 。 2第7章 液体精馏7.1.1精馏操作在化工中的应用精馏是分离液体均相混合物典型的单元操作，在化 工、炼油等工业生产中应用很广，例如石油精馏可得到 汽油、煤油和柴油等；液态空气精馏可得到纯的液氧和 液氮等。精馏分离的依据是液体混合物中各组分的挥发 性不同。 精馏操作通过气、液两相的直接接触，使易挥发组 分由液相向气相传递，难挥发组分由气相向液相传递， 是气、液两相之间的传质过程。 3第7章 液体精馏7.1.2 精馏的分类工业上精馏操作可按以下方法分类：（1）操作方式：可分为间歇精馏和连续精馏。（2）物系中组分的数目：可分为双组分精馏和多组分精馏。（

3、3）物系分离的难易：可分为精馏和特殊精馏。（4）操作压强：可分为常压精馏、减压精馏和加压精馏。4第7章 液体精馏7.2 双组分溶液的气液相平衡 7.2.1双组分溶液的气液相平衡 1双组分理想溶液的气液相平衡关系气液相平衡关系，是指溶液与其上方的蒸气达到平 衡时，系统的总压、温度及各组分在气液两相中组成间 的关系。 理想溶液及拉乌尔定律实验表明，理想溶液的气液平衡关系遵循拉乌尔定 律。拉乌尔定律表示：当气液呈平衡时，溶液上方组分 的蒸气分压与溶液中该组分的摩尔分率成正比。在一定压强下，液体混合物开始沸腾产生第一个气 泡的温度，称为泡点温度（简称泡点）。严格而言，实际上理想溶液是不存在的，仅对于那

4、 些由性质极相近、分子结构相似的组分所组成的溶液， 例如苯-甲苯、甲醇-乙醇、烃类同系物等可视为理想溶 液。5第7章 液体精馏 气液平衡相图 t-x-y图该图表示在一定 总压下，温度与气、 液相组成之间的关系 。在总压为 101.33kPa下，苯-甲苯 混合液的t-x-y图如图7- 1所示。图7-1 苯-甲苯混合液的t-x-y图6第7章 液体精馏 y-x图在一定外压下，以 y为纵坐标，以x为横坐 标，建立气-液相平衡 图，即y-x图，图中曲 线代表气液相平衡时的 气相组成y与液相组成x 之间的关系。图7-2为苯-甲苯混 合液在外压为 101.33kPa下的y-x图。 如图中曲线的D点表示 组成

5、为x1的液相与组成 为y1的气相互成平衡。 该曲线又称为平衡曲线 。图7-2 苯-甲苯混合液的y-x图7第7章 液体精馏2双组分非理想溶液的气液平衡关系非理想溶液可分为与理想溶液发生正偏差的溶液和 负偏差的溶液。例如，乙醇-水物系是具有正偏差的非理 想溶液；硝酸-水物系是具有负偏差的非理想溶液。它们 的y-x图分别如图7-3和7-4所示。图7-3 乙醇-水溶液的y-x图图7-4 硝酸-水溶液的y-x图8第7章 液体精馏7.2.2相对挥发度1 挥发度挥发度可表示物质挥发的难易程度。纯物质的挥发 度可用该物质在一定温度下的饱和蒸气压来表示。同一 温度下，蒸气压愈大，表示挥发性愈大。对于混合液， 因

6、组分间的相互影响，使其中各组分的蒸气压要比纯组 分的蒸气压低，故混合液中组分的挥发度可用该组分在 气相中平衡分压与其在液相中组成（摩尔分率）之比表 示， 2相对挥发度相对挥发度，即为混合液中组分挥发度之比，用表 示。9第7章 液体精馏7.3 精馏原理7.3.1 精馏原理精馏过程原理可用气液 平衡相图说明 ，如图7-5所示。图7-5 多次部分气化和部分冷凝10第7章 液体精馏若将组成为xF、温度低于泡点的某混合液加热到泡点 以上，使其部分气化，并将气相和液相分开，则所得气 相组成为y1，液相组成为x1，且y1xFx1，此时气液相 量可用杠杆规则确定。若将组成为y1的气相混合物进行 部分冷凝，则可

7、得到组成为y2的气相和组成为x2的液相； 又若将组成为y2的气相部分冷凝，则可得到组成为y3的气 相和组成为x3的液相，且y3y2y1，可见气体混合物经 多次部分冷凝后，在气相中可获得高纯度的易挥发组分 。同时，若将组成为x1的液相经加热器加热，使其部分 气化，则可得到组成为x2的液相和组成为y2（图中未 标出）的气相，再将组成为x2的液相进行部分气化， 可得到组成为x3的液相和组成为y3（图中未标出）的 气相，且x3x2x1，可见液体混合物经过多次部 分气化，在液相中可获得高纯度的难挥发组分。11第7章 液体精馏 7.3.2 精馏装置的流程典型的连续精馏流程如 图7-7所示。原料液经预热后，

8、送入 精馏塔内。操作时，连续 地从再沸器取出部分液体 作为塔底产品（釜残液） ，部分液体气化，产生上 升蒸气，依次通过各层塔 板。塔顶蒸气进入冷凝器 中被全部冷凝，并将部分 冷凝液借助重力作用（也 可用泵送）送回塔顶作为 回流液体，其余部分经冷 却器（图中末画出）后被 送出作为塔顶产品（馏出 液）。1.精馏塔 2.再沸器 3.冷凝器 4.回流液泵 图7-6 连续精馏装置流程12第7章 液体精馏塔内气、液两相每经过一块塔板，上升蒸汽中易挥 发组分和下降液相中难挥发组分分别同时得到一次提浓 ，因此，经过的塔板数越多，提浓程度越高。通过整个 精馏过程，最终在塔顶得到高纯度的易挥发组分（塔顶 馏出液）

9、，塔釜得到的基本上是难挥发组分。概括来说 ，每一块塔板是一个混合分离器，进入塔板的气流和液 流之间同时发生传质和传热过程，结果是两相各自得到 提浓。 塔顶蒸汽冷凝器可分为全凝器和分凝器两种。全凝 器用得较多，所以通常称其为冷凝器。7.3.3塔板与回流的作用13第7章 液体精馏7.4 双组分连续精馏的计算精馏过程的计算可分为设计型和操作型两类。本章重点讨论板式塔的设计型计算。精馏过程设计型计算， 通常已知原料液流量、组成及分离程度，需要计算和确 定的内容有：选定操作压强和进料热状态等；确定产品流量和组成；确定精馏塔的理论板数和加料位置；选择精馏塔的类型，确定塔径、塔高和塔板结构尺寸，并进行流体力

10、学验算；计算冷凝器和再沸器的热负荷，并确定两者的类型和尺寸。 14第7章 液体精馏7.4.1 理论板的概念及恒摩尔流的假定 1理论板的概念所谓理论板，是指气液两相在板上充分接触混合， 塔板上不存在温度差、浓度差，离开该板时气液两相达 到平衡状态，即两相温度相等，组成互为平衡。 2恒摩尔流的假定 恒摩尔气流恒摩尔气流是指在精馏塔内，在没有中间加料（或 出料）条件下，各层板上升蒸气的摩尔流量相等，但两 段的上升蒸气摩尔流量不一定相等。 恒摩尔液流恒摩尔液流是指在精馏塔内，在没有中间加料（或 出料）条件下，各层板下降液体的摩尔流量相等，但两 段的下降液体摩尔流量不一定相等。15第7章 液体精馏1全塔

11、的物料衡 算对图7-8所示 的间接蒸汽加热 的连续精馏塔作 全塔物料衡算， 并以单位时间为 基准，图7-7 精馏塔的物料衡算7.4.2 物料衡算操作线方程16第7章 液体精馏则总物料 F=D+W （7-12）易挥发组分 FxF=DxD+WxW （7-12a）式中 F原料液流量（kmol/s）；D塔顶产品（馏出液）流量（kmol/s）；W塔底产品（釜残液）流量（kmol/s）；xF原料液中易挥发组分的摩尔分率；xD馏出液中易挥发组分的摩尔分率；xW釜残液中易挥发组分的摩尔分率。17第7章 液体精馏2精馏段的物料衡算按图7-8虚线范围（包括精馏段第n+1层塔板以上塔 段和冷凝器）作物料衡算，以单位

12、时间为基准，即 总物料易挥发组分（7-15a）（7-15）式中 xn精馏段中任意第n层板下降液体中易挥发组分的 摩尔分率；yn+1精馏段中任意第n+1层板上升蒸气中易挥发组 分的摩尔分率。18第7章 液体精馏图7-8 精馏段操作线方程的推导19第7章 液体精馏将式7-15代入式7-15a，并整理得：若将上式等号右边的两项的分子和分母同时除以D，可 得：令L/D=R，代入上式得：式中R称为回流比，它是精馏操作的重要参数之一。其 值一般由设计者选定。R值的确定将在后面讨论。（7-16）（7-17）20第7章 液体精馏图7-10 精馏塔的操作线式7-16和式7-17称为精 馏段操作线方程。此二式 表

13、示在一定操作条件下， 精馏段内自任意第n层板下 降的液相组成xn与其相邻 的下一层板（如第n+1层板 ）上升蒸气气相组成yn+1之 间的关系。该式在x-y直角 坐标图上为直线，其斜率 为R/（R+1），截距为xD/（ R+1），如图7-10中直线ab 。21第7章 液体精馏7-9 提馏段操作线方程的推导3提馏段的物料衡算 按图7-10虚线范围 （包括提馏段第m层板以下塔段及再沸器 ）作物料衡算，以单 位时间为基准，22第7章 液体精馏即 总物料 （7 -18） 易挥发组 （7- 18a） 式中 提馏段第m层板下降液体中易挥发组分的摩尔分 率；提馏段第m+1层板上升蒸气中易挥发组分的摩尔 分率。

14、 将式（7-18）代入式（7-18a），并整理可得：式（7-19）称为提馏段操作线方程式。此式表示在一 定操作条件下，提馏段内自任意第m层板下降液体组成 与其相邻的下一层板（第m+1层）上升蒸气组成之间的 关系。根据恒摩尔流的假定，L为定值，且在稳定操作 时，W和xW也为定值，故式（7-19）在x-y图上也是直线 ，如图7-10直线cd。（7-19）23第7章 液体精馏7.4.3 进料热状态对操作线的影响1进料热状态在生产中，加入精馏塔中的原料可能有以下五种热 状态： （1）冷液体进料，原料温度为低于泡点的冷液体；（2）饱和液体进料，原料温度为泡点的饱和液体，又 称泡点进料； （3）气、液混合

15、物进料，原料温度介于泡点和露点之 间的气、液混合物； （4）饱和蒸汽进料，原料温度为露点的饱和蒸汽，又 称露点进料； （5）过热蒸汽进料，原料温度为高于露点的过热蒸汽 。 24第7章 液体精馏2.进料热状态参数 进料板的物料衡算与热量衡算 对图7-11所示的进料板分别作物料衡算及热量衡算，即 F+ V+L=V+ L FIF+ VIV+LIL=VIV+ LIL 由于与进料板相邻的上下板的温度及气液相组成各 自都很相近，故有： IVIV ILIL（7-20） （7-20a）式中 IF原料液的焓（kJ/kmol）；IV，IV分别为进料板上、下处饱和蒸气的焓（ kJ/kmol）；IL，IL分别为进料板上、下处饱和液体的焓（ kJ/kmol）。25第7章 液体精馏图7-11 进料板上的物料衡算和热量衡算26第7章 液体精馏将上述关系代入式（7-20a），联解式（7-20）和（ 7-20a）可得 （7 -21）令 （7- 21a）q称为进料热状态参数。对各种进料热状态，可用 式（7-21a）计算q值。 根据式（7-21）和（7-20）可得： L=L+qF （7- 22） V= V+(q-1)F （7- 23）式（7-