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1、精 馏,distillation,第五章 精馏,2,教学内容：一、概述 二、气液间的相平衡三、物料衡算 四、理论塔板数的确定五、塔板效率 六、精馏设备板式塔,第五章 精馏,教学目的 掌握精馏的气液相平衡关系和相对挥发度的计算；掌握定态连续精馏过程中的物料衡算操作线方程；掌握理论级的概念；能够进行理想二元体系泡点进料时理论板数的求算；了解回流比与精馏优化的关系；在此基础上了解板式塔的结构和性能。,第五章 精馏,3,一、概述,本章讨论分离均相液体混合物最常用最重要的方法蒸馏。 1、定义 1）质量传递过程（传质过程）：由浓度差引起的物质转移过程。 2）蒸馏：利用液体混合物中各组分挥发性的差异来分离液
2、体混合物的传质过程。 3）精馏：多次部分汽化，多次部分冷凝。 4）轻组分：液体混合物中的易挥发组分A。 5）重组分：液体混合物中的难挥发组分B。 6）原理：溶液加热至沸腾并有部分气化，气液平衡时由于各组分的挥发度不同，液相和气相的组成不同，轻组分在气相中的浓度高于液相浓度；蒸气被冷凝时，冷凝液中重组分浓度高于气相中的浓度，进行一次部分气化和冷凝（简单蒸馏）或多次部分气化、部分冷凝（精馏），将不同组分按挥发性高低分离开，最终在气相中得到较纯的轻组分，在液相中得到较纯的重组分。,8）浓度表示法及其换算,7）分离依据：利用物系在发生相变化过程中组分间挥发性的差异，将液体混合物中各组分分离的操作。,第
3、五章 精馏,5,2 、蒸馏分类,按分离要求分：简单蒸馏；精馏 按操作方式分：间歇；连续 按组分数分：双组分；多组分 按操作压强分：常压；加压；减压 按物系的特殊性分：恒沸；萃取；溶盐；反应简单蒸馏 常压蒸馏 双组分蒸馏 间歇蒸馏平衡蒸馏（闪蒸） 减压蒸馏 多组分蒸馏 连续蒸馏精 馏 加压蒸馏 特殊精馏（恒沸精馏、萃取精馏）,第五章 精馏,6,酒的提纯蒸馏操作过程,锅为汽化器，顶盖为冷凝器。如图所示。这就是一种简单蒸馏的操作过程。我还不知道“对酒当歌”源于哪个朝代的帝王将相，但可以肯定，从“对酒当歌”那个时候起，我国古代劳动人民就已经掌握了简单精馏这种操作过程。,制酒作坊装置图,为什么能使乙醇增
4、浓呢？主要因为乙醇比水的沸点低（或者说乙醇比水的挥发度高）。这样蒸汽中乙醇的含量yA高于粗酒中乙醇的含量xA，即yAxA。蒸汽冷凝之后，就得到乙醇含量高的酒。,1)简单蒸馏,简单蒸馏又称微分蒸馏，是一种单级蒸馏操作，常以间歇操作方式进行。在恒定压力下，将蒸馏釜中的溶液加热至沸腾，并使液体不断汽化，产生的蒸汽随即进入冷凝器中冷凝（在引出的瞬间，气、液间存在平衡关系。），冷凝液用多个罐子收集。由于整个蒸馏过程中，气相的组成和液相的组成都是不断降低的（馏出液的平均组成与原始溶液和馏残液间只存在物料衡算关系，不存在直接的相平衡间的联系。），所以每个罐子收集的溶液的组成是不同的，因此混合液得到了初步的分
5、离。特点：非定态过程。（过程中，气液组成及温度都随时间而变。） 应用：相对挥发度大的混合液的分离；要求不高的分离。,2）平衡蒸馏,平衡蒸馏又称为闪蒸，是一种单级蒸馏操作，常以连续操作方式进行。原料连续进入加热器中，加热到一定温度（超过进料的泡点）后经节流阀减到规定的压力，部分液体迅速汽化，汽液两相在分离器中分开，得到了组成不同的塔顶产品和塔底产品。由于汽液两相成平衡状态，所以称为平衡蒸馏。其优点是可以在相对较低的温度下有较高的馏出率；与简单蒸馏比较，在相同的温度时可产生较多的蒸气，即相对地可使蒸馏在较低温度下进行；这对于高温易分解的物料尤为重要。,第五章 精馏,9,3）间歇精馏,它是在简单蒸馏
6、釜上安装带有回流的精馏塔以改善精馏效率的；操作是间歇的，原料分批地加入，馏出液的组成随时间而改变，难于得到纯度很高的组分；但间歇精馏装置简单，操作机动性大，通用性广，因而在小批量的有机合成、制药等工业中广泛应用。特点：间歇精馏的装置是在蒸馏釜上安装只有精馏段的精馏塔，为非定态过程。,第五章 精馏,10,4）特殊蒸馏（略，见教材P228P236。),恒沸蒸馏、萃取蒸馏、催化精馏、石油的侧线分馏、热泵精馏等。纯组分的沸点在等压下不会变化。混合液则与之不同，开始沸腾的温度为t1，随着少量蒸气的分出，其沸腾温度会逐步提高。在工程上将混合液开始沸腾的温度t1定名为泡点；相应地将混合蒸气开始凝结的温度定名
7、为露点。塔顶蒸气部分冷凝或全冷凝后的冷凝液（即馏出液）引回一部分注入塔顶；引回的这部分馏出液称为回流。冷凝器分为全凝器（把上升的蒸气全部冷凝。）和分凝器（部分冷凝，即只是将回流液冷凝下来。）目前生产上主要还是用全凝器，这是由于调节回流比时分凝器不如全凝器便利、准确。,第五章 精馏,11,第五章 精馏,12,第五章 精馏,13,第五章 精馏,14,第五章 精馏,15,1、相律：只受温度和压力影响的平衡物系的自由度数，等于物系的独立组分数减去相数再加上二，即F=C-+2式中 F自由度数； C独立组分数；相数；2温度、压力。对两组分的气液平衡，F=2-2+2=2若恒定压力，则自由度数为1，即该物系温
8、度或组成中只有一个独立变量，其它变量都是它的函数，所以可以用平面相图来表示各变量间的关系。 2、两组分理想物系的气液平衡关系 1）理想物系：液相为理想溶液、气相为理想气体的物系。 2）拉乌尔定律：理想溶液中某组分的溶液蒸汽压等于该组分同温度下的液体蒸汽压与该组分的液相摩尔分率的乘积，即pA=p0AxA 式中pA组分A的溶液蒸汽压，Pa；即溶液上方组分A的平衡分压；p0A组分A的液体蒸汽压，Pa；即纯液体的饱和蒸汽压；xA组分A的液相摩尔分率。,二、气液间的相平衡,由 得 由 得3） 相对挥发度 挥发度：某组分的溶液蒸汽压与该组分的摩尔分率之比。 即： 对理想溶液（溶液服从拉乌尔定律），有 。
9、相对挥发度：易挥发组分挥发度与难挥发组分挥发度之比。 即： 对理想溶液，有 pi0随温度变化而变化，但对理想体系，两者的比值变化不大， 即相对挥发度可看成常数。 Antoine方程,理想溶液两组分挥发的难易也可用其沸点的高低来表示；差值越大，相对挥发度也越大。, 气液平衡方程(相平衡方程) 若气相为理想气体，则： 所以 1 即值越大，相应地蒸气中y越高，越易分离。1时，平衡线为对角线，体系中组分不能用一般的蒸馏和精馏方法分离。对双组分溶液， ，有整理并略去下标，得 上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以y-x的对应关系。为常数
10、时，溶液的相平衡曲线如上图所示。=1时，y=x（即对角线）；值越大，同一液相组成x对应的y值越大，可获得的提浓程度越大，分离程度越好。因此，值的大小可作为用蒸馏分离某物系的难易程度的标志。,3、两组分理想物系的气液平衡相图 1）温度组成（t-x-y）图（说明原理） 2）x-y图（简便，具有实用价值） 3）以相图表示蒸馏过程 （两相区平衡关系服从杠杆规则）封闭体系：溶液完全蒸发，蒸气组成等于溶液初始组成。 敞开体系：两相组成沿着液相线（泡点线）和气相线（露点线）变化，导出的蒸气中轻组分含量大于液相。 多次部分气化、部分冷凝：经多次部分气化可得纯重（难挥发）组分；经多次部分冷凝，可得纯轻（易挥发）
11、组分。,第五章 精馏,19,第五章 精馏,20,第五章 精馏,21,第五章 精馏,22,如xy相图所示，对于易挥发组分，因为yAxA，所以xy线均在对角线上方，只有x=0纯B，或x=1纯A，才有y=x。xy线与对角线偏离越远，表示越易分离。若xy线与对角线重合，则不能用一般的蒸馏和精馏方法分离。,如txy相图所示，在一定总压下，对于一定组成x1的溶液加热到与tx线相交的点，即出现第一个气泡，所以tx线亦称泡点线。 对于组成为y1的蒸气，冷却至与ty线相交，出现第一滴露珠，所以称ty线为露点线。 若tx线与ty线重合，则表示该溶液不能分离。若两线相距愈远，则表示愈易分离。很明显，只有在气液共存区
12、内，才可能达成一定程度的分离。 txy相图可通过实验测定。,第五章 精馏,23,4、压力对气液平衡的影响,1）txy相图和xy相图都是在指定压力下得到的（必须在相图中标明总压P）。 体系的压力变化不大时，气液间的平衡组成受影响不大；但溶液的泡点和蒸气的露点有明显的变化。这是xy相图比txy相图在应用上较方便的地方。 当体系的压力有显著的变化时，气液平衡关系受到很大的影响。 2）压力降低，体系的相对挥发度增大，恒沸点组成逐渐变化；压力增大，体系的相对挥发度降低。 应用加压蒸馏的原因，在于提高气液平衡温度后，便于利用蒸气冷凝时的热量，或可用较低品位的冷却剂使蒸气冷凝，从而减少蒸馏能量的消耗。 应用
13、减压蒸馏的原因，可提高体系的相对挥发度，甚至使原有的恒沸点消失；但主要原因是降低气液平衡温度后，可以减少降解或聚合的损失；也有利于低压水蒸气或余热利用。,第五章 精馏,24,第五章 精馏,25,5、非理想溶液不符合拉乌尔（Roult）定律，汽液平衡关系主要靠实验数据。,1）汽相中各组分的蒸汽压较理想溶液大，为正偏差溶液。 在t-x-y图中，特殊条件下出现最低恒沸物。例如：乙醇-水体系、正丙醇-水体系等。 2）汽相中各组分的蒸汽压较理想溶液小，为负偏差溶液。 在t-x-y图中，特殊条件下出现最高恒沸物。例如：硝酸-水体系、氯仿-丙酮体系等。 3）对于有恒沸点的体系，在恒沸点时，气相和液相有相同的
14、组成，不能用一般蒸馏方法分离出纯组分。不在恒沸点时，用蒸馏方法只能分离出一种纯组分和恒沸液。,第五章 精馏,26,乙醇水体系在常压下蒸馏时生成最低恒沸液。恒沸液中x（乙醇）=0.894【w（乙醇）=0.96】 ，沸点78.15，因此用一般蒸馏方法只能得到恒沸组成为乙醇水的混合液，而不可能得到无水乙醇。分离恒沸物需要应用特殊蒸馏方法。4）非理想溶液不一定有恒沸点，但有恒沸点的是明显偏差大的非理想溶液；具有恒沸点的溶液在总压改变时，其txy图不仅上下移动，而且形状也可能变化，即恒沸组成可能变动；故理论上可用改变总压的方法来分离恒沸物，但是否经济合理，还需作权衡。,第五章 精馏,28,三、物料衡算,
15、1 、精馏原理与流程 一次简单蒸馏及平衡蒸馏只能使液体混合物得到有限的的分离，远远不能满足工业的要求。进行多次部分汽化、部分冷凝可以实现高纯度的分离。采用多次简单蒸馏的方法操作复杂，不经济。精馏的依据: 由相图分析可知，经过多次部分气化、部分冷凝可将混合物分离成纯的或近似纯的组分； 除纯组分外，同成分的蒸气的露点比溶液的泡点高，混合时，温度趋于中间，有部分蒸气冷凝，部分溶液气化，使得气相中轻组分含量升高，液相中重组分含量升高； 各组分的沸点相近，汽化热相近，1mol的重组分冷凝的同时有1mol轻组分气化，蒸气和溶液的量无明显变化，热量得到充分利用。,第五章 精馏,29,精馏是指利用多次部分气化和部分冷凝，将挥发性的混合液分离而得到纯的组分或切割成指定泡点范围的馏分的过程。精馏是耗能大的分离过程，过程中要求尽可能地节省能量，并采用紧凑有效的设备和简便易行的操作程序。,
