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1、第1章 蒸馏(下册),1.1 概述,蒸馏是通过加热造成气液两相物系, 利用物系中各组分挥发度不同的特性以实现分离的单元操作.,蒸馏的特点:,(1)通过蒸馏操作可以直接获得所需要的组分。,(2)在蒸馏过程中需消耗大量的能量。,蒸馏进行的依据：混合物中各组分挥发性的差异。,挥发性的辨别：同一T下，饱和蒸汽压不同； 同一P下，沸点不同。,1.1 概述,蒸馏,简单蒸馏,平衡蒸馏,精馏,特殊精馏,两组分,多组分,常压,加压,减压,连续蒸馏,间歇蒸馏,蒸馏的分类,*重点介绍常压下两组分连续精馏,1.2 两组分溶液的气液平衡,一. 理想物系的气液平衡,相律:表示平衡物系中的自由度数、相数及独立组分数间的关系
2、:,F = C P + 2,对于两组分的气液平衡物系, 其自由度数为2, 在气液平衡中可变化的参数为温度t、压强p、一组分在液相和气相中的组成x和y，因此在此4个变量中任意规定其中2个变量，则此平衡物系的状态也就被唯一确定了。,理想溶液的气液平衡关系遵循拉乌尔定律 :,pA溶液上方组分的平衡分压，Pa；,-纯组分的饱和蒸气压，由安托尼方程或手册查得；,理想溶液-各组分分子之间的作用力相等的溶液。 A、B之间的作用力等于A-A、B-B的作用力。,泡点方程 :,露点方程 :,安托尼(Antoine)方程,挥发度与相对挥发度,混合液中各组分挥发度:,对于理想溶液和纯组分的挥发度为该组分的饱和蒸汽压,
3、相对挥发度:溶液中两组分挥发度之比，以表示,通常以易挥发组分的挥发度为分子.,相平衡方程:,* 1， 越大, 组分越易分离, =1混合物系不能用普通精馏分离,二. 气液平衡相图,由两条线划分为三个区。液相线：泡点线；气相线：露点线；三个区：液相区、气液平衡区、气相区。,三. 总压对气液平衡的影响,当P则液相分子进入气相需更大的能量，因此，汽化变的不易。 当总压改变后,泡点线和露点线都会发生改变. P增大, 气液两相区变窄, 变小, 分离变得困难. 在x-y相图中, P增大,平衡线向对角线靠拢.,四.两组分非理想溶液的气-液平衡,正偏差溶液：相异分子间的排斥倾向起了主导作用，使溶液的两个组分的平
4、衡分压都比拉乌尔定律所预计的高，正偏差严重时形成具有最低恒沸点的溶液.,负偏差溶液：相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，负偏差严重时形成具有最高恒沸点的溶液.,1.3 平衡蒸馏和简单蒸馏,一. 平衡蒸馏,1. 物料衡算:,总物料衡算: F= D + W,易挥发组分衡算: FxF = Dy + Wx,联立上两式,得:,其中 q= W/F（液化分率）,2. 热量衡算,加热器的热负荷:,又,则料液离开加热器的温度为,3.气液平衡关系,te=f(x),二. 简单蒸馏（微分蒸馏）,在d时间内作物料衡算：,总物料: dD= -dL,易挥发组分:Lx = (L+dL)
5、(x+dx) + ydD,由上两式, 可得:,积分上式: (积分边界条件为: L=F,x=x1;L=W,x=x2),将,代入,得:,1.4 精馏原理,通过多次的部分汽化和多次的部分冷凝, 最终可以获得几乎纯的易挥发组分和难挥发组分,一. 精馏原理,二. 连续精馏流程,精馏塔,精馏段,提馏段,实现连续精馏的条件:塔顶要有回流,塔底要有再沸器,1.5 两组分连续精馏的计算,计算要解决的问题: (1)确定产品的流量或组成； (2)确定完成一定分离任务所需要的塔板数； (3)塔板选型，塔高、塔径的计算； (4)冷凝器、再沸器的热负荷。 计算依据： 气液相平衡、物料衡算、热量衡算,1.5 两组分连续精馏
6、的计算,一. 理论板的概念与恒摩尔流假定,理论板是一个理想化的塔板，即不论进入塔板的气液组成如何，在塔板上充分混合和接触与传质的最终结果表现为离开该板的气液两相在传热，传质两方面都达到平衡状态，两相的温度相等，组成互成平衡。,恒摩尔气流:在精馏操作中,在精馏段或提馏段内,每块塔板上升的气相摩尔流量相等。,V1=V2=V3=Vn=V,恒摩尔液流:在精馏操作中,在精馏段或提馏段内，每块塔板下降的液相摩尔流量相等。,L1=L2=L3=Ln=L,二. 全塔物料衡算,总物料衡算：F = D + W,轻组分衡算: F.xF=DxD + WxW,馏出液采出率,馏残液采出率,D/F+ W/F=1,轻组分的回收
7、率,重组分的回收率,三. 操作线方程,1精馏段操作线方程,总物料衡算：V = L + D,易挥发组分衡算:Vyn+1=Lxn + DxD,令R=L/D（R即为回流比）,精馏段操作线方程,L=RD,V=L+D=(R+1)D,操作线为直线, 其斜率R/(R+1)，截距xD/(R+1)。,2.提馏段操作线方程,总物料衡算：L= V+ W,易挥发组分:Lxm= Vym +1+W xW,提馏段操作线方程:,精馏段操作线交对角线于点a (xD, xD), 提馏段操作线交对角线于点c(xW, xW).,四. 进料热状况的影响及q线方程,a.温度低于泡点的过冷液体； b.温度等于泡点的饱和液体； c.温度介于
8、泡点和露点之间的气、液混合物； d.温度等于露点的饱和蒸汽； e.温度高于露点的过热蒸汽。,引入塔内的原料有5种热状况:,总物料衡算：F+L+V=L+V,总热量衡算：,FIF + LIL+ VIV = LIL + VIV,V-V= F -（L-L）,q进料热状况参数,L=L+qF,V=V-（1-q）F,精馏段物料衡算: Vy=Lx+DxD,提馏段物料衡算: Vy=Lx - WxW,联立求解,得:,(q线方程),(两操作线交点的轨迹方程),与对角线交点e(xF, xF),特点,斜率为,*进料越冷，按顺时针方向，q线越向对角线靠拢。,五. 理论板层数的求法,1、逐板计算法：,通常是从塔顶开始进行计
9、算，因塔顶为全凝器, 则:,y1 =xD,根据理论板的概念 x1与y1互成平衡 :,y2与x1 关系遵循操作线方程:,交替使用上述两方程式逐板计算, 直至 xnxq ,换提馏段操作线方程, 继续交替使用平衡关系和提馏段操作线方程,直至 xnXW, 理论板数N=n-1.(再沸器相当于一块理论板),2. 图解法,(Mccabe-Thiele图解法),图解法本质与逐板计算法一样, 只是将平衡关系和操作线方程用图线形式表示, 在平衡线和操作线间画梯级求理论板数, 梯级数即为理论板数.,*当梯级跨越两操作线交点时要及时换操作线, 这样对一定的分离任务,所需理论板数最少.,例:用一常压操作的连续精馏塔，分
10、离含苯为0.44（摩尔分率，以下同）的苯甲苯混合液，要求塔顶产品中含苯不低于0.975，塔底产品中含苯不高于0.0235。操作回流比为3.5。试用图解法求以下两种进料情况时的理论板层数及加料板位置。 （1）原料液为20的冷液体。 （2）原料为液化率等于1/3的气液混合物。 已知数据如下：操作条件下苯的汽化热为389kJ/kg；甲苯的汽化热为360kJ/kg。苯甲苯混合液的气液平衡数据及t-x-y图见图1-1。,六. 回流比的影响与选择,1. 全回流,全回流特点: D=0, R =L/D= ,此时操作线与对角线重合(yn+1=xn)，操作线与平衡线间的距离最大，过程推动力最大，完成指定任务所需的
11、理论塔板数最少.,最少理论板数:,2. 最小回流比,yq,xq,R，XD/(R+1) ，操作线上移，当两操作线的交点正好落在平衡线上时，此时的回流比为最小回流比,对某些非理想溶液, 平衡线出现明显下凹时:,3. 适宜回流比的选择,精馏的设备费包括精馏塔, 再沸器, 冷凝器等的设备折旧费.,操作费用与塔内上升蒸气量有关: V=(R+1)D V=V-(1-q)F 当F, q, D一定时, V和V随着R的增大而增大, 即R增大,操作费增加.,适宜回流比,七.简捷法求理论板数,回归方程式: Y=0.545827-0.591422X+0.002743/X,八. 直接蒸汽加热情况下理论板数的计算,直接蒸汽
12、加热时精馏段操作线与常规塔的相同, q线也不变.,提馏段物料衡算:,联立求解上两式,可得提馏段操作线方程:,九. 塔高和塔径的计算,1. 塔高的计算,Z = (NP-1) HT,Z塔的有效段高度; HT板间距,2. 塔径的计算,塔板效率,1. 全塔效率(总板效率),全塔效率是指达到指定分离效果所需理论板层数与实际板层数的比值。,2. 单板效率,默弗里 (Murphree) 板效率:,十. 精馏装置的热量衡算,1.冷凝器的热量衡算,对塔顶冷凝器(全凝器)进行热量衡算:,QC冷凝器带出的热量(冷凝器的热负荷),冷却剂的消耗量:,kJ/h.,2. 再沸器的热量衡算,对再沸器进行热量衡算:,QB再沸器
13、的热负荷, kJ/h.,加热蒸汽用量:,双组分精馏的操作型计算,回流比增加对精馏结果的影响,6.6 间歇精馏,间歇精馏的特点:,间歇精馏为非稳态过程; (2) 间歇精馏塔只有精馏段.,间歇精馏的操作方式:,(1) 维持馏出液浓度恒定的操作,(2) 维持回流比恒定的操作,(3) 联合方式操作,回流比保持恒定的间歇精馏,馏出液组成恒定时的间歇精馏,确定理论板数,第2章 吸收,吸收:将混合气体与一种适当的液体接触，使其中一种或多种组分溶解于液体中，而使气体混合物得以分离的操作。 吸收进行的依据：利用混合气中各组分的溶解度不同而将气体混合物分离。,和蒸馏比较： 相同点：都是均相混合物的分离操作，也都是
14、传质过程 不同点：物质是单方向传质，且温度远低于沸点。,吸收剂：吸收过程所用的溶剂（S）,吸收质：混合气中能被溶剂吸收的组分（A）,惰性组分：混合气中不能被溶剂吸收的组分（B）,吸收剂的选择,1、具有良好的选择性;,2、不具挥发性,蒸气压低;,3、吸收剂粘度要低，有利于传质，且有利于降低泵的功耗;,4、化学性能稳定,5、既经济又安全，价廉、易得、无毒、不易燃烧,吸收操作的分类,按有无化学变化,化学吸收,物理吸收,按吸收组分的多少,单组分吸收,多组分吸收,按吸收过程温度变化,等温吸收,非等温吸收,按含量的高低,低浓度吸收,高浓度吸收,*重点介绍低组成单组分等温物理吸收,吸收过程：当气相中溶质的实
15、际分压高于与液相成平衡的溶质分压时，溶质便由气相向液相转移。 解吸（脱吸）是吸收的逆过程，如果气相中溶质的实际分压低于与液相成平衡的溶质分压时，溶质便由液相向气相转移。,2.1气体吸收的相平衡关系,. 气体在液体中的溶解度,当气液两相达到溶解平衡时，气相中溶质的分压称平衡分压，用PA*表示；而液相中溶质的浓度称气体在液体中的饱和浓度或溶解度。,影响溶解度的因素:,不同物质在同一溶剂中的溶解度不同，同一物质在不同的溶剂中的溶解度不同。,t，溶解度（PA一定）。,P，溶解度；P，溶解度（t一定, y不变）。,*加压降温有利于吸收.,二. 亨利定律,E亨利系数， KPa或 Pa。,t,E ; 气体的E 越大,溶解度越小,亨利定律的其它表示方法:,H溶解度系数，kmol/(kN.m),易溶气体有较大的H.,对于稀溶液：,二. 亨利定律,m相平衡常数,t, m; P, m,溶质在气、液相的组成分别都有摩尔分数表示：,用比摩尔分率(摩尔比)表示相组成 :,或,对低浓度溶液:,三、相平衡关系在吸收过程中的应用,1. 判断过程进行的方向,3. 指明过程进行的极限,2. 确定过程的推动力,*吸收过程进行的必要条件
