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1、化工原理(下)第一章_精馏第一次课第一章 精 馏 本章主要内容 13.蒸馏的基本原理 2. 常用的蒸馏方法，运用相关的基本理论和方法描述蒸馏过程。 3.结合二元连续精馏过程，关联精馏主要设计变量或操作条件与分离过程关系。 4. 选择适宜设计变量或操作参数，进行精馏塔设计和实际精馏过程的分析诊断。 概 述一、精馏的应用精馏广泛应用于石油、化工、轻工等工业生产中，是液体混合物分离中首选分离方法。在工业中，广泛应用蒸馏方法分离液体混合物，从石油工业、酒精工业直至焦油分离，基本有机合成，空气分离等等，常常采用蒸馏分离方法，特别是大规模的生产中蒸馏的应用更为广泛。蒸馏是分离液体混合物的一种方法，是传质过
2、程中最重要的单元操作之一。液体均具有一定的挥发性。蒸馏原理是利用混合液中各组分在热能驱动下，具有不同的挥发能力，使得各组分在气液两相中的组成之比发生改变，即易挥发组分（轻组分）在气相中增浓，难挥发组分（重组分）在液相中得到浓缩。其过程如图所示。二、蒸馏原理例如，加热苯（沸点80.2）和甲苯（沸点110.4）的混合物时，由于苯的沸点较甲苯为低,即苯挥发度较甲苯高，故苯较甲苯易从液相中汽化出来。若将汽化的蒸汽全部冷凝，即可得到苯组成高于原料的产品，依此进行多次汽化及冷凝过程，即可将苯和甲苯分离。最终可以在汽相中得到较纯的易挥发组分，而在液相中得到较纯的难挥发组分。这叫精馏（rectificatio
3、n）。 三、蒸馏过程的分类蒸馏过程分类有多种方式，可按蒸馏方式、连续性、以及组分数多少等进行分类。 按操作方式：简单蒸馏、平衡蒸馏、精馏、特殊精馏等。操作压力：常压蒸馏真空蒸馏：沸点较高，热敏性物系加压蒸馏：沸点较低，常压为气态混合物常压下双组分连续精馏的设计和计算。应用热力学基本理论表达体系的热力学性质的相互关系、相平衡关系。对过程进行物料和热量衡算，关联流入与流出的物流及能流之间关系及塔内级间物流、能流的关系，进而确定给定条件下完成分离要求所需的理论板数，塔内物流流量、组成的分布。通过严格的模拟计算还可获得温度、物流性质等分布，为精馏塔设计提供工艺条件及数据。四、研究基本方法 第一节 气液
4、相平衡a. 气液相平衡图 1.1.1 气、液平衡1.1.1 基本概念 平衡时气液两相的组成之间的关系取决于体系的热力学性质，称为相平衡关系，是蒸馏过程的热力学基础和基本依据。达到相平衡时，溶液上方蒸汽的压力温度pi0为 i组分饱和蒸汽压由安妥因(Antion)公式求得：C. 体系的分类气液平衡的分类，既和混合物所受的压力有关，又和构成此混合物的组分的化学结构相联系。b. 饱和蒸汽压（2）液相是理想溶液，气相也是理想溶液。 (1) 气相是理想气体混合物，液相是理想溶液。只有在低压下和两种组分的分子结构十分相近的溶液才比较接近于这样的体系。例如苯和甲苯，以及2个大气压（绝压）下的轻烃混合物。（3）
5、气相是理想气体或接近于理想气体的混合物，而液相是非理想溶液。 在低压下的大部分体系都属于这一类，例如醇，醛，酮和水的体系等。（4）两相都是非理想溶液。在高压下的轻烃类，以及其他的化学结构不相同的物质所组成的体系，特别气相发生缔合等现象的体系，均属于这一类型。（1）气液相平衡共存时的自由度1.1.2 二元组分理想体系气液相平衡关系自由度2个，在t，p，y，x4个变量中，任意确定其中两个变量，物系的状态即确定。一般精馏在恒压下操作，因此指定t，则气液相组成y，x均为t的函数。FN22222(2)二元混合物相平衡关系泡点方程露点方程1.1.2 二元组分理想体系气液相平衡关系道尔顿（Dalton）分压
6、定律 拉乌尔(Raoult)定律 例1.1.1 已知苯（A）和甲苯（B）的饱和蒸汽压可按Antoine公式计算： 试求总压力为 101.3 kPa下，苯一甲苯溶液在100时的汽、液相平衡组成。该溶液为理想溶液。 例1.1.1 解： 将t100373 K代入上述安妥因方程，可分别求得PA0=1344 mmHg179.2kPa；PB0554 mmHg73.86 kPa 又P101.3k Pa，得两相组成x，y（摩尔分数）例1.1.2 已知双组分混合液中，苯（A）占 80，甲苯占 20（摩尔百分率）。试求常压下与该液相相平衡的汽相组成及温度。苯、甲苯的饱和蒸汽压可按Antoine公式计算。例1.1.
7、2解： 由已知x0.8，P101.3kPa，汽相平衡组成可利用下式计算： 饱和蒸汽压和温度的关系已知，为求，需先确定温度t。因， 故 此式可作为试差计算中所设温度是否正确的判据。假设t85，由上述安妥因方程可求得 PA0116.9kPa，PB045.8kPa。重设t84.5，重复上述计算，可得PA0 115.2kPa， PA0 45kPa a: 冷液 b: 饱和液体，泡点 c: 汽液共存 d：饱和蒸汽，露点 e: 过热蒸汽上曲线：饱和蒸汽线，露点线；（露点方程） 下曲线：饱和液体线，泡点线，泡点方程t-x-y图还与压力有关。随压力提高，使泡点及露点温度升高，两相区缩小一、t-x-y相图(3)
8、理想体系气液相平衡关系图二、气、液平衡曲线(x-y图) 将t-x-y图平衡组成关系直接影射到直角坐标x-y中，如图所示。或由x-y平衡数据直接标绘在x-y直接坐标系中可将x-y平衡数据拟合成平衡关系经验表达式y=f(x),图是苯甲苯混合液的YX图，图中对角线（Y=X）为参考线。达到平衡时，汽相中易挥发组分浓度总是大于液相的，所其平衡线位于对角线的上方。（一般用易挥发组分的浓度表示体系的组成）平衡线离对角线越远，表示该溶液越易分离。 蒸馏中使用XY图较TYX图 更为方便。 挥发度 v 表示某种纯物质在一定温度下蒸汽压大小，衡量组分挥发能力的物理量。在一定条件下纯组分的挥发度：vi=pi0在混合物
9、中i组分的挥发度vi ： 相对挥发度 在混合物中各组分间挥发能力的差异定义为相对挥发度。三、理想体系气液相平衡关系汽液平衡方程：对二元理想体系： 的影响因素 理想体系的 仅与温度有关，与组成无关的物理意义：值的大小可反映分离的难易程度，可分析某混合液可分离的难易程度 >1, y>x 可用普通蒸馏法分离 =1 y=x 不能用普通蒸馏法分离 <1 y<x 说明B为轻组分 由于体系内的组分在混合前后，分子作用不同导致溶液中各组分产生偏离拉乌尔定律。存在负偏差分子间存在吸引力， 活度系数 r <1，pi<pi0出现最低蒸汽压或最高恒沸点M，1 硝酸水、氯仿丙酮等系统。 1.1.3 二元组分非理想体系气液相平衡关系液相混合物存在正偏差：分子间存在排斥力， 活度系数r>1，pi>pi0出现最高蒸汽压或最低恒沸点M，1例如醇，醛，酮和水的体系。压强对x-y图影响不大
