化工原理 第十章 蒸馏课件

1、2020/9/19,第十章 蒸 馏,第一节 二元物系的汽液相 平衡 第二节 蒸馏方式 第三节 精馏原理和流程 第四节 两组分连续精馏的分析和计算,2020/9/19,一、概述,1、蒸馏的原理 利用混合物在一定压力下各组分相对挥发度（沸点）的不同进行分离的一种单元操作。,易挥发组分 ：,沸点低的组分,难挥发组分 ：,沸点高的组分,第一节 二元物系的汽液相平衡,2020/9/19,乙醇水体系的蒸馏分离,乙醇水,加热,汽相: 醇富集,液相: 水富集,冷凝,冷却,乙醇 产品,废水,2020/9/19,2、蒸馏的分类,按蒸馏方式,简单蒸馏,平衡蒸馏 （闪蒸）,精馏,特殊精馏,恒沸蒸馏,萃取蒸馏,水蒸汽蒸馏,较易分离的物系或对分离要求不高的物系,难分离的物系,很难分离的物系或用普通方法难以分离的物系,2020/9/19,按操作压强,常压,加压,减压,一般情况下多用常压,常压下不能分离或达不到分离要求,混合物中组分,双组分,多组分,按操作方式,间歇,连续,2020/9/19,二、拉乌尔定律,1、拉乌尔定律,溶液,理想溶液,非理想溶液,2020/9/19,可由Antoine方程计算或从手册中查,当溶液

2、沸腾时，溶液上方的总压等于各组分的蒸气压之和,由拉乌尔定律表示的气液平衡关系,2020/9/19,三、挥发度和相对挥发度,1、挥发度 对纯液体，挥发度指该液体在一定温度下的饱和蒸汽压 ：,对混合液，挥发度为组分在蒸气中分压和与之平衡的液相中的摩尔分率之比：,2020/9/19,对于理想溶液：,对于非理想溶液：,2、相对挥发度 溶液中易挥发组分的挥发度与难挥发组分的挥发度之比，用表示。,2020/9/19,相对挥发度的数值可由实验测得。 对理想溶液：,理想溶液中组分的相对挥发度等于同温度下两组分的泡和蒸汽压之比。 当t变化时，两者的变化不大，一般可将视为常数，计算时可取操作温度范围内的平均值。,2020/9/19,若操作压强不高，气相遵循道尔顿分压定律,气液平衡方程,2020/9/19,时，,组分A较B易挥发，可以用蒸馏方法分离,时，,挥发度差异愈大，愈有利于蒸馏操作。,时，,不能用普通蒸馏的方法分离混合液。,可作为混合液能否用蒸馏方法分离以及分离难易程度的判据。,2020/9/19,四、汽液相平衡图,两条线 三个区 三种点,2020/9/19,表示混合液的平衡温度和液相组成之间关系，t

3、-x线 。,露点线,两条线,2020/9/19,过热蒸汽区,两相区,液相区,三个区,2020/9/19,x越大，易挥发组分的含量越高，泡点温度越低。,y越大，易挥发组分含量 越高，露点温度越低。,2020/9/19,汽液两相处于平衡时，两相温度相同，此时气相组成大于液相组成；,当汽液两相组成相同时，气相露点温度总是高于液相的泡点温度。,2020/9/19,t-x-y 图与蒸馏原理,2020/9/19,2、x-y 图,平衡线位于对角线的上方，平衡线偏离对角线愈远，表示该溶液愈易分离。,2020/9/19,五、非理想溶液,非理想溶液,最低恒沸点,如：乙醇水，正丙醇水,最高恒沸点,如：硝酸水，氯仿酮,正偏差溶液,负偏差溶液,2020/9/19,一、简单蒸馏（ Simple distillation）,1、流程及原理,第二节 蒸馏方式,2020/9/19,简单蒸馏是一个非稳态过程，并不简单！ 又名微分蒸馏 （differential distillation）,2020/9/19,2、计算,设： F、wD 釜内的料液量和残液量，kmol； x1、x2料液和残液中易挥发组分组成（摩尔分率） L某

4、一瞬间釜内的液量，kmol； x、y某一瞬间的液气组成，（摩尔分率）； 经过微分时间dt后，残液量减少dL，液相组成减少dx。 以蒸馏釜为衡算系统 对易挥发组分，dt前后的微分物料衡算为：,2020/9/19,积分,2020/9/19,若操作范围内平衡线可近似地看作直线,若平衡线为过原点的直线，,2020/9/19,若平衡关系不能用简单的数学式表示，可以应用图解积分或数值积分。,馏出液的量D及组成平均组成,2020/9/19,二、平衡蒸馏（Equilibrium distillation）,1、原理与流程 使混合液体 部分气化，并使 汽液两相处于平 衡状态，然后将 气液两相分开。 又名闪蒸（flash distillation）,2020/9/19,2计算,1）物料衡算 对总物料：,对易挥发组分：,2020/9/19,令,汽液相平衡组成的关系,液化分率,2020/9/19,2）热量衡算 对加热器作热量衡算，若忽略加热器的热损失,原料液节流减压后进入分离器，物料放出的显热等于部分气化所需的潜热,原料液离开加热器的温度 ：,2020/9/19,3）汽液平衡关系,已知原料液流量F，组成xF，

5、温度tF及汽化率 ，即可求得平衡的汽液相组成及温度。,2020/9/19,2020/9/19,例1：在常压下对苯与甲苯二元理想溶液分别进行平衡蒸馏与简单蒸馏。若原料液中苯的浓度为0.5（摩尔分率）。物系的相对挥发度为2.47。试求： 1）用平衡蒸馏方法分离，当汽化率为 0.4时，釜液与馏出液的组成。 2）用简单蒸馏方法分离，使釜液浓度与平衡蒸馏相同，所得馏出物中苯的平均组成。,解：1）,2020/9/19,因为汽化率f=0.4，q=0.6 物料衡算式为：,2）简单蒸馏终了时的釜液浓度与平衡蒸馏时相同,2020/9/19,设馏出液的平均组成为,2020/9/19,在相同的原料液浓度及相同釜液的条件下，简单蒸馏所得到的馏出液浓度高于平衡蒸馏，而平衡蒸馏的优点是连续操作，但其分离效果不如间歇操作的简单蒸馏。,2020/9/19,一、精馏（fractionation)的流程与装置,1、流程,精 馏 塔,再沸器,冷凝器,第三节 精馏原理和流程,2020/9/19,F,2020/9/19,1、为什么称精馏？ 2、为什么称提馏？,2020/9/19,二、精馏原理,1、液体混合物经过多次部份汽化后可变

6、为高纯度的难挥发组分,2020/9/19,2020/9/19,2、汽体混和物经过多次部分泠凝后可变为高纯度的易挥发组分,2020/9/19,2020/9/19,3、精馏是多次部分汽化与多次部分冷凝的联合操作,精馏塔由若干块塔板构成，每块塔板均为理论板，其上温度为泡点 ；,人为地安排,则液体的温度,2020/9/19,汽流热源,液流冷却剂,塔板中间再沸器和中间部分冷凝器,易挥发组份由液相向汽相传递，难挥发组份由汽相向液相传递,2020/9/19,再沸器,L,D,1、为什么要回流？ 2、为什么要再沸？,2020/9/19,一、理论板及恒摩尔流,1、理论板 离开这种板的气液两相互成平衡，而且塔板上的液相组成也可视为均匀的。 2、操作关系 yn+1与xn之间的关系 3、恒摩尔汽化,第四节 两组分连续精馏的分析和计算,2020/9/19,4、恒摩尔溢流,5、恒摩尔流假设的条件 （1）各组分的摩尔汽化潜热相等； （2）气液接触时因温度不同而交换的显热可以忽略 ； （3）塔设备保温良好，热损失可以忽略。,2020/9/19,二、物料衡算和操作线,1、全塔物料衡算,对总物料：,对于易挥发组分：,202

7、0/9/19,当塔顶、塔底产品组成xD、xW及产品质量已规定，产品的采出率D/F和W/F也随之确定，不能再自由选择； 当规定塔顶产品的产率和质量xD，则塔底产品的质量xW及产率也随之确定而不能自由选择；,在规定分离要求时，应使,塔顶产品的组成应满足,2020/9/19,塔顶易挥发组分回收率：易挥发组分从塔顶采出的量占全部进料量中轻组分的百分数。,塔底难挥发组分回收率：,2020/9/19,2、精馏段操作线方程,对总物料：,对易挥发组分：,2020/9/19,回流比,精馏段操作线方程,2020/9/19,3、提馏段操作线方程,对总物料：,对易挥发组分：,提馏段操作线方程：,2020/9/19,5、进料热状况对操作的影响 1）定义式,2）q的计算,物料衡算：,2020/9/19,热量衡算：,（1）对于泡点进料,2020/9/19,2020/9/19,（2）对于饱和蒸汽进料,（3）对于冷液进料,2020/9/19,（4）汽液混合物进料,（5）过热蒸汽进料,对于饱和液体、汽液混合物及饱和蒸汽三种进料而言，q值就等于进料中的液相分率。,2020/9/19,（3）q值与提馏段操作线方程,提馏段操作

8、线方程为：,2020/9/19,例：用一连续精馏装置在常压下，分离含苯41%（质量%，下同）的苯-甲苯溶液。要求塔顶产品中含苯不低于97.5%，塔底产品中含甲苯不低于98.2%，每小时处理的原料量为8570kg。操作回流比为3，试计算： （1）塔顶及塔底的产品量； （2）精馏段上升蒸汽量及回流液量； （3）当原料于47进塔和蒸汽进塔时，提馏段上升蒸汽量及回流液量 。 （苯的汽化潜热rA=93kcal/kg，甲苯的汽化潜热rB=87.5,2020/9/19,kcal/kg，苯和甲苯的平均比热Cp,l=0.45 kcal/kg，蒸汽的平均比热Cp,v=0.30 kcal/kg）。,分析：,求W、D,全塔物料衡算,求V、L,已知R,求,解：,（1）产品量,2020/9/19,2020/9/19,(2)上升蒸汽量及回流量,精馏段：,2020/9/19,(3)47进料时,将料液由47升温到93所需的热量为：,继续加热,2020/9/19,饱和蒸汽进料时,2020/9/19,三、理论塔板层数的求法,1逐板计算法,（已知）,1）精馏段,2020/9/19,精馏段n-1层,2）提馏段,（已知）,提馏段

9、 m-1层,2020/9/19,2、图解法,1）操作线作法 a）精馏段操作线,b）提馏段操作线的作法,2020/9/19,d,2020/9/19,c）q线方程,q线方程或进料方程,2020/9/19,d）进料热状况对q线及操作线的影响,过冷液体： q1,饱和液体： q=1,，ef2 （）,汽液混合物 ：0q1,饱和蒸汽：q=0,，ef4 （）,过热蒸汽：q0,2020/9/19,2020/9/19,2）图解方法,2020/9/19,3、最宜的进料位置,2020/9/19,四、几种特殊情况时理论板数的求法,1、多侧线的塔,例：在常压连续精馏塔中，分离乙醇水溶液，组成为xF1=0.6（易挥发组分摩尔分率，下同）及xF2=0.2的两股原料液分别被送到不同的塔板进入塔内，两股原料液的流量之比F1/F2=0.5，均为饱和液体进料。操作回流比R=2，若要求馏出流组成xD为0.8，釜残液组成xW为0.02，试求理论板层数及两股原料液的进料板位置。,应用场合：,多股进料或多股出料,2020/9/19,2020/9/19,分析：,求理论板层数,操作线,三段？,解：,组成为xF1的原料液从塔较上部位的某加料板进入，该加料板以上塔段的操作线方程式与无侧线塔的精馏段操作线方程相同。,2020/9/19,两股进料板之间塔段的操作线方程，可按虚线范围内作物料衡算求得：,总物料：,易挥发组分：,两股进料之间塔段的操作线方程,2020/9/19,因进料为饱和液体,D如何求？,全塔物料衡算,总物料：,易挥发组分：,设,2020/9/19,对原料液组成为xF2的下一股进料，其加料板以下塔段的操作线方程与无侧线塔的提馏段操作线方程相同,2020/9/19,各段操作线交点的轨迹方程分别为：,2020/9/19,理论板层数为9 自塔顶往下的第5层为原料F1的加料板 自塔顶往下的第8层为原料F2的加料板,2020/9/19,总结： 塔段数（或操作线数）=塔的进出料数-1 各段内上升蒸汽摩尔流量及下降液体摩尔流量分 别各自相同 各段操作线首尾相接 精馏段及提馏段操作线方程的形式与简单精馏塔 相同 中间段的操作线方程应通过各段的物料衡算求得,2020/

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