化工原理幻灯片(天大版)第六章--精馏

1、2019/4/19,1,第七章 液体蒸馏,Distillation of Liquid,2019/4/19,2,概述,分离液体混合物的常用单元操作，也是最早实现工业化的分离方法，属传热传质过程。其优点是流程简单，缺点耗能大，需具备一定技术条件（真空、高压、低温）。,&,工业应用： 酿酒 产品 、中间产物 石油分离 气体 先液化后精馏 无机物提纯,2019/4/19,3,简单蒸馏,&,精馏,蒸馏,2019/4/19,4,(1)平衡相图 1）等温图 （px图）,&,6.1 双组分溶液的汽液平衡,6.11 理想溶液的汽液平衡,相平衡关系 ptxy,pt,2019/4/19,5,2）等压图（沸点组成（txy）图）,杠杆原理:,&,泡点，露点 泡点线（tx） 露点线（ty） 同温度，对应x,y 平衡。 同组成，T露点T泡点。,2019/4/19,6,3）汽液平衡组成图（yx图）,总压对t xy图影响大，但总压对y-x图影响不大。因此研究精馏常常采用y-x图。 平衡线在 对角线上方。,&,2019/4/19,7,(2)汽液平衡关系的确定 1）安托因（Antoine）公式,A,B,C为安托因常数,2

2、）道尔顿定律 yA=pA/p yB=pB/p p=pA+pB,&,2019/4/19,8,3）拉乌尔（Roult）定律液相中某组分的蒸 气压等于溶液温度下，纯组分的饱和蒸气压乘以该组分在溶液中的摩尔分数。,pA=pA0xA pB=pB0xB p pApB pA0xApB0xBpA0xApB0(1xA),&,上式为泡点方程，表示液相组成与泡点温度的关系。由此可确定tx图。,2019/4/19,9,上式为露点方程，表示气相组成与露点温度的关系。由此可确定ty图。 由ty x图很容易作出y x图。,&,总压不高时，由道尔顿分压定律得：pA pyA,2019/4/19,10,（3）相对挥发度与气液相平衡的关系,挥发度：相平衡时，某一组分在平衡气相中的分压p与该组分平衡液相中的浓度（摩尔分数）之比叫该组分的挥发度 理想溶液 A=pA/xA （pA0xA）/xA= pA0 B=pB/xBpB0 相对挥发度：A /BpA0/ pB0 (pA/xA) /(pB/xB)(pyA/xA)/ (pyB/xB) (yA/xA)/ (yB/xB) (yA/yB)/ (xA/xB) 表示气相中两组分的比是液相中两

3、组分比的倍。,&,2019/4/19,11,由(yA/yB)/ (xA/xB) 可得,的意义：,&, 1，表示组分A较组分B易挥发，且愈大，愈易分离。,是蒸馏分离的推动力，代表了利用蒸馏分离的难易程度。, 1时，yx，表示汽相组成等于液相组成，此时不能用普通蒸馏方法分离该混合液。,2019/4/19,12,6.1.2 非理想溶液的汽液平衡,由于异种分子与同种分子之间的吸引力不同，导致实际溶液与拉乌尔定律存在偏差。,当异种分子小于同种分子之间的吸引力时，溶液中分子易汽化，导致溶液中组分的平衡分压比拉乌尔定律预计的高，产生正偏差。此时tx线降低。如醇水体系。,当异种分子大于同种分子之间的吸引力时，溶液中分子难汽化，导致溶液中组分的平衡分压比拉乌尔定律预计的低，产生负偏差。此时tx线升高。,2019/4/19,13,正偏差溶液,2019/4/19,14,有些正偏差溶液会出现最低沸点，在此点xy，对应温度称恒沸点。该点组成的混合物称为恒沸物。乙醇水即为这样的体系。具有恒沸点的正偏差溶液称为具有最低沸点的恒沸液。,2019/4/19,15,有些负偏差溶液会出现最高恒沸点，在此点xy，该点组成的混

4、合物称为恒沸物。硝酸水即为这样的体系。具有恒沸点的负偏差溶液称为具有最高恒沸点的恒沸液。,2019/4/19,16,思考题,1. 为什么说是蒸馏分离的推动力？ 2. 如何能获得汽液平衡数据？,2019/4/19,17,6.2.1.1简单蒸馏,间歇操作，非稳态。 （Xd 变化） 适于沸点相差较大分离要求不高的场合或多组分粗分。 物料衡算：F=D+W Fxf=Dxd+Wxw,&,6.2 蒸馏与精馏原理 6.2.1 简单蒸馏与平衡蒸馏,2019/4/19,18,简单蒸馏又称为微分蒸馏，瑞利（Rayleigh)1902年提出了该过程数学描述方法，故该蒸馏又称之为瑞利蒸馏。其流程如图所示。 简单蒸馏是分批加入原料，进行间歇操作。蒸馏过程中不断从塔顶采出产品。每从塔顶采出dV 量的产品，则塔釜减少相同的釜液量dW ，产品与釜液组成随时间而改变，且互成相平衡关系。为此，该过程是一动态过程，由物料衡算可得。,简单蒸馏流程,2019/4/19,19,= 经整理可得： 对二元物系， 其相对挥发度 可近似取为常数时，则平衡关系积分可得： 馏出液总量： 馏出液平均组成： 式中 W-釜液量； V-蒸馏气相流量，

5、kmol/h； -釜液组分i组成，摩尔分数； -气相中组分i组成，摩尔分数。,2019/4/19,20,6.2.1.2 平衡蒸馏,使混合物汽液两相共存达到平衡后，再将两相分离开以得到一定程度分离，称平衡蒸馏。又称闪蒸。,&,物料衡算： FVL Fxf=VyD+Lxw,连续操作，稳定，生产能力大。 但也只适于粗分。,2019/4/19,21,令 液化率 q=L/F=1-f 则,平衡关系：,&,联立可求得yD,xw,令气化率 f=V/F 得 yD=(f-1)xw/f+xf/f,2019/4/19,22,6.2.2 精馏原理,6.2.2.1 部分汽化、部分冷凝,x1xfy1,y1yF x1xw,一次汽化,2019/4/19,23,多次部分汽化和冷凝 缺点：收率低。 能耗大。 x1xFy1 x1x2y1 xF x2 相近 x2x3y2 x2y1y2 x3 y1 相近 t3t1 xF x2混合，x3 y1混合，传质传热同时进行。,2019/4/19,24,2019/4/19,25,精 馏 原 理,利用混合物中各组分挥发能力的差异，通过液相和气相的回流，使气、液两相逆向多级接触，在热能驱动和相平衡

6、关系的约束下，使得易挥发组分（轻组分）不断从液相往气相中转移，而难挥发组分却由气相向液相中迁移，使混合物得到不断分离，称该过程为精馏。该过程中，传热、传质过程同时进行，属传质过程控制。,当重组分由气相向液相转移时是一个冷凝过程，放出热量，而当液相中轻组分向气相转移时为一气化过程，将吸收热量，彼此存在交换。由此可见，精馏过程是热能驱动，传质、传热过程同时进行的过程。但该过程还受相平衡关系制约，主要由传质所控制。,2019/4/19,26,精馏装置示意图,计算用图例,原料从塔中部适当位置进塔，将塔分为两段，上段为精馏段，不含进料，下段含进料板为提留段，冷凝器从塔顶提供液相回流，再沸器从塔底提供气相回流。气、液相回流是精馏重要特点。,当液体流至塔底建立液面后，再沸器加热使之部分气化。蒸气在塔内逐级上升。当蒸气到达塔顶时，由冷凝器将其部分或全部冷凝，其凝液一部分返回塔内作为回流，另一部分作为液相产品采出。回流液沿塔逐板下流的过程中与上升气体多次逆向接触及分离，在接触过程中发生传质和传热。当流至塔底时，经再沸器加热部分气化，其气相返回塔内作气相回流，而液相部分作为塔底的产品采出。,XF,2019

7、/4/19,27,几个概念,理论级（板） 回流比 R=L/D,几个 方向,传质方向 传热方向 液流流向 汽流流向,XF,部分汽化 部分冷凝,加料板,提馏段,精馏段,二元混合物精馏为例，当气相上升至进料板以上第n板时，则与上方（n-1)板流下的液相接触混合。由于气相中的难挥发组分B（俗称重组分）的分率（1-yn）高于液相的平衡气组成(1-yn-1),因过程是趋向平衡的，所以重组分由气相向液相转移。同时，液相中易挥发组分A（俗称轻组分）xn-1高于其相遇气相所平衡的液相组成xn,为此，液相轻组分A向气相内转移，相互传质的结果，使上升气相轻组分增浓，下降液相重组分增浓。当该气相在继续上升过程中，气相轻组分得到不断精制和增浓。为此，称进料板上方塔段为精馏段。,在进料板以下（含进料板）液相沿塔逐级流下时，同上分析可知，在某一板上与上升气体接触混合时，该液相中的轻组分向气相中转移，而气相中的重组分则向液相转移，使液相中重组分增浓。当液相下流过程中，气相会不断将液相中轻组分提出，使气相中重组分B返回液相。为此，称进料板以下（含进料板）塔段为提馏段。,2019/4/19,28,精馏过程与其他蒸馏过程最

8、大的区别，是在塔两端同时提供纯度较高的液相和气相回流，为精馏过程提供了传质的必要条件。提供高纯度的回流，使在相同理论板的条件下，为精馏实现高纯度的分离时，始终能保证一定的传质推动力。所以，只要理论板足够多，回流足够大时，在塔顶可能得到高纯度的轻组分产品，而在塔底获得高纯度的重组分产品。,2019/4/19,29,6.3 双组分溶液连续精馏塔计算,采出量，采出位置。加料位置。 理论级数。 回流比R。 效率。 设备直径、高，水力学特性。,根据精馏的原理，要使精馏过程稳定有效的运行，必须协调好设备、操作参数等一系列问题：,2019/4/19,30,假设条件：,1. 理论板：其上汽液两相充分混合，且传质传热阻力为零，离开板的两相达平衡,2. 恒摩尔流： V1=V2=Vn=V; L1=L2=Ln=L V1=V2=Vn=V L1=L2=Ln=L,2019/4/19,31,6.3.1 全塔物料衡算,F=D+W FxF=DxD+Wxw,式中 F、D、W 分别为进料、塔顶产品和塔底产品量，kmol/h （或kg/h）； xF、xD、xw 分别为进科、塔顶产品和塔底产品的组成摩尔分数（或质量）。,联立求解

9、,2019/4/19,32,6.3.2 精馏段操作线方程,定义：上升蒸气浓度y和回流液浓度x与各个操作条件之间的关系的数学表达式称操作线方程。 假设：等摩尔流，无热损失，精馏段和提馏段各自的蒸气流量，回流液流量不变。,2019/4/19,33,由等摩尔流假定： Vn+1=Vn=V2=V1=V Ln=Ln-1=L1=L0=L 回流比 R=L/D,综合上述式子可得：,2019/4/19,34,就是精馏段操作线方程,它表示精馏段某塔截面处，由上板流下的液相组成xn与由下板上升的汽相组成yn1之间的关系。为一直线方程。R、xD决定了直线的方向与位置。此线一定过( XD， XD )点。,问题： yn1 与xn 有无平衡关系？,2019/4/19,35,6.3.3 提馏段操作线方程,整理得提馏段操作线方程,方程也为一直线，直线决定于 L 、W 、 xw ，过点（ xw ， xw ）。,2019/4/19,36,精馏的两段操作线方程,2019/4/19,37,6.3.4 加料板操作线方程,加料板物料、热量衡算,F+V + L=V+L FIF+V Iv+LIL=VIV+LIL,衡摩尔流假定下： IV IV ；IL IL,IV、IL、IF分别代表饱和蒸汽、饱和液体及进料液的热焓（kJ/kmol）,代入、整理衡算式得：,V V = F （L L ） (V V )IVFIF(L L ) IL,联立解得：,2019/4/19,38,定义,显然，q反映了进料的热状态。,q含义,由q定义及物料衡算可推出：L=L+qF， V=V-(1-q)F,2019/4/19,39,可得提馏段操作线方程的另一种型式,由

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