化工原理-第五章-蒸餾-修改

第五章蒸餾§5.1概述傳質(zhì)（masstransfer）過程：物質(zhì)在相間的轉(zhuǎn)移,從一相轉(zhuǎn)移到另一相的過程稱為傳質(zhì)（分離）過程。NH3:

氣相液相分離混合氣體——吸收乙醇:液相氣相分離液體混合物——蒸餾化學(xué)工業(yè)中常見的傳質(zhì)過程：1.蒸餾分離操作：

利用液體混合物中各組分（component）揮發(fā)性（volatility）的差異，以熱能為媒介使其部分汽化，從而在氣相富集輕組分，液相富集重組分，使液體混合物得以分離的方法。

2.分離依據(jù)：各組分的揮發(fā)度不同A——揮發(fā)度大——沸點低——輕組分B——揮發(fā)度小——沸點高——重組分3.蒸餾用途：互溶液體混合物的分離:如石油煉制品的切割，有機合成產(chǎn)品的提純，溶劑回收和廢液排放前的達標(biāo)處理等等。工業(yè)上最常用的是蒸餾或精餾。

石油煉制中使用的250萬噸精餾裝置4.分類按蒸餾方式簡單蒸餾平衡蒸餾精餾特殊精餾萃取精餾恒沸精餾按操作壓強常壓蒸餾加壓蒸餾減壓蒸餾按待分離混合物中組分的數(shù)目：雙組分蒸餾多組分蒸餾按操作流程：間歇蒸餾：小規(guī)模生產(chǎn)，非定態(tài)操作連續(xù)蒸餾：大規(guī)模，定態(tài)操作本章討論：常壓下的兩組分連續(xù)精餾

§5.2雙組分溶液的氣、液相平衡5.2.1雙組分理想物系的氣液平衡理想體系：溶液中不同組分的分子間作用力和相同組分的分子間作用力完全相等。液相為理想溶液、氣相為理想氣體的混合物物系液相為理想溶液，遵循拉烏爾定律氣相為理想氣體，遵循道爾頓定律1.飽和蒸汽壓2.道爾頓分壓定律理想氣體：

3.拉烏爾（Raoult）定律：若為理想溶液同溫度下純A的飽和蒸汽壓,Pa同樣：A:易揮發(fā)組分，沸點低組分B:難揮發(fā)組分，沸點高組分x:液相中易揮發(fā)組分的摩爾分數(shù)；

y:氣相中易揮發(fā)組分的摩爾分數(shù)；1）用飽和蒸氣壓表示氣液平衡關(guān)系的表示法2）用相對揮發(fā)度表示某組分在氣相中的平衡分壓與該組分在液相中的摩爾分數(shù)之比表征該組分揮發(fā)能力大小的標(biāo)志1.揮發(fā)度()：若為理想溶液,則

溶液中易揮發(fā)組分揮發(fā)度與難揮發(fā)組分揮發(fā)度之比2.相對揮發(fā)度()：定義：－－氣液平衡方程理想溶液若

越大于1，越容易精餾分離若若，則不能采用普通精餾分離。

越小于1，越容易精餾分離，此時B為易揮發(fā)組分結(jié)論：可以用來判別精餾分離的難易程度，以及用普通精餾方法能否達到分離的目的。討論：例：若苯－甲苯混和液在45℃時沸騰，外界壓力20.3kpa。已知在45℃時，純苯的飽和蒸氣壓，純甲苯的飽和蒸氣壓。求其氣液相的平衡組成。解：（1）平衡時苯的液相組成x苯、氣相組成y苯（2）平衡時，甲苯在液相和氣相中的組成分別為x甲苯和y甲苯1.2.2兩組分理想溶液的氣液平衡相圖苯(A)和甲苯(B)的飽和蒸氣壓和溫度關(guān)系如表，試利用拉烏爾定律和相對揮發(fā)度分別計算苯-甲苯混合液在總壓101.33kPa下的氣液平衡數(shù)據(jù),溫度－組成圖1）溫度-組成（t-x-y）圖溫度℃80.1859095100105110.6,kPa101.33116.9135.5155.7179.2204.2240,kPa40.046.054.063.374.386.0101.33解：以t=85℃為例t℃80.1859095100105110.6x1.0000.7800.5810.4120.2580.1300y1.0000.9000.7770.6330.4560.2620t---y線，氣相組成與平衡溫度之間的關(guān)系。氣相線，露點線t---x線，液相組成與平衡溫度之間的關(guān)系。液相線，泡點線三區(qū)兩線三種點t---yt---x2）x-y圖

特點：平衡線偏離對角線越遠，越易精餾。

圖上讀不出溫度數(shù)據(jù)P對圖影響不大，但對圖影響很大。平衡線多數(shù)在對角線的上方()；例5-1，習(xí)題1,25.2.3雙組分非理想體系的氣、液相平衡1）對拉烏爾定律有正偏差的溶液2）對拉烏爾定律有負偏差的溶液5.3.1平衡蒸餾（閃蒸）§5.3平衡蒸餾和簡單蒸餾操作過程：混合液經(jīng)加熱器升溫，使溫度高于分離器壓強下液體的沸點，通過減壓閥降壓進入分離器，此時過熱的液體混合物被部分汽化得到分離閃蒸罐塔頂產(chǎn)品yAxA加熱器原料液塔底產(chǎn)品Q減壓閥

平衡蒸餾是液體的一次部分汽化或蒸汽的一次部分冷凝的蒸餾操作。氣液相平衡數(shù)據(jù)的測定和生產(chǎn)工藝中溶液的閃蒸分離是平衡蒸餾的典型應(yīng)用。1．物料衡算總物料：易揮發(fā)組分：F，D，W---原料液、氣相、液相產(chǎn)品摩爾流量,kmol/sxF，y，x---原料液、氣相、液相產(chǎn)品的組成，摩爾分數(shù)q：液化分率5.3.2簡單蒸餾（微分蒸餾）1、流程及原理簡單蒸餾又稱微分蒸餾，也是一種單級蒸餾操作，常以間歇方式進行。在恒定壓力下，將蒸餾釜中的溶液加熱至沸騰，并使液體不斷汽化，產(chǎn)生的蒸汽隨即進入冷凝器中冷凝，冷凝液用多個罐子收集。t/Cx(y)0露點線泡點線xAyAxFxE

簡單蒸餾的分離效果很有限，工業(yè)生產(chǎn)中一般用于混合液的初步分離或除去混合液中不揮發(fā)的雜質(zhì)。簡單蒸餾的過程特征：任一瞬時釜內(nèi)的汽、液相互成平衡。蒸餾過程中系統(tǒng)的溫度和汽、液相組成均隨時間改變。①得不到大量高純度的產(chǎn)品;②釜液與蒸氣的組成都是隨時間而變化的，是一種非穩(wěn)態(tài)過程;③只能進行初步分離，而且生產(chǎn)能力低，適合于當(dāng)組分揮發(fā)度相差較大的情況。2、特點：一、多次部分氣化和多次部分冷凝1.單級分離：§5.4精餾2.多級分離：缺點：收率低、能耗高液體混合物經(jīng)多次部分氣化后，在液相中獲得高純度的難揮發(fā)組分氣體混合物經(jīng)多次部分冷凝后，在氣相中獲得高純度的易揮發(fā)組分溫度依次升高3.精餾原理：省去中間加熱器和冷凝器最上一級冷凝后部分回流塔釜加再沸器必要條件：塔頂液體的回流;液體回流塔釜液體的部分氣化；蒸汽回流塔內(nèi)溫度自頂至底依次升高。4.塔板(1)塔板上的液層和填料表面是氣液兩相進行熱交換和質(zhì)量交換的場所。(2)每塊塔板相當(dāng)于一只分離器的作用。條件結(jié)果進入第n板難揮發(fā)冷凝多易揮發(fā)汽化多離開第n板氣相液相塔頂：純度高的A塔釜：純度高的B5.4.2精餾操作流程加料板以上——精餾段：易揮發(fā)組分精制加料板及其以下——提餾段：提高易揮發(fā)組分收率加料位置——與原料液組成和溫度相近的板上進料再沸器：提供一定量的上升蒸汽流，保證有氣相回流冷凝器：提供塔頂液相產(chǎn)品及保證有適宜的液相回流※精餾：多次部分汽化與部分冷凝且有回流?；亓魇窃斐筛骷壗M成差異和溫度差異，進行傳質(zhì)傳熱的基礎(chǔ)?！s與蒸餾的區(qū)別：有無回流回流的作用（p141）連續(xù)精餾和間歇精餾

5.5.1理論板的概念和恒摩爾流假定理論板：在其上氣、液兩相都充分混合，且傳質(zhì)及傳熱過程阻力均為零的理想化塔板，無論進入理論板的氣、液兩相組成如何，離開該板時氣、液兩相達到平衡狀態(tài)，即兩相溫度相等，組成互成平衡，組成關(guān)系可由平衡關(guān)系來確定§5.5雙組分連續(xù)精餾的計算離開理論板時,氣相的露點等于液相的泡點理論板——1.恒摩爾氣流精餾段提餾段2.恒摩爾液流精餾段提餾段恒摩爾流：每層塔板的上升蒸氣的摩爾流量恒定,下降液體的摩爾流量也恒定。注意：V不一定等于V′，L不一定等于L′1.全塔物料衡算總物料：易揮發(fā)組分：F，D，W---原料液、餾出液、釜殘液摩爾流量,kmol/sxF，xD，xW---易揮發(fā)組分的摩爾分數(shù)5.5.2物料衡算與操作線方程重組分回收率：輕組分回收率：若D/F過大，則必↓，質(zhì)量和數(shù)量互相矛盾注意：例:將15000kg/h含苯40%（質(zhì)量分率，下同）和甲苯60%的溶液，在連續(xù)精餾塔中進行分離，要求釜殘液中含苯不高于2%，塔頂餾出液中苯的回收率為97.1%。試求餾出液和釜殘液的流量及組成，以摩爾流量和摩爾分率表示。解：進料組成：釜殘液組成：平均分子量：原料液流量：已知：全塔物衡：即：例、在連續(xù)精餾塔中分離苯－甲苯混合液。已知原料液流量為10000kg/h,苯的組成為40％（質(zhì)量）。要求餾出液組成為97％（質(zhì)量），釜殘液組成為2％（質(zhì)量）。試求餾出液和釜殘液的流量（kmol/h）及餾出液中易揮發(fā)組分的回收率？已知：苯的摩爾質(zhì)量為78kg/kmol;甲苯的摩爾質(zhì)量為92kg/kmol2.精餾段操作線方程總物料易揮發(fā)組分令：——回流比回流比①物理意義：n板下降的液相組成與相鄰的n+1板上升蒸氣組成之間的關(guān)系②由恒摩爾流的假定，L為定值，且連續(xù)定態(tài)操作中D和xD也是定值，R是常量,直線方程例：已知某精餾塔精餾段的操作線方程為，求回流比和塔頂餾出液組成。3.提餾段操作線方程總物料：易揮發(fā)組分：②根據(jù)恒摩爾流的假定，L’為定值，且連續(xù)定態(tài)操作中W和xW也是定值，是直線方程①物理意義：m板下降的液相組成與相鄰的m+1板上升蒸氣組成之間的關(guān)系例：在一兩組份連續(xù)精餾塔中，進入精餾塔中第n層(進料板上方)理論板的氣相組成為0.75，從該板流出的液相組成為0.65(均為摩爾分數(shù))，塔內(nèi)氣液比V/L＝2，物系的相對揮發(fā)度為α＝2.5，求：①從該板上升的蒸汽組成；②流入該板的液相組成；③回流比R。解:①已知和成平衡②求由第n板的物料衡算可得：∵方法2：和滿足精餾段操作線關(guān)系?！撷鄱蜐M足精餾段操作線關(guān)系。例2、在某兩組分連續(xù)精餾塔中，精餾段內(nèi)自第n層理論板下降的液相組成為0.66（易揮發(fā)組分摩爾分數(shù)），進入該板的氣相組成為0.76，塔內(nèi)氣液摩爾流量比V/L=2，物系的相對揮發(fā)度為2.6，試求R、yn、xn-1例5-3，習(xí)題7物料衡算：熱量衡算：一、進料熱狀況參數(shù)5.5.3進料熱狀態(tài)的影響由于：

令：q:進料熱狀況參數(shù)(液化率)

所以

精餾段和提餾段的氣、液相流量與進料量及進料熱狀況參數(shù)之間的基本關(guān)系

提餾段的操作線方程變換為（1）飽和液體進料（泡點進料）原料進入加料板后全部以原來液體的狀況進入提餾段二、進料熱狀況：（2）飽和蒸氣進料（露點進料）原料進入加料板后全部以原來氣體的狀況上升原料含有一部分液體（往下流），一部分氣體（上升）（3）氣液混合物進料L’包括三部分:①L;②F;③因原料溫度低于加料板上氣液溫度，故原料進入加料板后將一部分從提餾段上升蒸氣冷凝下來（4）冷液進料：因原料溫度高于加料板上氣液溫度，故原料進入加料板后勢必將原塔內(nèi)下降的液體加熱氣化上升。（5）過熱蒸氣進料泡點進料露點進料進料熱狀況：

例：求下列各種進料狀況對應(yīng)的q值。①如已知進料中，蒸汽量:液體量＝3:1②原料的液化率為1/3③每千摩爾原料液變成飽和蒸汽所需熱量等于原料液的千摩爾汽化潛熱的1.2倍。例：在常壓操作的連續(xù)精餾塔中分離含甲醇0.4與水0.6（摩爾分率,下同）的溶液，進料的熱狀況參數(shù)為1.1，原料液流量為100kmol/h，要求塔頂易揮發(fā)組分的回收率不低于0.94，釜液組成為0.04（以上均為易揮發(fā)組分的摩爾分率），回流比為2.5，試求產(chǎn)品的流量、精餾段和提餾段的操作線方程及提餾段上升的蒸汽流量。假設(shè)氣液相均為恒摩流動。解:(1)(2)精餾段操作線方程:

(3)提餾段操作線方程:

(4)另三、進料方程(q線方程)

作圖q線的作法①②過e點作斜率為q/(q-1)的直線ef，即為q線ef說明：②只要熱狀況不變，q線不變；①q線方程是兩條操作線交點軌跡的方程。③改變操作條件(如R)，操作線改變，但交點總在q線上。進料熱狀況對q線及操作線的影響：

q線在x-y圖上的位置q值對操作線的影響例5-4，習(xí)題9例:某連續(xù)精餾操作中，已知操作線方程為：精餾段y=0.723x+0.263；提餾段y=1.25x－0.0187；若原料液于露點溫度下進入精餾塔中，試求原料液、餾出液和釜液的組成及回流比。解:①②③5.5.4理論塔板數(shù)的求法1.逐板計算法

精餾段：若塔頂為全凝器,則已知當(dāng)時則第n層為加料板，即加料板算在提餾段

若塔頂為分凝器，則分凝器也相當(dāng)于一塊理論板。平衡關(guān)系操作關(guān)系提餾段：已知總層數(shù)：當(dāng)時，結(jié)束，則(再沸器)2.圖解法

(1)操作線的作法精餾段操作線的作法

作圖提餾段操作線的作法

作圖提餾段操作線的作法(2)圖解方法y)

(DDxx，),(11yx),(21yx),(22yx),(32yx),(33yxFx)',(43yx)','(44yx)','(54yxWxDxxd①步驟：當(dāng)時，在平衡線與精餾段操線間作梯級;當(dāng)時，在平衡線與提餾段操線間作梯級;當(dāng)時，停止作圖。②

3.進料位置的確定：原則：使所需的理論板層數(shù)最少

選擇與進料組成和溫度相近的塔板作為加料板方法：平衡線與操作線間的垂直(水平)距離越大，說明該塔板的增濃能力越大。說明：例：某苯與甲苯的混合原料，苯的摩爾分率為0.4。擬采用精餾塔加以分離，原料液處理量為100kmol/h。要求塔頂產(chǎn)品含量為0.9，苯的回收率不低于90％，原料預(yù)熱至泡點加入塔內(nèi)。塔頂采用全凝器冷凝，回流比為1.875。已知在操作條件下，物系的相對揮發(fā)度為2.47。求為完成分離任務(wù)所需要的理論板數(shù)及加料位置。解:(1)求D，W

(2)求精餾段操作線方程1.逐板計算法：(3)求提餾段操作線方程(4)求相平衡方程由(5)計算精餾段理論板數(shù)由第5塊板為加料板以下計算提餾段操作線方程代替精餾段操作線方程(6)計算提餾段理論板數(shù)2.梯級圖解法5.5.5回流比的影響及其選擇1.全回流和最少理論板層數(shù)：若D=0(通常也有F=0,W=0)操作線：

(即L=V)全回流：任一塔截面上升蒸汽和下降液體的組成均相等求(1)圖解法(2)計算法——芬斯克方程全塔平均相對揮發(fā)度（不含再沸器）——當(dāng)變化不大時，說明：全回流為回流比的上限；

對應(yīng)著最少理論板數(shù)。

2.最小回流比：分析:(平衡線與操作線越近)當(dāng)四條線交于一點時交點附近板上無增濃作用即挾點

的求?。?1)作圖法(2)解析法聯(lián)立q線方程和平衡方程求出(xp,yp)泡點進料露點進料3.回流比的選擇：選擇依據(jù)：總費用=操作費用+設(shè)備費費用最低(1)精餾操作費主要取決于(2)設(shè)備費包括精餾塔、再沸器、冷凝器的費用精餾塔費用高難分離物系：一般取操作時R的調(diào)節(jié)：例題吉利蘭圖生產(chǎn)任務(wù)確定D原料確定q（含再沸器）5.5.6簡捷法求理論板層數(shù)例：已知xF=0.4，=2.92，xD=0.98，xW=0.03，R=2.5，Rmin=1.08。用簡捷法確定所需的理論板數(shù)解：(含再沸器)(1)查圖得例題5-9，習(xí)題135.5.7實際塔板數(shù)和塔板效率全塔板效率和單板效率5.6間歇精餾(p159)回流比恒定時的間歇精餾（圖5-34）溜出液組成恒定時的間歇精餾（圖5-35）5.7恒沸精餾和萃取精餾(1)應(yīng)用

①具有恒沸點的液相混合物的分離；②具有較小相對揮發(fā)度的物系的分離。(2)原理

在液相混合物中加入第三組分（質(zhì)量分離劑），改變原溶液中各組分間的相對揮發(fā)度。5.6.1恒沸精餾

加入第三組分，使其與某一組分或某幾個組分形成最低恒沸物，從而使原溶液易于分離，稱為恒沸精餾。該第三組分常又稱為挾帶劑。（1）典型實例：分離乙醇—水溶液，加入挾帶劑苯二元恒沸物：水+乙醇最低恒沸點78.15℃,89.4%.三元恒沸物：苯54.4%、乙醇23%、水22.6%.最低恒沸點64.85℃在較低溫度下，苯與乙醇、水不互溶而分層，可將苯分離出來。塔底可得到無水乙醇。②恒沸物中挾帶劑的組成要小，降低挾帶劑用量；③恒沸物本身應(yīng)易于分離；④經(jīng)濟、安全。（2）對挾帶劑的基本要求①能形成最低恒沸物，且與塔底組分之間有較大的相對揮發(fā)度；5.6.2萃取精餾

加入的第三組份能顯著改變兩組份間的相對揮發(fā)度，且本身的揮發(fā)性很小，這種精餾方法稱為萃取精餾。該第三組分稱為萃取劑。典型實例：苯—環(huán)已烷的分離.對萃取劑的基本要求：（1）選擇性強；