蒸馏是分离均相液体混合物重要单元操作之一其原理是利.doc

第六章 蒸 馏6.1 概述蒸馏是分离均相液体混合物重要单元操作之一。其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。蒸馏操作的依据：混合液中各组分挥发度的不同。 蒸馏 蒸馏 蒸馏6.2 双组分溶液的气液相平衡6.2.1 双组分理想物系的气液相平衡根据溶液中同分子间与异分子间作用力的差异，可将溶液分为理想溶液和非理想溶液。理想物系是指液相为理想溶液，气相为理想气体且服从道尔顿分压定律的物系。 1利用饱和蒸气压计算气液平衡关系根据拉乌尔定律，平衡时理想溶液上方的分压为：2、用相对挥发度表示的气液平衡关系蒸馏的依据是混合液中各组分挥发度的不同。在一定条件下纯组分的挥发度由该组分在给定条件下的饱和蒸气压表示。在混合溶液中，由于各组分的相互影响，某一组分的饱和蒸气压比其单独存在时低，故其挥发度用它在气相中的分压与其液相中摩尔分率的比表示。A 称为轻组分（易挥发组分）；B 称为重组分（难挥发组分）习惯上将易挥发组分的挥发度与难挥发组分的挥发度之比称为相对挥发度，以 表示 。用相对挥发度表示的易挥发组分A的气液相平衡方程式重点在一定温度范围内，可近似为常数。值的大小反映了混合液分离的难易程度。若=1，则表明这种混合液不能用普通方法分离。越大，分离越容易。3、双组分理想溶液的气液平衡相图蒸馏中常用的相图有恒压下的温度-组成图和气液平衡相图。（1）温度-组成图（t-x-y图）蒸馏通常在一定外压下进行，溶液的温度随组成而变，故恒压下的温度组成图（t-x-y图）对蒸馏过程的分析具有重要意义。总压对t-x-y关系的影响较大，但对y-x关系的影响较小。故当总压变化不大时，总压对y-x关系的影响可以忽略不计，但对t-x-y的影响则不能忽略。6.2.2 双组分非理想物系的气液平衡相图6.3 蒸馏与精馏原理6 3.1 简单蒸馏和平衡蒸馏1. 平衡蒸馏平衡蒸馏又称闪蒸，是一连续、稳态的单级蒸馏过程。其流程如图所示原料液通过加热器升温（未沸腾），在通过节流阀后因压强突然下降，液体过热，于是发生自蒸发，最终产生相互平衡的气、液两相。气相中易挥发组分浓度较高，与之呈平衡的液相中易挥发组分浓度较低，在分离器内气、液两相分离后，气相经冷凝成为顶部液态产品，液相则作为底部产品。平衡蒸馏为稳定连续过程，生产能力大，但也不能得到高纯度产物，常用于粗略分离物料，在石油炼制及石油裂解分离的过程中常使用多组分溶液的平衡蒸馏。2. 简单蒸馏简单蒸馏又称为微分蒸馏，瑞利1902年提出了该过程的数学描述方法，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。在蒸馏过程中釜内液体中的轻组分浓度不断下降，相应的蒸汽中轻组分浓度也随之降低。因此，馏出液通常是按不同组成范围收集的。最终将釜液一次排出。所以简单蒸馏是一个不稳定过程。简单蒸馏只能适用于沸点相差较大而分离要求不高的场合，或者作为初步加工，粗略地分离混合物，例如原油或煤油的初馏。6.3.2 精馏原理多次部分汽化、部分冷凝（精馏的原理）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。其精馏塔如图所示。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，下段含进料板为提馏段，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。在精馏段,气相在上升的过程中，气相轻组分不断得到精制，在气相中不断地增浓，在塔顶获轻组分产品。在提馏段，其液相在下降的过程中，其轻组分不断地提馏出来，使重组分在液相中不断地被浓缩，在塔底获得重组分的产品。精馏过程与其他蒸馏过程最大的区别，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。前一部分内容小结（非常重要）蒸馏操作的作用：分离均相液体混合物。精馏的原理：多次的部分冷凝，多次的部分汽化。精馏的必要条件：回流液的逐板下降，蒸汽的逐板上升。精馏的实质：气液两相传质、传热，双向扩散。设置精馏段的目的：除去蒸汽中的重组分。设置提馏段的目的：脱除液相中的轻组分。精馏塔的塔顶几乎是纯的轻组分，温度低（压力低）。精馏塔的塔底几乎是纯的重组分，温度高（压力高）。6.4 双组分连续精馏塔的计算（本章重点）精馏塔的计算内容包括：馏出液及釜液的流量、塔板数或填料高度、进料口的位置、塔高、塔径等。6.4.1 全塔物料衡算 （非常重要）-原料液的流量，kmol/h；-塔底产品（釜液）流量，kmol/h；-塔顶产品（馏出液）流量，kmol/h对精馏过程所要求的分离程度除用产品的组成表示外，有时还用回收率表示。塔顶易挥发组分的回收率塔底难挥发组分的回收率例 6-1用连续精馏方法分离乙烯、乙烷混合物。已知进料中含乙烯0.88（摩尔分数，下同），流量为200kmol/h。今要求馏出液中乙烯的回收率为99.5%，釜液中乙烷的回收率为99.4%，试求所得馏出液、釜液的流量和组成。6.4.2 理论板的概念及恒摩尔流假定1、理论板的概念理论板指离开该板的气相组成与离开该板的液相组成之间互成平衡的理想化塔板。2、恒摩尔流假定(1) 恒摩尔汽流精馏段：提馏段：注意：两段上升的气相摩尔流量不一定相等。(2) 恒摩尔液流精馏段：提馏段：注意：两段下降的液相摩尔流量不一定相等。假定应满足以下条件：(1)各组分的摩尔汽化潜热相等；（主要条件）(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，热损失可以忽略不计。6 4.3 操作线方程表达由任意板下降液相组成 与其下一层塔板上升的气相组成 之间关系的方程称为操作线方程。1、精馏段操作线方程R为回流比（重点）稳定操作时，精馏段操作线方程为一直线方程重点例6-2(P209) 氯仿和四氯化碳的混合液在一连续精馏塔中进行分离。要求馏出液中氯仿的组成为0.95（摩尔分数），馏出液流量为150Kg/h。塔顶为全凝器。平均相对挥发度 。回流比R=3.0，试求：（1）第一块塔板下降的液体组成 ；（2）精馏段各板上升蒸气量 及下降液体量 。2、提馏段操作线方程（重点）6.4.4 进料热状况的影响及q线方程在生产实际中，精馏塔的进料可能有五种不同的热状态：过冷液体（温度低于泡点）；饱和液体（温度等于泡点）；气液混合物（温度在泡点和露点之间）；饱和蒸气（温度等于露点）；过热蒸气（温度高于露点）。 1、进料热状况参数q（重点）精馏段与提馏段物流之间的关系为：过冷液体进料q1；饱和液体进料q=1；气液混合物进料q=01；饱和蒸气进料q=0；过热蒸气进料q、=、不能确定） 简答题1、 现场某连续精馏塔，操作一段时间后由于再沸器结垢使传热能力降低，此时馏出液和釜液的组成将如何变化？若要求维持原来的馏出液组成，应采取什么措施？同时会带来什么影响？2、连续精馏塔操作中，若进料组成xF有所降低，仍要求馏出液流量不变，则馏出液和釜液的组成有何变化？如仍要维持馏出液组成不变，可采取哪些措施？3、恒摩尔流成立的条件是什么？计算题1、板式精馏塔常压下分离苯-甲苯物系，塔顶采用全凝器，塔釜用间接蒸汽加热，泡点回流，物系平均相对挥发度为2. 5，进料是流量为150kmol/h，组成为0.4（mol分数，下同）的饱和蒸汽，回流比为4.0，塔顶馏出液中苯的回收率为0.97，釜液中苯的组成为0.02。试求：（1） 塔顶产品流率组成和釜液流率；（2） 精馏段、提馏段操作线方程；(3）实际回流比和最小回流比的比值；（4） 因长期操作，再沸器内结垢，传热能力不能达到要求，试问对塔顶塔底产品质量有何影响，如何才能维持正常生产（产品流量不变）。2、用一连续精馏塔分离A、B两组分混合物，物系的相对挥发度=2.0，进料量为100kmol/h，进料组成xF=0.5 （摩尔分数，下同），进料状态为饱和蒸汽，塔顶和塔底组成分别为0.95和0.05，适宜回流比为最小回流比的1.2倍，若塔顶采用全凝器。试求：（1）塔顶轻组分的回收率及塔底重组分的回收率；（2）从塔顶数第二块理论板上升的气相组成。3、用常压精馏塔分离某二元理想溶液，其平均相对挥发度=