蒸馏原理

1,第三講蒸餾原理,2,蒸餾原理課程目的,藉由此介紹，增進大家 更能瞭解蒸餾原理、蒸餾塔設計及蒸餾塔結構及操作控制等。 煉油廠內任一工場都有蒸餾塔裝置，用於分離各不同油品。塔槽之操作控制得宜，不僅影響油品品質，而且也影響操作成本，蒸氣及冷卻水用量等。,3,蒸餾原理,蒸餾：蒸餾把多種成份的液體，分離成 各種成份的一種方法。蒸餾是藉溶液被加熱沸騰，沸騰後有汽相和液相二成份，兩者組成不同，因而達到溶液之分離。溶液被加熱沸騰後，其蒸汽相中之成份，是沸點較低容易揮發的物質，而高沸點或不易揮發的物質留再液相裡。如 LPG 和汽油混合液加熱沸騰後，氣相中之成份為 LPG，液相中的成分是汽油( 桃廠 DA-105和V-2005分餾塔槽) 。,4,蒸餾與蒸發之差異,蒸餾 被分離之溶液，其所有成份均能氣化，只是汽化程度不相同。如氨水溶液，原油( LPG、汽油、航空燃油、柴油及燃料油 )蒸發溶液經加熱，只有一組分能成蒸汽，而其他仍留存者，如食鹽溶液(海水)被加熱沸騰，水份蒸發分離，而最後剩餘食鹽。,5,蒸餾原理根據,蒸餾：只是根據物理變化而分離液體加熱汽化或氣體冷凝液化，組成並沒有牽涉到化學反應(化學變化)原理根據：勞氏定律和道爾頓定律利用各物質物理性質-蒸氣壓不同而分離：蒸氣壓高，揮發度高之物質容易先被分離。通常蒸氣壓高物質，其揮發度也高，但是沸點低，容易被加熱而沸騰,6,典型之蒸餾裝置,Bubble Point,冷卻水,V,Dew Point,Bubble Point,進料,分餾塔,底部成品,頂部成品,迴流泵,再沸器,蒸汽,空氣冷卻器,迴流槽,水冷卻器,7,勞氏定律( Raoult 定律),Raoult定律混合溶液中某一成分之平衡蒸氣分壓( Pa )為該成分在混合液中之莫耳分率(mole, Xa )與在同一溫度下該成分純液態時之蒸氣壓( Pao ) 之乘積Pa = Xa * Pao 適用範圍：只適合理想氣體及理想溶液混合體之均衡溶液之組t成，其各成分化學性質類似，且分子間不起作用，例如丙烷(C3H6)與丁烷(C4H10)具相似化學結構與物理性質。,8,石油工業之油品分離應用,煉油廠之油品乃是多成分之混合物，雖組成較複雜，但是典型的化學結構及物理性質相似，因此適用Raoult定律。一油品混合物，因化學結構及物理性質相似，雖在溫度及成分變化相當大之範圍內，其相對揮發度不變，如汽油沸點範圍從60 180。,9,道爾頓定律,道爾頓定律：密閉系統中之混合氣體，系統總壓力為各組成分壓力之和。P(total) = Pa + Pb + Pc+密閉系統中混合氣體，某一成分之莫耳分率  Ya ( mole%)為該成分之蒸汽分壓 ( Pa )除總壓力(P)Ya = Pa / P (total )Pa = Ya * P (total ),混合氣,VaporYa(mole%) ,      P,混合液Xa,密閉系統,10,勞氏定律與道爾頓定律之應用,含A,B 兩成分之混合液，其中A之沸點較低，亦即其( A成分)蒸汽壓較大，故 Pao > PboP(total) = Pa +Pb = Xa*Pao + Xb*Pbo1.當Pao > Pbo：表A 成分容易被蒸餾出來2.當Pao Pbo 之值愈大，表兩成分( A,B )在純液態時之蒸氣壓差較大，容易被分離。3.當Pao = Pbo ，表氣相之組成和液相組成相同，無法利用蒸餾分離。,V,L,11,物質之蒸汽壓,12,物質之蒸汽壓與溫度之關係,蒸 汽壓Psia(LogScale),Temperature,100        150         200        250   non-linear scale,1000100 10,Pentane,Butane,Propane,Pao,物質之蒸氣壓Vapor Pressue與系統壓力無關，只與溫度有關,13,175,100%己烷,系統總壓&蒸氣壓&分壓力,系統總壓( Total Pressure )蒸氣壓( Vapor Pressue )分壓力( Partial Pressure ),瓶內之總壓為 13.5 psi己烷蒸氣壓20.6psia庚烷蒸氣壓 8.8 psia己烷分壓力為12.4psia庚烷分壓力為   1.1psia,三個密閉鋼瓶,175,60%己烷40%庚烷,瓶內之總壓為 20.6 psi=己烷蒸氣壓=己烷分壓力,175,100%庚烷,瓶內之總壓為 8.8 psia=庚烷蒸氣壓=庚烷分壓力,14,如何計算分壓力與氣相組成,Liquid己烷  50 mole%庚烷  50 mole%,Vapor己烷 & 庚烷系統溫度 175 ,計算:利用Roult Law 及液相組成mole%，求此系統己烷&庚烷之分壓力及系統總壓：    Pa = Xa * Pao己烷分壓力=0.5*20.6 =10.3 psia庚烷分壓力= 0.5*8.8=  4.4 psia系統總壓=10.3 + 4.4 = 14.7 psia系統總壓等於液體中各成分所施出分壓力的總和利用道爾頓定率及己烷&庚烷之分壓力及系統總壓求此系統50-50己烷&庚烷混合物之蒸氣組成：Ya = Pa/P(total)己烷蒸氣組成 mole%= 10.3/14.7=70%庚烷蒸氣組成 mole%=  4.4/14.7=30%,175己烷之蒸汽壓Pao=20.6 psia175庚烷之蒸汽壓Pao= 8.8 psia,15,T庚烷,兩成分之平衡曲線(沸點&組成平衡圖),Vapor  Phase,Liquid  Phase,T1,T2,100%己烷0%    庚烷,0%   己烷100% 庚烷,50% 己烷50% 庚烷,70% 己烷30% 庚烷,曲線 I,曲線 II,T己烷,Dew Point 100% Vapor,Bubble Point 100% Liquid,20% 己烷80% 庚烷,B,A,C,D,16,T庚烷,兩成分之平衡曲線,己烷&庚烷混合氣Vapor  Phase,己烷與庚烷混合液Liquid  Phase,T1,T2,100%己烷0%    庚烷,0%   己烷100% 庚烷,50% 己烷50% 庚烷,70% 己烷30% 庚烷,曲線 I,曲線 II,T己烷,Dew Point 100% Vapor,Bubble Point 100% Liquid,同一組成之Dew Point溫度比Bubble Point溫度高如(50%己烷+ 50%庚烷),同一溫度下(T1)之平衡狀態線Dew Point 之組成如B點(50%己烷+50%庚烷)為平衡氣相組成，而A點為平衡時的液相組成,20% 己烷80% 庚烷,C,A,B,Bubble Point 100% Liquid,Dew Point 100% Vapor,Bubble Point 100% Liquid,17,平衡曲線之意義,曲線I：表沸騰時蒸汽之成分( Dew Point )曲線II：表沸騰時液體之成分( Bubble Point )曲線I 以上面積：表示該混合液已全變為蒸汽曲線I I以下面積：表示該混合液全為液體兩曲線之間之面積：表示該混合液一部分為蒸氣，一部分為仍為液體正在沸騰期中，相互成平衡狀態。,18,Bubble Point & Dew Point  於蒸餾塔之應用,Bubble Point,V,Dew Point(露點),Bubble Point( 氣泡點 ),L,溫度,Bubble Point,Dew Point,溫度,V,L,V1,進料,19,蒸餾塔中每一板上平衡蒸氣與平衡液體之關係,若已知某板上之液體成分，則其平衡蒸氣之成分可由各成分之蒸氣壓(Pao)或相對揮發度計算Xa -液體組成Ya 蒸氣相組成 Ya = Xa * Pao,Liquid液體 Xa,Vapor氣相 Ya,V,L,20,例題1：分塔餾塔塔底系統壓力之計算 ? (已知組成及溫度),20% Propane40% Butane40% Pentane,Feed,已知條件Component      Vapor Pressure                            at  150Propane C3       330  PsiaButane   C4 105 PsiaPentane  C5  35  Psia,L,21,例題1：計算提示,1.先計算 Propane & Butane & Pentane在此塔槽底部之各別分壓(Raults Law)2.將1所計算之分壓合計即為此塔槽底部系統之總壓(Ptotal=Pa+Pb+Pc)3.將1及2所計算分壓和總壓即可得塔槽底部蒸氣相之組成(Ya=Pa/Ptotal),22,例題1：解答,分壓計算(利用Rault Law)Pa=Xa*PaO1. Propane 分壓: 20% * 330 psia=66psia2.Butane 分壓: 40% * 105 psia=42psia3.Pentane分壓: 40% * 35 psia= 14psia總壓計算:66+42+14=122 psia與此平衡之氣相組成計算Ya=Pa/P*100Propane = 66/122*100= 54%Butane=42/12*100= 34%Pentane=14/122*100= 12%,23,例題1：解答(續),系統壓力 : 122 Psia( Propane 分壓: 66 psia  Butane    分壓: 42 psia  Pentane  分壓: 14 psia )平衡時氣相組成:Propane: 54% +Butane 34%+Pentane 12%平衡時液相組成:Propane 20%+Butane 40%+Pentane 40%,進料,L,24,揮發度& 相對揮發度,定義：某物質在氣相中之平衡蒸氣分壓( Pa ) 與其在液相中之Mole %( Xa ) 之商稱為該物質之揮發度。Example : a , b 兩成分混合液中a 成分之揮發度(Va)Va = Pa / Xab 成分之揮發度(Vb)Vb = Pb / Xb相對揮發度(Rab )：兩成分揮發度之比 Rab = Va/Vb = Pao/Pbo,25,如混合液為理想溶液，代入勞氏定率Rab = Va/Vb    =由此可知蒸氣壓大之物質其揮發度大當Rab = 1  - a,b 兩物質無法分離當Rab 大於 1, Rab愈大愈容易分離, 愈小愈難分離。,揮發度&蒸氣壓之關係,26,蒸餾種類,1.不用迴流之蒸餾：1. 微分蒸餾；2.平衡蒸餾2.部分冷凝:3.應用迴流之蒸餾：-精餾 ( 分餾 )4.特種蒸餾法真空蒸餾汽提蒸餾共沸蒸餾萃取蒸餾,27,不用迴流之蒸餾：,微分蒸餾：又稱簡單蒸餾，將沸騰之蒸汽立即移出，如實驗室之蒸餾法平衡蒸餾：又稱驟餾蒸餾，蒸汽相並不立即移出，持續加熱直至氣液達平衡，再送一空槽分離。,v,L,V+L,加熱爐,熱交換器,氣液分離槽,28,部分冷凝法:,利用冷凝法將蒸餾所得之蒸氣，徐徐冷凝，高沸點物質先冷凝，低沸點再前進，用較低溫冷卻物質再做第二階段的冷凝而得以分離。,V,液態高沸點物質,液態低沸點物質,不被冷凝氣體,氣體,進料,29,應用迴流之蒸餾(精餾或分餾 ),Bubble Point,冷卻水,V,Dew Point,Bubble Point,進料,分餾塔,底部成品,頂部成品,迴流泵,再沸器,蒸汽,冷卻器,迴流槽,30,特種蒸餾法-真空蒸餾法,真空蒸餾法：應用於高溫易裂解之物質，在某真空度下蒸餾，物質之沸點降低，物質不裂解，又達到蒸餾分離的目的。原油在溫度 371，就會裂解,1 Atm = 760mmHg = 29.92”Hg730 mmHg 真空度 = 760-730 = 30 mmHg,壓力:30 mmHg,壓力:15 mmHg,重油,桃廠3100區真空蒸餾塔,31,特種蒸餾法-氣提蒸餾法,氣提蒸餾：也是應用於高溫易裂解之物質，將惰性氣體或水蒸氣加入分餾塔中，利用道耳頓分壓原理- 這些氣體分攤部分總壓力，而使高溫物質之分壓力減少，因此降低此物質之沸點。如水蒸汽蒸餾水蒸汽蒸餾-乙苯氨 0.412 mole & 水2.78 mole混合液在1大氣壓下之沸點為 99.15乙苯氨之分壓為0.4 psia-沸點為 99.15水之分壓為14.3 psia-沸點為 99.15 純乙苯氨於1大氣壓下(14.7psia)之沸點為 204，水之沸點100。,32,共沸物之蒸餾( Azeotropic Distillation ),共沸混合物 -其有一液相與另一汽相成均衡者(液相與氣相組成相同)，稱均勻共沸混合物。如95.67%酒精(95.67%酒精+ 4.33% H2O)，大氣壓下之沸點為 78.15。,100,溫度,成份,100% H2O0% 酒精,0% H2O100%酒精,78.32,78.15,4.33% H2O95.67%酒精,33,萃取蒸餾(Extractive Distillation ),萃取蒸餾：若兩種液體沸點相差很小，利用一般蒸餾方法不易達到分離目的。因而加入第三種液體，以改變平衡關係，而達到分離之目的。如 95%酒精之水溶液共沸混合液，加入苯使水與酒精形成一新共沸物(沸點: 64.85 ),4.33% H2O95.67%酒精+ Extra 苯,99.8 %酒精沸點 : 78.32,7.4 % H2O 18.5 %酒精+ 74.1 % 苯沸點:64.85,萃取蒸餾,34,例題 2:,一.請計算LPG(液化石油氣)儲槽在溫度38時槽內系統壓力(P)及平衡時槽內氣相各組成之摩耳濃度( mole% )。,LPG,38,LPG 液相組成與各組成之蒸氣壓(38)  組成        mole%   Vapor Pressure C3H8(丙烷):    34.10   190  psianC4H10(正丁烷):22.03    51.6 psia  iC4H10(異丁烷):43.62    72.2 psianC5H12(正戊烷): 0.25    15.57 psia,LPG 球槽,Vapor,Liquid,P= ?,35,例題 2：解答,槽內系統壓力(P)為各組成所擁有之分壓的總和: (P=Pa+Pb+Pc+Pd)，Pa=Xa*Pao丙烷：34.10% *190 = 64.8 psia正丁烷：22.03%*51.6 = 11.4 psia異丁烷：43.62%*72.2 = 31.5 psia正戊烷： 0.25%*15.57 = 0.04 psia槽內系統壓力= P=64.8+11.4+31.5+0.04=107.74 psia,36,例題 2：解答(續),平衡時槽內氣相各組成之摩耳分率 (mole% )為各成分之分壓除以系統總壓，如 Ya = Pa / P丙烷：64.8/107.74 = 60.14%正丁烷：11.4/107.74 = 10.58%異丁烷：31.5/107.74 = 29.24%正戊烷： 0.04/107.74 = 0.04%,37,例題 2:解答(續),一.儲槽在溫度38槽內系統壓力(P)=107.74 psia ( 93.04 psig= 6.5 kg/cm2G ),LPG,38,LPG 液相組成  組成        mole%   C3H8(丙烷):    34.10   nC4H10(正丁烷):22.03     iC4H10(異丁烷):43.62   nC5H12(正戊烷): 0.25,LPG 球槽,Vapor,Liquid,P= ?,LPG 氣相組成  組成         mole%   C3H8(丙烷):    60.14   nC4H10(正丁烷):10.58     iC4H10(異丁烷):29.24   nC5H12(正戊烷): 0.04,38,例題 3:,請計算儲槽內溫度110.5 (Dew Point)，槽內系統壓力為1.2 atm 時,儲槽內含正己烷 33%，正庚烷 37% ，及正辛烷 30 mole% 混合氣，求平衡時槽內液相各組成之摩耳濃度( mole% )。,油氣混合氣組成與各組成之蒸氣壓(110.5)條件如下：  組成   mole%  Vapor Pressure  正己烷:   33    3.04 atm  正庚烷:   37    1.40 atm正辛烷:   30    0.65 atm* 1atm = 14.7 psia,油槽,39,例題 3：解答(續),平衡時槽內液相各組成之摩耳分率 (mole% )為各成分之分壓(Pa)除以各成分之蒸氣壓(Pao)，如 Xa = Pa / Pao1. 由各成分之氣相組成(mole%)及系統總壓先求各成分之分壓, Pa=P*Ya正己烷分壓：1.2*0.33 = 0.396 atm正庚烷分壓：1.2*0.37 = 0.444 atm正辛烷分壓： 1.2*0.30 = 0.36  atm2.由上各成分之分壓及各成分之蒸氣壓求平衡時各成分之液相組成, Xa=Pa/Pao正己烷液相組成：0.396/3.04*100 = 13 mole%正庚烷液相組成：0.444/1.40*100 = 31.7 mole%正辛烷液相組成：0.36/0.658100 = 55.3 mole%,40,例題 3：解答(續),3.儲槽在溫度110.5槽內系統壓力P=1.2 atm 下平衡時液相組成如下：,油品液相組成(計算得)正己烷: 13.0 mole% 正庚烷: 31.7 mole% 正辛烷: 55.3 mole%,油槽,油品氣相組成(已知)               正己烷: 10.58 mole% 正庚烷: 29.24 mole% 正辛烷:  0.04 mole%,Dew Point,110.5,A,A,B,B,temp,組成,Bubble Point,41,例題 4：,已知塔底成品組成及溫度，求此塔底系統壓力及平衡蒸氣組成?,mole%C2H6      2.03C3H8     30.78iC4H8    21.34nC4H10  45.41iC5H12    0.40nC5H12