化工原理第一节 精馏1.概述、相平衡（课堂PPT）

第6章,蒸馏Distillation,2,1,蒸馏概述,2,2,2,3,一.目的与依据：,1.目的:分离均相（互溶）液体混合物(酒精、油品）。工业上90-95%的分离过程（产品提纯）由精馏完成。,通过液相混合物部分气化所生成的气相组成与液相组成有差别，即：,2.依据:各组分挥发性的差异,易挥发组分：轻组分难挥发组分：重组分,2,4,概念:,二.分类：,2,5,1.简单蒸馏DifferentialDistillation,2,6,加热,冷凝,温度越来越高,易挥发组分越来越少,2.平衡蒸馏（闪蒸）Equilibrium(Flash)Distillation,2,7,经过节流阀以后的气液两相成平衡状态：故称之为平衡蒸馏,关键部件：节流阀,3.精馏Rectification,2,8,加热器,冷凝器,4.特殊精馏,恒沸精馏Azetropic-Distillation萃取精馏Extrative-Distillation分子蒸馏催化精馏反应精馏,2,9,现代科技进展之一：分子水平上的分离,现代科技进展之二：加入催化剂之精馏,现代科技进展之三：反应与精馏之耦合,1.流程简单，无溶剂加入，可直接获得产品；2.分离程度高，应用广泛；3.发生相变（须造成两相），故能耗大。,三.特点,精馏塔设计容量范围比其它过程设备大得多单塔直径：0.310米，高度：375米,2,10,四.蒸馏费用和操作压强,1.操作费用：汽化：需提供热量冷凝：需提供冷量操作费用为加热费、冷却费、料液输送费用之和。,2.操作压强P的选择：经济核算确定(1)加压蒸馏：P，Tc（冷凝点），免用昂贵冷冻剂，但Th；（主要考虑的是易挥发产品端的降耗）(2)减压蒸馏：P，Th（沸点），免用高温载热体，但Tc。（主要考虑的是难挥发端的节能）,2,11,第1节双组分溶液汽液相平衡,2,12,一.理想物系汽液相平衡（两组分）,1.相律：求气液平衡时物系的自由度FN（组分）（相数）22222参数：P、t、yA、xA，物系中只有2个自由度；如果再固定P一定F=1，x（y）t或yx一一对应,讨论气液平衡的工程目的：即找出一定压力下的ty（x）和yx关系,2,13,2.理想物系（虽实际不存在，但处理简单）,理想溶液，服从拉乌尔定律两个含义理想气体，服从道尔顿分压定律或理想气体定律则：P=poAxA+poBxB,严格地讲，理想溶液不存在。物性和结构、分子大小基本相似的物系近似看成理想的。（甲醇/乙醇、苯/甲苯等）,2,14,3.双组分物系汽液平衡方程,（1）用饱和蒸汽压法表示的气液平衡：泡点方程（xt关系泡点针对的是液体的蒸发）,2,15,组分的饱和蒸汽压实际上是温度的函数Antoine方程(附录10-P.335),（2）用相平衡常数K表示的气液平衡（类似吸收章节）：,露点方程（yt关系露点针对的是气体冷凝）：,2,16,t,p,x,y的相关计算P238表格（例子6-1；6-2）：,挥发度,（3）用相对挥发度表示相平衡关系（重点）：,以各组分的（气相）平衡分压与其液相摩尔分率比值表示，即,理想溶液，应用拉乌尔定律：,表明理想溶液中各组分的挥发性不因混合而发生变化。poA是温度的函数，随T而变化，使用起来并不方便。,2,17,相对挥发度RelativeVolatility,定义理想液:=pA/pB则：,对双组分物系：,相平衡方程,2,18,约定：x,y都以轻组分的摩尔分率来表示,讨论,a.对理想溶液但在x=01的范围内变化不大在操作的浓度（温度)范围内，m取平均值作为常数,-算术-几何要求：1（塔顶）和2（塔底）相差1时,*只有1时，才可用普通蒸馏方式分离大小是混合液分离难易程度的标志,气液平衡时，气相中的易挥发组分（比例）大于液相中的程度愈大，挥发性差异愈大则愈有利于分离,b.相对挥发度的物理意义,2,21,（1）x（y）t图,4.双组分相图（以图表示的相平衡）,两线气相线液相线,三区：过热蒸气SuperheatVapour过冷液体OvercooledLiquid气液共存区,2,22,互为平衡的气液两相,分析,混合液体加热过程在txy相图上表达泡点（沸点）：BoilingPoint泡点线：BoilingCurve,2,23,对应液体的每一个组成，都有与之对应的泡点。所有这些泡点形成的蓝色线叫泡点线,混合蒸汽冷凝过程在txy相图上表达,露点：Dewpoint露点线：Dewpointcurve,2,24,注意,混合液体的泡点、露点随组成而变，不是定值在两个纯组分沸点（露点）之间,泡点是混合液体的性质露点是混合气体的性质,2,25,（2）yx图,yx曲线可由txy相图直接作出。,注意：yx线上各点的温度是不同的,辅助线对角线y=x供查图时使用yx相平衡线位于对角线的上方,为什么（相对挥发度？,2,26,(3)总压力对txA（yA）图及xy图的影响,压力增加，平衡线靠近对角线，分离难度大,压力减小，平衡线远离对角线，分离比较容易,P1P2,27,2020/5/18,二.非理想物系的汽液相平衡：,1.非理想物系：如：液相为非理想溶液，气相为理想气体;液相和气相都是非理想的（复杂）,aAB（吸引力）pAoxApA、pB比拉乌尔定律预计的要高,溶液的非理想性原因:不同分子间的吸引力aAB与相同分子间的吸引力aAA或aBB有很大偏差,2,28,（1）正偏差溶液:,（实际的相平衡线总是位于理想线上方）,回忆：理想物系（pAxA;pBxB/xA呈线性关系）,理想溶液，服从拉乌尔定律两个含义理想气体，服从道尔顿分压定律poAxA或poAxA理想气体定律则：P=poAxA+poBxB,严格地讲，理想溶液不存在。物性和结构、分子大小基本相似的物系近似看成理想的。（甲醇/乙醇、苯/甲苯等）,2020/5/18,29,29,2020/5/18,非理想物系：在t-x-y图上具有最低沸点,M点为恒沸点（y=x,气相线与液相线相交）恒沸物azeotrope，恒沸组成（对应于恒沸点）,2,30,非理想物系：在y-x图上平衡线与对角线相交,此处气液两相组成相等，y=x，=1不能采用一般的蒸馏方法加以分离（工业酒精85%）可采用特殊蒸馏法,2,31,pAx较低，tx较高,（2）负偏差溶液,最高恒沸点,2,32,（实际的相平衡线总是位于理想线下方）,2,33,注意,不是所有的非理想溶液都有恒沸点只有与理想溶液偏差很大的溶液才有恒沸点当总压改变时，相图变化，恒沸组成也会变化非理想溶液的值随浓度变化非常大,2,34,2.非理想溶相平衡关系,液相为非理想溶液，气相仍为理想气体时，拉乌尔定律应修正：pA=pAxAA，pB=pBxBB，,-相平衡关系,2,35,第2节平衡蒸馏与简单蒸馏,2,36,一.平衡蒸馏,1.蒸馏过程,2,37,2.特点：连续定态操作，适于粗分。,节流阀的作用：过热液体高于沸点的显热随即变为潜热使部分液体气化过程：闪蒸分离器：闪蒸塔,2,38,例：管式蒸馏釜pipestill石油工业,2,39,3.数学描述,流量（kmol/s）组成（摩尔分率）加料液FxF气相产品Dy液相产品Wx,（1）物料衡算,总物料衡算,2,40,两式联立（消去w)，得,杠杆定律,2,41,设W(液相产品)F(原料液)q则气化率D/