化工原理第六章蒸馏

1.传质过程：物质在一相转移到另一相的过程第六章蒸馏

棉酚:液相液相NH3:气相液相分离液体混合物分离混合气体乙醇:液相气相分离液体混合物2.蒸馏目的：分离液体混合物3.分离依据：各组分的挥发度不同A——挥发度大——沸点低——轻组分B——挥发度小——沸点高——重组分4.分类按操作流程连续精馏间歇精馏按操作压强常压精馏减压精馏按组分数目两组分精馏多组分精馏加压精馏按蒸馏方式简单蒸馏特殊精馏精馏平衡蒸馏(闪蒸)图图简单蒸馏返回平衡蒸馏(闪蒸)返回第一节双组分溶液的气液平衡一、溶液蒸气压和拉乌尔定律1.饱和蒸汽压2.道尔顿分压定律理想气体：3.拉乌尔定律：若为理想溶液同温度下纯A的饱和蒸汽压,Pa同样：

？(平衡时)P已知气液平衡关系式——泡点方程①②

二、理想溶液的气液平衡相图1.温度-组成图：图饱和液体线饱和蒸气线液相区气液共存区过热蒸气区AB（泡点线）CE（露点线）D纯组分，沸点不变，泡点＝露点溶液，沸点随组成而变，泡点≠露点t℃80.1859095100105110.6x1.0000.7800.5810.4120.2580.1300y1.0000.9000.7770.6330.4560.2620返回2.图：

图：

特点：平衡线偏离对角线越远，越易精馏。图上读不出温度数据

P对图影响不大，但对图影响很大。三、相对挥发度1.挥发度()：2.相对挥发度()：定义：若为理想溶液,则理想溶液：－－气液平衡方程若越大于1，越容易精馏分离若若，则不能采用普通精馏分离。越小于1，越容易精馏分离，此时B为易挥发组分结论：可以用来判别精馏分离的难易程度，以及用普通精馏方法能否达到分离的目的。t改变,变化不大例1.苯(A)和甲苯(B)的饱和蒸汽压和温度的关系数据如表所示。利用拉乌尔定律计算苯－甲苯混合液在P＝101.33kPa下的气液平衡数据。该溶液可视为理想溶液。温度℃80.1859095100105110.6

,kPa101.33116.9135.5155.7179.2204.2240

,kPa40.046.054.063.374.386.0101.33温度℃80.1859095100105110.6

,kPa101.33116.9135.5155.7179.2204.2240

,kPa40.046.054.063.374.386.0101.33解：以t=85℃为例t℃80.1859095100105110.6x1.0000.7800.5810.4120.2580.1300y1.0000.9000.7770.6330.4560.2620温度℃80.1859095100105110.6

,kPa101.33116.9135.5155.7179.2204.2240

,kPa40.046.054.063.374.386.0101.33例2.计算例1中苯－甲苯体系在不同温度下，并据此算出各温度下的气液平衡数据y-x。解：以t=100℃为例温度℃80.1859095100105110.62.542.512.462.412.37x1.0000.7800.5810.4120.2580.1300y1.0000.9000.7770.6330.4560.2620y’1.0000.8970.7730.6330.4610.2690四、非理想溶液的气液平衡相图1.非理想溶液：——不符合拉乌尔定律正偏差溶液负偏差溶液2.恒沸液与恒沸组成：最大正偏差溶液——恒沸液最大负偏差溶液——恒沸液第二节蒸馏与精馏原理一、简单蒸馏与平衡蒸馏1.简单蒸馏简单蒸馏也称微分蒸馏，间歇非稳态操作，在蒸馏过程中系统的温度和汽液相组成均随时间改变。2.平衡蒸馏平衡蒸馏是液体的一次部分汽化或蒸汽的一次部分冷凝的蒸馏操作。生产工艺中溶液的闪蒸分离是平衡蒸馏的典型应用。二、精馏原理1.连续精馏装置：再沸器：提供一定量的上升蒸汽流冷凝器：提供塔顶液相产品及保证有适宜的液相回流2.多级分离：缺点：收率低、能耗高3.精馏原理：省去中间加热器和冷凝器最上一级冷凝后部分回流塔釜加再沸器必要条件：塔顶液体的回流;塔釜液体的部分气化。塔内温度自顶至底依次升高。4.塔板(1)塔板上的液层和填料表面是气液两相进行热交换和质交换的场所。(2)每块塔板相当于一只釜的作用。进入第n板难挥发冷凝多易挥发汽化多离开第n板气相液相塔顶：纯A塔釜：纯B加料板以上——精馏段加料板及其以下——提馏段加料位置——与原料液组成和温度相近的板上进料间歇精馏：——只有精馏段，没有提馏段第三节双组分连续精馏的计算与分析设计型计算：操作型计算：一、全塔物料衡算总物料：轻组分：重组分回收率：轻组分回收率：例:将15000kg/h含苯40%（质量分率）和甲苯60%的溶液，在连续精馏塔中进行分离，要求釜残液中含苯不高于2%，塔顶馏出液中苯的回收率为97.1%。试求馏出液和釜残液的流量及组成，以摩尔流量和摩尔分率表示。解：进料组成：釜残液组成：平均分子量：原料液流量：已知：全塔物衡：即：二、恒摩尔流量的假设1.理论板：2.恒摩尔流量的假设：

注意：V不一定等于V′，L不一定等于L′恒摩尔液流恒摩尔气流三、进料热状态参数q1.进料热状况的定性分析：2.进料热状况对进料板作物料衡算：单位进料流量所引起的提馏段与精馏段下降液体流量之差值以q表示四、操作线方程与q线方程1.精馏段操作线方程：总物料：轻组分：令：——回流比已知某精馏塔精馏段的操作线方程为，求回流比和塔顶馏出液组成。2.提馏段操作线方程：总物料：轻组分：可得提馏段的操作线方程为例：在常压操作的连续精馏塔中分离含甲醇0.4与水0.6（摩尔分率）的溶液，进料的热状况参数为1.1，原料液流量为100kmol/h，要求塔顶易挥发组分的回收率不低于0.94，釜液组成为0.04（以上均为易挥发组分的摩尔分率），回流比为2.5，试求产品的流量、精馏段和提馏段的操作线方程及提馏段上升的蒸汽流量。假设气液相均为恒摩流动。解:(1)(2)精馏段操作线方程:

(3)提馏段操作线方程:

(4)另例：在一两组份连续精馏塔中，进入精馏塔中第n层理论板的气相组成为0.75，从该板流出的液相组成为0.65(均为摩尔分数)，塔内气液比V/L＝2，物系的相对挥发度为α＝2.5，求：①从该板上升的蒸汽组成；②流入该板的液相组成；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：和满足精馏段操作线关系。∵③但和满足精馏段操作线关系。3.进料方程(q线方程)作图q线的作法①②③改变操作条件(如R)，操作线改变，但交点总在q线上。说明：②只要热状况不变，q线不变；①

q线方程是两条操作线交点轨迹的方程。4.操作线的作法精馏段操作线的作法作图提馏段操作线的作法作图提馏段操作线的作法5.进料热状况对q线及操作线的影响：进料组成回流比R

分离要求保持一定四、理论板数计算1.逐板计算法：精馏段：若塔顶为全凝器,则已知当时则第n层为加料板，即（泡点进料），加料板算在提馏段提馏段：第n理论板的下降液体xn开始交替使用提馏段操作线方程与相平衡关系，逐板求得各板的上升蒸气与下降液体组成。当计算到离开某一理论板（例如第N板）的下降液体组成（xN）等于或小于釜液组成xW

，

,板数N就是所需要的理论板总数（包括蒸馏釜）。2.梯级图解法3.进料位置的确定：原则：使所需的理论板层数最少选择与进料组成与温度相近的塔板作为加料板方法：例：某苯与甲苯的混合原料，苯的摩尔分率为0.4。拟采用精馏塔加以分离，原料液处理量为100kmol/h。要求塔顶产品含量为0.9，苯的回收率不低于90％，原料预热至泡点加入塔内。塔顶采用全凝器冷凝，回流比为1.875。已知在操作条件下，物系的相对挥发度为2.47。求为完成分离任务所需要的理论板数及加料位置。解:(1)求D，W

(2)求精馏段操作线方程1.逐板计算法：(3)求提馏段操作线方程(4)求相平衡方程由(5)计算精馏段理论板数由第5块板为加料板以下计算提馏段操作线方程代替精馏段操作线方程(6)计算提馏段理论板数由2.梯级图解法五、回流比的影响及选择1.全回流和最少理论板层数：若D=0(通常也有F=0,W=0)操作线：

(即L=V)任一塔截面上升蒸汽和下降液体的组成均相等全回流：求(1)图解法(2)计算法——芬斯克方程全塔平均相对挥发度——当变化不大时，说明：全回流为回流比的上限；

对应着最少理论板数。

2.最小回流比：分析:(平衡线与操作线越近)当四条线交于一点时交点附近板上无增浓作用即夹（紧）点的求取：(1)作图法(2)解析法泡点进料露点进料3.回流比的选择：选择依据：总费用=操作费用+设备费费用最低(1)精馏操作费主要取决于(2)设备费包括精馏塔、再沸器、冷凝器的费用精馏塔费用高难分离物系：一般取恒沸精馏在双组分溶液中加入一种夹带剂，它能与原溶液中一个或两个组分形成双组分或三组分最低恒沸点的恒沸物，所生成的恒沸物与塔底产品之间的沸点相差较大。恒沸精馏中合适夹带剂的选用：（1）恒沸物恒沸点与溶液中纯组分沸点有相当差值，一般不小于10℃。（2）恒沸物易分离，以便回收夹带剂，夹带剂含量越少操作费用越省。（3）热稳定性、腐蚀性、毒性、价格等因素。恒沸精馏与萃取精馏

具有恒沸点或相对挥发度接近1的物系，不宜采用普通精馏方法分离，通常用恒沸精馏和萃取精馏进行分离恒沸精馏举例工业酒精恒沸精馏（用苯作恒沸剂）制取无水酒精。乙醇-水二元恒沸物（恒沸点78.15℃，乙醇摩尔分率为0.894）三元恒沸物：苯：0.539乙醇：0.228水：0.233沸点：64.85℃上层苯相苯：0.745乙醇：0.217少量水下层水相苯：0.0428乙醇：0.35其余为水无水酒精水恒沸精馏塔分层器乙醇回收塔苯回收塔冷凝器冷凝器三元非均相恒沸物三元非均相恒沸物稀乙醇水溶液二元恒沸物二元恒沸物乙醇水恒沸物萃取精馏也是向原料液中加入第三组分，称为萃取剂。加入的萃取剂一般沸点较高、且不与原溶液中任一组分形成恒沸物，仅仅是改变原有组分的相对挥发度而实现精馏分离。萃取精馏，从塔顶可得一个纯组分，萃取剂与另一组分从塔底排出。萃取剂的选择是过程的关键。萃取剂应具备：（1）选择性好，加入少量萃取剂能使溶液相对挥发度显著提高；（2）挥发性小且不与原组分起反应，便于分离回收;（3）安全，无毒，无腐蚀，热稳定性好以及价格便宜等。萃取精馏举例苯-环乙烷溶液的萃取分离：苯沸点80.1℃，环乙烷沸点为80.73℃