化工原理精馏.docx

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化工原理精馏

第七章精馏

主讲教师王星

§1概述

一、概念

1）易挥发组分：

混合物中沸点低，容易汽化的组分。

2）难挥发组分：

混合物中沸点高，不易汽化的组分。

3）对于板式塔，易挥发组分从塔顶排出；难挥发组分从塔底排出。

4）易挥发组分常以下标A表示；难挥发组分常以下标B表示。

5）混合物中各组分的挥发能力相差越大，精馏分离越容易；混合物中各组分的挥发能力相差越小，精馏分离越难。

二、蒸馏与蒸发的区别

蒸馏：

溶质和溶剂都具有挥发性。

塔顶和塔底都有可能是产品。

蒸发：

溶剂挥发，溶质不挥发。

蒸发产品是被浓缩了的溶液。

三、分类

1、按操作方式分类

1）简单蒸馏——一次部分汽化冷凝。

2）精馏——多次部分汽化冷凝。

3）特殊精馏：

水蒸气蒸馏、恒沸蒸馏、萃取蒸馏。

2、根据原料的组分数目分类

双组分蒸馏

多组分蒸馏

3、操作流程的不同分类

1）间歇精馏

2）连续精馏

4、按操作压力分类

常压精馏、减压精馏、加压精馏。

混合液加热汽化，易挥发组分相对富集于汽相，难挥发组分相对富集于液相，而易挥发组分有多少量富集于汽相，难挥发组分有多少量富集于液相，这是以相平衡决定的，欲定量讨论精馏过程，必须首先了解相平衡关系。

所以，气液相平衡关系是分析精馏操作过程和进行设备设计的理论基础。

精馏传质的推动力是不同组分在两相中的浓度与平衡的偏离程度。

§2双组分理想溶液的气液平衡

一、纯液体的气液平衡

汽化速度等于冷凝速度——动态平衡

气液平衡时，汽相为饱和蒸汽；蒸汽所具有的压力称为饱和蒸汽压；液体的温度为饱和温度。

二、拉乌尔定律

均相混合溶液中某组分的饱和蒸汽压一定比该组分在纯态时的饱和蒸汽压低。

1880年，法国人拉乌尔（FrancoisMaricRaoult，1830~1901）提出：

一定温度下，当气液达到平衡时，理想溶液中某组分的饱和蒸汽压等于该组分在纯态时的饱和蒸汽压与该组分在溶液中的摩尔分率的乘积。

pA=pAo·xApB=pBo·xB

对于双组分溶液，则有pB=pBo·xB=pBo·（1－xA）

式中：

pA、pB分别为溶液上方A、B两组分的平衡分压。

pAo、pBo分别为同温度下A、B两纯组分的饱和蒸汽压。

xA、xB分别为溶液中A、B两组分的摩尔分率。

实际溶液只在浓度很稀时服从拉乌尔定律。

三、道儿顿分压定律

理想气体在一定温度下，气液平衡时，气相中某组分的饱和蒸汽压等于等于该组分在气相中的摩尔分率与总压的乘积。

pA=P·yApB=P·yB

对于双组分溶液，则有pB=P·yB=P·（1－yA）

针对液相计算时采用拉乌尔定律。

针对气相计算时采用道儿顿分压定律。

四、实际溶液和理想溶液

对于实际溶液，浓度较大时拉乌尔定律计算有偏差，偏差主要来源于相同分子之间的作用力与不同分子之间的作用力的差别。

1、混合溶液中不同分子之间的作用力小于相同分子之间的作用力，则混合物分子较纯组分状态容易汽化，溶液上方各组分的蒸汽分压偏大，这种偏差称为正偏差。

2、混合溶液中不同分子之间的作用力大于相同分子之间的作用力，则混合物分子较纯组分状态难于汽化，溶液上方各组分的蒸汽分压偏小，这种偏差称为负偏差。

理想溶液：

1、A、B两组分组成的均相混合物中，不同分子之间的作用力与相同分子之间的作用力完全相同。

2、A、B两组分混合形成溶液时，溶液体积等于两纯组分体积之和。

混合前后总体积不变。

3、A、B两组分混合形成溶液时，无热效应产生。

混合前后总焓值不变。

4、A、B两组分混合形成溶液，其气液平衡关系在全部浓度范围内服从拉乌尔定律。

五、理想的完全互溶双液系的相平衡图

1、p–x图（压力—组成图）

pAo

P=pA+pB=pAo·xA+pBo·xB

pBopA=pAo·xA=pAo·xA+pBo·（1－xA）

=pBo+（pAo－pBo）·xA

pB=pBo·xB

BA

2、t–x–y图（温度—组成图）

t

t–y线

tB

t–x线tA

xB=1x（y）xA=1

两条线

t–y线（饱和蒸汽线、泡点线）：

表示混合液的沸点与平衡气相组成y之间的关系。

横坐标为y

t–x线（饱和液体线、露点线）：

表示混合液的沸点与平衡液相组成x之间的关系。

横坐标为x

三个区

液相区：

饱和液体线以下的区，此区为全液态的单相区，该区代表低于饱和温度的未沸腾的液体。

过热蒸汽区：

饱和蒸汽线以上的区，此区为全气态的单相区。

该区代表高于饱和温度的过热蒸汽。

气液共存区：

饱和液体线以上、饱和蒸汽线以下的区，此区内液体处沸腾状态，气液共存，为两相区。

tFF

tF

F

xFy*x*yF

结论：

（1）气液两相达平衡时，由于气液两相温度相同，所以平衡组成处同一水平线上

（2）易挥发组分含量增加时，混合液的沸点降低。

（3）气液共存时，气相中易挥发组分的浓度只有大于液相中易挥发组分的浓度，即yx，混合液才能用精馏方法分离。

y与x相差越大，分离越容易。

例：

若将组成为0.42的苯-甲苯混合液，在1大气压下加热到98oC，产生的蒸汽不移走，保持与液体接触。

问此时气液组成各为多少？

汽化率为多少？

3、y–x图（气液平衡曲线）

气液平衡曲线为不同饱和温度时气液组成x、y描绘出的曲线。

平衡线距对角线越远，y与x相差越大，精馏分离越容易。

平衡线在对角线上方，曲线描述精馏过程；平衡线在对角线下方，曲线描述吸收过程。

平衡线与对角线重叠，则不能采用精馏或吸收方法分离。

六、挥发度与相对挥发度

（一）、挥发度

挥发度的定义：

混合液中某组分的平衡分压与平衡时该组分的摩尔分率之比。

A组分的挥发度——VA=

B组分的挥发度——VB=

（1）挥发度是以混合液中某组分的气相分压的大小表示其挥发难易程度的物理量。

（2）浓度相同时，某组分的气相分压越大，则该组分越容易挥发。

（3）纯液体的挥发度，就是该液体的饱和蒸汽压。

（4）对于理想容易，VA=pAo；VB=pBo

（二）、相对挥发度

相对挥发度——两组分挥发度之比

==而pA=P·yApB=P·yB

所以=

设x=xA；y=yA且xB=1－xAyB=1－yA

则y=

气液平衡方程

（1）当1时，VAVB，A组分较B组分易挥发，则越大，气相组成y与液相组成x相差越大，混合液分离越容易。

（2）当=1时，VA=VB，A组分与B组分挥发度相同。

则气相组成y与液相组成x相同，混合液不可能用精馏方法分离。

§3简单蒸馏

一、流程

二、原理

利用A、B两组分存在挥发度的差异，加热汽化，易挥发组分在气相中富集；难挥发组分在液相中富集。

三、特点

1、不稳定的间歇操作。

2、汽液只存在瞬时平衡，随着操作进行，液相浓度不断变化，平衡关系也不断变化。

3、随着操作时间的增加，气相浓度？

液相浓度？

（第一滴馏出液浓度最？

）；（最后一滴釜残液浓度最？

）。

4、该操作得不到纯组分，馏出液为一定沸点温度范围的馏分。

四、含分凝器的简单蒸馏

五、计算

例题：

将含苯70%、甲苯30%（摩尔比）的溶液加热汽化，汽化率为1/3。

已知物系的相对挥发度为2.47，试计算简单蒸馏时馏出液的组成及釜残液的组成。

§4平衡蒸馏

一、流程

塔顶产品D

进料F

塔底产品W

二、原理

显热潜热

三、特点

1、只要进料过热温度一定，操作压力一定，则塔顶及塔底产物的组成一定。

2、生产过程为连续操作。

3、不能得到纯产品。

四、应用

常用于沸点不很高的混合液。

五、计算

例题：

将含苯70%、甲苯30%（摩尔比）的溶液加热汽化，汽化率为1/3。

已知物系的相对挥发度为2.47，试计算平衡蒸馏时馏出液的组成及釜残液的组成。

§5精馏原理

一、精馏多次部分汽化、部分冷凝

xFy1y2y3y4

二、塔板上的热质传递

xn-1

yn

tn-1

tn+1

xnyn+1

条件：

1、每层板上必须有液体存在。

2、每层板上必须达到饱和温度。

三、回流

回流是保证精馏过程连续稳定操作的必要条件。

四、精馏流程

1、流程图

2、加料板、精馏段、提馏段的概念

§6双组分连续精馏塔的计算

双组分连续精馏塔的工艺计算主要包括以下内容：

1、确定产品的流量及组成：

D、W、xD、xw

2、确定精馏塔的类型（板式塔或填料塔），根据塔型计算理论塔板数或填料层高度。

3、确定塔高和塔径。

4、对板式塔，进行塔板结构尺寸的计算及塔板流体力学计算；

对填料塔，确定填料类型及尺寸，并计算填料塔的流体阻力。

一、理论板的概念及恒摩尔流假定

1、理论板的概念

理论板——离开此板的气、液两相相互平衡，且板上的液相组成均匀一致。

2、恒摩尔流假定

（1）恒摩尔汽化

精馏操作时，精馏塔内精馏段每层板上的上升蒸汽量都相等；提馏段每层板上的上升蒸汽量都相等。

即

V1=V2=V3=……=Vn=V

V1/=V2/=V3/=……=Vn/=V./

式中：

V精馏段内上升的蒸汽流量kmol/h

V/提馏段内上升的蒸汽流量kmol/h

（2）恒摩尔溢流

精馏操作时，精馏塔内精馏段每层板流下的液体流量都相等；提馏段每层板流下的液体流量都相等。

即

L1=L2=L3=……=Ln=L

L1/=L2/=L3/=……=Ln/=L./

恒摩尔流假定的条件：

a）各组分的摩尔汽化潜热相等。

b）汽液接触时因浓度、温度不同而交换的显热可忽略。

c）塔设备热损失可忽略。

二、物料衡算和操作线方程

1、全塔物料衡算

以单位时间为基准

总物料衡算F=W+D

易挥发组分物料衡算F·xF=W·xw+D·xD

分离程度的表示：

塔顶易挥发组分的回收率=

塔底难挥发组分的回收率=

例：

每小时将15000㎏含苯40%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%（以上均为质量百分数），塔顶馏出液的回收率为92.7%。

操作压强为常压，试求馏出液及釜残液的流量（kmol/h）及组成（摩尔分率）。

2、精馏操作线方程

操作线方程即精馏塔内上一层板的气相组成与下一层板的液相组成之间的关系方程。

总物料衡算：

V=L+D

易挥发组分物料衡算：

V·yn+1=L·xn+D·xD

设则有

R1

yn+1=———·xn+———·xD

R+1R+1

——————————精馏段操作线方程

对于恒摩尔流，R为常数，则精馏操作线为一直线，过点（xD，xD），斜率为，截距为。

3、提馏段操作线方程

总物料衡算：

V/=L/－W

易挥发组分物料衡算：

V/·ym+1=L/·xm－W·xW