第六章 蒸馏.ppt

1、第六章 蒸馏,概述第一节 双组分溶液的汽液相平衡 第二节 蒸馏与精馏原理第三节 双组分连续精馏塔的计算第四节 间歇精馏第五节 恒沸精馏与萃取精馏第六节 板式塔小结,概述,一、蒸馏的定义二、蒸馏操作的用途三、蒸馏分离的特点四、蒸馏过程的分类,蒸馏:蒸馏是分离液体混合物的典型单元操作。它是利用液体混合物中各组份挥发度不同的特性,通过加热造成气液两相物系，从而在汽相富集轻组分在液相富集重组分而分离的方法。,闪蒸罐,塔顶产品,yA,xA,加热器,原料液,塔底产品,Q,减压阀,一.蒸馏的定义,通常，将沸点低的组分称为易挥发组分（轻组分），沸点高的组分称为难挥发组分（重组分）。,蒸馏操作实例：石油炼制中使

2、用的 250 万吨减压装置,二.蒸馏操作的用途,三.蒸馏分离的特点,1、通过蒸馏操作，可以直接获得所需要的组分（产品），操作流程较为简单。2、蒸馏分离应用较广泛，历史悠久。例如，可将空气等加压液化建立气液两相系统、或将固体混合物（如脂肪酸的混合物）加热熔化并在减压下建立气液两相系统，再利用蒸馏方法来分离。3、在蒸馏过程中，由于要产生大量的气相和液相，因此需消耗大量的能量。此外为建立气液系统，有时需要高压、真空、高温或低温等条件，这些条件带来的技术问题或困难，常是不宜采用蒸馏分离某些物系的原因。,本章着重讨论常压下双组分连续精馏。,简单蒸馏或平衡蒸馏：用在分离要求不高的情况下。精馏：分离纯度要求

3、很高时采用。特殊精馏：混合物中各组分挥发性相差很小，难以用普通精 馏分离，借助某些特殊手段进行的精馏。间歇精馏：多用于小批量生产或某些有特殊要求的场合。连续精馏：多用于大批量工业生产中。常压蒸馏：蒸馏在常压下进行。减压蒸馏：常压下物系沸点较高或热敏性物质不能承受高温的情况加压蒸馏：常压下为气体的物系精馏分离，加压提高混合物的沸点.多组分精馏：例如原油的分离。双组分精馏：如乙醇-水体系,苯-甲苯体系等。,四.蒸馏过程的分类,第一节 双组分溶液的汽液相平衡,蒸馏分离的物系由加热至沸腾的液相和产生的蒸汽相构成。相平衡关系是蒸馏过程分析的重要基础。汽液相平衡是指溶液与其上方蒸汽达到平衡时汽液两相间各组

4、分组成的关系。一、双组分理想物系的汽液平衡1、双组分理想物系的汽液平衡函数关系（汽液相组成与平衡温度间的关系）2、双组分理想溶液的汽液平衡相图二、双组分非理想物系的汽液平衡（自学，了解）,1、双组分理想物系的汽液平衡函数关系1）用饱和蒸汽压表示的汽液平衡关系2）用相对挥发度表示的汽液平衡关系2、双组分理想溶液的汽液平衡相图,一、双组分理想物系的汽液平衡,理想物系是指液相为理想溶液、汽相为理想气体的物系。液相和汽相应符合以下条件：液相为理想溶液，遵循拉乌尔定律。汽相为理想气体，遵循道尔顿分压定律。,1)用饱和蒸汽压表示的气液平衡关系,拉乌尔定律：在一定温度下，汽相中任一组分的分压等于此纯组分在该

5、温度下的饱和蒸汽压p0乘以它在溶液中的摩尔分数。(见P236),注意:(见P235-236),1.密闭容器中,在一定温度下,纯组分液体的汽液两相达到平衡状态,称为饱和状态.其蒸气称为饱和蒸气,其压力就是(饱和)蒸气压.2.某组分液体的饱和蒸气压只是温度的函数,随温度而.纯组分液体的po与t的关系通常用安托因方程表示3.液体的饱和蒸气压是表示液体挥发能力的一个属性.液体的挥发能力越大,其蒸气压越大.液体混合物中各组分在汽相中的蒸气分压比其在纯态下的饱和蒸气压要小.4.对大多数溶液,拉乌尔定律只有在低浓度才适用,对大多数的浓溶液都不适用.但由性质极近似的物质所构成的溶液在全部浓度范围内拉乌尔定律都

6、适用.5.只有在全部浓度范围内符合拉乌尔定律的溶液称为理想溶液,此溶液在宏观上表现为各组分混合成溶液时不产生热效应和体积变化.,（68）,用饱和蒸汽压表示的气液平衡关系,（610）,（68）,见P238,2）用相对挥发度表示的气液平衡关系（P241242）,即挥发度=饱和蒸气压po,相对挥发度也是温度的函数,表示组分 A 较 B 易挥发；值越大，两个组分在两相中相对含量的差别越大，越容易用蒸馏方法将两组分分离.,2、双组分理想溶液的气液平衡相图（P237）,根据相律，双组分两相物系自由度为2，即相平衡时，在温度t、压强P汽相组成x和液相组成y这四个变量中，只有两个独立变量。若物系的温度和压强一

7、定，汽液两相的组成就一定；若压强和某相的组成一定，则物系的温度和另一相组成将被唯一确定。双组分汽液相平衡关系可由某变量与另两个独立变量的函数关系表达。双组分汽液两相，当固定一个独立变量，可用二维坐标中的曲线图来表示两相的平衡关系，称为相图。相图有压强一定的温度-组成t-x(y)图、液相组成和汽相组成x-y图，以及温度一定的压强-组成p-x 图(略)。1）温度组成图（tyx图）2）汽液相平衡图（yx图）,t-x(y)图代表的是在总压 P 一定的条件下，相平衡时汽（液）相组成与温度的关系。,在总压一定的条件下，将组成为 xf 的溶液加热至该溶液的泡点 tA，产生第一个气泡的组成为 yA。,继续加热

8、，随温度升高，物系变为互成平衡的汽液两相，两相温度相同组成分别为 yA 和 xA。,t/C,x(y),0,1.0,露点线,泡点线,露点,泡点,xA,yA,xf,气相区,液相区,两相区,当温度达到该溶液的露点，溶液全部汽化成为组成为 yA=xf 的气相，最后一滴液相的组成为 xA。,1）温度组成图（tyx图）P237,温度-组成图（tyx图）的构成,该图常用以分析蒸馏的原理两线三区。1.图中有上、下两条曲线:上曲线：平衡时汽相组成与温度的关系，称为汽相线（露点曲线）；下曲线：平衡时液相组成与温度的关系，称为液相线（泡点曲线）。2.两曲线将图分成三个区域:液相线以下代表尚未沸腾的液体，称为冷液区；

9、汽相线以上代表过热蒸汽区；被两曲线包围部分表示汽液共存，称为汽液共存区。,注意(记住),（1）气、液两相成平衡状态时，气、液两相的温度相同，但气相y组成大于液相组成x。（2）若气、液两相组成相同，则气相露点温度总是大于液相的泡点温度。（3）与总压有关。,苯和甲苯溶液的yx图,y-x图代表在总压一定下，液相组成和与之成平衡的汽相组成的关系。x-y 图可通过 t-x(y)图作出，图中对角线(y=x)为一参考线。大多数溶液，两相平衡时，y 总是大于 x，平衡线位于对角线上方。平衡线偏离对角线越远，该溶液越易分离。恒沸点时，x-y 线与对角线相交，该点处汽液相组成相等。,2）汽液相平衡图（yx图）,二

10、、双组分非理想物系的气液平衡,化工生产中遇到的物系大多为非理想物系。其表现是溶液中各组分的平衡分压与拉乌尔定律发生偏差，分别称为：1、正偏差溶液(1)无恒沸点的溶液(甲醇-水溶液)(2)具有最低沸点的恒沸液(乙醇-水溶液)2、负偏差溶液(1)无恒沸点的溶液(氯仿-苯溶液)(2)具有最高沸点的恒沸液(氯仿-丙酮,硝酸-水等)。,1、正偏差溶液,常压下乙醇水的tyx图,*M点溶液的相对挥发度为1*M点的溶液称恒沸液，此时的温度叫恒沸点，其组成叫恒沸组成*上图的乙醇-水系统的恒沸点为78.15C，恒沸组成为0.894*由于M点的温度比任何组成下的溶液泡点都低，故把这种溶液叫做具有最低恒沸点的溶液,常

11、压下乙醇水的yx图,2、负偏差溶液,常压下硝酸水的tyx图,*该图的硝酸-水系统的恒沸点为121.9C，恒沸组成为0.383*由于N点的温度比任何组成下的溶液泡点都高，故把这种溶液叫做具有最高恒沸点的溶液*上面的相图是在恒压下的相图，当压强发生改变时，恒沸点、恒沸组成也会随之而变。,常压下硝酸水的yx图,注意,（1）同一溶液的恒沸组成随压力改变，在常压下不能用普通精馏方法分离恒沸液。（2）非理想溶液不一定都具有恒沸点。,第二节 蒸馏与精馏原理,一、简单蒸馏与平衡蒸馏（）简单蒸馏（二）平衡蒸馏 二、精馏原理（）蒸馏与精馏原理分析（二）精馏塔的操作情况（三）回流的作用,（一）简单蒸馏,也叫微分蒸馏

12、，为单级蒸馏操作，多用间歇方式；简单蒸馏的流程示意如下图所示 简单蒸馏的计算主要涉及物料衡算和气液平衡关系；但简单蒸馏是一种不稳态过程，虽然其瞬间形成的蒸气与液相可以视为相互平衡，但形成的总的全部蒸汽并不与剩余的液体相平衡，计算时要采用微分方法；简单蒸馏只能使混合液部分地分离，故只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，粗略地分离多组分混合液，例如原油或煤油的初馏。,简单蒸馏的流程示意图,混合液加入蒸馏釜中，在恒定压力下加热至沸腾，使液体不断汽化，产生的蒸汽经冷凝后作为顶部产物。馏出液通常是按不同组成范围分罐收集的。最终将釜液一次排出。,（二）平衡蒸馏,也叫闪蒸，为单级蒸馏操

13、作；有间歇、连续两种操作方式，但多用连续方式；平衡蒸馏的流程示意如下图所示 平衡蒸馏的计算主要涉及物料平衡、热量平衡和气液平衡关系。平衡蒸馏为稳定连续过程，生产能力大，不能得到高纯产物，常用于只需粗略分离的物料，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。,平衡蒸馏的流程示意图,原料连续进入加热器中，加热至一定温度经节流阀骤然减压到规定压力，部分料液迅速汽化，汽液两相在分离器中分开，得到易挥发组分浓度较高的顶部产品与易挥发组分浓度甚低的底部产品。蒸汽与残液处于恒定温度与压力下，故气液两相成平衡状态。,简单蒸馏和平衡蒸馏异同点,共同：料液经一次汽化冷凝，只能使液体混合物得到初步分

14、离不同：1、简单蒸馏是间歇不稳定操作 2、平衡蒸馏是连续稳定操作 3、若汽化率相同，简单蒸馏较平衡蒸馏可获得更好的分离效果，即流出液组成更高。,（一）蒸馏及精馏原理分析,由以上分析可知，简单蒸馏，即将液体混合物进行一次部分气化(单级)的过程，只能起到部分分离的作用，只适用于要求粗分或初步加工的场合。而要使混合物中的组分得到高纯度（几乎完全）的分离，只有进行精馏。精馏：将由挥发度不同的组分所组成的混合液，在精馏塔中同时多次进行部分气化和部分冷凝，使其分离成几乎纯态组分的过程。精馏是多级分离过程，因此可使混合液达到几乎完全的分离。不管何种操作，混合液中组分间挥发度的差异是蒸馏分离的前提和依据。缺点

15、：所需设备庞大繁多，能量消耗大。改善方法：将中间产物再引回到分离过程中。,连续精馏装置（P268）,精馏流程,典型的连续精馏流程如右图所示.预热到一定温度的原料液送入精馏塔的进料板,在每层塔板上,回流液体与上升蒸气互相接触,进行热和质的传递.塔顶冷凝器的作用:获得塔顶产品及保证有适宜的液相回流;塔底再沸器的作用:提供一定量的上升蒸气流.精馏段:加料板以上的塔段,上升汽相中重组分向液相传递，液相中轻组分向汽相传递，完成上升蒸气轻组分精制。提馏段:加料板及其以下的塔段,下降液体中轻组分向汽相传递，汽相中重组分向液相传递，完成下降液体重组分提浓。,对于间歇精馏:原料液一次加入塔底,只有精馏段.,（二

16、）精馏塔的操作情况塔板上气液两相的传热与传质,进入第n层板的气相浓度和温度分别为yn+1和tn+1，液相的浓度和温度分别为xn-1和tn-1，二者互不平衡,yn+1tn-1(存在温度差和浓度差)-引起传质和传热.其结果:1)气相部分冷凝,使其中难挥发组分转入到液相中；2)气相冷凝放出潜热传给液相,使其部分气化,其中的部分易挥发组分转入到气相,结果:xnyn+1。,上图所示的为精馏板式塔中任意第n层板上的操作情况.,第n层塔板在txy图上的表示,如果气液相在板上接触时间足够长，进行传质,传热后,两相组成均匀且离开塔板的气液两相呈相平衡关系，这种达到平衡的塔板叫理论板。显然,在相同条件下,理论板具有最大的分离能力,是塔分离的极限。实际塔板的分离程度小于理论板，但理论板可以做为衡量实际板分离程度的最高标准。实际板数要比理论板数多。,（三）回流的作用,精馏过程需要气液两相逐板接触，气相进行多次部分冷凝，液相进行多次部分汽化，使混合物中两组分在气液两相间进行传热与传质，以达到两组分的分离。因此，需要塔顶液体回流和塔底蒸馏釜的上升蒸气，它们分别为塔板上气液两相进行部分汽化和部分冷凝提供所需要的冷量