第六章-蒸馏.ppt

n概述概述n双组分溶液的气液平衡双组分溶液的气液平衡n蒸馏及精馏原理蒸馏及精馏原理n双组分连续精馏塔的计算双组分连续精馏塔的计算n间歇精馏间歇精馏n恒沸精馏与萃取精馏恒沸精馏与萃取精馏n板式塔板式塔 第六章第六章 蒸馏蒸馏 DistillationDistillation1 1 蒸馏的应用蒸馏的应用 液体产品的精制液体产品的精制汽油汽油煤油煤油柴油柴油其其他他油品油品石油石油苯苯甲苯甲苯二甲苯等二甲苯等煤焦油煤焦油6.1 概述概述例如：例如：在酿酒业中饮料酒；在酿酒业中饮料酒；在在石石油油炼炼制制工工业业中中，原原油油经经蒸蒸馏馏后后制制取取汽汽油油、煤煤油油、柴油等产品；、柴油等产品；目的目的：对液体混合物的分离，提取或回收有用组分：对液体混合物的分离，提取或回收有用组分。依据依据：液体混合物中液体混合物中各组分挥发性各组分挥发性的差异的差异。2 2 蒸馏分离的目的和依据蒸馏分离的目的和依据 1 1、按操作方法分：、按操作方法分：2 2、按蒸馏方法分：、按蒸馏方法分：简单蒸馏（分离要求不高）简单蒸馏（分离要求不高）平衡蒸馏（闪蒸）平衡蒸馏（闪蒸）精馏精馏特殊精馏特殊精馏 3、按组分数分：、按组分数分：双组分蒸馏双组分蒸馏多组分蒸馏多组分蒸馏复杂系蒸馏复杂系蒸馏4、按操作压力分：、按操作压力分：常压常压减压（热敏性物料）减压（热敏性物料）加压加压连续蒸馏连续蒸馏间歇蒸馏间歇蒸馏本章主要讨论常本章主要讨论常压下双组分连续压下双组分连续精馏精馏主目录主目录3 3 蒸蒸馏过程的馏过程的分类分类6.2 双组分溶液的气液平衡双组分溶液的气液平衡n一、溶液的蒸汽压及拉乌尔定律一、溶液的蒸汽压及拉乌尔定律n二、理想溶液汽液相平衡二、理想溶液汽液相平衡n三、非理想溶液汽液相平衡三、非理想溶液汽液相平衡主目录主目录一、溶液的蒸气压及拉乌尔定律一、溶液的蒸气压及拉乌尔定律1 1、汽液平衡及饱和蒸气压、汽液平衡及饱和蒸气压平衡状态：平衡状态：一定压力作用下，一定量混合液体经过加热，一定压力作用下，一定量混合液体经过加热，液相中的挥发性组分向汽相中转移，长期充分汽化液相中的挥发性组分向汽相中转移，长期充分汽化后，汽相中挥发性组分的分压不再增加。此时，汽后，汽相中挥发性组分的分压不再增加。此时，汽液两相达到平衡，亦称为液两相达到平衡，亦称为饱和状态饱和状态。平衡浓度：平衡浓度：平衡时挥发性组分在液相中的摩尔分数。平衡时挥发性组分在液相中的摩尔分数。饱和分压：饱和分压：饱和蒸汽压饱和蒸汽压表示液体的挥发能力。表示液体的挥发能力。2 2、安托因方程、安托因方程纯组分溶液纯组分溶液p0纯组分液体的饱和蒸汽压，纯组分液体的饱和蒸汽压，kpa；t温度，温度，；A A、B B、C C安托因常数。查手册可得。安托因常数。查手册可得。式中：式中：理想溶液：理想溶液：稀溶液和由性质近似的物质所构成稀溶液和由性质近似的物质所构成的溶液。（苯甲苯、甲醇乙醇）的溶液。（苯甲苯、甲醇乙醇）3 3、拉乌尔定律拉乌尔定律理想溶液理想溶液二组分混合液：二组分混合液：由于由于B B组分的存在，使组分的存在，使A A组分在组分在汽相中的蒸汽分压比其在纯态汽相中的蒸汽分压比其在纯态下的饱和蒸汽压要小。下的饱和蒸汽压要小。此时的此时的A A组分蒸汽分压如何变化组分蒸汽分压如何变化？符合拉乌尔定律符合拉乌尔定律 pA,pB 溶液上方溶液上方A、B组分的分压，组分的分压，Pa；pA0,pB0 溶液温度下纯溶液温度下纯组分的饱和蒸汽压，组分的饱和蒸汽压，Pa；xA,xB 液相中液相中A、B组分的摩尔分率。组分的摩尔分率。对于对于B B组分：组分：拉乌尔定律：拉乌尔定律：对于理想溶液，在一定温度下对于理想溶液，在一定温度下汽液两相达到平衡时，溶剂汽液两相达到平衡时，溶剂A A在汽相中的蒸在汽相中的蒸汽分压汽分压p pA A与其在液相中的组成与其在液相中的组成x xA A有下列关系有下列关系例例1 1正庚烷和正辛烷在正庚烷和正辛烷在110110时的饱和蒸气时的饱和蒸气压分别为压分别为140kPa140kPa和和64.5kPa64.5kPa。试计算混合液由正。试计算混合液由正庚烷庚烷0.40.4和正辛烷和正辛烷0.60.6（均为摩尔分数）组成时，（均为摩尔分数）组成时，在在110110下各组分的平衡分压、系统总压及平衡下各组分的平衡分压、系统总压及平衡蒸气组成。（此溶液为理想溶液）蒸气组成。（此溶液为理想溶液）解：解：409.0591.01y1y7.94PAB=-=-=591.056PyAA=7.947.3856PPPBA=+=+=kPa7.386.05.64xPPBOBB=.=kPa564.0140 xPPAOAA=.=kPa（一）理想溶液（一）理想溶液t-y-xt-y-x关系式关系式泡点方程泡点方程1 1、液相组成、液相组成 x x 与温度（泡点）的关系与温度（泡点）的关系二、理想溶液汽液相平衡二、理想溶液汽液相平衡2 2、气液两相平衡组成间的关系：、气液两相平衡组成间的关系：3 3、气相组成、气相组成y yA A与温度（露点）的关系与温度（露点）的关系露点方程露点方程n例例2：在：在101kPa的压力下，苯和甲苯混合液的压力下，苯和甲苯混合液在在96沸腾，求该温度下汽液平衡组成。沸腾，求该温度下汽液平衡组成。n96 时，苯和甲苯的饱和蒸汽压分别为：时，苯和甲苯的饱和蒸汽压分别为：161kPa和和65.6kPa。解：平衡时苯的液相组成解：平衡时苯的液相组成平衡时苯的液相组成平衡时苯的液相组成平衡时甲苯的液相气相组成平衡时甲苯的液相气相组成x xB B1 1x xA A0.5650.565y yB B1 1y yA A0.3450.345苯和甲苯的气液平衡数据苯和甲苯的气液平衡数据温度温度饱和蒸汽压饱和蒸汽压kPakPa苯在苯在101 101 kPakPa的摩尔分数的摩尔分数苯苯甲苯甲苯x x苯苯y y苯苯80.280.2101.3101.340.040.01.0001.0001.0001.00088.088.0127.7127.750.650.60.6390.6390.8200.82096.096.0160.7160.765.765.70.3760.3760.5960.596104.0104.0199.4199.483.383.30.1550.1550.3040.304110.4110.4233.0233.0101.3101.30.0000.0000.0000.000（二）（二）组成组成 温度图温度图（t t x x y y图图)两两条线：气相线（露点线）条线：气相线（露点线）y yA A t t 关系曲线关系曲线 液相线（泡点线）液相线（泡点线）x xA A t t 关系曲线关系曲线三个三个区域：液相区区域：液相区 气、液共存区气、液共存区 气相区气相区x，y绘理想物系的绘理想物系的t-x（y）相图：）相图：杠杆原理：杠杆原理：力力 力臂力臂=常数常数即：液相量即：液相量 L1=汽相量汽相量 L2量量浓度差浓度差露点线一定在泡点线上方。露点线一定在泡点线上方。Why?主目录主目录 次目录次目录2 2、气液相平衡图（气液相平衡图（y yx x图）图）equilibrium diagramequilibrium diagram txy 图图 t1t2x1x2y1y2y1y2x1x2图图6-4汽液相平衡图汽液相平衡图(y x 图图)主目录主目录 次目录次目录三、三、挥发度与挥发度与相对挥发度相对挥发度1.1.挥发度挥发度v v纯组分液体纯组分液体用饱和蒸汽压表示挥发能力。用饱和蒸汽压表示挥发能力。理想溶液理想溶液中各组分挥发能力不受其他组分中各组分挥发能力不受其他组分的影响时的影响时意义：是该物质意义：是该物质挥发难易程度挥发难易程度的标志的标志。2.2.相对挥发度相对挥发度(以以表示表示)定义：溶液中两组分挥发度之比定义：溶液中两组分挥发度之比。是温度的函数。一般是温度的函数。一般A为易挥发组分，故为易挥发组分，故1。讨论讨论：即即 汽液汽液相平衡方程相平衡方程则则3.3.理想溶液的汽液相平衡方程式理想溶液的汽液相平衡方程式由泡点方程和露点方程得：由泡点方程和露点方程得：4 4.的物理意义的物理意义 气相中两组分组成之比是液相中两组分组成之气相中两组分组成之比是液相中两组分组成之 比的倍数；比的倍数；标志着分离的难易程度标志着分离的难易程度；若若1,则则 yx,可用蒸馏方法分离，且可用蒸馏方法分离，且愈大，愈大，平衡线愈远离对角线，物系愈易分离；平衡线愈远离对角线，物系愈易分离；=1,无法用普通蒸馏方法分离。无法用普通蒸馏方法分离。5.5.平均相对挥发度平均相对挥发度式中式中顶顶塔顶的相对挥发度塔顶的相对挥发度釜釜塔釜的相对挥发度塔釜的相对挥发度四、非理想溶液四、非理想溶液1.1.具有正偏差的溶液具有正偏差的溶液 一般正偏差一般正偏差：p pA A p pA A理理，p pB B p pB B理理，介于，介于p pA Ao o、p pB Bo o 之间。之间。正偏差溶液：正偏差溶液：x=0.894x=0.894，最低恒沸点，最低恒沸点，78.1578.15乙醇水溶液相图乙醇水溶液相图硝酸水溶液相图硝酸水溶液相图负偏差溶液：负偏差溶液：x x=0.383=0.383，最高恒沸点，最高恒沸点，121.9121.92.2.具有负偏差的溶液具有负偏差的溶液一般负偏差一般负偏差 p pA A p pA A理理，p pB B t0y V tx L tB At xyt-yt-xBT0t0Ay0 x0分离场所分离场所因为因为T0 t0，饱和汽相，饱和汽相传热给饱和液相，使传热给饱和液相，使A、B汽化，同时自身冷凝。汽化，同时自身冷凝。使使不平衡不平衡的汽液两相（汽相温度的汽液两相（汽相温度高、液相温度低）接触高、液相温度低）接触经过经过足够长时间足够长时间充分接触，充分接触，这个过程称为平衡级。这个过程称为平衡级。6.4 精馏精馏 Rectification主目录主目录 次目录次目录 可见，经过一个平衡级后，易挥发组分可见，经过一个平衡级后，易挥发组分A从液相转移到从液相转移到了汽相，同时难挥发组分了汽相，同时难挥发组分B从汽相转移到了液相。即汽相从汽相转移到了液相。即汽相浓度得到提浓，而液相浓度得到减浓。而整个过程浓度得到提浓，而液相浓度得到减浓。而整个过程并不需并不需要外部提供能量要外部提供能量。x0 t0 L饱和液相饱和液相y0 T0 V要求要求T0 t0y V tx L tB At xyt-yt-xBT0t0Ay0 x0分离场所分离场所主目录主目录 次目录次目录进料进料釜液釜液馏出液馏出液精精馏馏段段提提馏馏段段冷凝器冷凝器再沸器再沸器 精精馏馏是是利利用用回回流流手手段段、经经过过多多次次平平衡衡级级(部部 分分 汽汽 化化、部部分分冷冷凝凝)，使使物物系系实实现现高高纯纯度度分分离离的的操操作。作。2精馏原理及流程精馏原理及流程 平衡级平衡级平衡级平衡级平衡级平衡级汽相汽相汽相汽相液相液相液相液相高纯度高纯度A高纯度高纯度B3.3.塔板的作用塔板的作用 塔板提供了塔板提供了汽液分离的场所；汽液分离的场所；每一块塔板是一个每一块塔板是一个混合分离器；混合分离器；足够多的板数足够多的板数可使各组分可使各组分较完全分离。较完全分离。特点：特点：回流的作用：回流的作用：提供不平衡的气液两相，是构成气液两提供不平衡的气液两相，是构成气液两相传质的必要条件。相传质的必要条件。精馏的主要特点就是有回流精馏的主要特点就是有回流。4.4.精馏过程的回流精馏过程的回流 回流包括：回流包括：塔顶回流液塔顶回流液塔底回流汽塔底回流汽u精馏操作时为什么必须有塔顶液相回流？精馏操作时为什么必须有塔顶液相回流？u答答：因为塔顶回流不断地补充塔板上的易挥发：因为塔顶回流不断地补充塔板上的易挥发组分，使塔板上的汽液组成互为平衡，维持精组分，使塔板上的汽液组成互为平衡，维持精馏操作连续稳定进行；另外回流液又是汽相中馏操作连续稳定进行；另外回流液又是汽相中蒸汽进行部分冷凝的冷却剂，所以精馏操作必蒸汽进行部分冷凝的冷却剂，所以精馏操作必须有回流。须有回流。u发散发散：u精馏操作时为什么必须有塔底汽相回流精馏操作时为什么必须有塔底汽相回流？主目录主目录 次目录次目录6.5 双组分连续精馏塔的计算双组分连续精馏塔的计算n一、一、理论板的概念及恒摩尔假定理论板的概念及恒摩尔假定n二、二、全塔物料衡算全塔物料衡算n三、进料热状态三、进料热状态n四、操作线方程与四、操作线方程与q线方程线方程n五、全凝器与再沸器物料衡算五、全凝器与再沸器物料衡算n六、理论板数的计算六、理论板数的计算n七、回流比的影响与选择七、回流比的影响与选择n八、理论板的简捷计算八、理论板的简捷计算n九、精馏塔的热量衡算九、精馏塔的热量衡算主目录主目录一、一、理论板的概念及恒摩尔流假设理论板的概念及恒摩尔流假设(一一)理论板的概念理论板的概念理论板：离开塔板的理论板：离开塔板的蒸气和液体组成蒸气和液体组成呈平呈平衡的塔板衡的塔板。图图6-20 理论板上气液组成示意图理论板上气液组成示意图主目录主目录 次目录次目录恒摩尔汽化恒摩尔汽化：每层每层塔板上升的蒸汽的摩尔流量相等。塔板上升的蒸汽的摩尔流量相等。精馏段精馏段:L1=L2=L3=Ln=L=定值定值提提馏馏段段:L1=L2=L3=Lm=L=定值定值但但L与与L不一定相等不一定相等.精馏段精馏段:V1=V2=V3=Vn=V=定值定值提提馏馏段段:V1=V2=V3=Vm=V=定值定值但但V与与V不一定相等不一定相等.恒摩尔溢流恒摩尔溢流：每层每层塔板溢流的液体的摩尔流量相等。塔板溢流的液体的摩尔流量相等。两段不一定相等，主要是与进料热状态有关两段不一定相等，主要是与进料热状态有关。(二二)恒摩尔流假设恒摩尔流假设主目录主目录 次目录次目录塔顶采出率塔顶采出率塔底塔底采出率采出率F,xFD,xDW,xW二、全塔物料衡算二、全塔物料衡算F、D、Wkmol/hxF、xD、xW摩尔分率摩尔分率塔顶易挥发组分回收率塔顶易挥发组分回收率塔底难挥发组分回收率塔底难挥发组分回收率n例例3 3、在一连续操作的精馏塔中，某混合液流、在一连续操作的精馏塔中，某混合液流量为量为5000kg/h5000kg/h，其中轻组分含量为，其中轻组分含量为0.30.3（摩尔（摩尔分数，下同），要求馏出液轻组分回收率为分数，下同），要求馏出液轻组分回收率为0.880.88，釜液中轻组分含量不高于，釜液中轻组分含量不高于0.050.05，试求塔，试求塔顶馏出液的摩尔流量和摩尔分数。已知顶馏出液的摩尔流量和摩尔分数。已知M MA A=114kg/kmol,=114kg/kmol,M MB B=128kg/kmol=128kg/kmol。解：进料混合物的平均摩尔质量：解：进料混合物的平均摩尔质量：进料混合液的摩尔流量：进料混合液的摩尔流量：物料衡算：物料衡算：则：则：联立求解得：联立求解得：W=W=29.1 29.1 kmol/hkmol/h D=11.31 D=11.31 kmol/hkmol/h塔顶馏出液摩尔分数：塔顶馏出液摩尔分数：1、精馏段操作线方程、精馏段操作线方程令令 回流比回流比 精馏段操作线方程精馏段操作线方程三、操作线方程（两层塔板间，三、操作线方程（两层塔板间，yn+1与与xn的关系）的关系）精馏段操作线精馏段操作线:当当R,D,R,D,x xD D为一定值为一定值时时,该操作线为一直线该操作线为一直线.斜率斜率:截距截距:y yx xx xD D操作线为过点（操作线为过点（x xD D，x xD D ）画操作线画操作线-二点法二点法2、提馏段操作线方程、提馏段操作线方程提馏段操作线方程提馏段操作线方程令令 汽相回流比汽相回流比 xW 意义：提馏段操作线为一条直线意义：提馏段操作线为一条直线 提馏段操作线为提馏段操作线为 过点（过点（xW，xW）斜率：斜率：截距截距:yxxDxFabq例例4 4、在一连续精馏塔中分离苯氯仿混合液，在一连续精馏塔中分离苯氯仿混合液，要求馏出液中轻组分含量为要求馏出液中轻组分含量为0.960.96（摩尔分数，（摩尔分数，下同）的苯。进料量为下同）的苯。进料量为75kmol/h75kmol/h，进料中苯，进料中苯含量为含量为0.450.45，残液中苯含量为，残液中苯含量为0.10.1，回流比，回流比为为3.03.0，泡点进料。试求：（，泡点进料。试求：（1 1）从冷凝器回）从冷凝器回流至塔顶的回流液量和自塔釜上升的蒸气摩流至塔顶的回流液量和自塔釜上升的蒸气摩尔流量；（尔流量；（2 2）写出精馏段、提馏段操作线）写出精馏段、提馏段操作线方程。方程。四、四、进料热状况进料热状况q q的影响的影响(1)(1)冷液冷液 t tF F t tb b (2)(2)饱和液体（泡点进料）饱和液体（泡点进料）t tF Ft tb b (3)(3)汽液混合汽液混合 t tb b t tF F t td d 进料状态进料状态q q单位进料流量所引起的提熘段与精熘段下降液体单位进料流量所引起的提熘段与精熘段下降液体流量之差，或进料流量中液相的含量。流量之差，或进料流量中液相的含量。液相液相汽相汽相（1 1）饱和液体（泡点进料）进料液相量为）饱和液体（泡点进料）进料液相量为F F，有，有（2 2）饱和蒸汽（露点进料）进料汽相量为）饱和蒸汽（露点进料）进料汽相量为F F，有，有各种进料热状况下的各种进料热状况下的q值值（4 4）冷液，）冷液，t tF F t td d 过热蒸汽过热蒸汽先被冷却到先被冷却到t td d，同时下降液体部分汽化，汽化量同时下降液体部分汽化，汽化量（3 3）汽液混合进料）汽液混合进料 液相量为液相量为L LF F，汽相量为汽相量为V VF F，有有进料方程进料方程(q线方程）线方程）-q线方程线方程特征点特征点f(xf,xf)xWyxxDxFL与与L(1)冷液冷液 q1(2)饱和液体饱和液体 q1(3)气液混合气液混合 0q1(4)饱和蒸汽饱和蒸汽 q0(5)过热蒸汽过热蒸汽 q1VVLL泡点q=1V=VL=L+F汽液混合物0q1VL露点q=0V=V-FL=L过热蒸汽q0VVLL主目录主目录三、四个回收程度三、四个回收程度n1.塔顶轻组分回收率：n2.塔底重组分回收率：n3.塔顶馏出液采出率：n4.塔底釜残液采出率：主目录主目录四、设计计算四、设计计算n1.理论板层数的计算n2.塔高的计算：n3.塔径的计算：方法特点假设逐板计算法精确符合恒摩尔流假定梯级图解法简明简捷法(Gilliand图)估算用主目录主目录