化工原理第一节-精馏1.概述、相平衡(课堂PPT).ppt

第第6 6章章蒸蒸 馏馏 Distillation21 蒸馏概述蒸馏概述 2223一一.目的与依据：目的与依据：1.目的目的:分离均相（互溶）液体混合物分离均相（互溶）液体混合物(酒精、油品）酒精、油品）。工业上。工业上90-95%的分离过程（产品提纯）的分离过程（产品提纯）由精馏完成。由精馏完成。通过液相混合物通过液相混合物部分部分气化气化所生成的气相组所生成的气相组成与液相组成有差别，成与液相组成有差别，即：即：2.依据依据:各组分各组分挥发性挥发性的差异的差异易挥发组分：易挥发组分：轻组分轻组分难挥发组分：难挥发组分：重组分重组分24概念概念:二二.分类：分类：分类依据分类依据 分类情况分类情况 组分数组分数 双组分蒸馏双组分蒸馏与多组分蒸馏与多组分蒸馏 操作方式操作方式 间歇蒸馏与间歇蒸馏与连续蒸馏连续蒸馏 分离方式分离方式简单蒸馏、平衡蒸馏、精馏简单蒸馏、平衡蒸馏、精馏操作压强操作压强 常压蒸馏常压蒸馏、加压和减压蒸馏、加压和减压蒸馏 251.简单蒸馏简单蒸馏 Differential Distillation26加热加热冷凝冷凝温度越来越高温度越来越高易挥发组分越来越少易挥发组分越来越少2.平衡蒸馏（闪蒸）平衡蒸馏（闪蒸）Equilibrium(Flash)Distillation27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：节流阀关键部件：节流阀3.精馏精馏 Rectification28加热器加热器冷凝器冷凝器4.特殊精馏特殊精馏 恒沸精恒沸精馏馏 Azetropic-Distillation 萃取精萃取精馏馏 Extrative-Distillation分子蒸分子蒸馏馏催化精催化精馏馏反反应应精精馏馏29现代科技进展之一：分子水平上的分离现代科技进展之一：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：反应与精馏之耦合现代科技进展之三：反应与精馏之耦合1.流程流程简单简单，无溶，无溶剂剂加入，可直接加入，可直接获获得得产产品；品；2.分离程度高，分离程度高，应应用广泛；用广泛；3.发发生相生相变变（须须造成两相），故能耗大。造成两相），故能耗大。三三.特特 点点精精馏馏塔塔设计设计容量范容量范围围比其它比其它过过程程设备设备大得多大得多单单塔直径：塔直径：0.310米，高度：米，高度：375米米210四四.蒸馏费用和操作压强蒸馏费用和操作压强1.操作费用：操作费用：汽化：汽化：需提供需提供热热量量 冷凝：冷凝：需提供冷量需提供冷量 操作操作费费用用为为加加热费热费、冷却、冷却费费、料液、料液输输送送费费用用之和。之和。2.操作压强操作压强P的选择：的选择：经济核算确定经济核算确定(1)加压蒸馏：加压蒸馏：P，T c（冷凝点）（冷凝点），免用昂，免用昂贵贵冷冷冻剂冻剂，但，但T h；（主要考虑的是易挥发产品端的降耗）（主要考虑的是易挥发产品端的降耗）(2)减压蒸馏：减压蒸馏：P，T h（沸点）（沸点），免用高温，免用高温载热载热体，但体，但T c。（主要考虑的是难挥发端的节能）（主要考虑的是难挥发端的节能）211 第第1 1节节 双组分溶液双组分溶液 汽液相平衡汽液相平衡212一一.理想物系汽液相平衡（两组分）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相律：求气液平衡时物系的自由度 F N（组分）（组分）（相数）（相数）2 2222参数：参数：P、t、y A、x A，物系中只有，物系中只有2个自由度；如果再固定个自由度；如果再固定P一定一定 F=1，x（y）t 或或 y x 一一对应一一对应讨论气液平衡的工程目的：讨论气液平衡的工程目的：即找出一定压力下的即找出一定压力下的 ty（x）和和 yx 关系关系2132.理想物系（虽实际不存在，但处理简单）理想物系（虽实际不存在，但处理简单）理想溶液理想溶液，服从拉乌尔定律，服从拉乌尔定律 两个含义两个含义 理想气体理想气体，服从道尔顿分压定律，服从道尔顿分压定律 或理想气体定律或理想气体定律 则：则：P=p o A x A+p o B x B严格地讲，理想溶液不存在。严格地讲，理想溶液不存在。物性和结构、分子物性和结构、分子大小基本相似的大小基本相似的物系物系近似看成理想近似看成理想的。（甲醇的。（甲醇/乙乙醇、苯醇、苯/甲苯等）甲苯等）2143.双组分物系汽液平衡方程双组分物系汽液平衡方程（1 1）用饱和蒸汽压法表示的气液平衡：）用饱和蒸汽压法表示的气液平衡：泡点方程（泡点方程（x xt t关系关系泡点针对的是液体的蒸发泡点针对的是液体的蒸发）215组分的饱和蒸汽压实际上是温度的函数组分的饱和蒸汽压实际上是温度的函数Antoine 方程方程(附录附录10-P.335)（2）用相平衡常数用相平衡常数K表示的气液平衡表示的气液平衡（类似（类似吸收章节）：吸收章节）：露点方程（露点方程（y yt t关系关系露点针对的是气体冷凝露点针对的是气体冷凝）：）：216t,p,x,y的相关计算的相关计算 P238 表格（表格（例子例子6-1；6-2）：）：挥发度挥发度（3）用相对挥发度表示相平衡关系）用相对挥发度表示相平衡关系（重点）：（重点）：以各组分的（气相）平衡分压与其液相摩尔分率以各组分的（气相）平衡分压与其液相摩尔分率比值表示，即比值表示，即理想溶液，应用理想溶液，应用拉乌尔定律：拉乌尔定律：表明理想溶液中表明理想溶液中各组分的挥发性不因混合而发生各组分的挥发性不因混合而发生变化变化。poA是温度的函数是温度的函数，随随T而变化，使用而变化，使用起来并不方便。起来并不方便。217 相对挥发度相对挥发度 Relative Volatility定义定义 理想液理想液:=p A/p B则：则：对双组分物系：对双组分物系：l相平衡方程相平衡方程218约定：约定：x,y 都以轻组分的摩尔分率来表示都以轻组分的摩尔分率来表示 讨论讨论a.对对理想溶液理想溶液 l但在但在x=0 1的范围内变化不大的范围内变化不大 l在操作的浓度（温度在操作的浓度（温度)范围内，范围内，m取平均值取平均值 作为常数作为常数 -算术算术 -几何几何l要求：要求：l 1（塔顶）和塔顶）和 2（塔底）相差塔底）相差 1时时*只有只有 1时，才可用普通蒸馏方式分离时，才可用普通蒸馏方式分离l 大小是大小是混合液分离难易程度的标志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）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，挥发性差异愈大大于液相中的程度愈大，挥发性差异愈大则愈有利于分离则愈有利于分离b.相对挥发度相对挥发度 的物理意义的物理意义221（1）x（y）t 图图4.4.双组分相图（以图表示的相平衡）双组分相图（以图表示的相平衡）两线两线气相线气相线液相线液相线三区：三区：l过热蒸气过热蒸气 Superheat Vapourl过冷液体过冷液体 Overcooled Liquidl气液共存区气液共存区222互为平衡的气液两相互为平衡的气液两相分分 析析混合液体加热过程混合液体加热过程在在t x yt x y相图上表达相图上表达泡点（沸点）：泡点（沸点）：Boiling Point 泡点线：泡点线：Boiling Curve 223对应液体的每一个组成，都有与之对应的泡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点。所有这些泡点形成的蓝色线叫泡点线混合蒸汽冷凝混合蒸汽冷凝过程过程在在t x yt x y相图上表相图上表达达露点露点：Dew point露点线露点线：Dew point curve 224注注 意意混合混合液体的泡点、液体的泡点、露点随组成而变，露点随组成而变，不是定值不是定值在两个纯组分沸点在两个纯组分沸点（露点）之间（露点）之间 泡点是混合液体的性质泡点是混合液体的性质 露点是混合气体的性质露点是混合气体的性质225（2）yx 图图 y x 曲线可由曲线可由t x y 相图直接相图直接作出。作出。注意：注意：y xy x线上各点的温度是不同的线上各点的温度是不同的辅助线辅助线对角线对角线y=x供查图时使用供查图时使用y x相平衡线位于对相平衡线位于对角线的上方角线的上方,为什么（相对为什么（相对挥发度？挥发度？226(3)总压力对总压力对txA（yA）图及）图及xy图的影响图的影响压力增加，平衡线靠近对角线，分离难度大压力增加，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，分离比较容易压力减小，平衡线远离对角线，分离比较容易P1P2272024/6/17 周一二二.非理想物系的汽液相平衡：非理想物系的汽液相平衡：1.非理想物系：非理想物系：如：如：液相为非理想溶液液相为非理想溶液，气相为理想气体气相为理想气体;液相和气相都是非理想的（复杂）a AB（吸引力）（吸引力）p A o x Ap A、p B比拉乌尔定律比拉乌尔定律预计的要高预计的要高 溶液的非理想性溶液的非理想性原因原因:不同分子间的吸引力不同分子间的吸引力a AB与相同分与相同分子间的吸引力子间的吸引力a AA或或 a BB有很大偏差有很大偏差228（1 1）正偏差溶液）正偏差溶液:（实际的相平衡线总是位于理想线上方（实际的相平衡线总是位于理想线上方）回忆：回忆：理想物系（理想物系（pAxA;pBxB/xA呈线性关呈线性关系）系）理想溶液理想溶液，服从拉乌尔定律，服从拉乌尔定律 两个含义两个含义 理想气体理想气体，服从道尔顿分压定律，服从道尔顿分压定律 p o A x A 或或p o A x A理想气体定律理想气体定律 则：则：P=p o A x A+p o B x B严格地讲，理想溶液不存在。严格地讲，理想溶液不存在。物性和结构、分子物性和结构、分子大小基本相似的大小基本相似的物系物系近似看成理想近似看成理想的。（甲醇的。（甲醇/乙乙醇、苯醇、苯/甲苯等）甲苯等）2024/6/17 周一29292024/6/17 周一非理想物系：在非理想物系：在t-x-y图上具有最低沸点图上具有最低沸点M点为恒沸点点为恒沸点（y=x,气相线与液相线相交）气相线与液相线相交）恒沸物恒沸物 azeotrope，恒沸组成，恒沸组成（对应于恒沸（对应于恒沸点）点）230非理想物系：非理想物系：在在y-x图上平衡线与对角线相图上平衡线与对角线相交交此处气液两相组成此处气液两相组成 相等，相等，y=x，=1不能采用一般的蒸不能采用一般的蒸 馏方法加以分离（工馏方法加以分离（工业酒精业酒精85%）可采用特殊可采用特殊蒸馏法蒸馏法231 p Ax 较低，较低，tx 较高较高（2 2）负偏差溶液）负偏差溶液最高恒最高恒沸点沸点232（实际的相平衡线总是位于理想线下方（实际的相平衡线总是位于理想线下方）233注注 意意l不是所有的非理想溶液都有恒沸点不是所有的非理想溶液都有恒沸点l只有与理想溶液偏差很大的溶液才有只有与理想溶液偏差很大的溶液才有恒沸点恒沸点l当总压改变时，相图变化，恒沸组成当总压改变时，相图变化，恒沸组成也会变化也会变化l非理想溶液的非理想溶液的 值随浓度变化非常大值随浓度变化非常大2342.非理想溶相平衡关系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：拉乌尔定律应修正：p p A A=p=p A A x x A A A A，p p B B=p=p B B x x B B B B，-相平衡关系相平衡关系 235第第2 2节节 平衡蒸馏平衡蒸馏 与简单蒸馏与简单蒸馏236一一.平衡蒸馏平衡蒸馏1.蒸馏过程蒸馏过程2372.特点：连续定态操作，适于粗分。特点：连续定态操作，适于粗分。节流阀的作用：节流阀的作用：过热液体高于沸点过热液体高于沸点的显热随即变为潜的显热随即变为潜热热使部分液体使部分液体气化气化过程：闪蒸过程：闪蒸分离器：闪蒸塔分离器：闪蒸塔238l例：管例：管式蒸馏式蒸馏釜釜 pipe still 石油工业石油工业239 3.数学描述数学描述 流量（流量（kmol/s）组成（摩尔分率）组成（摩尔分率）加料液加料液 F x F 气相产品气相产品 D y 液相产品液相产品 W x（1 1）物料物料衡算衡算总物料衡算总物料衡算240两式联立（消去两式联立（消去w)，得，得 杠杆定律杠杆定律 241l设设 W(液相产品液相产品)F(原料液原料液)ql则气化率则气化率 D/F=1-q l则：则：平衡蒸馏物料衡算式平衡蒸馏物料衡算式平衡蒸馏操作线方程平衡蒸馏操作线方程242摩尔气化热摩尔气化热CP摩尔热容摩尔热容t e气液平衡温气液平衡温 度度243 4.过程计算过程计算（1）解析法）解析法l操作关系操作关系l相平衡关系相平衡关系联立求解联立求解244（2）图解法：）图解法：a.作操作线。由作操作线。由x f在对角线上定在对角线上定f点点b.找到该直线与找到该直线与平衡线交点的平衡线交点的 坐标（坐标（x，y）e，连接，连接f、e两两点即可。点即可。245