青海大学蒸馏课件第一章第1节

1、青海大学化工学院化学工程系上册回顾三传理论动量传递理论热量传递理论质量传递理论传热（加热、冷却加热、冷却）流体输送设备非均相物系的分离流体流动混合物混合物均相物系均相物系非均相物系非均相物系非均相物系的分离主要依靠分散相非均相物系的分离主要依靠分散相与连续相的相对运动原理实现分离与连续相的相对运动原理实现分离均相物系的分离条件是必须造成一均相物系的分离条件是必须造成一个两相物系，然后依据物系中不同个两相物系，然后依据物系中不同组分间某种物性的差异，使其中某组分间某种物性的差异，使其中某个组分或某些组分从一相向另一相个组分或某些组分从一相向另一相转移，以达到分离的目地转移，以达到分离的目地传质过

2、程传质过程物质的传递过程物质的传递过程空气氨水空气氨水示例：空气和氨分离吸收塔传质过程与分离（1）气液传质过程 气液传质过程是指物质在气、液两相间的转移，它主要包括气体的吸收（或脱吸）、气体的增湿（或减湿）等单元操作过程。 吸收（脱吸） 增湿（减湿） （2）汽液传质过程 汽液传质过程是指物质在汽、液两相间的转移，该汽相是由液相经过汽化而得，它主要包括蒸馏（或精馏）单元操作过程。 蒸馏（精馏） （3）液液传质过程 液液传质过程是指物质在两个不互溶的液相间的转移，它主要包括液体的萃取等单元操作过程 。 萃取 （4）液固传质过程 液固传质过程是指物质在液、固两相间的转移，它主要包括结晶（或溶解）、液

3、体吸附（或脱附）、浸取等单元操作过程。 结晶（溶解） 吸附（脱附） 浸取 （5）气固传质过程 气固传质过程是指物质在气、固两相间的转移，它主要包括气体吸附（或脱附）、固体干燥等单元操作过程。 干燥 吸附（脱附） 化工原理下册简介化工原理下册简介 蒸馏、吸收、干燥、蒸馏、吸收、干燥、萃取萃取精馏塔、吸收塔、干燥器、萃取塔等精馏塔、吸收塔、干燥器、萃取塔等基本方法：基本方法：主要内容：主要内容：物料衡算、能量衡算、物料衡算、能量衡算、平衡关系、平衡关系、过程速率过程速率相关设备：相关设备：基本方法：基本方法：主要内容：主要内容：相关设备：相关设备：基本方法：基本方法：主要内容：主要内容：传质过程传

4、质过程非均相物系的分离是传质过程吗？非均相物系的分离是传质过程吗？第一章第一章 蒸馏蒸馏概述概述 1.蒸馏原理: 利用均相液体混合物中各组分挥发度（沸点）差异，以热能为媒介使其部分汽化从而在汽相富集轻组分,液相富集重组分，从而达到分离的单元操作。 闪蒸罐塔顶产品yAxA加热器原料液 塔底产品 Q减压阀易挥发组分：沸点低的组分，又称为轻组分难挥发组分：沸点高的组分，又称为重组分1.分离物系： 液-液均相,不能用机械方法达到分离的目的2.分离方式：热分离部分汽化、部分冷凝、汽-液相间的传质注意：对于均相混合物，必造成一个两相物系才能进行分离蒸馏是通过热量的加入，将液体混合物部分汽化，利用各组分挥发

5、度不同的特性以实现分离。制酒、煤化工、石化等制酒、煤化工、石化等行业分离液体混合物。行业分离液体混合物。 【举例举例 】FDWF原料液原料液D馏出液馏出液W釜残液釜残液易挥发（轻）组分易挥发（轻）组分液相液相 气相气相难挥发（重）组分难挥发（重）组分气相气相液相液相熟熟悉悉并并掌掌握握这这些些术术语语乙醇水体系的蒸馏分离乙醇水体系的蒸馏分离乙醇水乙醇水加热加热气相气相:醇富集醇富集液相液相:水富集水富集冷凝冷凝冷却冷却乙醇乙醇产品产品废水废水 （1）通过蒸馏操作，可以直接获得所需要的组分（产）通过蒸馏操作，可以直接获得所需要的组分（产品），因此一般蒸馏操作流程较为简单。品），因此一般蒸馏操作流

6、程较为简单。（2）蒸馏分离应用较广泛，历史悠久。它不仅可分离液）蒸馏分离应用较广泛，历史悠久。它不仅可分离液体混合物，而且可分离气体混合物。体混合物，而且可分离气体混合物。（3）在蒸馏过程中，由于要产生大量的气相或液相，因）在蒸馏过程中，由于要产生大量的气相或液相，因此要消耗大量的能量。能耗的高低是决定是否能采用蒸馏此要消耗大量的能量。能耗的高低是决定是否能采用蒸馏分离的主要因素。分离的主要因素。（4）适用于各种浓度混合物的分离，而吸收、萃取组分）适用于各种浓度混合物的分离，而吸收、萃取组分组成小时较经济。组成小时较经济。2、蒸馏的分类、蒸馏的分类按蒸馏方式 简单蒸馏 平衡蒸馏 （闪蒸）精馏精

7、馏 特殊精馏 恒沸蒸馏 萃取蒸馏 水蒸汽蒸馏较易分离的物系或对分离要求不高的物系难分离的物系很难分离的物系或用普通方法难以分离的物系按操作压强 常压常压 加压 减压 一般情况下多用常压 常压下不能分离或达不到分离要求 混合物中组分 双组分多组分 按操作方式 间歇 连续连续 本章重点讨论常压下双组分连续精馏的原理和计算本章重点讨论常压下双组分连续精馏的原理和计算任务：3.初步了解精馏操作及控制过程2.掌握精馏（二元组分）的原理和理论板的求取1.掌握蒸馏（液体精馏）涉及的基础理论和概念1.掌握双组分理想溶液汽液相平衡的各种表达形式； 2.掌握进料的不同热状况及其对精馏操作的影响； 3.掌握两组分连

8、续精馏塔理论塔板数的逐板计算法和图解法； 4.掌握回流比对精馏过程的影响； 本章重点及难点内容:一、一、相律和拉乌尔定律相律和拉乌尔定律二、挥发度和相对挥发度二、挥发度和相对挥发度三、气液平衡相图三、气液平衡相图四、四、非理想溶液气液平衡非理想溶液气液平衡第一节第一节 两组分物系的气液平衡两组分物系的气液平衡 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。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。溶液的气液平衡关系是相平衡关系是蒸馏过程分析的重要基础。溶液的气液平衡关系是蒸馏过程的热力学基础，是它的依据，因此了解混合物的气液平蒸馏过程的热力学

9、基础，是它的依据，因此了解混合物的气液平衡关系是理解掌握过程的最基本条件。衡关系是理解掌握过程的最基本条件。一、相律和拉乌尔定律一、相律和拉乌尔定律1、相律、相律例：苯甲苯形成的气、液物系例：苯甲苯形成的气、液物系FC2 2222v在在t、P、x(或或 y)中任意选定中任意选定2个参数，平衡物个参数，平衡物系的状态就被唯一地确定了。系的状态就被唯一地确定了。v而通常认为蒸馏是在而通常认为蒸馏是在恒压恒压下进行的，此时系统下进行的，此时系统 的自由度数仅为的自由度数仅为1，即仅有，即仅有1个独立变量。于个独立变量。于是，气液平衡关系实际上就是：是，气液平衡关系实际上就是：一定压强下的一定压强下的

10、t-x（或（或 t-y）、）、x-y函数关系。函数关系。v当用当用曲线图曲线图表示这种函数关系时，就叫做表示这种函数关系时，就叫做相图相图。FC2 2222（1）气相为理想气体，遵循道尔顿分压定律。）气相为理想气体，遵循道尔顿分压定律。PpyPpyppPBBAABA2、拉乌尔定律、拉乌尔定律 在一定的温度下，溶液上方任意组分的在一定的温度下，溶液上方任意组分的蒸汽分压，蒸汽分压， 等于该纯组分在同温度下的饱和蒸汽压与等于该纯组分在同温度下的饱和蒸汽压与该组分在溶液中的摩尔分率之乘积。该组分在溶液中的摩尔分率之乘积。拉乌尔定律示意图拉乌尔定律示意图 ABBBBAAAxpxppxpp1000在溶液

11、温度下纯在溶液温度下纯A组分的饱和蒸汽压组分的饱和蒸汽压在溶液温度下纯在溶液温度下纯B组分的饱和蒸汽压组分的饱和蒸汽压（2）液相为理想溶液，遵循拉乌尔定律。）液相为理想溶液，遵循拉乌尔定律。1）液相组成与温度液相组成与温度(泡点泡点)的关系的关系-泡点方程泡点方程 由于纯组分由于纯组分A、的饱和蒸气压均是温度的函数、的饱和蒸气压均是温度的函数 tfpA0 tfpB0混合物的沸腾条件是各组分的液面分压之和等于外压，即：混合物的沸腾条件是各组分的液面分压之和等于外压，即：CtBAp0log一定总压下液相组成与纯组分饱和蒸汽压一定总压下液相组成与纯组分饱和蒸汽压(泡点温度泡点温度)关系，称为关系，称

12、为 0AAApxp00(1)BBABBpxxppABppp混合物沸腾条件000()BAABppf txpp泡道尔顿分压定律道尔顿分压定律PxpPpyAAAA0000BABApppPx一定总压下气相组成与纯组分饱和蒸汽压一定总压下气相组成与纯组分饱和蒸汽压(露点温度露点温度)之间的关系，称为之间的关系，称为oBoAoBPPPPxPpyAxPpoA由拉乌尔定律表示的气液平衡关系由拉乌尔定律表示的气液平衡关系00000( )( )()( )( )AABABAAABABptptpppfff tyxpppttffpp露若已知 p(一定t时), 则可求出 xA , yA（直接计算）若已知 p 、xA或yA

13、 则可求 yA或 xA, t泡或t露（试差计算）AAAxPpy0若引入相平衡常数，则若引入相平衡常数，则AAAxKy PpKAA0溶液中某组分的挥发度等于平衡时其汽相中分压p与平衡时液相中摩尔分率x之比。对于A,B两组分混合液AAApxBBBpx 对于理想混合液：00( )AAAAAApxtpfx00( )BBBBBBpxtpfx 即: xp1.挥发度(volatility) 气相气相 （乙醇（乙醇-水）水） 乙醇乙醇 水水液相液相（乙醇（乙醇-水）水） 蒸馏蒸馏二、挥发度和相对挥发度二、挥发度和相对挥发度2. 相对挥发度 混合液中同温度下二组分的挥发度之比 对于对于A、B双组分溶液：双组分溶

14、液：AAAABBBBpxpx00( )AABBpf tp0001AAAAAAABppxypppxx又：又：故：故：xxyAAAABAB11相平衡线方程（即平衡时双组分溶液汽、液组成关系） 对于对于理想溶液理想溶液形成的汽形成的汽- -液两相：液两相：习惯将习惯将易易挥发组分挥发组分比比难难挥发组分挥发组分xxy11 理论上：理论上： 00( )AAABABBBtfpttfp故故可近似为常数或取定性温度下的平均值可近似为常数或取定性温度下的平均值实际上实际上:AB随随t变化不大变化不大 表表1 苯苯甲甲苯苯物物系系的的相相对对挥挥发发度度随随温温度度的的变变化化关关系系t, 0C80.18488

15、9296100104108110.60ApmmHg7608569631081121013501502166817830BpmmHg2923343814344925566277057602.602.562.532.492.462.432.402.372.35 AB 1，则则A B或或pA0 pB0 ， A、B能分离能分离AB = 1，则则A= B , yA = xA ，A、B不能分离不能分离讨论：用普通蒸馏、精馏方法不能分离，需用特殊精馏分离分离。1.AB大小可用来判断某混合液是否能用蒸馏方法加以分离及分离的难易程度 2.总压增大，泡点也增大，将减小。不利于分离00( )AABBpf tp 若若

16、x一定，一定，则则y，易分离！，易分离！ 表表 1 苯苯甲甲苯苯物物系系的的相相对对挥挥发发度度随随温温度度的的变变化化关关系系t, 0C80.184889296100104108110.60ApmmHg7608569631081121013501502166817830BpmmHg2923343814344925566277057602.602.562.532.492.462.432.402.372.35三、气液平衡相图三、气液平衡相图 oBoAoBPPPPxPpyAxPpoAxxy11 xx0 y ty饱和蒸气线饱和蒸气线 （露点线）（露点线）tP定定tx饱和液体线饱和液体线 （泡点线）（

17、泡点线）x(y)气相气相( (过热蒸汽过热蒸汽) )区区气液区气液区液相区液相区1、温度、温度组组成成(t-x-y) 图图两线两线三区三区一结论一结论 表表 1 苯苯甲甲苯苯物物系系的的相相对对挥挥发发度度随随温温度度的的变变化化关关系系t, 0C80.184889296100104108110.60ApmmHg7608569631081121013501502166817830BpmmHg2923343814344925566277057602.602.562.532.492.462.432.402.372.35oBoAoBPPPPxPpyAxPpoA要实现高纯度分离必须采用多次部分汽化和多

18、次部分冷凝，这个过程在工业生产上是如何实现的呢？tx线为泡点线，泡点与组成有关；ty线为露点线，露点与组成y有关。三区三区:tx线以下为过冷液体区；ty线以上为过热蒸汽区；在tx与ty线之间的区域为气液共存区，在此区域内气液组成y与x是成平衡关系，气液两相的量符合杠杆定律。一个结论：一个结论：使体系落在汽液共存区这才能实现一定程度的分离。两端点两端点A与与B：端点A代表纯易挥发A组分(x=1)，端点B代表纯难挥发B组分（x=0 ）。2、汽、汽液相组成液相组成 (yx)图图若已知液相组成若已知液相组成x x1 1，可，可由平衡曲线得出与之由平衡曲线得出与之平衡的汽相组成平衡的汽相组成y y1 1

19、，反，反之亦然。图中对角线之亦然。图中对角线（x=yx=y）作为参考线供作为参考线供计算时使用。对于理计算时使用。对于理想物系：想物系：y y x x，故平衡，故平衡线位于对角线左上方。线位于对角线左上方。平衡线偏离对角线愈远，平衡线偏离对角线愈远，表示该溶液愈易分离。表示该溶液愈易分离。x x1 1y y1 1x x2 2y y2 2x x3 3y y3 3通常，精馏过程是在接近等压的条件下进行，所以t-x-y是精馏原理分析中常用，x-y图常用来说明两组分混合物精馏过程的计算。压力对压力对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

20、角线，分离难度大【例例】计算含苯计算含苯0.5(摩尔分率摩尔分率)的苯的苯甲苯混合液在总压甲苯混合液在总压101.3 kPa下的泡点温度。苯（下的泡点温度。苯（A）甲苯（甲苯（B）的饱和蒸汽压数据如本例附）的饱和蒸汽压数据如本例附表所示。表所示。温度，80.185.090.095.0100.0 105.0 110.6 pA/kPa101.3 116.9 135.5 155.7 179.2 204.2 240.0pB /kPa40.046.054.063.374.386.0101.3解：解：0.20.40.60.801.0 x或或 y温度温度t,708090100110120 xAt设泡点温度设泡点温度t=95，查附表得，查附表得:pA=155.7kPa, pB=63.3kPa5 . 0411. 03 .637 .1553 .633 .101Ax计算结果表明，所设泡点温度偏高计算结果表明，所设泡点温度偏高. 000BABApppPx设泡点温度设泡点温度t按表查按表查pA， pB由由pA， pB计算计算xA与与xA=0.5比较检验所设温度的正确性比较检验所设温度的正确性再设泡点温度再设泡点温度t=92.2，由附表数据插值求得，由附表数据插值求得 pA=144.4kPa, pB=58.1kPa5 . 0501. 01 .584 .1441 .5