《化工原理》精馏

1、第七章 精 馏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

2、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

3、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（Francois Maric Raoult ，18301901）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 xA pB = pBo xB 对于双组分溶液，则有 pB = pBo xB = pBo （1xA） 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

4、、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 yA pB = P yB 对于双组分溶液，则有 pB = P yB = P （1yA）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

5、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

6、xA + pBo xB pBo pA = pAo xA = pAo xA + pBo （1xA ） = pBo +（pAopBo） xApB = pBo xB B A 2、t x y 图 （温度组成图） t t y 线 tB t x 线 tA xB=1 x ( 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

7、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。 tF F tFFxF y* x* yF 结论：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易挥发组分含量增加时，混合液的沸点降低。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98 oC，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

8、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 = 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。浓度相同时，某组分的气相分压越大，则该组分越容易挥发。纯液体的挥发度，就是该液体的饱和蒸汽压。对于理想容易，VA = pAo ； VB = pBo（

9、二）、相对挥发度 相对挥发度两组分挥发度之比 = = 而 pA = P yA pB = P yB 所以 = 设 x = xA；y = yA 且xB = 1xA yB = 1yA 则 y = 气液平衡方程当 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。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

10、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。生产过程为连续操作。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%

11、、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 xF y1 y2 y3 y4二、塔板上的热质传递 x n-1 y n t n -1 t n+1 x n y n+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、xw2、确定精馏塔的类型（板式

12、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 / hV/ 提馏段内上升的蒸汽流量

13、 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 = LL1/ = 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1500

14、0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 x D 设 则有 R 1yn+1 = x n + x D R + 1 R + 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（x D，x D），斜率为，截距为 。3、

15、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 x W L / W y m+1 = x m x w L /W L /W 提馏段操作线方程 根据恒摩尔流假定，L /为定值；稳定操作时，W和 x w 也为定值，所以，提馏段操作线也为直线，过点（x w ，x w）。 三、进料热状况的影响1、五种加料热状况1）温度低于泡点的冷液进料 L V F L/ L + F V/ V L/ V/2）泡点温度下的饱和液体进料 L V F L/ = L + F V/ = VL/ V/3）温度介于泡点和露点之间的汽液混合进料 L V L L/ L + FF V/ V

16、 V/ + FL/ V/4）露点温度下的饱和蒸汽进料L V L/ = L F V = V/ + FL/ V/5）温度高于露点的过热蒸汽进料L V L/ V/ + FL/ V/ 2、加料板上的物料衡算及热量衡算物料衡算： 热量衡算： 输入加料板 = 输出加料板因为： 所以： q的物理意义： 小 结、冷液进料：TVTF, ，0，L/= L+ qf L+F 、泡点进料：TV = TF，=，L/ = L+ qf = L+F 、汽液混合进料：TV = TF，进料中液相所占摩尔分率 1， 0，L/ = L+ qf 、饱和蒸汽进料：TV=TF；，=0，L/=L+qf= L、过热蒸汽进料：TV0，L/ = L

17、+qf L四、q 线方程物料衡算： q 线 方 程 q线方程为直线方程，斜率为，截距为，过点（xF ，xF）。 五种加料热状态下的q线五、理论板数的计算1、逐板计算法平衡关系： 操作线关系： 精馏段理论板数：提馏段理论板数 计算到时的计算次数即精馏塔的理论板数。2、图解法在平衡线和操作线之间作阶梯，阶梯数即为精馏塔理论板数。所以图解法又称为梯级法。 3、适宜的进料位置 延迟进入提馏段 提前进入提馏段 4、加料热状态的选择 例：某苯和甲苯混合物中含苯摩尔分率为0.4，流量为100kmol/h，采用连续精馏操作在常压下加以分离，要求塔顶产品浓度为0.9，苯的回收率不低于90%。塔顶设有全凝器，液体

18、在泡点下进行回流，回流比为1.875。已知操作条件下物系的相对挥发度为2.47，试求泡点进料时精馏塔所需的理论板数及塔内循环的物料量。 （苯的汽化潜热为389kj/kg；甲苯的汽化潜热为360kj/kg） 例：用一常压操作的连续精馏塔分离含苯0.44（摩尔分率；下同）的苯-甲苯混合液。要求塔顶产品中含苯不低于0.975，塔底产品中含苯不能高于0.0235。操作回流比为3.5，试用图解法求在20oC进料时的理论板数及加料板位置。六、回流比的影响及选择 回流对精馏分离操作的影响回流比对精馏分离操作经济性的影响 1、全回流和最少理论板数 R 1yn+1 = x n + x D R + 1 R + 1

19、 全回流时，精馏段操作线方程截距 精馏段操作线方程与对角线重合，与平衡线相距最远，所需理论板数最少。最少理论板数 2、最少回流比 精馏段操作线、提馏段操作线、q线和平衡线四条线交于一点时的回流比为最少回流比。 最少回流比的两种求法 1）作图法 精馏段操作线斜率： 则最少回流比 2）解析法 对于饱和液体进料， 对于饱和蒸汽进料， 3、适宜回流比的选择 精馏的操作费：再沸器的热负荷 V = L + D =（R+ 1） D 冷凝器的热负荷 V/ = V +（q1）F = ( R+ 1) D +(q1)F精馏的设备折旧费：设备投资折旧率 根据经验，操作回流比为最小回流比的1.11.2倍。 即 R =（

20、1.12）Rmin 例1：苯-甲苯混合液中含苯30%（摩尔分率）预热到40oC以10kmol/h的流量连续加入精馏塔中。塔的操作压强为760mmHg，塔顶馏出液中含苯95%，釜残液含苯3%，回流比R=3。试求塔釜的蒸发量V/。 已知料液泡点为98.6oC，泡点温度下r苯= 7956 kcal / kmol ， r甲苯= 9384 kcal / kmol 。69.3 oC 下，Cp苯=35.5 kcal / kmol oC ，Cp甲苯= 41.9 kcal / kmol oC 例2：若用一常压连续精馏塔分离某二元混合液（理想溶液），其中含易挥发组分的摩尔分率为0.4，相对挥发度为3.0。要求塔顶

21、馏出物中含易挥发组分不低于0.95，塔底残液中含易挥发组分不高于0.02。试求饱和液体进料时该塔的精馏段操作线方程和提馏段操作线方程。 操作时取回流比为1.5Rmin七、实际塔板层数的计算 1、总板效率（全塔效率）ET 总板效率即指达到指定分离效果所需理论板数与实际板数之比。 2、单板效率（默弗里板效率）EM 指汽相或液相经过一层实际板前后的组成变化与经过一层理论板前后的组成变化之比。 按汽相组成变化表示的单板效率 按液相组成变化表示的单板效率 3、塔板效率的影响因素 1）物理性质 粘度、密度、表面张力、扩散系数、相对挥发度等。 2）塔板形式与结构 板距、堰高、塔径、流体在板上的流动距离等。

22、3）操作条件 温度、压强、气体上升速度、溢流强度、气液流量比等。7 板式塔简介 错流塔板 逆流塔板 一、泡罩塔板 优点：不易发生漏液现象；有较好的操作弹性；气液负荷有较大波动时仍能维持几乎恒定的板效率；塔板不易堵塞；对各种物料的适应性强。 缺点：结构复杂，材料耗量大；塔板压降大；雾沫夹带量大；液面落差大，气体分布不均匀，板效率低。二、筛板 优点：结构简单；金属耗量低，造价低；液面落差小；生产能力及板效率较高。 缺点：操作弹性小，易发生漏液；只适用于大气流条件。三、浮阀塔 优点：1）生产能力大，比泡罩塔板大2040%，与筛板相近。 2）操作弹性大。 3）塔板效率高，上升气体水平吹入液层，气液接触时间长。 4）气体压强降与液体液面落差较小。 5）塔