化工原理-第五章-蒸馏-修改

第五章蒸馏§5.1概述传质（masstransfer）过程：物质在相间的转移,从一相转移到另一相的过程称为传质（分离）过程。NH3:

气相液相分离混合气体——吸收乙醇:液相气相分离液体混合物——蒸馏化学工业中常见的传质过程：1.蒸馏分离操作：

利用液体混合物中各组分（component）挥发性（volatility）的差异，以热能为媒介使其部分汽化，从而在气相富集轻组分，液相富集重组分，使液体混合物得以分离的方法。

2.分离依据：各组分的挥发度不同A——挥发度大——沸点低——轻组分B——挥发度小——沸点高——重组分3.蒸馏用途：互溶液体混合物的分离:如石油炼制品的切割，有机合成产品的提纯，溶剂回收和废液排放前的达标处理等等。工业上最常用的是蒸馏或精馏。

石油炼制中使用的250万吨精馏装置4.分类按蒸馏方式简单蒸馏平衡蒸馏精馏特殊精馏萃取精馏恒沸精馏按操作压强常压蒸馏加压蒸馏减压蒸馏按待分离混合物中组分的数目：双组分蒸馏多组分蒸馏按操作流程：间歇蒸馏：小规模生产，非定态操作连续蒸馏：大规模，定态操作本章讨论：常压下的两组分连续精馏

§5.2双组分溶液的气、液相平衡5.2.1双组分理想物系的气液平衡理想体系：溶液中不同组分的分子间作用力和相同组分的分子间作用力完全相等。液相为理想溶液、气相为理想气体的混合物物系液相为理想溶液，遵循拉乌尔定律气相为理想气体，遵循道尔顿定律1.饱和蒸汽压2.道尔顿分压定律理想气体：

3.拉乌尔（Raoult）定律：若为理想溶液同温度下纯A的饱和蒸汽压,Pa同样：A:易挥发组分，沸点低组分B:难挥发组分，沸点高组分x:液相中易挥发组分的摩尔分数；

y:气相中易挥发组分的摩尔分数；1）用饱和蒸气压表示气液平衡关系的表示法2）用相对挥发度表示某组分在气相中的平衡分压与该组分在液相中的摩尔分数之比表征该组分挥发能力大小的标志1.挥发度()：若为理想溶液,则

溶液中易挥发组分挥发度与难挥发组分挥发度之比2.相对挥发度()：定义：－－气液平衡方程理想溶液若

越大于1，越容易精馏分离若若，则不能采用普通精馏分离。

越小于1，越容易精馏分离，此时B为易挥发组分结论：可以用来判别精馏分离的难易程度，以及用普通精馏方法能否达到分离的目的。讨论：例：若苯－甲苯混和液在45℃时沸腾，外界压力20.3kpa。已知在45℃时，纯苯的饱和蒸气压，纯甲苯的饱和蒸气压。求其气液相的平衡组成。解：（1）平衡时苯的液相组成x苯、气相组成y苯（2）平衡时，甲苯在液相和气相中的组成分别为x甲苯和y甲苯1.2.2两组分理想溶液的气液平衡相图苯(A)和甲苯(B)的饱和蒸气压和温度关系如表，试利用拉乌尔定律和相对挥发度分别计算苯-甲苯混合液在总压101.33kPa下的气液平衡数据,温度－组成图1）温度-组成（t-x-y）图温度℃80.1859095100105110.6,kPa101.33116.9135.5155.7179.2204.2240,kPa40.046.054.063.374.386.0101.33解：以t=85℃为例t℃80.1859095100105110.6x1.0000.7800.5810.4120.2580.1300y1.0000.9000.7770.6330.4560.2620t---y线，气相组成与平衡温度之间的关系。气相线，露点线t---x线，液相组成与平衡温度之间的关系。液相线，泡点线三区两线三种点t---yt---x2）x-y图

特点：平衡线偏离对角线越远，越易精馏。

图上读不出温度数据P对图影响不大，但对图影响很大。平衡线多数在对角线的上方()；例5-1，习题1,25.2.3双组分非理想体系的气、液相平衡1）对拉乌尔定律有正偏差的溶液2）对拉乌尔定律有负偏差的溶液5.3.1平衡蒸馏（闪蒸）§5.3平衡蒸馏和简单蒸馏操作过程：混合液经加热器升温，使温度高于分离器压强下液体的沸点，通过减压阀降压进入分离器，此时过热的液体混合物被部分汽化得到分离闪蒸罐塔顶产品yAxA加热器原料液塔底产品Q减压阀

平衡蒸馏是液体的一次部分汽化或蒸汽的一次部分冷凝的蒸馏操作。气液相平衡数据的测定和生产工艺中溶液的闪蒸分离是平衡蒸馏的典型应用。1．物料衡算总物料：易挥发组分：F，D，W---原料液、气相、液相产品摩尔流量,kmol/sxF，y，x---原料液、气相、液相产品的组成，摩尔分数q：液化分率5.3.2简单蒸馏（微分蒸馏）1、流程及原理简单蒸馏又称微分蒸馏，也是一种单级蒸馏操作，常以间歇方式进行。在恒定压力下，将蒸馏釜中的溶液加热至沸腾，并使液体不断汽化，产生的蒸汽随即进入冷凝器中冷凝，冷凝液用多个罐子收集。t/Cx(y)0露点线泡点线xAyAxFxE

简单蒸馏的分离效果很有限，工业生产中一般用于混合液的初步分离或除去混合液中不挥发的杂质。简单蒸馏的过程特征：任一瞬时釜内的汽、液相互成平衡。蒸馏过程中系统的温度和汽、液相组成均随时间改变。①得不到大量高纯度的产品;②釜液与蒸气的组成都是随时间而变化的，是一种非稳态过程;③只能进行初步分离，而且生产能力低，适合于当组分挥发度相差较大的情况。2、特点：一、多次部分气化和多次部分冷凝1.单级分离：§5.4精馏2.多级分离：缺点：收率低、能耗高液体混合物经多次部分气化后，在液相中获得高纯度的难挥发组分气体混合物经多次部分冷凝后，在气相中获得高纯度的易挥发组分温度依次升高3.精馏原理：省去中间加热器和冷凝器最上一级冷凝后部分回流塔釜加再沸器必要条件：塔顶液体的回流;液体回流塔釜液体的部分气化；蒸汽回流塔内温度自顶至底依次升高。4.塔板(1)塔板上的液层和填料表面是气液两相进行热交换和质量交换的场所。(2)每块塔板相当于一只分离器的作用。条件结果进入第n板难挥发冷凝多易挥发汽化多离开第n板气相液相塔顶：纯度高的A塔釜：纯度高的B5.4.2精馏操作流程加料板以上——精馏段：易挥发组分精制加料板及其以下——提馏段：提高易挥发组分收率加料位置——与原料液组成和温度相近的板上进料再沸器：提供一定量的上升蒸汽流，保证有气相回流冷凝器：提供塔顶液相产品及保证有适宜的液相回流※精馏：多次部分汽化与部分冷凝且有回流。回流是造成各级组成差异和温度差异，进行传质传热的基础。※精馏与蒸馏的区别：有无回流回流的作用（p141）连续精馏和间歇精馏

5.5.1理论板的概念和恒摩尔流假定理论板：在其上气、液两相都充分混合，且传质及传热过程阻力均为零的理想化塔板，无论进入理论板的气、液两相组成如何，离开该板时气、液两相达到平衡状态，即两相温度相等，组成互成平衡，组成关系可由平衡关系来确定§5.5双组分连续精馏的计算离开理论板时,气相的露点等于液相的泡点理论板——1.恒摩尔气流精馏段提馏段2.恒摩尔液流精馏段提馏段恒摩尔流：每层塔板的上升蒸气的摩尔流量恒定,下降液体的摩尔流量也恒定。注意：V不一定等于V′，L不一定等于L′1.全塔物料衡算总物料：易挥发组分：F，D，W---原料液、馏出液、釜残液摩尔流量,kmol/sxF，xD，xW---易挥发组分的摩尔分数5.5.2物料衡算与操作线方程重组分回收率：轻组分回收率：若D/F过大，则必↓，质量和数量互相矛盾注意：例:将15000kg/h含苯40%（质量分率，下同）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%，塔顶馏出液中苯的回收率为97.1%。试求馏出液和釜残液的流量及组成，以摩尔流量和摩尔分率表示。解：进料组成：釜残液组成：平均分子量：原料液流量：已知：全塔物衡：即：例、在连续精馏塔中分离苯－甲苯混合液。已知原料液流量为10000kg/h,苯的组成为40％（质量）。要求馏出液组成为97％（质量），釜残液组成为2％（质量）。试求馏出液和釜残液的流量（kmol/h）及馏出液中易挥发组分的回收率？已知：苯的摩尔质量为78kg/kmol;甲苯的摩尔质量为92kg/kmol2.精馏段操作线方程总物料易挥发组分令：——回流比回流比①物理意义：n板下降的液相组成与相邻的n+1板上升蒸气组成之间的关系②由恒摩尔流的假定，L为定值，且连续定态操作中D和xD也是定值，R是常量,直线方程例：已知某精馏塔精馏段的操作线方程为，求回流比和塔顶馏出液组成。3.提馏段操作线方程总物料：易挥发组分：②根据恒摩尔流的假定，L’为定值，且连续定态操作中W和xW也是定值，是直线方程①物理意义：m板下降的液相组成与相邻的m+1板上升蒸气组成之间的关系例：在一两组份连续精馏塔中，进入精馏塔中第n层(进料板上方)理论板的气相组成为0.75，从该板流出的液相组成为0.65(均为摩尔分数)，塔内气液比V/L＝2，物系的相对挥发度为α＝2.5，求：①从该板上升的蒸汽组成；②流入该板的液相组成；③回流比R。解:①已知和成平衡②求由第n板的物料衡算可得：∵方法2：和满足精馏段操作线关系。∵③而和满足精馏段操作线关系。例2、在某两组分连续精馏塔中，精馏段内自第n层理论板下降的液相组成为0.66（易挥发组分摩尔分数），进入该板的气相组成为0.76，塔内气液摩尔流量比V/L=2，物系的相对挥发度为2.6，试求R、yn、xn-1例5-3，习题7物料衡算：热量衡算：一、进料热状况参数5.5.3进料热状态的影响由于：

令：q:进料热状况参数(液化率)

所以

精馏段和提馏段的气、液相流量与进料量及进料热状况参数之间的基本关系

提馏段的操作线方程变换为（1）饱和液体进料（泡点进料）原料进入加料板后全部以原来液体的状况进入提馏段二、进料热状况：（2）饱和蒸气进料（露点进料）原料进入加料板后全部以原来气体的状况上升原料含有一部分液体（往下流），一部分气体（上升）（3）气液混合物进料L’包括三部分:①L;②F;③因原料温度低于加料板上气液温度，故原料进入加料板后将一部分从提馏段上升蒸气冷凝下来（4）冷液进料：因原料温度高于加料板上气液温度，故原料进入加料板后势必将原塔内下降的液体加热气化上升。（5）过热蒸气进料泡点进料露点进料进料热状况：

例：求下列各种进料状况对应的q值。①如已知进料中，蒸汽量:液体量＝3:1②原料的液化率为1/3③每千摩尔原料液变成饱和蒸汽所需热量等于原料液的千摩尔汽化潜热的1.2倍。例：在常压操作的连续精馏塔中分离含甲醇0.4与水0.6（摩尔分率,下同）的溶液，进料的热状况参数为1.1，原料液流量为100kmol/h，要求塔顶易挥发组分的回收率不低于0.94，釜液组成为0.04（以上均为易挥发组分的摩尔分率），回流比为2.5，试求产品的流量、精馏段和提馏段的操作线方程及提馏段上升的蒸汽流量。假设气液相均为恒摩流动。解:(1)(2)精馏段操作线方程:

(3)提馏段操作线方程:

(4)另三、进料方程(q线方程)

作图q线的作法①②过e点作斜率为q/(q-1)的直线ef，即为q线ef说明：②只要热状况不变，q线不变；①q线方程是两条操作线交点轨迹的方程。③改变操作条件(如R)，操作线改变，但交点总在q线上。进料热状况对q线及操作线的影响：

q线在x-y图上的位置q值对操作线的影响例5-4，习题9例:某连续精馏操作中，已知操作线方程为：精馏段y=0.723x+0.263；提馏段y=1.25x－0.0187；若原料液于露点温度下进入精馏塔中，试求原料液、馏出液和釜液的组成及回流比。解:①②③5.5.4理论塔板数的求法1.逐板计算法

精馏段：若塔顶为全凝器,则已知当时则第n层为加料板，即加料板算在提馏段

若塔顶为分凝器，则分凝器也相当于一块理论板。平衡关系操作关系提馏段：已知总层数：当时，结束，则(再沸器)2.图解法

(1)操作线的作法精馏段操作线的作法

作图提馏段操作线的作法

作图提馏段操作线的作法(2)图解方法y)

(DDxx，),(11yx),(21yx),(22yx),(32yx),(33yxFx)',(43yx)','(44yx)','(54yxWxDxxd①步骤：当时，在平衡线与精馏段操线间作梯级;当时，在平衡线与提馏段操线间作梯级;当时，停止作图。②

3.进料位置的确定：原则：使所需的理论板层数最少

选择与进料组成和温度相近的塔板作为加料板方法：平衡线与操作线间的垂直(水平)距离越大，说明该塔板的增浓能力越大。说明：例：某苯与甲苯的混合原料，苯的摩尔分率为0.4。拟采用精馏塔加以分离，原料液处理量为100kmol/h。要求塔顶产品含量为0.9，苯的回收率不低于90％，原料预热至泡点加入塔内。塔顶采用全凝器冷凝，回流比为1.875。已知在操作条件下，物系的相对挥发度为2.47。求为完成分离任务所需要的理论板数及加料位置。解:(1)求D，W

(2)求精馏段操作线方程1.逐板计算法：(3)求提馏段操作线方程(4)求相平衡方程由(5)计算精馏段理论板数由第5块板为加料板以下计算提馏段操作线方程代替精馏段操作线方程(6)计算提馏段理论板数2.梯级图解法5.5.5回流比的影响及其选择1.全回流和最少理论板层数：若D=0(通常也有F=0,W=0)操作线：

(即L=V)全回流：任一塔截面上升蒸汽和下降液体的组成均相等求(1)图解法(2)计算法——芬斯克方程全塔平均相对挥发度（不含再沸器）——当变化不大时，说明：全回流为回流比的上限；

对应着最少理论板数。

2.最小回流比：分析:(平衡线与操作线越近)当四条线交于一点时交点附近板上无增浓作用即挟点

的求取：(1)作图法(2)解析法联立q线方程和平衡方程求出(xp,yp)泡点进料露点进料3.回流比的选择：选择依据：总费用=操作费用+设备费费用最低(1)精馏操作费主要取决于(2)设备费包括精馏塔、再沸器、冷凝器的费用精馏塔费用高难分离物系：一般取操作时R的调节：例题吉利兰图生产任务确定D原料确定q（含再沸器）5.5.6简捷法求理论板层数例：已知xF=0.4，=2.92，xD=0.98，xW=0.03，R=2.5，Rmin=1.08。用简捷法确定所需的理论板数解：(含再沸器)(1)查图得例题5-9，习题135.5.7实际塔板数和塔板效率全塔板效率和单板效率5.6间歇精馏(p159)回流比恒定时的间歇精馏（图5-34）溜出液组成恒定时的间歇精馏（图5-35）5.7恒沸精馏和萃取精馏(1)应用

①具有恒沸点的液相混合物的分离；②具有较小相对挥发度的物系的分离。(2)原理

在液相混合物中加入第三组分（质量分离剂），改变原溶液中各组分间的相对挥发度。5.6.1恒沸精馏

加入第三组分，使其与某一组分或某几个组分形成最低恒沸物，从而使原溶液易于分离，称为恒沸精馏。该第三组分常又称为挟带剂。（1）典型实例：分离乙醇—水溶液，加入挟带剂苯二元恒沸物：水+乙醇最低恒沸点78.15℃,89.4%.三元恒沸物：苯54.4%、乙醇23%、水22.6%.最低恒沸点64.85℃在较低温度下，苯与乙醇、水不互溶而分层，可将苯分离出来。塔底可得到无水乙醇。②恒沸物中挟带剂的组成要小，降低挟带剂用量；③恒沸物本身应易于分离；④经济、安全。（2）对挟带剂的基本要求①能形成最低恒沸物，且与塔底组分之间有较大的相对挥发度；5.6.2萃取精馏

加入的第三组份能显著改变两组份间的相对挥发度，且本身的挥发性很小，这种精馏方法称为萃取精馏。该第三组分称为萃取剂。典型实例：苯—环已烷的分离.对萃取剂的基本要求：（1）选择性强；