复旦大学化工原理第六章蒸馏

第六章蒸馏化工生产中常需将液体混合物分离以达到提纯或回收有用组分的目的。其提纯的方法有：蒸馏、萃取、超滤等，而最常用的方法是蒸馏。蒸馏是籍液体混合物中各组分挥发性的差异而进行分离的一种单元操作。通常称挥发性高的组分为低沸点组分、易挥发组分、轻组分；挥发性低的组分为高沸点组分、难挥发组分、重组分。但要注意轻、重组分的区别是相对的，是指同一体系而言的。蒸馏操作的分类：按操作方式

a.简单蒸馏；b.平衡蒸馏；c.精馏；d.特殊精馏。按操作压力

a.

常压蒸馏；b.

加压蒸馏；c.

减压蒸馏。按操作时的进料方式

a.

连续蒸馏；b.

间歇精馏。按原料中所含组分数目

a.

双组分；b.

多组分。本章的重点是介绍常压条件下的双组分连续精馏。第一节双组分溶液的汽液相平衡一.溶液的蒸汽压与拉乌尔定律纯组分液体的汽液两相达到动态平衡时，其饱和蒸汽压是温度的函数；温度愈高则饱和蒸汽压愈大。工程上通常采用安托因方程来描述两者的关系。式中：p0—纯组分液体的饱和蒸汽压，kPa；t—温度，0C；A、B、C—安托因常数。对于溶液，其饱和蒸汽压与纯组分的蒸汽压有所不同；当该溶液为双组分理想溶液时，各组分的蒸汽压满足拉乌尔定律：PA=PA0xA；PB=PB0xB式中：PA—组分A在某一温度下的蒸汽压，kPa;PA0—同温度下纯组分A的饱和蒸汽压，kPa；PB—组分B在某一温度下的蒸汽压，kPa；PB0—同温度下纯组分B的饱和蒸汽压，kPa；xA—液相中组分A的摩尔分数；xB

—液相中组分B的摩尔分数。其中：xA、xB有关系xA+xB=1二.理想溶液的汽液相平衡1.理想溶液的温度组成图

t—y—x图y—x图2.理想溶液的温度组成关系式当总压P不是太高时，可认为汽相是理想气体，服从道尔顿分压定律，即：P=PA+PB=PA0xA+PB0xB=PA0xA+PB0(1-xA)则有：对于理想气体有：可得到泡点线可得到露点线3.理想溶液的汽液相平衡方程挥发度挥发度是用来表示物质挥发能力大小的物理量，其定义为：A组分的挥发度nA

=PA/xA

;B组分的挥发度nB

=PB/

xB

。对于理想溶液有：nA

=PA0;nB

=PB0。相对挥发度挥发度的大小并不能反映A、B组分进行分离的难易程度。因此，提出了一个相对挥发度的概念。相对挥发度的定义为：a=nA/

nB对于理想溶液有：a=PA0/

PB0虽然PA0、PB0均随温度而变，但PA0/

PB0随温度的变化较小；当温度变化不太大时，可认为a是一常数。根据定义可推导出理想溶液的汽液相平衡方程：上式中溶液的相对挥发度a，工程上通常取塔顶和塔底溶液相对挥发度的几何平均值。即：三.双组分非理想溶液的汽液相平衡非理想溶液中各组分的蒸汽压不服从拉乌尔定律，他们对拉乌尔定律发生的偏差有正偏差和负偏差两大类。当PA>PA0xA，PB

>PB0xB时，属正偏差溶液；当PA<PA0xA，PB<PB0xB时，属负偏差溶液。对于非理想溶液，其汽液平衡关系不能简单地用相平衡方程来表示，需通过实验进行测定。第二节蒸馏与精馏原理一.简单蒸馏与平衡蒸馏1.简单蒸馏简单蒸馏的装置如图所示。其特征是：随着蒸馏过程的进行，釜液组成xB增大、xA减小；同时，塔顶采出的组分yA也将随之降低。所以每个罐收集到的是一平均浓度的产品。若一个双组分溶液的平均相对挥发度为a，初始在蒸馏釜内的物质量为n1摩尔、组成为x1；终态时蒸馏釜内有物质量n2摩尔、组成为x2；则有关系：可得馏出液的平均组成为：2.平衡蒸馏平衡蒸馏又称为闪蒸，是一连续操作的蒸馏过程。平衡蒸馏的操作过程原料在加热器中加热至一定温度后，通过节流阀骤然减压；使部分料液汽化。汽化组成经冷凝后得到塔顶产物。该产物的组成是连续恒定的，但轻组分含量的提高不多。其装置如图所示。物料衡算对连续平衡蒸馏的定态过程作物料衡算有：qn,f=qn,D+qn,W；qn,fxf=qn,Dy+qn,Wx若平衡蒸馏的液相产物占总加料量的分率为q，则原料的汽化率为(1-q)；即：qn,D/qn,f=1-q根据上述关系，可得：热量衡算若混合溶液的平均摩尔比热为Cp(kJ/kmol.K)，溶液的平均摩尔汽化热为g(kJ/kmol)；则：加热器的传热速率为Q=qn,fCp(t–t0)其中加热温度t为t=te+(1-q)g/Cp例：将含苯0.7（摩尔分数）、甲苯0.3（摩尔分数）的溶液加热汽化，汽化率为1/3。试计算：1）作平衡蒸馏时，汽相与液相产物的组成；2）作简单蒸馏时，汽相产物的平均组成及残液组成。已知物系的平均相对挥发度为2.47。二.精馏原理精馏原理根据t-y-x

图可知。将某一组成的混合溶液进行部分的汽化，则可使留下的溶液中轻组分的浓度降低。若将某一组成的混合蒸汽进行部分的冷凝，则可使留下的蒸汽中轻组分的浓度提高。如果将混合溶液进行多次的汽化，可得到重组分含量较高的混合溶液；如果将混合蒸汽进行多次的冷凝，可得到轻组分含量较高的混合蒸汽。这种进行了多次汽化、多次冷凝的蒸馏操作，称为精馏。精馏塔的操作过程1-原料槽；2-料液输送泵；3，6，7-转子流量计；4-塔顶冷凝器；5-冷凝液分配器；8-塔底产品冷却器；

精馏塔的结构如图所示。混合溶液在塔釜被加热而产生上升蒸汽。上升蒸汽在塔板上与从塔顶下降的液体接触；蒸汽中的重组分将其携带的潜热提供给液体中的轻组分，使轻组分汽化，而自身被冷凝下来。第三节双组分连续精馏的计算一.全塔的物料衡算总物料的衡算：qn,F=qn,D+qn,W轻组分的物料衡算：qn,FxF=qn,DxD+qn,WxW二.理论板的概念与恒摩尔流假定理论板若离开某一塔板的汽相组成y

与液相组成x

达到平衡；则该板称为理论板。恒摩尔流假定对于精馏塔，工程上常将进料口以上部分称为精馏段；进料口以下部分，称为提馏段。恒摩尔流假定：在精馏段，上升蒸汽通过每一块塔板的摩尔流量都相等；下降液体通过每一塔板的摩尔流量也相等。在提馏段，上升蒸汽通过每一块塔板的摩尔流量都相等；下降液体通过每一塔板的摩尔流量也相等。三.进料的热状态参数q精馏塔内精馏段与提馏段上升蒸汽以及下降液体的摩尔流量之间的关系，由进料的热状态决定。进料的热状态参数q定义为：进入精馏塔的物料可有五种热状态，即：q<0q=00<q<1q=1q>1过热蒸汽饱和蒸汽汽液混合进料饱和溶液冷液进料精馏段和提馏段的上升蒸汽以及下降液体的摩尔流量与进料的热状态参数之间的关系：qn,L,=qn,L+qqn,Fqn,V,=qn,V+(q–1)qn,F四.操作线方程与q线方程操作线方程是表示两层塔板之间，下层塔板的上升蒸汽组成yn+1与上层塔板下降液体组成xn之间的关系式。1.精馏段操作线方程式中：R=qn,L/qn,D，称为回流比。2.提馏段操作线方程3.q线方程式中q为进料的热状态参数。q线方程实质是精馏段操作线与提馏段操作线交点的轨迹方程。五.理论板数的计算1.理论板数的图解计算在y-x图上作出精馏段和提馏段的操作线；对于采用全凝器的精馏塔，从xD开始作台阶，所得台阶数即为满足分离要求所需的理论板数。在精馏段操作线上的台阶数为精馏段的理论板数；在提馏段操作线上的台阶数为提馏段的理论板数。2.理论板数的逐板计算若被分离的双组分物系的汽液平衡关系满足相平衡方程。当精馏塔采用全凝器时，有y1=xD。则可根据塔顶产品的组成xD得到第一块塔板上升的蒸汽组成y1；然后根据相平衡方程计算出离开第一块塔板的液相组成x1。再根据精馏段的操作线方程，计算出y2。这样交替使用相平衡方程和操作线方程，就可计算出精馏段所需的理论板数。当所得到的xn<xf

（xf为精馏段与提馏段操作线的交点坐标）时，改用提馏段的操作线方程；直至xm<xW。采用这种逐板计算的方法，可得到整个精馏塔的理论塔板数。N=m+n。例：在常压下将含苯25mol%的苯—甲苯混合溶液进行连续精馏。要求馏出液中含苯98mol%，釜液中含苯8.5mol%。泡点加料，采用的回流比为5，塔顶为全凝器、泡点回流，求所需的理论塔板数。已知：常压下苯—甲苯混合溶液可视为理想溶液，物系的相对挥发度为2.47。六.回流比的确定1.全回流与最少理论板数若塔顶上升的蒸汽冷凝后全部回流至塔内，称为全回流。此时，在指定的分离程度（xD、xW一定）条件下，所需的理论板数最少。即：式中：Nmin—全回流时所需的最少理论板数（包括蒸馏釜）

a—全塔的平均相对挥发度。2.最小回流比a.理想溶液的最小回流比确定当精馏段与提馏段的操作线交点落在平衡线上时，精馏段操作线的斜率为最小回流比时的斜率，截距为最小回流比时的截距。当回流比小到一定程度时，满足分离要求所需的理论塔板数为无穷大；此时的回流比称为最小回流比。最小回流比Rmin为：其中xp与yp由q线方程和相平衡方程联立求解得到。b.非理想溶液的最小回流比确定如果回流比减小到某一值时，虽然精馏段与提馏段操作线的交点还未落在相平衡线上，但此时精馏段操作线已与相平衡线相切（如图所示），则该回流比为最小回流比。如果精馏段操作线与相平衡线不出现切点，则最小回流比的求取同前。只是xp与yp

的确定需采用图解法。3.适宜回流比的确定适宜回流比的确定与吸收操作中适宜液气比的确定相同，需由操作费与设备费之和最小来确定适宜的回流比。但在实际的选择过程中，往往根据实践经验，取最小回流比的（1.1~2.0）倍。即：第四节间歇精馏一.间歇精馏的特点一次性投料；整个操作过程属于非稳态操作，塔内各项参数随时间变化；精馏塔只有精馏段，没有提馏段。二.间歇精馏的两种操作方式回流比恒定的操作在理论板数一定的条件下，馏出液组成逐渐减小。馏出液组成恒定的操作在理论板数一定的条件下，要保持馏出液组成恒定；则必须不断地加大回流比。第五节恒沸精馏与萃取精馏当液体混合物属于下列两种情况之一时，通常采用恒沸精馏或萃取精馏。当混合物中两组分的相对挥发度接近于1时，若采用普通的精馏方法进行分离，所需的理论板数很多，而且回流比也需很大，使设备费与操作费都增加，经济上不合算；具有恒沸点的非理想溶液，其恒沸物中两组分的相对挥发度等于1，用普通的精馏方法不能进行分离。一.恒沸精馏恒