化工原理蒸馏精馏知识要点

二、精馏原理

1. 多次部分汽化部分冷凝
L4 G4
L3 L2
t/ C L1
G3
G2 G1
xA(yA)
冷却
冷却
加热
加热
加热
多次部分冷凝部分汽化操作示意图

Байду номын сангаас
多次部分冷凝和汽化的改进：后一级冷凝 液相加入前一级汽相中(对前级汽相起冷 凝作用)；后一级汽化汽相加入前一级液 相中(对前级液相起加热作用)。可使操作 连续、稳定。但设备仍然太多，操作不便， 控制也困难。 将每一个分离装置设置成一块塔板，形成 精馏塔。每一塔板代替部分冷凝汽化的分 离设备，使操作更方便灵活，控制更容易。
五、挥发度及相对挥发度


1. 挥发度(Volatility)
挥发度：表示纯物质在一定温度下蒸汽压的大小。 在溶液中，用某组分在汽相中的分压与其平衡液 相的摩尔分数之比来表示挥发度的大小。

v A pA / x A 理想溶液服从拉乌尔定律
pA p0 0 A xA vA pA xA xA
第一节 概述 Introduction



蒸馏是分离液体混合物的一种方法。 利用液体混合物中各组分的挥发度不同来进行 分离的操作称蒸馏。 在一定温度压力下，挥发性高的组分(也称低 沸点、易挥发、轻组分)在汽相中的浓度比在 液相中浓度高。反之，挥发性低的组分(也称 高沸点、难挥发、重组分)在汽相中的浓度比 在液相中浓度低。从而可以在塔顶得到轻组分， 而在塔底得到较重组分。
三、操作线方程



1. 精馏段操作线方程
对如图划定范围作物料衡算 V=L+D 对易挥发组分衡算 Vyn+1=Lxn + DxD V, yn+1
D,xD
第n板
L, xn

Dx D L y n 1 x V V 令回流比 R=L/D xD R y n1 xn R1 R1


解: (1)进全凝器的汽相组成与出全凝器的液相组 成相同，y1=0.95。 第一板的平衡关系 1.6 x1 0.95 1 (1.6 1) x1


解得 x1=0.92 (2) 将已知质量流量换算为摩尔流量

50 0.95 50 0.05 D 0.414 kmol/h 119.35 153.8 V=(R+1)D=30.414=1.242 kmol/h L=V-D=1.242-0.414=0.828 kmol/h
三、汽液相平衡图(y-x图)



除了t-x-y相图之外， 还有p-x(y)相图、 yA y-x相图，蒸馏操作 中常用y-x相图。只 要重新作出座标,就 可用同样数据绘出 y-x相图来。 易挥发组分汽相 浓度大于液相浓度。
yA＞xA
xA
四、双组分非理想溶液


若溶液中两组分间的相互作用比纯组分的作用 小，则溶液组分容易汽化，溶液上方组分的蒸 汽分压比理想溶液大。称对拉乌尔定律呈现正 偏差。如乙醇－水、正丙醇－水体系。 反之，若溶液中两组分间的相互作用比纯组分 的作用大，则溶液组分不容易汽化，溶液上方 组分的蒸汽分压比理想溶液小。称对拉乌尔定 律呈现负偏差。如硝酸－水、氯仿－丙酮体系。



一、简单蒸馏与平衡蒸馏
1. 简单蒸馏
混合液加入蒸馏釜后在 恒压下加热使液体汽化， 液相中易挥发组分浓度 不断降低。 不稳定的间歇操作。
2. 平衡蒸馏(闪蒸，flash distillation)



混合液加热后减压， 在分离器中部分液体 汽化，热量由液体温 度降低提供。在分离 器中近似为平衡 过程。 操作是稳定连续过程。 但这种分离只能初步 分离，不能得到纯组分。


一、溶液的蒸汽压及拉乌尔定律
在一定条件下，液体与其上方的蒸汽达到动态 平衡，即液相中的分子向汽相转移的个数与同 时从汽相向液相转移的分子数相等时，称达到 了汽液相平衡。此时液体上方的蒸汽压叫该物 质的饱和蒸汽压。 混合溶液达汽液相平衡时，溶液中某组分的蒸 汽压比纯组分的饱和蒸汽压低。




理想溶液：两组分的分子相互作用完全相等， 所形成的溶液无容积效应、无热效应。 非理想溶液：两组分的分子相互作用不等，所 形成的溶液称非理想溶液。 理想溶液的汽液相平衡服从拉乌尔(Raoult)定 律。 pA p0 A xA
化工过程与设备
Principles of chemical engineering
晨光化工技校
第六章 蒸馏 Chap. 6 Distillation



第一节 第二节 第三节 第四节 第五节 第六节 第七节
概述 双组分溶液的汽液相平衡 蒸馏与精馏原理 双组分连续精馏塔的计算 间歇精馏 恒沸精馏与萃取精馏 板式塔
yn

在稳定蒸馏过程中，每块塔板上冷凝的蒸汽量 恰好等于被汽化的液体量。


3. 精馏塔的分离过程
精馏塔内设多块塔板。汽相沿塔板逐级上升， 在塔顶再冷凝得到产品并将部分产品回流到塔 内，以维持稳定操作。 液相沿塔板降液管逐级下降，到塔底得到难挥 发组分较多的残液。 原料液从塔中某层塔板处加入，该板称加料板。 加料板以上称为精馏段(rectifying section)， 加料板及以下称提馏段(stripping section)。
2. 塔板的作用

下层塔板汽化的汽 相上升，通过塔板 上的小孔与塔板上 的液相充分接触传 热、传质；塔板上 的液体经降液管下降到 xn yn+1 下层塔板。每一层塔板 上离开的汽相和液相近似平衡。易挥发组分汽 相浓度yn>yn+1, 液相浓度xn<xn -1。塔顶得到较纯 易挥发组分，塔底得到较纯难挥发组分。
2. 提馏段操作线方程

第m+1 层板 L, xm V, ym+1


按图所示范围作物料衡算 L=V + W Lxm=V ym+1 + WxW WxW L y m 1 xm V V WxW L xm (5-27) L W L W 提馏段操作线方程是一直线， 斜率L/(L -W)， 截距 -WxW/(L -W)。
在一个塔内进行多次部分汽化和部分冷凝，轻、 重组分分离的操作叫精馏（Rectification）。 简单蒸馏 平衡蒸馏 按蒸馏性质分类 蒸 精馏 特殊精馏 馏 连续精馏 按操作性质分类 分 间歇精馏 双组分精馏 类 按分离物料性质分类 多组分精馏
第二节 双组分溶液的汽液相平衡 Vapor liquid phase equilibrium of two components
Dx D Fx F
D
F

难挥发组分回收率
W (1 xW ) F (1 x F )
W
二、理论板的概念与恒摩尔流的假定


1. 理论板(Theoretical plate)的概念
设塔内任一塔板上，离开该板的汽相与液相达 汽液平衡。 实际塔板不可能达汽液平衡，但理论上用平衡 板来处理较方便，这样可以应用相平衡规律计 算离开塔板的汽液相浓度。 计算得出理论塔板数后，再经实际经验加上校 正系数就可得出实际需要的塔板数。


2. 相对挥发度(relative volatility)
溶液中两组分挥发度之比称相对挥发度,。通 常用易挥发组分挥发度作分子。
vA pA / x A vB pB / x B

若汽相服从理想气体规律，则
Py A / x A y A / x A PyB / x B yB / xB


R
D
精馏段
F
提馏段
加热
W





回流目的：将馏出液部分回流以提供下降液体， 保证第一层板上的平衡和传热传质过程；提供 较浓液相，保证汽化出的汽相浓度达到要求。 塔底再沸器内汽体上升到底层塔板，保证底层 塔板浓度低的汽相与之平衡。 精馏塔的塔顶回流、塔底上升蒸汽是保证过程 连续稳定进行的必要条件。 精馏装置一般必须包括冷凝器和再沸器。 精馏过程也可用填料塔代替板式塔，其余装置 相同。




2. 恒摩尔流的假设
精馏塔内的汽液两相流体的流动是很复杂的。 为了简化计算，作以下假设：


1. 恒摩尔汽化
精馏段内，每层塔板上升的蒸汽摩尔流量相等。 提馏段内，每层塔板上升的蒸汽摩尔流量相等。 V1=V2=…=Vn=定值 （精馏段） V1=V2=…=Vn=另一定值 （提馏段）
pB
0 pB xB

0 pB (1
xA )
液相摩尔 分率

溶液上方 组分的蒸 汽分压
上标表示纯 组分的饱和 蒸汽压
二、温度－组成图



苯和甲苯形成 的溶液近似为 理想溶液。其 td 汽液平衡示意 t/C 相图如左图。 tb 理想溶液的相 图可用拉乌尔 定律计算得出。
xA yA yB x B

对理想溶液
0 p0 / p A B

当溶液与理想溶液相差不大时，可近似认为相 对挥发度为常数，取其平均值代替。


3. 汽液相平衡方程
对二元溶液，
xA yA yA yB 1 y A 1 x A
露点

泡点
x或 y
0 P p A pB p 0 x p A A B (1 x A )
xA
0 P pB 0 p0 p A B
y A p0 A xA / P


对某一温度和总压，由这几式可求出xA，yA。 得出一系列的值后便可作出如前图所示的图来。 对于非理想溶液，计算很复杂。一般由实验得 出平衡数据。实验得出的平衡数据也是计算的 基础。
第四节 双组分连续精馏塔的计算 Calculation of continue rectification tower of two components

工业蒸馏过程一般为连续精馏。 精馏塔的计算内容包括：物料衡算、 塔板数、进料口位置等。
一、全塔物料衡算

对全塔作物料衡算 F = D＋W 再对其中易挥发组分衡算 FxF = DxD +WxW 易挥发组分回收率

整理并略去下标得
x y 1 ( 1) x

若已知相对挥发度，则可由x计算y或由y计算x。 一般不是常数，变化不大时可用平均值代替而 取为常数以简化计算。 越大，两组分越容易分 离。当 1时，很难分离， =1时不能用普通方 法分离。
第三节 蒸馏与精馏原理 Principles of distillation and rectification 去冷凝
(6-22)




操作线方程表示某层塔板与其相邻塔板汽相组成 与液相组成之间的关系。精馏段操作线方程是一 直线，斜率R/(R+1)，截距 xD/(R+1)。 通常塔顶的蒸汽在冷凝器中全部冷凝为液相，称 为全凝器，冷凝液在泡点温度下部分回流，称泡 点回流。 全凝器的物料衡算： V=L+D=(R+1)D 例 6-4 氯仿和四氯化碳混合液在一连续精馏塔 中进行分离。要求馏出液中氯仿的组成为 0.95 (摩尔分率) ，馏出液流量50kg/h，塔顶为全凝器， 全塔平均相对挥发度=1.6, 回流比R=2。 求：(1)第一块塔板下降的液体组成； (2)精馏段各板上升蒸汽V及下降液体L。
最低恒沸点 t/ C
78.15 C
x或y 0.894
常压下乙醇－水体系相图
t/ C
最高恒沸点
x或y
常压下硝酸－水体系相图
M
yA
xA
常压下乙醇－水体系y-x相图
yA
M
xA
常压下硝酸－水体系y-x相图



恒沸组成随压力而变。在通常情况下，不 能用普通精馏方法分离恒沸液，使同时得 到两种纯组分。 操作中改变压力可改变恒沸组成，从而越 过原恒沸点，达到完全分离目的。但实际 上很少采用此法。 溶液有无恒沸点，是由实验决定的。并非 所有非理想体系都有恒沸点。


2. 恒摩尔溢流
精馏段内，每层塔板下降的溢流摩尔流量相等。 提馏段内，每层塔板下降的溢流摩尔流量相等




L1=L2=…=Ln=定值 （精馏段） L 1=L2=…=Ln=另一定值 （提馏段） 一定注意： 精馏段和提馏段下降的溢流分别不相等。 精馏段和提馏段上升的蒸汽分别不相等。 因为加料板加入原料液后使两段汽液两相流量发 生变化。 当各组分摩尔汽化焓相等，汽液接触良好且可忽 略显热(与汽化热比较)，保温良好且塔的热损失 可忽略时，恒摩尔流假定基本上成立。