化工原理精馏

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第一节 概述
2）闪蒸 是一种单极的平衡操作，连续或间歇、稳定的。
➢ 混合液经加热器升温后液体温度高于分液器压强 下的液体沸点，然后通过减压阀使其降压后进入 分离器中，这时过热的液体混合物即被部分气化， 平衡的气液两相在分离器中得到分离，将分离器 又称为闪蒸罐（塔）
例如：高压锅，冷却后才可以打开
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第一节 概述
1 、定义 （ 2 ）蒸馏：利用液体混合物中各组分挥发性的差异
而将组分分离的传质过程。为一次部分 气化分离混合物； （ 3 ）精馏：多次部分汽化，多次部分冷凝。 用浓度表示组分的变化。
易挥发组分：沸点低的组分，用A表示，yA，xA 难挥发组分：沸点高的组分，用B表示，yB，xB y与x的关系无法确定，通常达到平衡时关系才确定
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第一节 概述
恒沸精馏——工业酒精的提纯，加入夹带剂苯， 形成三元非均相恒沸液；
5）蒸发与蒸馏的区别 蒸发——A组分挥发，B组分不挥发，供热就分离； 蒸馏——A，B均挥发，存在一个平衡关系！
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第二节 两组分溶液的气液平衡
1-2-1 两组分理想物系的气液平衡
➢当外压不太高时，平衡的气相可视为理想气体，
遵循道尔顿分压定律，即
P P A P BP A 0x P B 0(1 x)
x
P PB0 PA0 PB0
—— 由拉乌尔定律表示的气液平衡关系
yAP PAP PA0xAP PA0 P PA0P PB0B0
yA KAxA
——K 为相平衡常数，并非常数，随温度而变。
于是，经过多次部分汽化和部分冷凝，最后在塔顶 得到高纯度的轻组分，而在塔底获得高纯度的重组
分，达到较完善的分离程度。
➢精馏与平衡蒸馏之区别在于是否需要外界换热。 ➢回流是保证精馏过程连续稳定操作的必要条件。
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4-1-1 精馏过程原理和条件
2 、精馏是多次部分汽化与多次部分冷凝的联合操作
精馏原理：精馏塔中蒸汽自下而上流动，液体自上而下
流动。汽液两相在塔板上接触并分开。
接触时汽相的热传递给液体，使液体易挥发组分
部分汽化传质到汽相中；
而汽相被液体冷凝使汽相中的难挥发组分部分冷
凝转入到液相中。
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4-1 精馏原理和流程
汽相与液相离开后，汽相中的易挥发组分浓度高， 液相中难挥发组分提高。
（ 1 ）挥发度
• 对纯液体，挥发度指该液体在一定温度下的饱和蒸汽压
A
P
0 A
v B PB0
• 对混合液，各组分的挥发度可用它在蒸气中的分压和
与之平衡的液相中的摩尔分数之比表示，即 i
Pi xi
（ 2 ）相对挥发度：溶液中易挥发组分的挥发度与 难挥发组分 的挥发度之比，用 α 表示。
AP A/xA 操 作 压 强 不 高 P yA/xAyA xB
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1 理论板的概念
这说明塔板主要起到了气液两相间的传质作用。
气液两相平衡的组成：
yn
xn 1( 1)xn
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4-1-2 精馏过程的条件 2 恒摩尔流假定
（ 1 ）恒摩尔汽流：
精馏段和提馏段内由每层塔板上升蒸汽的摩尔流量分别 相等，即：
（ 2 ）恒摩尔液流：
精馏段和提馏段内由每层塔板下降液体的摩尔流量分别 相等，即：
一、相律 相律是研究相平衡的基本规律。 表示平衡物系中自由度数、相数及独立组分 数间的关系，即： F = C – P + 2
式中 F— 自由度数； C— 独立组分数； P— 相数；2 表示外界只有温度和压力这两
个条件可以影响物系的平衡状态。
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第二节 两组分溶液的气液平衡
➢对于两组分的气液平衡物系， F= 2 – 2 + 2 = 2 ➢气液平衡中可以变化的参数有4个：t，P，x，y
1 平衡蒸馏 平衡蒸馏又称为闪蒸，是一种单级蒸馏操作，常以连续
方式进行。原料连续进入加热器中，加热到一定温度后经节 流阀减到规定的压力，部分液体迅速汽化，汽液两相在分离 器中分开。由于汽液两相成平衡状态，所以称为平衡蒸馏。
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第三节 平衡蒸馏和简单蒸馏
2 简单蒸馏
流程及原理：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。
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1 ) 用饱和蒸气压和相平衡常数表示气液平衡关系
纯组分的饱和蒸气压与温度 t 的关系可由安托因 （ Antoine ）方程计算或从手册中查
lnP0 A B t C
式中 A 、 B 、 C 为组分的安托因常数，可由有关 手册查得。
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2 ）用相对挥发度表示气液平衡关系
yBxA (1y)x
y x
1 (a 1)x
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3 ）气液平衡方程
y x
1 (a 1)x
—— 气液平衡方程
➢α＞1时，组分 A 较 B 易挥发，可以用蒸馏方法分离。
➢α>>1时，挥发度差异愈大，愈有利于蒸馏操作。
➢α = 1时，不能用普通蒸馏的方法分离混合液。
a 可作为混合液能否用蒸馏方法分离以及分离难易 程度的判据。
若三个变量固定(t，P，x或y)，则该物系只有一 个独立变量（x 或 y) ，其它变量都是它的函数， 那么两组分的气液平衡可以用一定压强下的t— x(或y)，及x—y的函数关系或相图表示。
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二、两组分理想物系的气液平衡关系 遵循拉
乌尔定
律
遵循道 尔顿定
律
理想物系：液相为理想溶液、气相为理想气体的物系。
➢ 简单蒸馏多用于混合液的初步分离，通常当馏出液平均组
成或釜残液组成降至某规定值后，即停止蒸馏操作。
➢蒸馏是一个非稳态过程，虽然瞬间形成的蒸气与液体可视为 互相平衡，但形成的全部蒸气并不与剩余液体相平衡。因此， 简单蒸馏的计算应该作微分衡算。
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2 简单蒸馏
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三、两组分理想溶液的汽液平衡相图
蒸馏操作通常是在一定的外压下进行，溶液的平衡温度随 组成而变。溶液的平衡温度 — 组成图是分析蒸馏原理的基础。
1 、温度 — 组成 ( t – x – y 图 )
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1 、温度 — 组成 ( t – x – y 图 )
沸点
露点 温
（ 3 ）恒摩尔流假设的条件
a ：各组分的摩尔汽化潜热相等； b ：气液接触时交换的显热可以忽略； 前c页：塔设备保后温页 良好，热损返失回可主目以录 忽略。 返回
4-2 物料衡算和操作线方程
4-2-1 全塔物料衡算
如图所示，设
F— 原料 ( 液 ) 摩尔流量， kmol/h ；
D— 馏出液摩尔流量， kmol/h ；
vB P B/xB
P yB/xB yB xA
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相对挥发度的数值可由实验测得 对理想溶液： A PA0
v B PB0
当温度变化时，两者的变化不大，一般可将 α 视为 常数，计算时可取操作温度范围内的平均值。
3 ）气液平衡方程
对于两组分溶液，当总压不高时，由于
yAxB = y(1x)
PA PA0xAA
PB PB0xBB
正偏差溶液
最低恒沸点
非理想溶液
γi >1 如：乙醇－水，正丙醇－水
负偏差溶液
最高恒沸点
γi <1 如：硝酸－水，氯仿－酮
当总压不高时，气相为理想气体，则平衡气相组成为：
yA
PA0 xA A
P
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第三节 平衡蒸馏和简单蒸馏
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第一节 概述
2 、蒸馏分离的特点 （ 1 ）通过蒸馏操作，可以直接获得所需要的产品，
而吸收和萃取还需要如其它组分； （ 2 ）蒸馏分离应用较广泛，历史悠久； （ 3 ）能耗大，在生产过程中产生大量的气相或液相。
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第一节 概述
3 、蒸馏的分类
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第四节 精 馏
❖4-1 精馏原理与流程 ❖4-2 物料衡算和操作线方程 ❖4-3 理论板层数的求法 ❖4-4 双组分精馏的设计型计算 ❖4-5 双组分精馏的操作型计算 ❖4-6 塔高和塔径的计算
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4-1 精馏原理和流程
4-1-1 精馏过程原理 1 、多次部分汽化和多次部分冷凝
2、精馏与蒸馏的区别： 精馏有“回流”，而蒸馏没有“回流”。
精馏操作的必要条件 塔顶的液相回流与塔釜部分汽化造成的气相回流。
精馏操作的基本流程：塔[精馏段+ 提馏段（含进料 板）]、再沸器、冷凝器
1 、为什么要回流？
2 、为什么要再沸？
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4-1-2 精馏过程的条件
1 理论板的概念
度
T
℃
泡点
x(y1)
x 越大，易挥发组分的含量越高，泡点温度越低。 y 越大，易挥发组分含量越高，露点温度越低。
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2、x-y图
• 平衡线位于对角线的上方，平衡线偏离对角线愈远， 表示该溶液愈易分离。
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1-2-2 两组分非理想物系的气液平衡
非理想溶液的平衡分压可用修正的拉乌尔定律表示，即：
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Байду номын сангаас
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第一节 概述
如：不同组分其挥发难易度不同，使易挥发组分 在气相中富集，难挥发组分在液相中富集， 直到达到气液平衡。
1 、定义 (1) 质量传递过程（传质过程）： 由浓度差引起的物质在相际间的传质过程。
➢化工生产中常见的传质过程有蒸馏、吸收、萃取 和干燥等单元操作。
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1 、理论板
离开该塔板的蒸汽和液体成平衡的塔板，即 y n 与 x n 成平衡关系的塔板。
塔板是开有许多小孔的圆板， 在精馏塔内放有许多塔板。假设 蒸汽和液体充分接触，并在离开 第 n 层板时达到相平衡， 则y n 与 x n 平衡，且 y n >y n+1 ，
x n <x n-1 。
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第一节 概述
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第一节 概述
1）简单蒸馏 是间歇、不稳定的，要考虑到成本、 产率，需要 进行 经济核算；
➢ 蒸发时，第一滴的浓度最高，随着蒸馏的进行， x减少，y减少；
➢ 提高蒸馏浓度，可以在设备的出口处加一部分 冷凝器，难挥发组分就冷凝的多，可以提高产 品的质量，但设备成本增加。
A — 易挥发组分； B— 难挥发组分。
式中 P A — 溶液中组分 A 的蒸汽压；即溶液上方组分 A 的 平衡分压， Pa ；
P
0 A
— 纯组分 A 的饱和蒸汽压，Pa ；
x A — 组分 A 的液相摩尔分率；
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1 ) 用饱和蒸气压和相平衡常数表示气液平衡关系
➢当溶液沸腾时，溶液上方的总压等于各组分的蒸 气压之和;
• 精馏塔由若干块塔板构成，每块塔板均为理论板， 其上温度为泡点；
塔板 —— 中间再沸器和中间部分冷凝器 汽流 —— 热源，液流 —— 冷却剂
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4-1-1 精馏过程原理和条件
精馏塔除了塔板外，在塔顶还有冷凝器，在塔底还 有再沸器。 再沸器的作用是提供一定量的上升蒸气流， 冷凝器的作用是提供塔顶液相产品及保证有适宜的
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第一节 概述
3）精馏 多次部分气化与冷凝的过程，可以使混合液得到 几乎完全分离，是常压下、连续、双组分的蒸馏；
例如：苯─甲苯，乙醇─正丙醇，乙醇─水 物性相似，沸点（80.1℃,110.8 ℃ ）， 空间结构不同
4）特殊精馏： 萃取精馏——苯─环己烷，沸点相近(80.1℃,80.6 ℃)， 加入萃取剂糠醛改变组分间的挥发度；
W— 釜残液摩尔流量， kmol/h ；
xF 、 xD 、 xW — 原料液、馏出液、釜残液 的易挥发组分的摩尔分率。
液 相回流，
因而使精馏能连续进行。塔顶如果没有回流液体
返回精馏塔，则塔顶最上一层塔板的传质就无法进行，
同样塔底如果没有上升蒸汽返回精馏塔，则塔底最下
一层塔板的传质也无法进行。
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精馏塔的精馏过程
精馏段 提馏段
进料 板
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讨论与说明
1、采用多次部分汽化和多次部分冷凝的方法对液体 混合物进行高纯度分离
对于性质极相近、分子结构相似的组分所组成的溶液
可视为理想溶液
1 ）用饱和蒸气压和相平衡常数表示气液平衡关系
拉乌尔定律：理想溶液中某组分的蒸汽压等于该组分
同温度下的纯液体蒸汽压与溶液中该组 分的摩尔分率的乘积。
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二、两组分理想物系的气液平衡关系
那么： PAPA0xAPA0x P BP B 0xBP B 0(1x)