化工原理第六章蒸馏

恒摩尔气流 恒摩尔液流
注意：V不一定等于V′，L不一定等于L′
溶液中两组分的摩尔汽化热相等，即rA rB； 因汽液两相温度不同而传递的热量可忽略； 假定 精馏塔保温良好，其热量损失可以忽略。
三、进料热状态参数q
1.进料热状况的定性分析：
A — — 过冷液体；
B — — 饱和液体；
Ln1 温度 易挥发汽化多
Vn yn
气相
液相
yn yn1 xn xn1
Ln1 x n1
Ln xn
n-1 n n+1
塔顶：纯A 塔釜：纯B
Vn1 y n 1
yn+1 tn+1 tn tn-1 xn
G O P
yn
t/℃
xn-1
0
x或y
1.0
加料位置 ——与原料液组成和温度相近的板上进料
由P、T x , y ？(平衡时)
pA p x A
0 A
pB p xB p (1 x A )
0 B 0 B
0 p0 x A pB (1 x A ) P A
pA pB P
0 0 x A ( P pB ) ( p0 pB ) A
p pA yA xA yA P P 0 0 由T p A和pB 0 xA
240 101.33
pA
pB
0
,kPa ,kPa
101.33 116.9 135.5 155.7 179.2 204.2 40.0 46.0 54.0 63.3 74.3 86.0
0
温度℃
80.1
85
90
95
100
105
110.6 240
pA
0
,kPa
101.33 116.9 135.5 155.7 179.2 204.2
N N
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 简单蒸馏也称微分蒸馏 ，间歇非稳态操作，在 蒸馏过程中系统的温度 和汽液相组成均随时间 改变。
2.平衡蒸馏 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。生产工艺中溶 液的闪蒸分离是平衡 蒸馏的典型应用。
二、精馏原理
查得
0 A
——泡点方程 气液平衡关系式
y~x
yA
P 已知
xA
P pB
0
0 p 0 pB A
pA xA P
yA
二、理想溶液的气液平衡相图
① 已知 P 、x( y )
t x y
② 已 知 P 、T
可求气、液平衡组成
y~x
1.温度-组成图： (t x y )
图
E D
t / C
40 78 解： 进料组成： F x 0.44 40 78 60 92 2 78 0.0235 釜残液组成：xW 2 78 95 92
平均分子量： F 0.44 78 0.56 92 85.8 kg kmol M
原料液流量： 15000 85.8 175.0 kmol h F DxD 0.971 已知： A Fx F
p 101.325kPa
饱和蒸气线 （露点线）
C B A
过热蒸气区
饱和液体线 （泡点线）
0
气液 共存区 液相区
x或 y
1.0
‫٭‬纯组分，沸点不变， 泡点＝露点
p 101.325kPa
‫٭‬溶液，沸点随组成而变， 泡点≠露点
t / C
0
x或 y
1.0
t℃
x y
80.1
1.000 1.000
0 0 0
2.54 2.37 2.46 2
ax 根据 y 1 (a 1) x
2.46x 1 1.46x
四、非理想溶液的气液平衡相图
1.非理想溶液： ——不符合拉乌尔定律
FAB FAA
FAB FBB
FAB FAA
0 ( pA p0 x A，pB pB xB 沸点偏低 ） A
y A x A , yB xB

越大于1，越容易精馏分离
‫٭‬若 a 1,
越小于1，越容易精馏分离，此时B为易挥发组分
‫٭‬若a 1， y A x A , yB xB 则不能采用普通精馏分离。 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。
DxD 0.971 175 0.44
D 80.0kmol h W 95.0kmol h x 0.935 D
全塔物衡：D W F 175
DxD WxW FxF
即： D 0.0235 175 0.44 Dx W
二、恒摩尔流量的假设
正偏差溶液
0 ( pA p0 x A，pB pB xB 沸点偏高 ） A
FAB FBB
负偏差溶液
2.恒沸液与恒沸组成：
P
x(y)
最大正偏差溶液 — — 最 低 恒 沸 点 ——恒沸液
( yM xM —恒 沸 组 成 )
P
x(y)
高恒 最大负偏差溶液 — — ( y 最x — 恒沸 点 ) ——恒沸液 沸组 成
pB ,kPa 40.0 46.0 解：以t=85℃为例
0
54.0
63.3
74.3
86.0
101.33
0 P pB 101.33 46.0 xA 0 0.780 0 p A pB 116.9 46.0
116.9 p0 A 0.780 0.900 yA xA 101.33 P
两组分精馏 按组分数目 — 多组分精馏
按蒸馏方式 —
简单蒸馏
图 图
平衡蒸馏(闪蒸)
精馏
特殊精馏
简单蒸馏
返回
平衡蒸馏(闪蒸)
返回
第一节 双组分溶液的气液平衡 一、溶液蒸气压和拉乌尔定律
1.饱和蒸汽压
pA
纯液体A
0
pB
纯液体B
0
pA pB
液体A+B
pA pA
2.蒸馏目的： 分离液体混合物 3.分离依据： 各组分的挥发度不同
yA xA yB xB B——挥发度小——沸点高——重组分
A——挥发度大——沸点低——轻组分
4.分类
连续精馏 按操作流程 — 间歇精馏
常压精馏 — 减压精馏 按操作压强 加压精馏
加料板及其以下 ——提馏段
加料板以上 ——精馏段
间歇精馏：
——只有精馏段， 没有提馏段
第三节 双组分连续精馏的计算与分析
设计型计算： 操作型计算：
一、全塔物料衡算
F、D、W — kmol( A B) h
xF、xD、xW — kmolA kmol( A B) 总物料：F D W
轻组分：FxF DxD WxW 轻组分回收率：
A
W (1 xW ) 重组分回收率： B F (1 xF )
( DxD ) ( FxF )
例:将15000kg/h含苯40%（质量分率）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。
C — — 汽液混合物；
t 泡 t t露
t t泡
t t泡
D — — 饱和蒸气
E — — 过热蒸气；
t t露
t t露
2.进料热状况 单位进料流量所引起的提 馏段与精馏段下降液体流 量之差值以q表示 对进料板作物料衡算：
L L q F
L' L qF
0 B
温度℃
80.1
85
2.54
90
2.51
95
2.46
100
2.41
105
2.37
110.6

x y y’ 1.000 1.000 1.000
0.780 0.581 0.412 0.258 0.130 0.900 0.777 0.633 0.456 0.262 0.897 0.773 0.633 0.461 0.269
0
pB pB
0
2.道尔顿分压定律
pA pA yA P p A pB 理想气体： y p B pB B P p A pB
3.拉乌尔定律：
若为理想溶液
pA p x A
0 A
同温度下纯A的饱和蒸汽压,Pa
0 0 pB pB xB pB (1 x A ) 同样：
1.理论板：
液 相 均 匀 xn 与 y n 相 平 衡 xn yn 1 ( 1) xn
2.恒摩尔流量的假设：
气 流 ：V1 V2 Vn V 精 馏 段 液 流 ：L1 L2 Ln L V 气 流 ： 1 V2 Vm V 提 馏 段 L 液 流 ： 1 L2 Lm L
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交换的
场所。 (2)每块塔板相当于一只釜的作用。
Vn yn
Ln1 x n1
Ln xn
n-1 n n+1
Vn1 y n 1
t n1 t n t n1
离开第n板
Vn1、Ln1
进入第n板
Vn1 温度 难挥发冷凝多
yA xA 1 yA 1 xA
y A x A , yB xB
‫٭‬t改变, 变化不大
例1.苯(A)和甲苯(B)的饱和蒸汽压和温度的关系数 据如表所示。利用拉乌尔定律计算苯－甲苯混合液 在P＝101.33kPa下的气液平衡数据。该溶液可视为 理想溶液。
温度℃ 80.1 85 90 95 100 105 110.6
‫٭‬t x y y x 图：
温度℃
95 90 85 80 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0
x( y )
特点： ‫٭‬平衡线偏离对角线越远，越易精馏。 ‫ ٭‬y x 图上读不出温度数据 ‫ ٭‬P对 y x图影响不大，但对 t x y 图影响很大。
三、相对挥发度
pA
0
0
,kPa ,kPa
116.9 135.5 155.7 179.2 204.2 46.0 54.0 63.3 74.3 86.0
pB
例2. 计算例1中苯－甲苯体系在不同温度下 ， 并据此算出各温度下的气液平衡数据y-x。 解：以t=100℃为例
p
0 A
p 179.2 74.3 2.41
1.挥发度(v )：
v A pA x A v B pB x B
‫٭‬若为理想溶液, 则 v A p 2.相对挥发度( a )：
0 A
定义：
a
v A( 轻组分) v B( 重组分)
pA xB Py x y x yA xA a y x pB x A Py x yB xB
第六章 蒸馏
1.传质过程： 物质在一相转移到另一相的过程
分离
棉酚 +棉籽油 甲醇溶液 +棉酚 分离 萃 取
气相 NH3 + 空气 水
NH3
吸 收
棉酚: 液相
液相
分离液体混合物
NH3: 气相 液相 分离混合气体
乙醇 (大量) 气相 水(少量) 乙醇 ＋ 水 分离 蒸 馏
乙醇: 液相
气相
分离液体混合物
110 105 100
85
90
95
100
105
110.6
0 0
0.780 0.581 0.412 0.258 0.130 0.900 0.777 0.633 0.456 0.262
温度℃
95 90 85 80 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0
返回
x( y )
2. y x 图：
110 105 100
t℃ x y
80.1 1.000 1.000
85
90
95
100
105
110.6 0 0
0.780 0.581 0.412 0.258 0.130 0.900 0.777 0.633 0.456 0.262
温度℃
80.1 101.33 40.0
85
90
95
100
105
110.6 240 101.33
1.连续精馏装置： 再沸器：提供一定量的 上升蒸汽流 冷凝器：提供塔顶液相 产品及保证有适宜的 液相回流
2.多级分离：
y1 y2 y3
Fra Baidu bibliotek
缺点：收率低、能耗高
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 塔内温度自顶至底依次升高。 必要条件： ‫٭‬塔顶液体的回流; ‫٭‬塔釜液体的部分气化。
A B A B B A B A
yA xA a 1 yA 1 xA

ax y 1 (a 1) x
A
－－气液平衡方程
0 A 0 B
p 理想溶液： a p
B
yA xA a 1 yA 1 xA
yA xA ‫٭‬若 a 1, 1 y 1 x A A