《化工原理》气液平衡液体精馏共84页
合集下载
化工原理-精馏课件
吸收
6.3 双组分连续精馏塔的计算
xD
xq
xF
e
d
xW
yq
a
e
d
a
f
c
yq
非理想溶液
理想溶液
xD
xq
xF
xW
c
吸收
6.3 双组分连续精馏塔的计算
NT，min 当操作线远离平衡线 NT减少，与对角线重合时达到 NT，min，一般由图解法求取。若体系为双组分理想溶液，则可通过解析法计算 （Fenske方程）：
L
V
L’
V’
F
L
V
L’
V’
F
L
F
F
冷液进料
饱和液体进料
气液混合物进料
饱和蒸气进料
过热蒸气进料
吸收
6.3 双组分连续精馏塔的计算
不同 q值对应的 q线方程
进料状况
进料的焓 IF
q值
q线斜率 q/q-1
冷液体
IF<IL
q>1
+
饱和液体
IF=IL
q=1
无穷大
气液混合物
IL<IF<IV
0 < q <1
–
吸收
6.1 理想溶液的气液相平衡
6.1.2 相平衡——相平衡方程 纯液体的挥发度：该液体在一定温度下的饱和蒸气压。 溶液中各组分的挥发度：该组分在蒸气中的分压和与之相平衡的液相中的摩尔分率之比。 相对挥发度：是指溶液中两组分挥发度之比，常以易挥发组分的挥发度为分子。
吸收
6.1 理想溶液的气液相平衡
吸收
6.3 双组分连续精馏塔的计算
对加料板作物料衡算 V’－V＝L’－L－F 令 则有： q 线方程，精馏段操作线和提馏段操作线的交点，但经过 点。
6.3 双组分连续精馏塔的计算
xD
xq
xF
e
d
xW
yq
a
e
d
a
f
c
yq
非理想溶液
理想溶液
xD
xq
xF
xW
c
吸收
6.3 双组分连续精馏塔的计算
NT，min 当操作线远离平衡线 NT减少，与对角线重合时达到 NT，min，一般由图解法求取。若体系为双组分理想溶液，则可通过解析法计算 （Fenske方程）：
L
V
L’
V’
F
L
V
L’
V’
F
L
F
F
冷液进料
饱和液体进料
气液混合物进料
饱和蒸气进料
过热蒸气进料
吸收
6.3 双组分连续精馏塔的计算
不同 q值对应的 q线方程
进料状况
进料的焓 IF
q值
q线斜率 q/q-1
冷液体
IF<IL
q>1
+
饱和液体
IF=IL
q=1
无穷大
气液混合物
IL<IF<IV
0 < q <1
–
吸收
6.1 理想溶液的气液相平衡
6.1.2 相平衡——相平衡方程 纯液体的挥发度：该液体在一定温度下的饱和蒸气压。 溶液中各组分的挥发度：该组分在蒸气中的分压和与之相平衡的液相中的摩尔分率之比。 相对挥发度：是指溶液中两组分挥发度之比，常以易挥发组分的挥发度为分子。
吸收
6.1 理想溶液的气液相平衡
吸收
6.3 双组分连续精馏塔的计算
对加料板作物料衡算 V’－V＝L’－L－F 令 则有： q 线方程，精馏段操作线和提馏段操作线的交点，但经过 点。
第9章 化工原理液体精馏
9 液体精馏(Distillation)
9.1 9.2 9.3 9.4 9.5 9.6 9.7 9.8
蒸馏概述 双组分溶液的气、液相平衡 平衡蒸馏与简单蒸馏 精馏 双组分精馏的设计型计算 双组分精馏的操作型计算 间歇精馏 恒沸精馏与萃取精馏
9.1蒸馏概述
（Introduction of Distillation ）
9.2.2 非理想物系的气液相平衡
正偏差：aAB<aAA，aAB<aBB，即异分子间的排斥倾向起了
主导作用，使溶液的两个组分的平衡分压都比拉乌尔定律 所预计的高，如下图所示。
9.2.2 非理想物系的气液相平衡
正偏差严重时形成具有最低恒沸点的溶液，图9-7苯乙醇溶液就是这种溶液，其最低恒沸点为tm＝68.3℃，最 低恒沸点的恒沸物组成为xm＝0.552。图9-9为乙醇-水溶 液的相平衡曲线也是这种情况，其tm＝78.15 ℃， xm＝
1、蒸馏分离的依据 利用混合物在一定压力下各组分相对挥发度（沸点） 的不同进行分离的一种单元操作。 yA xA y B xB
易挥发组分 ： 沸点低的组分 难挥发组分 ： 沸点高的组分
9.1蒸馏概述
（Introduction of Distillation ）
2、蒸馏的分类
简单蒸馏
平衡蒸馏 （闪蒸） 按蒸馏方式 精馏 恒沸蒸馏 特殊精馏 萃取蒸馏 水蒸汽蒸馏 较易分离的物系 或对分离要求不 高的物系 难分离的物系 很难分离的物
9.2.2 非理想物系的气液相平衡
实际生产中所遇到的大多数物系为非理想物系。非理 想物系的气液相平衡关系的计算要涉及逸度、活度系数等参 数，计算复杂， （1）非理想溶液 溶液的非理想性来源于异种分子之间的作用力aAB不同 于同种分子间的作用力aAA、aBB，其表现是溶液中各组分的 平衡蒸汽压偏离拉乌尔定律。此偏差可以是正偏差，也可以 是负偏差，实际溶液尤以正偏差居多。
9.1 9.2 9.3 9.4 9.5 9.6 9.7 9.8
蒸馏概述 双组分溶液的气、液相平衡 平衡蒸馏与简单蒸馏 精馏 双组分精馏的设计型计算 双组分精馏的操作型计算 间歇精馏 恒沸精馏与萃取精馏
9.1蒸馏概述
（Introduction of Distillation ）
9.2.2 非理想物系的气液相平衡
正偏差：aAB<aAA，aAB<aBB，即异分子间的排斥倾向起了
主导作用，使溶液的两个组分的平衡分压都比拉乌尔定律 所预计的高，如下图所示。
9.2.2 非理想物系的气液相平衡
正偏差严重时形成具有最低恒沸点的溶液，图9-7苯乙醇溶液就是这种溶液，其最低恒沸点为tm＝68.3℃，最 低恒沸点的恒沸物组成为xm＝0.552。图9-9为乙醇-水溶 液的相平衡曲线也是这种情况，其tm＝78.15 ℃， xm＝
1、蒸馏分离的依据 利用混合物在一定压力下各组分相对挥发度（沸点） 的不同进行分离的一种单元操作。 yA xA y B xB
易挥发组分 ： 沸点低的组分 难挥发组分 ： 沸点高的组分
9.1蒸馏概述
（Introduction of Distillation ）
2、蒸馏的分类
简单蒸馏
平衡蒸馏 （闪蒸） 按蒸馏方式 精馏 恒沸蒸馏 特殊精馏 萃取蒸馏 水蒸汽蒸馏 较易分离的物系 或对分离要求不 高的物系 难分离的物系 很难分离的物
9.2.2 非理想物系的气液相平衡
实际生产中所遇到的大多数物系为非理想物系。非理 想物系的气液相平衡关系的计算要涉及逸度、活度系数等参 数，计算复杂， （1）非理想溶液 溶液的非理想性来源于异种分子之间的作用力aAB不同 于同种分子间的作用力aAA、aBB，其表现是溶液中各组分的 平衡蒸汽压偏离拉乌尔定律。此偏差可以是正偏差，也可以 是负偏差，实际溶液尤以正偏差居多。
《化工原理》气液平衡 _液体精馏
15
第7章 液体精馏
7.4.2 物料衡算－操作线方程
1．全塔的物料衡算 对图7-8所示的间接 蒸汽加热的连续精馏塔 作全塔物料衡算，并以 单位时间为基准，源自图7-7 精馏塔的物料衡算
16
第7章 液体精馏
则总物料 易挥发组分 F=D+W FxF=DxD+WxW （7-12） （7-12a）
式中 F－原料液流量（kmol/s）； D－塔顶产品（馏出液）流量（kmol/s）； W－塔底产品（釜残液）流量（kmol/s）； xF－原料液中易挥发组分的摩尔分率； xD－馏出液中易挥发组分的摩尔分率； xW－釜残液中易挥发组分的摩尔分率。
18
第7章 液体精馏
图7-8 精馏段操作线方程的推导
19
第7章 液体精馏
将式7-15代入式7-15a，并整理得：
y n +1 L D = xn + xD L+D L+D
（7-16）
若将上式等号右边的两项的分子和分母同时除以D，可得：
y n +1 = L/D 1 xn + xD L / D +1 L / D +1
13
第7章 液体精馏
7.4 双组分连续精馏的计算
精馏过程的计算可分为设计型和操作型两类。本章重点 讨论板式塔的设计型计算。精馏过程设计型计算，通常已知 原料液流量、组成及分离程度，需要计算和确定的内容有： ①选定操作压强和进料热状态等； ②确定产品流量和组成； ③确定精馏塔的理论板数和加料位置； ④选择精馏塔的类型，确定塔径、塔高和塔板结构尺寸，并 进行流体力学验算； ⑤计算冷凝器和再沸器的热负荷，并确定两者的类型和尺寸。
14
第7章 液体精馏
7.4.1 理论板的概念及恒摩尔流的假定
第7章 液体精馏
7.4.2 物料衡算－操作线方程
1．全塔的物料衡算 对图7-8所示的间接 蒸汽加热的连续精馏塔 作全塔物料衡算，并以 单位时间为基准，源自图7-7 精馏塔的物料衡算
16
第7章 液体精馏
则总物料 易挥发组分 F=D+W FxF=DxD+WxW （7-12） （7-12a）
式中 F－原料液流量（kmol/s）； D－塔顶产品（馏出液）流量（kmol/s）； W－塔底产品（釜残液）流量（kmol/s）； xF－原料液中易挥发组分的摩尔分率； xD－馏出液中易挥发组分的摩尔分率； xW－釜残液中易挥发组分的摩尔分率。
18
第7章 液体精馏
图7-8 精馏段操作线方程的推导
19
第7章 液体精馏
将式7-15代入式7-15a，并整理得：
y n +1 L D = xn + xD L+D L+D
（7-16）
若将上式等号右边的两项的分子和分母同时除以D，可得：
y n +1 = L/D 1 xn + xD L / D +1 L / D +1
13
第7章 液体精馏
7.4 双组分连续精馏的计算
精馏过程的计算可分为设计型和操作型两类。本章重点 讨论板式塔的设计型计算。精馏过程设计型计算，通常已知 原料液流量、组成及分离程度，需要计算和确定的内容有： ①选定操作压强和进料热状态等； ②确定产品流量和组成； ③确定精馏塔的理论板数和加料位置； ④选择精馏塔的类型，确定塔径、塔高和塔板结构尺寸，并 进行流体力学验算； ⑤计算冷凝器和再沸器的热负荷，并确定两者的类型和尺寸。
14
第7章 液体精馏
7.4.1 理论板的概念及恒摩尔流的假定
化工原理课件14精馏
例题2
用一连续精馏塔分离乙醇-水混合液。原 料液中含乙醇摩尔分数为0.4，于40℃ 加入塔中。塔顶设全凝器，泡点回流， 所用回流比为3。塔顶馏出液含乙醇摩 尔分数为0.78，釜液含乙醇摩尔分数为 0.02。试以1kmol/s加料为基准计算塔 内气液两相的流量。
（1）L=1.5kmol/s,V=2.0kmol/s （2）L’=2.6kmol/s,V’=2.1kmol/s
i＞1
如：乙醇－水，正丙醇－水
负偏差溶液 最高恒沸点
如：硝酸－水，氯仿－丙酮
i＜1
蒸馏方式1简单蒸馏
简单蒸馏（ Simple distillation）
简单蒸馏是一个 非稳态过程， 并不简单！ 又名微分蒸馏 （differential distillation）
蒸馏方式1简单蒸馏
设：F、W ——釜内的料液量和残液量，kmol； x1、x2——料液和残液中易挥发组分组成（摩尔分率） L——某一瞬间釜内的液量，kmol； x、y——某一瞬间的液气组成，（摩尔分率）； 经过微分时间dt后，残液量减少dL，液相组成减少dx。 以蒸馏釜为衡算系统 对易挥发组分，dt前后的微分物料衡算为：
离开加热器的温度 ：
r T te (1 q) cP
蒸馏方式2平衡蒸馏
气液平衡关系
x y 1 ( 1) x
t e f x
已知原料液流量F，组成xF，温度tF及汽化率q， 即可求得平衡的汽液相组成及温度。
蒸馏方式3特点
简单蒸馏：间歇不稳定、分离程度不高 平衡蒸馏：连续稳定、分离程度不高 为什么利用多次简单蒸馏或多次平衡蒸馏操作实现 物系的高纯度分离?
vi
pA po xA vA A po 对于理想溶液： A xA xA
化工原理-9章液体精馏-课件PPT
27
两相区特点：当两相温度相同时 y > x 当组成相同，t露点>t泡点
t/C
在总压一定的条件下，将组成为 xf
的溶液加热至该溶液的泡点 TA，产
2
9.1 概 述
工业乙醇的蒸馏（有机化学实验）
3
思考：混合物的分类？ 均相混物：物系内部各处物料性质均匀而且不存在相界面的
混合物。 化工生产过程中所遇到的物料有许多是两个或两个以上 组分的均相混合物。
如：石油、空气、粗甲醇
4
蒸馏操作在工业生产中的应用
5
世界六大蒸馏酒的制备 白兰地(Brandy)、威士忌(Whisky)、伏特加(Vodka)、
N ——组分数 φ ——相数
一定压力下: 组成xA(yA)与温度t存在一一对应关系； 气液组成之间xA~yA存在一一对应关系。
21
二、 拉乌尔定律（ Raoult’s Law）
法国物理学家拉乌尔在1887年研究含有非挥发性溶质的 稀溶液的行为时发现的，可表述为：“在某一温度下，稀溶 液的蒸气压等于纯溶剂的蒸气压乘以溶剂的摩尔分数”。
填料塔
规整填料 塑料丝网波纹填料
散装填料 塑料鲍尔环填料
19
9.2 双组分溶液的气液相平衡
9.2.1 双组分理想物系的气液相平衡
理想物系：液相为理想溶液，气相为理想气体且服从 道尔顿分压定律的物系。
理想液体：没有黏性、不可压缩的液体。 理想气体：严格遵从气体状态方程的气体 。 道尔顿分压定律：理想气体混合物的总压力为各组元
原料液 加热器 减压阀 Q
塔顶产品
yA
闪 蒸 罐 xA
特点：闪蒸是连续、稳定的单级蒸 馏程，生产能力大，不能得 到高纯产物，常用于只需粗 略分离的物料。
两相区特点：当两相温度相同时 y > x 当组成相同，t露点>t泡点
t/C
在总压一定的条件下，将组成为 xf
的溶液加热至该溶液的泡点 TA，产
2
9.1 概 述
工业乙醇的蒸馏（有机化学实验）
3
思考：混合物的分类？ 均相混物：物系内部各处物料性质均匀而且不存在相界面的
混合物。 化工生产过程中所遇到的物料有许多是两个或两个以上 组分的均相混合物。
如：石油、空气、粗甲醇
4
蒸馏操作在工业生产中的应用
5
世界六大蒸馏酒的制备 白兰地(Brandy)、威士忌(Whisky)、伏特加(Vodka)、
N ——组分数 φ ——相数
一定压力下: 组成xA(yA)与温度t存在一一对应关系； 气液组成之间xA~yA存在一一对应关系。
21
二、 拉乌尔定律（ Raoult’s Law）
法国物理学家拉乌尔在1887年研究含有非挥发性溶质的 稀溶液的行为时发现的，可表述为：“在某一温度下，稀溶 液的蒸气压等于纯溶剂的蒸气压乘以溶剂的摩尔分数”。
填料塔
规整填料 塑料丝网波纹填料
散装填料 塑料鲍尔环填料
19
9.2 双组分溶液的气液相平衡
9.2.1 双组分理想物系的气液相平衡
理想物系：液相为理想溶液，气相为理想气体且服从 道尔顿分压定律的物系。
理想液体：没有黏性、不可压缩的液体。 理想气体：严格遵从气体状态方程的气体 。 道尔顿分压定律：理想气体混合物的总压力为各组元
原料液 加热器 减压阀 Q
塔顶产品
yA
闪 蒸 罐 xA
特点：闪蒸是连续、稳定的单级蒸 馏程，生产能力大，不能得 到高纯产物，常用于只需粗 略分离的物料。
第九章 液体精馏-第二节 双组分溶液的气液相平衡
二
PA = P x Aγ A
0 A
PB = P x B γ B
0 B
西北大学化工原理
γ A , γ B 分别为组分A,B的活度系数,它与组成有关
当总压不太高时,汽相仍服从道尔顿定律.
P x Aγ A yA = P
0 A
西北大学化工原理
某些溶液和理想溶液比具有较大的正负差, 具有正偏差的溶液 一般正偏差：pA>pA理， pB>pB理。
2 非理想气体
在高压、低温下进行蒸馏操作时,物系的汽 相与理想气体偏差很大。对实际气体的非理想 性的修正,可查阅有关参考书。
3 总压对相平衡的影响 P升高,泡点t 升高,各组分间挥发度的差异减小,分离 较困难。
西北大学化工原理
p3 > p2 > p1
压力增加，平衡线靠近对角线，分离难度大
西北大学化工原理
平衡物系涉及到参数 t , P , y , x . (利用归一条件) 对双组分物系，一相中某一组分的摩尔分率确定后，另一组分 的摩尔分率也随之而定。则P , t 和组成三个参数中若规定两 个，其余的则不能任意给定。
蒸馏操作在操作之前先要确定操作压力P,（一般为常 压）此时F=1，若 t 一定，组成便随着之确定。即P一定 时， t x； x y（一一对应的关系）.
西北大学化工原理
2. 拉乌尔定律
描述的是：理想溶液某一组分在汽相中 的分压和该组分在液相中的浓度的关系。
y A yB
x A xB
P = f ( A)(t )
0 A
B = PB0 x B
PA0 , PB0 − −在溶液温度 (t)下纯组分 A, B的饱和蒸汽压 PB0 = f ( B )(t )
化工原理液体精馏
pA pyA
yA
pA p
0
K
xA
y A KxA ——相平衡方程
p A 和 p B 的求解 3、
0
0
0
0
p A和 p 0 通常可由安托因(Autoine)方程求解 B
B log p A t C B or , log p A t C
0
6.2.1 理想溶液的汽－液相平衡
三、气相组成与温度（露点）的定量表达
0 pA pA xA yA P P
0 p pB xA 0 0 p A pB
0 0 pA p pB yA 0 0 p p A pB
对一定组成的气相而言，该温度又称为露 点(dew-point)，故上式又称为露点方程。
6.2.1 理想溶液的汽－液相平衡
四、气液相平衡图（相图） 1、温度~组成图,即(t~x或y图) 在总压一定的条件下，将 组成为 xf 的溶液加热至该溶 液的泡点 TA ，产生第一个气 泡的组成为 y1。 继续加热升高温度，物系 变为互成平衡的汽、液两相， 两相温度相同组成分别为 yA 和 xA 。
Vn1 Vn2 VN V
Ln1 Ln2 LN L
——提馏段的恒摩尔流假定。
6.5.1理论板的概念与恒摩尔流的假设
返回
6.4 精馏原理
6.4.1 多次部分汽化、部分冷凝 6.4.2 连续精馏装备流程 6.4.3 塔板的作用 6.4.5 精馏过程的回流
返回
6.4.1 多次部分汽化、部分冷凝
精馏是将由挥 发度不同的组分 所组成的混合液， 在精馏塔中同时 多次地进行部分 气化和冷凝，使 其分离成几乎纯 态组分的过程。
6.2 双组分溶液的汽－液相平衡
液体精馏操作—双组份溶液的气液相平衡关系及应用(化工单元操作课件)
=
/
= ×
/
因为：xB=1-xA， yB=1-yA
相对挥发度表示
的气液平衡关系
αAB•
yA=
1+ αAB−1
x
略去下标则可得相平衡方程： y
1 ( 1) x
化工单元操作技术
相平衡方程分析
讨论：
分析： α>1、α<1或α=1时，混合物的分离情况？
组分的平衡数据，还要做图，用相对挥发度来判别分离的难易程度就相对简单。
1. 挥发度
（1）定义：
混合液中某组分在气相中的分压与该组份在液相中摩尔分数之比。用υi表示。
组分的挥发度是组分挥发性大小的标志
（2）物理意义：
表示物质挥发的难易程度。
（3）表达式：（A-B两种组分混合物）
υA=
υ B=
含苯的摩尔分数为0.5的苯-甲苯混合液进行分
析，在101.3kPa下恒压加热，试求（1）此溶
液的泡点温度T泡；（2）第一个气泡的组成；
（3）露点温度T露；（4）最后一滴液体的组
成；（5）当溶液加热到369K时混合液的状态
和组成。
化工单元操作技术
双组分气液相平衡图
二、t-x(y)图和y-x图
2．气液相平衡图
状态；
气液共存区：处于气相线与液相线之间，气液两相同时存在；
气相区：称为过热蒸汽区，处于气相线以上，溶液全部汽化。
化工单元操作技术
二、t-x(y)图和y-x图
1. 沸点-组成图 ——t-x(y)图
组成为X1，温度为T0（A点）的溶液为过冷液体，将此溶液加
热升温至T1（J点）时，溶液开始沸腾，产生第一个气泡，相应
化工原理气液相平衡
化工原理 第五章 吸收
第一节 概述
第二节 气液相平衡
工程案例—丙酮回收
➢ 湖北某医药以心血管药物、抗抑郁药物、抗肿瘤、
抗病毒药物为主导，在药品生产过程中排放含氯
化氢、丙酮、甲醇、甲苯、二甲苯等污染物的废
气。其中某车间的废气主要以丙酮为主。
➢ 生产数据:废气中丙酮含量1.5%(摩尔分数)，20℃、
1atm，废气排放量为3000 m3/h。需要采取一定
时溶液上方气相中NH3的平衡分压为1.2kPa。试求此时的亨利系数E、溶解度
系数H、相平衡常数m。
解 NH3的摩尔质量为17kg/kmol, 溶液由15kgNH3与1000kg水组成。故液相组成
15Τ17
=
=
=
= 0.01563 摩尔分数
+ 15Τ17 + 1000/18
=
15/17+1000/18
1×76.8
= 0.7349 kmol/(m3·kPa)
传质方向与传质推动力
界面
气相
液相
x
y
y*
y>y*时
y<y*时
A
解吸
吸收
A
气相
液相
x
y
x*
推动力（y-y*）
x*>x时
推动力（y*-y）
X*<x时
（a）用气相组成表示的推动力
界面
A
解吸
吸收
A
推动力（x*-x）
推动力（x-x*）
（b）用液相组成表示的推动力
=
传质方向与传质推动力
【例 5-2】在温度为20℃、总压0.1MPa下，含有CO2 0.1（摩
第一节 概述
第二节 气液相平衡
工程案例—丙酮回收
➢ 湖北某医药以心血管药物、抗抑郁药物、抗肿瘤、
抗病毒药物为主导，在药品生产过程中排放含氯
化氢、丙酮、甲醇、甲苯、二甲苯等污染物的废
气。其中某车间的废气主要以丙酮为主。
➢ 生产数据:废气中丙酮含量1.5%(摩尔分数)，20℃、
1atm，废气排放量为3000 m3/h。需要采取一定
时溶液上方气相中NH3的平衡分压为1.2kPa。试求此时的亨利系数E、溶解度
系数H、相平衡常数m。
解 NH3的摩尔质量为17kg/kmol, 溶液由15kgNH3与1000kg水组成。故液相组成
15Τ17
=
=
=
= 0.01563 摩尔分数
+ 15Τ17 + 1000/18
=
15/17+1000/18
1×76.8
= 0.7349 kmol/(m3·kPa)
传质方向与传质推动力
界面
气相
液相
x
y
y*
y>y*时
y<y*时
A
解吸
吸收
A
气相
液相
x
y
x*
推动力（y-y*）
x*>x时
推动力（y*-y）
X*<x时
（a）用气相组成表示的推动力
界面
A
解吸
吸收
A
推动力（x*-x）
推动力（x-x*）
（b）用液相组成表示的推动力
=
传质方向与传质推动力
【例 5-2】在温度为20℃、总压0.1MPa下，含有CO2 0.1（摩
《化工原理》气液平衡 _液体精馏
7.2.1双组分溶液的气液相平衡
1．双组分理想溶液的气液相平衡关系 气液相平衡关系，是指溶液与其上方的蒸气达到平衡时， 系统的总压、温度及各组分在气液两相中组成间的关系。 ⑴ 理想溶液及拉乌尔定律 实验表明，理想溶液的气液平衡关系遵循拉乌尔定律。 拉乌尔定律表示：当气液呈平衡时，溶液上方组分的蒸气 分压与溶液中该组分的摩尔分率成正比。 在一定压强下，液体混合物开始沸腾产生第一个气泡的温 度，称为泡点温度（简称泡点）。 严格而言，实际上理想溶液是不存在的，仅对于那些由性 质极相近、分子结构相似的组分所组成的溶液，例如苯-甲苯、 甲醇-乙醇、烃类同系物等可视为理想溶液。
9
第7章 液体精馏
7.3 精馏原理
7.3.1 精馏原理
精馏过程原理 可用气液平衡相图 说明，如图7-5所示。
图7-5 多次部分气化和部分冷凝
10
第7章 液体精馏
若将组成为xF、温度低于泡点的某混合液加热到泡点以上， 使其部分气化，并将气相和液相分开，则所得气相组成为y1， 液相组成为x1 ，且y1 ＞xF ＞x1 ，此时气液相量可用杠杆规则确 定。若将组成为y1的气相混合物进行部分冷凝，则可得到组成 为y2的气相和组成为x2的液相；又若将组成为y2的气相部分冷 凝，则可得到组成为y3的气相和组成为x3的液相，且y3＞y2＞y1， 可见气体混合物经多次部分冷凝后，在气相中可获得高纯度的 易挥发组分。同时，若将组成为x1的液相经加热器加热，使其 部分气化，则可得到组成为x2＇的液相和组成为y2＇（图中未 标出）的气相，再将组成为x2＇的液相进行部分气化，可得到 组成为x3 ＇的液相和组成为y3 ＇（图中未标出）的气相，且 x3＇＜x2＇＜x1＇，可见液体混合物经过多次部分气化，在液 相中可获得高纯度的难挥发组分。
1．双组分理想溶液的气液相平衡关系 气液相平衡关系，是指溶液与其上方的蒸气达到平衡时， 系统的总压、温度及各组分在气液两相中组成间的关系。 ⑴ 理想溶液及拉乌尔定律 实验表明，理想溶液的气液平衡关系遵循拉乌尔定律。 拉乌尔定律表示：当气液呈平衡时，溶液上方组分的蒸气 分压与溶液中该组分的摩尔分率成正比。 在一定压强下，液体混合物开始沸腾产生第一个气泡的温 度，称为泡点温度（简称泡点）。 严格而言，实际上理想溶液是不存在的，仅对于那些由性 质极相近、分子结构相似的组分所组成的溶液，例如苯-甲苯、 甲醇-乙醇、烃类同系物等可视为理想溶液。
9
第7章 液体精馏
7.3 精馏原理
7.3.1 精馏原理
精馏过程原理 可用气液平衡相图 说明，如图7-5所示。
图7-5 多次部分气化和部分冷凝
10
第7章 液体精馏
若将组成为xF、温度低于泡点的某混合液加热到泡点以上， 使其部分气化，并将气相和液相分开，则所得气相组成为y1， 液相组成为x1 ，且y1 ＞xF ＞x1 ，此时气液相量可用杠杆规则确 定。若将组成为y1的气相混合物进行部分冷凝，则可得到组成 为y2的气相和组成为x2的液相；又若将组成为y2的气相部分冷 凝，则可得到组成为y3的气相和组成为x3的液相，且y3＞y2＞y1， 可见气体混合物经多次部分冷凝后，在气相中可获得高纯度的 易挥发组分。同时，若将组成为x1的液相经加热器加热，使其 部分气化，则可得到组成为x2＇的液相和组成为y2＇（图中未 标出）的气相，再将组成为x2＇的液相进行部分气化，可得到 组成为x3 ＇的液相和组成为y3 ＇（图中未标出）的气相，且 x3＇＜x2＇＜x1＇，可见液体混合物经过多次部分气化，在液 相中可获得高纯度的难挥发组分。
化工原理-精馏
前页
后页
返回主目录
返回
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
ln P0 A B tC
式中 A 、 B 、 C 为组分的安托因常数，可由有关 手册查得。
前页
后页
返回主目录
返回
2 ）用相对挥发度表示气液平衡关系
返回
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
前页
后页
返回主目录
返回
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：
PA PA0 xA A
PB PB0 xB B
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
前页
后页
返回主目录
返回
前页
后页
返回主目录
返回
第三节 平衡蒸馏和简单蒸馏
➢ 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。
前页
后页
返回主目录
化工原理第九章液体精馏-精品文档
精馏操作的费用和操作压强 操作费用--液体气化需要热量(蒸汽),气体冷凝需要冷量(冷却 水); 设备费用--塔器的投资,由塔直径和塔板数(塔高)确定; 操作压强高—设备要求高,但对低沸点物质可用一般冷却介质; 操作压强低—需要真空设备,但适用高沸点和热敏性物质; 9.2 双组分溶液的气液相平衡 9.2.1 理想物系的气液相平衡 气液两相平衡共存时的自由度 N 2 2 2 2 2 相律 F 1)液相(或气相)组成与温度间一一对应关系; 2)气,液组成间的一一对应关系. 双组分理想物系的液相组成—温度(泡点)关系式 1)液相为理想液体(组分分子结构相似),服从拉乌尔定律; 2)气相为理想气体(低压气体),服从道尔顿分压定律.
1 2
量，得 y f (x) y
x 时， 1 ( 1 ) x
1
x1 1 x2 Ln Ln 1 x2 1 x1 W 1 x 1 W 2x (W 1 W 2 ) y W 2 ( x1 x 2 ) W1W2
气相产品混合组成： y x1
相平衡方程： 泡点方程： 联立可求解
y，x，泡点温度te。
9.3.2 简单蒸馏
设时刻
时，各类变量为
W ， x， dw ， dx ，则： dw dx W y x
d 时间后，变化了
Wx ydw ( W 小 相平衡方程 联立积分求解，当 W 得： Ln W
活度系数是温度和组成的函数可以通过活度系数关联式求得 , 各种关联式中的模型参数由实验数据拟合.
见图9－6，图9－7，图9－8，图9－9，图9－10
在中高压条件下, 需通过状态方程求取逸度系数.
总压对相平衡的影响 混合物的泡点越高,各组分挥发度的差异越小. 因此总压增高, 泡点上升, 相对挥发度减小,分离困难. 当压强大于轻组分的 临界压强时，气液共存区 缩小，分离只能在一定范 围内进行，不能得到轻组 分的高纯度产品。
气液平衡相图与精馏
23气液平衡相图与精馏不同于二组分理想混合物的气液平衡相图，实际混合物的气液平衡相图必须通过实验测定来制作。
鉴于相图不仅能显示系统的强度性质与相态间的关系，而且还能表示相转变的过程，这对相图的工业应用具有重要的价值。
本专题旨在说明各种类型的气液平衡相图与精馏或蒸馏的关系。
1. 气液平衡相图的分类在专题22中，已详细地叙述了二组分理想混合物的气液平衡相图，它是实际气液平衡相图分类的基础。
由于理想液体混合物组分的逸度或蒸气压遵守Raoult 定律，而实际液体混合物组分的逸度或蒸气压可在这个定律的基础上通过引入活度因子i γ来修正，1>i γ的称为正偏差系统；1<i γ的称为负偏差系统，实际混合物的气液平衡相图便是以此来分类。
图23-1是除了理想混合物外的各种类型气液平衡相图：正偏差系统(5) 完全不互溶负偏差系统图23-1 各种类型的二组分气液平衡相图图23-1分类实质上是以组分A和B分子间作用力的强弱作为基础。
已知理想混合物的组分A和B分子间的作用力F A-B与A分子间的作用力F A-A和B分子间的作用力F B-B相等，故正偏差系统意味着F A-B<F A-A和F A-B<F B-B，负偏差系统意味着F A-B >F A-A和F A-B >F B-B。
因为F A-B小于纯组分分子间的作用力时，混合使A和B的逸出能力提高；反之，若F A-B大于纯组分分子间的作用力，则混合使A和B的逸出能力降低。
然而，偏差尚有强弱之别，这便表现出图23-1中的七种情况：一般正偏差如情况(1)所示。
强正偏差如情况(2)所示，此时在恒温相图中的液相线出现了极大值，在恒压相图中的液相线相应地出现了极小值，且在极点处气液两相组成相同。
由于此组成时沸点恒定且最低，故称最低恒沸点，相应组成的混合物称为最低恒沸混合物。
倘若超强的正偏差，则如情况(3)和情况(4)所示，A与B分子间的弱作用使两个组分不能以任意比例互溶，于是液相出现部分互溶。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
该物质在一定温度下的饱和蒸气压来表示。同一温度下，蒸 气压愈大，表示挥发性愈大。对于混合液，因组分间的相互 影响，使其中各组分的蒸气压要比纯组分的蒸气压低，故混 合液中组分的挥发度可用该组分在气相中平衡分压与其在液 相中组成（摩尔分率）之比表示， 2．相对挥发度
相对挥发度，即为混合液中组分挥发度之比，用α表示。
图7-2为苯-甲苯混合液在 外压为101.33kPa下的y-x图。 如图中曲线的D点表示组成 为 x1 的 液 相 与 组 成 为 y1 的 气 相互成平衡。该曲线又称为 平衡曲线。
图7-2 苯-甲苯混合液的y-x图
6
第7章 液体精馏
2．双组分非理想溶液的气液平衡关系 非理想溶液可分为与理想溶液发生正偏差的溶液和负偏差
第7章 液体精馏
7.1 概 述
化工生产过程中，常常需要将均相混合物分离为较纯净 或几乎纯态的物质。对于均相物系必须要造成一个两相物系， 利用原物系中各组分间某种物性的差异，而使其中某个组分 （或某些组分）从一相转移到另一相，以达到分离的目的。 物质在相间的转移过程称为传质过程或分离过程。化工生产 中常见的传质过程有蒸馏、吸收、干燥和萃取等单元操作， 常见的蒸馏方式有简单蒸馏、平衡蒸馏和精馏。当分离程度 要求不高或较易分离时，可采用简单蒸馏或平衡蒸馏；当分 离程度要求很高时，可采用精馏。精馏是蒸馏操作中应用最 广泛的一种。
塔顶蒸汽冷凝器可分为全凝器和分凝器两种。全凝器用 得较多，所以通常称其为冷凝器。
10
第7章 液体精馏
7.3.2 精馏装置的流程
典 型 的 连 续 精 馏 流 程 如 图 7-7 所示。
原料液经预热后，送入精馏
塔内。操作时，连续地从再沸器
取出部分液体作为塔底产品（釜
残液），部分液体气化，产生上
升蒸气，依次通过各层塔板。塔
顶蒸气进入冷凝器中被全部冷凝，
并将部分冷凝液借助重力作用
（也可用泵送）送回塔顶作为回
1
第7章 液体精馏
7.1.1精馏操作在化工中的应用
精馏是分离液体均相混合物典型的单元操作，在化工、 炼油等工业生产中应用很广，例如石油精馏可得到汽油、煤 油和柴油等；液态空气精馏可得到纯的液氧和液氮等。精馏 分离的依据是液体混合物中各组分的挥发性不同。
精馏操作通过气、液两相的直接接触，使易挥发组分由 液相向气相传递，难挥发组分由气相向液相传递，是气、液 两相之间的传质过程。
4
第7章 液体精馏
⑵ 气液平衡相图 ① t-x-y图
该图表示在一定总压下， 温度与气、液相组成之间的 关系。
在 总 压 为 101.33kPa 下 ， 苯 - 甲 苯 混 合 液 的 t-x-y 图 如 图7-1所示。
图7-1 苯-甲苯混合液的t-x-y图
5
第7章 液体精馏
② y-x图
在一定外压下，以y为纵 坐标，以x为横坐标，建立气 - 液 相 平 衡 图 ， 即 y-x 图 ， 图 中曲线代表气液相平衡时的 气相组成y与液相组成x之间 的关系。
流液体，其余部分经冷却器（图
中末画出）后被送出作为塔顶产 品（馏出液）。
1.精馏塔 2.再沸器 3.冷凝器 4.回流液泵
图7-6 连续精馏装置流程
11
第7章 液体精馏
7.3.3塔板与回流的作用
塔内气、液两相每经过一块塔板，上升蒸汽中易挥发组 分和下降液相中难挥发组分分别同时得到一次提浓，因此， 经过的塔板数越多，提浓程度越高。通过整个精馏过程，最 终在塔顶得到高纯度的易挥发组分（塔顶馏出液），塔釜得 到的基本上是难挥发组分。概括来说，每一块塔板是一个混 合分离器，进入塔板的气流和液流之间同时发生传质和传热 过程，结果是两相各自得到提浓。
7.2.1双组分溶液的气液相平衡
1．双组分理想溶液的气液相平衡关系 气液相平衡关系，是指溶液与其上方的蒸气达到平衡时，
系统的总压、温度及各组分在气液两相中组成间的关系。 ⑴ 理想溶液及拉乌尔定律
实验表明，理想溶液的气液平衡关系遵循拉乌尔定律。 拉乌尔定律表示：当气液呈平衡时，溶液上方组分的蒸气 分压与溶液中该组分的摩尔分率成正比。 在一定压强下，液体混合物开始沸腾产生第一个气泡的温 度，称为泡点温度（简称泡点）。 严格而言，实际上理想溶液是不存在的，仅对于那些由性 质极相近、分子结构相似的组分所组成的溶液，例如苯-甲苯、 甲醇-乙醇、烃类同系物等可视为理想溶液。
凝，则可得到组成为y3的气相和组成为x3的液相，且y3＞y2＞y1，
可见气体混合物经多次部分冷凝后，在气相中可获得高纯度的 易挥发组分。同时，若将组成为x1的液相经加热器加热，使其 部分气化，则可得到组成为x2＇的液相和组成为y2＇（图中未 标出）的气相，再将组成为x2＇的液相进行部分气化，可得到 组成为x3＇的液相和组成为y3＇（图中未标出）的气相，且 x3＇＜x2＇＜x1＇，可见液体混合物经过多次部分气化，在液 相中可获得高纯度的难挥发组分。
的溶液。例如，乙醇-水物系是具有正偏差的非理想溶液；硝 酸-水物系是具有负偏差的非理想溶液。它们的y-x图分别如图 7-3和7-4所示。
图7-3 乙醇-水溶液的y-x图
图7-4 硝酸-水溶液的y-x图
7
第7章 液体精馏
7.2.2相对挥发度
1 ．挥发度 挥发度可表示物质挥发的难Biblioteka 程度。纯物质的挥发度可用8
第7章 液体精馏
7.3 精馏原理
7.3.1 精馏原理
精馏过程原理 可用气液平衡相图 说明，如图7-5所示。
图7-5 多次部分气化和部分冷凝
9
第7章 液体精馏
若将组成为xF、温度低于泡点的某混合液加热到泡点以上， 使其部分气化，并将气相和液相分开，则所得气相组成为y1， 液相组成为x1，且y1＞xF＞x1，此时气液相量可用杠杆规则确 定。若将组成为y1的气相混合物进行部分冷凝，则可得到组成 为y2的气相和组成为x2的液相；又若将组成为y2的气相部分冷
2
第7章 液体精馏
7.1.2 精馏的分类
工业上精馏操作可按以下方法分类： （1）操作方式：可分为间歇精馏和连续精馏。 （2）物系中组分的数目：可分为双组分精馏和多组分精馏。 （3）物系分离的难易：可分为精馏和特殊精馏。 （4）操作压强：可分为常压精馏、减压精馏和加压精馏。
3
第7章 液体精馏
7.2 双组分溶液的气液相平衡
相对挥发度，即为混合液中组分挥发度之比，用α表示。
图7-2为苯-甲苯混合液在 外压为101.33kPa下的y-x图。 如图中曲线的D点表示组成 为 x1 的 液 相 与 组 成 为 y1 的 气 相互成平衡。该曲线又称为 平衡曲线。
图7-2 苯-甲苯混合液的y-x图
6
第7章 液体精馏
2．双组分非理想溶液的气液平衡关系 非理想溶液可分为与理想溶液发生正偏差的溶液和负偏差
第7章 液体精馏
7.1 概 述
化工生产过程中，常常需要将均相混合物分离为较纯净 或几乎纯态的物质。对于均相物系必须要造成一个两相物系， 利用原物系中各组分间某种物性的差异，而使其中某个组分 （或某些组分）从一相转移到另一相，以达到分离的目的。 物质在相间的转移过程称为传质过程或分离过程。化工生产 中常见的传质过程有蒸馏、吸收、干燥和萃取等单元操作， 常见的蒸馏方式有简单蒸馏、平衡蒸馏和精馏。当分离程度 要求不高或较易分离时，可采用简单蒸馏或平衡蒸馏；当分 离程度要求很高时，可采用精馏。精馏是蒸馏操作中应用最 广泛的一种。
塔顶蒸汽冷凝器可分为全凝器和分凝器两种。全凝器用 得较多，所以通常称其为冷凝器。
10
第7章 液体精馏
7.3.2 精馏装置的流程
典 型 的 连 续 精 馏 流 程 如 图 7-7 所示。
原料液经预热后，送入精馏
塔内。操作时，连续地从再沸器
取出部分液体作为塔底产品（釜
残液），部分液体气化，产生上
升蒸气，依次通过各层塔板。塔
顶蒸气进入冷凝器中被全部冷凝，
并将部分冷凝液借助重力作用
（也可用泵送）送回塔顶作为回
1
第7章 液体精馏
7.1.1精馏操作在化工中的应用
精馏是分离液体均相混合物典型的单元操作，在化工、 炼油等工业生产中应用很广，例如石油精馏可得到汽油、煤 油和柴油等；液态空气精馏可得到纯的液氧和液氮等。精馏 分离的依据是液体混合物中各组分的挥发性不同。
精馏操作通过气、液两相的直接接触，使易挥发组分由 液相向气相传递，难挥发组分由气相向液相传递，是气、液 两相之间的传质过程。
4
第7章 液体精馏
⑵ 气液平衡相图 ① t-x-y图
该图表示在一定总压下， 温度与气、液相组成之间的 关系。
在 总 压 为 101.33kPa 下 ， 苯 - 甲 苯 混 合 液 的 t-x-y 图 如 图7-1所示。
图7-1 苯-甲苯混合液的t-x-y图
5
第7章 液体精馏
② y-x图
在一定外压下，以y为纵 坐标，以x为横坐标，建立气 - 液 相 平 衡 图 ， 即 y-x 图 ， 图 中曲线代表气液相平衡时的 气相组成y与液相组成x之间 的关系。
流液体，其余部分经冷却器（图
中末画出）后被送出作为塔顶产 品（馏出液）。
1.精馏塔 2.再沸器 3.冷凝器 4.回流液泵
图7-6 连续精馏装置流程
11
第7章 液体精馏
7.3.3塔板与回流的作用
塔内气、液两相每经过一块塔板，上升蒸汽中易挥发组 分和下降液相中难挥发组分分别同时得到一次提浓，因此， 经过的塔板数越多，提浓程度越高。通过整个精馏过程，最 终在塔顶得到高纯度的易挥发组分（塔顶馏出液），塔釜得 到的基本上是难挥发组分。概括来说，每一块塔板是一个混 合分离器，进入塔板的气流和液流之间同时发生传质和传热 过程，结果是两相各自得到提浓。
7.2.1双组分溶液的气液相平衡
1．双组分理想溶液的气液相平衡关系 气液相平衡关系，是指溶液与其上方的蒸气达到平衡时，
系统的总压、温度及各组分在气液两相中组成间的关系。 ⑴ 理想溶液及拉乌尔定律
实验表明，理想溶液的气液平衡关系遵循拉乌尔定律。 拉乌尔定律表示：当气液呈平衡时，溶液上方组分的蒸气 分压与溶液中该组分的摩尔分率成正比。 在一定压强下，液体混合物开始沸腾产生第一个气泡的温 度，称为泡点温度（简称泡点）。 严格而言，实际上理想溶液是不存在的，仅对于那些由性 质极相近、分子结构相似的组分所组成的溶液，例如苯-甲苯、 甲醇-乙醇、烃类同系物等可视为理想溶液。
凝，则可得到组成为y3的气相和组成为x3的液相，且y3＞y2＞y1，
可见气体混合物经多次部分冷凝后，在气相中可获得高纯度的 易挥发组分。同时，若将组成为x1的液相经加热器加热，使其 部分气化，则可得到组成为x2＇的液相和组成为y2＇（图中未 标出）的气相，再将组成为x2＇的液相进行部分气化，可得到 组成为x3＇的液相和组成为y3＇（图中未标出）的气相，且 x3＇＜x2＇＜x1＇，可见液体混合物经过多次部分气化，在液 相中可获得高纯度的难挥发组分。
的溶液。例如，乙醇-水物系是具有正偏差的非理想溶液；硝 酸-水物系是具有负偏差的非理想溶液。它们的y-x图分别如图 7-3和7-4所示。
图7-3 乙醇-水溶液的y-x图
图7-4 硝酸-水溶液的y-x图
7
第7章 液体精馏
7.2.2相对挥发度
1 ．挥发度 挥发度可表示物质挥发的难Biblioteka 程度。纯物质的挥发度可用8
第7章 液体精馏
7.3 精馏原理
7.3.1 精馏原理
精馏过程原理 可用气液平衡相图 说明，如图7-5所示。
图7-5 多次部分气化和部分冷凝
9
第7章 液体精馏
若将组成为xF、温度低于泡点的某混合液加热到泡点以上， 使其部分气化，并将气相和液相分开，则所得气相组成为y1， 液相组成为x1，且y1＞xF＞x1，此时气液相量可用杠杆规则确 定。若将组成为y1的气相混合物进行部分冷凝，则可得到组成 为y2的气相和组成为x2的液相；又若将组成为y2的气相部分冷
2
第7章 液体精馏
7.1.2 精馏的分类
工业上精馏操作可按以下方法分类： （1）操作方式：可分为间歇精馏和连续精馏。 （2）物系中组分的数目：可分为双组分精馏和多组分精馏。 （3）物系分离的难易：可分为精馏和特殊精馏。 （4）操作压强：可分为常压精馏、减压精馏和加压精馏。
3
第7章 液体精馏
7.2 双组分溶液的气液相平衡