第9章 化工原理液体精馏

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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 )
9.3.2简单蒸馏
d 时间内易挥发组分的物料衡算: Wx ydW W dW x dx
略去二阶无穷小量,上式可写为
任一瞬间的气、液相组成与互为平衡,即 y f x 联立可得: W1 1 x2 1 x1 ln ln x ln 1 x W2 1 2 1
当t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。
9.2.1 理想物系的气液相平衡
若操作压强不高,气相遵循道尔顿分压定律
pA yA pB yB
p A xB y A xB pB x A yB xA
y (1 x) (1 y ) x
x y 1 ( 1) x
9.1蒸馏概述
⑵工业蒸馏过程
②简单蒸馏 简单蒸馏为间歇操作过程,其流程如下图。
9.1蒸馏概述
⑷精馏操作的费用和操作压强
蒸馏和精馏都是通过气化、冷凝达到分离提浓的目的,能 耗很高. 节能降耗是精馏过程研究的重要任务。 蒸馏过程中的液体沸腾温度和蒸汽冷凝温度均与操作压 强有关,故工业蒸馏的操作压强应进行适当的选择。加压精 馏可使冷凝温度提高以避免使用费用很高的冷凝器和冷冻剂; 在常压下为气态混合物(如烷、烃类混合物),沸点很低, 需加压使其成液态后才能精馏分离;减压精馏可使沸点降低 以避免使用高温载热体;除上述情况以外一般用常压精馏。
9.3.1平衡蒸馏
⑵热量衡算 加热炉的热流量为Q,则
Q Fc m, p T t F
节流减压后,物料放出显热即供自身的部分气化,故
Fc m, p T t F 1 q Fr
9.3.1平衡蒸馏
由此式可求得料液加热温度为
T te 1 q
r cm , F
2 过程的数学描述
⑴物料衡算: 总物料衡算:
F D W
易挥发组分的物料衡算: Fx F Dy Wx
两式联立可得
D xF x F yx
9.3.1平衡蒸馏
两式联立式中:
D xF x F yx
F F y (1 ) x x F D D
F,xF——加料流率,kmol/s及料液组成摩尔分数;
表示混合液的平衡 温度和气相组成之 间的关系,t-y线,
三个区
过热蒸汽区
液相区
●沸点(boiling point ) ●泡点(bubble point ) ●
x越大,易挥发组分 的含量越高,泡点温 ●
度越低。


●露点(dew point ) y越大,易挥发组分含量
越高,露点温度越低。
汽液两相处于平
系或用普通方 法难以分离的 物系
9.1蒸馏概述
(Introduction of Distillation )
常压 按操作压强 加压 减压 混合物中组分 双组分 多组分 间歇 按操作方式 一般情况下多用常压 常压下不能分离或达不到分离要求
连续
9.1蒸馏概述
⑵工业蒸馏过程
①平衡蒸馏(闪蒸) 平衡蒸馏又称闪蒸,系连续定态过程,其流程如下图。
9.2.1 理想物系的气液相平衡
(2)x~t(泡点)关系式
液相为理想溶液,服从拉乌尔(Raoult)定律:
pA pA xA pA x
o o
p B p B x B p A (1 x)
o o
气相为理想气体,符合道尔顿分压定律:
pA pA x yA p p
o
9.2.1 理想物系的气液相平衡
0.894 ,用普通精馏的方法分离乙醇-水溶液最多只能接
近于恒沸物的组成,这就是工业酒精浓度95%的原因,要得
到无水酒精,要用特殊精馏的方法。
9.2.2 非理想物系的气液相平衡
9.2.2 非理想物系的气液相平衡
负偏差
aAB>aAA, aAB>aBB ,异分子间的吸引力大,使得溶液的两 个组分的平衡分压都比拉乌尔定律所预计的低,如图9-6b。 负偏差严重时形成具有最高恒沸点的溶液,图9-8氯仿-丙酮 溶液就是这种溶液,其tm=64.5 ℃,xm=0.65,也不能用 普 通精馏方法对具有最高恒沸点的恒沸物中的两个组分加以分 离 。
混合液沸腾的条件是各组分的蒸汽压之和等于外压,即
p p A pB
p A x A p B (1 x)
o o
x
p pB
o
o o
PAFra Baidu bibliotek PB
9.2.1 理想物系的气液相平衡
纯组分的蒸汽压与温度的关系式可用安托尼方程表示, 即
B log p A t c
o
故p0与t的关系为非线性关系,已知t求p0用上式很方便, 但是已知p求泡点要用试差法(迭代法)求。
——气液平衡方程
9.2.1 理想物系的气液相平衡
x 由 y 知, 1 ( 1) x
1 时,y x。组分A较B易挥发,可以用蒸馏方法分离
1时,
挥发度差异愈大,愈有利于蒸馏操作。 不能用普通蒸馏的方法分离混合液。 y x。
1
时,
α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。
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 pA α表示。
xA vA pB vB xB
p A xB pB x A
9.2.1 理想物系的气液相平衡
相对挥发度的数值可由实验测得 对理想溶液:
vA po A o vB pB
理想溶液中组分的相对挥发度等于同温度下两组分的 泡和蒸汽压之比。
y f x
x 若为理想溶液应满足 y 1 ( 1) x
平衡温度te与组成x应满足泡点方程,即
t e x
9.3.1平衡蒸馏
平衡蒸馏过程的计算:
当给定气化率(1-q),可依照下图所示的方法图解求出所求的气、 液相组成。
9.3.2简单蒸馏
1、流程及原理
9.3.2简单蒸馏
D,y——气相产物流率,kmol/s及组成摩尔分数;
W,x——液相产物流率,kmol/s及组成摩尔分数。
9.3.1平衡蒸馏
W q ——液化分率 令 F D
F 1 q
xF q ——汽液相平衡组成的关系 y x q 1 q 1
q 在x-y图上 ,代表通过点(xF, xF)且斜率为 的直线。 q 1
衡 时, 两 相 温 度相
同此时,气相组成
大于液相组成; 当气液两相组成相 同时,气相露点温 度总是高于液相的 泡点温度。 t
• t-x-y 图与蒸馏原理
tE
E
xE
xF
yE
9.2.1 理想物系的气液相平衡
(5)y~x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。
9.2.1 理想物系的气液相平衡
9.3平衡蒸馏与简单蒸馏
9.3.1平衡蒸馏 9.3.2简单蒸馏
9.3.1平衡蒸馏(Equilibrium distillation)
1 原理与流程
使混合液体部分 气化,并使气液 两相处于平衡状 态,然后将气液 两相分开。 又名闪蒸 (flash distillation)
9.3.1平衡蒸馏(Equilibrium distillation)
9.2.1 理想物系的气液相平衡
(3)y~x 关系式
指定用上述方法求出后用道尔顿分压定律求,即
pA x yA p
o
9.2.1 理想物系的气液相平衡
(4)t~ x (或y)图和y ~ x图
将用上述方法求出的数据画在同一张图上,就得到下图。
两条线 三个区 三种点
两条线
露点线
泡点线 表示混合液的平 衡温度和液相组 成之间关系,t-x 线。
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=
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
(1)气液两相平衡共存时的自由度 F = N – Φ + 2 组分数N=2,相数Φ =2,则平衡物系的自由度为2 即平衡物系的温度、压强和液相组成(或气相组成) 三者之中任意规定2个,则物系的状态将被唯一确定。 若操作压强一旦确定,则物系的自由度为1,故: ①液相(或气相)组成与温度间存在一一对应关系; ②气、液组成之间存在一一对应关系
9.2.2 非理想物系的气液相平衡
9.2.2 非理想物系的气液相平衡
故,蒸馏具有最高恒沸点的溶液,塔顶为何物要视原料的
初始浓度与恒沸物组成之间的大小关系来定;在塔底只能得到
恒沸物。 注意:非理想溶液不一定有恒沸点,但有恒沸点的溶液是明显 的、偏差大的非理想溶液。 具有恒沸点的溶液在总压改变时,其t—y—x图不仅上、下 移动,而且形状也可能变化,即:恒沸组成可能变动。故,理 论上可用改变总压的方法来分离恒沸物,但实际使用时,还必 须考虑经济上的合理性与操作的可能性。
式中: tF,T ——分别为料液温度与加热后的液体温度;K; te —— 闪蒸后气、液两相的平衡温度;K;
Cm,p—— 混合液的平均摩尔热容,KJ/(kmol•K);
r —— 平均摩尔气化热,KJ/kmol。
9.3.1平衡蒸馏
⑶过程特征方程式 平衡蒸馏中气、液两相处于平衡状态,即两相温度相同, 组成互为平衡。因此
9.2.2 非理想物系的气液相平衡
9.2.2 非理想物系的气液相平衡
非理想溶液相对挥发度随组成的变化很大,不能 示为常数,故相平衡方程不能用。
9.2.2 非理想物系的气液相平衡
(2)总压对相平衡的影响
上述相平衡曲线(包括理想物系及非理想物系)均以恒 定总压P为条件。P↑,泡点t ↑ 、 ↓ ,分离较困难,P 对t-x(或y)图及y-x图的影响见图9-12,由图可见,当 P> PA,临界时,气、液共存区缩小,精馏只能在一定浓度范 围内进行,即得不到轻组分的高纯度产物。
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
(6)相对挥发度和相平衡方程
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 o o v A p A , vB pB
• 对混合液,挥发度为组分在蒸气中分压和与之平衡的液相 中的摩尔分率之比
pi vi xi
9.2.1 理想物系的气液相平衡
pA po xA o o A 对于理想溶液: A v p A vB pB xA xA pA pB 对于非理想溶液: vA , vB xA xB
2.简单蒸馏过程的数学描述:
简单蒸馏是个时变过程。因此,对简单蒸馏必须选取一 个时间微元 d ,对该时间微元的始末作物料衡算。 设 W——某瞬间釜中的液体量,它随时而变,由初态W1变 至终态W2; x——某瞬间釜中液体的组成,它由初态x1降至终态x2; y——瞬间由釜中蒸出的气相组成,随时间而变。
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。
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