化工原理-6章蒸馏

1 yA 1 xA
y x 1 ( 1)x
——相平衡方程
当 α为已知时，可用相对挥发度表示了气液相平衡关系。
当 1 当 1
y=x, 即相平衡时气相的组成与液相的组成相同， 不能用蒸馏方法分离。
则y>x,α愈大，y比x大的愈多，组分A和B愈易分离。
三、双组分理想溶液的气液平衡相图
双组分理想溶液的汽液平衡关系用相图表示比较直观、 清晰，而且影响蒸馏的因素可在相图上直接反映出来。蒸馏 中常用的相图为恒压下的温度-组成（ t-x-y ）图和气相-液 相组成（ x-y ）图。
当生产任务要求将一定数量和组成的原料分离成指定组成 的产品时，精馏塔计算的内容有：出液和塔釜残液的流量、塔 板数、进料口位置、塔高、塔径等。
6.4.1 全塔物料衡算
1．全塔物料衡算
单位时间为基准
总物料衡算： qn,F=qn,D+qn,W 易挥发组分物料衡算：
qn,FxF=qn,DxD+qn,WxW qn,F、qn,D、qn,W——流量，kmol/h
二、蒸馏的分类
1、按蒸馏方法：简单蒸馏、平衡蒸馏(闪蒸)、精馏、特殊精馏。 2、按操作压力：常压；减压；加压。 3、按原料液组分数：双组分蒸馏和多组分蒸馏 4、按操作方式：间歇蒸馏和连续蒸馏。
三、蒸馏操作的特点
优点：* 适用面广，液体混合物和气体混合物均可 * 操作流程较简单，无需其他外加介质
缺点：* 能耗大
一、利用饱和蒸气压计算气液平衡关系
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”。
PA PA0 xA ——拉乌尔定律
pA0——纯组分A在溶液温度下的饱和蒸气压，Pa； xA——溶液中组分A的摩尔分数；
v A p A x A ——其值标志着分离的难易程度。
vB pB xB
若操作压力不高，气相遵循道尔顿分压定律
pyA xA yA xA
pyB xB yB xB
yA xA
yB
xB
对于理想溶液
p
0 A
pB0
对于两组分溶液 xB 1 xA
yB 1 yA
代入 y A xA
yB
xB
yA xA
化工原理
principles of chemical engineering 第六章 蒸馏（ Distillation ）
延安大学化学与化工学院
第六章 蒸馏
第一节 概述 第二节 双组分溶液的气液相平衡 第三节 蒸馏与精馏原理 第四节 双组分连续精馏塔的计算 第五节 间歇精馏 第六节 恒沸精馏和萃取精馏 第七节 板式塔
非理想溶液： pi i pi0 xi
当压力不太高，气相为理想气体时，则
yi
i pi0 xi
p
pyi i xi pi0
γi —— 活度系数，分子间引力发生变化，使得 γi 1。
（1）正偏差溶液 i 1
平衡分压高于拉乌尔定律的计算值，泡点下降。
（2）负偏差溶液 i 1
平衡分压低于拉乌尔定律的计算值，泡点升高。
金酒（Gin）、朗姆酒 (Rum)、中国白酒(Spirit)。 蒸馏酒——把经过发酵的原酒，经过一次或多次蒸馏过程 提取的高度酒酒液。
西凤1952——第一界评酒会获评四大名酒称号
蒸馏水的制备 海水淡化技术
粗苯精制
粗甲醇的三塔精馏
酒精
水
如何实现分离？ 酒精的沸点低易于气化。 如何操作？若将气化的酒精蒸气全部冷凝，即实现分离提纯。
四、气液传质设备的分类
实现蒸馏过程是在气液 板式塔
传质设备中进行的。
填料塔
在塔板上，汽液两相密切接触，进行热量 和质量的交换。
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
第二节 双组分溶液的气液相平衡
6.2.1 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。
由于塔底部几乎是纯难挥发组分， 因此塔底部温度最高，而顶部回流液几 乎是纯易挥发组分，因此塔顶部温度最 低，整个塔内的温度，由下向上逐渐降 低。
板式塔内相邻几块板的温度、组成的关系：
tn1 tn tn1 xn1 xn xn1 yn1 yn yn1
第四节 双组分连续精馏塔的计算
化工生产中的蒸馏操作多数采用连续精馏。本节主要讨论 双组分连续精馏的工艺计算。
应用：液体混合物初步分离 沸点相差较大，分离要求不高场合
二、平衡蒸馏（闪蒸——Flash Distillation）
原料液通过加热器升温（未沸腾），在通过节流阀后因 压强突然下降，液体过热，于是发生自蒸发，最终产生相互 平衡的气、液两相。
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。
提馏段的作用：自上而下逐步增浓液相中的难挥发组分，以提高 塔釜产品中难挥发组分的浓度。
再沸器的作用：提供一定流量的上升蒸气流。 冷凝器的作用：提供塔顶液相产品和回流液。给塔板上液相补充
易挥发组分，使塔板上液相组成保持不变。
——将部分气化得到的气相经过n次 部分冷凝后，最终产品组成为yn。 次数愈多，组成愈高，最后可得 到几乎纯态的易挥发组分。
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
气相区
生第一个气泡的组成为 yA。
露点
继续加热升高温度，物系变为互成平
两相区
露点线
衡的气、液两相，两相温度相同组成
泡点
分别为 yA 和 xA。
泡点线
当温度达到该溶液的露点，溶液全部
指定压力下，溶液沸腾的条件是：
p
pA
pB
p
0 A
xA
pB0 (1 xA )
整理得：
xA
p pB0 pA0 pB0
——泡点方程
理想物系，平衡时气相服从道尔顿分压定律，即
yA
pA p
pA0 p
xA
pA0 p
p pB0 pA0 pB0
——露点方程
lg
pA0
A
t
B C
——安托因方程
二、用相对挥发度表示的气液平衡关系
xF、xD、xW——摩尔分数
2、回收率
对精馏过程所要求的分离程度除用产品的组成表示外， 有时还用回收率表示。 回收率:回收了原料中易挥发组分（或难挥发组分）的百分数。
塔顶易挥发组分的回收率: qn,D xD 100%
qn,F xF
塔底难挥发组分回收率: qn,W (1 xW ) 100%
qn,F (1 xF )
平衡线在对角线之上；
•平衡线离对角线越远，挥发性 差异越大，物系越易分离。
6.2.2 双组分非理想物系的气液相平衡
液相为非理想溶液，气相为理想气体 非理想物系： 液相为理想溶液，气相为非理想气体
液相为非理想溶液，气相为非理想气体
本书讨论：气相属于理想气体，而液相为非理想溶液的体系。
溶液为非理想的Biblioteka 因：不同种类分子之间的作用力与同种分 子之间的作用力的大小不同，其表现 是溶液中各组分的饱和蒸气压偏离拉 乌尔定律。
1、温度-组成图（t-x-y图）
蒸馏多在一定外压下进行，溶液的沸点随组成而变，故恒压 下的温度——组成图是分析蒸馏原理的基础。
t-x-y图代表的是在总压P一定的条件 下，相平衡时气（液）相组成与温度 的关系。x、y均指易挥发组分的摩尔 分数。
液相线t-x（泡点线）：图中蓝色线 气相线t-y（露点线）：图中红色线 液相区：蓝线以下区域 过热蒸气区：红线以上区域 气液共存区：红线和蓝线包围的区域
★ 服从拉乌尔定律是理想溶液 的一个最主要的特性
实验证明，理想溶液的气液相平衡服从拉乌尔定律，即：
pA
p
0 A
x
A
pB pB0 xB pB0 (1 xA )
双组份体系：A表示易挥发组分 B表示难挥发组分
pA、pB ——溶液上方组分A、B的平衡分压，Pa； p0A、p0B——平衡温度下纯组分A、B的饱和蒸气压，Pa； xA、xB——溶液中组分A、B的摩尔分数；
加
热节
器流
原料液
阀
Q
塔顶产品
yA
闪 蒸 罐 xA
塔底产品
6.3.2 精馏原理
一、精馏概念：
多次进行部分气化或部分冷凝以后，可以在气相中得到较纯 的易挥发组分，而在液相中得到较纯的难挥发组分。
二、精馏原理
加料板：原料液进入的塔板 精馏段：加料板以上部分 提馏段：加料板以下的部分（包括加料板）
精馏段的作用：自下而上逐步增浓气相中的易挥发组分，以提高 产品中易挥发组分的浓度；
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 气体分压力之和。
注：理想溶液并不存在，但对于化学结构相似、性质极相近的 组分组成的物系，如，苯-甲苯、甲醇-乙醇等，在压力不 太高（一般<103kPa）的情况下，近似按理想物系处理。
6.4.2 理论板的概念及恒摩尔流假定
一、理论板的概念
理论板是指离开该塔板的蒸气和液体 成平衡的塔板。不论进入理论板的气－液 两相组成如何，离开时两相温度相等，组 成互成平衡。
实际上，由于板上气－液两相接触面 积和接触时间是有限的，因此在任何形式 的塔板上，气－液两相难以达到平衡状态 ，理论板是不存在的，但它可作为实际板 分离效率的依据和标准。在设计时求得理 论板数后，通过用板效率校正就可得到实 际板数。