化工原理 第六章 蒸馏(传质过程)

X=0.894 78.15℃
t
121.9℃
X=0.383
负偏差
x y
x y
y
y
x
x
19
挥发度与相对挥发度
挥发度：表示某种溶液易挥发的程度。 若为纯组分液体时，通常用其当时温度下饱和蒸 气压PA°来表示。 若为混合溶液时，各组分的挥发度，则用它在一 定温度下蒸气中的分压和与之平衡的液相中该组 分的 摩尔分数之比来表示， vA = pA / xA vB = pB / xB
演示
37
xn
xn 1 yn 1 yn
第四节 双组分连续精馏计算
38
物料衡算
F—原料(液)摩尔流量，kmol/h； D—馏出液摩尔流量，kmol/h； W—釜残液摩尔流量，kmol/h； 总物料衡算 易挥发组分的物料衡算
D xD F xF
F D W
D F ( xF xW ) xD xW
xn 1
n 1
yn xn yn 1
n
n 1
T-x(y) 图
t 假设蒸汽和液体充分接触，并在离 n 1 开第 n 层板时达到相平衡，则 yn 与 xn t n t n 1 平衡，且yn>yn+1，xn<xn-1。
这说明塔板主要起到了传质作用， 使蒸汽中易挥发组分的浓度增加， 同时也使液体中易挥发组分的浓度 减少。
t5 t4 t3 t2 t1
E D
C
B A
x（y）
温度-组成图（ t-x-y 图）
12
上述的两条曲线将tx-y图分成三个区域。
液相线以下的区域 代表未沸腾的液体, 称为液相区 气相线上方的区域 代表过热蒸气,称为 过热蒸气区； 二曲线包围的区域 表示气液同时存在, 称为气液共存区。
33
连续精馏流程图
理论板数
所谓理论板是指离开这种板的气液两相互成平衡， 而且塔板上的液相组成也可视为均匀一致的。
实际上，由于塔板上气液间接触面积和接触时间是 有限的，因此在任何型式的塔板上气液两相都难以 达到平衡状态，也就是说理论板是不存在的。理论 板仅是作为衡量实际板分离效率的依据和标准，它 是一种理想板。
23
理想溶液的α值仅依赖于各纯组分的性质。 纯组分的饱和蒸汽压 pA0， pB0均系温度t的函数，且随温 度的升高而加大，因此 α原则上随温度而变化。
但对理想溶液来说，α值随温度变化不大，因而可在操
作的温度范围内取相对挥发度的几何均值并将其视为常 数，这样利用相平衡方程就可方便地算出 y ～x 平衡关系。
10
理想溶液气液相平衡
在恒压和不同温度下，汽 液两相达到相平衡时液相 组成与汽相组成的关系， 称为温度-组成图（t-xy) ，其是分析蒸馏原理的 理论基础。 在总压P=101.3kPa下,苯甲苯混合液的温度-组成图 (t-x-y)如图所示。x和y均 为易挥发组分苯的摩尔分 数。
t
t5 t4 t3 t2 t1
现场
32
连续精馏流程图
组成：
塔体、塔板(填料)、再沸器、 冷凝器
温度分布规律
塔底温度最高，越往上温度 越低，塔顶温度最低。
气液组成的变化规律
越往上易挥发组分含量越高， 越往下难挥发组分含量越高。
理论板
离开塔板的气液两相达到平 衡状态且液相组成均匀一致 时，该塔板称为理论板。
第六章
蒸馏
1
第一节
概述
蒸馏是一种质量传递过程（传质过程），其 是利用液体混合物中各组分挥发性的差异来 分离液体混合物的传质过程。 蒸馏操作用于均相液体混合物的分离 , 达到 提纯或回收组分的目的。
易挥发组分:通常将沸点低的组分称为易挥发组分（轻组分）。 难挥发组分：通常将沸点高的组分称为难挥发组分（重组分）。
原料
V0
冷凝器
加热器
L
' 0
L1
' L1
L2
V
' 1
V2'
加热器
加热器
' L2
30
精馏原理：多次部分气化、部分冷凝
t
A4
A3
A2 A1
B1
A
B2 B3 B4
x
31
精馏塔
化工厂中的精馏操作是在直 立圆形的精馏塔内进行的。 塔内装有若干层塔板或充填 一定高度的填料。尽管塔板 的型式和填料的种类很多， 但塔板上液层和填料的表面 都是气液两相进行热交换和 质交换的场所。
E D
C
B A
x（y）
11 温度-组成图（ t-x-y 图）
图中以t为纵坐标,以液 相组成x或气相组成y为 横坐标。 上方曲线为t-y线，表 示平衡温度与气相组成 y的关系，称为气相线 或饱和蒸气线。 下方曲线为t-x线，表 示平衡温度与液相组成 x的关系，称为液相线 或饱和液体线。
t
FxF DxD WxW
馏出液采出率 D/F 釜液采出率 W/F xF xW xD xW
W xW
xD xF xD xW
DxD D 100% FxF
液相线（泡点线） 气相线（露点线） t
t5 t4 t3 t2 t1
E D
C
BБайду номын сангаасA
x（y）
温度-组成图（ t-x-y 图）
14
温度组成图（t-x-y）
t
P = p A + pB = pA0 xA + pB0（1 - xA）
t5 t4 t3 t2 t1
E D
C
P p xA 0 pA p
0 B 0 B
17
t-x-y图随压强变化较 大。 若总压变化范围为20～ 30%，x-y平衡线的变动 通常不超过2%。因此在 总压变化不大时，压力 的影响可忽略。
蒸馏中使用 y-x 图较 t-x-y图更为方便。
18
双组分非理想溶液
乙醇-水(78.3℃,100℃) 硝酸-水(86℃,100℃)
t
正偏差
34
精馏流程图
典型的连续精馏流程如图所示.预 热到一定温度的原料液送入精馏塔 的进料板,在每层塔板上, 液体与 上升蒸气互相接触, 进行热和质的 传递. 塔顶冷凝器的作用: 获得塔顶产品 及保证有适宜的液相回流. 再沸器的作用: 提供一定量的上升 蒸气流. 精馏段:加料板以上的塔段.上升汽 相中重组分向液相传递，液相中轻 组分向汽相传递，完成上升蒸气轻 组分精制。 提馏段:加料板及其以下的塔段.下 降液体中轻组分向汽相传递，汽相 中重组分向液相传递，完成下降液 体重组分提浓。
t
t5 t4 t3 t2 t1
E D
C
B A
x（y）
温度-组成图（ t-x-y 图）
13
泡点温度与饱和液 体线（泡点线）
露点温度与饱和蒸 气线（露点线） 通常，t-x-y关系的 数据由实验测得。 对于理想溶液，也 可用纯组分的饱和 蒸气压数据按拉乌 尔定律及理想气体 分压定律进行计算。
9
根据溶液中同分子间的与异分子间的作用力的差异，可将溶 液分为理想溶液和非理想溶液两种。 理想溶液：在全部浓度范围内均符合拉乌尔定律的溶液。
在两组分的理想溶液中，组分A、B分子间作用力与纯组分A的分子间 作用力或纯组分B的分子间作用力相等。两组分的饱和蒸汽压均可用 拉乌尔定律表示。
严格地说，理想溶液是不存在的。但是，对于那些由性质极 相近、分子结构极相似的组分所组成的溶液可视为理想溶液。 对于非理想溶液可用修正的拉乌尔定律或实验数据来表示气 液平衡关系。
蒸馏（精溜）是气液两相间的传质过程， 传质过 程是以两相达到相平衡为极限的。因此，气液相平 衡关系是分析蒸馏（精溜）原理和进行设备计算的 理论基础。
6
第二节
双组分溶液的气液相平衡
溶液的蒸汽压
饱和蒸汽压：密闭容器中，一定温度下，纯组分 液体的汽液两相达到平衡状态，称为饱和状态。其 蒸汽为饱和蒸汽，其压力为（饱和）蒸汽压。 气液相平衡：单位时间从液相进入气相的分子数 与从气相进入液相的分子数相等。
F
W
D1 D2 D3
动画演示
26
简单蒸馏 特点： 一次加料，釜内及 馏出液的含量不断 变化， 得不到纯组分。— —不稳定过程。 适用于： 沸点差较大的混合 液； 分离含量要求不高 的情况； 粗加工过程。
F
W
D1 D2 D3
27
平衡蒸馏（闪蒸） 特点： 连续性操作 低温沸腾 平衡产物含量不高 产物含量不随时间变化。 适用于：粗略分离的物料。
动画演示
28
精馏
精馏就是多次而且同时运用部分气化和冷凝的方 法，使混合液得到较完全分离，以获得接近纯组 分的操作。 精馏操作就是在同一设备内多次而且同时运用部 分气化和冷凝的方法，以得到接近于纯的易挥发 组分和接近于纯的难挥发组分的操作。
29
精馏原理：多次部分气化、部分冷凝
V1
冷凝器
V2
B A
pA P yA
pA po A xA yA P P
x（y）
总压P，温度t，液相组成x，气相组成y，只需知道任意2个 变量，均可求解出其它2个变量 15
气液相平衡图（y-x图）
温度-组成（t-x-y)图
y -x 图
y2
t1 t2
x
1
y1
x y1 y2
2
x
1
x
2
16
y -x 图
蒸馏计算中，经常应用 一定外压下的y-x图。 图中对角线为x=y的直 线，作查图时参考用。 对于大多数溶液，两相 达到平衡时，y总是大 于x，故平衡线位于对 角线上方，平衡线偏离 对角线愈远，表示该溶 液愈易分离。
连续精馏流程图
35
动画演示
36
塔板的作用
以第n层板为例来说明塔板的作用， 其上为第 n-1 层板，其下为第 n+1 层 板。 来自 n-1 层板组成为 xn-1 的液体与来 自n+1层板组成为yn+1的蒸汽在第n层 板上接触。 由于 xn-1 与 yn+1 不平衡，而且蒸汽的 温度（ tn+1 ）比液体的温度（ tn-1 ） 高，所以，组成为 yn+1 的蒸汽在第 n 层板上部分冷凝，并使xn-1的液体部 分汽化。
7
饱和蒸汽压为液体挥发能力大小的一个属性， 对特定液体来说，其为温度的函数。
纯组分液体的饱和蒸汽压可用安托因经验方程 表示：
B log p A tc
o
p0——纯组分液体的饱和蒸汽压 t ——温度 A,B,C ——安托因常数
8
液体混合物的饱和蒸汽压？ 拉乌尔定律
在一定温度下的稀溶液，当其汽液两相达到平衡时， 气相中任一组分的分压等于此纯组分在该温度下的 饱和蒸汽压与它在溶液中的摩尔分数的乘积。 PA= PA0 xA 适用范围：稀溶液或由性质、结构极相似的物质构 成的任意浓度的溶液，如苯-甲苯，甲醇-乙醇，烃 类同系物等。
3
蒸馏操作的分类
蒸馏（无液体回流） 简单蒸馏（间歇操作） 平衡蒸馏（连续操作） 精溜（有液体回流，产品纯度高） 恒沸精馏 萃取精馏
4
蒸馏操作的分类
压力 常压蒸馏 减压蒸馏 加压蒸馏 组分 双组分蒸馏 多组分蒸馏 连续性 间歇蒸馏 连续蒸馏
5
本章重点讨论的常压下两组分混合物的连续精溜。
2
气体吸收与蒸馏
气体的吸收与液体的蒸馏同为传质操作，但是二者有 重要的差别。 一般说来，为使均相混合物分离成较纯净的组分，必 须出现第二个物相。吸收操作中采用从外界引入另一 相物质（吸收剂）的办法形成两相系统。蒸馏操作中 采 用改变状态参数的办法（如加热与冷却），使混合 物系内部产生出第二个物相。 因此，经过蒸馏（精馏）操作可以直接获得较纯净的 轻、重组分；但对于吸收操作，如要取得较纯净的溶 质组分，还需经过第二个分离操作才能实现。
vA 、vB —组分A、B 的挥发度。
20
对理想溶液，符合拉乌尔定律
vA = pA / xA = pA0 xA / xA = pA0 vB = pB0
即，理想溶液中, 各组分的挥发度等于其饱和蒸汽压。
21
相对挥发度
相对挥发度定义：溶液中两组分挥发度之比。
A pA / x A B pB / x B
24
α＝1时，y＝x（即对 角线）。 α值越大，同一液相组 成x对应的值y越大，可 获得的提浓程度越大， 分离程度越好。因此α 的大小可作为用蒸馏分 离某物系的难易程度的 标志。
25
第三节
蒸馏及精馏原理
简单蒸馏 使混合液在蒸馏釜 中逐渐受热气化，并 不断将生成的蒸气引 入冷凝器，以达到混 合液中各组分得以分 离的方法，称为简单 蒸馏或微分蒸馏。
理想溶液 p / p
0 A
0 B
22
气液相平衡方程 （相对挥发度α表示）
当压力不太高时，根据分压定律有：
A pA / x A B pB / x B
yA xA 1 xA 1 yA
p yA / xA p yB / xB
x y 1 ( 1) x