化工原理精馏培训课件12

继续加热，随温度升高，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 。
t/C
气相区
露点 两相区
露点线
泡点
泡点线
液相区
0
xA
xf
yA 1.0
x(y)
当温度达到该溶液的露点，溶液全部汽化成为组成为 yA= xf 的气相， 最后一滴液相的组成为 xA。
1.2.2汽液平衡相图:x-y 图
1.3 汽液平衡关系式的表示方法 汽液两相平衡组成常用相平衡常数 K 或相对挥发 的关系式来表达。
1.3.1相平衡常数
Ki 表示 i 组分的相平衡常数，其定义为
Ki
yi xi
=f（物系 , T，P ）
式中： yi 和 xi 分别表示 i 组分在互为平衡的汽、液两相中的摩尔分数。 对于易挥发组分，Ki >1，即 yi > xi。
组成也可算出溶液泡点。
纯组分 饱和蒸汽压与温度的关系，用安托因（Antoine）方程表示：
log p0 A B tC
A、B、C 为安托因常数，可由相关的手册查到。
6.1 双组分溶液的气液相平衡关系
当汽相为理想气体时
yA
pA P
p
0 A
xA
P
xA
P pB0
p
0 A
pB0
yA
p
0 A
P
P pB0
2 平衡蒸馏与简单蒸馏
2.1 平衡蒸馏
2. 物料衡算 总物料衡算
F DW
减
压
加热器 F, xF, tF
阀
t0 Q
D, yD, te yD
闪 蒸 罐
xW W, xW, te
易挥发组分的物料衡算 FxF DyD WxW
两式联立可得
D xF xW F yD xW
式中：F、D、W ——进料流率和出塔汽.液相产物的流率，kmol/s； xF、yD、xW ——料液组成以及出塔汽、液相产物的摩尔分数。
1.3.2相对挥发度
>1，表示组分 A 较 B 易挥发； 值越大，两个组分在两相中相 对含量的差别越大，越容易用蒸馏方法将两组分分离；若 =1， yA=xA，此时不能用普通蒸馏方法分离该混合物。
对双组分物系有 yB=1-yA，xB=1-xA，代入并略去下标 A 可得
yA yB
xA xB
y
1
x
1x
蒸馏操作实例：石油炼制中使用的 250 万吨常减压装置
概述
3. 蒸馏的分类
间歇精馏：多用于小批量生产或某些有特殊要求的场合。 连续精馏：多用于大批量工业生产中。
常压蒸馏：蒸馏在常压下进行。 减压蒸馏：常压下物系沸点较高或热敏性物质不能承受高温的情况 加压蒸馏：常压下为气体的物系精馏分离，加压提高混合物的沸点.
相中的含量 x，釜内易挥发组分含量 x 由原料的初始组成 xF 沿泡点 线不断下降直至终止蒸馏时组成 xE，釜内溶液的沸点温度不断升高 ，蒸汽相组成 y 也随之沿露点线不断降低。
3. 精馏原理
上述平衡蒸馏和简单蒸馏都是单级分离过程，即对混合液 进行一次部分汽化，使混合液达到部分分离。
而精馏是一种多级分离过程，即同时进行多次部分汽化和 部分冷凝的过程，可使混合液得到几乎完全的分离。精馏可视为 由多次蒸馏演变而来。此外，混合液中组分间挥发度差异是精馏 分离的前提和依据。
蒸馏
概述
1.工作原理: 利用液体混合物中各组分挥发性差异，以热能为媒介 使其部分汽化从而在汽相富集轻组分液相富集重组分而使混合液 分离。
原料液 加热器 减压阀 Q
塔顶产品
yA
闪 蒸 罐 xA
yA xA 或
yA xA yB xB
塔底产品
2. 蒸馏操作的用途
许多生产工艺常常涉及到互溶液体混合物的分离问题，如石油炼制 品的切割，有机合成产品的提纯，溶剂回收和废液排放前的达标处 理等等。分离的方法有多种，工业上最常用的是蒸馏或精馏。
原料液 蒸气
冷凝器
y
x
xD1 xD2 xD3
分批加入蒸馏釜的原料液持续加热沸腾汽化，产生的蒸汽由釜顶连续 引入冷凝器得馏出液产品。釜内任一时刻的汽液两相组成互成平衡。
6.2 平衡蒸馏与简单蒸馏
露点线
t/C
泡点线
0
xA xf
yA 1.0
x(y)
任一时刻，易挥发组分在蒸汽中的含量 y 始终大于剩余在釜内的液
1 y x。 时，
不能用普通蒸馏的方法分离混合液。
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。
2020/11/24
2 平衡蒸馏与简单蒸馏
2.1 平衡蒸馏 1. 定义 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(如醋酸V103)。
Ki 值越大，组分在汽、液两相中的摩尔分数相差越大，分离也越容易。
对多组分物系汽液平衡关系的计算，应用相平衡常数比较方便。
气（汽）液相平衡时，两相的温度和压强相等，每个组分在两相中的逸 度（fugacity）相等，即
fˆiG fˆi L
对非理想物系，气（汽）、液相的逸度服从下列方程：
fˆiG Pyii
——相平衡方程
若已知两组分的相对挥发度，可由上式确定汽液平衡组成。
对理想溶液，组分的挥发度 = po ，所以
A
p
0 A
B
pB0
值随温度变化相对较小，在一定的温度范围内，常取 的平均值
用于相平衡计算。
由 y x
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。
若液相也为理想溶液，液相的活度系数就等于1，则
Ki
pi0 P
此式即为拉乌尔定律表达式。
对多组分物系汽液平衡关系的计算，应用相平衡常数比较方便。
1 双组分溶液的气液相平衡关系
1.3.2 相对挥发度 α
溶液中各组分的挥发性由挥发度来量衡，定义为组分在汽相中的 平衡蒸汽压与在液相中的摩尔分数的比值。对双组分物系
•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。
2020/11/24
1.2.2汽液平衡相图:x-y 图 ➢x-y 图代表在总压一定下，液相组成和与之成平衡的汽相组成的关系。 ➢x-y 图可通过 T-x(y) 图作出，图中对角线 (y=x) 为一参考线。 ➢大多数溶液，两相平衡时，y 总是大于 x，平衡线位于对角线上方。 ➢平衡线偏离对角线越远，该溶液越易分离。
p
0 A
pB0
上式为一定总压下汽相组成与温度的关系式。该温度又称为露点 （dew-point），上式又称为露点方程。
严格地说没有完全理想的物系。对那些性质相近、结构相似的组分 所组成的溶液，如苯-甲苯，甲醇-乙醇等，可视为理想溶液；若汽相 压力不太高(<10Mpa)，可视为理想气体，则物系可视为理想物系。
fˆi L fi L xi i
式中：i — 气（汽）相 i 组分的逸度系数； i — 液相 i 组分的活度系数；
fiL — 纯液体 i 在系统温度、压力下的逸度，可由下式计算
fiL
pi0i0 expViL
P pi0 RT
式中： pio — 纯组分i 的饱和蒸汽压；
io — 纯组分 i 的逸度系数；
闪蒸操作流程：一定组成的料液 被加热后经节流阀减压进入闪蒸 室，液体因沸点下降变为过热而 骤然汽化，汽化耗热使得液体温 度下降，汽、液两相温度趋于一 致，两相组成趋于平衡。由闪蒸 室塔顶和塔底引出的汽、液两相 即为闪蒸产品。
减
压
加热器 F, xF, tF
阀
t0 Q
D, yD, te yD
闪 蒸 罐
xW W, xW, te
溶液沸腾时，溶液上方的总压应等于各组分分压之和，即
P
pA
pB
p
0 A
xA
pB0 1
xA
xA
P pB0
p
0 A
pB0
泡点方程（bubble-point equation）
poA、poB 取决于溶液沸腾温度，பைடு நூலகம்式表达一定总压下液相组成与溶液泡
点温度关系。已知溶液的泡点可由上式计算液相组成；反之，已知溶液
3.精馏原理
3.1 多次部分气化和部分冷凝 过程分析
t/C
泡点
露点线 泡点线
0 x3x2 x1
xf
y1 y2 y3
x(y)
3.1多次部分气化的分离示意图
进行这样多级分离的结果是： y3 > y2 > y1.因此,同时进行多次部分 气化和部分冷凝是使混合物得以完全分离地必要条件.
不难看出, 上图所示的流程在工业上是不能采用的, 因其存在以下 两个问题：
多组分精馏：例如原油的分离。 双组分精馏：如正异构丁醛,苯-甲苯体系等。
简单蒸馏或平衡蒸馏：用在分离要求不高的情况下。 精馏：分离纯度要求很高时采用。 特殊精馏：混合物中各组分挥发性相差很小，难以用普通精馏分离，
借助某些特殊手段进行的精馏。
1 双组分溶液的气液相平衡关系
蒸馏分离的物系由加热至沸腾的液相和产生的蒸汽相构成。相平衡 关系是蒸馏过程分析的重要理论基础。
3 精馏原理
同时，由图还可以看出， x2和y2`直接混合时，由于液相温度 低于气相温度，因此高温的蒸气y2` 将加热低温的液体x2，而使液 体部分气化，蒸气自身则被部分冷凝。传热
由此可见，不同温度且互不平衡 的气液两相接触时，必然会同时产生 传热和传质的双重作用，所以使上一 级的液相回流（如液相x2）与下一级 的 气 相 （ 如 气 相 y2`) 直 接 接 触 ， 就 可 以将图3.1所示的流程演变为图3.3所 示的分离流程，从而省去了逐级使用 的中间加热器和冷凝器。
6.2 平衡蒸馏与简单蒸馏
若设液相产物占总加料量的分率为 q，即W/F=q，则汽化率为 D/F =(1-q)，代入上式整理可得
yD
qxW q 1
xF q 1
上式表示了汽化率与汽、液相组成的关系。
3. 平衡关系
平衡蒸馏过程可认为经部分汽化或部分冷凝后所得的汽液两相呈
平衡，即 yD~xW 符合平衡关系。
对非理想物系不能简单地使用上述定律。汽液相平衡数据更多地依靠 实验测定。
1 双组分溶液的气液相平衡关系
1.2.1 汽液平衡相图： T-x(y) 图
T-x(y) 图代表的是在总压 P 一定的条 件下，相平衡时汽（液）相组成与 温度的关系。
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 yA。
ViL — 纯液体 i 的摩尔体积。
根据相平衡常数的定义
Ki
yi xi
fiL i Pi
式中 i，i 的计算与气（汽）相组成和液相组成有关，相平衡常数 K 不
仅与系统温度、压强有关，也与组成有关。
当系统压力较低，气相近似为理想气体时，气相逸度系数 i 接近于1，
有
Ki
pi0 P
i
液相为非理想溶液，汽相为理想 气体的相平衡常数计算式
3 精馏原理
（1）分离过程得到许多中间馏分， 如图中的组成为x1.x2 等液相产品，因此 最后纯产品的收率就很低；
（2）设备庞杂，能量消耗大。
今以右图中的第1级为例
y2
y1
第2级
xF
x2 y2`
第1级
x1
第0级
图3.2 多次部分气化的 t-x-y图
x2`
如果冷凝和气化的温度选择恰当，可使x2和y2`较为接近。这样，将x2和y2` 相混合,......，其结果不但消除了中间产品，且提高了最后产品的收率。传 质
FCpm t0 te 1 qFr
由上式可得
t0
te
1
q r
C pm
通过以上诸式，在 q 为已知的条件下，由物料衡算与相平衡关系 求得yD、xW 后，由温度-组成相图求 te，进而求 t0。
6.2 平衡蒸馏与简单蒸馏
6.2.2 简单蒸馏 1. 定义
简单蒸馏也是一种单级蒸馏，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。
yD
xW
1 1xW
若已知进料组成 xF 和生产任务所要求的汽化率 (1-q)，结合物料
衡算式可求得汽液相组成 yD、xW。
6.2 平衡蒸馏与简单蒸馏
4. 热量衡算 料液由进料温度 tF 升至 t0 需供给的热量 Q 为
Q FCpm t0 tF
闪蒸后，料液温度由 t0 降至平衡温度 te，若不计热损失，则料液 放出的显热全部用于料液的部分汽化所需的潜热，即
A
pA xA
B
pB xB
对纯组分液体，其挥发度就等于该温度下液体的饱和蒸汽压。
溶液中两组分挥发度之比称为相对挥发度，用 表示
A pA xA B pB xB
当操作压强不高，气相服从道尔顿分压定律时，上式可改写为 PyA xA yA yB K A
PyB xB xA xB K B
1 双组分溶液的气液相平衡关系
1.1 理想物系的汽液平衡
理想物系：
液相为理想溶液、汽相为理想气体的物系。理想溶液服从拉乌尔 （Raoult）定律，理想气体服从 道尔顿分压定律。 根据拉乌尔定律，两组分物系理想溶液上方的平衡蒸汽压为
pA
p
A
x
A
pB pB xB
式中：poA、poB ——溶液温度下纯组分饱和蒸汽压。
6.1 双组分溶液的气液相平衡关系