化学工程与工艺精馏原理与过程

0
A
B tC
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当溶液沸腾时，溶液上方的总压等于各组分的 蒸气压之和：
P pA pB
由上式得：
xA
pA P
P pB pA pB
pA xA P
0
0
0
0
yA


pA P
0

P pB pA pB
0 0
0
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pA pB
0 0
.
对双组分溶液，气相遵循道尔顿分压定律，则：
pA Py xA Py xB
B A

xA pB xB

y A xB yB xA
yA yB

xA xB
yB 1 yA,
xB 1 xA
yA 1 yA

xA 1 xA
整理并略去下标，得
y
x
1 ( 1 ) x
釜残液 W , xW
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二、精馏操作 上述的多次部分汽化和部分冷凝是在精馏塔中进行 的。精馏塔内装有若干层塔板或充填一定高度的填 料，前者称为板式塔，后者则称为填料塔。现以板 式塔为例说明精馏塔的操作情况。
塔 板 示 意 图
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若离开某塔板的气液两相达到平衡状态，则称该 板为理论板。
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若已知气液平衡关系，则可求出馏出液组成、
釜残液组成与釜残液量（或馏出液量）之间的关系。
则积分可得：
x1 1 x2 ln ln ln W 1 x2 1 x1 F 1
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馏出液的组成随时间而变，其平均组成可通过
A
xm
x1
xF
y1
yn
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3、初始精馏操作流程 如果将部分汽化、部分冷凝分别得到的液体L2，L3，…Ln、气体V2’， V3’…Vm’分别送回到它们的前一分离器中，则任一分离器有来自下一级 的蒸汽和来自上一级的液体。汽液两相在该分离器接触，同时实现部分 冷凝和部分汽化，并产生新的汽液两相。这样除最上和最下一级外，中 间各级的冷凝器和汽化器都可省去。若用塔板取代中间各级的分离器， 就得到板式精馏塔。 V , y
F , xF
加料板
提馏段
, 上升蒸汽 Vm
再沸器
, xm Lm
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4、精馏操作条件
板式精馏塔如图所示。精馏塔除了塔板外，在塔顶还有冷凝器，在塔底还有 再沸器。因为塔顶如果没有回流液体返回精馏塔，则塔顶最上一层塔板的传质就 无法进行，同样塔底如果没有上升蒸汽返回精馏塔，则塔底最下一层塔板的传质 也无法进行。
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混合物可分为非均相物系和均相物系
吸收 蒸馏 萃取 吸附、结晶
均相物系 分离过程
沉降 非均相物系 过滤 干燥 均相物系的分离条件是必须造成一个两相物系，然后依据物 系中不同组分间某种物性的差异，使其中某个组分或某些组 分从一相向另一相转移，以达到分离的目的。
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节流减压，液体部分汽化所需的热量来自于物料 放出的显热，即：
三、汽液平衡关系
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te f x 及 若已知原料液流量F、组成xf、温度tf及汽化率，则联 立上式，即可求得平衡的气液相组成及温度。图解 法如下：
wenku.baidu.com平 衡 蒸 馏 图 解 计 算
n n
V n 1 , y n 1
V2, y2 V1 , y1 F , xF , x1 L1 , x2 L2
1 , x m 1 Lm
L n 1
Ln
L2 V 2
1 Vm Vm
, xm Lm
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Vn , yn
分凝器
L n , 回流液体
精馏段 降液管 塔板
,
x
y
( 1 ) y
上式称为汽液相平衡方程。α 越大，分离越容易。
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三、双组分理想溶液的汽液平衡相图 温度----组成（t-x-y)图
苯 甲 苯 混 合 液 的 图 — t-x-y
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x-y图
苯 甲 苯 混 合 液 的 图
t5
B
t4
t3
t2
t1
x3
A
x2 x1
y3
y2
y1
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中南民族大学化工基础电子课件 2、多次部分汽化和多次部分冷凝 若将该汽液两相分别多次部分 汽化和多次部分冷凝，则可将液体 混合物几乎完全分离。多次部分汽 化、冷凝的流程示意图如下，该过 程原理可在t-x-y图上看出，而且温 度是塔底高、塔顶低。 多次部分汽化、多次部分冷凝 虽然能获得几乎纯净的两个组分， 但最后得到的几乎纯净的组分的量 很少，另外，流程复杂、能耗高， 因此，这种方法(流程)实际上是行 不通的。
AB AA BB
。 B 。 A B B A A
２、负偏差溶液
当异分子间吸引力 f 大于同分子间吸引力 f 和 f 时，溶液 p p x 中组分的平衡分压比拉乌尔定律预计的低，即 p p x ， 。属于该类的有硝酸－水、氯仿－丙酮等物系。
AB AA BB
。 A 。 B A A B
B
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6.1.2 双组分非理想物系的汽液平衡
根据溶液的蒸汽压偏离拉乌尔定律的方向，一般可将非理想 溶液分成两大类： １、正偏差溶液 当异分子间吸引力 f 小于同分子间吸引力 f 和 f 时，溶液中 组分的平衡分压比拉乌尔定律预计的高，即 p p x ，p p x 。 属于该类的物系甲醇－水、乙醇－水、苯－乙醇等。
总物料： dD=-dL
易挥发组分： Lx=(L+dL)(x+dx)+ydD 返回
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联解，并略去二阶无穷小量得：
dL L dx y x
设初始时，釜液量为F，组成为x1; 结束时，釜液量为W，组成为x2。 则上式积分可得：
ln F W

x1 x2
dx y x
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x n 1
n 1
t n 1 tn t n 1
n
yn xn y n 1
n 1
xn x n 1 y n 1 y n
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V1 , y1
全凝器
精馏操作流程示意图：
精馏段
V1 , y1
1
馏出液
V2, y2 L1 , x1
回流液 L, xD
D , xD
2
L2 , x2
6.2.1 平衡蒸馏
平衡蒸馏装置
平 衡 蒸 馏 装 置
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一、物料衡算 总物料衡算：F=D+W 易挥发组分的衡算
联立上两式得：
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设液相产物占总加料量 F的分率为 q ， q叫做液化率， 其值0<q<1；而D/F叫做汽化率，则：
在x-y图上，上式代表通过点（xf，xf)的直线，其 斜率为q/(q-1)。 二、热量衡算
所谓理想物系，即指液相为理想溶液，遵循拉乌 尔定律；汽相为理想气体，遵循道尔顿分压定律。 拉乌尔定律：
pA pA xA
0
p B p B x B p B 1 x A
0 0
p
0 A
0 , pB 为溶液温度下纯组分A和B的饱和蒸气压
可查有关手册或由下面安托因方程求得：
lg p
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第六章
蒸馏
Distillation
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6.1 双组分溶液的汽液相平衡 6.2 蒸馏与精馏原理 6.3 双组分连续精馏的计算与分析
6.4 间歇精馏
6.5 恒沸精馏与萃取精馏
6.6 板式塔
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概 述
分离的目的： 浓缩：除去溶剂； 纯化：除去杂质； 分离：将混合物分成两种或多种目的产物； 反应促进：把化学反应或生化反应的产物连续取 出，以提高反应速率。 返回
蒸馏：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。
沸点低的组分称为易挥发组分，高的为难挥发组分
分类：
按生产方式分为间歇蒸馏和连续蒸馏 按蒸馏方式分为简单蒸馏、平衡蒸馏、精馏和特殊精馏等 按操作压强分为常压、减压、加压蒸馏 按待分离混合物中组分数不同分为双组分和多组分蒸馏
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6.1 双组分溶液的汽液相平衡 6.1.1 双组分理想物系的汽液平衡
一、相律
在物理化学中，我们学习过相律，即：
F C 2
式中F――自由度数；
C ――独立组分数；
――相数。
对双组分的汽液相平衡，由相律知其自由度数为2。
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二、双组分理想物系的汽液平衡函数关系
挥发度与相对挥发度
挥发度：某组分的溶液蒸汽压与该组分的摩尔分率之比， 表示物质挥发能力大小的物理量
vA pA xA
vB
pB xB
对理想溶液：
vA pA,
0
vB pB
0
相对挥发度：易挥发组分挥发度与难挥发组分挥发度之比， 即：

vA vB pA xA pB xB .
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中南民族大学化工基础电子课件 对理想溶液，有
乙醇 水
M
t
y
M
x, y
正偏差溶液 , 最低恒沸点溶液
x
N
t
y
N
硝酸 水
x, y
x
负偏差溶液
, 最高恒沸点溶液
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6.2 蒸馏与精馏原理
平衡蒸馏和简单蒸馏均为单级蒸馏操作 过程，通常用于混合液中各组分挥发度相 差较大，对分离要求又不高的场合。
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— x-y
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注意： 上述的平衡曲线是在恒定的压强（总压为1atm） 下测得的。对同一物系而言，混合液的平衡温度愈高 ，各组分间挥发度差异愈小，即相对挥发度α愈小， 因此蒸馏压强愈高，平衡温度随之升高， α 减小，分 离变得愈难，反之亦然。但实验也表明，在总压变化 范围为20-30%下，x-y平衡曲线变动不超过2%，因此在 总压变化不大时，外压对平衡曲线的影响可以忽略。
冷凝器 回 流 馏出液 D,xD
精 馏 段 进料 F ,xF 提 馏 段
连续精馏装置 流程简图
再沸器 釜液 W ,xw
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中南民族大学化工基础电子课件 1、部分汽化和部分冷凝 由A点的冷液体到B点的 过热蒸汽的加热过程，B 点的过热蒸汽到A点的冷 液体的冷却过程可知，部 分汽化或部分冷凝可以获 得浓度有显著差异的汽液 两相，将该汽液两相分开， 便可使液体混合物得到初 步分离。
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6.2.2 简单蒸馏
简单蒸馏装置 简单蒸馏又称微分 蒸馏，是一种单级 蒸馏操作，常以间 歇方式进行。
简单蒸馏装置
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一、简单蒸馏计算 简单蒸馏为非稳态过程，需要进行微分计算。 假设简单蒸馏某瞬间τ釜液量为L kmol、组成 为x，经微分时间dτ后，釜液量变为L+dL、组成 变为x+dx，而蒸出的馏出液量为dD、组成为y， 且y与x呈平衡关系。在dτ时间内作物料衡算：
5、塔板的作用
塔板是开有许多小孔的圆板，在精馏塔内放有许多塔板，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。假设蒸汽和液体充分接触，并在离 开第n层板时达到相平衡，则yn与xn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。
精馏塔内只要有足够多的塔板数，就可使混合液达 到所要求的分离程度。但必须保证塔板上始终有一定 的液层和与之接触的汽相，实现汽液两相的传质和传 热过程，所以精馏塔必须从塔底引入上升蒸气流和从 塔顶引入下降液流（称为回流）。回流是精馏操作不 同于平衡蒸馏和简单蒸馏的重要区别。
n
Vn , yn
V n 1 , y n 1
n 1
Ln , xn
原料 ( 液 ) F , xF
1
加料板
2
, ym Vm
提馏段
m
, xm Lm
1 , y m 1 Vm
m 1
, y VN N
N
, x LN N
上升蒸汽 V , y W
再沸器
, x LN N
一批操作的物料衡算求得，即：
总物料：
D=F-W
D y F x1 W x 2
易挥发组分： 联立得：
y
F x1 W x 2 F W
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6.2.3 精馏原理
一、精馏过程原理 上述的平衡蒸馏和简单蒸馏 都是单级分离过程，分离所 能达到的程度有限。而精馏 是多级分离过程，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。