1、1,第六章 蒸餾,第一節(jié) 雙組分溶液的氣液相平衡,第二節(jié) 蒸餾與精餾原理,第三節(jié) 雙組分連續(xù)精餾的計算與分析,第五節(jié) 恒沸精餾與萃取精餾,第四節(jié) 間歇精餾,第六節(jié) 板式塔,2,利用各組分揮發(fā)度的差異將液體混合物加以分離的單元操作稱為蒸餾。,一、什么是蒸餾？,6.1 概述,3,蒸餾在化工生產(chǎn)中的應(yīng)用,分離多組分混合物；,某一組分的提純；,有用組分的回收。,目的：,廣泛性：,液體混合物；,氣體混合物；,固體混合物。,4,5,6,蒸餾過程的分離依據(jù),依據(jù)：蒸餾是利用混合物中各組分揮發(fā)性的差異。,易揮發(fā)組分(或輕組分): 揮發(fā)性高的組分，以A表示； 難揮發(fā)組分(或重組分): 揮發(fā)性低的組分，以B表示。

2、,蒸餾過程,液體混合物,液相：xA, xB,7,必有： yA xA, yB xB 即：,蒸餾過程的分類方法,無回流,8,9,第一節(jié) 雙組分溶液的氣液相平衡,一、溶液的蒸氣壓與拉烏爾定律,二、理性溶液氣液相平衡,三、非理想溶液氣液相平衡,10,一、溶液的蒸氣壓與拉烏爾定律,密閉容器內(nèi)，一定溫度，純組分液體的氣液兩相達(dá)到平衡狀態(tài)，飽和狀態(tài)。蒸汽為飽和蒸汽，其壓力為飽和蒸汽壓（蒸氣壓）。,Antoine方程：,po純組分液體的飽和蒸汽壓，kPa,A、B、C純組分液體的飽和蒸汽壓，kPa,P335,11,理想溶液與拉烏爾定律,拉烏爾定律：在一定溫度下，汽相中任一組分的分壓 等于此純組分在該溫度下的蒸汽

3、壓乘以 它在溶液中的摩爾分率。,pA=pAoxA pB=pBoxB= pBo（1-xA）,pA 、pB 溶液上方A和B兩組分的平衡分壓，Pa pao、pBo 同溫度下，純組分A和B的飽和蒸汽壓，Pa； xA 、 xB 分別為混合液組分A和B的摩爾分率,12,二、 理想溶液氣液相平衡,（一）理想溶液t y x關(guān)系式,理想氣體,泡點方程,13,汽液兩相平衡組成間的關(guān)系,露點方程,泡點方程,14,（二）t y x圖與y x圖,三個區(qū)：液相區(qū)，過冷液體,氣相區(qū)，過熱蒸汽,兩相區(qū)，氣液共存,兩相區(qū)特點：兩相溫度相同 y x,兩條線：液相線（泡點線） 氣相線（露點線）,組成相同，t露點t泡點,15,對角線

4、y=x為輔助曲線，平衡線在對角線之上；,xy線上各點溫度不同；,平衡線離對角線越遠(yuǎn)，揮發(fā)性差異越大，物系越易分離。,why?,因為yx,16,壓力對txA（yA）圖及xy圖的影響,壓力增加，平衡線靠近對角線，分離難度大,17,S,y,x,18,（三） 相對揮發(fā)度與理想溶液的yx關(guān)系,組分的揮發(fā)度: 是該物質(zhì)揮發(fā)難易程度的標(biāo)志，表示。,pA、 pB汽液平衡時，組分A,B在氣相中的分壓； xA、xB汽液平衡時，組分A,B在液相中的摩爾分率。,混合液某組分揮發(fā)度:,1. 揮發(fā)度,純組分的揮發(fā)度： = pAo,19,理想溶液則:,2. 相對揮發(fā)度(以表示),理想氣體：,或：,一般物系：,20,3. 理

5、想溶液的氣液相平衡方程式,代入,相平衡方程,討論:,的物理意義：汽相中兩組分組成之比是液相中兩 組分組成 之比的倍數(shù)。,其值標(biāo)志著分離的難易程度。,21,22,第二節(jié) 蒸餾與精餾原理,二、精餾原理,一、簡單蒸餾與平衡蒸餾,23,（一）簡單蒸餾（微分蒸餾）,y,原料液,x,蒸氣,冷凝器,特點：間歇、非定態(tài)，R=0,一、簡單蒸餾與平衡蒸餾,24,簡 單 蒸 餾,25,(2) 特點 間歇操作過程是一動態(tài)過程； 易揮發(fā)組分更多地傳遞到氣相中去，釜液溫度不斷升高； 產(chǎn)品與釜液組成隨時間而改變(降低）； 瞬時蒸氣與釜中液體處于平衡狀態(tài)。,26,27,（二）平衡蒸餾,特點： 可連續(xù)； 定態(tài)； 單級。,分離器

6、,塔頂產(chǎn)品,yA,xA,加熱器,原料液,塔底產(chǎn)品,Q,減壓閥,28,29,簡單蒸餾與閃蒸的區(qū)別,30,為什么利用多次簡單蒸餾或多次平衡蒸餾操作實現(xiàn)物系的高純度分離是不經(jīng)濟(jì)的?,多次部分氣化和多次部分冷凝流程的不足： a）需多個冷卻器及加熱器，設(shè)備費(fèi)高，流程復(fù)雜 b）需大量冷卻劑及加熱劑，能耗高，操作費(fèi)高 c）中間餾分多，最終產(chǎn)品極少。,31,二、精餾原理,1、精餾原理 精餾是指各組分揮發(fā)度不同均相液體混合物，利用回流手段，進(jìn)行多次部分冷凝和多次部分汽化而將混合液加以分離，獲得高純度的易揮發(fā)組分和難揮發(fā)組分的單元操作。 (1)、多次部分氣化,32,(2)、汽體混和物經(jīng)過多次部分泠凝后可變?yōu)楦呒兌?/p>

7、的易揮發(fā)組分,33,(3)、精餾是多次部分汽化與多次部分冷凝的聯(lián)合操作,精餾是一種利用回流技術(shù)，使混合液得到高純度分離的蒸餾方法。,34,35,2 精餾裝置流程及裝置,冷凝器,再沸器,精 餾 塔,1、為什么稱精餾？ 2、為什么稱提餾？,36,yn-1*,xn+1*,n+1,n,n-1,tn+1,tn,tn-1,xn-1,yn+1,（二）塔板上氣液兩相的傳質(zhì)與傳熱,37,兩相傳熱,兩相傳質(zhì),液相中的易揮發(fā)組分部分汽化向氣相傳遞；,氣相中的難揮發(fā)組分部分冷凝向液相傳遞；,平衡：,離開該級的氣液兩相溫度相等；,理論級：離開該級的氣液兩相組成相平衡。,38,塔板中間再沸器和中間部分冷凝器,汽流熱源,液

8、流冷卻劑,易揮發(fā)組份由液相向汽相傳遞，難揮發(fā)組份由汽相向液相傳遞,39,問題：,1、無液相回流，分離結(jié)果如何？ 2、無氣相回流，分離結(jié)果如何？,（三）回流作用,連續(xù)精餾的充分必要條件：,最上要有高純度易揮發(fā)組分的液相：液相回流,最下要有高純度難揮發(fā)組分的氣相：氣相回流(上升蒸氣),40,第三節(jié) 雙組分連續(xù)精餾的計算與分析（重點）,一、 全塔物料衡算,二、 恒摩爾流量的假定,三、 進(jìn)料熱狀態(tài)參數(shù)q,四、 操作線方程與q線方程,五、 理論板數(shù)的計算,六、 回流比與進(jìn)料熱狀態(tài)對精餾的影響,九、 精餾塔的操作計算,八、 理論板數(shù)的捷算法計算,七、 塔頂回流比的選擇,41,設(shè)計目標(biāo)：1）根據(jù)分離任務(wù)，確

9、定產(chǎn)品流量D，W；,2）選擇操作條件R、進(jìn)料狀態(tài)；,3）確定塔板數(shù)及加料位置；,4）選擇塔型，確定塔徑，塔內(nèi)結(jié)構(gòu)尺寸， 流體力學(xué)驗算；,5）冷凝器及再沸器熱負(fù)荷及設(shè)計計算。,42,43,計算的基本假定 一、理論板的概念 理論板的假定： 1、塔板上下各處的氣相和液相組成一致； 2、離開該板的氣液兩相組成互相平衡。,理論板可作為衡量實際板分離效率的標(biāo)準(zhǔn)。在設(shè) 計中，先求得理論板數(shù)，然后用塔板效率予以校正 ，即可求得實際塔板數(shù)。,44,二、恒摩爾流假定 恒摩爾氣流： 1、精餾段內(nèi)每層板上升蒸氣摩爾流量均相等 2、提餾段內(nèi)每層板上升蒸氣摩爾流量均相等,恒摩爾液流：,1、精餾段內(nèi)每層板下降液體摩爾流量均

10、相等 2、提餾段內(nèi)每層板下降液體摩爾流量均相等,45,恒摩爾流假設(shè)適用條件 兩組分的摩爾汽化熱相等； 兩相接觸因溫度不同交換的顯熱忽略不計； 塔設(shè)備保溫良好，熱損失可以忽略不計。,46,全塔物料衡算,F、D、Wkmol/h,xF、xD、xW摩爾分率,塔頂采出率,塔底采出率,47,分離要求的不同形式：,2）組分回收率：,1） 規(guī)定xD、xW,塔頂易揮發(fā)組分回收率,塔底難揮發(fā)組分回收率,48,例6-1 將5000kg/h含乙醇0.4（摩爾分?jǐn)?shù)，下同）和水0.6的混合液在常壓連續(xù)精餾塔中分離。要求餾出液含乙醇0.85，釜液含乙醇不高于0.02，求餾出液，釜液的流量及塔頂易揮發(fā)組分的回收率,P248

11、6-4;,P249 6-5,49,三、 進(jìn)料熱狀態(tài)參數(shù)q,一、進(jìn)料熱狀況 提餾段下降的液體量L 除與精餾段回流液體量L 有關(guān)外，還受進(jìn)料量及進(jìn)料熱狀況的影響。,在實際生產(chǎn)中，加入精餾塔中的原料液可能有五種熱狀況：,溫度低于泡點的冷液體（A）；泡點下的飽和液體（B）； 溫度介于泡點和露點之間的氣液混合物（C）；露點下的 飽和蒸氣（D）；溫度高于露點的過熱蒸氣（E）。,50,三、 進(jìn)料熱狀態(tài)參數(shù)q,過冷液體P,飽和液體C,汽液混合物G,飽和蒸汽D,過熱蒸汽H,H,51,冷液進(jìn)料,泡點進(jìn)料,F,L,V,L,V,汽液混合進(jìn)料,冷液體會使部分V冷凝,52,過熱蒸汽進(jìn)料,飽和蒸汽進(jìn)料,53,1. 加料板的

12、物料衡算,FhF+LhF-1+VHF+1=VHF+LhF,物料恒算：F+V+L=V+L,2. 熱量衡算,式中 H，h，hF分別為飽和蒸汽、飽和液體、原料液的摩爾焓kJ/kmol；,54,HF=HF+1=H =原料在飽和蒸汽狀態(tài)下的摩爾焓,hF=hF-1=h原料在飽和液體狀態(tài)下的摩爾焓,假設(shè),令,q進(jìn)料熱狀況參數(shù),55,所以：,其中飽和液體所占分率為 q，飽和蒸汽所占分率為（1q）。,將精餾段與提餾段關(guān)聯(lián)起來,56,（一）精餾段操作線方程,總物料衡算：V=L+D,易揮發(fā)組分的物料衡算：,Vyn+1=Lxn+DxD,精餾段的操作線方程,四、 操作線方程與q線方程,57,令 回流比,精餾段操作線方程

13、,58,精餾段操作線:,當(dāng)R, D, xD為一定值時,該操作線為一直線.,斜率:,截距:,y,x,xD,操作線為過點（xD， xD ）,畫操作線過程如下:,59,（二）提餾段操作線方程,總物料衡算：,易揮發(fā)組分：,提餾段的操作線方程,60,塔釜的氣相回流比,61,意義：提餾段 ym1f（xm）,提餾段操作線為 過點（xW， xW ）,斜率：,截距:,a,b,q,62,例：將含0.24（摩爾分?jǐn)?shù)，下同）易揮發(fā)組分的某液體混合物送入一連續(xù)精餾塔中。要求餾出液含0.95易揮發(fā)組分，釜液含0.03易揮發(fā)組分。送入冷凝器的蒸汽量為850kmol/h，流入精餾塔的回流液為670kmol/h，試求： 1每小

14、時能獲得多少kmol/h的餾出液？多少kmol/h 的釜液？ 2. 回流比R為多少？ 寫出精餾段操作線方程。,解：（1） V=L+D D=V-L=850-670=180kmol/h,63,則：,所以：,（2）回流比R：,（3）精餾段操作線方程：,64,進(jìn)料方程（q線方程）,q 線方程或進(jìn)料方程,意義：精餾段與提餾段交點軌跡方程；,65,66,L與L,進(jìn)料狀況,q值,q線位置,V與V,67,五、 理論板數(shù)計算,（一）理論板數(shù)的圖解法計算（了解）,梯級的物理意義,理論板上濃度特征：xnyn相平衡，落到平衡線上。,某截面濃度特征： xnyn+1操作關(guān)系，落到操作線上。,68,圖解法求理論板數(shù),討論：

15、,確定最佳進(jìn)料位置,最優(yōu)進(jìn)料位置：塔內(nèi)汽相或液相組成與進(jìn)料組成 相等或相近的塔板。,圖解法最優(yōu)進(jìn)料板：跨越兩操作線交點的梯級， NT最少。,69,70,（二）理論板數(shù)的逐板計算法,全凝器 泡點回流 泡點進(jìn)料 間接蒸汽加熱,精餾段：,y1=xD,精餾段塔板數(shù)：n-1,n平衡關(guān)系的次數(shù),71,提餾段：,平衡關(guān)系：,操作關(guān)系：,或,提餾段塔板數(shù)：m-1(不含再沸器）,72,平衡關(guān)系：,操作關(guān)系：,或,注意：,塔頂分凝器與冷 凝器，分凝器相 當(dāng)于一塊理論板.,精餾段塔板數(shù)： n-1-1,P259 6-10,73,六、回流比與進(jìn)料熱狀態(tài)對精餾過程的影響,q一定，R,R、V、V、L、L都,（一） R、 q和R對冷凝器和蒸餾釜的熱負(fù)荷影響,74,R一定，QB一定，QF（