復(fù)旦大學(xué)化工原理第六章蒸餾

第六章蒸餾化工生產(chǎn)中常需將液體混合物分離以達(dá)到提純或回收有用組分的目的。其提純的方法有：蒸餾、萃取、超濾等，而最常用的方法是蒸餾。蒸餾是籍液體混合物中各組分揮發(fā)性的差異而進(jìn)行分離的一種單元操作。通常稱揮發(fā)性高的組分為低沸點(diǎn)組分、易揮發(fā)組分、輕組分；揮發(fā)性低的組分為高沸點(diǎn)組分、難揮發(fā)組分、重組分。但要注意輕、重組分的區(qū)別是相對(duì)的，是指同一體系而言的。蒸餾操作的分類(lèi)：按操作方式

a.簡(jiǎn)單蒸餾；b.平衡蒸餾；c.精餾；d.特殊精餾。按操作壓力

a.

常壓蒸餾；b.

加壓蒸餾；c.

減壓蒸餾。按操作時(shí)的進(jìn)料方式

a.

連續(xù)蒸餾；b.

間歇精餾。按原料中所含組分?jǐn)?shù)目

a.

雙組分；b.

多組分。本章的重點(diǎn)是介紹常壓條件下的雙組分連續(xù)精餾。第一節(jié)雙組分溶液的汽液相平衡一.溶液的蒸汽壓與拉烏爾定律純組分液體的汽液兩相達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡時(shí)，其飽和蒸汽壓是溫度的函數(shù)；溫度愈高則飽和蒸汽壓愈大。工程上通常采用安托因方程來(lái)描述兩者的關(guān)系。式中：p0—純組分液體的飽和蒸汽壓，kPa；t—溫度，0C；A、B、C—安托因常數(shù)。對(duì)于溶液，其飽和蒸汽壓與純組分的蒸汽壓有所不同；當(dāng)該溶液為雙組分理想溶液時(shí)，各組分的蒸汽壓滿足拉烏爾定律：PA=PA0xA；PB=PB0xB式中：PA—組分A在某一溫度下的蒸汽壓，kPa;PA0—同溫度下純組分A的飽和蒸汽壓，kPa；PB—組分B在某一溫度下的蒸汽壓，kPa；PB0—同溫度下純組分B的飽和蒸汽壓，kPa；xA—液相中組分A的摩爾分?jǐn)?shù)；xB

—液相中組分B的摩爾分?jǐn)?shù)。其中：xA、xB有關(guān)系xA+xB=1二.理想溶液的汽液相平衡1.理想溶液的溫度組成圖

t—y—x圖y—x圖2.理想溶液的溫度組成關(guān)系式當(dāng)總壓P不是太高時(shí)，可認(rèn)為汽相是理想氣體，服從道爾頓分壓定律，即：P=PA+PB=PA0xA+PB0xB=PA0xA+PB0(1-xA)則有：對(duì)于理想氣體有：可得到泡點(diǎn)線可得到露點(diǎn)線3.理想溶液的汽液相平衡方程揮發(fā)度揮發(fā)度是用來(lái)表示物質(zhì)揮發(fā)能力大小的物理量，其定義為：A組分的揮發(fā)度nA

=PA/xA

;B組分的揮發(fā)度nB

=PB/

xB

。對(duì)于理想溶液有：nA

=PA0;nB

=PB0。相對(duì)揮發(fā)度揮發(fā)度的大小并不能反映A、B組分進(jìn)行分離的難易程度。因此，提出了一個(gè)相對(duì)揮發(fā)度的概念。相對(duì)揮發(fā)度的定義為：a=nA/

nB對(duì)于理想溶液有：a=PA0/

PB0雖然PA0、PB0均隨溫度而變，但PA0/

PB0隨溫度的變化較??；當(dāng)溫度變化不太大時(shí)，可認(rèn)為a是一常數(shù)。根據(jù)定義可推導(dǎo)出理想溶液的汽液相平衡方程：上式中溶液的相對(duì)揮發(fā)度a，工程上通常取塔頂和塔底溶液相對(duì)揮發(fā)度的幾何平均值。即：三.雙組分非理想溶液的汽液相平衡非理想溶液中各組分的蒸汽壓不服從拉烏爾定律，他們對(duì)拉烏爾定律發(fā)生的偏差有正偏差和負(fù)偏差兩大類(lèi)。當(dāng)PA>PA0xA，PB

>PB0xB時(shí)，屬正偏差溶液；當(dāng)PA<PA0xA，PB<PB0xB時(shí)，屬負(fù)偏差溶液。對(duì)于非理想溶液，其汽液平衡關(guān)系不能簡(jiǎn)單地用相平衡方程來(lái)表示，需通過(guò)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行測(cè)定。第二節(jié)蒸餾與精餾原理一.簡(jiǎn)單蒸餾與平衡蒸餾1.簡(jiǎn)單蒸餾簡(jiǎn)單蒸餾的裝置如圖所示。其特征是：隨著蒸餾過(guò)程的進(jìn)行，釜液組成xB增大、xA減??；同時(shí)，塔頂采出的組分yA也將隨之降低。所以每個(gè)罐收集到的是一平均濃度的產(chǎn)品。若一個(gè)雙組分溶液的平均相對(duì)揮發(fā)度為a，初始在蒸餾釜內(nèi)的物質(zhì)量為n1摩爾、組成為x1；終態(tài)時(shí)蒸餾釜內(nèi)有物質(zhì)量n2摩爾、組成為x2；則有關(guān)系：可得餾出液的平均組成為：2.平衡蒸餾平衡蒸餾又稱為閃蒸，是一連續(xù)操作的蒸餾過(guò)程。平衡蒸餾的操作過(guò)程原料在加熱器中加熱至一定溫度后，通過(guò)節(jié)流閥驟然減壓；使部分料液汽化。汽化組成經(jīng)冷凝后得到塔頂產(chǎn)物。該產(chǎn)物的組成是連續(xù)恒定的，但輕組分含量的提高不多。其裝置如圖所示。物料衡算對(duì)連續(xù)平衡蒸餾的定態(tài)過(guò)程作物料衡算有：qn,f=qn,D+qn,W；qn,fxf=qn,Dy+qn,Wx若平衡蒸餾的液相產(chǎn)物占總加料量的分率為q，則原料的汽化率為(1-q)；即：qn,D/qn,f=1-q根據(jù)上述關(guān)系，可得：熱量衡算若混合溶液的平均摩爾比熱為Cp(kJ/kmol.K)，溶液的平均摩爾汽化熱為g(kJ/kmol)；則：加熱器的傳熱速率為Q=qn,fCp(t–t0)其中加熱溫度t為t=te+(1-q)g/Cp例：將含苯0.7（摩爾分?jǐn)?shù)）、甲苯0.3（摩爾分?jǐn)?shù)）的溶液加熱汽化，汽化率為1/3。試計(jì)算：1）作平衡蒸餾時(shí)，汽相與液相產(chǎn)物的組成；2）作簡(jiǎn)單蒸餾時(shí)，汽相產(chǎn)物的平均組成及殘液組成。已知物系的平均相對(duì)揮發(fā)度為2.47。二.精餾原理精餾原理根據(jù)t-y-x

圖可知。將某一組成的混合溶液進(jìn)行部分的汽化，則可使留下的溶液中輕組分的濃度降低。若將某一組成的混合蒸汽進(jìn)行部分的冷凝，則可使留下的蒸汽中輕組分的濃度提高。如果將混合溶液進(jìn)行多次的汽化，可得到重組分含量較高的混合溶液；如果將混合蒸汽進(jìn)行多次的冷凝，可得到輕組分含量較高的混合蒸汽。這種進(jìn)行了多次汽化、多次冷凝的蒸餾操作，稱為精餾。精餾塔的操作過(guò)程1-原料槽；2-料液輸送泵；3，6，7-轉(zhuǎn)子流量計(jì)；4-塔頂冷凝器；5-冷凝液分配器；8-塔底產(chǎn)品冷卻器；

精餾塔的結(jié)構(gòu)如圖所示?；旌先芤涸谒患訜岫a(chǎn)生上升蒸汽。上升蒸汽在塔板上與從塔頂下降的液體接觸；蒸汽中的重組分將其攜帶的潛熱提供給液體中的輕組分，使輕組分汽化，而自身被冷凝下來(lái)。第三節(jié)雙組分連續(xù)精餾的計(jì)算一.全塔的物料衡算總物料的衡算：qn,F=qn,D+qn,W輕組分的物料衡算：qn,FxF=qn,DxD+qn,WxW二.理論板的概念與恒摩爾流假定理論板若離開(kāi)某一塔板的汽相組成y

與液相組成x

達(dá)到平衡；則該板稱為理論板。恒摩爾流假定對(duì)于精餾塔，工程上常將進(jìn)料口以上部分稱為精餾段；進(jìn)料口以下部分，稱為提餾段。恒摩爾流假定：在精餾段，上升蒸汽通過(guò)每一塊塔板的摩爾流量都相等；下降液體通過(guò)每一塔板的摩爾流量也相等。在提餾段，上升蒸汽通過(guò)每一塊塔板的摩爾流量都相等；下降液體通過(guò)每一塔板的摩爾流量也相等。三.進(jìn)料的熱狀態(tài)參數(shù)q精餾塔內(nèi)精餾段與提餾段上升蒸汽以及下降液體的摩爾流量之間的關(guān)系，由進(jìn)料的熱狀態(tài)決定。進(jìn)料的熱狀態(tài)參數(shù)q定義為：進(jìn)入精餾塔的物料可有五種熱狀態(tài)，即：q<0q=00<q<1q=1q>1過(guò)熱蒸汽飽和蒸汽汽液混合進(jìn)料飽和溶液冷液進(jìn)料精餾段和提餾段的上升蒸汽以及下降液體的摩爾流量與進(jìn)料的熱狀態(tài)參數(shù)之間的關(guān)系：qn,L,=qn,L+qqn,Fqn,V,=qn,V+(q–1)qn,F四.操作線方程與q線方程操作線方程是表示兩層塔板之間，下層塔板的上升蒸汽組成yn+1與上層塔板下降液體組成xn之間的關(guān)系式。1.精餾段操作線方程式中：R=qn,L/qn,D，稱為回流比。2.提餾段操作線方程3.q線方程式中q為進(jìn)料的熱狀態(tài)參數(shù)。q線方程實(shí)質(zhì)是精餾段操作線與提餾段操作線交點(diǎn)的軌跡方程。五.理論板數(shù)的計(jì)算1.理論板數(shù)的圖解計(jì)算在y-x圖上作出精餾段和提餾段的操作線；對(duì)于采用全凝器的精餾塔，從xD開(kāi)始作臺(tái)階，所得臺(tái)階數(shù)即為滿足分離要求所需的理論板數(shù)。在精餾段操作線上的臺(tái)階數(shù)為精餾段的理論板數(shù)；在提餾段操作線上的臺(tái)階數(shù)為提餾段的理論板數(shù)。2.理論板數(shù)的逐板計(jì)算若被分離的雙組分物系的汽液平衡關(guān)系滿足相平衡方程。當(dāng)精餾塔采用全凝器時(shí)，有y1=xD。則可根據(jù)塔頂產(chǎn)品的組成xD得到第一塊塔板上升的蒸汽組成y1；然后根據(jù)相平衡方程計(jì)算出離開(kāi)第一塊塔板的液相組成x1。再根據(jù)精餾段的操作線方程，計(jì)算出y2。這樣交替使用相平衡方程和操作線方程，就可計(jì)算出精餾段所需的理論板數(shù)。當(dāng)所得到的xn<xf

（xf為精餾段與提餾段操作線的交點(diǎn)坐標(biāo)）時(shí)，改用提餾段的操作線方程；直至xm<xW。采用這種逐板計(jì)算的方法，可得到整個(gè)精餾塔的理論塔板數(shù)。N=m+n。例：在常壓下將含苯25mol%的苯—甲苯混合溶液進(jìn)行連續(xù)精餾。要求餾出液中含苯98mol%，釜液中含苯8.5mol%。泡點(diǎn)加料，采用的回流比為5，塔頂為全凝器、泡點(diǎn)回流，求所需的理論塔板數(shù)。已知：常壓下苯—甲苯混合溶液可視為理想溶液，物系的相對(duì)揮發(fā)度為2.47。六.回流比的確定1.全回流與最少理論板數(shù)若塔頂上升的蒸汽冷凝后全部回流至塔內(nèi)，稱為全回流。此時(shí)，在指定的分離程度（xD、xW一定）條件下，所需的理論板數(shù)最少。即：式中：Nmin—全回流時(shí)所需的最少理論板數(shù)（包括蒸餾釜）

a—全塔的平均相對(duì)揮發(fā)度。2.最小回流比a.理想溶液的最小回流比確定當(dāng)精餾段與提餾段的操作線交點(diǎn)落在平衡線上時(shí)，精餾段操作線的斜率為最小回流比時(shí)的斜率，截距為最小回流比時(shí)的截距。當(dāng)回流比小到一定程度時(shí)，滿足分離要求所需的理論塔板數(shù)為無(wú)窮大；此時(shí)的回流比稱為最小回流比。最小回流比Rmin為：其中xp與yp由q線方程和相平衡方程聯(lián)立求解得到。b.非理想溶液的最小回流比確定如果回流比減小到某一值時(shí)，雖然精餾段與提餾段操作線的交點(diǎn)還未落在相平衡線上，但此時(shí)精餾段操作線已與相平衡線相切（如圖所示），則該回流比為最小回流比。如果精餾段操作線與相平衡線不出現(xiàn)切點(diǎn)，則最小回流比的求取同前。只是xp與yp

的確定需采用圖解法。3.適宜回流比的確定適宜回流比的確定與吸收操作中適宜液氣比的確定相同，需由操作費(fèi)與設(shè)備費(fèi)之和最小來(lái)確定適宜的回流比。但在實(shí)際的選擇過(guò)程中，往往根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，取最小回流比的（1.1~2.0）倍。即：第四節(jié)間歇精餾一.間歇精餾的特點(diǎn)一次性投料；整個(gè)操作過(guò)程屬于非穩(wěn)態(tài)操作，塔內(nèi)各項(xiàng)參數(shù)隨時(shí)間變化；精餾塔只有精餾段，沒(méi)有提餾段。二.間歇精餾的兩種操作方式回流比恒定的操作在理論板數(shù)一定的條件下，餾出液組成逐漸減小。餾出液組成恒定的操作在理論板數(shù)一定的條件下，要保持餾出液組成恒定；則必須不斷地加大回流比。第五節(jié)恒沸精餾與萃取精餾當(dāng)液體混合物屬于下列兩種情況之一時(shí)，通常采用恒沸精餾或萃取精餾。當(dāng)混合物中兩組分的相對(duì)揮發(fā)度接近于1時(shí)，若采用普通的精餾方法進(jìn)行分離，所需的理論板數(shù)很多，而且回流比也需很大，使設(shè)備費(fèi)與操作費(fèi)都增加，經(jīng)濟(jì)上不合算；具有恒沸點(diǎn)的非理想溶液，其恒沸物中兩組分的相對(duì)揮發(fā)度等于1，用普通的精餾方法不能進(jìn)行分離。一.恒沸精餾恒