化學(xué)工程基礎(chǔ)第6章精餾-1

1、1第六章 精餾 2利用液體混合物中各組分揮發(fā)度不同的性質(zhì)，對液體混合物進(jìn)行多次部分氣化和部分冷凝相結(jié)合的操作后，就會使氣相中易揮發(fā)組分的含量越來越高，而液相中難揮發(fā)的組分的含量也越來越高，從而達(dá)到分離混合物的目的。3乙醇乙醇-水體系的蒸餾分離水體系的蒸餾分離乙醇水乙醇水加熱加熱氣相氣相:醇富集醇富集液相液相:水富集水富集冷凝冷凝冷卻冷卻乙醇乙醇產(chǎn)品產(chǎn)品廢水廢水4按蒸餾方式 簡單蒸餾 平衡蒸餾（閃蒸）精餾精餾 特殊精餾 恒沸蒸餾 萃取蒸餾 水蒸汽蒸餾較易分離的物系或?qū)Ψ蛛x要求不高的物系難分離的物系很難分離的物系或用普通方法難以分離的物系蒸餾的分類蒸餾的分類5簡單蒸餾或平衡蒸餾：一般用在混合物各組

2、分揮發(fā)性相差大，對組分分離程度要求又不高的情況下。精餾：在混合物組分分離純度要求很高時采用。特殊精餾：混合物中各組分揮發(fā)性相差很小，或形成恒沸液（azeotrope），難以或不能用普通精餾加以分離時，借助某些特殊手段進(jìn)行的精餾。間歇精餾：多用于小批量生產(chǎn)或某些有特殊要求的場合。連續(xù)精餾：多用于大批量工業(yè)生產(chǎn)中。6常壓蒸餾：蒸餾在常壓下進(jìn)行。減壓蒸餾：用于常壓下物系沸點較高，使用高溫加熱介質(zhì)不經(jīng)濟(jì)或熱敏性物質(zhì)不能承受的情況。減壓可降低操作溫度。加壓蒸餾：對常壓沸點很低的物系，蒸汽相的冷凝不能采用常溫水和空氣等廉價冷卻劑，或?qū)Τ爻合聻闅怏w的物系（如空氣）進(jìn)行精餾分離，可采用加壓以提高混合物的沸

3、點。多組分精餾：例如原油的分離。雙組分精餾：例如乙純-水體系的分離。本章著重討論常壓下雙組分連續(xù)精餾。其原理和計算方法可推廣應(yīng)用到多組分體系。 781 氣液相平衡 利用液體混合物各組分沸點（或揮發(fā)度）的不同，將物質(zhì)多次部分汽化與部分冷凝，從而使液體混合物分離與提純的過程，稱為精餾操作。萃取利用混合物各組分對某溶劑具有不同的溶解度，從而使混合物各組分得到分離與提純的操作過程。9古老的燒酒制作過程（1）粬的制作發(fā)酵過程（獲得菌種）（2）粗酒的制作將酒粬與蒸熟的米飯，按一定比例混合發(fā)酵，制成酒、水、酒糟的糊狀混和物（生物降解）。 （3）酒的提純蒸餾操作過程。 10鍋為汽化器，頂蓋為冷凝器。 11為什

4、么能使乙醇增濃？ 主要因為乙醇比水的沸點低（或說乙醇比水的揮發(fā)度高）。這樣蒸汽中乙醇的含量YA高于粗酒中乙醇的含量XA ，即YAXA。蒸汽冷凝之后，就得到乙醇含量高的酒。yA蒸汽中乙醇所占的摩爾分率水的摩爾數(shù)乙醇的摩爾數(shù)乙醇的摩爾數(shù)AyxA液相中乙醇所占的摩爾分率121-1 x-y相圖理想溶液及拉烏爾定律 ABBBBAAAxpxppxpp100013在一定的溫度下，溶液上方任意組分的蒸汽分壓，等于該純組分在同溫度下的蒸汽壓與該組分在溶液中的摩爾分率之乘積。道爾頓分壓定律：pA=yA.P pB=yB.P14t-x-y圖 在一定外壓條件下，沸點t與汽液相組成（x , y）的關(guān)系，繪在圖上即是t-x

5、-y圖。 15如圖所示，對于一定組成的溶液（x1）加熱到與t-x相交的點，即出現(xiàn)第一個氣泡，所以t-x線亦稱泡點線。對于組成為y1的蒸汽，冷卻至與t-y線相交，出現(xiàn)第一個露珠，所以稱t-y線為露點線。若t-x線與t-y線重合，則表示該溶液不能分離。若兩線相距愈遠(yuǎn)，則表示愈易分離。16若為二元理想溶液，t-x-y圖可利用計算方法求得： I 1 1PxpPpypppPxxpxpPppxpxppxppAoAAAoBoAoBAAoBAoABAAoBBoBBAoAA而式（I）說明，只要知道某溫度下的（飽和蒸汽壓數(shù)據(jù)），就可以計算得到x與y，就可以作出在指定外壓下的t-x-y圖。式（I）還說明，總壓對t-

6、x-y圖是有影響的。17x-y圖 取t-x-y圖中的x , y 數(shù)據(jù)，以x為橫坐標(biāo)，y為縱坐標(biāo)，繪成的圖為x-y圖。對于易揮發(fā)組分，因為yAxA ，所以x-y線均在對角線上方。x-y線與對角線偏離越遠(yuǎn)，表示越易分離。若x-y線與對角線重合，則不能用精餾方法分離。 181-2 氣-液相平衡方程 揮發(fā)度達(dá)到相平衡時，某組分在蒸汽中的分壓和它在平衡液相中的摩爾分率之比，叫做該組分的“揮發(fā)度”。是指物質(zhì)揮發(fā)的難易程度。BBBAAAxpvxpv，19相對揮發(fā)度各組分的揮發(fā)度之比，稱為組分間的“相對揮發(fā)度”。oBoABBoBAAoABBAAABBAABppxxpxxpxpxpvv , 20通常定義易揮發(fā)組

7、分揮發(fā)度與難揮發(fā)組分揮發(fā)度之比為相對揮發(fā)度。這樣定義的 ，則 1 。)II( 11 111 AAAAAAAAoBoAAoBoAAoBAoAAoABAAAxxyxxxxxppxppxpxpxppppy氣液平衡方程氣液平衡方程 21由式（II）得知，當(dāng)=1時，表示該二元溶液不能用精餾的方法分離。x , y一般表示為易揮發(fā)組分濃度。 22由 xxy) 1(1知，1時， 。xy 1時， 揮發(fā)度差異愈大，愈有利于蒸餾操作。 1時，。xy 組分A較B易揮發(fā)，可以用蒸餾方法分離不能用普通蒸餾的方法分離混合液。 可作為混合液能否用蒸餾方法分離以及分離難易程度的判據(jù)。232 精餾原理 2-1 精餾基本原理 簡單

8、蒸餾是單級分離過程，對溶液只進(jìn)行一次部分氣化；精餾是對混合液同時進(jìn)行多次部分氣化和部分冷凝相結(jié)合的操作。24常見的精餾塔分板式、填料式。板式安裝有若干層塔板，每層塔板上保證有一定的液層高度，氣、液兩相通過塔板進(jìn)行部分氣化和部分冷凝。填料塔內(nèi)充填一定的填料層，氣、液兩相在被潤濕的填料表面上進(jìn)行部分氣化和部分冷凝。25 液體混合物經(jīng)過多次部份汽化后可變?yōu)楦呒兌鹊碾y揮發(fā)組分 。26 氣體混和物經(jīng)過多次部分泠凝后可變?yōu)楦呒兌鹊囊讚]發(fā)組分。27精餾基本原理282-2 精餾流程 為獲得純度高的產(chǎn)品，人們首先想到應(yīng)用多次簡單蒸餾的辦法。例如從含乙醇10左右的發(fā)酵粗酒液，經(jīng)一次蒸餾可得到50的燒酒。再將50的

9、燒酒經(jīng)過一次蒸餾，就可得到6065的燒酒。原則上，經(jīng)過幾次的簡單蒸餾，可以得到一種純度高的產(chǎn)品。但是，需要幾個加熱器和幾個冷凝器，要消耗大量蒸汽和冷卻水；最終產(chǎn)品的產(chǎn)量??；操作是間歇的。2930無回流多次簡單蒸餾圖31在上圖中，對第i釜作物料衡算：眾所周知，只有同時滿足式（I）和式（II），才可稱為穩(wěn)定操作。我們分兩種情況進(jìn)行分析： 111iiiiiiyqyqqq由易揮發(fā)組分衡算得：由總物料流衡算得：32 眾所周知，只有同時滿足式（I）和式（II），才可稱為穩(wěn)定操作。我們分兩種情況進(jìn)行分析：若式（I）成立，即式（II）不能成立。若式（II）成立，即式（I）不能成立。 據(jù)此分析，由于實際中， 式

10、（I）和式（II）不能同時成立。所以，圖中的流程是不穩(wěn)定操作。即，無回流的多次簡單蒸餾是不穩(wěn)定操作。1iiyy33有回流的多次簡單蒸餾 34連續(xù)精餾流程 35原料從加料板被送入精餾塔后，在加料板上與上層塔板下降的回流液混合后，逐板下降，直達(dá)塔底，一部分進(jìn)入再沸器氣化，上升與回流液接觸，直達(dá)塔頂。每層不斷進(jìn)行傳熱與傳質(zhì)過程。隨著原料的進(jìn)入，易揮發(fā)的組分含量高的餾出液產(chǎn)品和難揮發(fā)組分含量高的塔底產(chǎn)品連續(xù)不斷地從塔頂和塔底分別排出。 36提餾段提餾段精餾段精餾段進(jìn)料板精餾段是利用回流液將上升氣體中的難揮發(fā)組分部分冷凝，產(chǎn)生的冷凝熱使塔板上液體部分氣化，對易揮發(fā)組分起提純作用。提餾段是利用上升蒸汽使料

11、液和精餾段回流液的混合液中易揮發(fā)組分逐步氣化，對難揮發(fā)組分起提純作用。37間隙式精餾塔 將原料一次加入塔底的再沸騰中，用加熱的蒸汽使再沸騰器中的液體部分氣化，它只有精餾段而無提餾段。 383 雙組分連續(xù)精餾的物料衡算和能量衡算 在簡單精餾的過程中：液相組成由汽相組成（餾出液組成）由釜液量由若全部汽化，又全部冷凝，即最終釜液量W=0，則達(dá)不到分離的目的。只有部分汽化，部分冷凝，才可得到易揮發(fā)組分較高的餾出液。nxxxx321nyyyy321WdnFF393-1 恒物質(zhì)的量流假定為了實現(xiàn)精餾，需要多次部分汽化與部分冷凝，則“多次”是多少次呢？為了使操作穩(wěn)定，要引入塔頂回流，回流量對“次數(shù)”有什么影

12、響呢？為了得到兩種純度高的產(chǎn)品，需要中間加料，則“中間”是在什么位置呢？ 40理論板假設(shè)離開該板（第n塊板）的上升蒸汽組成yn和板上（第n塊板）下流液體組成xn互成平衡，該板稱之為理論板。41 恒物質(zhì)的量氣化恒物質(zhì)的量氣化 假定精餾塔沒有物料的出與進(jìn)，每層塔板上上升氣流的物質(zhì)的流量相等。即內(nèi)每層塔板上升蒸汽的摩爾流率kmols-1相等精餾段：提餾段： 常量 常量 ,2,1,42 恒物質(zhì)的量溢流恒物質(zhì)的量溢流 假定精餾塔內(nèi)沒有物料的出與進(jìn)，每層塔板下降液流的物質(zhì)的量流量相等。即精餾段內(nèi)每層塔板溢流液體的摩爾流率kmols-1相等。對于精餾段：對于提餾段：常量 ,2,1,常量 ,/,2,/,1,/

13、433-2 物料衡算和熱量衡算 全塔物料衡算以全塔作物料平衡，已知原料液的流量、組成以及對塔頂和塔底產(chǎn)物的組成。44 全塔物料衡算 進(jìn)入塔的物料量=離開塔的物料量易揮發(fā)組分的物料衡算 進(jìn)入塔的易揮發(fā)組分量=離開塔的易揮發(fā)組分量,45精餾段物料衡算 進(jìn)出精餾段的物料平衡精餾段易揮發(fā)組分的物料平衡DnLnVnqqq,dDnnLnnVnxqxqyq,1,dDnLnDnnDnLnLnnxqqqxqqqy,146 令 R回流比 有 精餾段操作線方程全回流時無回流時RqqDnLn,dnnxRxRRy111110,10,11111RxRxyxxxxRRRxyxxddnnddddndn此線過點，有，此線過點，

14、有，47提餾段物料衡算 進(jìn)出提餾段的物料平衡提餾段易揮發(fā)組分的物料平衡WWnmVnmLnWnVnLnxqyqxqqqq,1/,/,/,/,WWnLnWnmWnLnLnmxqqqxqqqy,/,/,/,/,1/提餾段操作線方程：48進(jìn)料狀態(tài)的影響狀況低于泡點的過冷液進(jìn)料狀況泡點液體進(jìn)料狀況汽-液混合物進(jìn)料狀況露點蒸汽進(jìn)料狀況高于露點的過熱蒸汽進(jìn)料 加料板的物料衡算與熱量衡算 49冷液體進(jìn)料，上升到精餾段的蒸汽較提餾段的少。泡點液體進(jìn)料，上升到精餾段的蒸汽與提餾段的蒸汽量相等。氣液混合進(jìn)料，進(jìn)料中的蒸汽隨提餾段的上升蒸汽進(jìn)入精餾段。飽和蒸汽進(jìn)料，處于露點的飽和溫度，全部進(jìn)料隨提升段上升蒸汽進(jìn)入精餾

15、段，二者流量相等。過熱蒸汽進(jìn)料，提餾段下降的液體量要比精餾段下降的液體量少。50進(jìn)料板的物料平衡與熱量平衡： 整理得：進(jìn)料狀態(tài)參數(shù)，它表示將1kmol進(jìn)料變成飽和蒸汽所需要的熱量與1kmol原料液的氣化潛熱之比。LLnVVnLLnVVnFFnLnVnLnVnFnHqHqHqHqHqqqqqq,熱量衡算物料衡算LVFVHHHH令原料的千摩爾氣化潛熱蒸汽所需要的熱量每千摩爾進(jìn)料變成飽和即，F(xiàn)VLVFnLnLnLVLnLnFVFnHHHHqqqHHqqHHq,)()(即51將定義式轉(zhuǎn)化為：將上式帶入提餾段操作方程：52五種進(jìn)料對線的影響 進(jìn)料狀況值斜率/(-1)進(jìn)料線位置A，冷凝體1B，泡點液體=1

16、C，汽-液混合物01D，露點蒸汽=00E，過熱蒸汽0535454例例 氯仿和四氯化碳的混合液在連續(xù)精餾塔內(nèi)氯仿和四氯化碳的混合液在連續(xù)精餾塔內(nèi)分離，要求餾出液氯仿濃度為分離，要求餾出液氯仿濃度為0.95(摩爾分率摩爾分率)，流量為流量為50kg/h，頂為全凝器，平均相對揮發(fā)頂為全凝器，平均相對揮發(fā)度為度為1.6，回流比為，回流比為2。求求 (1) 由上向下數(shù)第一塊塔板下降的液體組成由上向下數(shù)第一塊塔板下降的液體組成; (2) 第二塊塔板上升蒸氣組成。第二塊塔板上升蒸氣組成。 (3) 精餾段各板上升蒸氣量及下降的液體量精餾段各板上升蒸氣量及下降的液體量;5555解：解：(1)(1) y1 = x

17、D= 0.95111)1(1xxy 11)16 . 1(16 . 195. 0 xx 92. 01 xDxRxRRy11112 12950920122 .93. 0 (2)5656 （3） V （質(zhì)）（質(zhì)）= ( R + 1 ) D = ( 2 + 1 )50 = 150 kg / h M氯訪氯訪= 119.35 kg / kmol M四氯化碳四氯化碳 = 153.8kg / kmol Mm= 0.95119.35 + 0.05153.8 =121.1 kg / kmol V = 150 / 121.1 = 1.24 kmol / h L（質(zhì)）（質(zhì)）= RD = 2 50 = 100 kg /

18、 h L = 100 / 121.1 = 0.826 kmol / h 57【例【例6-5】在雙組分連續(xù)精餾塔中精餾段的某一理論板n上，進(jìn)入該板的氣相組成為0.8(摩爾分?jǐn)?shù)，下同)，離開該板的液相組成為0.7，物系相對揮發(fā)度為2.4，氣液比為21，計算離開該板的氣相組成和進(jìn)入該板的液相組成。 808508027022111111185070142170421111111.).(.)yy(xxVLDLLRR)xx(RRyyRxxRRyRxxRRy.).(.x)(xynnnnnnnnD1nnDnnnnn 又解：相減58【例【例6-6】分離乙醇水溶液的精餾塔，進(jìn)料量為100kmol/h，進(jìn)料溫度為60，含乙醇10%(摩爾分率，下同)，回流比為2。要求餾出液中含乙醇87%，且乙醇回收率達(dá)到98%，計算塔頂、塔底產(chǎn)品量及其釜液組成。精餾段和提餾段上升蒸汽及下降液體量。已知10%乙醇泡點為86?！窘狻?1.00230748887026111010074882611100261198010087010980.WDx-Fxxkmol/h.D-FWkmol/h.FxxD.FxDxDFWADFFDA59ABFbpApB-pLpAAFpBBFmAAFBBF2.86r850kJ/kgr2270.6kJ/kgtt60867