化學工程基礎第六章

1、6.1 概述 一一 蒸餾操作在化工生產中的應用蒸餾操作在化工生產中的應用 用于均相液體混合物分離以達到提純或回收有用于均相液體混合物分離以達到提純或回收有用組分的目的。用組分的目的。 二二 蒸餾分離的依據(jù)蒸餾分離的依據(jù) 蒸餾是利用混合物中各組分揮發(fā)性的差異，而蒸餾是利用混合物中各組分揮發(fā)性的差異，而將混合物中各組分進行分離的單元操作。將混合物中各組分進行分離的單元操作。 揮發(fā)快的組分稱為易揮發(fā)組分或輕組分，以揮發(fā)快的組分稱為易揮發(fā)組分或輕組分，以A表示；表示； 揮發(fā)慢的組分稱為難揮發(fā)組分或重組分，以揮發(fā)慢的組分稱為難揮發(fā)組分或重組分，以B表示。表示。 三 蒸餾操作的分類 按蒸餾方式可分為簡單蒸

2、餾，平衡蒸餾、精餾及特殊精餾等多種方式； 按物系的組分數(shù)可分為雙組分精餾和多組分精餾； 按操作壓力可分為常壓蒸餾、加壓蒸餾和減壓（真空）蒸餾； 按操作方式又分為間歇精餾和連續(xù)精餾。6.2 雙組分溶液的氣液相平衡 6.2.1 理想溶液的氣液相平衡 氣液相平衡，是指溶液與其上方蒸汽達到平衡時氣液兩相間各組分組成的關系. 理想溶液的氣液相平衡服從拉烏爾(Raoult)定律。 拉烏爾定律 PA=PA*xA (6-1a) PB=PB*xB= PB*（1-xA） (6-1b) 式中： PA, PB 溶液上方A和B兩組分的平衡分壓，Pa； PA*、PB* 同溫度下，純組分A和B的飽和蒸汽壓，Pa； xA ,

3、xB 混合液組分A和B的摩爾分率。 理想物系氣相服從道爾頓分壓定律，既總壓等于各組分分壓之和。 對雙組分物系： P=PA+PB （6-2） 式中： P 氣相總壓，Pa ； PA和PB A,B組分在氣相的分壓，Pa。 根據(jù)拉烏爾定律和道爾頓分壓定律，可得泡點方程： *BABAPPppx （6-4） 式（6-4）稱為泡點方程，該方程描述平衡物系的溫度與液相組成的關系。 可得露點方程式：*BABAAppppppy(6-5)式（6-5）稱為露點方程式，該方程描述平衡物系的溫度與氣相組成的關系。 在總壓一定的條件下，對于理想溶液，只要溶液的飽和溫度已知，根據(jù)A,B組分的蒸氣壓數(shù)據(jù)，查出飽和蒸汽壓PA*,

4、 PB*, 則可以采用式（6-4）的泡點方程確定液相組成xA，采用式（6-5）的露點方程確定與液相呈平衡的氣相組成yA。l已知溶液的泡點可由上式計算液相組成；反之，已知組成也可由已知溶液的泡點可由上式計算液相組成；反之，已知組成也可由上式算出溶液的泡點，但一般需試差。上式算出溶液的泡點，但一般需試差。l式中純組分式中純組分 A A、B B 的飽和蒸汽壓與溫度的關系，通常用安托因的飽和蒸汽壓與溫度的關系，通常用安托因（AntoineAntoine）方程表示：）方程表示： CtBAp0logA、B、C 為安托因常數(shù)，可由相關的手冊查到。為安托因常數(shù)，可由相關的手冊查到。舉例l苯（A）與甲苯（B）的

5、飽和蒸汽壓和溫度的關系可用安托尼方程表達即：l式中壓強的單位為kPa，溫度t的單位為攝氏度。l苯和甲苯可視作理想物系，現(xiàn)測得某精餾塔的塔頂壓力P1=103.3kPa，塔頂?shù)囊合鄿囟葹閠1=81.5；塔釜壓力P2=109.3kPa，液相溫度t2=112.試求塔頂和塔釜平衡的液相和氣相組成。58.21994.1343078. 6lg24.22035.1206032. 6lg*tPtPBAl解：可用飽和蒸汽壓或相對揮發(fā)對表示的平衡關系來計算，關鍵是確定塔頂、塔釜溫度下組分的飽和蒸汽壓。l（1）塔頂和液、氣相組成l塔頂溫度下，苯和甲苯的飽和蒸汽壓用安托尼方程計算，即l再由相對揮發(fā)度計算氣相組成。由于苯

6、和甲苯可視作理想物系，于是l（2）塔釜的液、氣相組成l和塔頂相同的方法求得各有關參數(shù)為l計算含苯0.5（摩爾分數(shù)）的苯和甲苯理想溶液在總壓101.3kPa下的泡點。苯和甲苯的飽和蒸汽壓用上述例題的安托尼方程計算。l解：確定指定壓力下溶液的泡點需要采用試差方法。l設泡點t=93，則l將有關數(shù)據(jù)帶入泡點方程，即l計算結果表明，初設泡點93稍微偏高。再設泡點t=91.53，同樣由安托尼方程求得6.2.2 溫度組成圖溫度組成圖(t-y-x圖圖)6.2.3 y-x圖6.2.4揮發(fā)度與相對揮發(fā)度揮發(fā)度與相對揮發(fā)度 一、揮發(fā)度 揮發(fā)度：氣相中某一組分的蒸汽分壓和與之平衡的液相中的該組份摩爾分率之比，以符號

7、表示。 AAAxp BBBxp在理想溶液中，各組分的揮發(fā)度在數(shù)值上等于其飽和蒸汽壓。 二、相對揮發(fā)度 相對揮發(fā)度：溶液中兩組分揮發(fā)度之比，以符號表示。BBAABAxpxpBABAxxyy 相對揮發(fā)度值的大小，表示氣相中兩組分的濃度比是液相中濃度比的倍數(shù)。所以值可作為混合物采用蒸餾法分離的難易標志, 若大于1, yx，說明該溶液可以用蒸餾方法來分離, 越大, A組分越易分離；若=1，則說明混合物的氣相組分與液相組分相等；則普通蒸餾方式將無法分離此混合物；1。 對于二元混合物，當總壓不高時，可得相平衡方程： 對于理想溶液，因其服從拉烏爾定律，故有： 即理想溶液的相對揮發(fā)度等于同溫度下兩純組分的飽和

8、蒸汽壓之比。 xxy) 1(1*BABPPA三、平均相對揮發(fā)度三、平均相對揮發(fā)度m 對于精餾塔，由于每塊塔上x,y組成不同，溫度不同，也會有所變化，因此對于整個精餾塔，一般采用相對揮發(fā)度的平均值，即平均相對揮發(fā)度來表示,以符號m表示。即： 釜頂m6.2.5非理想溶液的汽液相非理想溶液的汽液相平衡平衡 一、具有正偏差的溶液二、具有負偏差的溶液圖64 硝酸水溶液的相圖本節(jié)注意點：本節(jié)注意點： 1恒壓條件下，雙組分平衡物系中僅有一個自由度，即在溫度t與組成x(y)這兩個參數(shù)中，只要決定一個參數(shù)，另一個即被定。換言之，恒壓下的雙組分平衡物系中存在著兩個對應關系： yxyxt)( 2在一定外壓下，純組分

9、的飽和蒸汽壓與外壓相等時，液體開始沸騰，其對應的溫度稱為沸點，可見，外壓一定時，純組分的沸點為一定值。在一定外壓下，液體混合物的沸騰溫度稱為泡點，泡點與混合物的組成有關。在(t-x-y)圖上可見，表示不同組成液體混合物的泡點溫度（從x=0到x=1.0）為泡點曲線。在該曲線上，對應x=0(即xA=0，xB=1.0)的溫度為B組分的沸點；對應x=1.0(即xA=1.0，xB=0) 的溫度曲線為A組分的沸點。 3相對揮發(fā)度，對理想溶液 對非理想溶液a可由實驗測定。用相對揮發(fā)度表示的相平衡方程 可用于計算理想溶液的汽、液平衡組成。當在操作溫度范圍內（即操作溫度的上、下限之間）物系的相對揮發(fā)度變化不大時

10、，可取其平均值（即視為常數(shù)）進行計算。00BAPPxxy) 1(16.3簡單蒸餾和平衡蒸餾簡單蒸餾和平衡蒸餾 一、簡單蒸餾一、簡單蒸餾 簡單蒸餾是一個非定常穩(wěn)定過程，特點是：塔頂塔底組成不是一對平衡組成。適合于混合物的粗分離，特別適合于沸點相差較大而分離要求不高的場合，例如原油或煤油的初餾。 二、平衡蒸餾二、平衡蒸餾 平衡蒸餾又稱閃蒸，是一個連續(xù)穩(wěn)定過程，在恒定溫度與壓力下，蒸汽與釜液處于平衡狀態(tài)，即平衡蒸餾在閃蒸器內通過一次部分汽化使混合液得到一定程度的分離，屬于定常連續(xù)操作，適合于大批量生產且物料只需粗分離的場合。圖6-5 簡單蒸餾 圖6-6 平衡蒸餾（1蒸餾釜，2冷凝器，3回收罐） （1

11、加熱器，2節(jié)流閥，3分離器，4冷凝器）6.4 精餾原理精餾原理 6.4.1 一次部分氣化一次部分氣化6.4.2 多次部分氣化（氣化后全部冷凝）6.4.3 多次部分氣化和多次部分冷凝相結合 優(yōu)點：1、節(jié)省了加熱器和冷卻器 2、減少了能量消耗 3、只有兩種產品，提高了收率。 缺點：設備龐大，占地面積廣。6.4.4 連續(xù)精餾裝置6.4.5 塔板的作用 塔板的作用是提供氣液分離的場所；每一塊塔板是一個混合分離器，并且足夠多的板數(shù)可使各組分較完全分離。6.4.6回流的作用 回流的主要作用就是提供不平衡的汽液兩相，是汽液兩相接觸傳質的必要條件。 注意：工業(yè)用精餾塔內由于塔頂?shù)囊合嗷亓骱退椎钠嗷亓?，為?/p>

12、塊塔板提供了汽、液來源。6.5 雙組分連續(xù)精餾塔的雙組分連續(xù)精餾塔的計算計算 6.5.1 理論板的概念和衡摩爾流的假設理論板的概念和衡摩爾流的假設 一、理論板的概念一、理論板的概念 理論板是指離開塔板的蒸汽和液體呈平理論板是指離開塔板的蒸汽和液體呈平衡的塔板。理論板是人為的理想化的塔衡的塔板。理論板是人為的理想化的塔板。它可以作為衡量實際塔板分離效果板。它可以作為衡量實際塔板分離效果的一個標準。的一個標準。 二、恒摩爾流假設 恒摩爾流假設： （1）兩組分的摩爾汽化潛熱相等； （2）汽液兩相接觸因兩相溫度不同而交換的顯熱可忽略不計； （3）設備熱損失可不及。 1恒摩爾汽化 在精餾段內，精餾段內每

13、層塔板上升的蒸汽摩爾流量都相等，即： V1=V2=V=常數(shù) 同理，提餾段內每層塔板上升的蒸汽摩爾流量亦相等，即： V1=V2=V=常數(shù) 式中：V精餾段上升蒸汽的摩爾流量，mol/h； V提餾段上升蒸汽的摩爾流量，mol/h。 2恒摩爾溢流 精餾段內，精餾段內每層塔板下降的液體摩爾流量都相等，即： L1=L2=L=常數(shù) （616） 同理，提餾段內每層塔板下降的液體摩爾流量亦相等，即： L1=L2=L=常數(shù) （617） 式中：L精餾段下降液體的摩爾流量，kmol/h; L提餾段下降液體的摩爾流量，kmol/h。 恒摩爾汽化與恒摩爾溢流總稱為恒摩爾流假設。6.5.2 全塔物料衡算全塔物料衡算 對精餾

14、塔全塔進行物料衡算。 總物料衡算： F=D+W 易揮發(fā)組分的物料衡算： 在精餾計算中，對分離過程除要求用塔頂和塔底的產品組成表示外，有時還用回收率表示。 WDFWxDxFx 塔頂易揮發(fā)組分的回收率 塔釜難揮發(fā)組分的回收率 %100FDDFxDx%100)1 ()1 (FWWxFxW 亦可求出餾出液的采出率D/F和釜液采出率W/F，即：WDWFxxxxFDWDFDxxxxFW6.5.3 操作線方程操作線方程 V=L+D 圖69 精餾段物料衡算Vyn+1=Lxn+DxD DnnxVDxVLy1DnnxRxRRy1111二、提餾段操作線方程二、提餾段操作線方程L=V+W Lxm=Vym+1+WxW

15、wmmxVWxVLy1wmmxWLWxWLLy1 將含24%（摩爾分數(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95%易揮發(fā)組分，釜液含3%易揮發(fā)組分。送入冷凝器的蒸氣量為850kmol/h，流入精餾塔的回流液為670kmol/h，試求： 1、每小時能獲得多少kmol/h的餾出液？多少kmol/h的釜液？ 2、回流比R為多少？ 3、精餾段操作線方程？ WDFWxDxFxWWDF18003. 0)180(95. 018024. 0FFhkmolDFWhkmolF/6 .6081806 .788/6 .78872. 3180670DLR201. 0788. 0172. 395

16、. 0172. 372. 3111nnDnnxxRxxRRy解：（1） V=L+D D=V-L=850-670=180kmol/h則： 所以： （2）回流比R：（3）精餾段操作線方程：6.5.4 理論塔板數(shù)的確定理論塔板數(shù)的確定 一、逐板計算法 二、圖解法一、逐板計算法 假設塔頂冷凝器為全凝器， 泡點回流，塔釜為間接蒸 汽加熱，進料為泡點進料 如圖612所示。 因塔頂采用全凝器，即 y1=xD 而離開第1塊塔板的x1與y1 滿足平衡關系，因此x1可 由汽液相平衡方程求得。即111) 1(yyx 第2塊塔板上升的蒸汽組成y2與第1塊塔板下降的液體組成x1滿足精餾段操作線方程，即 同理，交替使用相

17、平衡方程和精餾段操作線方程，直至計算到xnxq(即精餾段與提餾段操作線的交點)后，再改用相平衡方程和提餾段操作線方程計算提餾段塔板組成，至xwxw為止。DxRxRRy11112現(xiàn)將逐板計算過程歸納如下： 相平衡方程： x1 x2 x3 操作線方程：xD=y1 y2 y3xnxq-xw1； 泡點進料=1 ； 氣液混合進料 01 ； 飽和蒸汽進料0 ； 過熱蒸汽進料0 。6.5.6 最小回流比的影響與選擇 在精餾過程中，回流比的大小直接影響精餾的操作費用和設備費用?；亓鞅扔袃蓚€極限，一個是全回流時的回流比，一個是最小回流比。生產中采用的回流比界于二者之間。一、全回流和最小理論塔板數(shù) 1全回流的特點

18、 全回流即塔頂上升蒸氣經冷凝器冷凝后全部冷凝液均引回塔頂作為回流。全回流時塔頂產品量D=0，塔底產品量W=0，為了維持物料平衡，不需加料，即F=0。全塔無精餾段與提餾段之分，故兩條操作線應合二為一。 DLRnnxy1全回流比時回流比為： 全回流時的操作線方程式為：由圖中可見，全回流時操作線距平衡曲線最遠，說明理論板上的分離程度最大，對完成同樣的分離任務，所需理論板數(shù)可最少，故是回流比的上限。2全回流時理論板數(shù)的確定全回流時的理論板數(shù)除用上述的(yx)圖解法和逐板計算法(與前同)外，還可用芬斯克方程進行計算，即：mWWDDxxxxNlog11logmin 二 最小回流比 在精餾塔計算時，對一定的

19、分離要求(指定xD，xW)而言，當回流比減到某一數(shù)值時，兩操作線交點e點恰好落在平衡線上，相應的回流比稱為最小回流比，以Rmin表示。在最小回流比條件下操作時，在e點上下塔板無增濃作用，所以此區(qū)稱為恒濃區(qū)（或稱挾緊區(qū)），e點稱為挾緊點。因此最小回流比是回流比的下限。 最小回流比可用作圖法或解析法求得。圖6-18 最小回流比xxyxegagRRDD1minminxyyxRDmin1、作圖法求ae線的斜率為：整理上式得：2 解析法FDFDxxaxxaR1)1 (11min11)1 (11minFDFDxxaxaxaR當進料熱狀態(tài)為泡點液體進料時，x=xF：若為飽和蒸汽進料，y=xF：3 適宜回流比的選擇 精餾操作存在一適宜回流比。在適宜回流比下進行操作，設備費及操作費之和為最小。 在精餾設備的設計計算中，通常操作回流比為最小回流比的1.12 倍。即： minR).(R211 在常壓連續(xù)精餾塔中分離苯-甲苯混合液，已知XF=0.4（摩爾分率、下同），XD=0.97, Xw=0.04 相對揮發(fā)度=2.47。 試分別求以下三種進料方式下的最小回流比和全回流下的最小理論板數(shù)。 （1）冷液進料=1.387 （2）泡點進料 （3）飽和蒸汽進料034.