第一章蒸馏.ppt

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1、第一章蒸馏第一章蒸馏采用教材采用教材华南理工大学出版社华南理工大学出版社 李功样李功样 陈兰英陈兰英 余林主编余林主编 化工单元操作过程与设备化工单元操作过程与设备参考书：参考书：u化工传递过程基础化工传递过程基础 王绍亭王绍亭u化工原理化工原理谭天恩谭天恩u传递过程与单元操作传递过程与单元操作 陈维杻陈维杻u 化工原理化工原理 夏清夏清2教学安排教学安排u理论课理论课 基础理论课基础理论课 习题课习题课u作业作业 每周一次，分单双号上交每周一次，分单双号上交3考核方式考核方式u考勤考勤 15%（缺勤超（缺勤超1/3者没有考试资格）者没有考试资格）u作业作业 15%（缺作业超（缺作业超1/3者

2、没有考试资格）者没有考试资格）u考试考试 70%4授课内容授课内容u蒸馏蒸馏u气体吸收气体吸收u气液传质设备气液传质设备u干燥干燥5第一章第一章 蒸馏蒸馏u概述概述u两组分溶液的气液平衡两组分溶液的气液平衡u平衡精馏和简单精馏平衡精馏和简单精馏u精馏原理和流程精馏原理和流程u两组分连续精馏的计算两组分连续精馏的计算u间歇精馏间歇精馏u特殊精馏特殊精馏u多组分精馏多组分精馏6第一节第一节 概述概述u蒸馏：蒸馏：利用各组分利用各组分挥发性的差异挥发性的差异将将均相液体均相液体混合物加混合物加以分离的单元操作称为以分离的单元操作称为蒸馏蒸馏。u挥发性挥发性：液体挥发成为蒸气的能力。液体挥发成为蒸气的

3、能力。u蒸馏操作中，挥发性大、沸点低的组分称为蒸馏操作中，挥发性大、沸点低的组分称为易挥发组易挥发组分分；挥发性小、沸点高的组分称；挥发性小、沸点高的组分称为难挥发组分。为难挥发组分。74.在在酿酒业酿酒业中饮料酒；中饮料酒；5.在在石油炼制工业石油炼制工业中，原油经蒸馏后制取汽油、中，原油经蒸馏后制取汽油、煤油、柴油等产品；煤油、柴油等产品；6.在在合成材料合成材料工业中。工业中。1.1.液体混合物分离液体混合物分离 混合芳烃蒸馏可得到苯、甲苯及二甲苯等。混合芳烃蒸馏可得到苯、甲苯及二甲苯等。2.2.气体混合物分离气体混合物分离 空气液化蒸馏可得到纯态的液氧和液氮等。空气液化蒸馏可得到纯态的

4、液氧和液氮等。3.3.固体混合物分离固体混合物分离 固体脂肪酸加热融化后用蒸馏方法分离。固体脂肪酸加热融化后用蒸馏方法分离。蒸馏在工业上的应用蒸馏在工业上的应用8通过蒸馏分离，可以直接获得所需要的产品。蒸馏分离的特点蒸馏分离的特点蒸馏过程适用于各种浓度混合物的分离。蒸馏操作耗能较大，节能是个值得重视的问题。蒸馏分离具有以下特点：适用范围广，可分离液态、气态或固态混合物。9精馏分离的分类精馏分离的分类10第二节第二节 两组分溶液的气液平衡两组分溶液的气液平衡u蒸馏操作与相平衡关系蒸馏操作与相平衡关系 蒸馏操作蒸馏操作是气液两相间的传质过程，常用组分在是气液两相间的传质过程，常用组分在两两相间的浓

5、度偏离平衡状态相间的浓度偏离平衡状态的程度来衡量传质推动力的程度来衡量传质推动力的大小，因此，的大小，因此，气液两相达到平衡状态是传质过程气液两相达到平衡状态是传质过程的极限。的极限。11u气液平衡状态气液平衡状态：在一定条件下，气液两相互相接在一定条件下，气液两相互相接触，当每个触，当每个组分的分子组分的分子从从液相逸出液相逸出与从与从气相返回的气相返回的速度相同速度相同，达到，达到动态平衡动态平衡时，即达到时，即达到相平衡状态相平衡状态。u平衡平衡时气液两相组成之间的关系时气液两相组成之间的关系称为称为相平衡关系相平衡关系。它是蒸馏原理和设备设计的它是蒸馏原理和设备设计的热力学基础热力学基

6、础。12理想物系的气液相平衡关系理想物系的气液相平衡关系u理想液相理想液相：遵守遵守拉乌尔定律拉乌尔定律u理想气相理想气相：遵守遵守道尔顿分压定律道尔顿分压定律当理想溶液气液两相呈平衡时，溶液上方组分的分压与该组分的饱和蒸汽压和溶液中该组分的摩尔分数成正比。拉乌尔定律13 当外压不太高时，当外压不太高时，理想气体中各组分的组成理想气体中各组分的组成，等于，等于该该组分的分压与总压的比值组分的分压与总压的比值。道尔顿分压定律理想物系的气液相平衡关系14整理，得溶液上方的总压 p 等于各组分的分压之和 气液平衡时液相组成与平衡温度间的关系饱和蒸汽压表示的气液平衡关系饱和蒸汽压表示的气液平衡关系该式

7、表示该式表示气液相平衡气液相平衡时，时，液相组成液相组成与与A、B两两纯组分的饱纯组分的饱和蒸汽压和蒸汽压的关系。可根据此式计算一定压强下液体混合的关系。可根据此式计算一定压强下液体混合物的泡点温度，因此称为物的泡点温度，因此称为泡点方程泡点方程。(x-t)15 纯组分的饱和蒸汽压纯组分的饱和蒸汽压p0仅与仅与t有关，可直接从理化有关，可直接从理化手册查得，或用安托尼方程计算：手册查得，或用安托尼方程计算：安托尼方程16设平衡的气相遵循道尔顿分压定律，即该式表示气液相平衡时，该式表示气液相平衡时，气相组成气相组成与与平衡温度平衡温度之间之间的关系，根据此式可计算一定压强下，某蒸汽混合的关系，根

8、据此式可计算一定压强下，某蒸汽混合物的露点温度，称为物的露点温度，称为露点方程露点方程。(y-t)17平衡常数表示的气液平衡方程平衡常数表示的气液平衡方程令平衡常数以平衡常数表示的气液平衡方程则18 挥发度和相对挥发度挥发度和相对挥发度1、挥发度：、挥发度：衡量组分挥发能力的物理量衡量组分挥发能力的物理量。对纯液体，对纯液体，挥发度指挥发度指该液体在一定温度下的饱和蒸汽压该液体在一定温度下的饱和蒸汽压 对对混混合合液液，挥挥发发度度为为组组分分在在蒸蒸气气中中分分压压和和与与之之平平衡衡的的液液相相中的摩尔分率之比中的摩尔分率之比19对于对于理想溶液理想溶液：对于对于非理想溶液非理想溶液：20

9、2、相对挥发度相对挥发度 溶溶液液中中易易挥挥发发组组分分的的挥挥发发度度与与难难挥挥发发组组分分的的挥挥发发度度之之比比，用用表示。表示。21相对挥发度的数值相对挥发度的数值可由可由实验测得实验测得 对对理想溶液理想溶液：理理想想溶溶液液中中组组分分的的相相对对挥挥发发度度等等于于同同温温度度下下两两组组分分的的饱和蒸汽压饱和蒸汽压之比。之比。当当t变变化化时时，两两者者的的变变化化不不大大，一一般般可可将将视视为为常常数数，计计算时算时可取操作温度范围内的平均值可取操作温度范围内的平均值。22若操作压强不高，气相遵循道尔顿分压定律若操作压强不高，气相遵循道尔顿分压定律 以相对挥发度表示的气

10、液平衡方程23由由 知，知，时，时，组分组分A较较B易挥发，易挥发，可以用蒸馏方法分离可以用蒸馏方法分离时，时，相对挥发度差异愈大，相对挥发度差异愈大，愈有利于蒸馏操作愈有利于蒸馏操作。时，时，不能用普通蒸馏的方法分离混合液。不能用普通蒸馏的方法分离混合液。可作为混合液可作为混合液能否用蒸馏方法分离以及分离难易程度的判据。能否用蒸馏方法分离以及分离难易程度的判据。24两组分理想溶液的气液平衡相图两组分理想溶液的气液平衡相图1.温度组成图 在恒定的总压下，溶液的平衡温度随组成而变，将平衡温度与液（气）相的组成关系标绘成曲线图，该曲线图即为温度一组成图。t x y图251、温度、温度组成组成(图图

11、)两条线两条线三个区三个区三种点三种点26表表示示混混合合液液的的平平衡衡温温度度和和液液相相组组成成之之间间关关系，系，t-x线线。露点线表表示示混混合合液液的的平平衡衡温温度度和和气气相相组组成成之之间间的的关系，关系，t-y线，线，泡点线两条线两条线27过热蒸汽区过热蒸汽区两相区两相区液相区液相区三个区三个区28沸点沸点（boiling point）泡点泡点（bubble point）x越越大大，易易挥挥发发组组分分的的含含量量越越高高，泡泡点点温温度越低。度越低。露点露点（dew point）y越大越大，易挥发组分含量，易挥发组分含量越高，越高，露点温度越低。露点温度越低。292.气液

12、相组成图 气液相组成图直观地表达了在一定压力下，处于平衡状态的气液两相组成的关系，在蒸馏计算中应用最为普遍。x y图30D苯甲苯混合液的 x y图平衡线对角线平衡线与对角线之间的距离越大分离越容易x1与y1互成平衡31两组分非理想物性的气液平衡两组分非理想物性的气液平衡非理想溶液非理想溶液 最低恒沸点最低恒沸点 如：乙醇水，正丙醇水如：乙醇水，正丙醇水 最高恒沸点最高恒沸点 如：硝酸水，氯仿酮如：硝酸水，氯仿酮 正偏差溶液正偏差溶液 负偏差溶液负偏差溶液 32t-xt-y33t-yt-x有最高恒沸物有最高恒沸物34第三节第三节 平衡蒸馏和简单蒸馏平衡蒸馏和简单蒸馏u平衡蒸馏平衡蒸馏与简单蒸馏均

13、为与简单蒸馏均为仅利用一次仅利用一次部部分汽化或部分冷凝的蒸馏操作过程。分汽化或部分冷凝的蒸馏操作过程。351、原理与流程、原理与流程使混合液体部分使混合液体部分气化，并使气液气化，并使气液两相处于平衡状两相处于平衡状态，然后将气液态，然后将气液两相分开。两相分开。又名又名闪蒸（闪蒸（flash distillation）平衡蒸馏平衡蒸馏（Equilibrium distillation）362计算计算1）物料衡算）物料衡算 对总物料：对总物料：对易挥发组分：对易挥发组分：37令令平衡蒸馏物料衡算方程平衡蒸馏物料衡算方程 液化分率液化分率 在在x-y图上图上，代表通过点代表通过点（xF，xF）

14、且斜率为且斜率为 的直线。的直线。382）热量衡算）热量衡算对加热器作热量衡算，若忽略加热器的热损失对加热器作热量衡算，若忽略加热器的热损失 原原料料液液节节流流减减压压后后进进入入分分离离器器，物物料料放放出出的的显显热热等等于于部部分气化所需的潜热分气化所需的潜热 原料液离开加热器的温度原料液离开加热器的温度：393）气液平衡关系）气液平衡关系 已已知知原原料料液液流流量量F，组组成成xF，温温度度tF及及汽汽化化率率，即即可可求求得得平衡的汽液相组成及温度。平衡的汽液相组成及温度。40图解计算平衡蒸馏步骤图解计算平衡蒸馏步骤作出该原料液的作出该原料液的y-x相图和相图和t-x图。图。由汽

15、化分率由汽化分率（1-q）求出液化分率求出液化分率q。过点过点e（xF，xF）作斜率为作斜率为q/(q-1)的直线，与平的直线，与平衡线衡线y-x交于点交于点f，由，由f可读出平衡的气液相组成可读出平衡的气液相组成y和和x。过点过点f作垂线与作垂线与t-x线相交，由交点可读出线相交，由交点可读出平衡平衡温度温度t。4142简单蒸馏（简单蒸馏（Simple distillation）1、流程及原理、流程及原理 简单蒸馏简单蒸馏是一种单级蒸馏，又称是一种单级蒸馏，又称微分蒸馏微分蒸馏。流程如图所示：将原料液整批加入蒸馏釜中，流程如图所示：将原料液整批加入蒸馏釜中，在恒定压力下加热沸腾汽化，产生的蒸

16、气进入在恒定压力下加热沸腾汽化，产生的蒸气进入冷凝器中，冷凝后的馏出液进入接收器中作为冷凝器中，冷凝后的馏出液进入接收器中作为产品。产品。4344 在蒸馏的在蒸馏的任一瞬间任一瞬间，产生的，产生的气相与釜液互为平衡气相与釜液互为平衡，且，且气气相组成相组成y大于液相组成大于液相组成x。随着蒸馏的进行，釜液不断随着蒸馏的进行，釜液不断减少，气液两相组成逐渐降低，减少，气液两相组成逐渐降低，温度随着升高，当釜温度随着升高，当釜液中易挥发组分的浓度降到规定值时，液中易挥发组分的浓度降到规定值时，完成此批蒸馏。完成此批蒸馏。45简单蒸馏的特点及其应用1.简单蒸馏的特点 间歇操作过程。非稳态过程。单级过

17、程，无塔段。2.简单蒸馏的应用场合 液体混合物的初步分离。测油品的沸程恩式蒸馏。某些料液的脱色。46简单蒸馏过程的计算 简单蒸馏为非稳态过程。因此，简单蒸馏的计算应该进行微分衡算。设在某瞬间釜液量为L，kmol 釜液组成为 x经时间釜液量为L-dL，kmol 釜液组成为 x-dx馏出量 dD，kmol 馏出组成为 y47总物料衡算 易挥发组分衡算 联立以上两式，并略去二阶无穷小量，得48设积分得简单蒸馏过程物料衡算关系初始时，釜液量为F，组成为x1。结束时，釜液量为W，组成为x2。49设气液平衡关系为 积分，可得50若操作范围内平衡线可近似地看作直线若操作范围内平衡线可近似地看作直线 若平衡线

18、为过原点的直线，若平衡线为过原点的直线，51联立得馏出液的平均组成 馏出液的平均组成 可通过一批操作的物料衡算求得52 例例：在在常常压压下下对对苯苯与与甲甲苯苯二二元元理理想想溶溶液液分分别别进进行行平平衡衡蒸蒸馏馏与与简简单单蒸蒸馏馏。若若原原料料液液中中苯苯的的浓浓度度为为0.5（摩摩尔尔分分率率）。物系的相对挥发度为物系的相对挥发度为2.47。试求：。试求：1）用用平平衡衡蒸蒸馏馏方方法法分分离离，当当汽汽化化率率为为 0.4时时，釜釜液液与与馏馏出液的组成。出液的组成。2）用用简简单单蒸蒸馏馏方方法法分分离离，使使釜釜液液浓浓度度与与平平衡衡蒸蒸馏馏相相同同，所得馏出物中苯的平均组成

19、。所得馏出物中苯的平均组成。解：解：1）53因为汽化率f=0.4，q=0.6物料衡算式为：2）简单蒸馏终了时的釜液浓度与平衡蒸馏时相同 54设馏出液的平均组成为 55 在在相相同同的的原原料料液液浓浓度度及及相相同同釜釜液液的的条条件件下下，简简单单蒸蒸馏馏所所得得到到的的馏馏出出液液浓浓度度高高于于平平衡衡蒸蒸馏馏，而而平平衡衡蒸蒸馏馏的的优优点点是是连续操作，但其分离效果不如间歇操作的简单蒸馏。连续操作，但其分离效果不如间歇操作的简单蒸馏。56作业作业uP77 457第四节第四节 精馏原理和流程精馏原理和流程u精馏的原理精馏的原理：液体混合物通过液体混合物通过多次部分汽化多次部分汽化和和多

20、次多次部分液化部分液化，从而实现几乎完全的分离，是，从而实现几乎完全的分离，是多次部分汽多次部分汽化与多次部分冷凝的联合操作化与多次部分冷凝的联合操作。58多次部分汽化和冷凝平衡蒸馏简单蒸馏单级过程精馏多级过程液体混合物的初步分离进行一次部分汽化比较进行多次部分汽化和冷凝实现液体混合物的完全分离591、液体混合物经过多次部份汽化后可变为高纯度的难、液体混合物经过多次部份汽化后可变为高纯度的难挥发组分挥发组分 6061 2、汽体混和物经过多次部分泠凝后可变为高纯、汽体混和物经过多次部分泠凝后可变为高纯度的易挥发组分度的易挥发组分 6263精馏塔模型 上述的多次部分汽化和冷凝过程是在精馏塔内进行的。精馏塔板式塔：塔内装有若干层塔板填料塔：塔内装有一定高度的填料层64精馏塔模型塔板上的操作情况65F66提馏段提馏段精馏段精馏段进料板67LD1、为什么要回流？2、为什么要再沸？68结束结束