概述Introduction--精品PPT课件教案.ppt
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1、概述概述概述概述（IntroductionIntroduction）1.工作原理:利用液体混合物中各组分(component)挥发性(volatility)差异，以热能为媒介使其部分汽化从而在汽相富集轻组分液相富集重组分而分离的方法。闪蒸罐塔顶产品yAxA加热器原料液 塔底产品 Q减压阀第6章 蒸 馏(Distillation)蒸馏操作实例：石油炼制中使用的 250 万吨常减压装置概述（概述（IntroductionIntroduction）许多生产工艺常常涉及到互溶液体混合物的分离问题，如石油炼制品的切割，有机合成产品的提纯，溶剂回收和废液排放前的达标处理等等。分离的方法有多种，工业上最常用
2、的是蒸馏或精馏。2.蒸馏操作的用途间歇精馏：多用于小批量生产或某些有特殊要求的场合。连续精馏：多用于大批量工业生产中。概述（概述（IntroductionIntroduction）本章着重讨论常压下双组分连续精馏。3.蒸馏的分类常压蒸馏：蒸馏在常压下进行。减压蒸馏：常压下物系沸点较高或热敏性物质不能承受高温的情况加压蒸馏：常压下为气体的物系精馏分离，加压提高混合物的沸点.多组分精馏：例如原油的分离。双组分精馏：如乙醇-水体系,苯-甲苯体系等。简单蒸馏或平衡蒸馏：用在分离要求不高的情况下。精馏：分离纯度要求很高时采用。特殊精馏：混合物中各组分挥发性相差很小，难以用普通精馏分离，借助某些特殊手段进
3、行的精馏。6.1 6.1 双双组组分分溶溶液液的的气气液液相相平平衡衡关关系系(Vaporliquid Vaporliquid equilibriaequilibria in binary systems)in binary systems)6.1.1 理想溶液的汽液平衡拉乌尔（Raoult）定律 蒸馏分离的物系由加热至沸腾的液相和产生的蒸汽相构成。相平衡关系是蒸馏过程分析的重要基础。液相为理想溶液、汽相为理想气体的物系。理想溶液服从拉乌尔（Raoult）定律，理想气体服从理想气体定律或道尔顿分压定律。根据拉乌尔定律，两组分物系理想溶液上方的平衡蒸汽压为 式中：poA、poB 溶液温度下纯组分
4、饱和蒸汽压。理想物系：溶液沸腾时，溶液上方的总压应等于各组分分压之和，即 泡点方程（bubblepoint equation）A、B、C 为安托因常数，可由相关的手册查到。poA、poB 取决于溶液沸腾温度，上式表达一定总压下液相组成与溶液泡点温度关系。已知溶液的泡点可由上式计算液相组成；反之，已知溶液组成也可算出溶液泡点。纯组分 饱和蒸汽压与温度的关系，用安托因（Antoine）方程表示：6.1 6.1 双组分溶液的气液相平衡关系双组分溶液的气液相平衡关系当汽相为理想气体时上式为一定总压下汽相组成与温度的关系式。该温度又称为露点（dewpoint），上式又称为露点方程。严格地说没有完全理想的
5、物系。对那些性质相近、结构相似的组分所组成的溶液，如苯甲苯，甲醇乙醇等，可视为理想溶液；若汽相压力不太高，可视为理想气体，则物系可视为理想物系。对非理想物系不能简单地使用上述定律。汽液相平衡数据更多地依靠实验测定。6.1 6.1 双组分溶液的气液相平衡关系双组分溶液的气液相平衡关系6.2.2 6.2.2 汽液相平衡图汽液相平衡图（equilibrium diagramequilibrium diagram）根据相律，双组分两相物系自由度为2，即相平衡时，在温度t、压强P汽相组成x和液相组成y这四个变量中，只有两个独立变量。若物系的温度和压强一定，汽液两相的组成就一定；若压强和某相的组成一定，则
6、物系的温度和另一相组成将被唯一确定。双组分汽液相平衡关系可由某变量与另两个独立变量的函数关系表达。相图、相平衡常数或相对挥发度是常用的三种汽液相平衡关系。双组分汽液两相，当固定一个独立变量，可用二维坐标中的曲线图来表示两相的平衡关系，称为相图。相图有压强一定的温度组成Tx(y)图、液相组成和汽相组成xy图，以及温度一定的压强组成px 图。6.1 6.1 双组分溶液的气液相平衡关系双组分溶液的气液相平衡关系汽液相平衡图（汽液相平衡图（equilibrium equilibrium diagramdiagram）6.1 6.1 双组分溶液的气液相平衡关系双组分溶液的气液相平衡关系1.1.T-x(y
7、)T-x(y)图图 Tx(y)图代表的是在总压 P 一定的条件下，相平衡时汽（液）相组成与温度的关系。在总压一定的条件下，将组成为 xf 的溶液加热至该溶液的泡点 tA，产生第一个气泡的组成为 yA。继续加热，随温度升高，物系变为互成平衡的汽液两相，两相温度相同组成分别为 yA 和 xA。t/Cx(y)01.0露点线泡点线露点泡点xAyAxf气相区液相区两相区当温度达到该溶液的露点，溶液全部汽化成为组成为 yA=xf 的气相，最后一滴液相的组成为 xA。6.1 6.1 双组分溶液的气液相平衡关系双组分溶液的气液相平衡关系 乙醇水溶液物系的泡点线和露点线在 M 点重合，该点溶液的泡点比两纯组分的
8、沸点都低，这是因为该溶液为具有较大正偏差的溶液，组成在 M 点时两组分的蒸汽压之和出现最大值。M 点称为恒沸点，具有这一特征的溶液称为具有最低恒沸点的溶液。常压下，乙醇水物系恒沸组成摩尔分数为0.894，相应温度为78.15(纯乙醇为78.3)。与之相反，硝酸水溶液为负偏差较大的溶液，在硝酸摩尔分数为0.383时，两组分的蒸汽压之和最低，T-x(y)图上对应出现一最高恒沸点（M点），其沸点为121.9。此溶液称为具有最高恒沸点的溶液。在恒沸点时汽液两相组成相同，用一般的蒸馏方法不能实现该组成下混合溶液的分离。6.1 6.1 双组分溶液的气液相平衡关系双组分溶液的气液相平衡关系2.2.x-y x
9、-y 图图 x-y 图代表在总压一定下，液相组成和与之成平衡的汽相组成的关系。x-y 图可通过 T-x(y)图作出，图中对角线(y=x)为一参考线。大多数溶液，两相平衡时，y 总是大于 x，平衡线位于对角线上方。平衡线偏离对角线越远，该溶液越易分离。恒沸点时，x-y 线与对角线相交，该点处汽液相组成相等。6.1 6.1 双组分溶液的气液相平衡关系双组分溶液的气液相平衡关系3.3.汽液平衡关系式的表示方法汽液平衡关系式的表示方法 相平衡常数相平衡常数 （distribution coefficientdistribution coefficient）汽液两相平衡组成常用相平衡常数 K 或相对挥发
10、 的关系式来表达。Ki 表示 i 组分的相平衡常数，其定义为式中：yi 和 xi 分别表示 i 组分在互为平衡的汽、液两相中的摩尔分数。对于易挥发组分，Ki 1，即 yi xi。Ki 值越大，组分在汽、液两相中的摩尔分数相差越大，分离也越容易。6.1 6.1 双组分溶液的气液相平衡关系双组分溶液的气液相平衡关系气（汽）液相平衡时，两相的温度和压强相等，每个组分在两相中的逸度（fugacity）相等，即对非理想物系，气（汽）、液相的逸度服从下列方程：式中：pio 纯组分i 的饱和蒸汽压；io 纯组分 i 的逸度系数；ViL 纯液体 i 的摩尔体积。式中：i 气（汽）相 i 组分的逸度系数；i 液
11、相 i 组分的活度系数；fiL 纯液体 i 在系统温度、压力下的逸度，可由下式计算 波印丁（Poynting）校正因子6.1 6.1 双组分溶液的气液相平衡关系双组分溶液的气液相平衡关系根据相平衡常数的定义 式中 i，i 的计算与气（汽）相组成和液相组成有关，相平衡常数 K 不仅与系统温度、压强有关，也与组成有关。当系统压力较低，气相近似为理想气体时，气相逸度系数 i 接近于1，波印丁因子也接近于1，有若液相也为理想溶液，液相的活度系数就等于1，则液相为非理想溶液，汽相为理想气体的相平衡常数计算式此式即为拉乌尔定律表达式。对多组分物系汽液平衡关系的计算，应用相平衡常数比较方便。6.1 6.1
12、双组分溶液的气液相平衡关系双组分溶液的气液相平衡关系溶液中各组分的挥发性由挥发度来量衡，定义为组分在汽相中的平衡蒸汽压与在液相中的摩尔分数的比值。对双组分物系 对纯组分液体，其挥发度就等于该温度下液体的饱和蒸汽压。溶液中两组分挥发度之比称为相对挥发度，用 表示 当操作压强不高，气相服从道尔顿分压定律时，上式可改写为 大小可以判断能否用蒸馏方法加以分离以及分离的难易程度。6.1 6.1 双组分溶液的气液相平衡关系双组分溶液的气液相平衡关系6.1.3 6.1.3 相对挥发度（相对挥发度（Relative Relative volatilityvolatility）对双组分物系有 yB=1-yA，x
13、B=1-xA，代入并略去下标 A 可得 相平衡方程对理想溶液，组分的挥发度 =po，所以 值随温度变化相对较小，在一定的温度范围内，常取 的平均值用于相平衡计算。1，表示组分 A 较 B 易挥发；值越大，两个组分在两相中相对含量的差别越大，越容易用蒸馏方法将两组分分离；若=1，yA=xA，此时不能用普通蒸馏方法分离该混合物。若已知两组分的相对挥发度，可由上式确定汽液平衡组成。6.1 6.1 双组分溶液的气液相平衡关系双组分溶液的气液相平衡关系6.2 6.2 平衡蒸馏与简单蒸馏平衡蒸馏与简单蒸馏 6.2.1 平衡蒸馏 1.定义平衡蒸馏是液体的一次部分汽化或蒸汽的一次部分冷凝的蒸馏操作。生产工艺中
14、溶液的闪蒸分离是平衡蒸馏的典型应用。闪蒸操作流程：一定组成的料液被加热后经节流阀减压进入闪蒸室，液体因沸点下降变为过热而骤然汽化，汽化耗热使得液体温度下降，汽、液两相温度趋于一致，两相组成趋于平衡。由闪蒸室塔顶和塔底引出的汽、液两相即为闪蒸产品。闪蒸罐塔顶产品yAxA加热器原料液 塔底产品 Q减压阀闪蒸过程可通过物料衡算、热量衡算以及相平衡关系求解所需参数。下面以两组分混合液连续稳定闪蒸过程为例给予说明。2.2.物料衡算物料衡算 总物料衡算 式中：F、D、W 进料流率和出塔汽.液相产物的流率，kmol/s；xF、yD、xW 料液组成以及出塔汽、液相产物的摩尔分数。易挥发组分的物料衡算 两式联立
15、可得 闪蒸罐D,yD,teyD加热器F,xF,tF W,xW,teQ减压阀xWt06.2 6.2 平衡蒸馏与简单蒸馏平衡蒸馏与简单蒸馏 若设液相产物占总加料量的分率为 q，即W/F=q，则汽化率为D/F=(1-q)，代入上式整理可得 上式表示了汽化率与汽、液相组成的关系。平衡蒸馏过程可认为经部分汽化或部分冷凝后所得的汽液两相呈平衡，即 yDxW 符合平衡关系。3.3.平衡关系平衡关系 若已知进料组成 xF 和生产任务所要求的汽化率(1-q)，结合物料衡算式可求得汽液相组成 yD、xW。6.2 6.2 平衡蒸馏与简单蒸馏平衡蒸馏与简单蒸馏 料液由进料温度 tF 升至 t0 需供给的热量 Q 为
16、闪蒸后，料液温度由 t0 降至平衡温度 te，若不计热损失，则料液放出的显热全部用于料液的部分汽化所需的潜热，即 4.4.热量衡算热量衡算 通过以上诸式，在 q 为已知的条件下，由物料衡算与相平衡关系求得yD、xW 后，由温度组成相图求 te，进而求 t0。汽化量大，(1-q)值大，闪蒸前料液温度需加热至更高的 t0 值。由上式可得 6.2 6.2 平衡蒸馏与简单蒸馏平衡蒸馏与简单蒸馏 6.2.26.2.2 简单蒸馏简单蒸馏 简单蒸馏也称微分蒸馏，间歇非稳态操作(unsteady batch operation)，在蒸馏过程中系统的温度和汽液相组成均随时间改变。分批加入蒸馏釜的原料液持续加热沸
17、腾汽化，产生的蒸汽由釜顶连续引入冷凝器得馏出液产品。釜内任一时刻的汽液两相组成互成平衡。y原料液x蒸气xD1xD2xD3冷凝器6.2 6.2 平衡蒸馏与简单蒸馏平衡蒸馏与简单蒸馏 1.1.定义定义 任一时刻，易挥发组分在蒸汽中的含量 y 始终大于剩余在釜内的液相中的含量 x，釜内易挥发组分含量 x 由原料的初始组成 xF 沿泡点线不断下降直至终止蒸馏时组成 xE，釜内溶液的沸点温度不断升高，蒸汽相组成 y 也随之沿露点线不断降低。t/Cx(y)01.0露点线泡点线xAyAxf6.2 6.2 平衡蒸馏与简单蒸馏平衡蒸馏与简单蒸馏 6.2.2 6.2.2 简单蒸馏简单蒸馏 设 d 时间内由塔顶引出
18、的蒸汽量为 dV(kmol)，釜液变化量为 dW(kmol)；时刻釜内液体量为 W(kmol)，汽、液相组成为 y、x；+d 时刻釜内液体量及组成为 W+dW(kmol)及 x+dx。在 d 时间内由物料衡算可得 整理上两式，略去高阶微分 项，得 在操作初始的 W1、x1 至终止时刻的 W2、x2 间积分上式得 上式中 y 与 x 互成平衡，因此只要有汽、液两相的平衡关系，就可求出上式的积分项，得到任意时刻釜液量与组成的关系式。6.2 6.2 平衡蒸馏与简单蒸馏平衡蒸馏与简单蒸馏 在釜液由 W1 蒸馏减少至 W2 期间，釜内蒸馏出的液量 D（kmol）及平均组成 可根据整个过程的物料衡算求得。
19、总物料衡算 易挥发组分的衡算 利用相平衡关系积分可得：两式联解即可求得 D 和 。6.2 6.2 平衡蒸馏与简单蒸馏平衡蒸馏与简单蒸馏 6.2 6.2 精馏原理精馏原理精馏原理精馏原理 (Principle of RectifyPrinciple of Rectify)蒸馏的基本原理是将液体混合物部分气化,利用其中各组份挥发度不同（相对挥发度，）的特性，实现分离目的的单元操作。蒸馏按照其操作方法可分为：简单蒸馏、闪蒸、精馏和特殊精馏等。本节以两组分的混合物系为研究对象，在分析简单蒸馏的基础上，通过比较和引申，讲解精馏的操作原理及其实现的方法，从而理解和掌握精馏与简单蒸馏的区别（包括：原理、操作
20、、结果等方面）。6.2.1 蒸馏的操作和结果 以苯甲苯混合液为例，图61为其装置和流程简图，其t-x-y 相图如图62 所示。将组成为xF、温度为t1的混合液加热到t3，使其部分气化，并将气相与液相分开，则所得的气相组成为y3,液相组成为x3。可以看出，y3xFx3。6.26.2 精馏原理精馏原理 由此可知，简单蒸馏，即将液体混合物进行一次部分气化(单级)的过程，只能起到部分分离的作用，只适用于要求粗分或初步加工的场合。而要使混合物中的组分得到高纯度（几乎完全）的分离，只有进行精馏。从相图可以看出，用一次部分气化得到的气相产品的组成不会大于yD，而yD 是加热原料液xF时产生的第一个气泡的平衡
21、气相组成。同时，液相产品的组成不会低于xW，而xW是将原料也全部气化时剩下最后一滴液体的平衡液相组成。组成为xW的液体量及组成为yD的气体量是极少的。至于将xF的原料液加热到t3时，液相量和气相量之间的关系，可由杠杆规则来确定。6.2.2 多次部分气化和部分冷凝6.26.2 精馏原理精馏原理 如果将图61所示的蒸馏单级分离加以组合,变成如图63所示的多级分离流程（以3级为例）.若将第1级溶液部分气化所得气相产品在冷凝器中加以冷凝,然后再将冷凝液在第2级中部分气化,此时所得气相组成为y2，y2y1,这种部分气化的次数（级数）愈多,所得到的蒸汽浓度也愈高,最后几乎可得到纯态的易挥发组分.同理,若将
22、从各分离器所得到的液相产品分别进行多次部分气化和分离,那么这种级数愈多,得到的液相浓度也愈低,最后可得到几乎纯态的难挥发组分.图63 多次部分气化的分离示意图1.过程分析 上述的气液相浓度变化情况可以从图中清晰地看到.因此,同时多次地进行部分气化是使混合物得以完全分离地必要条件.不难看出,图63所示的流程在工业上是不能采用的,因其存在以下两个问题：6.26.2 精馏原理精馏原理 （1）分离过程得到许多中间馏分，如图中的组成为x1.x2 等液相产品，因此最后纯产品的收率就很低；（2）设备庞杂，能量消耗大。同同时时，由由图图还还可可以以看看出出，当当第第1 1级级所所产产生生的的蒸蒸气气y y1
23、1与与第第3 3级级下下降降的的液液体体x x3 3直直接接混混合合时时，由由于于液液相相温温度度t t3 3低低于于气气相相温温度度t t1 1，因因此此高高温温的的蒸蒸气气y y1 1（潜潜热热）将将加加热热低低温温的的液液体体x x3 3，而而使使液液体体部部分分气气化化，蒸蒸气气自自身则被部分冷凝。身则被部分冷凝。传热传热 图64 多次部分气化的 t-x-y图 今今以以图图6363中中的的第第3 3级级为为例例，由由图图6464可可知知，x x2 2yy1 1 x x3 3，而而x x2 2 x x3 3 y y2 2，在在x x2 2和和y y2 2之之间间存存在在y y1 1和和x
24、 x3 3.如如果果冷冷凝凝和和气气化化的的温温度度选选择择恰恰当当，可可使使y y1 1和和x x3 3 较较为为接接近近。这这样样，若若将将第第3 3级级中中产产生生的的中中间间产产品品x x3 3与与第第2 2级级的的料料液液y y1 1相相混混合合,.，其其结结果果不不但但消消除除了了中中间间产产品品，且且提提高高了了最最后后产产品品的收率。的收率。传质传质 由由此此可可见见，不不同同温温度度且且互互不不平平衡衡的的气气液液两两相相接接触触时时，必必然然会会同同时时产产生生传传热热和和传传质质的的双双重重作作用用，所所以以使使上上一一级级的的液液相相回回流流（如如液液相相x x3 3）
25、与与下下一一级级的的气气相相（如如气气相相y y1 1)直直接接接接触触，就就可可以以将将图图6363所所示示的的流流程程演演变变为为图图6565所所示示的的分分离离流流程程，从从而而省省去去了了逐逐级级使使用用的的中间加热器和冷凝器。中间加热器和冷凝器。图 65 无中间产品的 多次部分气化的分离示意图6.26.2 精馏原理精馏原理 从从图图6565可可知知，将将每每一一级级中中间间产产品品返返回回到到下下一一级级中中，不不仅仅可可以以提提高高产产品品的的收收率率，而而且且是是过过程程进进行行的的必必不不可可少少条条件件。例例如如，对对第第2 2级级而而言言，如如没没有有液液体体x x3 3回
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