化工第四章教案

第三章蒸餾內容提要：介紹化工中的分離方法；用相對揮發(fā)度表示的氣液平衡關系；闡明精餾的基本原理，然后通過物料衡算導出精餾塔的精餾段和提餾段操作線方程，討論精餾塔理論塔板數(shù)和實際塔板數(shù)的計算原理和方法；回流比對精餾操作的影響與選擇，最后對精餾設備作簡單介紹。

第一節(jié)概述

蒸餾是低沸點組分由液相進入氣相，高沸點組分留在液相的一種液氣之間的傳質過程，這個傳質過程的理論依據(jù)就是各種物質的揮發(fā)性（液體能夠揮發(fā)為蒸氣的能力）的差異，或者就是沸點的差異。乙醇水體系的蒸餾分離乙醇水加熱汽相:醇富集液相:水富集冷凝冷卻乙醇產(chǎn)品廢水

蒸餾操作實例：石油煉制中使用的250萬噸常減壓裝置

許多生產(chǎn)工藝常常涉及到互溶液體混合物的分離問題，如石油煉制品的分離，有機合成產(chǎn)品的提純，溶劑回收和廢液排放前的達標處理等等。分離混合液的方法有多種，工業(yè)上最常用的是蒸餾、精餾或萃取。1、蒸餾操作的用途2、蒸餾的分類難分離的物系,分離純度要求很高時采用。按蒸餾方式

簡單蒸餾

平衡蒸餾（閃蒸）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對分離要求不高的物系很難分離的物系或用普通方法難以分離的物系操作壓強

常壓下為氣體的物系精餾分離常壓下物系沸點較高或熱敏性物質不能承受高溫的情況常壓

一般情況下多用常壓

常壓下不能分離或達不到分離要求

混合物的組分

雙組分:如乙醇-水體系,苯-甲苯體系等。多組分:例如原油的分離。

操作方式

間歇:多用于小批量生產(chǎn)或某些有特殊要求的場合。連續(xù):多用于大批量工業(yè)生產(chǎn)中。

加壓減壓第二節(jié)氣液相平衡一、理想溶液的氣液相平衡：1.理想溶液：理想溶液是混合液中指各組分的性質極相近、分子的結構相似，分子間無締合作用、同種分子之間和異種分子間作用力相等的溶液。理想溶液在形成的過程中，既沒有容積效應，又沒有熱效應。2.理想物系：理想物系是指由氣液組成的一個體系，這個體系應符合以下條件：

(1)液相為理想溶液，各組分的蒸氣壓服從拉烏爾定律。

(2)氣相為理想氣體，遵循道爾頓分壓定律。拉烏爾定律：拉烏爾定律主要描述理想溶液上方的氣相中，各組分的蒸氣壓所遵循的規(guī)律。

Pi=Pi*xiPi

------理想溶液上方氣相中某一組分的蒸氣壓；Pi*------同溫下該純組分的飽和蒸氣壓；Xi

------該組分在溶液中的摩爾分率。把拉烏爾定律應用在雙組分理想溶液中，設雙組分理想溶液由A、B兩種組分組成，則PA=PA*xA；PB=PB*xB

，對雙組分溶液

xB=1-xA

，設溶液上方蒸汽的總壓為P，A、B組分的蒸汽分壓為PA、

PB，則P=PA+PB=PA*xA+PB*xB，

P=PA*xA+PB*(1-xA)

P=(PA*-

PB*)xA+PB*

，2.1用飽和蒸氣壓表示氣液平衡關系：在此式中，總壓一定時，不同的溫度，對應著不同的飽和蒸汽壓，PA*、

PB*

，也就對應著不同的xA

，即此式反應了溫度t和液相組成x之間的關系，即t-x

之間的關系。設yA是與液相平衡的蒸氣中組分A的摩爾分率，則根據(jù)分壓定律：yA=PPA=PPA*xA此式反映了在蒸汽總壓一定時，一定溫度下達到氣液平衡時，氣相組成與液相組成xA之間的關系。把以上兩式結合起來，我們就可以得到雙組分理想溶液在不同溫度下的氣相和液相組成。111頁表4--1就是利用以上兩式得到的苯—甲苯溶液的平衡氣液相組成。xA=P-PB*PA*-

PB*則對純液體，揮發(fā)度指該液體在一定溫度下的飽和蒸汽壓。（1）揮發(fā)度：混合液中某組分在氣相中的平衡分壓與該組分在溶液中的摩爾分數(shù)之比，就是該組分的揮發(fā)度，一般用v來表示。揮發(fā)度是對揮發(fā)性的定量描述。vA=PA/xA，vB=PB/xB飽和蒸氣壓越大，說明該液體越易揮發(fā)。2.2用相對揮發(fā)度表示氣液平衡關系：（2）相對揮發(fā)度溶液中易（輕）揮發(fā)組分的揮發(fā)度與難（重）揮發(fā)組分的揮發(fā)度之比，用α表示。

相對揮發(fā)度的數(shù)值可由實驗測得。理想溶液中組分的相對揮發(fā)度等于同溫度下兩組分的飽和蒸汽壓之比。雖然兩純組分的蒸氣壓都在隨溫度變化，但其比值即α卻幾乎不受溫度的影響，即理想溶液的αAB只與溫度有關，而與溶液的濃度沒有關系。

對理想溶液：對一般溶液，α除了與溫度有關外，還與溶液的濃度有關，在xA從0~1的變化過程中，α也在不變地變化，所以一般可以將兩個純組分沸點溫度下的相對揮發(fā)度的幾何平均值作為溶液全部濃度范圍內的平均相對揮發(fā)度。設α為溶液在組分A的沸點時的相對揮發(fā)度，α′為溶液在組分B的沸點時的相對揮發(fā)度，則AB溶液在全部濃度范圍內的平均相對揮發(fā)度αm為：αm=αABα'AB（3）相對揮發(fā)度的意義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)。

當α

>1時，yA/(1–yA)>xA/(1–xA)，即yA

>xA,兩組分的相對揮發(fā)度α越大，易揮發(fā)組分在氣相中的濃度yA比它在液相中的濃度xA就越大，兩種組分就容易分離。所以α可以用來判斷混合液容易通過蒸餾的方法進行分離。當αAB=1時，yA=

xA，組分A在氣液相中的濃度相等，混合液就不能用普通蒸餾的方法加以分離。(4)用相對揮發(fā)度表示氣液平衡關系：α=yA/(1–yA)xA/(1–xA)將此式加以變形，則可寫為：yA=αxA1+(α–1)xA-------用α表示的理想溶液的平衡氣液關系-------一般溶液的平衡氣液關系yA

=αmxA1+(αm–1)xAp112例題1.t-x-y圖

t-x-y

圖代表的是在總壓P一定的條件下，相平衡時氣液相組成與溫度的關系。在總壓一定的條件下，將組成為xf

的溶液加熱至該溶液的泡點，產(chǎn)生第一個氣泡的組成為y。繼續(xù)加熱，隨溫度升高tA

，物系變?yōu)榛コ善胶獾臍庖簝上?，兩相溫度相同，組成分別為yA

和xA

。當溫度達到該溶液的露點，溶液全部氣化成為組成為y=xf

的氣相，最后一滴液相的組成為x。二、雙組分溶液的氣液相平衡關系xA=P-PB*

PA*-

PB*yA=PPA*xAt/Cx(y)露點線泡點線露點泡點xAyAxf氣相區(qū)液相區(qū)兩相區(qū)x-y圖可通過t-x-y

圖作出，圖中對角線(y=x)為一參考線。大多數(shù)溶液，兩相平衡時，y總是大于x，平衡線位于對角線上方。平衡線偏離對角線越遠，該溶液越易分離。恒沸點時，x-y線與對角線相交，該點處汽液相組成相等。2.y-x相圖：

y-x相圖表示在一定壓力下，液相組成x和與x相平衡的氣相組成y的關系。苯-甲苯氣液平衡的t-x-y相圖三、非理想溶液

:

相圖見115頁一、簡單蒸餾

y原料液x蒸氣xD1xD2xD3冷凝器第三節(jié)蒸餾方式簡單蒸餾也稱微分蒸餾，間歇非穩(wěn)態(tài)操作，在蒸餾過程中系統(tǒng)的溫度和氣液相組成均隨時間改變。簡單蒸餾是分批（間歇）進行的，只適用于粗分，對相對揮發(fā)度大的溶液分離效果較好。

1.簡單蒸餾的流程及特點

2.簡單蒸餾的原理：簡單蒸餾的特點是只存在物料平衡關系，一次氣液平衡都沒有達到，在蒸餾過程中，溫度、組成隨時間變化，是間歇不穩(wěn)定過程。只獲得一定沸程（即某個溫度區(qū)段）的餾分（餾出液）。適用于輕工業(yè)和原料預處理。x2y2y1x1x1y1x2y2二、平衡蒸餾（Equilibriumdistillation）

使混合液體部分氣化，并使氣液兩相處于平衡狀態(tài)，然后將氣液兩相分開。又名閃蒸（flashdistillation）1、原理：平衡蒸餾是液體的一次部分汽化或蒸汽的一次部分冷凝的蒸餾操作。生產(chǎn)工藝中溶液的閃蒸分離是平衡蒸餾的典型應用。閃蒸操作流程：一定組成的料液被加熱后經(jīng)節(jié)流閥減壓進入閃蒸室，液體因沸點下降變?yōu)檫^熱而驟然汽化，汽化耗熱使得液體溫度下降，汽、液兩相溫度趨于一致，兩相組成趨于平衡。由閃蒸室塔頂和塔底引出的汽、液兩相即為閃蒸產(chǎn)品。

2、流程：閃蒸罐塔頂產(chǎn)品yAxA加熱器原料液塔底產(chǎn)品

Q減壓閥三、精餾：1.精餾的原理：設原料液的組成為x，經(jīng)過一次簡單蒸餾后，所得液體的組成為x1，則x1必然大于x，即易揮發(fā)組分的含量比原料液中的有了提高；把x1作為原料液進行二次蒸餾所得液體組成為x2

，則x2又會大x1

，……經(jīng)過n次以后，所得液體中，易揮發(fā)組分的含量將會相當高，xn將會趨近于1，即接近于純的低沸點組分。精餾塔就可以把餾分不斷冷凝，再不斷加熱汽化，從而使混合液得到比較徹底的分量。p1172.精餾塔的工作過程：x1x03.精餾流程.預熱到一定溫度的原料液送入精餾塔的進料板,在每層塔板上,回流液體與上升蒸氣互相接觸,進行熱和質的傳遞.提餾段:加料板及其以下的塔段.下降液體中輕組分向氣相傳遞，氣相中重組分向液相傳遞，完成下降液體重組分提濃。

塔頂冷凝器的作用:

獲得塔頂產(chǎn)品及保證有適宜的液相回流.再沸器的作用:

提供一定量的上升蒸氣流.精餾段:加料板以上的塔段.上升汽相中重組分向液相傳遞，液相中輕組分向氣相傳遞，完成上升蒸氣輕組分精制。第四節(jié)雙組分連續(xù)精餾的計算連續(xù)精餾的優(yōu)點：(1)操作條件穩(wěn)定，使產(chǎn)品質量穩(wěn)定，并且易實現(xiàn)生產(chǎn)過程的自動化控制；(2)節(jié)省時間，提高設備的利用率和生產(chǎn)能力；(3)便于回收熱能，節(jié)約能量。一、關于精餾塔的三個假定：3.精餾塔已被充分保溫，塔內蒸汽由蒸餾釜供給，回流液由塔頂冷凝器供給，在沸點溫度下回流入塔，在塔的中間無熱量損失，流體的混合熱和相鄰塔板的溫度差可以忽略不計。1.氣液兩相在離開塔板時已達到平衡，這樣的塔板就稱為理論塔板。2.等摩爾汽化熱假定(恒摩爾流假定)：從每塊塔板上升和回流的流體的流量不發(fā)生變化，就是恒摩爾流，即V1=V2=V3，L1=L2=L3。本章常用的符號：R=L/D------回流比n+1n-1V,ynL,xnD,xDF,xfnV`,yn+1L`,xn+1W,xw二、全塔物料衡算全塔物料衡算

對總物料：

對于易揮發(fā)組分：

F,xfW,xwn+1n-1D,xDn塔頂易揮發(fā)組分回收率：易揮發(fā)組分從塔頂采出的量占全部進料量中輕組分的百分數(shù)。

塔底難揮發(fā)組分回收率：書120頁例題選精餾段n+1層以上為衡算范圍：對所有的物料：

對易揮發(fā)組分：

1、精餾段操作線方程nV,ynL,xnD,xDn-1V,yn+1L,xn+1n+1即：

三、操作線方程：——回流比

——精餾段操作線方程

一定回流比時的操作線方程，其物理意義為：回流比一定時，任意塔板回流液組成xn與由下層塔板上升蒸氣組成yn+1之間的關系，也就是上下層塔板氣液組成之間的關系。2、提餾段操作線方程

選m層以下塔板為為衡算范圍：對所有物料：

對易揮發(fā)組分：

提餾段操作線方程：mV`,ymL`,xmm-1m+1W,xwV`,ym+14.1.1進料的5種熱狀況

在實際生產(chǎn)中,引入精餾塔內的原料可能有五種不同狀況,即：①低于泡點的冷液體；②泡點下的飽和液體；③氣液混合物；④飽和蒸氣；⑤過熱蒸氣。原料入塔時的溫度或狀態(tài)稱為加料的熱狀態(tài)。進料熱狀況用進料熱狀態(tài)參數(shù)q值來表示，q值不同,將直接影響精餾和提餾段上升蒸氣和回流液體的流量.4.1進料熱狀況的影響四、進料熱狀況和進料線方程精餾塔的進料熱狀況4.1.2進料熱狀況對操作的影響

1）定義式2）q的意義

進料液的kmol汽化潛熱將1kmol進料變?yōu)轱柡驼羲锜崃縬=泡點進料時

飽和蒸汽進料時

進料熱狀況也可看作進料中液相所占分數(shù)。冷液進料時汽液混合物進料時

過熱蒸汽進料時

對于飽和液體、汽液混合物及飽和蒸汽三種進料而言，q值就等于進料中的液相分率。4.2q(進料)線方程

在進料板上,同時滿足精餾段和提餾段的物料衡算,故兩操作線的交點落在進料板上。聯(lián)立兩操作線方程式此式為精餾段和提餾段操作線交點的軌跡方程。因q為一常數(shù),故一定狀態(tài)進料時q線為直線.不同的加料熱狀態(tài)對應著不同的q值,也就對應著不同的q線.得q線方程兩式相減五、理論塔板層數(shù)的求法1．逐板計算法

逐板計算法是由塔頂開始交替使用相平衡關系和操作關系進行逐板下行計算直至塔釜組成符合要求為止，計算過程每使用一次相平衡系，就代表需要一層理論板。逐板計算步驟如下：設精餾段操作線與提餾段操作線方程的交點為d(xd，yd)以精餾段為例，設氣液相平衡關系為：精餾段操作線方程為：y=f(x)它表示同一層塔板上的氣液相組成之間的關系它表示的是上下層塔板之間的氣液相組成之間的關系

設塔頂冷凝器為全凝器（為已知值）從塔頂?shù)谝粚铀彘_始計算，因為塔頂為全凝器且回流為飽和液體，則有xD=y1，由此，如此重復計算，直到算出的小于等于xd，則說明第N1層為加料板。此時精餾段的塔板數(shù)為N1-1；此后，改用提餾段操作線方程與平衡方程進行交替計算，直到算出的液相組成Xm+1小于等于殘液組成，因一般再沸器相當于一層理論塔板，故塔內所需要的總理論塔板數(shù)為N。2、圖解法2）畫操作線作法

a）精餾段操作線1）畫出物系的平衡曲線和對角線yn+1=R+1Rxn+R+11xp當xn=xp時，yn+1=xp,即該線通過對角線上的P點R+1R該線的斜率為當xn=0時，y軸上截距為1xpR+1根據(jù)這三個條件中的任意兩個都可把操作線畫出來。b）q線方程求出兩線的交點e(xf，xf)，由e點及直線的鈄率即可作出q線，此線與精餾段的交點為d(xd，yd)c)畫提餾段操作線：ym+1=L’V’xm-V’Wxw當xm=xw

時,ym+1=L+F-WL+PxwF=P+W，則ym+1=xw即提餾段操作線要經(jīng)過對角線上的C（xw,xw）點。連接C點與d點即可畫出提餾段操作線。abyxxDxWcxFefdd）進料熱狀況對q線及操作線的影響

過冷液體：q>1,

，ef1

（）飽和液體：

q=1,

，ef2

（↑）汽液混合物

：0<q<1,

，ef3

（）飽和蒸汽：q=0,，ef4

（←）過熱蒸汽：q<0,，ef5

（）在給定回流比時，q值的變化不影響精餾操作線的位置，但明顯改變了提餾段操作線的位置。f1f2f3f4f5圖解方法：書126頁例題

xDabefdxFxWc11‘234564.在平衡線、精餾段操作線、提餾段操作線之間畫臺階，直到過W點為止，所得臺階數(shù)減1即為理論塔板數(shù)，最下的階梯表示再沸器，加料板的位置就在跨過d點的那一層。六、回流比的影響及其選擇

1、回流比對精餾操作的影響

R↑xD/R+1↓

abyxxDxWcxFefdxD/R+1

NT↓ab

下移R↑D、W不變L、V↑ab與ac重合R=∞NT=NminR↓xD/R+1↑ab、q線與平衡線交于dR=RminabyxxDxWcxFefdxD/R+1

N=∞d點夾緊點N↑ab上移Rmin＜＜R∞2、全回流及最少理論板層數(shù)

全回流時，D=0，F(xiàn)=0，W=0

；達到給定分離程度所需的理論板層數(shù)最少為Nmin，此時，沒有精餾段與提餾段之分，它們都與對角線重合，為y=x。1）Nmin的求法

a）圖解法

xWxDb）解析法——芬斯克(Fenske)方程式

全回流時操作線方程式為：yn+1=xn∴(yA)n+1=(xA)n，(yB)n+1=(xB)n離開任一層板的汽液組成間的關系，由相對揮發(fā)度的定義，為

若塔頂采用全凝器，（yA）1=（xA）D

，（yB）1=（xB）D

第一層板的汽液平衡關系為：第一層板和第二層板之間的操作關系為：yA2=xA1

，yB2=xB1

即同理，第二板的氣液平衡關系為：將再沸器視為第N+1層塔板，重復以上過程，直到再沸器為止，可得：若令——芬斯克方程

3、最小回流比的求法

1）作圖法a）對于正常的平衡曲線

xD/R+1

d(xq,yq)b）對于某些不正常的平衡曲線

由點a（xD,xD）向平衡線作切線，切線的斜率=Rmin/Rmin+1。

4、適宜回流比的選擇

R=（1.1～2）Rmin5、理論板數(shù)的捷算法

（1）吉利蘭圖

（2）簡捷法求理論板數(shù)的步驟根據(jù)物系性質及分離要求，求出Rmin，選擇合適的R；求出全回流下所需理論板數(shù)Nmin

；使用吉利蘭圖，求出所需理論板數(shù)；確定加料位置，可把加料組成看成釜液組成求出理論板數(shù)即為精餾段所需理論板數(shù)，從而可以確定加料位置。

七、塔高和塔徑的計算1、基本計算式板式塔：H=NphNp——實際塔板數(shù)h——實際塔板間距對于填料塔：H=N×HETPHETP：等板高度，指相當于一塊理論塔板分離作用的填料層高度。2