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《化工原理》第六章 蒸馏 在线阅读

作者:佚名 来源:本站原创 发布时间:2019年10月07日 点击数:

第六章   蒸馏

第一节 概述

蒸馏是分离液体混合物的一种方法,是传质过程中最重要的单元操作之一,蒸馏的理论依据是利用溶液中各组分蒸汽压的差异,即各组分在相同的压力、温度下,其探发性能不同(或沸点不同)来实现分离目的。例如,加热苯(沸点80.2℃)和甲苯(沸点110.4℃)的混合物时,由于苯的沸点较甲苯为低,即苯挥发度较甲苯高,故苯较甲苯易从液相中汽化出来。若将汽化的蒸汽全部冷凝,即可得到苯组成高于原料的产品,依此进行多次汽化及冷凝过程,即可将苯和甲苯分离。这多次进行部分汽化成部分冷凝以后,最终可以在汽相中得到较纯的易挥发组分,而在液相中得到较纯的难挥发组分。这叫精馏(rectification)。 

在工业中,广泛应用蒸馏方法分离液体混合物,从石油工业、酒精工业直至焦油分离,基本有机合成,空气分离等等,常常采用蒸馏分离方法,特别是大规模的生产中蒸馏的应用更为广泛。 

    在实验室里,已做过不少关于蒸馏的实验。如:双组分汽液平衡。 

蒸馏按操作可分为简单蒸馏、平衡蒸馏、精馏、特殊精馏等多种方式。按原料中所含组分数目可分为双组分蒸馏及多组分蒸馏。按操作压力则可分为常压蒸馏、加压蒸馏、减压(真空)蒸馏。此外,按操作是否连续蒸馏和间歇蒸馏。工业中的蒸馏多为多组分精馏,但作为蒸馏问题的基础,本章着重讨论常压下的双组分精馏。

第二节 双组分溶液的气液相平衡

6.2.1 溶液的蒸汽压及拉乌尔定律


    汽液相平衡(vapour--liquid phase equilibrium)是指溶液与其上方蒸汽达到平衡时汽液两相各组分组成的关系。

    一密闭的容器内盛有纯液体A,在一定温度下液相中A的分子从液面逸出形成蒸汽,同时蒸汽中的A分子也会有一部分进入液相,经过一定时间后,当单位时间内从液相进入汽相中的分子 数与从汽相返回液相中的分子数相等时,便称为汽液达到平衡状态,这时液面上方蒸汽的压强就是该温度下纯液体A的饱和蒸汽压,简称蒸汽压。 

     同样,容器内AB两种完全互溶组分的混合液时,与纯液体A的情况有何差异?对了,正是由于AB同存一个空间内,而A在汽相使中的分压比其在纯态下的饱和蒸汽压要小,同理 , 汽相中的A存在也会使B的蒸汽压降低。 

    由于溶液中AB两组分彼此对蒸汽压的影响规律不同,溶液可分为理想溶液非理想溶液(实际溶液)两种。 

6.2.2 温度组成图(TYX图) 


     该图常用以分析蒸馏的原理。图中有上、下两条曲线,上曲线:平衡时汽相组成与温度的关系,称为汽相线(露点曲线);下曲线:平衡时液相组成与温度的关系,称为液相线(泡点曲线 )。两曲线将图分成三个区域,液相线以下代表尚未沸腾的液体,称为液相区;汽相线以上代表过热蒸汽压;被两曲线包围部分表示汽液共存,称为汽液共存区

     例1 苯(A)与甲苯(B)的饱和蒸汽压和温度关系数据如下表所示,求P=101.3KpaT—X—Y图,作图表示。 
    附表 1 
    

温度    

80.1     85      90      95      100     105     110.6

PA0,   KPa

101.32   116.9   135.5   155.7    179.2    204.2    240.0

PB0,   Kpa

40.0     46.0    54.0    63.3     74.3     86.0     101.32

      解题方法:

    选一温度t=95℃,可查该温度下各组分的PA0PB0,即可计算出XY
      液相组成:X=(P—PB0)/(PA0PB0)=(101.32—63.3)/(155.7—63.3)=0.411
      汽液组成:Y=PA0 *X/P=155.7*0.411/101.32=0.632
         其它温度下的计算结果于下表

T,       

80.1     85     90      95     100     105     110.6

    X

1.000   0.780   0.581   0.411   0.258    0.130     0

    Y

1.000   0.900   0.777   0.632   0.456    0.261     0

     根据以上结果,即可标绘出下图所示

6.2.3 汽液相平衡图(Y—X图)


      图63是苯—甲苯混合液的YX图,其可通过TYX图的数据作出,图中对角线(Y=X)为参考线。某些溶液达到平衡时,汽相中易挥发组分浓度总是大于液相的,所其平衡线位于对 角线的上方。平衡线离对角线越远,表示该溶液越易分离。 
      应予指出,总压对TYX关系比对YX关系的影响大,故当总压变化不大时,总压对YX关系的影响可以忽略不计。可见蒸馏中使用XY图较TYX图更为方便。

 

6.2.4 双组分非理想溶液

   此节不对双组分非理想溶液作详解,此可在《物理化学》中具体学习。 
  若混合物中分子间的吸引力fABfAA与f BB为大,这种混合液对拉乌尔定律具有负的偏差,这非理想溶液又称为具有最高恒沸点的恒沸液。如:硝酸—水、氯仿—丙酮等系统。 
    需指出,非理想溶液不一定都具有恒沸点,如甲醇—水混合液属正偏差系统,但无恒沸点。二硫化碳—四氯化碳混合液属负偏差系统,也无恒沸点。 

 6.2.5 挥发度及相对挥发度

     挥发度是表示某种纯物质(液体或固体)在一定温度下蒸汽压大小。 

 对A组分有VA=PA/xA     6—1 

 而相对挥发度(Relative Volatility)是指溶液中两组分挥发度之比,以αAB表示。常以易挥发组分的挥发度为分子。 

 αAB=α=VA/VB=PA/XA/PB/XB                       6—2 

 对完全理想系,则α=PA0/PB0=YA/XA/YB/XB            6—3 

 对双组分完全理想系,则α=YA/XA/YB/XB 

                         =Y/X/((1Y/1X))     64 

 将(64)加以整理,得Y=α*X/1+α—1X           65 

 式(6—5)为用相对挥发度α表示的汽液平衡方程。若α已知,则可求得X—Y关系。 

    α值的大小可反映分离的难易程度,可分析某混合液可分离的难易程度。若α=1,则由式(6-5)可看出Y=X,因而不能用普通方法分离;若α>1,则Y>X。α愈大,Y比X大得愈多,分离愈易。 

第三节 蒸馏与精馏原理

6.3.1 简单蒸馏与平衡蒸馏 

—、简单蒸馏 

混合液加入蒸馏釜中,在恒定压力下加热至沸腾,使液体不断汽化,产生的蒸汽经冷凝后作为顶部产物。馏出液通常是按不同组成范围分罐收集的。最终将釜液一次排出。故此简单蒸馏是一个不稳定过程。 

  简单蒸馏只能使混合液部分地分离,故只适用于沸点相差较大而分离要求不高的场合,或者作为初步加工,粗略地分离多组分混合液,例如原油或煤油的初馏。 

二、平衡蒸馏 

平衡蒸馏又称为闪蒸(FLASH DISTILLATION),是一连续稳定过程,原料连续进入加热器1(图6-9)中,加热至一定温度经节流阀骤然减压到规定压力,部分料液迅速汽化,汽液两相在分离器3中分开,得到易挥发组分浓度较高的顶部产品与易挥发组分浓度甚低的底部产品。 

  平衡蒸馏为稳定连续过程,生产能力大,不能得到高纯产物,常用于只需粗略分离的物料,在石油炼制及石油裂解分离的过程中常使用多组分溶液的平衡蒸馏。 

6.3.2 精馏原理 

     许多情况下,要求混合液分离为几乎纯净的组分,就要采用精馏装置才能完成这任务。 

多次部分汽化、部分冷凝
  
     利用T—Y—X图,说明溶液热状态。如图6—7所示,A是组成为Xf和温度为tA的冷液,将点A加热到F点,温度达到tf开始汽化为饱和液状态,产生第一个汽泡,汽相组成为yF。再加热饱和液至g点时,则产生互相平衡的汽液两相,其组成分别为yG(G`点)及XG(G点)。若再升温至th(H`点),溶液即全部汽化,汽相组成为yH,与最初液相组成XF相同,液相在消失之前其组成为XH。若再加热到H`点以上如至B点,则为过热蒸汽,温度升高而组成不变。自F点向上至H`点以前阶段称为部分汽化过程。加热至H`点及其以上,则称为全部汽化过程。反之,自H`点至F点的为部分冷凝进程。自F点及其以下,称为全部冷凝过程。 

    整个图6—8系统的精馏作用,可用图6—9所示精馏塔予以实现。以塔板2为例,可说明每块塔板的作用。如图6—10所示,从上块塔板下降组成为X1的液相,与从下面上升组成为Y3的汽相在塔板上接触,汽相把热量传递给液相,使液相发生部分汽化产生组成Y2的汽相,同时组成为Y3的汽相发生部分冷凝产生组成为X2的液相。部分冷凝和部分汽化所产生的液相汇合在一起下降到下一块塔板去,且X1>X2,即发生了易挥发性组分从液相到汽相的传递,难挥发性组分从汽相到液相的传递。故每层塔板上既有热量传递,又有质量传递。 

        二、精馏流程 

6-11所示为连续精馏流程 

 除了精馏塔外,还必须同时有塔底再沸器和塔顶冷凝器,有时还要配有原料预热器、回流液泵等附属设备,才能实际现整个操作。 

原料液经预热器在指定温度下送入精馏塔进料板,在进料板上与自塔上部下降的液体汇合后逐板溢流,最后流入塔底再沸器中。塔底再沸器连续将液体部分汽化,产生上升的蒸汽,送回塔内亦称汽相回流;所产生的液体作为塔底产品,亦称釜残液。塔顶蒸汽进入冷凝器中被全部冷凝,并将部分冷凝液用泵送回塔顶作为回流液体,其余部分作为塔顶产品,亦称为馏出液。另外塔顶没有分凝器,塔顶蒸汽的一部分被冷凝作为回流,而剩余部分经组分再全部冷凝后作为馏出液。 

三.塔内进行连续精馏的几个特点 

1.每层塔板上都发生部分汽化和部分冷凝,若所提供的汽液接触时间(或接触表面)充分,每层塔板相当或接近于一次平衡蒸馏,即离开每层塔板的汽液两相达到平衡Yn=Kn*Xn 

2.向塔顶方向,蒸汽越来越富集易挥发组分,即Yn >Yn+1 ;向塔底方向,液体越来越富集难挥发组分,即Xn >Xn+1 。物料温度自下而上降低,即Tn >Tn-1 。如图6-13   

  

3.每层塔板上存在露点与泡点间的温度差,这在精馏过程中系统会自动地调节和适应。 

4.最上一层塔板的蒸汽必须与其组成接近的液体相接触,可由塔顶引出的蒸汽冷凝后的部分冷凝液作为回流。对于全凝器Y1 =X0 , X0 为馏出液组成,没有回流,塔内的部分汽化和部分冷凝都不发生,这是精馏与简单蒸馏的根本区别。 

5.从塔底应当提供蒸汽,而且蒸汽的组成与塔底釜残液相近,因而在塔底安装再沸器使釜液部分汽化作为汽相回流,这同样是精馏的必要条件。 

6. XD >XF >XW ,因此进料不应在塔顶或塔底,而应在塔体的某一适宜塔板上,此板上液体组成与进料组成相接近,其称为加料板,加料板以上的塔段称为精馏段,加料板以下(包括加料板)的塔段称为提馏段。 

第二节 蒸馏方式

10——5简单蒸馏

1、简单蒸馏装置及过程(P92,图10——5

2、简单蒸馏的定义及特点(笔记)

3、简单蒸馏的计算

简单蒸馏常用于初步分离、特别对相对挥发度大的混合物液进行分离颇为有效,

W1W2——釜内的料液量和残液量,Kmol

X1X2——料液和残液的组成,摩尔分率

W——釜内在某一瞬间的液量,Kmol

xy——此一瞬间的液、气组成,摩尔分率。

dτ时间后,残液量减为(w-dw),液相组成降为(x-dx),则残液中所含易挥发组分量为:(w-dw(x-dx),而蒸出的易挥发组分量为ydw,

根据易挥发组分在dτ前后的微分物料衡算,有:

wx=w-dw)(x-dx)+ydw

wx=wx-wdx-xdw+dwdx+ydw, 略去    dwdx

wdx=(yx)dw

dw/w=1/y-x dx

积分

 

 

要知xy的平衡关系式,才能求解上式

①对理想溶液,

 

 

②若在操作范围内,xy平衡线可近似地作为直线y=mx+b

若为稀溶液,根据亨利定律y=mx代表平衡线

③若平衡关系不能用简单的数学式表示,可以用图解积分或数值积分

4、总物料衡算

W1=WD+W2

对易挥发组分W1X1=WDXD+W2X2

例题P93,103

 

10——6   平台灯蒸馏和平衡级

一、平衡蒸馏的定义:使混合物汽液两相共存,达成平衡,再将二相分开,以使混合物得到一定程度分离的蒸馏方式。

二、平衡蒸馏的原理:使混合物溶液部份汽化,或使混合物蒸气部分冷凝,使汽液平衡共存,然后再将汽液分开。

三、连续式平衡装置图

四、连续式平衡蒸馏的计算

1、物料衡算:设料液流量F,组成XF

液体气化时汽相流量V,组成YD,液相流量L,组成XW

f=V/F---汽化分率,则

1、  汽液平衡:YDXW符合相平衡关系,若为理想溶液,

 

联合(1)(2)两方程,则可求得所需的两组成YDXW

例题P96

五、平衡级:

1、定义:使原来达到平衡的汽液接触,两相将向平衡趋近,若接触足够充分,离去时汽、液达到平衡,则称这种设备为一个平衡接触级。

2计算

V、L——汽液两相流量,y0,x0为汽液初始组成

      YDXW     达平衡后的组成

则物料衡算:VYD+LXW=Vy0+Lx0

平衡关:YDXW

联合解出

10——7精馏

一、精馏的定义:进行多次部份汽化或部份冷凝后,最终可以在汽相中得到较纯的易挥发组份,而在液相中得到较纯的难挥发组分(Rectifieation)(相当于进行多次简单蒸馏和多次气液平衡)

二、精馏的设备及过程

1、设备:若干层塔板的精馏塔,再沸器rebvoiler(蒸馏釜、冷凝器)各作用

2、过程:进料  再沸器汽流上升塔板上接触,传质易挥发组份逐相上升

难挥发组份下降      经足够的塔顶的汽流组成达到分离 要求冷凝器塔顶产品

 

 

3、几个概念

1)回流:升到塔顶的汽流组成在冷凝器中冷凝后,只放出一部份作为塔顶产品,另一部分返回塔顶作为液流,这部份液流称为回流。

2)精馏     ——加料板以上(rectifying section)

作用:起着回收原料中易挥发组分增浓的作用

3)提馏     ——加料板以下(stripping section)(包括加料板)

作用:起着回收原料中易挥发组分的作用

4)馏出液(distillate)经精馏出来经冷凝的一部份塔顶产品

5)回流的作用:

精馏是组分在汽相和液相间的传质过程,对任一块塔板若缺少汽相或液相,过程将无法进行。对塔顶第一层板有其下第二层板上升的蒸汽,缺少下降液体,回流正是为第一层板提供下降液体。由第二层塔板上升之蒸汽浓度已相当高了,依相平衡原理,与其相接触的液相浓度亦应很高才行。显然,用塔顶冷凝液的一部分作为流液是最为简便的办法。

塔底最下一块塔板虽有其上一塔板下流的液体,为保证操作进行,还要有上升蒸汽,根据相平衡原理要求,与塔板上液体接触的蒸汽浓度亦应很低。因此将再沸器部分汽化之蒸汽引入最下一层塔板。

塔顶回流、塔底上升蒸汽是保证精馏过程连续、稳定的充分必要条件。

 

 

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