1、精餾單元操作技術任務任務2：酒精蒸餾回收工藝條件的：酒精蒸餾回收工藝條件的確定確定(1) 雙組分溶液的氣液組成的表示方法雙組分溶液的氣液組成的表示方法1）質量分率：混合物中某一組分在混合物中占的百）質量分率：混合物中某一組分在混合物中占的百分數分數BAAAAmmmmmwBABBBmmmmmw易揮發組分易揮發組分A易揮發組分易揮發組分B2）摩爾分率：）摩爾分率：BAAAAnnnnnx BABBBnnnnnx 1 BAxx3）換算關系：）換算關系：xwBBAAAAAMwMwMwxwx BBAAAAAMxMxMxw氣液相平衡的概念氣液相平衡的概念B0BBA0AAxppxpp pA, pB 溶液上方溶

2、液上方A、B組分的分壓，組分的分壓，PaPa；pA0 , pB0 溶液溫度下純溶液溫度下純組分的飽和蒸汽壓，組分的飽和蒸汽壓，PaPa； xA , xB 液相中液相中A、B組分的摩爾分率。組分的摩爾分率。 對于理想溶液，在一定溫度下，氣液相平衡時，對于理想溶液，在一定溫度下，氣液相平衡時，氣相中任一組份的分壓等于該組分的在該溫度下的氣相中任一組份的分壓等于該組分的在該溫度下的飽和蒸汽壓乘以它在液相中的摩爾分數。飽和蒸汽壓乘以它在液相中的摩爾分數。1.1. 拉烏爾定律（拉烏爾定律（ Raoults Law）理想溶液的氣液相平衡關系理想溶液的氣液相平衡關系B0BBA0AAxppxppA0B0A0B

3、A0BA0AB0BA0ABA)()1 (xpppxpxpxpxpppP液相組成液相組成 x 與溫度的關系與溫度的關系蒸餾通常是在一定外壓下進行，操作過程中溶液的沸點隨組成而變，故總壓一定下的沸點與組成圖是分析精餾過程的基礎。沸點組成圖 以苯-甲苯混合液為例，在常壓下，其t x y圖如圖所示，以溫度t為縱坐標，液相組成xA和汽相組成yA為橫坐標(x，y均指易揮發組分的摩爾分數)。 沸點組成圖 圖中有兩條曲線，下曲線表示平衡時液相組成與溫度的關系，稱為液相線，上曲線表示平衡時汽相組成與溫度的關系，稱為汽相線。兩條曲線將整個t x y圖分成三個區域，液相線以下代表尚未沸騰的液體，稱為液相區。汽相線以

4、上代表過熱蒸汽區。被兩曲線包圍的部分為汽液共存區。沸點組成圖 在恒定總壓下，組成為x，溫度為t1（圖中的點A）的混合液升溫至t2(點J)時，溶液開始沸騰，產生第一個汽泡，相應的溫度t2稱為泡點，產生的第一個氣泡組成為y1(點C)。同樣，組成為y、溫度為t4（點B）的過熱蒸汽冷卻至溫度t3（點H）時，混合氣體開始冷凝產生第一滴液滴，相應的溫度t3稱為露點，凝結出第一個液滴的組成為x1(點Q)。F、E兩點為純苯和純甲苯的沸點。 氣液相平衡圖 y x圖表示在恒定的外壓下，蒸氣組成y和與之相平衡的液相組成x之間的關系。圖2是101.3 kPa 的總壓下，苯甲苯混合物系的y x圖，它表示不同溫度下互成平

5、衡的汽液兩相組成y與x的關系。圖中任意點D表示組成為x1的液相與組成為y1的氣相互相平衡。 沸點沸點-組成圖組成圖（txy圖圖)兩條線：氣相線（露點線）兩條線：氣相線（露點線） yAt 關系曲線關系曲線 液相線（泡點線）液相線（泡點線） xAt 關系曲線關系曲線三個區域：液相區三個區域：液相區 氣、液共存區氣、液共存區 氣相區氣相區氣液平衡圖氣液平衡圖xy圖圖 對角線對角線 y=x 為輔助為輔助線線； xy曲線上各點具有曲線上各點具有不同的溫度；不同的溫度； 對于大多數溶液，對于大多數溶液，平衡時平衡時yx ，故平衡曲線，故平衡曲線在對角線的上方；在對角線的上方； 平衡線離對角線越遠，平衡線離

6、對角線越遠，揮發性差異越大，物系揮發性差異越大，物系越易分離。越易分離。 壓力壓力對對txy圖及圖及xy圖的影響圖的影響壓力增加，平衡線靠近對角線，分離難度加大。壓力增加，平衡線靠近對角線，分離難度加大。123ppp 正偏差溶液：正偏差溶液：x=0.894，最低恒沸點，最低恒沸點，78.15乙醇水溶液相圖乙醇水溶液相圖非理想溶液的氣液相平衡關系非理想溶液的氣液相平衡關系1.具有正偏差的溶液具有正偏差的溶液硝酸水溶液相圖硝酸水溶液相圖負偏差溶液：負偏差溶液：x=0.383，最高恒沸點，最高恒沸點，121.92. 具有負偏差的溶液具有負偏差的溶液揮發度與相對揮發度揮發度與相對揮發度pA、 pB汽液

7、平衡時，組分汽液平衡時，組分A,B在氣相中的分壓；在氣相中的分壓； xA、xB汽液平衡時，組分汽液平衡時，組分A,B在液相中的摩爾分數。在液相中的摩爾分數。 BBBAAA ,xpxp 混合液某組分揮發度混合液某組分揮發度: :1. 1. 揮發度揮發度意義：是該物質意義：是該物質揮發難易程度揮發難易程度的標志的標志。定義：氣相中某一組分的蒸汽分壓和與之平衡的液定義：氣相中某一組分的蒸汽分壓和與之平衡的液相中的該組分摩爾分數之比，用符號相中的該組分摩爾分數之比，用符號 表示表示。 理想溶液：理想溶液：0BB0BBB0AA0AAABBAApxxpxppxxpxp BBAABAxpxp 理想溶液：理想

8、溶液：BABABBAAxxyyxyxyxPyxPyxpxpBBAABBAA 一般溶液：一般溶液：2. 相對揮發度相對揮發度(以以 表示表示) 定義：溶液中兩組分揮發度之比定義：溶液中兩組分揮發度之比。 對于二元理想溶液對于二元理想溶液 ：yB=1-yA xB=1-xA即即xxy)1(1 相平衡方程相平衡方程0B0App 理想溶液：理想溶液：xxyy 11 則3. 3. 平均相對揮發度平均相對揮發度釜釜 頂m式中式中頂頂塔頂的相對揮發度塔頂的相對揮發度釜釜塔釜的相對揮發度塔釜的相對揮發度4 4.的物理意義的物理意義 氣相中兩組分組成之比是液相中兩組分組成之氣相中兩組分組成之比是液相中兩組分組成之

9、 比的倍數；比的倍數； 標志著分離的難易程度標志著分離的難易程度； 若若1,則則 yx ,可用蒸餾方法分離，且可用蒸餾方法分離，且愈大，愈大， x-y圖中平衡線愈遠離對角線，物系愈易分離；圖中平衡線愈遠離對角線，物系愈易分離； =1, =1, 無法用普通蒸餾方法分離。無法用普通蒸餾方法分離。 簡單蒸餾和平衡蒸餾簡單蒸餾和平衡蒸餾 1. 裝置裝置2. 特點特點:間歇非定態。間歇非定態。一次進料。一次進料。xD, xW不是一對平衡不是一對平衡組成。組成。適合于適合于 大的組分。大的組分。二、平衡蒸餾二、平衡蒸餾(又叫閃蒸又叫閃蒸)1. 流程流程2. 特點特點:一次進料，粗分一次進料，粗分xi, y

10、i是一對平衡是一對平衡組成組成W(液液)、xD( 氣氣)、y三、簡單蒸餾和平衡蒸餾的比較三、簡單蒸餾和平衡蒸餾的比較精餾原理精餾原理無回流的多次部分汽化和多次部分冷凝無回流的多次部分汽化和多次部分冷凝 缺點：缺點：1.1.收率低；收率低；2.2.設備重復量大，設備投資大；設備重復量大，設備投資大；3.3.能耗大，過程有相變。能耗大，過程有相變。問題：工業上如何實現？問題：工業上如何實現？有回流的多次部分汽化和多次部分冷凝有回流的多次部分汽化和多次部分冷凝 多次部分汽化和多次部分冷凝多次部分汽化和多次部分冷凝 精餾原理精餾原理通過多次部分氣化和多通過多次部分氣化和多次部分冷凝，最終可以次部分冷凝

11、，最終可以獲得幾乎純態的易揮發獲得幾乎純態的易揮發組分和難揮發組分，但組分和難揮發組分，但得到的氣相量和液相量得到的氣相量和液相量卻越來越少。卻越來越少。 精餾模型精餾模型進料板：進料板：原料液進入原料液進入的那層塔板的那層塔板。精餾段：精餾段：進料板以上的進料板以上的塔段塔段。提餾段：提餾段：進料板以下（包進料板以下（包括進料板）的塔段括進料板）的塔段。1.3.3 連續精餾裝置流程連續精餾裝置流程. . 連續精餾裝置連續精餾裝置2. 2. 塔板的作用塔板的作用 塔板提供了塔板提供了汽液汽液分離的場所；分離的場所；每一塊塔板是一每一塊塔板是一個個混合分離器；混合分離器；足夠多的板數足夠多的板數

12、可可使各組分使各組分較完全分較完全分離。離。特點：特點：3. 3. 精餾過程的回流精餾過程的回流 回流包括：回流包括：塔頂回流液塔頂回流液塔底回流汽塔底回流汽塔頂回流液塔頂回流液回流液回流液：在任意塔板上，上一塊塔板下來的液：在任意塔板上，上一塊塔板下來的液體，輕組分含量高，溫度低。體，輕組分含量高，溫度低。塔釜汽相回流塔釜汽相回流回流汽回流汽：任意塔板上，下一塊塔板上來的汽：任意塔板上，下一塊塔板上來的汽體，重組分含量高，溫度高；體，重組分含量高，溫度高；理論板的概念和恒摩爾流的假設理論板的概念和恒摩爾流的假設 假設假設（1） 兩組分的摩爾汽化潛熱相等；兩組分的摩爾汽化潛熱相等；（2）兩相接

13、觸因兩相溫度不同而交換的）兩相接觸因兩相溫度不同而交換的顯熱可忽略顯熱可忽略不計不計；（3）塔設備保溫良好，熱損失可以忽略不計。）塔設備保溫良好，熱損失可以忽略不計。 2. 恒摩爾流的假設恒摩爾流的假設1. 理論板的概念理論板的概念 精餾段，每層塔板上升的蒸汽摩爾流量都相等，提餾精餾段，每層塔板上升的蒸汽摩爾流量都相等，提餾段也一樣。段也一樣。即：即： V1=V2= V=常數常數 V1=V2= V=常數常數式中：式中：V 精餾段上升蒸汽的摩爾流量，精餾段上升蒸汽的摩爾流量，kmol/h; V提餾段上升蒸汽的摩爾流量，提餾段上升蒸汽的摩爾流量，kmol/h。 （下標（下標1、2表示自上而下的塔板

14、序號。）表示自上而下的塔板序號。）（1）恒摩爾汽化）恒摩爾汽化精餾段內，每層塔板下降的液體摩爾流量都相等，精餾段內，每層塔板下降的液體摩爾流量都相等，提餾段也一樣。提餾段也一樣。即：即： L1=L2= L=常數常數 L1=L2= L=常數常數式中式中L 精餾段下降液體的摩爾流量，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，提餾段下降液體的摩爾流量，kmol/h。（下標（下標1、2表示自上而下的塔板序號。）表示自上而下的塔板序號。） （2）恒摩爾液流）恒摩爾液流 WDFWxDxFxWDF塔頂采出率塔頂采出率WDWFxxxxFD 塔底采出率塔底采出率FDFW 1F, xFD

15、, xDW, xW全塔物料衡算全塔物料衡算F、D、Wkmol/hxF、xD、xW輕組分的摩爾分率輕組分的摩爾分率%100FDA FxDx 塔頂易揮發組分回收率塔頂易揮發組分回收率塔底難揮發組分回收率塔底難揮發組分回收率%100)1 ()1 (FWB xFxW 精餾段操作線方程精餾段操作線方程 Dn1nDxLxVyDLVDnDn1nxDLDxDLLxVDxVLy 11Dn1n RxxRRy令令 回流比回流比 DLR 精餾段操作線方程精餾段操作線方程精餾段操作線精餾段操作線:當當R, D, xD為一定值時為一定值時,該操作線為一直線該操作線為一直線.斜率斜率:VLRR 1截距截距:1D Rxyx1

16、D RxxD操作線為過點（操作線為過點（xD， xD（yD）)操作線如圖所示：操作線如圖所示：提餾段操作線方程提餾段操作線方程 W1mmWxyVxLWVLwmwm1mxWLWxWLLxVWxVLy 提餾段操作線方程提餾段操作線方程xW 意義：提餾段意義：提餾段 ym1f（xm） 提餾段操作線為提餾段操作線為 過點（過點（xW， xW（ yW ）VL 斜率：斜率：截距截距:VWxW-yxxD1D RxxFabq將將5000kg/h含乙醇含乙醇0.4（摩爾分數，下同）和水（摩爾分數，下同）和水0.6的混合液在常壓連續精餾塔中分離。要求餾的混合液在常壓連續精餾塔中分離。要求餾出液含乙醇出液含乙醇0.

17、85，釜液含乙醇不高于，釜液含乙醇不高于0.02，求，求餾出液，釜液的流量及塔頂易揮發組分的回收餾出液，釜液的流量及塔頂易揮發組分的回收率和采出率。率和采出率。練習：練習：問題：問題：1、簡單蒸餾和平衡蒸餾的比較、簡單蒸餾和平衡蒸餾的比較作用？作用？塔頂回流液塔頂回流液塔底回流汽塔底回流汽2 2、回流包括：回流包括：3. 理論板的概念理論板的概念4. 恒摩爾流的假設的前提？恒摩爾流的假設的前提？1.4.4 進料熱狀況的影響進料熱狀況的影響(1) (1) 冷液冷液 tFts (2) (2) 飽和液體（泡點進料）飽和液體（泡點進料）tFts (3) (3) 氣液混合氣液混合 tstFtd FLVL

18、V冷液進料冷液進料泡點進料泡點進料FLL VV FLLVV FLVLVFqF(1-q)FLVLV汽液混合進料汽液混合進料FqVV)1( qFLL FLVLV過熱蒸汽進料過熱蒸汽進料LL FVV FLVLV飽和蒸汽進料飽和蒸汽進料FVV LL 1. 1. 加料板的物料衡算加料板的物料衡算F IF +L IL +V IV=VIV+LIL 物料恒算：物料恒算：F+V+L=V+L 即即V-V=F-(L-L)2. 2. 熱量衡算熱量衡算加料板加料板FF, xF, IFL ILV IVL ILV IV式中式中 IV，IV IL，IL 分別為進料板上、下飽和蒸汽和飽和分別為進料板上、下飽和蒸汽和飽和液體的摩

19、爾焓液體的摩爾焓k kJ/kmol；IV IVIL IL假設假設上式化簡后：上式化簡后：q q進料熱狀況參數進料熱狀況參數汽汽化化潛潛熱熱原原料料的的熱熱量量進進料料變變為為飽飽和和蒸蒸汽汽所所需需將將令令kmolkmol1IIIILVFV q由于加料板附近塔板的溫度，液相組由于加料板附近塔板的溫度，液相組成相近。成相近。LVFVIIIIFLL )()()(FVLVIIFIILL 即：即：1kmol1kmol原料由飽和液體變為飽和蒸汽所需熱量原料由飽和液體變為飽和蒸汽所需熱量 FqVVqFLL)1(所以：所以：將精餾段與提餾段關聯起來將精餾段與提餾段關聯起來其中飽和液體所占分率為其中飽和液體所占分率為 q，飽和蒸汽所占分率為，飽和蒸汽所占分率為（1q）。 10 液液相相分分率率在在數數值值上上等等于于原原料料液液的的，若若qq q值的計算式值的計算式:rttCrqFsP)( r:進料的平均氣化潛熱，進料的平均氣化潛熱，KJ/kmol； ts:進料泡點溫度進料泡點溫度CP:進料的平均比熱，進料的平均比熱， KJ/（kmol. ）；）；tF:進料溫度進料溫度1.4.5 進料方程（進料方程（q線方程）線方程） WDWxxLyVDxLxVyFqVV)1( qFLL 11F qxxqqyq q 線方程或進料方程線方程或進料方