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1、传质与分离工程(化工原理（下）)2本章主要内容本章主要内容1.1.二元理想体系气液相平衡；蒸馏的基本原理。二元理想体系气液相平衡；蒸馏的基本原理。2.2.常用的蒸馏方法；精馏的流程。常用的蒸馏方法；精馏的流程。3.3.二元连续精馏的物料及热量计算；操作变量二元连续精馏的物料及热量计算；操作变量对精馏的影响；精馏操作的优化。对精馏的影响；精馏操作的优化。4.4.特殊精馏及其流程。特殊精馏及其流程。5.5.选择适宜设计变量或操作参数，进行精馏塔选择适宜设计变量或操作参数，进行精馏塔设计。设计。第一章第一章精馏精馏distillationdistillation3第一章第一章 精馏精馏Distill
2、ationDistillation通过本章的学习，了解工业生产中的精馏操作目的、原理及实施方法。掌握双组份溶液的气液相平衡。了解简单蒸馏和平衡蒸馏。掌握精馏过程的原理及流程、二元连续精馏的设计型计算。掌握操作型问题的讨论。掌握特殊精馏的应用场合及特点。掌握板式塔的结构性能及设计型计算。学习目的与学习目的与要求要求4概概述述一、什么是蒸馏、精馏一、什么是蒸馏、精馏5概概述述一、什么是蒸馏、精馏一、什么是蒸馏、精馏油田开采出油田开采出来的是原油来的是原油，如何将原，如何将原油加工成汽油加工成汽油、煤油、油、煤油、柴油、重油柴油、重油呢？呢？6概概述述二、精馏的工业应用二、精馏的工业应用 精馏广泛应
3、用于石油、化工、轻精馏广泛应用于石油、化工、轻工等工业生产中，是液体混合物工等工业生产中，是液体混合物分离中首选分离方法。分离中首选分离方法。石油工业、酒精工业、焦油分离。石油工业、酒精工业、焦油分离。基本有机合成。基本有机合成。空气分离（氧气、氮气的制备）。空气分离（氧气、氮气的制备）。精馏是传质过程中最重要的单元精馏是传质过程中最重要的单元操作之一。操作之一。7液体均具有一定的挥发性液体均具有一定的挥发性volatility。蒸馏原理是利用混合液中各组分在热能驱动下，具有蒸馏原理是利用混合液中各组分在热能驱动下，具有不同的不同的挥发能力挥发能力，使得各组分在气液两相中的组成之比发生改变，使
4、得各组分在气液两相中的组成之比发生改变，即易挥发组分（即易挥发组分（Volatile componentVolatile component轻组分）在气相中增浓，轻组分）在气相中增浓，难挥发组分难挥发组分Nonvolatile componentNonvolatile component（重组分）在液相中得（重组分）在液相中得到浓缩。其过程如图所示。到浓缩。其过程如图所示。三、蒸馏原理三、蒸馏原理8加热苯（沸点加热苯（沸点80.2）和甲苯（沸点）和甲苯（沸点110.4）的混）的混合物时，苯挥发度较甲苯高，故苯较甲苯易从液相合物时，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
5、部冷凝，即可得到中汽化出来。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。最终可以在汽相中得过程，即可将苯和甲苯分离。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。这就是发组分。这就是精馏精馏(rectification)。9四、四、蒸馏过程的分类蒸馏过程的分类蒸馏过程分类有多种方式，可按蒸馏方式、连续性、以及组分蒸馏过程分类有多种方式，可按蒸馏方式、连续性、以及组分数多少等进行分类。数多少等进行分类。按按操作方式操作方式：简单
6、蒸馏：简单蒸馏Simple distillationSimple distillation、平衡蒸馏、平衡蒸馏b balanced distillationalanced distillation、精馏、特殊精馏等。、精馏、特殊精馏等。10四、四、蒸馏过程的分类蒸馏过程的分类操作压力：操作压力：常压蒸馏常压蒸馏真空蒸馏：沸点较高，热敏性物系真空蒸馏：沸点较高，热敏性物系加压蒸馏：沸点较低，常压为气态混合物加压蒸馏：沸点较低，常压为气态混合物11应用热力学基本理论表达体系的热力学性质的应用热力学基本理论表达体系的热力学性质的相互关系、相相互关系、相平衡关系平衡关系。对过程进行对过程进行物料和热量
7、衡算物料和热量衡算，关联流入与流出的物流及能流，关联流入与流出的物流及能流之间关系及塔内级间物流、能流的关系，进而确定给定条件之间关系及塔内级间物流、能流的关系，进而确定给定条件下完成分离要求所需的理论板数，塔内物流流量、组成的分下完成分离要求所需的理论板数，塔内物流流量、组成的分布。布。通过严格的模拟计算还可获得温度、物流性质等分布，为精通过严格的模拟计算还可获得温度、物流性质等分布，为精馏塔设计提供工艺条件及数据。馏塔设计提供工艺条件及数据。五、研究基本方法五、研究基本方法1213第一节第一节 气液相平衡气液相平衡a.a.气液相平衡气液相平衡 GasGas-liquid equilibri
8、umliquid equilibrium图图 1.1.1 气、液平衡气、液平衡1.1.1 1.1.1 基本概念基本概念平衡时气液两相的组成之间的关系取决平衡时气液两相的组成之间的关系取决于体系的热力学性质，称为于体系的热力学性质，称为相平衡关系相平衡关系，是蒸馏过程的热力学基础和基本依据。是蒸馏过程的热力学基础和基本依据。蒸馏过程：蒸馏过程：气液两相间的传质过程。气液两相间的传质过程。蒸馏过程的极限：蒸馏过程的极限：气气液相平衡液相平衡。14达到相平衡时，溶液上方蒸汽的压力温度达到相平衡时，溶液上方蒸汽的压力温度p pi i0 0为为i i组分饱和蒸汽压，由安妥因组分饱和蒸汽压，由安妥因(An
9、tion)(Antion)公式求得：公式求得：iiiiCTBAp+=0lnC.C.体系的分类体系的分类气液平衡的分类，既和混合物所受的压力有关，又和构成气液平衡的分类，既和混合物所受的压力有关，又和构成此混合物的组分的化学结构相联系。此混合物的组分的化学结构相联系。b.b.饱和蒸汽压饱和蒸汽压Saturated vapor pressureSaturated vapor pressure1516（2 2）液相是理想溶液，气相也是理想溶液。）液相是理想溶液，气相也是理想溶液。(1)(1)气相是理想气体混合物，液相是理想溶液。气相是理想气体混合物，液相是理想溶液。只有在低压下和两种组分的分子结构十
10、分相近的溶液才比较接只有在低压下和两种组分的分子结构十分相近的溶液才比较接近于这样的体系。例如近于这样的体系。例如苯和甲苯苯和甲苯，以及，以及2 2个大气压（绝压）下的个大气压（绝压）下的轻烃混合物。轻烃混合物。（3 3）气相是理想气体或接近于理想气体的混合物，而液相是非）气相是理想气体或接近于理想气体的混合物，而液相是非理想溶液。理想溶液。在低压下的大部分体系都属于这一类，例如醇，醛，酮和水的在低压下的大部分体系都属于这一类，例如醇，醛，酮和水的体系等。体系等。（4 4）两相都是非理想溶液。）两相都是非理想溶液。在高压下的轻烃类，以及其他的化学结构不相同的物质所组成在高压下的轻烃类，以及其他
11、的化学结构不相同的物质所组成的体系，特别气相发生缔合等现象的体系，均属于这一类型。的体系，特别气相发生缔合等现象的体系，均属于这一类型。17（1 1）气液相平衡共存时的自由度）气液相平衡共存时的自由度Degrees of freedomDegrees of freedom1.1.2 1.1.2 二元组分理想体系二元组分理想体系Binary component ideal Binary component ideal systemsystem气液相平衡关系气液相平衡关系自由度自由度2 2个个，在，在t t，p p，y y，x x4 4个变量中，任意确定其中两个变个变量中，任意确定其中两个变量，物
12、系的状态即确定。量，物系的状态即确定。一般精馏在一般精馏在恒压恒压下操作，因此下操作，因此指定指定t t，则气液相组成，则气液相组成y y，x x均均为为t t的函数。的函数。FN22222F F自由度数；自由度数；N N独立组分数独立组分数相数；相数；2 2 温度、压力温度、压力18(2)(2)二元混合物相平衡方程（同温度下）二元混合物相平衡方程（同温度下）Ppyii=iiixpp0=泡点方程泡点方程露点方程露点方程1.1.2 1.1.2 二元组分理想体系气液相平衡关系二元组分理想体系气液相平衡关系气相符合道尔顿（气相符合道尔顿（DaltonDalton）分压定律）分压定律液相全浓度范围符合
13、拉乌尔液相全浓度范围符合拉乌尔(RaoultRaoult)定律定律19例例1.1.1 1.1.1 已知苯（已知苯（A A）和甲苯（）和甲苯（B B）的饱和蒸汽压可按）的饱和蒸汽压可按AntoineAntoine公式计算：公式计算：试求总压力为试求总压力为 101.3 kPa101.3 kPa下，苯一甲苯溶液在下，苯一甲苯溶液在100100时的汽、时的汽、液相平衡组成。该溶液为理想溶液。液相平衡组成。该溶液为理想溶液。36.525.27889.15ln0=TpA67.535.3096014.16ln0=TpB20例例1.1.1 1.1.1 解：解：将将t t100100373 K373 K代入上
14、述安妥因方程，可分别求得代入上述安妥因方程，可分别求得P PA A0 0=1344 mmHg=1344 mmHg179.2kPa179.2kPa；P PB B0 0554 mmHg554 mmHg73.86 kPa73.86 kPa又又P P101.3k Pa101.3k Pa，得两相组成，得两相组成x x，y y（摩尔分数）（摩尔分数）21例例1.1.2 1.1.2 已知双组分混合液中，苯（已知双组分混合液中，苯（A A）占）占 8080，甲苯占，甲苯占 2020（摩尔百分率）。试求常压下与该液相相平衡的汽相组成及（摩尔百分率）。试求常压下与该液相相平衡的汽相组成及温度。苯、甲苯的饱和蒸汽压
15、可按温度。苯、甲苯的饱和蒸汽压可按AntoineAntoine公式计算。公式计算。22例例1.1.21.1.2解：解：由已知由已知x x0.80.8，P P101.3kPa101.3kPa，汽相平衡组成可利用下式计算：，汽相平衡组成可利用下式计算：饱和蒸汽压和温度的关系已知，为求，需先确定温度饱和蒸汽压和温度的关系已知，为求，需先确定温度t t。因，因，故故此式可作为试差计算中所设温度是否正确的判据。此式可作为试差计算中所设温度是否正确的判据。假设假设t t8585，由上述安妥因方程可求得，由上述安妥因方程可求得P PA A0 0116.9kPa116.9kPa，P PB B0 045.8kP
16、a45.8kPa。重设重设t t84.584.5，重复上述计算，可得，重复上述计算，可得P PA A0 0115.2kPa115.2kPa，P PA A0 045kPa45kPa23a:a:冷液冷液b:b:饱和液体饱和液体Saturated liquidSaturated liquid，泡点，泡点c:c:汽液共存汽液共存VaporVapor-liquid coexistence liquid coexistence d d：饱和蒸汽：饱和蒸汽Saturated Saturated gasgas，露点露点e:e:过热蒸汽过热蒸汽superheated steamsuperheated steam
17、上曲线：饱和蒸汽线，露点线上曲线：饱和蒸汽线，露点线Dew point lineDew point line；（；（露点方程露点方程）下曲线：饱和液体线，泡点线下曲线：饱和液体线，泡点线Bubble point lineBubble point line，泡点方程泡点方程t t-x x-y y图还与压力有关。随压力提高，使泡点及露点温度升高，两相区缩小图还与压力有关。随压力提高，使泡点及露点温度升高，两相区缩小一、一、t t-x x-y y相图相图Phase DiagramsPhase Diagrams（不同温度互为平衡的两相组成关系）（不同温度互为平衡的两相组成关系）(3)(3)理想体系气液
18、相平衡关系图理想体系气液相平衡关系图24气液相平衡关系图举例气液相平衡关系图举例25二、气、液平衡曲线二、气、液平衡曲线(x(x-y y图图)不同温度下互为平衡的两相组成关系不同温度下互为平衡的两相组成关系将将t t-x x-y y图平衡组成关系直接影射图平衡组成关系直接影射到直角坐标到直角坐标x x-y y中，如图所示。或由中，如图所示。或由x x-y y平衡数据直接标绘在平衡数据直接标绘在x x-y y直接坐直接坐标系中标系中可将可将x x-y y平衡数据拟合成平衡关系平衡数据拟合成平衡关系经验表达式经验表达式y=f(x)y=f(x),26图是苯图是苯甲苯混合液的甲苯混合液的Y YX X图
19、，图中对角线（图，图中对角线（Y=XY=X）为参）为参考线。考线。达到平衡时，汽相中易挥发组分浓度总是大于液相的，所达到平衡时，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。（其平衡线位于对角线的上方。（一般用易挥发组分的浓度一般用易挥发组分的浓度表示体系的组成表示体系的组成）平衡线离对角线越远，表示该溶液越易分离。平衡线离对角线越远，表示该溶液越易分离。蒸馏中使用蒸馏中使用X XY Y图较图较T TY YX X图图更为方便。更为方便。27挥发度挥发度v v 表示某种纯物质在一定温度下蒸汽压大小，衡量组分挥发能力表示某种纯物质在一定温度下蒸汽压大小，衡量组分挥发能力的物理量。
20、的物理量。在一定条件下纯组分的挥发度：在一定条件下纯组分的挥发度：v vi i=p pi i0 0在混合物中在混合物中i i组分的挥发度组分的挥发度v vi i：相对挥发度相对挥发度在混合物中各组分间挥发能力的差异定义为相对挥发度。在混合物中各组分间挥发能力的差异定义为相对挥发度。BBiiBiiBx/px/pvv=三、理想体系气液相平衡关系三、理想体系气液相平衡关系28汽液平衡方程汽液平衡方程Vapor Vapor-liquid equilibrium equationliquid equilibrium equation：0B0ABAABppvv=对二元理想体系对二元理想体系：的影响因素：的
21、影响因素：理想体系的理想体系的仅与仅与温度有关，与组成无关温度有关，与组成无关的物理意义：的物理意义：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难易程度1,1,yx yx 可用普通蒸馏法分离可用普通蒸馏法分离=1=1y=x y=x 不能用普通蒸馏法分离不能用普通蒸馏法分离11yx yx 说明说明B B为轻组分为轻组分29由于体系内的组分在混合前后，分子作用不同导致溶液中各组由于体系内的组分在混合前后，分子作用不同导致溶液中各组分产生偏离拉乌尔定律。分产生偏离拉乌尔定律。（a）存在负偏差）存在负偏差分子间存在吸引力，分子间存在吸引力，活度系数活度系数r r 11，p pi i 11，p pi i p pi i0 0出现最高蒸汽压或最低恒沸点出现最高蒸汽压或最低恒沸点lowlowest constant boiling point est constant boiling point M M，1 1例如醛，酮和水的体系。例如醛，酮和水的体系。办公室地址：1515号楼134134 办公室电话：8711403387114033 电子邮件： QQQQ号：3342492533424925联系方式：