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化工原理(人民卫生出版)第七章, 是通过加热液体混和物造成气、液两相体系,利用混合物中各组分挥发度的差异而实现组分的分离与提纯的操作过程。
编辑于2024-04-29 14:16:25蒸馏
过程概述
是通过加热液体混和物造成气、液两相体系,利用混合物中各组分挥发度的差异而实现组分的分离与提纯的操作过程
双组分理想溶液的气液平衡
液相为理想溶液,平衡分压遵循拉乌尔定律 气相为理想气体,遵循道尔顿分压定律
拉乌尔定律
道尔顿分压定律
yA=pA*P
对理想溶液,则有相对挥发度a=PA*/PB*
气液平衡方程
已知一定温度下纯组分的饱和蒸汽压:
相对挥发度表示:Y=aX/1+(a-1)X
若a>1,表示组分A较B易挥发,a偏离1的程度越大,越容易分离
若a=1,不能用普通蒸馏方法加以分离,需采用特殊精馏或其他分离方法(萃取、结晶或膜分离
温度组成图(t-y-x)与气液平衡组成图(y-x)
t-y-x图
y-x图
利用y-x图可判断物系能否用普通精馏方法加以分离,以及分离的难易程度。
平衡线位于对角线的上方,表示该溶液可用精馏法进行分离。平衡线偏离对角线越远,溶液就越容易分离;若平衡线与对角线相交或相切,则溶液达到平衡时交点或切点处的两相组成完全相同,表明该溶液不能采用普通精馏法来同时获得两个纯净的 组分。
双组分非理想溶液的气液平衡
具有正偏差的非理想溶液
无恒沸点的溶液
对拉乌尔定律的偏差不太大
有最低恒沸点的溶液
如常压下乙醇-水溶液
具有负偏差的非理想溶液
无恒沸点的溶液
对拉乌尔定律的偏差不太大
有最高恒沸点的溶液
如常压下硝酸-水溶液
单级蒸馏过程
简单蒸馏
是一种分批操作的过程。特点:间歇操作过程,非稳态过程,单级分离过程,无塔段
由于液体混合物仅进行一次部分汽化或冷凝,因而不能实现组分之间的完全分离,故仅适用于挥发度相差较大,以及分离要求不高的场合,或者作为初步加工,粗略分离多组分混合液
平衡蒸馏
又称闪蒸蒸馏,是一种连续、稳态过程,单级分离过程
操作时,原料液经泵连续输人加热器,加热至一定温度后经减压阀突然减压至规定压力,部分料液迅速汽化,产生气液两相,并在分离器中分开,易挥发组分浓度较高的气相从塔顶排出,经冷凝器冷凝为液体后作为塔顶产品,而易挥发组分浓度较低的液相流到分离器的底部作为塔底产品。
平衡蒸馏时的压力较低,溶液可在较低的温度下沸腾,且部分料液汽化所需的潜热来自于液体降温所放出的显热,因而无需另行加热。
精馏—多级蒸馏过程
经多次部分汽化和多次部分冷凝的过程,因此可以得到纯度很高的产品
操作的主体设备是精馏塔,它又分为板式塔和填料塔。塔顶液相回流和塔底上升蒸气流是精馏过程连续进行的必要条件。回流是精馏与普通蒸馏的本质区别。
有连续精馏和间歇精馏两种流程,主要区别是间歇精馏只有精馏段而无提馏段
气液两相的传质和传热
两组分连续精馏的计算
理论板应满足的条件:离开这种板的气、液两相组成互成平衡,温度相等,塔板上各处的液相组成均匀一致。
恒摩尔流假定
恒摩尔气流 指在精馏塔内,从精馏段或提馏段每层塔板上升的气相摩尔流量各自相等,但两段上升的气相摩尔流量不一定相等
恒摩尔液流 指在精馏塔内,从精馏段或提馏段每层塔板下降的液相摩尔流量各自相等,但两段下降的液相摩尔流量不一定相等。
成立的主要条件:混合物中各组分的摩尔汽化热相等,同时还应满足气液接触时因温度不同交换的显热可忽略;塔身保温良好,可忽略热损失。
1、总物料衡算F=D+W 易挥发组分物料衡算FxF=DxD+WxW 馏出液的采出率D/F=xF-xW/xD-xW 塔顶易挥发组分的回收率hA=DxD/FxF 塔底难挥发组分的回收率为hB=W(1-xW)/F(1-xF ) 2、回流比R=L/D n+1块塔板以上总物料衡算V=L+D VYn+1=LXn+DxD 精馏段操作线方程Yn+1=(R/R+1)Xn+xD/R+1 该式在y-x相图上为直线,其斜率为R/R+1,截距为xD/R+1. 3、同理得,提馏段操作线方程Y'm+1=(L'/V')x'm-(W/V')xW,(注:L'=V'+W) 引入q后, 提馏段操作线方程Y'm+1=[(L'+qF)/(V'+qF)]x'm-[W/(V'+qF)]xW 在图上为直线,其斜率为L'/L'-W,截距为-WxW/L'-W 精馏塔的进料热状况对L'及V'有影响,只影响提馏段操作线方程。
q称为近料热状况参数,q=Hv-HF/Hv-HL=将1mol进料变为饱和蒸气所需热量/原料液的摩尔汽化热 L'=L+qF V'=V-(1-q)F 进料热状况: (1)q>1,冷液进料,tF<tb, L'>L+F及V'>V (2)q=1,泡点(饱和液体)进料,tF=tb, L'=L+F及V'=V (3)0<q<1,气液混合物进料,tb<tF<td. L<L'<L+F及V'<V (4)q=0,露点(饱和蒸气)进料,tF=td, L'=L及V=V'+F (5)q<0,过热蒸汽进料,tF>td L'<L及V>V'+F q值的定义:即以1Kmol/h进料为基准,q值即提馏段中液相流量较精馏段中流量的增大值。
1、q线方程或进料方程:y=(q/q-1)x-xF/q-1代表两操作线交点轨迹的方程,过定点(xF,xF) 2、q值越大,进料温度越低,平衡线与操作线距离越远,所需的理论板层数越少。 3、对于指定的物系,影响理论板层数的直接因素有a、xF、q、R、XD及xW,与进料量F的大小无关。
若塔顶蒸气在冷凝器中全部冷凝为液体,则该冷凝器称为全凝器。若冷凝液在泡点温度下回流入塔,则称为泡点回流。若塔顶冷凝器仅将上升蒸气的一部分冷凝成液体,则称这种冷凝器为分凝器。全凝器不具有分离作用,而分凝器相当于一块理论板。
图解法求理论板数: 1、绘制平衡曲线和对角线 2、绘制精馏段操作线(xD,xD) 3、绘制q线 (xF,xF) 4、绘制提馏段操作线(xW,xW) 5、画直角梯级
联立气液平衡线方程y=ax/1+(a-1)x和q线方程,求出xp,yp 求得最小回流比 Rmin=xD-yp/yp-xp 泡点进料时,xp=xF 露点进料时,yp=yF
间歇精馏
又称分批精馏,为非定态过程。 间歇精馏塔只有精馏段而无提馏段。 两个基本操作方式:1、不断加大回流比来保持馏出液组成恒定; 2、回流比保持恒定,馏出液组成逐渐降低。
特殊蒸馏
恒沸精馏和萃取精馏都是在被分离溶液中加入第三组分以加大原溶液中各组分间挥发度的差别,从而使其易于分离,同时降低设备投资和操作费用。
水蒸气蒸馏是将含有挥发性成分的液体或固体与水一起加热,使挥发性成分随水蒸气 一并馏出,经冷凝提取挥发性成分的一种分离方法。该法适用于分离具有挥发性、能随水蒸气蒸馏而不被破坏、在水中稳定且难溶或不溶于水的组分。 水蒸气蒸馏是基于不互溶液体的独立蒸气压原理。若将水蒸气直接通入被分离物系,则当物系中各组分的蒸气分压与水蒸气的分压之和等于体系的总压时,体系便开始沸腾。水蒸气蒸馏时,体系的沸腾温度低于各组分的沸点温度,这是水蒸气蒸馏的突出优点。
分子蒸馏 一般需联用二级或二级以上的真空泵,并设置液氮冷阱以保护真空泵;不可逆过程;与各组分分子量有关;在任何温度下可进行
板式塔
板式塔的主要流体力学性能包括:气液接触状态(鼓泡、泡沫、喷射)、液泛、雾沫夹带、漏液。