1、北京石油化工学院化学工程基础第三章 精馏1/34幻灯片1目录迟姚玲迟姚玲化工学院化工系化工学院化工系化工楼化工楼3-312北京石油化工学院化学工程基础第三章 精馏2/34自我介绍自我介绍迟姚玲，1976-新疆石河子132团山东莱西人新疆大学化工系新疆大学化工学院石油大学（北京）化工学院北京石油化工学院化学工程基础第三章 精馏3/34幻灯片1目录3.1 传质分离过程传质分离过程3.2 双组分溶液的汽液相平衡双组分溶液的汽液相平衡3.3 平衡蒸馏和简单蒸馏平衡蒸馏和简单蒸馏3.4 双组分连续精馏的分析与计算双组分连续精馏的分析与计算3.5 间歇精馏间歇精馏 3.6 两组分精馏的操作型计算与操作两组
2、分精馏的操作型计算与操作3.7 特殊精馏特殊精馏北京石油化工学院化学工程基础第三章 精馏4/34北京石油化工学院化学工程基础第三章 精馏5/34第三章第三章 精馏精馏从含酒精不到从含酒精不到10度的发酵液度的发酵液38度和度和52度酒？度酒？北京石油化工学院化学工程基础第三章 精馏6/34第三章第三章 精馏精馏3.1 传质分离过程传质分离过程气相：气相：固体或液滴，如含尘气体固体或液滴，如含尘气体沉降、离心、高压电场沉降、离心、高压电场液相：液相：固体、气泡或不互溶液滴，如悬浮液、泡沫液和乳浊液固体、气泡或不互溶液滴，如悬浮液、泡沫液和乳浊液过滤、沉降、离心过滤、沉降、离心固相：固相：如矿物、
3、植物种子和湿晶体如矿物、植物种子和湿晶体浸取、磁选浸取、磁选非均相混合物：非均相混合物：各组分不是以分子状态互相均匀混合，有各组分不是以分子状态互相均匀混合，有些组分以粒状分散地混合，有明显界面。气、液、固些组分以粒状分散地混合，有明显界面。气、液、固3.1.1 混合物的类型、分离方法和分离目的混合物的类型、分离方法和分离目的 北京石油化工学院化学工程基础第三章 精馏7/34第三章第三章 精馏精馏3.1 传质分离过程传质分离过程气相：气相：如空气、天然气等如空气、天然气等吸收、吸附、膜分离吸收、吸附、膜分离液相：液相：如液体溶液如液体溶液精馏、萃取、膜分离、离子交换、蒸发和结晶等精馏、萃取、膜
4、分离、离子交换、蒸发和结晶等固相：固相：如固熔体、合金等如固熔体、合金等浸取、干燥等浸取、干燥等均相混合物：均相混合物：各个组分以分子状态互相均匀混合，界面？各个组分以分子状态互相均匀混合，界面？气、液、固气、液、固3.1.1 混合物的类型、分离方法和分离目的混合物的类型、分离方法和分离目的 北京石油化工学院化学工程基础第三章 精馏8/34第三章第三章 精馏精馏3.1.2 混合物组成的表示方法混合物组成的表示方法浓度：浓度：质量浓度：质量浓度：VmGAAVncAAMGcAAmmaAA1 BAaannxAA1 BAxx BBAAAAAMaMaMaxMMaxAAA1质量分数：质量分数：摩尔分数：摩
5、尔分数：北京石油化工学院化学工程基础第三章 精馏9/34第三章第三章 精馏精馏3.1.2 混合物组成的表示方法混合物组成的表示方法质量比：质量比：AnnXAA1气体摩尔气体摩尔分数：分数：摩尔比：摩尔比：AmmmXAAAaaXAA1AAAxxX1ppxAAAAApppX北京石油化工学院化学工程基础第三章 精馏10/34第三章第三章 精馏精馏3.1.3 精馏概述精馏概述v获得高纯度产品；获得高纯度产品；v获得粗馏分。获得粗馏分。例如：例如：在酿酒业中饮料酒；在酿酒业中饮料酒；在石油炼制工业中，原油经蒸馏后制取汽在石油炼制工业中，原油经蒸馏后制取汽油、煤油、柴油等产品；油、煤油、柴油等产品；利用液
6、体混合物中各组分利用液体混合物中各组分挥发性能的差异挥发性能的差异将液体混合将液体混合物加以分离的单元操作称为物加以分离的单元操作称为蒸蒸馏。一、什么是蒸馏？一、什么是蒸馏？二、蒸馏在工业生产中的应用二、蒸馏在工业生产中的应用 A B 溶液溶液（A+B）加热加热部分汽化易挥发组分易挥发组分难挥发组分难挥发组分北京石油化工学院化学工程基础第三章 精馏11/343.1 概述概述三、蒸馏的分类三、蒸馏的分类 1.根据混合溶液的组分数，可分为根据混合溶液的组分数，可分为二元蒸馏二元蒸馏多元蒸馏多元蒸馏2.根据操作过程是否连续，可分为根据操作过程是否连续，可分为连续蒸馏连续蒸馏间歇蒸馏间歇蒸馏3.根据操
7、作压力的高低，可分为根据操作压力的高低，可分为常压蒸馏常压蒸馏加压蒸馏加压蒸馏减压蒸馏减压蒸馏4.根据操作方式，可分为根据操作方式，可分为简单蒸馏简单蒸馏平衡蒸馏平衡蒸馏精馏精馏北京石油化工学院化学工程基础第三章 精馏12/34注意：注意：A、B、C的数值与体的数值与体系系P、T的单位相对的单位相对应，同一种物质，应，同一种物质，P、T的单位不同，的单位不同，A、B、C的数值也不同。的数值也不同。饱和蒸汽压：饱和蒸汽压：饱和蒸汽压的高低表明液体气化或蒸发能力的强弱饱和蒸汽压的高低表明液体气化或蒸发能力的强弱)(TPPoo纯组分饱和蒸汽压：阿托因方程阿托因方程CTBAPolg阿托因常数阿托因常数
8、温度温度在某一温度下，液体与其液面上的蒸汽呈平衡状在某一温度下，液体与其液面上的蒸汽呈平衡状态时，蒸汽所产生的压力称为态时，蒸汽所产生的压力称为饱和蒸汽压饱和蒸汽压。pA A pA0 xA A t 加热加热 理想物系的汽液相平衡理想物系的汽液相平衡 北京石油化工学院化学工程基础第三章 精馏13/342PCF气液平衡时的自由度气液平衡时的自由度 3.2 双组分溶液的汽液相平衡双组分溶液的汽液相平衡F：自由度，在不引起相变的条件下，可以变动的独立变量：自由度，在不引起相变的条件下，可以变动的独立变量的数目。（温度，压强和两相的组成）的数目。（温度，压强和两相的组成）北京石油化工学院化学工程基础第三
9、章 精馏14/34满满足足理理想想气气体体状状态态方方程程、道道尔尔顿顿分分压压定定律律PpyPpyppPBBAABA 理想物系的汽液相平衡理想物系的汽液相平衡 3.2 双组分溶液的汽液相平衡双组分溶液的汽液相平衡溶液中不同组分的分子间作用力和相同分子间作用力完全相溶液中不同组分的分子间作用力和相同分子间作用力完全相同的溶液为同的溶液为理想溶液理想溶液。不满足上述要求的溶液为不满足上述要求的溶液为非理想溶液。非理想溶液。理想溶液特点理想溶液特点：溶液中各组分的挥发性不受其它组分的影响。：溶液中各组分的挥发性不受其它组分的影响。北京石油化工学院化学工程基础第三章 精馏15/34在全部浓度范围内都
10、服从在全部浓度范围内都服从拉乌尔定律拉乌尔定律的溶液称为的溶液称为理想溶液理想溶液。只有物性和结构相似，且分子大小也相近的物系才符合拉乌尔定只有物性和结构相似，且分子大小也相近的物系才符合拉乌尔定律，如苯甲苯、甲醇乙醇、烃类同系物组成的溶液等等律，如苯甲苯、甲醇乙醇、烃类同系物组成的溶液等等 A pA0 A t 加热加热BBAoAAxpp 拉乌尔拉乌尔(Raoult)定律定律BoBBxpp A、B组分平衡分压溶液中A、B组分摩尔分率纯液体A或B饱和蒸汽压1.气液平衡关系的确定气液平衡关系的确定 二.理想物系的汽液相平衡理想物系的汽液相平衡 北京石油化工学院化学工程基础第三章 精馏16/34在在
11、一一定定的的压压力力下下 xft ygt?理想物系理想物系t-x（y）相平衡关系）相平衡关系)1(0000ABAABBAAxpxpxpxp000BABApppPx PxpPpyAAAA0 0000BABAApppPPpy 在在一一定定的的温温度度下下 xfpA xgpB BBBAAAxppxpp00理想物系理想物系拉乌尔拉乌尔定律定律BAppP理想体系，系统总压理想体系，系统总压 泡点方程泡点方程露点方程露点方程1.气液平衡关系的确定气液平衡关系的确定 北京石油化工学院化学工程基础第三章 精馏17/34例3-1求苯求苯(A)与甲苯与甲苯(B)体系在总压体系在总压101.3kPa下的气液下的气液
12、平衡关系。苯和甲苯的蒸气压与温度的关系可平衡关系。苯和甲苯的蒸气压与温度的关系可按阿托因方程：按阿托因方程：(式中式中t的单位为的单位为)237.22035.120602194.9lg0 tpA377.219943.134307824.9lg0 tpB1.气液平衡关系的确定气液平衡关系的确定 北京石油化工学院化学工程基础第三章 精馏18/34t/80.184889296100104108110.6poA/kPa101.3114128.4 144.1 161.3 180.0 200.2 222.4 237.7poB/kPa38.944.550.857.965.674.183.694.0101.3
13、oBoApp 和和不不同同温温度度下下的的t/80.184889296100104108110.6x10.817 0.651 0.504 0.373 0.257 0.152 0.0570y10.919 0.825 0.717 0.594 0.456 0.300 0.1250yx和和不不同同温温度度下下的的1.气液平衡关系的确定气液平衡关系的确定 000BABApppPx 0000BABAApppPPpy 北京石油化工学院化学工程基础第三章 精馏19/34 BBBAAAxppxpp002.气液平衡相图气液平衡相图 等温图等温图BAAoBBoBBAoAAppPxpxppxpp )1(二.理想物系的
14、汽液相平衡理想物系的汽液相平衡 纯组分A纯组分B北京石油化工学院化学工程基础第三章 精馏20/342.气液平衡相图气液平衡相图 等压图等压图000BABpppPx0000BABApppPPpy泡点方程泡点方程露点方程露点方程t/701101009080 x(y)0.20.60.40.81.00txty思考题思考题：1.1.在在t tx xy y相图中，为什相图中，为什么露点曲线在泡点曲线的么露点曲线在泡点曲线的上方？上方？2.2.如图所示，泡点线和露如图所示，泡点线和露点线将点线将t tx xy y相图分为相图分为三个区域，这三个区域有三个区域，这三个区域有什么不同？什么不同？泡点线 露点线t
15、-x-y图北京石油化工学院化学工程基础第三章 精馏21/34BtbAOefpDtDQp=101.33kPa气液两相气液两相共存区共存区气相区气相区液相区液相区 等压图等压图eppf气相量气相量液相量液相量杠杆原理：杠杆原理：轻重组分轻重组分得到一定得到一定程度分离程度分离北京石油化工学院化学工程基础第三章 精馏22/34 等压图等压图t-x-y相图小结：相图小结：1.t-x-y相图分为三个区域，即液相区、气相区和气液两相区，只有在气液两相共存区才有分离作用；只有在气液两相共存区才有分离作用；2.二元理想溶液与纯液体的不同有两点：a.二元混合物的沸点不是一个定值，而是一个范围，随着溶液中易（轻）
16、挥发组分含量的增加，沸点逐渐降低；b.在组成相同的情况下，液体开始沸腾的温度（泡点）与蒸气开始冷凝的温度（露点）不同。北京石油化工学院化学工程基础第三章 精馏23/342.气液平衡图气液平衡图 气液平衡组成图气液平衡组成图相平衡曲线相平衡曲线参考线参考线思考题：思考题：在在x xy y图上，图上，为什么相平衡曲线在为什么相平衡曲线在参考线上？参考线上？说明：说明：平衡曲线上任平衡曲线上任一点均对应一温度点，一点均对应一温度点，汽液相组成越高，对汽液相组成越高，对应温度越低。应温度越低。北京石油化工学院化学工程基础第三章 精馏24/34二.理想物系的汽液相平衡理想物系的汽液相平衡 3.相对挥发度
17、与气液平衡的关系相对挥发度与气液平衡的关系什么是挥发度？什么是挥发度？定义定义：把达到相平衡时某一组分在平衡气相中的分压与该组分在平衡液相中的浓度（摩尔分数）之比称为该组分的挥发度挥发度。AAAxpvBBBxpv挥发度表示该组分由液挥发度表示该组分由液相挥发到气相中的趋势。相挥发到气相中的趋势。oAApv oBBpv 理想溶液符合拉乌尔定律：理想溶液符合拉乌尔定律：AAAxpp0 BBBxpp0 存在问题：存在问题：溶液中各组分的挥发度随温度而变溶液中各组分的挥发度随温度而变北京石油化工学院化学工程基础第三章 精馏25/34溶液中易挥发组分的挥发度与难挥发组分的挥发度之比。溶液中易挥发组分的挥
18、发度与难挥发组分的挥发度之比。BAvv 相对挥发度相对挥发度什什么么是是相相对对挥挥发发度度？3.相对挥发度与气液平衡的关系相对挥发度与气液平衡的关系BBAAxpxp 理想溶液：理想溶液：AAAxpp0 BBBxpp0 00BApp 理想溶液：理想溶液：)1(000 xpxpxpyBAA )1(0000 xxppxppBABA 理理想想物物系系气气相相符符合合道道尔尔顿顿分分压压定定律律：PxpPpyAA0 )1(00 xpxpBA BAppP 对理想物系，相对挥发度与温度对理想物系，相对挥发度与温度关系不大，可近似认为与温度无关。关系不大，可近似认为与温度无关。北京石油化工学院化学工程基础第
19、三章 精馏26/34xxy)1(1 对理想物系，相对对理想物系，相对挥发度与温度关系挥发度与温度关系不大，可近似认为不大，可近似认为与温度无关。与温度无关。)1(xxxy 3.相对挥发度与气液平衡的关系相对挥发度与气液平衡的关系 表表 3.3 苯甲苯物系的相对挥发度随温度的变化关系苯甲苯物系的相对挥发度随温度的变化关系 t,0C 80.1 84 88 92 96 100 104 108 110.6 0ApmmHg 760 856 963 1081 1210 1350 1502 1668 1783 0BpmmHg 292 334 381 434 492 556 627 705 760 2.60
20、2.56 2.53 2.49 2.46 2.43 2.40 2.37 2.35 北京石油化工学院化学工程基础第三章 精馏27/34 y x 理想物系的理想物系的 y-x 相图相图xxy)1(1 xy yx y t,P,y A B t,x 溶液溶液（A+B）加热加热因为因为y x 说明：说明：（2）越远离越远离1，也就愈，也就愈有利于蒸馏操作有利于蒸馏操作-越大，相平衡曲线偏离对越大，相平衡曲线偏离对角线愈远，表示达到汽液角线愈远，表示达到汽液相平衡时汽、液两相组成相平衡时汽、液两相组成的差异愈大。的差异愈大。（1）相平衡曲线必落在对角）相平衡曲线必落在对角线的上方；线的上方；Why？3.相对挥
21、发度与气液平衡的关系相对挥发度与气液平衡的关系北京石油化工学院化学工程基础第三章 精馏28/34xxy)1(1 y x思思考考：若若=1 1，则则情情形形如如何何？xy ，不能用普通蒸不能用普通蒸馏方法分离提纯。馏方法分离提纯。3.相对挥发度与气液平衡的关系相对挥发度与气液平衡的关系北京石油化工学院化学工程基础第三章 精馏29/34 1正正偏偏差差溶溶液液 pA0 P pB0 0 xA（xB）1AAAxpp0，BBBxpp0 如如甲甲醇醇水水、乙乙醇醇水水、苯苯乙乙醇醇等等。负负偏偏差差溶溶液液正正偏偏差差溶溶液液三非理想溶液的汽液相平衡简介三非理想溶液的汽液相平衡简介3.2 双组分溶液的汽液
22、相平衡双组分溶液的汽液相平衡北京石油化工学院化学工程基础第三章 精馏30/3400.20.40.60.810 00.20.20.40.40.60.60.80.81 1y yx x 乙醇乙醇-水体系相图水体系相图M MxMxMP=101.3kPa有有最最低低恒恒沸沸物物 757580808585909095951001000 00.20.20.40.40.60.60.80.81 1t,Ct,Cx x乙醇乙醇-水体系温度水体系温度-组成图组成图P=101.3kPaMB AxMt-xt-y极大正偏差溶液：极大正偏差溶液：3.2 双组分溶液的汽液相平衡双组分溶液的汽液相平衡北京石油化工学院化学工程基础
23、第三章 精馏31/34AAAxpp0，BBBxpp0 如如硝硝酸酸水水、氯氯仿仿丙丙酮酮等等物物系系 pA0 P pB0 0 xA（xB）1 2负偏差溶液负偏差溶液3.2 双组分溶液的汽液相平衡双组分溶液的汽液相平衡北京石油化工学院化学工程基础第三章 精馏32/34t-yt-x极大负偏差溶液：有最高恒沸物有最高恒沸物t-y0 00.20.20.40.40.60.60.80.81 10 00.20.20.40.40.60.60.80.81 1yx 硝酸-水体系相图MxM MP=101.3kPa808090901001001101101201201301300 00.20.20.40.40.60.
24、60.80.81 1t,Ct,Cx x 硝酸-水体系温度-组成图P=101.3kPaMB AxM3.2 双组分溶液的汽液相平衡双组分溶液的汽液相平衡北京石油化工学院化学工程基础第三章 精馏33/34 表表 101.3kPa 下乙醇水物系的相对挥发度随组成的变化关系下乙醇水物系的相对挥发度随组成的变化关系 x 0.02 0.10 0.20 0.35 0.50 0.65 0.75 0.894 y 0.175 0.43 0.525 0.595 0.657 0.725 0.785 0.894 10.4 6.79 4.42 2.73 1.92 1.42 1.20 1.00 非理想物系的相平衡关系方程仍可用式非理想物系的相平衡关系方程仍可用式xxy)1(1 但但 通常不再是一个常数。通常不再是一个常数。3.2 双组分溶液的汽液相平衡双组分溶液的汽液相平衡对非理想物系，相对挥发度与温度密切相关。对非理想物系，相对挥发度与温度密切相关。北京石油化工学院化学工程基础第三章 精馏34/34xxy)1(1 3.2 双组分溶液的汽液相平衡双组分溶液的汽液相平衡000BABApppPx 0000BABAApppPPpy xyx)1(
