1、1 第三講蒸餾原理 2 蒸餾原理課程目的 藉由此介紹 增進大家更能瞭解蒸餾原理 蒸餾塔設計及蒸餾塔結構及操作控制等 煉油廠內任一工場都有蒸餾塔裝置 用於分離各不同油品 塔槽之操作控制得宜 不僅影響油品品質 而且也影響操作成本 蒸氣及冷卻水用量等 3 蒸餾原理 蒸餾 蒸餾把多種成份的液體 分離成各種成份的一種方法 蒸餾是藉溶液被加熱沸騰 沸騰後有汽相和液相二成份 兩者組成不同 因而達到溶液之分離 溶液被加熱沸騰後 其蒸汽相中之成份 是沸點較低容易揮發的物質 而高沸點或不易揮發的物質留再液相裡 如LPG和汽油混合液加熱沸騰後 氣相中之成份為LPG 液相中的成分是汽油 桃廠DA 105和V 2005
2、分餾塔槽 4 蒸餾與蒸發之差異 蒸餾被分離之溶液 其所有成份均能氣化 只是汽化程度不相同 如氨水溶液 原油 LPG 汽油 航空燃油 柴油及燃料油 蒸發溶液經加熱 只有一組分能成蒸汽 而其他仍留存者 如食鹽溶液 海水 被加熱沸騰 水份蒸發分離 而最後剩餘食鹽 5 蒸餾原理根據 蒸餾 只是根據物理變化而分離 液體加熱汽化或氣體冷凝液化 組成並沒有牽涉到化學反應 化學變化 原理根據 勞氏定律和道爾頓定律利用各物質物理性質 蒸氣壓不同而分離 蒸氣壓高 揮發度高之物質容易先被分離 通常蒸氣壓高物質 其揮發度也高 但是沸點低 容易被加熱而沸騰 6 典型之蒸餾裝置 BubblePoint 冷卻水 V Dew
3、Point BubblePoint 進料 分餾塔 底部成品 頂部成品 迴流泵 再沸器 蒸汽 空氣冷卻器 迴流槽 水冷卻器 7 勞氏定律 Raoult定律 Raoult定律混合溶液中某一成分之平衡蒸氣分壓 Pa 為該成分在混合液中之莫耳分率 mole Xa 與在同一溫度下該成分純液態時之蒸氣壓 Pao 之乘積Pa Xa Pao適用範圍 只適合理想氣體及理想溶液混合體之均衡溶液之組t成 其各成分化學性質類似 且分子間不起作用 例如丙烷 C3H6 與丁烷 C4H10 具相似化學結構與物理性質 8 石油工業之油品分離應用 煉油廠之油品乃是多成分之混合物 雖組成較複雜 但是典型的化學結構及物理性質相似
4、因此適用Raoult定律 一油品混合物 因化學結構及物理性質相似 雖在溫度及成分變化相當大之範圍內 其相對揮發度不變 如汽油沸點範圍從60 180 9 道爾頓定律 道爾頓定律 密閉系統中之混合氣體 系統總壓力為各組成分壓力之和 P total Pa Pb Pc 密閉系統中混合氣體 某一成分之莫耳分率Ya mole 為該成分之蒸汽分壓 Pa 除總壓力 P Ya Pa P total Pa Ya P total 混合氣 VaporYa mole P 混合液Xa 密閉系統 10 勞氏定律與道爾頓定律之應用 含A B兩成分之混合液 其中A之沸點較低 亦即其 A成分 蒸汽壓較大 故Pao PboP to
5、tal Pa Pb Xa Pao Xb Pbo1 當Pao Pbo 表A成分容易被蒸餾出來2 當Pao Pbo之值愈大 表兩成分 A B 在純液態時之蒸氣壓差較大 容易被分離 3 當Pao Pbo 表氣相之組成和液相組成相同 無法利用蒸餾分離 V L 11 物質之蒸汽壓 12 物質之蒸汽壓與溫度之關係 蒸汽壓Psia LogScale Temperature 100150200250non linearscale 100010010 Pentane Butane Propane Pao 物質之蒸氣壓VaporPressue與系統壓力無關 只與溫度有關 13 175 100 己烷 系統總壓 蒸氣
6、壓 分壓力 系統總壓 TotalPressure 蒸氣壓 VaporPressue 分壓力 PartialPressure 瓶內之總壓為13 5psi己烷蒸氣壓20 6psia庚烷蒸氣壓8 8psia己烷分壓力為12 4psia庚烷分壓力為1 1psia 三個密閉鋼瓶 175 60 己烷40 庚烷 瓶內之總壓為20 6psi 己烷蒸氣壓 己烷分壓力 175 100 庚烷 瓶內之總壓為8 8psia 庚烷蒸氣壓 庚烷分壓力 14 如何計算分壓力與氣相組成 Liquid己烷50mole 庚烷50mole Vapor己烷 庚烷系統溫度175 計算 利用RoultLaw及液相組成mole 求此系統己烷
7、 庚烷之分壓力及系統總壓 Pa Xa Pao己烷分壓力 0 5 20 6 10 3psia庚烷分壓力 0 5 8 8 4 4psia系統總壓 10 3 4 4 14 7psia系統總壓等於液體中各成分所施出分壓力的總和利用道爾頓定率及己烷 庚烷之分壓力及系統總壓求此系統50 50己烷 庚烷混合物之蒸氣組成 Ya Pa P total 己烷蒸氣組成mole 10 3 14 7 70 庚烷蒸氣組成mole 4 4 14 7 30 175 己烷之蒸汽壓Pao 20 6psia175 庚烷之蒸汽壓Pao 8 8psia 15 T庚烷 兩成分之平衡曲線 沸點 組成平衡圖 VaporPhase Liqui
8、dPhase T1 T2 100 己烷0 庚烷 0 己烷100 庚烷 50 己烷50 庚烷 70 己烷30 庚烷 曲線I 曲線II T己烷 DewPoint100 Vapor BubblePoint100 Liquid 20 己烷80 庚烷 B A C D 16 T庚烷 兩成分之平衡曲線 己烷 庚烷混合氣VaporPhase 己烷與庚烷混合液LiquidPhase T1 T2 100 己烷0 庚烷 0 己烷100 庚烷 50 己烷50 庚烷 70 己烷30 庚烷 曲線I 曲線II T己烷 DewPoint100 Vapor BubblePoint100 Liquid 同一組成之DewPoint
9、溫度比BubblePoint溫度高如 50 己烷 50 庚烷 同一溫度下 T1 之平衡狀態線DewPoint之組成如B點 50 己烷 50 庚烷 為平衡氣相組成 而A點為平衡時的液相組成 20 己烷80 庚烷 C A B BubblePoint100 Liquid DewPoint100 Vapor BubblePoint100 Liquid 17 平衡曲線之意義 曲線I 表沸騰時蒸汽之成分 DewPoint 曲線II 表沸騰時液體之成分 BubblePoint 曲線I以上面積 表示該混合液已全變為蒸汽曲線II以下面積 表示該混合液全為液體兩曲線之間之面積 表示該混合液一部分為蒸氣 一部分為仍
10、為液體正在沸騰期中 相互成平衡狀態 18 BubblePoint DewPoint於蒸餾塔之應用 BubblePoint V DewPoint 露點 BubblePoint 氣泡點 L 溫度 BubblePoint DewPoint 溫度 V L V1 進料 19 蒸餾塔中每一板上平衡蒸氣與平衡液體之關係 若已知某板上之液體成分 則其平衡蒸氣之成分可由各成分之蒸氣壓 Pao 或相對揮發度計算Xa 液體組成Ya 蒸氣相組成Ya Xa Pao Liquid液體Xa Vapor氣相Ya V L 20 例題1 分塔餾塔塔底系統壓力之計算 已知組成及溫度 20 Propane40 Butane40 Pe
11、ntane Feed 已知條件ComponentVaporPressureat150 PropaneC3330PsiaButaneC4105PsiaPentaneC535Psia L 21 例題1 計算提示 1 先計算Propane Butane Pentane在此塔槽底部之各別分壓 Rault sLaw 2 將1所計算之分壓合計即為此塔槽底部系統之總壓 Ptotal Pa Pb Pc 3 將1及2所計算分壓和總壓即可得塔槽底部蒸氣相之組成 Ya Pa Ptotal 22 例題1 解答 分壓計算 利用RaultLaw Pa Xa PaO1 Propane分壓 20 330psia 66psia
12、2 Butane分壓 40 105psia 42psia3 Pentane分壓 40 35psia 14psia總壓計算 66 42 14 122psia與此平衡之氣相組成計算 Ya Pa P 100Propane 66 122 100 54 Butane 42 12 100 34 Pentane 14 122 100 12 23 例題1 解答 續 系統壓力 122Psia Propane分壓 66psiaButane分壓 42psiaPentane分壓 14psia 平衡時氣相組成 Propane 54 Butane34 Pentane12 平衡時液相組成 Propane20 Butane4
13、0 Pentane40 進料 L 24 揮發度 相對揮發度 定義 某物質在氣相中之平衡蒸氣分壓 Pa 與其在液相中之Mole Xa 之商稱為該物質之揮發度 Example a b兩成分混合液中a成分之揮發度 Va Va Pa Xab成分之揮發度 Vb Vb Pb Xb相對揮發度 Rab 兩成分揮發度之比Rab Va Vb Pao Pbo 25 如混合液為理想溶液 代入勞氏定率Rab Va Vb 由此可知蒸氣壓大之物質其揮發度大當Rab 1 a b兩物質無法分離當Rab大於1 Rab愈大愈容易分離 愈小愈難分離 揮發度 蒸氣壓之關係 26 蒸餾種類 1 不用迴流之蒸餾 1 微分蒸餾 2 平衡蒸餾
14、2 部分冷凝 3 應用迴流之蒸餾 精餾 分餾 4 特種蒸餾法真空蒸餾汽提蒸餾共沸蒸餾萃取蒸餾 27 不用迴流之蒸餾 微分蒸餾 又稱簡單蒸餾 將沸騰之蒸汽立即移出 如實驗室之蒸餾法平衡蒸餾 又稱驟餾蒸餾 蒸汽相並不立即移出 持續加熱直至氣液達平衡 再送一空槽分離 v L V L 加熱爐 熱交換器 氣液分離槽 28 部分冷凝法 利用冷凝法將蒸餾所得之蒸氣 徐徐冷凝 高沸點物質先冷凝 低沸點再前進 用較低溫冷卻物質再做第二階段的冷凝而得以分離 V 液態高沸點物質 液態低沸點物質 不被冷凝氣體 氣體 進料 29 應用迴流之蒸餾 精餾或分餾 BubblePoint 冷卻水 V DewPoint Bubb
15、lePoint 進料 分餾塔 底部成品 頂部成品 迴流泵 再沸器 蒸汽 冷卻器 迴流槽 30 特種蒸餾法 真空蒸餾法 真空蒸餾法 應用於高溫易裂解之物質 在某真空度下蒸餾 物質之沸點降低 物質不裂解 又達到蒸餾分離的目的 原油在溫度371 就會裂解 1Atm 760mmHg 29 92 Hg730mmHg真空度 760 730 30mmHg 壓力 30mmHg 壓力 15mmHg 重油 桃廠3100區真空蒸餾塔 31 特種蒸餾法 氣提蒸餾法 氣提蒸餾 也是應用於高溫易裂解之物質 將惰性氣體或水蒸氣加入分餾塔中 利用道耳頓分壓原理 這些氣體分攤部分總壓力 而使高溫物質之分壓力減少 因此降低此物質
16、之沸點 如水蒸汽蒸餾水蒸汽蒸餾 乙苯氨0 412mole 水2 78mole混合液在1大氣壓下之沸點為99 15 乙苯氨之分壓為0 4psia 沸點為99 15 水之分壓為14 3psia 沸點為99 15 純乙苯氨於1大氣壓下 14 7psia 之沸點為204 水之沸點100 32 共沸物之蒸餾 AzeotropicDistillation 共沸混合物 其有一液相與另一汽相成均衡者 液相與氣相組成相同 稱均勻共沸混合物 如95 67 酒精 95 67 酒精 4 33 H2O 大氣壓下之沸點為78 15 100 溫度 成份 100 H2O0 酒精 0 H2O100 酒精 78 32 78 15
17、 4 33 H2O95 67 酒精 33 萃取蒸餾 ExtractiveDistillation 萃取蒸餾 若兩種液體沸點相差很小 利用一般蒸餾方法不易達到分離目的 因而加入第三種液體 以改變平衡關係 而達到分離之目的 如95 酒精之水溶液共沸混合液 加入苯使水與酒精形成一新共沸物 沸點 64 85 4 33 H2O95 67 酒精 Extra苯 99 8 酒精沸點 78 32 7 4 H2O18 5 酒精 74 1 苯沸點 64 85 萃取蒸餾 34 例題2 一 請計算LPG 液化石油氣 儲槽在溫度38 時槽內系統壓力 P 及平衡時槽內氣相各組成之摩耳濃度 mole LPG 38 LPG液相
18、組成與各組成之蒸氣壓 38 組成mole VaporPressureC3H8 丙烷 34 10190psianC4H10 正丁烷 22 0351 6psiaiC4H10 異丁烷 43 6272 2psianC5H12 正戊烷 0 2515 57psia LPG球槽 Vapor Liquid P 35 例題2 解答 槽內系統壓力 P 為各組成所擁有之分壓的總和 P Pa Pb Pc Pd Pa Xa Pao丙烷 34 10 190 64 8psia正丁烷 22 03 51 6 11 4psia異丁烷 43 62 72 2 31 5psia正戊烷 0 25 15 57 0 04psia槽內系統壓力
19、 P 64 8 11 4 31 5 0 04 107 74psia 36 例題2 解答 續 平衡時槽內氣相各組成之摩耳分率 mole 為各成分之分壓除以系統總壓 如Ya Pa P丙烷 64 8 107 74 60 14 正丁烷 11 4 107 74 10 58 異丁烷 31 5 107 74 29 24 正戊烷 0 04 107 74 0 04 37 例題2 解答 續 一 儲槽在溫度38 槽內系統壓力 P 107 74psia 93 04psig 6 5kg cm2G LPG 38 LPG液相組成組成mole C3H8 丙烷 34 10nC4H10 正丁烷 22 03iC4H10 異丁烷 4
20、3 62nC5H12 正戊烷 0 25 LPG球槽 Vapor Liquid P LPG氣相組成組成mole C3H8 丙烷 60 14nC4H10 正丁烷 10 58iC4H10 異丁烷 29 24nC5H12 正戊烷 0 04 38 例題3 請計算儲槽內溫度110 5 DewPoint 槽內系統壓力為1 2atm時 儲槽內含正己烷33 正庚烷37 及正辛烷30mole 混合氣 求平衡時槽內液相各組成之摩耳濃度 mole 油氣混合氣組成與各組成之蒸氣壓 110 5 條件如下 組成mole VaporPressure正己烷 333 04atm正庚烷 371 40atm正辛烷 300 65atm
21、 1atm 14 7psia 油槽 39 例題3 解答 續 平衡時槽內液相各組成之摩耳分率 mole 為各成分之分壓 Pa 除以各成分之蒸氣壓 Pao 如Xa Pa Pao1 由各成分之氣相組成 mole 及系統總壓先求各成分之分壓 Pa P Ya正己烷分壓 1 2 0 33 0 396atm正庚烷分壓 1 2 0 37 0 444atm正辛烷分壓 1 2 0 30 0 36atm2 由上各成分之分壓及各成分之蒸氣壓求平衡時各成分之液相組成 Xa Pa Pao正己烷液相組成 0 396 3 04 100 13mole 正庚烷液相組成 0 444 1 40 100 31 7mole 正辛烷液相組
22、成 0 36 0 658100 55 3mole 40 例題3 解答 續 3 儲槽在溫度110 5 槽內系統壓力P 1 2atm下平衡時液相組成如下 油品液相組成 計算得 正己烷 13 0mole 正庚烷 31 7mole 正辛烷 55 3mole 油槽 油品氣相組成 已知 正己烷 10 58mole 正庚烷 29 24mole 正辛烷 0 04mole DewPoint 110 5 A A B B temp 組成 BubblePoint 41 例題4 已知塔底成品組成及溫度 求此塔底系統壓力及平衡蒸氣組成 mole C2H62 03C3H830 78iC4H821 34nC4H1045 41
23、iC5H120 40nC5H120 04 去乙烷塔 BubblePoint110 已知VaporPressureC2H61500psiaC3H8740psiaiC4H8340psianC4H10270psiaiC5H12124psianC5H12108psia 42 例題4 解答 續 1 塔底系統壓力計算 平衡時塔槽底部系統總壓為各成分之分壓總和 而各成分之分壓Pa為液相各組成之摩耳分率 mole 乘以各成分之蒸氣壓 Pao 如Pa Xa Pa先求各成分之分壓 Pa Xa PaoC2H6 2 03 1500psia 30 5psiaC3H8 30 78 740 227 8psiaiC4H10
24、21 34 340psia 72 6psianC4H10 45 41 270psia 122 6psiaiC5H12 0 40 124psia 0 5psianC5H12 0 04 108psia 0 04psia再求總壓 各分壓之和 30 5 227 8 72 6 122 6 0 5 0 04 454 04psia 43 例題4 解答 續 2 塔底平衡蒸氣之組成計算 平衡時塔底蒸氣組成為各成分之分壓 Pa 除以各成分之蒸氣壓 Pao 蒸氣之組成答案如下 C2H6 30 5 1500 100 2 03 C3H8 227 8 740 100 30 78 iC4H10 72 6 340 100 21 34 nC4H10 122 6 270 100 45 41 iC5H12 0 5 124 100 0 40 nC5H12 0 04 108 100 0 04
