精馏 第一讲.

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1、第第 七七 章章 蒸馏蒸馏 第一节第一节 基本原理基本原理 乙醇和水 混合物 易挥发组分 ：沸点低的组分（轻组分） 难挥发组分 ：沸点高的组分（重组分） 乙醇和水 混合物 加热 汽相: 醇富集 液相: 水富集 冷凝 冷却 乙醇 产品 废水 目的目的：分离均相液体混合物，如乙醇水、苯甲苯等体系。 原理原理：利用液体混合物中各组分在一定温度下挥发度的差异。 应用：应用：（1）石油化工： (原油 汽油、煤油、柴油等）； （2）煤化工：（煤焦油分离）； （3）食品加工制药行业：（溶剂的回收）； （4） 空气的分离（氧气、氮气的制备）； 概述概述 (4) 分类 按组分数分类: 双组分蒸馏； 多组分蒸馏。

2、 按操作方式分类: 间歇蒸馏 简单蒸馏； 连续蒸馏 平衡蒸馏、精馏。 按操作压力分类： 常压蒸馏、减压蒸馏、加压蒸馏。 本章以双组分连续精馏为重点。 蒸馏过程：气液两相间的传质过程； 过程的极限：气、液相平衡。 相平衡关系：两相或多相接触达物理平衡时，各相组成之间 的关系。 理想体系：气相符合道尔顿（Dalton）分压定律； 液相全部浓度范围内服从拉乌尔（Raoult）定律。 7.1 7.1 气液相平衡气液相平衡 根据溶液中同分子和异分子根据溶液中同分子和异分子间间间间作用力的差异，可将溶液分作用力的差异，可将溶液分为为为为理想溶理想溶 液与非理想溶液。液与非理想溶液。 化学化学结结结结构相似

3、、性构相似、性质质质质相近的相近的组组组组分，例如：同系物分，例如：同系物组组组组成的溶液可成的溶液可视为视为视为视为 理想溶液。在理想溶液。在这这这这种溶液内，同分子种溶液内，同分子间间间间作用力与异分子作用力与异分子间间间间作用力都相等。作用力都相等。 溶液溶液 理想溶液理想溶液 非理想溶液非理想溶液 溶液中溶液中A A、B B两两组组组组分彼此分彼此对对对对蒸汽蒸汽压压压压的影响的影响规规规规律不同，溶液可分律不同，溶液可分为为为为理想溶理想溶 液和非理想溶液液和非理想溶液( (实际实际实际实际 溶液溶液) )两种。如以两种。如以f fAA AA、 、 f fBB BB 、 、 f f

4、ABAB分 分别别别别代表代表A-AA-A分子， 分子，B-B- B B分子和分子和A-BA-B分子之分子之间间间间的吸引力，的吸引力，则则则则: : 气液相平衡气液相平衡- -拉乌尔定律拉乌尔定律 P PA Ao o 和和P P A Ao o 是溶液温度下组分是溶液温度下组分 A A和和B B的饱和蒸汽压。的饱和蒸汽压。 理想溶液在一定条件下达到平衡时，总压与各组分分压符合理想溶液在一定条件下达到平衡时，总压与各组分分压符合 理想溶液在全部浓度范围内符合理想溶液在全部浓度范围内符合拉乌尔定律拉乌尔定律：对于两组分组成的理：对于两组分组成的理 想溶液，在一定温度下达到汽液相平衡时，汽相中某组分

5、的分压等于该想溶液，在一定温度下达到汽液相平衡时，汽相中某组分的分压等于该 组分在此平衡温度下的饱和蒸汽压与其在液相中摩尔分数的乘积。组分在此平衡温度下的饱和蒸汽压与其在液相中摩尔分数的乘积。 可由Antoine方程计算或从手册中查 挥发挥发 度和相对挥发对挥发 度 溶液中各组组分的挥发挥发 度可表示为为 对对于理想溶液，因符合拉乌乌尔定律，则应则应 有 相相对挥发对挥发对挥发对挥发 度：度：轻组轻组轻组轻组 分的分的挥发挥发挥发挥发 度与重度与重组组组组分的分的挥发挥发挥发挥发 度之比，度之比， 对于理想溶液 称为用相对挥发度表示的汽液平衡方程，简称汽液平衡方程。 气液平衡方程 由由 知，知

6、， 时时， 组组分分A A较较B B易易挥发挥发 ，可以用蒸，可以用蒸馏馏方法分离方法分离 时时， 挥发挥发 度差异愈大，愈有利于蒸度差异愈大，愈有利于蒸馏馏操作。操作。 时时， 不能用普通蒸不能用普通蒸馏馏的方法分离混合液。的方法分离混合液。 可作可作为为为为混合液能否用蒸混合液能否用蒸馏馏馏馏方法分离以及分离方法分离以及分离难难难难易程度的判据。易程度的判据。 t/ x (y) t-x t-y p=101.3kPa tFF G tG EC xC D yD tE I J tI tJ x0 01.0 100 110 80 90 苯-甲苯温度-组成图 温度温度- -组成图（组成图（t-x-yt-

7、x-y） 泡点曲线 露点曲线 温度温度- -组成图（组成图（t-x-yt-x-y） （1）部分汽化和部分冷凝均 可起到分离作用； （2）全部汽化和全部冷凝没 有分离作用； （3）不断的部分汽化和冷凝 可使分离程度不断提高； （4）蒸馏操作应处于汽液两 相区内。 二元混合物与纯液体的差别： （1） 泡点与浓度有关，其值在A，B组分沸点范围之内。 （2）总组成相同，其泡点和露点（冷凝点）温度不同。 气、液平衡组成的 x-y 图 标绘：略去温度坐标，依x-y 的对应关系做图 ，得x-y图。 说明： （1）组成 均以易挥发组分的组成表示，故曲线位于对角线上方 （2）平衡线上不同点代表一个气、液平衡状态

8、，即对应一组 x、y、t，且y (或x) 越大，t 愈低。 （3）平衡线距对角线越远，物系越易分离。 （4）压力增加，平衡线靠近对角线。 压力对温度组成图的影响 压力对相平衡的影响 P ，t ，对分离不利， P，t ，对分离有利 。 故蒸馏压力的选择，优先考虑采用常压操作，只在特殊情况下 采用加压（处理量增加，塔径不够）或减压（热敏性物料）。 7.1.2 非理想体系的气、液相平衡关系 非理想溶液： ri 活度系数，分子间引力发生变化，使得 ri 1。 讨论：气相属于理想气体，而液相为非理想溶液的体系。 （1）正偏差溶液 平衡分压高于拉乌尔定律的计算值，泡点下降。 （2）负偏差溶液 平衡分压低于

9、拉乌尔定律的计算值，泡点升高。 或 （3）具有恒沸点的溶液 当正、负偏差较大时，出现恒沸点。 正偏差：最高蒸汽压，具有最低恒沸点； 负偏差：最低蒸汽压，具有最高恒沸点。 非理想溶液 最低恒沸点 如：乙醇水，正丙醇水 最高恒沸点 如：硝酸水，氯仿酮 正偏差溶液 负偏差溶液 正偏差：最高蒸汽压，具有最低恒沸点； 负偏差：最低蒸汽压，具有最高恒沸点。 说明： （1）具有较大偏差的非理想溶液，可能具有恒沸点。 （2）在恒沸点处, =1，故一般蒸馏方法不能使两组分分离。 （3）恒沸点随压力的变化而变化。 （4）非理想溶液， 随 t （或浓度）变化较大， 不能作为常数 蒸馏的分类 按蒸馏方式 简单蒸馏 （

10、微分蒸 馏） 平衡蒸馏 （闪蒸） 精馏 特殊精馏 恒沸蒸馏 萃取蒸馏 水蒸汽蒸馏 较易分离的物系或对 分离要求不高的物系 难分离的物系 很难分离的物系或 用普通方法难以分 离的物系 7.2 简单蒸馏 蒸馏釜加热至沸点混合液部分汽化蒸汽引入冷凝器中冷凝按不同组 成范围导入不同罐中，这种操作叫简单蒸馏。 特点：随着蒸馏进行，液相中易挥发组分含量逐渐减少，沸点逐渐升高， 汽相中，易挥发组分含量也逐渐减少，y随x降低而降低。 故简单蒸馏是不稳定操作过程，且只能使混合液部分分离，故只适用于分 离沸点相差较大，而分离程度要求不高的双组分混合液，或作为初步加工，粗 略分离多组分混合液。如粮食酿酒等 设釜内在

11、某一时刻的釜液量为W(kmol)，其液、汽组成分别为x,y，经微 分时间d后，液相量减为(W-dW)，组成降为(x-dx) ，则残液中含易挥发 组成的量为(W-dW)(x-dx)，而蒸出的易挥发组分的量ydW。根据易挥发 组分在d前后的微分物料衡算，有 略去高阶微分，分离变量： 简单蒸馏的计算 nW釜内液相量，kmol； x 任一时刻液相组成； dnW d时间内蒸发的釜液量, kmol； dnVd时间内移出的蒸汽量, kmol，其组成为 y，则: 易挥发组分的物料衡算 整理得： 积分： nF, zF nD3, xD3 nD1, xD1 nD2, xD2 nW2, x2 若低压下，液相为理想溶液

12、的双组分蒸馏，则有： 说明: 如果 x, y 之间的平衡关系不能用以上方程表达时， 则需采用数值积分或图解法积分求解。 蒸馏产品的平均组成 设nW为任一时刻的釜液量，kmol 在容器内加热混合物至泡点以上而部 分汽化，或使一定组分的蒸气冷却至 露点以下而部分冷凝，以形成汽、液 两相，然后将两相分开，则易挥发组 分将在气相富集，难挥发组分在液相 富集，从而达到一定程度的分离。平 衡分离所能达到分离效果不高，一般 只作为原料的初步分离。 7.3 平衡蒸馏（闪蒸） 原料加热炉升温减压阀减压(液体成为过热状态，必然部分汽化，称 为闪蒸)分离器中分离(汽相为顶部产物，含易挥发组分较多，而液相 为底部产物

13、，其中难挥发组分获得了增浓) 特点：连续稳定的操作过程； 汽液两相处于平衡状态，即两相温度相同，组成互为平衡。 1）物料衡算 对总物料： 对易挥发组分： 令 汽液相平衡组成的关系 液化分率 在x-y图上 ，代表通过点（xF， xF）且斜率为 的直线。 汽液相平衡组成的关系 在x-y图上 ，代表通过点（xF， xF）且斜率为 的直线。 例1：在常压下对苯与甲苯二元理想溶液分别进行平衡蒸 馏与简单蒸馏。若原料液中苯的浓度为0.5（摩尔分率）。 物系的相对挥发度为2.47。试求： 1）用平衡蒸馏方法分离，当汽化率为 0.4时，釜液与馏 出液的组成。 2）用简单蒸馏方法分离，使釜液浓度与平衡蒸馏相同，

14、 所得馏出物中苯的平均组成。 解：1） 因为汽化率f=0.4，q=0.6 物料衡算式为： 2）简单蒸馏中了时的釜液浓度与平衡蒸馏时相同 设馏出液的平均组成为 在相同的原料液浓度及相同釜液的条件下，简单蒸馏 所得到的馏出液浓度高于平衡蒸馏，而平衡蒸馏的优点是 连续操作，但其分离效果不如间歇操作的简单蒸馏。 t/ x (y) t-x t-y p=101.3kPa tFF G tG EC xC D yD tE I J tI tJ x0 01.0 100 110 80 90 苯-甲苯温度-组成图 精馏原理精馏原理 （1）精馏过程 进料板以上称为精馏段 精制汽相中的易挥发组分。 进料板以下（包括进料板）称为提馏段 提浓液相中难挥发组分。 塔顶产品称为馏出液 富含易挥发组分。 塔底产品称为釜液 富含难挥发组分。 圆形泡罩 条形泡罩 泡罩塔 以下说法中不正确的是_。精馏段操作线方程式是描述精馏段中 A 某板下降的液体浓度与下一板上升的蒸汽浓度间的关系式； B 某板上升的蒸汽浓度与上一板下降的液体浓度之间的关系式； C 进入某板的气体与液体的浓度之间的关系式； D 在相邻两板间相遇的汽相与液相浓度之间的关系式。