化原课件化工原理第四章蒸馏1章节

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1、第一章 蒸 馏 （Distillation）,1-1、慨述 在化工生产中，所处理的化工原料、中间产物、粗产品等几乎都是由若干组分组成的混合物，而且大部分是均相体系。固相、气相、液相，如石油是由多种碳氢化合物所组成的液体均相体系。化工生产为了满足贮存、运输、加工和使用的要求，经常要将这些混合物分离成较纯净或几乎纯态的物质（组成），如汽油。 对于均相物系，要使其中组分分离，应采用何种方法？,对于均相体系中组分间的分离，必须要造成一个两相物系，才能实现均相混合物中组分间的分离。(非均相物系组分间是如何分离的?),为什么均相物系造成两相后能实现混合物中的组分间分离呢？ 不同的物质，物性是不同（密度，溶

2、解度，挥发度等）。在构造成两相时，由于这种物性的差异，组分在两个相间必然存在分配差异，这种分配差异使其中某个或某些组分从一相向另一相转移，就可达到实现分离组分的目的。,这样的过程在化工生产中称传质过程或分离过程（mass transfer）。化工生产中常见的典型传质过程有蒸馏、吸收、萃取、干燥等单元操作。 蒸馏是分离液体混合物的典型单元操作。 一、分离原理： 通过给体系输入热量，将液体混合物(均相)部分汽化，利用其中各组分挥发度不同的特征来实现分离的目的。具体是通过组分在液相和汽相间的质量传递来实现的。,例如：加热乙醇水的混合物，使之部分汽化 。,由于乙醇的沸点比水低，即乙醇的挥发度比水大，故

3、乙醇比水更容易从液相中汽化出来而进入汽相。若将汽化的蒸汽全部冷凝既可得到乙醇组成高于原料的产品，从而使乙醇与水分离。 挥发度不同，汽液相间的传质 因此，蒸馏是一个典型的传质过程。,二、特点,在蒸馏中，通常将沸点低的组分称为易挥发组分，以表示。沸点高的组分称为难挥发组分，以B表示。 可直接获得所需组分（产品） 技术成熟，分离范围应用广泛 能耗较高。 三、分类,1、按流程：,可分为间歇蒸馏和连续蒸馏，生产多以后者为主。间歇蒸馏主要用于小规模的或某些特殊的场合。 2、按蒸馏的方式 可分为简单蒸馏、精馏和特殊蒸馏 一般较易分离的物系或对分离要求不高时，可采用简单蒸馏（一次）；较难分离的体系可采用精馏（

4、多次蒸馏）。,很难分离的体系（沸点很接近）或用普通蒸馏不能分离的可用特殊精馏（共沸精馏、萃取精馏、反应精馏）。工业上以精馏应用最为广泛。 3、按操作压强 加压蒸馏、常压蒸馏、减压蒸馏，在一般场合下，多采用常压蒸馏。若在常压下达不到分离要求的，如气体混合物，则可采用加压蒸馏，若沸点较高、又是热敏性混合物，则可采用减压蒸馏。 4、被分离混合物中组分的数目， 双组分和多组分蒸馏。在工业生产中，以多组分蒸馏为常见。,我们所学习的主要内容： 常压双组分体系的连续精馏过程。,多组分精馏与双组分精馏的基本原理、设计方法的本质都是一样的。也是其他类型的精馏的过程分析及有关设计计算都是以双组分体系的连续精馏过程

5、为基础的。 对于一个过程（化工过程，人生过程）最重要的是两个方面的因素：程度（最大程度） 速率（过程进行的最大速度） 蒸馏过程是一个主要受平衡限制的过程，程度（平衡是主要限制因素）,1-2 双组分理想溶液的汽液平衡 (Vapor-liquid equilibrium）,蒸馏分离是汽液两相的传质过程。组分在两相中的浓度（组成）偏离平衡的程度来衡量传质的推动力的大小。传质过程是以两相达到平衡为极限的。 由此可见，汽液相平衡关系是分析蒸馏原理和进行过程及设计计算的理论基础 。 首先解决的问题：有关体系的相平衡关系,相平衡规律在物理化学中介绍过。我们这里主要讲相平衡在化工过程中的应用。只讨论两组分的理

6、想溶液的汽液相平衡关系。,一、理想溶液(idea solution) 根据溶液中同分子间和异分子间的作用力差异。可将溶液分为理想溶液和非理想溶液两种。 理想溶液是指：两种组分与均匀混合形成溶液时，在混合前每种组分各自分子间的作用力，与混合后不同组分的作用力相等时，这种溶液称为理想溶液。 一些特征？（它的宏观表现）,严格的说，理想溶液是不存在的，但对那些性质极相似、分子结构相似的组分所组成的溶液，如苯甲苯，甲酸乙酸，烃类同系物等都可以近似的看成理想溶液、对于非理想溶液的汽液平衡可以用修正公式或实验数据来表示 。,二、相律（Phase rule） 相律表示平衡物系中的自由度、相数、独立组分数的关系

7、。 F=c-+2 （1-1） F自由度数（degree of freedom ）； C独立组分数（解释）； 相数。,对于两组分的汽液平衡物系：,其中组分数为2，相数为2 F=2-2+2=2 由此可知，两组分平衡的物系中只有两个自由度，既t、p、x、y四个变量中任意确定其中的两个变量，此平衡状态就确定了。又若固定某个变量（如压强），则只有一个独立的变量，而其它的变量都是它的函数。因此从相律我们可知，两组分的汽液平衡可以应用一定压强下的t-x(y), x-y的函数关系来表示。,三、双组分理想溶液的汽液平衡,1、拉乌尔定律 （Raouls low） 对于理想溶液的汽液平衡关系，可用拉乌尔定律描述：

8、为简单起见，常略去上公式中的下标，习惯上以x表示液相中易挥发组分的mol分率，以(1-x)表示难挥发组分的mol分率。,(1-2),(1-2a),pi 溶液上方组分的平衡分压 Pa p0 同温度下纯组分的饱和蒸汽压 Pa x 组分的摩尔分率,P=pA+pB (1-3),联立（1-2a），（1-3）上二式可得 根据道尔顿分压定律：,(1-5),(1-4),再作一下变换,可得 安托因（Antoine)方程 纯组分的饱和蒸汽压和温度之间的关系,(1-6),(1-7),2、汽液平衡方程 （ Vapor-liquid equilibrium equation),A、挥发度(volatility) 蒸馏利

9、用其中各组分挥发度不同的特征来实现分离的目的。什么是挥发度？ 纯液体的挥发度是指液体在一定的温度下的饱和蒸气压。而溶液中各组分的蒸气压因组分的相互影响要比纯态时的低。故溶液中各组分的挥发度v可用它在蒸气中的分压和与之平衡的液相中的摩尔分率来表示：,有,式中的 和 分别表示溶液中A、B组分的挥发度。 对于理想溶液，符合拉乌尔定律： 溶液的挥发度随温度而变，用起来不方便，故引出相对挥发度的慨念。 B、相对挥发度（relative volatility）,(1-8),(1-9),(1-10）,(1-11）,(1-12）,溶液中易挥发组分的挥发度与难挥发组分的挥发度之比，称为相对挥发度。,对于理想溶液

10、 一般情况下 可看作一常数 如操作压强不高，对于两组分溶液，则有 汽液平衡关系还可用相对挥发度来表示其函数关系。可用于判别体系用精馏分离的难易程度。,(1-13）,(1-14）,3、双组分的汽液平衡相图 （Phase diagram）,A、t-x(y)相图（沸点组成图） 对于两组分体系，根据拉乌尔定律： 上式表示：已知纯组分的饱和蒸汽压，给定x、就可求出平衡对应的y值。,如何做图，恒压条件，先确定温度t，查出或算出饱和蒸汽压，给定x，算出y，作图。,在常压下P=101325帕， 苯甲苯的混和液的t-x-y （沸点组成图）相图见P6 图中有两条曲线： 上方曲线为t-y线,表示混合物 的露点和平衡

11、气相组成y之间的关系。 此线称为饱和蒸气线（露点线）。,0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0,A,J,H,B,120,70,温度t，,X (y),X1(y1),90,100,t1,t2,t3,t4,下方的曲线为t-x线，表示混合物的泡点和平衡液相组成x之间的关系。此曲线称为饱和液体线（泡点线）。上述两条曲线把t-x-y图分成三个区域。饱和液体线（泡点线）以下的区域代表未沸腾的液体，称为液相区（单相），饱和蒸气线（露点线）以上的区域代表过热蒸气，称为气相区（单相），在两线之间的区域表示汽液同时存在，称为汽液共存区（两相）。,以某一组成苯甲苯为例来说明t-x-y相图表示的意义。,假设将温度为

12、t1, 组成为x1 （A点）的混合液加热， 当温度升至t2时（J点）， 溶液开始沸腾。此时产生 第一个气泡，相应的温度 成为泡点温度。此时液相 的组成为x1, 与之平衡的气 相组成为y1 ，y1x1。如果温度连续升高到t3 C点（如图），则进入两相共存区。,A,J,H,B,温度t，,x(y),t1,t2,t3,t5,x1,t4,y1,y2,x2,C,x3,其液相组成为 x2与之平衡气相的相应组成为y2。 气相与液相的量可由杠杆原理求算。,如果把组成y=x1，温度为t5（B点）的过热混合蒸汽冷却，当温度冷到t4时（H点），混合气体开始冷凝产生第一滴液体，相应的温度称为露点温度。此时，气相的组成为

13、y=x1，相应液相的组成为x3。从上可以看出，t-x-y相图能很好的在P一定下说明两组分溶液的行为。 通常t-x-y的数据由实验测定。对于理想溶液，也可用纯组分的饱和蒸气压。按拉乌尔定律及道尔顿分压定律求得。,B、x-y相图,在蒸馏操作中一般都是在恒定的压强下操作的。P被固定，根据相律，两组分平衡体系中的自由度只有一个。x，y，t三者中只有一个确定（温度或组成x，y其中之一确定），体系的平衡状态也就确定了。举例来说，当选定某一组成后，其泡点也被固定，相平衡时汽相组成也被固定，不能乱变。如常压下，苯、甲苯混合液x=0.5，则达到汽液平衡的温度是92左右、汽相为0.713。又如当泡点温度一定时，在

14、此泡点温度相平衡的汽相、液相的组成也就被固定。蒸馏主要重点是汽液两相的组成及相互变化。只当计算换热时，才用到温度参数。,在工程上，为方便起见，常以简单的x-y图代替t-x-y图。以x为横坐标，y为纵坐标。x-y曲线表示液相组成和与之平衡的汽相组成间的关系。,例如：图上任一点D，表示 组成为x1的液相与组成为y1的汽相 互成平衡，且表示D有一定 的状态。x-y图中还常作出 x=y的对角线作查图时参考。 对于大多数溶液，两相达到 平衡时，y总是大于x。故平衡线位于对角线的上方。平衡线偏离对角线愈远，表示溶液愈容易分离。,x,y,1,0,1,D,y1,x1,N,在t-x-y图中明确存在相应的相区。在

15、x-y图中，从物理意义上来说并不存在相区，但也较好的表示两相的平衡关系，与t-x-y相图存在一定的对应关系。,如：在 t-x-y图中。组成为x1=0.5的混合液，平衡时气相的组成为0.713。在x-y图中相交于D, y1=0.713。如全部汽化，则用N点的纵坐标表示，同样y=0.5，相当于t-x-y图中H点。 x-y图可以通过t-x-y图作出。许多常见的两组分溶液在常压下的x-y平衡数据，可以从物理化学和化工手册中查出。 要注意的一点，t-x-y图和x-y图都是在恒定压强下测定的。,当总压变化不大时，对汽液间的平衡组成影响不大。,但溶液的泡点和蒸气的露点却有明显的变化，即t-x-y图的图形有较

16、大的变化。而x-y相图图形的变化不大（总压变化20%-30%，x-y平衡线变动不超过2%）。故在蒸馏中使用x-y图比使用t-x-y图更方便。在外压变化不大时，可忽略其对平衡的影响。,五、非理想的两组分互溶体系,1、对拉乌尔定律有正偏差二元体系 溶液中相异分子的排斥力大于相同分子的排斥力，使真实溶液比相同组分的理想溶液在相同的条件下有较高的蒸汽压（沸点较理想溶液低)，t-x-y相图如P8，(乙醇水)，特殊情况下形成最低恒沸物。 2、拉乌尔定律有负偏差的二元体系 溶液中相异的分子间的吸引力大于相同分子间的吸引力，使真实溶液比相同的理想溶液在相同的条件下有较低的蒸气压（沸点较理想溶液高），t-x-y相图见P8，硝酸水，特殊情况下形成最高恒沸物。,实际溶液中以正偏差溶液为多。,在恒沸点时气相与液相有相同的组成，不能用一般的蒸馏分离出纯组分。不在恒沸点时，用蒸馏的方