蒸馏技术—确定精馏操作条件(制药单元操作技术课件)

Ki
yi xi
式中： yi 和 xi 分别表示 i 组分在互为平衡的汽、液两相中的摩尔分数。 对于易挥发组分，Ki >1，即 yi > xi ; Ki 值越大，组分在汽、液两相中的摩尔分数相差越大，分离也越容易。
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03 确定精馏操作条件
溶液中各组分的挥发性由挥发度来量衡，其定义为组分在汽相中的平衡蒸汽 压与在液相中的摩尔分数的比值。
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确定精馏操作条件
相组成的表示法
（1）质量分率xw：混合液中某组分的质量与混合物总质量的比值。
xw，A =mA/m
xw，B =mB/m
xw，A + xw，B =1
（2）摩尔分率x：混合物中某组分的摩尔数与总摩尔数的比值。
xA =nA/n
xB =nB/n
xA + xB =1
（3）xw与x的关系
xA = (xw，A /MA)/[(xw，A /MA)+(xw，B /MB)]
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03 确定精馏操作条件
常压蒸馏（或精馏）都是在恒压条件下进行，对于某一 双组分物料体系，若塔板上达到气液平衡，此时该板上影响 气相组成和液相组成的唯一因素是温度，即温度改变则气相 组成和液相组成均发生变化。当然，即使同一压力、同一温 度，物料体系不同，气液平衡时气相组成和液相组成也不同。
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03
达的是一定总压下液相组成与溶液泡点温度关系。 已知溶液的泡点可由上式计算液相组成；反之，已知组成也可由
上式算出溶液的泡点，但一般需试差。
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03 确定精馏操作条件
式中纯组分 A、B 的饱和蒸汽压与温度的关系，通常用安 托因（Antoine）方程表示：
ln po A B T C
p o ——任一纯组分的饱和蒸气压，Pa
件
2.掌握平衡相图与应用。
素质目标
1.培养诚实守信、团结协作、爱岗敬业精神；
2.培养安全、环保、健康生产意识；
3.培养严谨的工作态度及质量意识，具备工程管理能力；
3
4.培养分析问题和解决问题的能力；
5.创新能力培养等。
03 确定精馏操作条件
子 分析精馏操作条件
精馏操作过程中，既然蒸气与液体相平衡时两相组成不同， 那么蒸馏过程能否进行，以及进行的程度，就取决于气液平衡时 气相组成与液相组成之间的差异，二者相差越大，蒸馏操作越容 易。因此有必要对蒸馏过程中的气液平衡关系进行深入探讨。
①完全互溶体系的蒸气与液体相平衡关系，取决于溶液的性质。理想溶液服从 拉乌尔定律，而实际溶液与理想溶液存在着一定的偏差。当实际溶液与理想溶液偏 差不大时，可按理想溶液来处理，这样可使问题简化。当实际溶液与理想溶液偏差 较大时，非理想体系的相平衡关系一般由实验直接测出或用活度系数对拉乌尔定律 进行修正。
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03 确定精馏操作条件
一、平衡体系的自由度 由于双组分溶液与饱和蒸气之间组成的平衡体
系有两个相 2 和两个独立组分（C 2 ），
f 则根据相律可确定该体系的自由度数 为：
f C 2 222 2
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03 确定精馏操作条件
该体系中有温度、压力、蒸气相组成和液体相组成四 个变量，其中有两个是独立变量，当在一定总压力下测定双 组分溶液的平衡数据时，该体系就只有一个独立变量了，其 余变量随独立变量而变，为非独立变量。
关系，此线称为饱和液相线亦称液相线。
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03 确定精馏操作条件
分析温度—组成图 二条线：泡点线、露点线。 三个相区：液相区、气相区、气液两相区。 两个温度：泡点温度、露点温度
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03 确定精馏操作条件
（2）相平衡组成图
讨论精馏问题时，经常采用在平衡状态下，由液相组成x与蒸 气组成y标绘而成的相图,即相平衡组成图或称y-x图，如图所示。 y-x图可利用t-x-y图采集数据标绘而成。对应于某一温度（泡点 与露点之间）,在t-x-y图上可读取一对互成平衡的蒸气相组成和液 相组成，将此互成平衡的两相组成标绘在y-x图上得一点。同理, 在t-x-y图上取若干组数据标在y-x图上，则可将这些点联成一条 曲线，即为y-x平衡曲线。显然，曲线上各点表示不同温度下的蒸 气与液体两相平衡组成。在y-x图上另有一条45º对角线作为辅助 线，对角线上的各点所表示的两相组成完全相同，即y=x。
溶液沸腾时，溶液上方的总压应等于各组分的分压之和，即
P
pA
pB
p
0 A
x
A
pB0 1 xA
xA
P pB0
p
0 A
pB0
泡点方程（bubble-point equation）
泡点是指在一定压力下，液体混合物开始沸腾产生气泡的温度。
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03 确定精馏操作条件
因 poA、poB 取决于溶液沸腾时的（泡点）温度，所以上式实际表
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03 确定精馏操作条件
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03 确定精馏操作条件
气液两相物系分为理想物系与非理想物系两大类。 理想物系：液相为理想溶液、汽相为理想气体的物系。 实验表明，理想溶液服从拉乌尔（Raoult）定律， 理想气体服从理想气体定律或道尔顿分压定律。
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03 确定精馏操作条件
理想溶液的汽液平衡——拉乌尔（Raoult）定律
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03 确定精馏操作条件
2.平衡相图 在分析精馏原理和图解计算时，如果将相平衡数据以各 种相图来表达，则既形象又方便。
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03 确定精馏操作条件
（1）温度-组成图 将表所列实验数据标绘在横坐标为组成、纵坐标为
温度的坐标上，如图所示为常压下双组分理想混合液 （苯-甲苯）的温度-组成图，即t-x-y图，其中y与x都是 以易挥发组分（苯）的摩尔分率来表示的。
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03 确定精馏操作条件
T-x(y) 图代表的是在总压 P 一定的条件下，相
平衡时汽（液）相组成与温度的关系（泡点线和露 点线） 。
在总压一定的条件下，将组成为xf 的溶液加热 至该溶液的泡点 TA，产生第一个气泡的组成为 yA。
继续加热升高温度，物系变为互成平衡的汽、液两
相，两相温度相同组成分别为yA 和xA 。
当物系与拉乌尔定律有正负偏差，且有恒沸点时，则由于恒沸点处蒸气相组成 与溶液组成相同，因此，一般的蒸馏方法只能将这类物系分离成一种纯组分和一种 具有恒沸组成的溶液，所以不能用一般的蒸馏方法加以分离。
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03 确定精馏操作条件
②蒸气与液体相平衡关系随总压的改 变而改变，如图所示为不同压力下，苯与 甲苯的t-x-y图和y-x图。由图可见，压力 增高气相组成和液相组成差别减少，不利 于采用蒸馏方法分离。
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03 确定精馏操作条件
是相平衡时两个组分在汽相中的摩尔分数比与液相中摩尔分数
比的比值，由其大小可以判断该混合液能否用蒸馏方法加以分离以及 分离的难易程度。
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03
确定精馏操作条件
>1，表示组分 A 较 B 易挥发； 值越大，两个组分在两相中相对含量的差别越大，越容易用蒸馏方法将两
组分分离；
A B
p
0 A
pB0
尽管组分的饱和蒸汽压随温度变化较大，但 值随温度变化相对较小，因
此在一定的温度范围内，对理想溶液常取 的平均值用于相平衡的计算。
非理想溶液的 值随温度有显著变化。
相对挥发度是双组分物系相平衡计算中最常采用的方法。
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03 确定精馏操作条件
对于蒸汽与液体相平衡关系问题，需要着重指出以下两点。
对双组分物系
A
pA xA
B
pB xB
A、B ——溶液中 A、B 两组分的挥发度。
对纯组分液体，其挥发度就等于该温度下液体的饱和蒸汽压。
溶液中两组分挥发度之比称为相对挥发度，用 表示
A pA xA B pB xB
低压气体 道尔顿分压定律
Py A xA yA yB K A
PyB xB xA xB K B
确定精馏操作条件
03 确定精馏操作条件
精馏操作的条件不外乎操作温度、操作压力，而 且随操作物系的性质及分离要求的不同而有所变化。
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03 确定精馏操作条件
子
能力目标
分
析
1.具有根据平衡数据判断气液平衡的能力。
精
2.具有根据相图的计算平衡组成的能力。
馏
操
作
知识目标
条
学习要求 与目标
1.掌握精馏气液平衡关系。
二、精馏系统气-液相平衡关系 对于已知组成的混合液，在确定自由度的条件下，其蒸气相
与液体相之间的平衡关系可由实验测定。 实验测定的数据可通过编制平衡数据表、绘制各种相图或列
出数学函数关系式等方式加以表达。
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03 确定精馏操作条件
1.平衡数据 各种化学或化工数据手册所载平衡数据表中的数据有各种表
达方法。在讨论双组分精馏过程时，最常用的平衡数据表达方式 为以下两种： (1)在一定总压下，温度与液相（气相）平衡组成的关系，即tx(y)关系。 (2)在一定总压下，蒸气相与液体相的平衡组成关系，即y-x关系。
式又称为露点方程。露点是指在一定压力下，某混合蒸气开始冷凝
出现液滴时的温度。
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03 确定精馏操作条件
严格地说没有完全理想的物系。 对性质相近、分子结构相似的组分所组成的溶液，如苯-甲 苯，甲醇-乙醇，烃内同系物等，可视为理想溶液； 若汽相压力不高，可视为理想气体，则物系可视为理想物系。 对非理想物系不能简单地使用上述定律。汽液相平衡数据可 以通过分子模拟计算，但更多地依靠实验测定。
T ——温度，K A、B和C ——安托因常数。
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03 确定精馏操作条件
当气相为理想气体时:
yA
pA P
p
0 A
xA
P
xABiblioteka P pB0p0 A
pB0
yA
pA0 P
P pB0 pA0 pB0
露点方程（dew-point equation）
上式为一定总压下汽相组成与温度的关系式。
对一定组成的气相而言该温度又称为露点(dew-point)，故上
xw，A = MA xA /(MA xA + MB xB)
（4）气体混合物的组成
yA=PA/P=vA/V
03 确定精馏操作条件
酒精与水的混合液中，酒精（A）的质量为15Kg，水（B） 的质量为25Kg，求质量分数，摩尔分数和平均摩尔质量。
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03 确定精馏操作条件
XwA=0.375 XwB= 0.625 XA= 0.19 XB=0.81 M均= 23.32 Kg/Kmol
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03 确定精馏操作条件
根据y-x图的形状,可以很方便地判断采用蒸馏方法分离 该物系的难易程度，若物系的平衡曲线离对角线越近，即蒸 气与液体两相的组成越相近，则分离也就越难；反之，则分 离越易。
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03 确定精馏操作条件
3.平衡关系式
精馏计算中，通常用 Ki 示 i 组分的相平衡常数，其定义为:
当温度达到该溶液的露点,溶液全部汽化成为组
成为 yA= xf 的气相，最后一滴液相的组成为xA。
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t/C
气相区
露点 两相区
露点线
泡点
泡点线 液相区
0
xA xf
yA 1.0
x(y)
03 确定精馏操作条件
在总压一定时苯和甲苯混合液的温度－组成图，
图中以温度t为纵坐标，以液相组成x或气相组成 y为横坐标。图中有两条曲线，上方曲线为t-y 线， 表示混合液的温度和平衡气相组成y之间的关系， 此线称为饱和蒸汽线，亦称气相线；下方为t-x 线，表示混合液的温度和平t衡液相组成x之间的
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03 确定精馏操作条件
在常压条件下用精馏方法分离苯和甲苯混合物，当物料处于 气液平衡时，气相组成与液相组成随温度变化如下：
温度为82.3℃时，气相组成y=0.957（摩尔分数，下同）、 液相组成x=0.90；
温度为84.6℃时，气相组成y=0.909、液相组成x=0.80。
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03 确定精馏操作条件
若 =1， yA=xA，此时不能用普通蒸馏方法分离该混合物。 对双组分物系有 yB=1-yA，xB=1-xA，代入并略去下标 A 可得
yA yB
xA xB
y
1
x
1x
——相平衡方程
若已知两组分的相对挥发度，则可由上式确定平衡时汽液两相的组成。
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03 确定精馏操作条件
对理想溶液，组分的挥发度 = po ，所以
根据拉乌尔定律，两组分物系理想溶液上方的平衡蒸汽压为 ：
pA
p
A
x
A
pB pB xB
式中：pA、pB — 液相上方A、B两组分的蒸汽压，Pa； xA、xB — 液相中A、B两组分的摩尔分数；
poA、poB — 在溶液温度 t 下纯组分A、B的饱和蒸汽压，为温度的函数，Pa。
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03 确定精馏操作条件
一般情况下，平衡数据都是在一定压 力下测得的，在实际操作中，只要总压变 动不超过20%～30%，仍按恒压处理。
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03 确定精馏操作条件
归纳与总结：
1. 精馏气液平衡关系（露点方程与泡点方程）。 2. 平衡相图与应用（相平衡方程）。
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确定精馏操作条件
03 确定精馏操作条件
精馏操作的条件不外乎操作温度、操作压力，而 且随操作物系的性质及分离要求的不同而有所变化。