蒸馏及其在化工生产中的应用

V1 V2 V3 V 常数
V1' V2' V3' V ' 常数
•注意:V 不一定等于 V’`
V--精馏段上升蒸汽的摩尔流量， V’--提馏段上升蒸汽的摩尔流量， kmol/h; kmol/h
（2）恒摩尔液流 精馏段：
L1 L2 L3 L 常数
• 汽液传质设备的形式多样，用的最多
的是板式塔和填料塔。
填料塔
填料塔中气液两相在 填料层内进行接触传
质。在正常情况下，
液相为分散相，汽相 为连续相。
板式塔
溶剂
塔板是板式塔的核心， 在塔板上，汽液两相密 切接触，进行热量和质
量的交换。在正常操作
下，液相为连续相，汽 相为分散相。
气体
板式塔
第二节 两组分溶液的汽液相平衡关系
压和与之平衡的液相中的摩尔分数之比来表示，
即
pA vA xA
pB vB xB
对于理想溶液，则：
p xA 0 vA pA xA
0 A
p x 0 vB pB xB
0 B B
对于纯组分液体，则：
vA p
0 A
vB p
0 B
v f (t )
挥发度随温度而变化
2、相对挥发度 相对挥发度：溶液中易挥发组分的挥发度与难
' 1 ' 2 ' 3 '
提馏段： L L L L 常数 •注意：L 不一定等于 L`。
L---精馏段下降液体的摩尔流量，kmol/h;
L’---提馏段下降液体的摩尔流量，kmol/h。
满足恒摩尔流的条件： （1）两组分的摩尔汽化潜热相等； （2）两相接触因两相温度不同而交换的显 热可忽略不计； （3）塔设备保温良好，热损失可以忽略不 计。
而两者的比值变化不大。当操作温度不很大时，
相对挥发度近似为一常数，通常由操作温度的
上、下限计算两个相对挥发度，然后取其算术
或几何平均值。
m
顶 釜
2
m 顶 釜
整理上式得：
yA xA 1 yA 1 xA
相平衡方程
x y 1 ( 1) x
即用相对挥发度表示了汽液相平衡关系。
非理想溶液 1.具有正偏差的溶液 一般正偏差：pA>pA理 pB>pB理 乙醇－水溶液相图
正偏差溶液：x=0.894，最低恒沸点，78.15℃
2.具有负偏差的溶液
一般负偏差 pA<pA理， pB<pB理。 硝酸－水溶液相图
负偏差溶液：x=0.383，最高恒沸点，121.9℃
第三节 简单蒸馏和精馏
y A f (t )
露点方程的意义：平衡物系的温
度和汽相组成关系。
【例题7-1】
已知在100℃时，纯苯的饱
和蒸汽压为179.2kPa，纯甲苯的饱和蒸
汽 压 为 73.86kPa 。 试 求 总 压 力 为 101.3kPa下，苯-甲苯溶液在100℃时的 汽、液相平衡组成。该溶液为理想溶液。
二、双组分理想溶液的汽液平衡相图
（2）在某一温度下，汽液达到平衡时，y>x，汽相线 始终在液相线之上；
（3）混合液沸点介于tA和tB之间; （4）在两相区内，温度升高液相中A组分浓度提高， 温度降低汽相中A组分浓度提高；
（5）平衡的汽液两相的量满足杠杆规则；
（6）只有在两相区才能对混合液实行有效的分离。
• 温度－组成（t-x-y）图的应用：
（2）提馏段操作线方程
L' V ' W ' L xm V ' ym 1 WxW
L' W ym 1 xm xw V' V' L' W xm xw L'W L'W
——提馏段操作线方程
• 其意义：表示在一定的条件下，提馏段
内自任意第m块塔板下降液相组成x`m与其
1．温度－组成（t-x-y）图
图7-3 苯-甲苯混合液的图
两条线：气相线（露点线） yA~t 关系曲线
液相线（泡点线） xA~t 关系曲线
t-x-y图构成
图7-3 苯-甲苯混合液的图
三个区域：液相区、液共存区、 气相区
• 温度－组成（t-x-y）图的讨论：
（1）互成平衡的汽液组成点在同一条等温线上；
(e) 过热蒸汽
F
L
V V’ L’
①定性分析 (a) 冷液进料： V’>V L’>L (b) 饱和液体进料（泡点进料）: V’=V L’=L+F (c) 气液混合物进料：V > V’ L’>L （d）饱和蒸汽进料（露点进料）: L’=L V=V’+F (e)过热蒸汽进料: V > V’ L’<L
•若α=1 ，不能用普通蒸
馏方法分离。
•若α>1 ，α越大，平衡
线越远离对角线，物系越 易分离；
结论:相对挥发度的大小反映溶液用蒸馏的
方法分离的难易程度。
【例题7-2】
根据附表中各温度下苯和甲苯
饱和蒸汽压数据，计算苯－甲苯混合物在 各温度下的相对挥发度。再由两端温度时 的值求平均相对挥发度并写出相平衡方程。
• 提馏段的作用：自上而下逐步增浓液相中
的难挥发组分，以提高塔釜产品中难挥发 组分的浓度。
• 再沸器的作用：提供一定流量的上
升蒸汽流
• 冷凝器的作用是冷凝塔顶蒸汽，提
供塔顶液相产品和回流液。
• 回流液的作用：构成蒸汽部分冷凝
的冷却剂，同时还起到给塔板上液
相补充易挥发组分的作用，使塔板
上液相组成保持不变，以维持操作 稳定。
• ７-３ 若苯－甲苯混合液中含苯0.4（摩
尔分数），试根据图7-3求：
（1）该溶液的泡点温度及其平衡蒸汽的瞬 间组成； （2）将该溶液加热到100℃，这时溶液处于 什么状态？各相组成分别为多少？ （3）将该溶液加热到什么温度才能全部气 化为饱和蒸汽?这时蒸汽的瞬间组成为多 少？
三、相对挥发度
1、挥发度 挥发度：用以表示液体挥发的难易程度的物理量。 混合液体中各组分的挥发度可用它在蒸汽中的分
（称为难挥发组分或重组分）
蒸馏过程的分类 简单蒸馏 按蒸馏方式 平衡蒸馏 特殊蒸馏 精馏 双组分蒸馏 多组分蒸馏
按物系的组分数
按操作方式：
间歇蒸馏 连续蒸馏
常压蒸馏 按操作压力： 加压蒸馏 减压（真空）蒸馏
• 加压蒸馏多用于（1）混合物在常压下为
气体；（2）混合液沸点较低，用一般冷 凝水无法冷凝。
0 B 0 B
根据道尔顿分压定律可得溶液上方汽
相总压为：
p p A p B p x A p (1 x A )
0 A 0 B
p p xA 0 pA p
0 B 0 B
x A f (t )
• 泡点方程的意义：平衡物系的温度和液
相组成关系。
yA p xA p
0 A
tp 0
B A
/℃ /kPa /kPa
80.1 101.3 39.0
82 107.4 41.6
86 121.1 47.6
90 136.1 54.2
94 152.6 61.6
98 170.5 69.8
102 189.6 78.8
106 211.2 88.7
110 234.2 99.5
110.6 237.8 101.3
• 提馏段：加料板以下的部分（包括加料板）。
2、 塔板的作用
特点：
•塔板提供了汽液 分离的场所。 •每一块塔板是一 个混合分离器 •足够多的板数可 使各组分较完全分 离
•塔板的作用：提供汽－液接触进行传热传质的场所。
• 精馏段的作用：自下而上逐步增浓气相中
的易挥发组分，以提高产品中易挥发组分 的浓度。
• 减压（真空）蒸馏多用于（1）热敏性物
料的分离；（2）常压下沸点较高，加热 温度超出一般水蒸汽的加热范围。
蒸馏与蒸发的区别：
蒸发：
（1）溶质不具有挥发
蒸馏：
（1）各组分均具有挥发
溶剂具有挥发性；
（2）通常浓缩液为产
性；
（2）通常冷凝液和残留
品；
（3）传热过程
液均为产品；
（3）传质过程
二、汽液传质设备的分类
相邻的下一块（即m+1）塔板上升蒸汽组
成y`m+1之间的关系。
•在稳定操作状态下，W、xw为定值，L`、 V`为常数，故提馏段操作线也为一条直线。
该直线过b（ xw , xw ）,斜率为L` / V` ,
L`受加料量及进料热状况的影响。
三、进料热状况的影响
1、五种进料状况分析：
(a) 冷液 (b) 饱和液体（泡点进料） (c) 气液混合 (d) 饱和蒸汽（露点进料）
三、精馏装置及精馏操作流程
• 汽相：自下而上易挥发组
分浓度逐渐增大。
• 液相：自上而下难挥发组
分浓度逐渐增大。
• 温度：自上而下逐渐增大。
• 精馏装置主要由精馏塔、塔顶冷凝器、塔底再沸
器构成，有时还配有原料预热器、回流液泵、产
品冷却器等装置。
• 加料板：原料液进入的那层塔板。 • 精馏段：加料板以上部分。
（1）确定温度—组成间的关系； （2）分析蒸馏及精馏原理
压力对t~x~y图的影响： 压力增大，温度升高，曲线上移， 且两相区变窄。
2．汽－液相组成（y—x）图
• 对角线 y=x 为辅助曲线
• • x~y曲线上各点具有不 同的温度； 平衡线离对角线越远， 挥发性差异越大，物系 越易分离。
压力对x~y图的影响 压力增加，平衡线靠近对角线，分离难 度大
第七章 蒸
第一节 概
馏
述
一、蒸馏及其在化工生产中的应用
蒸馏——通过加热造成气液两相体系，利
用液体混合物各组分挥发性的差别或沸点 的差别实现组分的分离与提纯的一种操作。
• 蒸馏分离的依据：液体混合物各组分挥发
性（沸点）的差异。
• 挥发性高的组分，即沸点低的组分
(称为易挥发组分或轻组分)
• 挥发性低的组分，即沸点较高的组分
第四节
双组分连续精馏的计算
一、理论板的概念及恒摩尔流假定 1．理论板的概念 理论板：指离开该塔板的蒸汽和液体成平 衡的塔板。
2．恒摩尔流假定
恒摩尔流：指在精馏塔内，无中间加料
或出料的情况下，每层塔板上升蒸汽的 摩尔流量相等（恒摩尔气流），每层塔 板下降液体的摩尔流量也相等（恒摩尔 液流）。
（1）恒摩尔气流 精馏段： 提馏段：
苯0.95，釜液含苯不高于0.1，求馏出
液、釜残液的流量以及塔顶易挥发组
分的回收率。
2．操作线方程
（1）精馏段操作线方程
V L D Vyn 1 Lxn Dx D
y n 1 L D xn xD LD LD
令：
L R D
回流比 精馏段操作线方程
y n 1
xD R xn R 1 R 1
一、简单蒸馏
使混合液在蒸馏釜中
逐渐汽化，并不断将 生成的蒸汽移出在冷 凝器内冷凝，使混合 液中的组分部分分离
的过程。
二、精馏原理
•将液体混合物进行多次部分 汽化，在液相中可获得高纯 度的难挥发组分。 •汽相混合物经多次部分冷凝 后，在汽相中可获得高纯度 的易挥发组分。
• 液体多次部分汽化同时进行汽体多次部分冷凝。
其意义：表示在一定的操作条件下，精馏段内自任 意第n块板下降液相组成xn 与其相邻的下一块（即 n+1）塔板上升蒸汽组成y(n+1)之间的关系。
精馏段操作线:
y
当R, D, xD为一定值时,
该操作线为一直线。 斜率:
R L R 1 V
xD R 1
xD 截距: R 1
xD x
操作线为过点a（xD，xD ）及点c（0， xD /(R+1)） 的一条直线。
二、物料衡算和操作线方程
1．全塔物料衡算 设：F、D、W——kmol/h
D, xD
F, xF
xF、xD、xW——摩尔分数
F D W FxF Dx D WxW
W, xW
F ( xF xW ) D xD xW
F ( xD xF ) W xD xW
W xD xF 塔底采出率 F xD xW
塔顶采出率
D xF xW F xD xW
塔顶易挥发组分回收率
Dx D A 100% FxF
W (1 xW ) 100% 塔底难挥发组分回收率 B F (1 xF )
【例题7-3】
将1200㎏/h含苯0.45（摩
尔分数，下同）和甲苯0.55的混合液
在连续精馏塔中分离，要求馏出液含
挥发组分的挥发度之比，称为相对挥发度。
vA pA xA vB pB xB
若操作压力不高，根据道尔顿分压定律，则：
py A x A y A x A py B x B y B x B
或
yA xA yB xB
• 对于理想溶液，则有：
p p
0 A 0 B
•由于P0A 及P0B均随温度沿相同方向而变化，因
一、理想溶液的汽液相平衡关系 ——拉乌尔定律
定律内容：对于完全互溶的理想溶液，在 一定的温度下当汽液两相达到平衡时， 溶液上方汽相中任意组分的分压等于此 纯组分在该温度下的饱和蒸汽压乘以其 在液相中的摩尔分数。
即：
p p x
0

B组分：
p B p x B p 1 x A