第9章 液体的蒸馏 - 几种蒸馏方法的分离原理

不同温度且互不平衡的气液两相接触时，必然会 同时产生传热和传质的双重作用。 所以使上一级液相 回流（如液相 x3 ）与下一级的 回流 气相（如气相y1）直接接触，就可以将图2所示的流程 演变为图 4 所示的分离流程，而省去了中间加热器和 冷凝器。
图4
对比图
从上述分析可知，将每一级中间产品返回到下一 级中，不仅可提高产品的收率，而是过程进行的必不 可少的条件。如对于第二级而言，如没有液体x3回流 到y1中，又无中间加热器和冷凝器，就不会有溶液的 部分气化和蒸汽的部分冷凝，第二级也就没分离作用。 显然每一级都需要有回流液，对于最上面一级而 言，将yn冷凝后不是全部作为产品，而把其中一部分 返回与yn-1相混合，这是最简单的回流方法。 将部分产品引回设备内称为回流。因此，回流是 回流 保证精馏过程得以连续稳定操作的必备条件之一。
上面分析的是增浓混合液中易挥发组分的情况。对 增浓难挥发组分来说，原理是完全相同的。此时将加 热器移至底部，使难挥发组分组成最高的蒸汽进入最 热器移至底部 下一级，显然这部分蒸汽只能由最下一级下降的液体 部分气化而得到，此时气化所需的热量由加热器（称 为再沸器）供给。 在再沸器中，溶液的部分气化而产生上升蒸汽（又 称气相回流），如同设备上部液相回流一样，是精馏 得以连续稳定操作的另一个必不可少的条件之一。
二、连续精馏流程
进料板 →
板式塔
图中所示的是最常用的筛板塔。板式精馏塔分为三 筛板塔 部分：进料板、精馏段及提馏段。 生产时，原料液不断地经预热器预热到指定温度后， 从塔的中间部位进入塔内，原料液从哪块板进入，哪块 板就是进料板。进料板以上的部分称为 精馏段，以下的 进料板 精馏段 部分（包括进料板）称为提馏段。 包括进料板）称为提馏段 原料液进入后，在进料板上与从塔上部下降的液相 汇合后，逐板溢流，与从塔底部上升的蒸汽密切接触， 逐板溢流 不断的进行传质和传热过程，最后进入再沸器的液体几 乎全部为难挥发组分，引出一部分作为釜残液（或称馏 残液）产品，送预热器回收一部分余热后送往贮槽。
第九章 液体的蒸馏
主要内容
9-1 概述 9-2 双组分溶液的气液相平衡 9-3 几种蒸馏方法的分离原理 9-4 双组分连续精馏塔的计算 9-5 板式精馏塔的设计
§9-3 几种蒸馏方法的分离原理
§9-3-1 简单蒸馏 一、 操作方法 简单蒸馏是最早应用的蒸馏方法。这是一种单级 蒸馏操作。 将要分离的液体混合物一次加入蒸馏釜中，加热 至沸腾，使之逐渐的 部分气化，并不断的将生成的蒸 至沸腾 部分气化 汽引出，进入冷凝器冷凝，作为馏出液产品。其装置 如下图所示：
简单蒸馏装置
气相中的易挥发组分的组成y（下同）大于其液相 组成x，而相应的泡点温度则从tF升高到t1（蒸汽蒸出后， 釜残液因易挥发组分的含量降低，在tF不再沸腾，继续 升高温度，才能沸腾，泡点温度随液相组成而变化）。 升高温度，才能沸腾，泡点温度随液相组成而变化 釜中液相原来在t-x线上的点F的状态，一旦有微量气化， 就会由于浓度及泡点的微量变化而移至点1的状态。故 简单蒸馏又称微分蒸馏。状态 1产生的微量蒸汽的组成 简单蒸馏又称微分蒸馏 为y1。 随蒸馏过程的不断进行，釜残液中难挥发组分浓 度及泡点温度沿t-x线不断上升（沿t-x线向趋近于B 点），直到停止操作时，釜内残液中易挥发组分的组 成为最低xw、泡点温度为tw,即图中点w的状态；而馏出 液的浓度则沿着t-y线逐渐下降（沿 t-y线向趋近于B）， 线逐渐下降 直至与点w相对应的yw为止。
为了方便起见，各流股均以组成命名。 由图 3 知，第二级液相产品组成 x2 与 xF 较为接近， 因此x2可返回与xF相混合。同时，让x3与y1混合，这样 就消除了中间产品，提高了最后产品的收率。 由图 3 还可以看出，当 y1 与 x3 直接混合时，由于液 相温度t3低于气相温度t1,因此高温蒸汽将加热低温液体， 使液体部分气化，而蒸汽自身则被部分冷凝。
精馏得以连续稳定操作的两个必备条件： （1）塔顶的液相回流 （2）塔底的气相回流（或塔底设有再沸器产 生上升蒸气）。
上述在各级分离器 内的多次气液接触，可 以在板式塔内实现。即 相当于将各级分离器重 叠起来，每一块塔板就 相当于一个单级分离器。 如图5所示：
图5
图 6
精馏就是将混合液，在同一精馏塔中同时 多次的 进行部分气化和部分冷凝，从而塔顶得到几乎纯的易 进行部分气化和部分冷凝 挥发组分的馏出液，塔底得到几乎纯的难挥发组分的 釜残液。 精馏塔内，由于塔顶的液相回流和塔底的气相回流， 塔顶的液相回流和塔底的气相回流 构成了气液两相接触传质的必要条件，而挥发度的差 异又造成了有利的相平衡条件，使得轻重组分得到比 较纯的分离。
平衡蒸馏装置
T
t
平衡蒸馏装置
平衡蒸馏的分离纯度 也不是很高，也是只适应 于相对挥发度较大的物系， 适应于粗分。
§9-3-3 连续精馏
前述的两种蒸馏方式只能使液体混合物得到 有限的分离，因为都是进行一次部分汽化，是单级 蒸馏操作，远远不能满足工业生产要求。 工业生产要求 从理论上讲，可采用多级蒸馏的方法来达到 所要求的分离纯度，这样就可以使混合物中的组分 分离纯度 得到几乎纯的完全分离。
一、精馏原理——多次的部分汽 化和部分冷凝 以苯 - 甲苯混合液的精馏为 例，分析连续精馏的原理，如 右图所示： xF 将组成为 xF 、温度为 tF 的 混合液加热到 t1 ，使其部分气 化，并将气相与液相分开，则 所得气相组成为 y1 ，液相组成 为 x1 。由图中可以看出， y1 ＞ xF＞x1，但纯度都不会很高。
y1
y1>xF>x1
x1 图1
所以，将液体混合物进行一次部分气化（或部 分冷凝）的过程，只能起到部分分离的作用，远远 不能满足工业生产的要求。 而要使混合物中的组分得到几乎纯的完全分离， 必须进行多次部分气化和多次部分冷凝的过程。 多次部分气化和多次部分冷凝
设想将图1中的单级分离加以组合，变成如图 2 单级分离 所示的多级分离。 多级分离 若将第一级中溶液部分气化所得气相产品在冷 凝器中加以全部冷凝，然后再将冷凝液在第二级中 部分气化，此时所得气相产品为y2，y2必然大于y1， 若部分气化的次数（即级数）越多，所得蒸汽的组 成越高，最后几乎可得纯态的易挥发组分。 同理，若将从各分离器所得的液相产品分别进 行多次的部分气化的分离，则这种级数越多，得到 液相产品的组成就越低，最后可得到几乎纯态的难 挥发组分。
剩余的部分在再沸器中用蒸汽加热汽化，生成的蒸 汽回到塔内逐板上升，每经一块板时，都使蒸汽中易挥 发组分增加，难挥发组分减少，经过若干块板后的蒸汽 几乎全部为易挥发组分，进入塔顶冷凝器全部冷凝，所 得冷凝液一部分回流，另一部分经冷却后作为塔顶的馏 出液产品，送往贮槽。 在连续精馏操作中，在进料板以上，由于两相间传 质的结果，使上升蒸汽中易挥发组分的浓度逐渐升高， 到塔顶的蒸汽中易挥发组分浓度已很高，所以塔的上半 塔顶的蒸汽 部完成了上升蒸汽的精制，故称为 精馏段；而在进料板 精制 精馏段 以下，由于两相间传质的结果，使下降液体中的难挥发 组分得到提浓，到塔底的பைடு நூலகம்相中难挥发组分浓度已很高， 塔底的液相 所以塔的下半部完成了下降液相的提浓，称为 提馏段。 提浓 提馏段
§9-3-2 平衡蒸馏
平衡蒸馏，又称闪蒸，也是一种单级蒸馏操作。 这种操作可以是间歇式的，也可是连续式。 生产中采用如下图所示的装置，以连续操作的 方式进行平衡蒸馏。 混合液用泵加压输送，达到一定压强后进入换 加压 热器加热升温，使液体温度T高于分离器压强下液 体的泡点温度t，然后通过减压阀使其降压后进入 分离器中，此时过热的液体混合物即被迅速地部分 气化，平衡的气液两相在分离器中得到分离。通常 气化 分离器又称闪蒸罐（塔）。 闪蒸罐（塔）
xn xi x2 yn>yn-1>….>y2>y1
x1
图2
yn>yn-1>….>y2>y1
t1 t3
图3
上述的气液相组成变化情况可以从图3中清晰的看 出。因此同时多次的进行部分汽化和部分冷凝是使混 合液得以完全分离的必要条件。 合液得以完全分离的必要条件 但是上述所示的流程理论上是可以的，在实际生 产中是不能采用的，因为存在下述两个问题： （ 1 ）分离过程中得到许多中间馏分，如图 2 中的组 成为x2、xi及xn的液相产品。最后纯产品的收率会很低。 （2）设备庞杂，设备费用及操作费用都很大，且占 地面积也很大。
简单蒸馏操作原理
B
tw
W t2 t1 2 tF 1 F’ A
t
温度
F
0 xw x2 yw x1 组成 xF y2 x(y) y1 yF
二、 简单蒸馏的特点 1、简单蒸馏适应于相对挥发度比较大的体系，适 应于只需粗分且处理量不大的场合； 2、简单蒸馏过程是一个不稳定的间歇操作过程， 操作过程中，各参数（釜残液的量，组成，馏出液的 产量及组成等）均随时间而变化。操作过程的任一瞬 间气液两相总是处于平衡状态，但贮槽中馏出液的平 均组成与釜残液的组成只存在物料衡算关系，不存平 衡关系； 3、简单蒸馏设备流程简单，操作灵活方便。但需 投料、卸料，是分批操作，生产能力小，且不能得到 大量的高纯度的馏出液，只适应于小批量生产。