第 章 液体的蒸馏 几种蒸馏方法的分离原理

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。
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。
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）， 直至与点w相对应的yw为止。
B tw W
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。
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。
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 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。
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）。 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 为y1。
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。
对比图
图4
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。
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。
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：
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。
§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 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 分离器又称闪蒸罐（塔）。
平
衡
蒸
T
t
馏 装 置
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。
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 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， 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。
§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。
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 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
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 部完成了上升蒸汽的精制，故称为精馏段；而在进料板 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，到塔底的液相中难挥发组分浓度已很高， 所以塔的下半部完成了下降液相的提浓，称为提馏段。
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。
设想将图1中的单级分离加以组合，变成如图2 所示的多级分离。
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。
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 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：
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 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 部分（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， 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。
将部分产品引回设备内称为回流。因此，回流是 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 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。
t2
t温
t1
度
2
tF
1 F’
F
0 xw x2 yw x1 xF y2 组成 x(y)
y1 yF
简 单 蒸 馏 操 作 原 理
ALeabharlann Baidu
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；