化工原理 第六章 蒸馏(传质过程)

B A
pA P yA
pA po A xA yA P P
x（y）
总压P，温度t，液相组成x，气相组成y，只需知道任意2个 变量，均可求解出其它2个变量 15
气液相平衡图（y-x图）
温度-组成（t-x-y)图
y -x 图
y2
t1 t2
x
1
y1
x y1 y2
2
x
1
x
2
16
y -x 图
蒸馏计算中，经常应用 一定外压下的y-x图。 图中对角线为x=y的直 线，作查图时参考用。 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 角线上方，平衡线偏离 对角线愈远，表示该溶 液愈易分离。
10
理想溶液气液相平衡
在恒压和不同温度下，汽 液两相达到相平衡时液相 组成与汽相组成的关系， 称为温度-组成图（t-xy) ，其是分析蒸馏原理的 理论基础。 在总压P=101.3kPa下,苯甲苯混合液的温度-组成图 (t-x-y)如图所示。x和y均 为易挥发组分苯的摩尔分 数。
t
t5 t4 t3 t2 t1
3
蒸馏操作的分类
蒸馏（无液体回流） 简单蒸馏（间歇操作） 平衡蒸馏（连续操作） 精溜（有液体回流，产品纯度高） 恒沸精馏 萃取精馏
4
蒸馏操作的分类
压力 常压蒸馏 减压蒸馏 加压蒸馏 组分 双组分蒸馏 多组分蒸馏 连续性 间歇蒸馏 连续蒸馏
5
本章重点讨论的常压下两组分混合物的连续精溜。
9
根据溶液中同分子间的与异分子间的作用力的差异，可将溶 液分为理想溶液和非理想溶液两种。 理想溶液：在全部浓度范围内均符合拉乌尔定律的溶液。
在两组分的理想溶液中，组分A、B分子间作用力与纯组分A的分子间 作用力或纯组分B的分子间作用力相等。两组分的饱和蒸汽压均可用 拉乌尔定律表示。
严格地说，理想溶液是不存在的。但是，对于那些由性质极 相近、分子结构极相似的组分所组成的溶液可视为理想溶液。 对于非理想溶液可用修正的拉乌尔定律或实验数据来表示气 液平衡关系。
原料
V0
冷凝器
加热器
L
' 0
wk.baidu.comL1
' L1
L2
V
' 1
V2'
加热器
加热器
' L2
30
精馏原理：多次部分气化、部分冷凝
t
A4
A3
A2 A1
B1
A
B2 B3 B4
x
31
精馏塔
化工厂中的精馏操作是在直 立圆形的精馏塔内进行的。 塔内装有若干层塔板或充填 一定高度的填料。尽管塔板 的型式和填料的种类很多， 但塔板上液层和填料的表面 都是气液两相进行热交换和 质交换的场所。
现场
32
连续精馏流程图
组成：
塔体、塔板(填料)、再沸器、 冷凝器
温度分布规律
塔底温度最高，越往上温度 越低，塔顶温度最低。
气液组成的变化规律
越往上易挥发组分含量越高， 越往下难挥发组分含量越高。
理论板
离开塔板的气液两相达到平 衡状态且液相组成均匀一致 时，该塔板称为理论板。
演示
37
xn
xn 1 yn 1 yn
第四节 双组分连续精馏计算
38
物料衡算
F—原料(液)摩尔流量，kmol/h； D—馏出液摩尔流量，kmol/h； W—釜残液摩尔流量，kmol/h； 总物料衡算 易挥发组分的物料衡算
D xD F xF
F D W
D F ( xF xW ) xD xW
F
W
D1 D2 D3
动画演示
26
简单蒸馏 特点： 一次加料，釜内及 馏出液的含量不断 变化， 得不到纯组分。— —不稳定过程。 适用于： 沸点差较大的混合 液； 分离含量要求不高 的情况； 粗加工过程。
F
W
D1 D2 D3
27
平衡蒸馏（闪蒸） 特点： 连续性操作 低温沸腾 平衡产物含量不高 产物含量不随时间变化。 适用于：粗略分离的物料。
FxF DxD WxW
馏出液采出率 D/F 釜液采出率 W/F xF xW xD xW
W xW
xD xF xD xW
DxD D 100% FxF
t
t5 t4 t3 t2 t1
E D
C
B A
x（y）
温度-组成图（ t-x-y 图）
13
泡点温度与饱和液 体线（泡点线）
露点温度与饱和蒸 气线（露点线） 通常，t-x-y关系的 数据由实验测得。 对于理想溶液，也 可用纯组分的饱和 蒸气压数据按拉乌 尔定律及理想气体 分压定律进行计算。
xn 1
n 1
yn xn yn 1
n
n 1
T-x(y) 图
t 假设蒸汽和液体充分接触，并在离 n 1 开第 n 层板时达到相平衡，则 yn 与 xn t n t n 1 平衡，且yn>yn+1，xn<xn-1。
这说明塔板主要起到了传质作用， 使蒸汽中易挥发组分的浓度增加， 同时也使液体中易挥发组分的浓度 减少。
vA 、vB —组分A、B 的挥发度。
20
对理想溶液，符合拉乌尔定律
vA = pA / xA = pA0 xA / xA = pA0 vB = pB0
即，理想溶液中, 各组分的挥发度等于其饱和蒸汽压。
21
相对挥发度
相对挥发度定义：溶液中两组分挥发度之比。
A pA / x A B pB / x B
t5 t4 t3 t2 t1
E D
C
B A
x（y）
温度-组成图（ t-x-y 图）
12
上述的两条曲线将tx-y图分成三个区域。
液相线以下的区域 代表未沸腾的液体, 称为液相区 气相线上方的区域 代表过热蒸气,称为 过热蒸气区； 二曲线包围的区域 表示气液同时存在, 称为气液共存区。
动画演示
28
精馏
精馏就是多次而且同时运用部分气化和冷凝的方 法，使混合液得到较完全分离，以获得接近纯组 分的操作。 精馏操作就是在同一设备内多次而且同时运用部 分气化和冷凝的方法，以得到接近于纯的易挥发 组分和接近于纯的难挥发组分的操作。
29
精馏原理：多次部分气化、部分冷凝
V1
冷凝器
V2
33
连续精馏流程图
理论板数
所谓理论板是指离开这种板的气液两相互成平衡， 而且塔板上的液相组成也可视为均匀一致的。
实际上，由于塔板上气液间接触面积和接触时间是 有限的，因此在任何型式的塔板上气液两相都难以 达到平衡状态，也就是说理论板是不存在的。理论 板仅是作为衡量实际板分离效率的依据和标准，它 是一种理想板。
E D
C
B A
x（y）
11 温度-组成图（ t-x-y 图）
图中以t为纵坐标,以液 相组成x或气相组成y为 横坐标。 上方曲线为t-y线，表 示平衡温度与气相组成 y的关系，称为气相线 或饱和蒸气线。 下方曲线为t-x线，表 示平衡温度与液相组成 x的关系，称为液相线 或饱和液体线。
t
17
t-x-y图随压强变化较 大。 若总压变化范围为20～ 30%，x-y平衡线的变动 通常不超过2%。因此在 总压变化不大时，压力 的影响可忽略。
蒸馏中使用 y-x 图较 t-x-y图更为方便。
18
双组分非理想溶液
乙醇-水(78.3℃,100℃) 硝酸-水(86℃,100℃)
t
正偏差
24
α＝1时，y＝x（即对 角线）。 α值越大，同一液相组 成x对应的值y越大，可 获得的提浓程度越大， 分离程度越好。因此α 的大小可作为用蒸馏分 离某物系的难易程度的 标志。
25
第三节
蒸馏及精馏原理
简单蒸馏 使混合液在蒸馏釜 中逐渐受热气化，并 不断将生成的蒸气引 入冷凝器，以达到混 合液中各组分得以分 离的方法，称为简单 蒸馏或微分蒸馏。
23
理想溶液的α值仅依赖于各纯组分的性质。 纯组分的饱和蒸汽压 pA0， pB0均系温度t的函数，且随温 度的升高而加大，因此 α原则上随温度而变化。
但对理想溶液来说，α值随温度变化不大，因而可在操
作的温度范围内取相对挥发度的几何均值并将其视为常 数，这样利用相平衡方程就可方便地算出 y ～x 平衡关系。
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精馏流程图
典型的连续精馏流程如图所示.预 热到一定温度的原料液送入精馏塔 的进料板,在每层塔板上, 液体与 上升蒸气互相接触, 进行热和质的 传递. 塔顶冷凝器的作用: 获得塔顶产品 及保证有适宜的液相回流. 再沸器的作用: 提供一定量的上升 蒸气流. 精馏段:加料板以上的塔段.上升汽 相中重组分向液相传递，液相中轻 组分向汽相传递，完成上升蒸气轻 组分精制。 提馏段:加料板及其以下的塔段.下 降液体中轻组分向汽相传递，汽相 中重组分向液相传递，完成下降液 体重组分提浓。
连续精馏流程图
35
动画演示
36
塔板的作用
以第n层板为例来说明塔板的作用， 其上为第 n-1 层板，其下为第 n+1 层 板。 来自 n-1 层板组成为 xn-1 的液体与来 自n+1层板组成为yn+1的蒸汽在第n层 板上接触。 由于 xn-1 与 yn+1 不平衡，而且蒸汽的 温度（ tn+1 ）比液体的温度（ tn-1 ） 高，所以，组成为 yn+1 的蒸汽在第 n 层板上部分冷凝，并使xn-1的液体部 分汽化。
蒸馏（精溜）是气液两相间的传质过程， 传质过 程是以两相达到相平衡为极限的。因此，气液相平 衡关系是分析蒸馏（精溜）原理和进行设备计算的 理论基础。
6
第二节
双组分溶液的气液相平衡
溶液的蒸汽压
饱和蒸汽压：密闭容器中，一定温度下，纯组分 液体的汽液两相达到平衡状态，称为饱和状态。其 蒸汽为饱和蒸汽，其压力为（饱和）蒸汽压。 气液相平衡：单位时间从液相进入气相的分子数 与从气相进入液相的分子数相等。
2
气体吸收与蒸馏
气体的吸收与液体的蒸馏同为传质操作，但是二者有 重要的差别。 一般说来，为使均相混合物分离成较纯净的组分，必 须出现第二个物相。吸收操作中采用从外界引入另一 相物质（吸收剂）的办法形成两相系统。蒸馏操作中 采 用改变状态参数的办法（如加热与冷却），使混合 物系内部产生出第二个物相。 因此，经过蒸馏（精馏）操作可以直接获得较纯净的 轻、重组分；但对于吸收操作，如要取得较纯净的溶 质组分，还需经过第二个分离操作才能实现。
7
饱和蒸汽压为液体挥发能力大小的一个属性， 对特定液体来说，其为温度的函数。
纯组分液体的饱和蒸汽压可用安托因经验方程 表示：
B log p A tc
o
p0——纯组分液体的饱和蒸汽压 t ——温度 A,B,C ——安托因常数
8
液体混合物的饱和蒸汽压？ 拉乌尔定律
在一定温度下的稀溶液，当其汽液两相达到平衡时， 气相中任一组分的分压等于此纯组分在该温度下的 饱和蒸汽压与它在溶液中的摩尔分数的乘积。 PA= PA0 xA 适用范围：稀溶液或由性质、结构极相似的物质构 成的任意浓度的溶液，如苯-甲苯，甲醇-乙醇，烃 类同系物等。
液相线（泡点线） 气相线（露点线） t
t5 t4 t3 t2 t1
E D
C
B A
x（y）
温度-组成图（ t-x-y 图）
14
温度组成图（t-x-y）
t
P = p A + pB = pA0 xA + pB0（1 - xA）
t5 t4 t3 t2 t1
E D
C
P p xA 0 pA p
0 B 0 B
X=0.894 78.15℃
t
121.9℃
X=0.383
负偏差
x y
x y
y
y
x
x
19
挥发度与相对挥发度
挥发度：表示某种溶液易挥发的程度。 若为纯组分液体时，通常用其当时温度下饱和蒸 气压PA°来表示。 若为混合溶液时，各组分的挥发度，则用它在一 定温度下蒸气中的分压和与之平衡的液相中该组 分的 摩尔分数之比来表示， vA = pA / xA vB = pB / xB
第六章
蒸馏
1
第一节
概述
蒸馏是一种质量传递过程（传质过程），其 是利用液体混合物中各组分挥发性的差异来 分离液体混合物的传质过程。 蒸馏操作用于均相液体混合物的分离 , 达到 提纯或回收组分的目的。
易挥发组分:通常将沸点低的组分称为易挥发组分（轻组分）。 难挥发组分：通常将沸点高的组分称为难挥发组分（重组分）。
理想溶液 p / p
0 A
0 B
22
气液相平衡方程 （相对挥发度α表示）
当压力不太高时，根据分压定律有：
A pA / x A B pB / x B
yA xA 1 xA 1 yA
p yA / xA p yB / xB
x y 1 ( 1) x