化工原理 第十章 蒸馏

γ i＜ 1
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第二节 蒸馏方式
一、简单蒸馏（ Simple 简单蒸馏（ 1、流程及原理 、
distillation） ）
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简单蒸馏是一 个非稳态过程，并 不简单！ 又名微分蒸馏 微分蒸馏
（differential distillation） ）
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2、计算 、
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二、精馏原理
的难挥发组分
1、液体混合物经过多次部份汽化后可变为高纯度 、
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t2
y2 x2 x1 y1
t1
tf
x2
x1
xf
x f ＞x1＞x2
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2、汽体混和物经过多次部分泠凝后可变为高纯 、 度的易挥发组分
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tf
t1
x1
y1
t2
相对挥发度的数值可由实验测得。 对理想溶液：
vA po A α= = o vB pB
理想溶液中组分的相对挥发度等于同温度下两组分的 泡和蒸汽压之比。 当t变化时，两者的变化不大，一般可将α视为常数，计 算时可取操作温度范围内的平均值。
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若操作压强不高，气相遵循道尔顿分压定律
pA yA = pB yB
x2 = 0.411
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F 1 x1 1− x2 ln = ln +α ln W α −1 x2 1− x1
1 0.5 1− 0.411 = ln 0.411 + 2.47ln 1− 0.5 2.47
= 0.4088
F ∴ =1.505 W
设馏出液的平均组成为 y
pi vi = xi
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pA po xA o 对于理想溶液：vA = = A = po vB = pB A xA xA
pA pB v , vB = 对于非理想溶液： A = xA xB
2、相对挥发度 、
溶液中易挥发组分的挥发度与难挥发组分的挥发度之 比，用α表示。
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pA vA xA pAxB α= = = vB pB pB xA xB
不能用普通蒸馏的方法分离混合液。 α =1 时， y = x。 α可作为混合液能否用蒸馏方法分离以及分离难易程度的 能否用蒸馏方法分离以及分离难易程度的 判据。 判据。
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四、汽液相平衡图 1、温度 组成 t − x − y 图) 组成( 、温度—组成
•两条线 两条线 •三个区 三个区 •三种点 三种点
t1 < t2 < ......tn−1 < tn < tn+1 < ...
y1 > y2 > ......yn > yn+1 > ...
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塔板——中间再沸器和中间部分冷凝器 中间再沸器和中间部分冷凝器 塔板
汽流——热源 热源 汽流 液流——冷却剂 冷却剂 液流
tn+1
tn−1
t
xn
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P
=
P
x
—由拉乌尔定律表示的气液平衡关系 由拉乌尔定律表示的气液平衡关系
三、挥发度和相对挥发度
1、挥发度 、
• 对纯液体，挥发度指该液体在一定温度下的饱和蒸汽压 ：
o vA = po , vB = pB A
• 对混合液，挥发度为组分在蒸气中分压和与之平衡的液相 中的摩尔分率之比：
•对于理想溶液 ，平衡关系用
αx y= 1+ (α −1)x
表示，
1− x2 F 1 x1 ln = ln +α ln W α −1 x2 1− x1
•若操作范围内平衡线可近似地看作直线
y = mx + b
F 1 (m −1)x1 + b ln = ln W m −1 (m −1)x2 + b
第一节 二元物系的汽液相 平衡
第十章 蒸 馏
第二节 蒸馏方式 第三节 精馏原理和流程 第四节 两组分连续精馏的分析和计算
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第一节 二元物系的汽液相平衡 一、概述
1、蒸馏的原理 、
利用混合物在一定压力下各组分相对挥发度（沸点）的 不同进行分离的一种单元操作。 易挥发组分 ：沸点低的组分 难挥发组分 ： 沸点高的组分
y2
x2
y f y1 y2
y f ＜y1＜y2
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3、精馏是多次部分汽化与多次部分冷凝的联合操作 、
•精馏塔由若干块塔板构成，每块塔板均为理论板，其上温 度为泡点 ； •人为地安排 x > x2 1 则液体的温度
> ...... > xn−1 > xn > xn+1 > ......
设： F、wD ——釜内的料液量和残液量，kmol； x1、x2——料液和残液中易挥发组分组成（摩尔分率） L——某一瞬间釜内的液量，kmol； x、y——某一瞬间的液气组成，（摩尔分率）； 经过微分时间dt后，残液量减少dL，液相组成减少dx。 以蒸馏釜为衡算系统 对易挥发组分，dt前后的微分物料衡算为：
Lx = ydL + (L − dL)(x − dx)
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0 = ( y − x)dL − Ldx + dLdx
( y − x)dL = Ldx
dL dx ∴ = L y−x
积分
F ∫W
dL x1 dx = ∫x2 L y−x
F x1 dx ln = ∫x2 W y−x
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Dy = Fx1 −Wx2
W 0.411 Fx1 −Wx2 x1 − x2 0.5 − F 1.505 y= = = F −W W 1 1− 1− F 1.505
= 0.676
在相同的原料液浓度及相同釜液的条件下，简单蒸馏 简单蒸馏 所得到的馏出液浓度高于平衡蒸馏， 所得到的馏出液浓度高于平衡蒸馏，而平衡蒸馏的优点是 连续操作，但其分离效果不如间歇操作的简单蒸馏。
pAxB yAxB y(1− x) α= = = pBxA yB xA (1− y)x y)
αx y= 1+ (α −1)x
——气液平衡方程 气液平衡方程
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αx 由 y= 知， 1+ (α −1)x
组分A较B易挥发，可以用蒸馏方法分离 α >1 时，y > x。
α >>1时，挥发度差异愈大，愈有利于蒸馏操作。
αx y= 1+ (α −1)x
te = f ( x)
已知原料液流量F，组成xF，温度tF及汽化率 ，即可求 得平衡的汽液相组成及温度。
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例1：在常压下对苯与甲苯二元理想溶液分别进行平衡蒸 ： 馏与简单蒸馏。若原料液中苯的浓度为0.5（摩尔分率）。 物系的相对挥发度为2.47。试求： 1）用平衡蒸馏方法分离，当汽化率为 0.4时，釜液与馏 出液的组成。 2）用简单蒸馏方法分离，使釜液浓度与平衡蒸馏相同， 所得馏出物中苯的平均组成。 解：1） ）
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第三节 精馏原理和流程
一、精馏（fractionation)的流程与装置 精馏（ 的流程与装置 1、流程 、
冷凝器
精 馏 塔 器
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xF = 0.4 F
xD = 0.98
xW = 0.02
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精馏段 进料板
提馏段 1、为什么称精馏？ 2、为什么称提馏？
常压 按操作压强 加压
一般情况下多用常压 常压下不能分离或达不到分离要求
减压 双组分 混合物中组分 多组分 间歇 按操作方式 连续
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二、拉乌尔定律 理想溶液 aAB = aAA = aBB
溶液 非理想溶液
1、拉乌尔定律 、
pA = po xA = p0 x A A
o 0 pB = pB xB = pB (1− x)
若平衡线为过原点的直线， = mx y
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x1 F 1 ln = ln W m −1 x2
•
若平衡关系不能用简单的数学式表示，可以应用图解积
分或数值积分。
y 馏出液的量D及组成平均组成
D = F −W
Dy = Fx1 −Wx2
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二、平衡蒸馏（Equilibrium 平衡蒸馏（ distillation） ）
x越大，易挥发组分 的含量越高，泡点温 度越低。 ● ● ●
●露点（dew point ） 露点（ y越大，易挥发组分含量
越高，露点温度越低。
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汽液两相处于 平 衡 时， 两相温 度 相 同 ， 此 时气相 组 成大于液相组成； 当汽液两相组 成相同时，气相露 点温度总是高于液 相的泡点温度。
2）热量衡算 ） 对加热器作热量衡算，若忽略加热器的热损失
Q = Fcp (T − t f )
原料液节流减压后进入分离器，物料放出的显热等于 部分气化所需的潜热
Fcp (T − te ) = (1− q)Fr
原料液离开加热器的温度 ： T
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r = te + (1− q) cP
3）汽液平衡关系 ）
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xn−1yn+1 n y
易挥发组份由液相向汽相传递，难挥发组份由汽相向液相传递 易挥发组份由液相向汽相传递，
L
D
R=L D
再沸器
1、为什么要回流？ 2、为什么要再沸？
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第四节 两组分连续精馏的分析和计算
一、理论板及恒摩尔流 1、理论板 、
离开这种板的气液两相互成平衡，而且塔板上的液相组 成也可视为均匀的。
F F y = (1− )x + xF D D
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W 液化分率 = q ——液化分率 令 F
D ∴ =1− q F
xF q y= x− q −1 q −1
——汽液相平衡组成的关系 汽液相平衡组成的关系
q 在x-y图上 ，代表通过点（xF， xF）且斜率为 的直线。 q −1
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2、操作关系 、
yn+1与xn之间的关系
3、恒摩尔汽化 、
V =V2 = ...... =Vn =V 1
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V =V2 = ......Vm =V′ 1
′
′
′
4、恒摩尔溢流 、
L = L2 = ...... = Ln = L 1
L = L2 = ...... = Lm = L′ 1
5、恒摩尔流假设的条件 、
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p ,p
o A
o B
可由Antoine方程计算或从手册中查
B ln p = A− t +C
当溶液沸腾时，溶液上方的总压等于各组分的蒸气压之和
o P = pA + pB = po x + pB (1− x) A
o P− P ∴x = o Bo P −P A B pA po A =
y
1、原理与流程 、
使混合液体 部分气化，并使 汽液两相处于平 衡状态，然后将 气液两相分开。 又名闪蒸（flash distillation） 闪蒸（ 闪蒸 ）
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2．计算 ．
1）物料衡算 ） 对总物料：
F = D +W
对易挥发组分：FxF = Dy +Wx
∴FxF = Dy + (F − D)x
（1）各组分的摩尔汽化潜热相等； （2）气液接触时因温度不同而交换的显热可以忽略 ； （3）塔设备保温良好，热损失可以忽略。
αx 2.47x y= = 1+ (α −1)x 1+1.47x
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因为汽化率f=0.4，q=0.6 物料衡算式为：
xF q 0.6 0.5 y= x− = x− q −1 q −1 0.6 −1 0.6 −1
= −1.5x +1.25
x = 0.411, y = 0.634
2）简单蒸馏终了时的釜液浓度与平衡蒸馏时相同
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t
• t-x-y 图与蒸馏原理
tE
E
xE
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xF
yE
2、x-y 图 、
•
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平衡线位于对角线的上方，平衡线偏离对角线愈远，
表示该溶液愈易分离。
五、非理想溶液
正偏差溶液 最低恒沸点 如：乙醇－水，正丙醇－水
γ i＞ 1
非理想溶液
负偏差溶液
最高恒沸点 如：硝酸－水，氯仿－酮
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•两条线 两条线
表示混合液的 平衡温度和气 露点线 泡点线 相组成之间的 关系，t-y线，
表示混合液的 平衡温度和液 相组成之间关 系，t-x线 。
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•三个区 三个区
过热蒸汽区
液相区
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沸点（ ●沸点（boiling point ） ●泡点（bubble point ） ● 泡点（
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乙醇水体系的蒸馏分离
汽相: 汽相 醇富集 冷凝 乙醇 产品
乙醇水
加热 液相: 液相 水富集
冷却
废水
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2、蒸馏的分类 、
简单蒸馏 平衡蒸馏 （闪蒸） 按蒸馏方式 精馏 恒沸蒸馏 特殊精馏 萃取蒸馏 水蒸汽蒸馏
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较易分离的物系或对 分离要求不高的物系 难分离的物系 很 难 分离 的 物系 或 用 普 通方 法 难以 分 离的物系