第七章 蒸馏

以 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， 表示。常省略下标用
α 表示。
则：
α A− B
α=
vA pA xA = vB pB xB
•
若操作压力 P 不高， 根据道尔顿分压定律
py A x A y A x A α= = py B x B y B x B
或
yA x =α A yB xB
三、精馏装置及精馏操作流程 如图7-8所示 精馏装置的构成： 精馏塔、塔顶冷凝器、塔底再沸器构成，原料预热器、回流液泵、产品冷却器等。
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。 加料板：原料液进入的那层塔板。 精馏段：加料板以上部分。 提馏段：加料板以下的部分（包括加料板）。 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。 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。
R L = R +1 V
截距:
xD R +1
（方法二）
过点a（xD，xD ）及点c（0， xD /(R+1)）的一条直线
•
（2）提馏段操作线方程
提馏段示意图如图7-11所示，同理对任意第m板和第m+1板 间以下塔段及再沸器作物料衡算式，即 总物料 易挥发组分
y
' m +1
L' = V ' + W
' ' L' x m = V ' y m +1 + Wx W

yA xA =α 1− yA 1 − xA
略去下标A，整理得：
αx y= 1 + (α − 1) x
即为汽液相平衡方程。
•
讨论：（1）对于理想溶液，则：
0 pA 0 pB
0 pA α= 0 pB
随温度而变化，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
α均 = α顶 ×α釜
r均 + c 均 (t 泡 − t F ) r均
r均 ——原料液的平均摩尔汽化热，kJ/kmol；
c均 ——原料液的平均摩尔比热容，kJ/(kmol·℃) t 泡 ——原料液的泡点，℃；
tF
=2； ——进料温度，℃。
则： L’=L+qF
V=V’+(1-q)F
根据q值得大小将进料分为五种情况。 1． 2． 3． 4． 5．
•
(e)过热蒸汽：V > V’ L’<L 设：q—进料热状态参数
q 的定义式为：
( L' − L) q= F
即每1kmol进料使得L’较L增大的摩尔数。 通过对加料板作物料及热量衡算，就能得到q值得计算式：
q=
将1kmol 将1kmol进料变为饱和蒸汽所需 的热量 1kmol原料液的汽化潜热
= 式中：
冷凝器
露点线 M’
y 原料液 t/°C M
泡点线 蒸气 x 1.0
0 图7-5 简单蒸馏流程
xA x(y) 图 7-6 简单蒸馏原理
yA
•
二、精馏原理 液体多次部分汽化同时进行汽体多次部分冷凝。 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。
α均 =
α顶 + α
2
釜
（2）相对挥发度表示溶液分离的难易程度。 若 若 若
α = 1 ， y=x,用普通蒸馏方法无法分离；
α >1
， y>x，易分离； B组分为易挥发组分，A组分为难挥发组分。
α p1 ，
• 一、简单蒸馏
第三节 简单蒸馏和精馏
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。 原理：混合液逐渐受热汽化，蒸汽不断引出。 其特点：间歇操作，产品浓度不稳定。
第七章 第一节 一、蒸馏及其在化工生产中的应用
蒸 馏 蒸馏的主要任务
蒸馏是分离均相物系最常用的方法和典型的单元操作之一，广泛地应用于化工、石 油、医药、食品、冶金及环保等领域 蒸馏——利用完全互溶的液体混合物中各组分沸点的差别（或挥发性的差别）实现 组分的分离与提纯的一种操作。 挥发性高的组分，即沸点较低的组分(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（称为难挥发组分或重组分） 蒸馏目的：对液体混合物的分离，提取或回收有用组分。 蒸馏依据：液体混合物中各组分挥发性的差异
L1 = L2 = L3 = L = L = 常数
' L1 = L'2 = L'3 = L = L' = 常数
注意：
不一定等于 L L'
L —精馏段任一塔板下降液体流量，kmol/h
L ′ —提馏段任一塔板下降液体流量，kmol/h
•
若恒摩尔流动假设成立，则有1kmol蒸汽冷凝，同时就必须有1kmol的液体气化。 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。 二、物料衡算和操作线方程 1．全塔物料衡算 连续稳定操作，故：
•
在正常操作下，液相为连续相，汽相为分散相。 液体靠重力自上而下流动；气体靠压力自下而上流动。 气液相逆流，传质及传热的推动力较大。 第二节 两组分溶液的汽液相平衡关系
一、理想溶液的汽液相平衡关系——拉乌尔定律 理想溶液：分子之间作用力相等；混合前后体积不变；无混合热效应（混合前后总 焓值不变）。 拉乌尔定律：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 以其在液相中的摩尔分数 即：
•
2．汽－液相组成图（y-x图） y-x图的绘制： 已知条件：操作总压、平衡数据。
步骤：（1）建立坐标系，作出y=x的对角线。 （2）由 x
A
= f (t ) y A = f (t )
将x和y对应点描点连线。 y-x图的讨论
（1）y>x，故y-x曲线在对角线之上 1 y>x y-x （2）互成平衡的气液组成点落在y-x曲线上 （3）操作压力越大，y-x曲线越靠近对角线， 分离越难进行 （4）x-y曲线上各点具有不同的温度 , 右上方温度低，左下方温度高 y-x图的应用：图解理论塔板数目。
p
0 等于此纯组分在该温度下的饱和蒸汽压 p 乘
x
0 pA = pA xA A组分：
B组分：
0 0 p B = p B x B = p B (1 − x A )
•
A表示易挥发组分，
B表示难挥发组分；
x
表示液相组成，
y
表示汽相组成。
根据道尔顿分压定律可得溶液上方汽相总压为：
0 p = p A + p B = p 0 x A + p B (1 − x A ) A
L' W ' = ' xm − ' xW L −W L −W
提馏段操作线方程 方程的物理意义： ' xm 方程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 与其相邻的下一块（即m+1）塔板上升蒸汽组成 y m +1 之间的关系。 式中的
'
L'
受加料量及进料热状况的影响。
•
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： V’>V L’>L (b) 饱和液体（泡点进料）: V’=V L’=L+F (c) 气液混合物：V > V’ L’>L （d）饱和蒸汽（露点进料）: L’=L V=V’+F
2．操作线方程 （1）精馏段操作线方程
（1）精馏段操作线方程
V = L + D Vyn +1 = Lxn + DxD
yn +1 =
令
L D xD xn + L+D L+D
L D
为回流比
R=
•
精馏段操作线方程 方程的物理意义：
y n +1 =
x R xn + D R +1 R +1
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。 精馏段操作线的绘制： （方法一） 斜率: 当R, D, xD为一定值时,该操作线为一直线。
•
三、相对挥发度 挥发度：表示溶液挥发的难易程度。 可以用气相中的某一组分的分压和与之平衡的液相中的摩尔分数之比来表示，即：
vA =
pA xA
vB =
讨论：（1）分压↑液相中的摩尔分数↓，则挥发度↑
pB xB
v （2）若为纯组分液体， A
α
= p 0 A vB = p 0 B
v = f (t )
挥发度随温度而变化。
描点连线得 t − x 描点连线得
曲线
0 （3）确定t- y对应关系。 y A = p A x A p
t − y 曲线
t-x-y图的构成： 两条线：
气相线（露点线）t − y 曲线； 液相线（泡点线） t 液相区 三个区域： 气-液共存区 气相区
−x
曲线
•
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； （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组分浓度减小，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; （7）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。 t-x-y图的应用： （1）确定温度-组成间的关系 （2）分析蒸馏及精馏原理