蒸馏技术-精馏基础知识

什么是汽液相平衡关系?1、纯组分的汽液相平衡：达到汽液相平衡时，液面上方蒸汽的压力称为该温度下纯组分A的饱和蒸汽压，pA0。2、二元混合物的汽液相平衡：pA<pA0pB<pB0。。。。。。。。。。。AB××××××A双组分溶液的汽液相平衡

化工单元操作技术（一）双组分理想物系的汽液相平衡在全部浓度范围内都服从拉乌尔定律的溶液称为理想溶液。气相为理想气体，液相为理想溶液的体系称为理想物系。满足理想气体状态方程道尔顿分压定律双组分溶液的汽液相平衡

化工单元操作技术1.拉乌尔定律在一定温度下，汽液两相达到平衡时，溶液上方汽相中任意组分的分压值等于该组分在纯态时，相同温度下的饱和蒸汽压与该组分在液相中的摩尔分数之积。用数学式表达为：式中：pA、pB——溶液上方A、B组分的平衡分压，Pa;

poA、poB——溶液温度下纯组分饱和蒸汽压，Pa;xA、xB——溶液中组分A、B的摩尔分数。双组分溶液的汽液相平衡

化工单元操作技术2.双组份理想物系的汽液相平衡（1）压强组成图(p-x图)汽相为理想气体：液相为理想液体：以x表示易挥发组分的摩尔分数，则：整理得:双组分溶液的汽液相平衡

化工单元操作技术压强组成图(p-x图)p0x→1ppApBt一定poApoB拉乌尔定律:pA=pAoxpB=pBo(1-x)p=pA+pB道尔顿定律:y

=pA/p根据相律:在t确定以后,已知x,则y和p便可以确定。双组分溶液的汽液相平衡

化工单元操作技术泡点方程（bubble-pointequation）

poA、poB取决于溶液温度，即平衡物系的液相组成仅与总压和温度有关。当总压一定时，液相组成与溶液温度存在一一对应关系。（2）温度组成图(t-x-y图)当汽相为理想气体时显然，平衡物系的汽相组成也仅与总压和温度有关。当总压一定时，汽相组成与溶液温度存在一一对应关系，上式又称为露点方程（dew-pointequation）。双组分溶液的汽液相平衡

化工单元操作技术

t-x(y)图代表的是在总压P一定的条件下，相平衡时汽（液）相组成与温度的关系。在总压一定的条件下，将组成为x的溶液加热至该溶液的泡点tA，产生第一个气泡的组成为yA。继续加热，随温度升高，物系变为互成平衡的汽液两相，两相温度相同组成分别为yA

和xA

。t/

Cx(y)01.0露点线泡点线露点泡点xAyAx汽相区液相区两相区当温度达到该溶液的露点，溶液全部汽化成为组成为yA=x的气相，最后一滴液相的组成为xA。温度组成图(t-x(y)图)双组分溶液的汽液相平衡

化工单元操作技术a.泡点、露点的确定b.易挥发和难挥发组分沸点的确定c.混合溶液气液平衡组成的确定溶液开始沸腾产生第一个汽泡的温度称为泡点；混合气体开始冷凝产生第一滴液滴的温度称为露点。如图F、E两点为纯苯和纯甲苯的沸点。当混合液的状态点为点K时，物系被分成互成平衡的气液两相，其气、液相组成y、x可用G、L两点横坐标表示。温度组成图(t-x(y)图)应用常压下苯－甲苯物系的t－x－y图

双组分溶液的汽液相平衡

化工单元操作技术（3）x-y图

x-y图代表在总压一定下，液相组成和与之成平衡的汽相组成的关系。

x-y图可通过t-x(y)图作出，图中对角线(y=x)为一参考线。大多数溶液，两相平衡时，y总是大于x，平衡线位于对角线上方。平衡线偏离对角线越远，该溶液越易分离。恒沸点时，x-y线与对角线相交，该点处汽液相组成相等。双组分溶液的汽液相平衡

化工单元操作技术（4）挥发度及相对挥发度溶液中各组分的挥发性由挥发度来量衡，定义为组分在汽相中的平衡蒸汽压与在液相中的摩尔分数的比值。对双组分物系：对纯组分液体，其挥发度就等于该温度下液体的饱和蒸汽压。溶液中两组分挥发度之比称为相对挥发度，用

表示双组分溶液的汽液相平衡

化工单元操作技术当操作压强不高，气相服从道尔顿分压定律时，上式可改写为：

大小可以判断能否用蒸馏方法加以分离以及分离的难易程度。对双组分物系有yB=1-yA，xB=1-xA，代入并略去下标A可得——相平衡方程双组分溶液的汽液相平衡

化工单元操作技术对理想溶液，组分的挥发度

=

p

o

，所以

值随温度变化相对较小，在一定的温度范围内，常取

的平均值用于相平衡计算。若已知两组分的相对挥发度，可由上式确定汽液平衡组成。

>1，表示组分A较B易挥发；

值越大，两个组分在两相中相对含量的差别越大，越容易用蒸馏方法将两组分分离；若

=1，yA=xA，此时不能用普通蒸馏方法分离该混合物。双组分溶液的汽液相平衡

化工单元操作技术严格地说没有完全理想的物系。对那些性质相近、结构相似的组分所组成的溶液，如苯-甲苯，甲醇-乙醇等，可视为理想溶液；若汽相压力不太高，可视为理想气体，则物系可视为理想物系。对非理想物系不能简单地使用上述定律。汽液相平衡数据更多地依靠实验测定。（二）非理想物系的汽液相平衡双组分溶液的汽液相平衡

化工单元操作技术汽液相平衡图双组分溶液的汽液相平衡

化工单元操作技术简单蒸馏也称微分蒸馏，间歇非稳态操作(unsteadybatchoperation)，在蒸馏过程中系统的温度和汽液相组成均随时间改变。分批加入蒸馏釜的原料液持续加热沸腾汽化，产生的蒸汽由釜顶连续引入冷凝器得馏出液产品。釜内任一时刻的汽液两相组成互成平衡。y原料液x蒸气xD1xD2xD3冷凝器1.定义

简单蒸馏

化工单元操作技术

任一时刻，易挥发组分在蒸汽中的含量y始终大于剩余在釜内的液相中的含量x，釜内易挥发组分含量x由原料的初始组成xF­沿泡点线不断下降直至终止蒸馏时组成xE，釜内溶液的沸点温度不断升高，蒸汽相组成y也随之沿露点线不断降低。简单蒸馏

化工单元操作技术t/

Cx(y)01.0露点线泡点线xAyAxF2.简单蒸馏的计算

设d

时间内由塔顶引出的蒸汽量为dV(kmol)，釜液变化量为dW(kmol)；

时刻釜内液体量为W(kmol)，汽、液相组成为y、x；

+d

时刻釜内液体量及组成为W+dW(kmol)及x+dx。在d

时间内由物料衡算可得：整理上两式，略去高阶微分项，得：在操作初始的W1、x1至终止时刻的W2、x2间积分上式得注：上式中y与x互成平衡，因此只要有汽、液两相的平衡关系，就可求出上式的积分项，得到任意时刻釜液量与组成的关系式。简单蒸馏

化工单元操作技术在釜液由F蒸馏减少至W2期间，釜内蒸馏出的液量D（kmol）及平均组成xm可根据整个过程的物料衡算求得。总物料衡算：易挥发组分的衡算：利用相平衡关系积分可得：两式联解即可求得D和xm。简单蒸馏

化工单元操作技术例对某两组分理想溶液进行简单蒸馏，已知xF=0.5（摩尔分率），若汽化率为60%，试求釜残液组成和馏出液平均组成。已知常压下该混合液的平均相对挥发度为2.16。解：设原料液量为100kmol，则

D=100×0.6=60kmolW=F-D=100-60=40kmol

因该混合液平均相对挥发度为α=2.16，则可用下式求釜残液组成x2，即解得x2≈0.328简单蒸馏

化工单元操作技术馏出液平均组成可由式求得，即简单蒸馏

化工单元操作技术1.定义平衡蒸馏是液体的一次部分汽化或蒸汽的一次部分冷凝的蒸馏操作。生产工艺中溶液的闪蒸分离是平衡蒸馏的典型应用。闪蒸操作流程：一定组成的料液被加热后经节流阀减压进入闪蒸室，液体因沸点下降变为过热而骤然汽化，汽化耗热使得液体温度下降，汽、液两相温度趋于一致，两相组成趋于平衡。由闪蒸室塔顶和塔底引出的汽、液两相即为闪蒸产品。闪蒸罐塔顶产品yAxA加热器原料液塔底产品Q减压阀平衡蒸馏

化工单元操作技术闪蒸过程可通过物料衡算、热量衡算及相平衡关系求解所需参数。下面以两组分混合液连续稳定闪蒸过程为例给予说明。2.平衡蒸馏的物料衡算

总物料衡算式中：F、D、W——进料流率和出塔汽.液相产物的流率，kmol/s；

xF、yD、xW——料液组成以及出塔汽、液相产物的摩尔分数。易挥发组分的物料衡算两式联立可得闪蒸罐D,yD,teyD加热器F,xF,tF

W,xW,teQ减压阀xWt0平衡蒸馏

化工单元操作技术若设液相产物占总加料量的分率为q，即W/F=q，则汽化率为D/F=(1-q)，代入上式整理可得上式表示了汽化率与汽、液相组成的关系。平衡蒸馏过程可认为经部分汽化或部分冷凝后所得的汽液两相呈平衡，即yD~xW符合平衡关系。若已知进料组成xF和生产任务所要求的汽化率(1-q)，结合物料衡算式可求得汽液相组成yD、xW。平衡蒸馏

化工单元操作技术料液由进料温度tF升至t

需供给的热量Q为闪蒸后，料液温度由t降至平衡温度te，若不计热损失，则料液放出的显热全部用于料液的部分汽化所需的潜热，即3.热量衡算通过以上诸式，在q为已知的条件下，由物料衡算与相平衡关系求得yD、xW后，由温度-组成相图求te，进而求t。汽化量大，(1-q)值大，闪蒸前料液温度需加热至更高的t

值。由上式可得平衡蒸馏

化工单元操作技术简单蒸馏（simpledistillation）加热精馏过程如何实现？精馏原理

化工单元操作技术（一）多次部分汽化和部分冷凝原料V1,y1L1,x1V2,y2V3,y3L3,x3L2,x2L’2,x’2V'2,y'2L’3,x’3V'3,y'3y2>y1y3>y2x'2<x1x'3<x'2高浓度易挥发组分（轻组分）高浓度难挥发组分（重组分）第1级第2级第3级第2'级第3'级精馏原理

化工单元操作技术上述的汽-液相浓度变化情况可以从图中清晰地看到：因此