化工原理蒸馏

Chapter1Distillation

本章主要内容

1.蒸馏的基本原理2.常用的蒸馏方法，运用相关的基本理论和方法描述蒸馏过程。3.精馏主要设计变量或操作条件与分离过程关系。

4.选择适宜设计变量或操作参数，进行精馏塔设计和实际精馏过程的分析诊断。Introduction一、蒸馏的应用液体产品的精制汽油煤油柴油其他油品石油煤焦油苯甲苯二甲苯等蒸馏是分离液体混合物的一种方法，是传质过程中最重要的单元操作之一蒸馏分离操作实例：石油炼制中使用的250万吨常减压装置二、蒸馏分离的依据和目的液体混合物乙醇（沸点78℃）易挥发组分或轻组分（A）水（沸点100℃）难挥发组分或重组分（B）液体混合物加热部分汽化气相：yA,yB

液相：xA,xB

液相冷凝

yA>xA,yB<xB闪蒸罐塔顶产品yAxA加热器原料液塔底产品Q减压阀利用液体混合物中各组分（component）挥发性（volatility）的差异，以热能为媒介使其部分汽化，从而在汽相富集轻组分，液相富集重组分，使液体混合物得以分离的方法。蒸馏分离操作依据：蒸馏过程必要条件①加热或冷却使混合物形成气、液两相共存体系，为相际传质提供必要的条件；②各组分间挥发能力差异足够大，保证蒸馏过程传质推动力。目的：对液体混合物的分离，提取或回收有用组分。按物系的组分数双组分蒸馏多组分蒸馏简单蒸馏平衡蒸馏精馏

按蒸馏方式常压蒸馏加压蒸馏减压(真空)蒸馏按操作压力三、蒸馏过程的分类特殊精馏：简单蒸馏或平衡蒸馏：一般用在混合物各组分挥发性相差大，对组分分离程度要求又不高的情况下。精馏：在混合物组分分离纯度要求很高时采用。特殊精馏：

混合物中各组分挥发性相差很小，或形成恒沸液，难以或不能用普通精馏加以分离时，借助某些特殊手段进行的精馏。间歇精馏：多用于小批量生产或某些有特殊要求的场合。连续精馏：多用于大批量工业生产中。常压蒸馏：蒸馏在常压下进行。减压蒸馏：用于常压下物系沸点较高，使用高温加热介质不经济或热敏性物质不能承受的情况。减压可降低操作温度。加压蒸馏：对常压沸点很低的物系，蒸汽相的冷凝不能采用常温水和空气等廉价冷却剂，或对常温常压下为气体的物系（如空气）进行精馏分离，可采用加压以提高混合物的沸点。多组分精馏：例如原油的分离。双组分精馏：如乙醇-水体系的分离。本章着重讨论常压下双组分连续精馏。其原理和计算方法可推广应用到多组分体系。气液相平衡关系。对过程进行物料和热量衡算，关联流入与流出的物流及能流之间关系及塔内级间物流、能流的关系，进而确定给定条件下完成分离要求所需的理论板数，塔内物流流量、组成的分布。通过严格的模拟计算还可获得温度、物流性质等分布，为精馏塔设计提供工艺条件及数据。四、研究基本方法溶液的气、液相平衡蒸馏过程：气液两相间的传质过程；过程的极限：气、液相平衡。相平衡关系：两相或多相接触达平衡时，各相组成之间的关系。

第一节溶液气液相平衡

基本概念相律

F=C–Φ+2F－系统的自由度C－独立组分数

Φ－相数2－影响平衡的温度T和压力P对于蒸馏过程，C=2；Φ=2；F=2-2+2=2组分：A、B相数：气相、液相变量：

t、p、xA、yA规定其中的两个，则系统平衡状态即定。一般蒸馏压力恒定，故仅有一个自由度。

HeaterVaporLiquidyxP=pA+pByA+yB=1xA+xB=1

一定压力下，液相（气相）组成xA(yA)与温度t存在一一对应关系，气液组成之间xA~yA存在一一对应关系饱和蒸汽压达到相平衡时，溶液上方蒸汽的压力pi0为纯i组分饱和蒸汽压,pi0与温度T的关系由安托因(Antoine)公式求得：HeaterVaporLiquid理想溶液溶液中同分子间的作用力与异分子间的作用力相等。如：甲醇与乙醇，苯和甲苯，二甲苯和对二甲苯理想物系：液相为理想溶液，服从拉乌尔定律；气相为理想气体，服从道尔顿分压定律。pA,pB——溶液上方A、B组分的分压，Pa；pA0,pB0——溶液温度下纯组分的饱和蒸汽压，Pa；xA,

xB——液相中A、B组分的摩尔分率。1.拉乌尔定律（Raoult’sLaw）气液相平衡道尔顿分压定律：——泡点方程液相组成x与温度（泡点）的关系BubblepointlineBubblepointequation:气液两相平衡组成间的关系：气相组成yA与温度（露点）的关系——露点方程DewpointequationDewpointline

已知苯（A）和甲苯（B）的饱和蒸汽压可按Antoine公式计算：

试求总压力为101.3kPa下，苯－甲苯溶液在100℃时的汽、液相平衡组成。该溶液为理想溶液。

解题思路：（Antoine公式求得）1.1.2挥发度与相对挥发度

挥发度ν

衡量组分挥发能力的物理量纯组分：用饱和蒸汽压表示其挥发的难易程度。混合物：平衡分压与液相组成的比值为液相混合物的挥发度。相对挥发度α

混合液中易挥发组分的挥发度与难挥发组分的挥发度之比一般物系对于二元物系：yB=1-yAxB=1-xA——

相平衡方程①温度-组成图（t-x-y）理想体系气液相平衡关系图一、t-x-y相图体系的五种状态：冷液、饱和液体（泡点）、汽液共存、饱和蒸汽（露点）、过热蒸汽两条曲线上曲线：饱和蒸汽线，露点线（露点方程）下曲线：饱和液体线，泡点线（泡点方程）两个端点轻组分A沸点、重组分B沸点t/℃x(y)t-xt-yp=101.3kPatFFGtGECxCDyDtEIJtItJx001.01001108090苯-甲苯温度-组成图（1）部分汽化和部分冷凝均可起到分离作用；（2）全部汽化和全部冷凝没有分离作用（3）不断的部分汽化和冷凝可使分离程度不断提高；（4）蒸馏操作应处于汽液两相区内。二元混合物与纯液体的差别：（1）泡点与浓度有关，其值在A，B组分沸点范围之内。（2）总组成相同，其泡点和露点（冷凝点）温度不同。

混合液体的泡点随组成的变化而变化；其值在A，B组分沸点范围之内。同温度下，气液两相达平衡，气液量大小由

杠杆定律确定；同组成下，露点高于泡点。气、液平衡组成的x-y图标绘：略去温度坐标，依x-y的对应关系做图，得x-y图。对角线y=x为辅助曲线；x~y曲线上各点具有不同的温度；平衡线上不同点代表一个气、液平衡状态，即对应一组x、y、t，且y(或x)越大，t愈低组成均以易挥发组分的组成表示，故曲线位于对角线上方平衡线离对角线越远，挥发性差异越大，物系越易分离。对于理想溶液：α的物理意义

α值的大小可反映分离的难易程度若α>1,则y>x

,可用蒸馏方法分离，且α愈大，平衡线愈远离对角线，混合物系愈易分离；

若α=1,则y=x,无法用普通蒸馏方法分离。α的影响因素

理想体系的α仅与温度有关,与组成无关在一定温度范围内,α可近似为常数

增加压力,α下降,分离难度增加温度↑，各组分蒸汽压↑，蒸汽压之比变化缓慢，故相对挥发度αih随温度变化缓慢，在一定温度范围内可由其平均值代替。温度对α的影响常压下苯、甲苯的相对挥发度随温度的变化压力增加，平衡线靠近对角线，分离难度大三、压力对相平衡的影响压力对相平衡的影响P↑，t↑，

↓，对分离不利，

P↓，t↓，

↑，对分离有利。

故蒸馏压力的选择，优先考虑采用常压操作，只在特殊情况下采用加压（处理量增加，塔径不够）或减压（热敏性物料）。非理想体系的气、液相平衡关系具有正偏差的溶液

一般正偏差：pA>pA理，pB>pB理，介于pAo、pBo

之间。平衡分压高于拉乌尔定律的计算值，泡点下降。平衡分压低于拉乌尔定律的计算值，泡点升高。

pA<pA理，pB<pB理。具有负偏差的溶液

具有恒沸点的溶液当正、负偏差较大时，出现恒沸点。正偏差：最高蒸汽压，具有最低恒沸点；负偏差：最低蒸汽压，具有最高恒沸点。硝酸－水溶液相图负偏差溶液：x=0.383，最高恒沸点，121.9℃（1）具有较大偏差的非理想溶液，可能具有恒沸点。（2）在恒沸点处,α=1，故一般蒸馏方法不能使两组分分离。（3）恒沸点随压力的变化而变化。

（4）非理想溶液，α随t（或浓度）变化较大，α不能作为常数

非理想溶液不一定都具有恒沸点。如甲醇水溶液，属正偏差系统。精馏分离的依据：挥发度的差异，而非沸点的大小。1.溶液的相对挥发度等于两组份----------------->1则表示组分A和B--------------，=1则表示组分A和B---------------------。2.精馏操作的基本依据是（）3.溶液中两组分______________之比，称为相对挥发度，4.理想溶液中相对挥发度等于两纯组分的__________之比5.根据蒸馏操作采用的方法不同，分为_________、_______和特殊蒸馏；6.按操作压力不同，蒸馏分为____________、_____________和减压蒸馏；在沸点组成图上，液相线以下的区域称为_________，液相线和气液线之间的区域称为_______________；沸点组成图的主要用途是求取任一沸点下的_____________和说明_________________；理想溶液中，各组分混合成溶液时，既没有________变化，也没有_________产生；非理想溶液中，同种分子与不同种分子之间的引力___________；某二元混合物，其中A为易挥发组份，液相组成为x=0.5时相应的泡点