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1、第五章第五章 蒸馏蒸馏本章重点及难点内容本章重点及难点内容掌握双组分理想溶液气液相平衡的各种表达形式；掌握双组分理想溶液气液相平衡的各种表达形式；掌握进料的不同热状况及其对精馏操作的影响；掌握进料的不同热状况及其对精馏操作的影响；掌握两组分连续精馏塔理论塔板数的的图解法；掌握两组分连续精馏塔理论塔板数的的图解法；掌握回流比对精馏过程的影响；掌握回流比对精馏过程的影响；了解简捷法求理论板层数的方法；了解简捷法求理论板层数的方法；了解各种类型的塔板的特点及性能，掌握筛板塔的了解各种类型的塔板的特点及性能，掌握筛板塔的流体力学性能。流体力学性能。第一节第一节 概述概述 蒸馏是分离液体混合物重要单元操
2、作之一。其原理是蒸馏是分离液体混合物重要单元操作之一。其原理是利用混合液中各组分在热能驱动下，具有不同的挥发能力，利用混合液中各组分在热能驱动下，具有不同的挥发能力，使得各组分在气液两相中的组成之比发生改变，即易挥发使得各组分在气液两相中的组成之比发生改变，即易挥发组分（组分（轻组分轻组分）在气相中增浓，难挥发组分（）在气相中增浓，难挥发组分（重组分重组分）在）在液相中得到浓缩。液相中得到浓缩。蒸馏操作的依据：混合液中各组分挥发度的不同。蒸馏操作的依据：混合液中各组分挥发度的不同。蒸馏蒸馏蒸馏蒸馏蒸馏蒸馏第二节第二节 双组分溶液的气液相平衡双组分溶液的气液相平衡1-2-11-2-1溶液的蒸汽压
3、及拉乌尔定律溶液的蒸汽压及拉乌尔定律一、相律一、相律 相律是研究相平衡的基本规律。相律表示平衡物系相律是研究相平衡的基本规律。相律表示平衡物系中的自由度数、相数及独立组分数间的关系，即中的自由度数、相数及独立组分数间的关系，即F=C+-2F=C+-2式中式中 F F一自由度数；一自由度数；C C独立组分数；独立组分数；相数。相数。式式1-11-1个的数字个的数字2 2表示外界只有表示外界只有温度和压强温度和压强这两个条件这两个条件可以影响物系的平衡状态。可以影响物系的平衡状态。对两组分的气液平衡，其中组分数为对两组分的气液平衡，其中组分数为2 2，相数为，相数为2 2，故由相律可知该平衡物系的
4、自由度数为故由相律可知该平衡物系的自由度数为2 2。由于气液平衡。由于气液平衡中可以变化的参数有四个，即温度中可以变化的参数有四个，即温度t t、压强、压强P P、组分在组分在液相和气相中的组成液相和气相中的组成x x和和y(y(另一组分的组成不独立另一组分的组成不独立)，因，因此在此在t t、P P、x x和和y y四个变量中，任意规定其中二个变量，四个变量中，任意规定其中二个变量，此平衡物系的状态也就被唯一地确定了。又若再固定某此平衡物系的状态也就被唯一地确定了。又若再固定某个变量个变量(例如压强，通常蒸馏可视为恒压下操作例如压强，通常蒸馏可视为恒压下操作)，则该，则该物系仅有物系仅有个独
5、立变量，其它变量都是它的函数。所以个独立变量，其它变量都是它的函数。所以两组分的气液平衡可以用一定压强下的两组分的气液平衡可以用一定压强下的t-xt-x(或或y)y)及及x-yx-y的的函数关系或相图表示。函数关系或相图表示。气液平衡数据可由实验测定，也可由热力学公式计气液平衡数据可由实验测定，也可由热力学公式计算得到。算得到。二、两组分理想物系的气液平衡函数关系二、两组分理想物系的气液平衡函数关系(气液相气液相组成与平衡温度间的关系）组成与平衡温度间的关系）所谓理想物系是指液相和气相应符合以下条件：所谓理想物系是指液相和气相应符合以下条件：(1)(1)液相为理想溶液，遵循拉乌尔定律。根据溶液
6、中同分液相为理想溶液，遵循拉乌尔定律。根据溶液中同分了间与异分子间作用力的差异，可将溶液分为理想溶液和了间与异分子间作用力的差异，可将溶液分为理想溶液和非理想溶液。严格地说，理想溶液是不存在的，但对于性非理想溶液。严格地说，理想溶液是不存在的，但对于性质极相近、分子结构相似的组分所组成的溶液，例如苯一质极相近、分子结构相似的组分所组成的溶液，例如苯一甲苯、甲醇一乙醇、烃类同系物等都可视为理想溶液。甲苯、甲醇一乙醇、烃类同系物等都可视为理想溶液。(2)(2)气相为理想气体，遵循道尔顿分压定律。当总压不太气相为理想气体，遵循道尔顿分压定律。当总压不太高高(一般不高于一般不高于10104 4kPa)
7、kPa)时气相可视为理想气体。时气相可视为理想气体。(一一)用饱和蒸气压和相平衡常数表示气液平衡关系用饱和蒸气压和相平衡常数表示气液平衡关系根据拉乌尔定律，理想溶液上方的平衡分压根据拉乌尔定律，理想溶液上方的平衡分压为为式中式中 p p溶液上方组分的平衡分压，溶液上方组分的平衡分压，PaPa；p p。在溶液温度下纯组分的饱和蒸气压，在溶液温度下纯组分的饱和蒸气压，PaPa；x x溶液中组分的摩尔分率。溶液中组分的摩尔分率。下标下标A A表示易挥发组分，表示易挥发组分，B B表示难挥发组分。表示难挥发组分。为简单起见，常略去上式中的下标，习惯上以为简单起见，常略去上式中的下标，习惯上以x x表示
8、表示液相中易挥发组分的摩尔分率，以液相中易挥发组分的摩尔分率，以(1-x)(1-x)表示难挥发组分表示难挥发组分的摩尔分率；以的摩尔分率；以y y表示气相中易挥发组分的摩尔分率，以表示气相中易挥发组分的摩尔分率，以(1-y)(1-y)表示难挥发组分的摩尔分率。表示难挥发组分的摩尔分率。当溶液沸腾时，溶液上方的总压等于各组分的蒸气压之和，当溶液沸腾时，溶液上方的总压等于各组分的蒸气压之和，即即表示气液平衡下液相组成与平衡温度间的关系。表示气液平衡下液相组成与平衡温度间的关系。当外压不太高时，平衡的气相可视为理想气体，遵循道尔当外压不太高时，平衡的气相可视为理想气体，遵循道尔顿分压定律，即顿分压定
9、律，即表示气液平衡时气相组成与平衡温度间的关系。表示气液平衡时气相组成与平衡温度间的关系。若引入相平衡常数若引入相平衡常数K K，由式可知，在蒸馏过程中，相平衡常数由式可知，在蒸馏过程中，相平衡常数K K值并非常数，值并非常数，当总压不变时，当总压不变时，K K随温度而变。当混合液组成改变时，必随温度而变。当混合液组成改变时，必引起平衡温度的变化，因此相平衡常数不能保持常数。引起平衡温度的变化，因此相平衡常数不能保持常数。上式即为用相平衡常数表示的气液平衡关系。在多组上式即为用相平衡常数表示的气液平衡关系。在多组元精馏中多采用此种平衡方程。元精馏中多采用此种平衡方程。纯组分的饱和蒸气压纯组分的
10、饱和蒸气压p p。和温度和温度t t的关系通常可用安托的关系通常可用安托因因(Antoine)(Antoine)方程表示，即方程表示，即 式中式中A A、B B、C C为组分的安托因常数，可由有关手册查为组分的安托因常数，可由有关手册查得，其值因得，其值因p p、t t的单位而异。的单位而异。(二二)用相对挥发度表示的气液平衡关系用相对挥发度表示的气液平衡关系 在两组分蒸馏的分析和计算中，应用相对挥发度来表在两组分蒸馏的分析和计算中，应用相对挥发度来表示气液平衡函数关系更为简便。前已指出，蒸馏是利用混示气液平衡函数关系更为简便。前已指出，蒸馏是利用混合液中各组分的挥发度差异达到分离的目的。通常
11、，纯液合液中各组分的挥发度差异达到分离的目的。通常，纯液体的挥发度是指该液体在一定温度下的饱和蒸气压。而溶体的挥发度是指该液体在一定温度下的饱和蒸气压。而溶液中各组分的蒸气压因组分间的相互影响要比纯态时的低，液中各组分的蒸气压因组分间的相互影响要比纯态时的低，故溶液中各组分的挥发度故溶液中各组分的挥发度可用它在蒸气中的分压和与之可用它在蒸气中的分压和与之平衡的液相中的摩尔分率之比表示，即平衡的液相中的摩尔分率之比表示，即式中式中A A和和B B分别为溶液中分别为溶液中A A、B B两组分的挥发度。两组分的挥发度。对于理想溶液，因符合拉乌尔定律，则有对于理想溶液，因符合拉乌尔定律，则有 A A=
12、p=pA A0 0 B B=p=pB B0 0 由此可知，溶液中组分的挥发度是随温度而变的，由此可知，溶液中组分的挥发度是随温度而变的，因此在使用上不甚方便，故引出相对挥发度的概念。因此在使用上不甚方便，故引出相对挥发度的概念。习惯上将溶液中易挥发组分的挥发度对难挥发组分习惯上将溶液中易挥发组分的挥发度对难挥发组分的挥发度之比，称为相对挥发度。以的挥发度之比，称为相对挥发度。以表示，即表示，即若操作压强不高，气相遵循道尔顿分压定律，上式可改若操作压强不高，气相遵循道尔顿分压定律，上式可改写为写为 通常，将上式作为相对挥发皮的定义式。相对挥发度通常，将上式作为相对挥发皮的定义式。相对挥发度的数值
13、可由实验测得。对理想溶液，则有的数值可由实验测得。对理想溶液，则有 上式表明，理想溶液中组分的相对挥发度等于同温度上式表明，理想溶液中组分的相对挥发度等于同温度下两纯组分的饱和蒸气压之比。由于下两纯组分的饱和蒸气压之比。由于p pA A0 0和和p pB B0 0均随温度沿均随温度沿相同方向变化，因而两者的比值变化不大，故一般可将相同方向变化，因而两者的比值变化不大，故一般可将视为常数，计算时可取操作温度范围内的平均值。视为常数，计算时可取操作温度范围内的平均值。对于两组分溶液，当总压不高时，由式对于两组分溶液，当总压不高时，由式l lIlIl可得可得或由上式解出由上式解出y y，并略去下标，
14、可得，并略去下标，可得若若为已知时，可利用式为已知时，可利用式-13-13求得求得x-yx-y关系，故式关系，故式1-131-13称称力气液平衡方程。力气液平衡方程。相对挥发度相对挥发度值的大小可以用来判断某混合液是否能值的大小可以用来判断某混合液是否能用蒸馏方法加以分离以及分离的难易程度。若用蒸馏方法加以分离以及分离的难易程度。若l l，表，表示组分示组分A A较较B B容易挥发，容易挥发，愈大，挥发度差异愈大，分离愈愈大，挥发度差异愈大，分离愈易。若易。若1 1，由式，由式1 11313可知可知y yx x，即气相组成等于液相，即气相组成等于液相组成，此时不能用普通精馏方法分离该混合液。组
15、成，此时不能用普通精馏方法分离该混合液。三、两组分理想溶液的气液平衡相图三、两组分理想溶液的气液平衡相图气液平衡用相图来表达比较直观、清晰，应用于两组气液平衡用相图来表达比较直观、清晰，应用于两组分蒸馏中更为方便，而且影响蒸馏的因素可在相图上直接分蒸馏中更为方便，而且影响蒸馏的因素可在相图上直接反映出来。蒸馏中常用的相图为恒压下的温度一组成图和反映出来。蒸馏中常用的相图为恒压下的温度一组成图和气相、液相组成图。气相、液相组成图。(一一)温度温度-组成组成(t-x-yt-x-y)图图 蒸馏操作通常在一定的外压下进行，溶液的平衡温度蒸馏操作通常在一定的外压下进行，溶液的平衡温度随组成而变。溶液的平
16、衡温度组成图是分析蒸馏原理的理随组成而变。溶液的平衡温度组成图是分析蒸馏原理的理论基础。论基础。t x（或 y）图（温度组成图）露点线露点线气相区（过热蒸汽）气相区（过热蒸汽）泡点线泡点线气液共存区气液共存区液相区（冷液）液相区（冷液）x1(y1)t4 t3 t2 t1BHJA在总压为在总压为101.33kPa101.33kPa下，苯下，苯-甲苯混合液的平衡温度甲苯混合液的平衡温度-组成图如图组成图如图l-1l-1所示。图中以所示。图中以t t为纵坐标，以为纵坐标，以x x或或y y为横坐标。为横坐标。图中有两条曲线，上曲线为图中有两条曲线，上曲线为t-yt-y线，表示混合液的平衡温线，表示混
17、合液的平衡温度度t t和气相组成和气相组成y y之间的关系。此曲线称为饱和蒸气线。下之间的关系。此曲线称为饱和蒸气线。下曲线为曲线为t-xt-x线，表示混合液的平衡温度线，表示混合液的平衡温度t t和液相组成和液相组成x x之间之间的关系。此曲线称为饱和液体线。上述的两条曲线将的关系。此曲线称为饱和液体线。上述的两条曲线将t-x-t-x-y y图分成三个区域。饱和液体线以下的区域代表未沸腾的图分成三个区域。饱和液体线以下的区域代表未沸腾的液体，称为液相区；饱和蒸气线上方的区域代表过热蒸气，液体，称为液相区；饱和蒸气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两相同时存称为
18、过热蒸气区；二曲线包围的区域表示气液两相同时存在，称为气液共存区。在，称为气液共存区。若将温度为若将温度为t t1 1、组成为、组成为x xl l(图中点图中点A A表示表示)的混合液加热，的混合液加热，当温度升高到当温度升高到t t2 2(点点J)J)时，溶液开始沸腾，此时产生第一时，溶液开始沸腾，此时产生第一个气泡，相应的温度称为泡点温度，因此饱和液体线又称个气泡，相应的温度称为泡点温度，因此饱和液体线又称泡点线。同样，若将温度为泡点线。同样，若将温度为t t4 4、组成为、组成为y y1 1(点点B)B)的过热蒸气的过热蒸气冷却，当温度降到冷却，当温度降到t t3 3(点点H)H)时，混
19、合气开始冷凝产生第一时，混合气开始冷凝产生第一滴液体，相应的温度称为露点温度，因此饱和蒸气线又称滴液体，相应的温度称为露点温度，因此饱和蒸气线又称露点线。露点线。由图由图1 11 1可见，气、液两相呈平衡状态时，气、液两可见，气、液两相呈平衡状态时，气、液两相的温度相同，但气相组成大于液相组成。若气、液两相相的温度相同，但气相组成大于液相组成。若气、液两相组成相同，则气相露点温度总是大于液相的泡点温度。组成相同，则气相露点温度总是大于液相的泡点温度。(二二)x-yx-y图图 蒸馏计算中，经常应用一定外压下的蒸馏计算中，经常应用一定外压下的x-yx-y图。图。图图1-21-2为苯为苯-甲苯混合液
20、在甲苯混合液在P P101.33kPa101.33kPa下的下的x-yx-y图。图。图中以图中以x x为横坐标，为横坐标，y y为纵坐标，曲线表示液相组成为纵坐标，曲线表示液相组成与之平衡的气相组成间的关系。例如，图中曲线上与之平衡的气相组成间的关系。例如，图中曲线上任意点任意点D D表示组成为表示组成为x x1 1的液相与组成为的液相与组成为y yl l的气相互的气相互成平衡，且表示点成平衡，且表示点D D有一确定的状态。图中对角线有一确定的状态。图中对角线x xy y的直线，作查图时参考用。对于大多数溶液，的直线，作查图时参考用。对于大多数溶液，两相达到平衡时，两相达到平衡时，y y总是大
21、于总是大于x x，故平衡线位于对角，故平衡线位于对角线上方，平衡线偏离对角线愈远，表示该溶液愈易线上方，平衡线偏离对角线愈远，表示该溶液愈易分离。分离。x-yx-y图可以通过图可以通过t-x-yt-x-y图作出。图图作出。图1-21-2就是依据就是依据图图1-l1-l上相对应的上相对应的x x和和y y的数据标绘而成的。许多常的数据标绘而成的。许多常见的两组分溶液在常压下实测出的见的两组分溶液在常压下实测出的x-yx-y平衡数据，平衡数据，需要时可从物理化学或化工手册中查取。需要时可从物理化学或化工手册中查取。应指出，上述的平衡曲线是在恒定压强下得的。对同应指出，上述的平衡曲线是在恒定压强下得
22、的。对同物系而言，混合液的平衡温度愈高，各组分间挥发物系而言，混合液的平衡温度愈高，各组分间挥发度差异愈小，即相对挥发度度差异愈小，即相对挥发度愈小，因此蒸馏压强愈高，愈小，因此蒸馏压强愈高，平衡温度随之升高，平衡温度随之升高，减小，分离变得愈难，反之亦然。减小，分离变得愈难，反之亦然。但实验也表明，在总压变化范围为但实验也表明，在总压变化范围为20203030下，下，x-yx-y平衡曲线变动不超过平衡曲线变动不超过2 2，因此在总压变化不大时，外压，因此在总压变化不大时，外压对平衡曲线的影响可忽略。对平衡曲线的影响可忽略。1-2-2 1-2-2 两组分非理想物系的气液平衡两组分非理想物系的气
23、液平衡化工生产中遇到的物系大多为非理想物系。非理想物系可化工生产中遇到的物系大多为非理想物系。非理想物系可能有以下几种情况能有以下几种情况:(1)(1)液相为非理想溶液，气相为理想气体。液相为非理想溶液，气相为理想气体。(2)(2)液相为理想溶液，气相为非理想气体。液相为理想溶液，气相为非理想气体。(3)(3)液相为非理想溶液，气相为非理想气体。液相为非理想溶液，气相为非理想气体。对非理想溶液，其表现是溶液中各组分的平衡分压与对非理想溶液，其表现是溶液中各组分的平衡分压与拉乌尔定律发生偏差，此偏差可正可负，分别称为正偏差拉乌尔定律发生偏差，此偏差可正可负，分别称为正偏差溶液和负偏差溶液。实际溶
24、液中以正偏差溶液为多，各种溶液和负偏差溶液。实际溶液中以正偏差溶液为多，各种实际溶液与理想溶液的偏差程度可能不同，例如，乙醇实际溶液与理想溶液的偏差程度可能不同，例如，乙醇-水、正丙醇水、正丙醇-水等物系是具有很大正偏差溶液的典型例子；水等物系是具有很大正偏差溶液的典型例子；硝酸硝酸-水、氯仿水、氯仿-丙酮等物系是具有很大负偏差溶液的典型丙酮等物系是具有很大负偏差溶液的典型例子。例子。非理想溶液的平衡分压可用修正的拉乌尔定律表示。非理想溶液的平衡分压可用修正的拉乌尔定律表示。即即 式中式中为组分的活度系数。各组分的活度系数还与其为组分的活度系数。各组分的活度系数还与其组成有关，一般可用热力学公
25、式和少量实验数据求得。组成有关，一般可用热力学公式和少量实验数据求得。当总压不高时，气相为理想气体，则平衡气相组成当总压不高时，气相为理想气体，则平衡气相组成为为 图图1-31-3为乙醇为乙醇-水混合液的水混合液的t-x-yt-x-y图。由阁可见，液相图。由阁可见，液相线和气相线在点线和气相线在点M M重合，即点重合，即点M M所示的两相组成相等。常压所示的两相组成相等。常压下点下点M M的组成为的组成为0.8940.894，称为恒沸组成；相应的温度，称为恒沸组成；相应的温度78.1578.15，称为恒沸点。此溶液称为恒沸液。因点，称为恒沸点。此溶液称为恒沸液。因点M M的温度的温度较任何组成
26、下溶液的泡点都低，故这种溶液称为具有最低较任何组成下溶液的泡点都低，故这种溶液称为具有最低恒沸点的溶液。恒沸点的溶液。图图l-4l-4是其是其x-yx-y图，平衡线与对角线的交点图，平衡线与对角线的交点M M与图与图l-3l-3的点的点M M相对应，该点溶液的相对挥发度等于相对应，该点溶液的相对挥发度等于1 1。图图1-51-5为硝酸一水混合液的为硝酸一水混合液的t-x-yt-x-y图。该图与图图。该图与图1-31-3相相似，不同的是在恒沸点心处的温度似，不同的是在恒沸点心处的温度(121.9)(121.9)比任何组成比任何组成下该溶液的泡点都高，故这种溶液称为具有最高恒沸点的下该溶液的泡点都
27、高，故这种溶液称为具有最高恒沸点的溶液。图中点溶液。图中点N N所对应的恒沸组成为所对应的恒沸组成为0.3830.383。图图l-6l-6是其是其x-yx-y图，平衡线与对角线的交点与图图，平衡线与对角线的交点与图1-51-5中的点中的点N N相对应，该点溶液的相对挥发度等于相对应，该点溶液的相对挥发度等于1 1。苯苯(A)(A)与甲苯与甲苯(B)(B)的饱和蒸气压和温度的关系数据如本的饱和蒸气压和温度的关系数据如本题附表题附表1 1所示。试利用拉乌尔定律和相对挥发度，分别计所示。试利用拉乌尔定律和相对挥发度，分别计算苯算苯-甲苯混合液在总压甲苯混合液在总压P P为为101.33Pa101.3
28、3Pa下的气液平衡数据，下的气液平衡数据，并作出温度一组成图。该溶液可视为理想溶液。并作出温度一组成图。该溶液可视为理想溶液。解：解：(1)(1)利用拉乌尔定律计算气液平衡数据利用拉乌尔定律计算气液平衡数据 在某一温度在某一温度下由本题附表下由本题附表1 1可查得该温度下纯组分苯与甲苯的饱和蒸可查得该温度下纯组分苯与甲苯的饱和蒸气压气压P PA A0 0与与P PB B0 0，由于总压，由于总压P P为定值，即为定值，即P P101.33kPa101.33kPa、则应、则应用式用式1-41-4求液相组成求液相组成x x，再应用式，再应用式l-5al-5a求平衡的气相组成求平衡的气相组成y y，
29、即可得到一组标绘平衡温度，即可得到一组标绘平衡温度-组成组成(t-x-yt-x-y)图的数据。图的数据。以以t t9595为例，计算过程如下：为例，计算过程如下：其它温度下的计算结果列于本题附表其它温度下的计算结果列于本题附表2 2中。中。根据以上数据，即可标绘得到如图根据以上数据，即可标绘得到如图1-11-1所示的所示的t-x-yt-x-y图。图。(2)(2)利用相对挥发度计算气液平衡数据利用相对挥发度计算气液平衡数据 因苯因苯-甲苯混合液甲苯混合液为理想溶液，故其相对挥发度可用式为理想溶液，故其相对挥发度可用式1-121-12计算，即计算，即以以9595为例，则为例，则 其它温度下的其它温
30、度下的值列于本题附表值列于本题附表3 3中。中。通常，在利用相对挥发度法求通常，在利用相对挥发度法求x-yx-y关系时，可取温度关系时，可取温度范围内的平均相对挥发度，在本题条件下，附表范围内的平均相对挥发度，在本题条件下，附表3 3中两端中两端温度下的温度下的数据应除外数据应除外(因对应的是纯组分，即为因对应的是纯组分，即为x-yx-y曲线曲线上两端点上两端点)，因此可取温度为，因此可取温度为8585和和105105下的下的平均值，平均值，即即 将平均相对挥发度代入式将平均相对挥发度代入式1-l1-l中。即中。即第三节第三节 平衡蒸馏和简单蒸馏平衡蒸馏和简单蒸馏1-3-l 1-3-l 平衡蒸
31、馏平衡蒸馏平衡蒸馏平衡蒸馏(或闪蒸或闪蒸)是一种是一种单级蒸馏操作。当在单级单级蒸馏操作。当在单级釜内进行平衡蒸馏时，釜釜内进行平衡蒸馏时，釜内液体混合物被部分汽化，内液体混合物被部分汽化，并使气相与液相处于平衡并使气相与液相处于平衡状态，然后将气液两相分状态，然后将气液两相分开。这种操作既可以间歇开。这种操作既可以间歇又可以连续方式进行。又可以连续方式进行。一、物料衡算一、物料衡算对图对图l-7l-7所示的连续平衡蒸馏装置作物料衡算，可得所示的连续平衡蒸馏装置作物料衡算，可得总物料总物料 F FD+W (1D+W (116)16)易挥发组分易挥发组分 FxFxF FDy+WxDy+Wx (1
32、 (116a)16a)式中式中 F F，D D，W W分别为原料液、气相与液相产品流量，分别为原料液、气相与液相产品流量，kmo1/hkmo1/h或或kmo1/skmo1/s；x xF F，y y，x x分别为原料液、气相与液相产品的组成，分别为原料液、气相与液相产品的组成，摩尔分率。摩尔分率。联立式联立式1-161-16和式和式1-16a1-16a，可得，可得 上式表示平衡蒸馏中气液相平衡组成的关系。式中上式表示平衡蒸馏中气液相平衡组成的关系。式中q q称为液化分率称为液化分率，因平征蒸馏中，因平征蒸馏中q q为恒定值，故式为恒定值，故式l-18l-18为直为直线方程。在线方程。在x-yx-
33、y图上，式图上，式1-181-18代表通过点代表通过点(x xF F，x xF F)的直线，的直线，其斜率为其斜率为二、热量衡算二、热量衡算 对图对图l-7l-7所示的加热器作热量衡算，若加热器的热损所示的加热器作热量衡算，若加热器的热损失可忽略，则失可忽略，则 Q Q加热器的热负荷，加热器的热负荷，kJ/hkJ/h或或kwkw；F F原料液流量，原料液流量，kmol/hkmol/h或或kmol/skmol/s：c cP P原料液平均比热容。原料液平均比热容。kJ/(kJ/(kmolkmol）t tF F原料液的温度，原料液的温度，；T T通过加热器后原料液的温度，通过加热器后原料液的温度，：
34、原料液节流减压后进入分离器，此时物料放出的显热原料液节流减压后进入分离器，此时物料放出的显热等于部分汽化所需的潜热，即等于部分汽化所需的潜热，即式中式中 t te e-分离器中的平衡温度，分离器中的平衡温度，；r-r-平均摩尔汽化潜热，平均摩尔汽化潜热，kJ/kJ/kmolkmol。原料液离开加热器的温度可由上式求得，即原料液离开加热器的温度可由上式求得，即三、气液平衡关系三、气液平衡关系 平衡蒸馏中，气液两相处于平衡状态，即两相温度相平衡蒸馏中，气液两相处于平衡状态，即两相温度相同，组成互为平衡。若为理想溶液，则有同，组成互为平衡。若为理想溶液，则有 应用上述三个基本关系，可解决闪蒸的各种计
35、算问题。应用上述三个基本关系，可解决闪蒸的各种计算问题。例如，若已知原料液流量例如，若已知原料液流量F F、组成、组成x xF F、温度、温度t tF F及汽化率，则及汽化率，则联立式联立式1-131-13、式、式1-181-18和式和式1-221-22。即可求得平衡的气液相组。即可求得平衡的气液相组成及温度。图解计算方法见例成及温度。图解计算方法见例1 12 2。对某两组分理想溶液进行常压闪蒸，已知对某两组分理想溶液进行常压闪蒸，已知x xF F为为0.5(0.5(原原料液中易挥发组分的摩尔分率料液中易挥发组分的摩尔分率)，若要求汽化率为，若要求汽化率为6060。试求闪蒸后平衡的气液相组成及
36、温度。试求闪蒸后平衡的气液相组成及温度。常压下该两组分理想溶液的常压下该两组分理想溶液的x-yx-y及及t te e-x-x关系如本例附关系如本例附图所示。图所示。解：由题意知解：由题意知(1-q)=0.6(1-q)=0.6所以所以 q qO.4O.4 在本例附图在本例附图(x-yx-y图图)中通过点中通过点e(0.5e(0.5，0.5)0.5)作斜率为作斜率为-0.6670.667的直线的直线efef，由该直线与，由该直线与x-yx-y平衡曲线交点平衡曲线交点f f的坐标，的坐标，即可求得平衡的气液相组成，即即可求得平衡的气液相组成，即 x0.387 y0.575x0.387 y0.575再
37、由附图中再由附图中t te e-y-y曲线，从曲线，从x x0.3870.387可求得平衡温度，即可求得平衡温度，即t te el13l131-3-2 1-3-2 简单蒸馏简单蒸馏 简单蒸馏又称微分蒸馏，也是一种单级蒸馏操作，常简单蒸馏又称微分蒸馏，也是一种单级蒸馏操作，常以间歇方式进行。简单蒸馏装置如图以间歇方式进行。简单蒸馏装置如图l-8l-8所示。混合液在所示。混合液在蒸馏釜蒸馏釜1 1中受热后部分汽化，产生的蒸气随即进入冷凝器中受热后部分汽化，产生的蒸气随即进入冷凝器2 2中冷凝，冷凝液不断流入接受器中冷凝，冷凝液不断流入接受器3 3中，作为馏出液产品。中，作为馏出液产品。由于气相中组
38、成由于气相中组成y y大于液相组成大于液相组成x x，因此随着过程的进行，因此随着过程的进行，釜中液相组成不断下降，使得与之平衡的气相组成釜中液相组成不断下降，使得与之平衡的气相组成(馏出馏出液组成液组成)亦随之降低，而釜内液体的泡点逐渐升高。通常亦随之降低，而釜内液体的泡点逐渐升高。通常当馏出液平均组成或釜残液组成降至某规定值后，即停止当馏出液平均组成或釜残液组成降至某规定值后，即停止蒸馏操作。在一批操作中，馈出液可分批收集，以分别得蒸馏操作。在一批操作中，馈出液可分批收集，以分别得到不同组成的馏出液。简单蒸馏多用于混合液的初步分离。到不同组成的馏出液。简单蒸馏多用于混合液的初步分离。简单蒸
39、馏是非定态过程，虽然瞬间形成的蒸气与液体简单蒸馏是非定态过程，虽然瞬间形成的蒸气与液体可视为互相平衡，但形成的全部蒸气并不与剩余的液体相可视为互相平衡，但形成的全部蒸气并不与剩余的液体相平衡。因此简单蒸馏的计算应该作微分衡算。平衡。因此简单蒸馏的计算应该作微分衡算。简单蒸馏计算的主要内容是根据原料液量和组成，确简单蒸馏计算的主要内容是根据原料液量和组成，确定馏出液与釜残液的量和组成间的关系。计算中需用的基定馏出液与釜残液的量和组成间的关系。计算中需用的基本关系为物料衡算和气液平衡关系。本关系为物料衡算和气液平衡关系。假设简单蒸馏某瞬间釜液量为假设简单蒸馏某瞬间釜液量为LkmolLkmol、组成
40、为、组成为x x，经，经微分时间微分时间dd后，釜液量变为后，釜液量变为L+dLL+dL、组成变为、组成变为x+dxx+dx，而蒸，而蒸出的馏出液量为出的馏出液量为dDdD、组成为、组成为y y，且，且y y与与x x呈平衡关系。在呈平衡关系。在dd时间内作物料衡算，即：时间内作物料衡算，即：总物料总物料 dDdD-dLdL易挥发组分易挥发组分 LxLx(L+dL)(x+dx)+ydDL+dL)(x+dx)+ydD 将式将式1-231-23代入式代入式l-23al-23a，展开式，展开式l-23al-23a，并忽略，并忽略dLdxdLdx项，项，可得可得积分上式，并取积分上、下限为积分上式，并
41、取积分上、下限为则可得则可得 式式1-241-24表示馏出液组成、釜残液组成与釜残液量表示馏出液组成、釜残液组成与釜残液量(或或馏出液量馏出液量)之间的关系。式之间的关系。式1-241-24中右边的积分项，可根据中右边的积分项，可根据x-yx-y平衡关系进行计算，一般有以下几种方法。平衡关系进行计算，一般有以下几种方法。(1)(1)若若x-yx-y平衡关系用曲线或表格表示时，则可应用图平衡关系用曲线或表格表示时，则可应用图解积分法或数值积分。解积分法或数值积分。(2)(2)若蒸馏的溶液为理想溶液，平衡关系可用式若蒸馏的溶液为理想溶液，平衡关系可用式1-131-13表示表示，则将此关系代入式，则
42、将此关系代入式l-24l-24中积分可得中积分可得(3)(3)若在操作范围内，若在操作范围内，x-yx-y平衡关系为直线，即平衡关系为直线，即y ymx+bmx+b，则将此关系代入式则将此关系代入式1-241-24中，积分可得中，积分可得若平衡线为通过原点的直线，即若平衡线为通过原点的直线，即y ymxmx，则上式可简化，则上式可简化为为 馏出液的平均组成馏出液的平均组成y(y(或或x xD,mD,m)可通过一批操作的物料可通过一批操作的物料衡算求得，即衡算求得，即总物料总物料 D DF-WF-W易挥发组分易挥发组分 DyDyFxFx1 1-Wx-Wx2 2 对例对例1-21-2中的液体混台物
43、进行简单蒸馏，若汽中的液体混台物进行简单蒸馏，若汽化率仍为化率仍为6060，试求釜残液组成和馏出液平均组成。，试求釜残液组成和馏出液平均组成。巳知常压下该混合液的平均相对挥发度为巳知常压下该混合液的平均相对挥发度为2.162.16。解：设原料液量为解：设原料液量为l00kmoll00kmol，则，则 D D1001000.60.660kmol60kmol W WF-DF-D100-60100-6040kmol40kmol因该混合液平均相对挥发度为因该混合液平均相对挥发度为2.162.16，则可可用式，则可可用式1-251-25求釜残液组成求釜残液组成x x2 2，即，即或或试差解得试差解得 x
44、 x2 20.3280.328馏出液平均组成可由式馏出液平均组成可由式1 12727求得，求得，即即所以所以 计算结果表明，若汽化率相同，简单蒸馏较平衡蒸计算结果表明，若汽化率相同，简单蒸馏较平衡蒸馏可获得更好的分离效果，即馏出液组成更高。但是平衡馏可获得更好的分离效果，即馏出液组成更高。但是平衡蒸馏的优点是连续操作。蒸馏的优点是连续操作。第四节第四节 精馏原理和流程精馏原理和流程1-4-l 1-4-l 精馏过程原理和条件精馏过程原理和条件 上述的平衡蒸馏和简单蒸馏都是单级分离过程，即上述的平衡蒸馏和简单蒸馏都是单级分离过程，即对混合液进行一次部分汽化，因此只能对混合液部分分对混合液进行一次部
45、分汽化，因此只能对混合液部分分离。精馏是多级分离过程，即同时进行多次部分汽化和离。精馏是多级分离过程，即同时进行多次部分汽化和部分冷凝的过程，由此可使混合液得到几乎完全的分部分冷凝的过程，由此可使混合液得到几乎完全的分离。精馏可视为由多次蒸馏演变而来的。不管何种操离。精馏可视为由多次蒸馏演变而来的。不管何种操作方式，混合液中组分间挥发度差异是蒸馏分离的前提作方式，混合液中组分间挥发度差异是蒸馏分离的前提和依据。和依据。精馏过程原理可用气液平衡相图说明。若混合液具有精馏过程原理可用气液平衡相图说明。若混合液具有图图1-91-9所示的所示的t-x-yt-x-y图，将组成为、温度低于泡点的该混合图，
46、将组成为、温度低于泡点的该混合液加热到泡点以上，使其部分汽化，并将气相和液相分开，液加热到泡点以上，使其部分汽化，并将气相和液相分开，则所得气相组成为则所得气相组成为y y1 1，液相组成为，液相组成为x x1 1，且，且y y1 1x xF Fx x1 1，此时，此时气相、液相流量可由杠杆规则确定。若继续将组成为气相、液相流量可由杠杆规则确定。若继续将组成为y y1 1的的气相混合物进行部分冷凝，则可得到组成为气相混合物进行部分冷凝，则可得到组成为y y2 2的气相和组的气相和组成为成为x x2 2的液相。依此又将组成为的液相。依此又将组成为y y2 2的气相进行部分冷凝，的气相进行部分冷凝
47、，则可得到组成为则可得到组成为y y3 3的气相和组成为的气相和组成为x x3 3的液相，且的液相，且y y3 3y y2 2y y1 1。由此可见，气相混合物经多次部分冷凝后，由此可见，气相混合物经多次部分冷凝后，在气相中可获得高纯度的易挥发组分；同时若将组成为在气相中可获得高纯度的易挥发组分；同时若将组成为x xl l的液相进行部分汽化，则可得到组成为的液相进行部分汽化，则可得到组成为x x2 2/的液相和组成为的液相和组成为y y2 2/的气相的气相(图中未标出图中未标出)，苦继续将组成为，苦继续将组成为x x2 2/的液相进行的液相进行部分汽化，则可得到组成为部分汽化，则可得到组成为x
48、 x3 3/的液相和组成为的液相和组成为y y3 3/的气相的气相(图中末标出图中末标出)，且，且x x3 3/x x2 2/x x1 1。由此可见，将液体混合物。由此可见，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。进行多次部分汽化，在液相中可获得高纯度的难挥发组分。显然，上述重复的单显然，上述重复的单级操作所需设备庞杂，级操作所需设备庞杂，能量消耗大，且因产能量消耗大，且因产生中间馏分使产品收生中间馏分使产品收率降低。工业上精馏率降低。工业上精馏过程是多次部分汽化过程是多次部分汽化和部分冷凝的联合操和部分冷凝的联合操作。图作。图1-101-10所示的是所示的是精馏塔的模
49、型，目前精馏塔的模型，目前工业上使用的精确塔工业上使用的精确塔是它的体现。是它的体现。2640.avi2640.avi2635.avi2635.avi1-4-2 1-4-2 精馏操作流程精馏操作流程 根据精馏原理可知，单有精馏塔还不能完成精馏操作，根据精馏原理可知，单有精馏塔还不能完成精馏操作，而必须同时有塔底再沸器和塔顶冷凝器有时还要配原料而必须同时有塔底再沸器和塔顶冷凝器有时还要配原料液预热器、回流液泵等附属设备，才能实现整个操作。再液预热器、回流液泵等附属设备，才能实现整个操作。再沸器的作沸器的作用是提供一定量的上升蒸气流，冷凝器的作用是用是提供一定量的上升蒸气流，冷凝器的作用是提供塔顶
50、液相产品及保证有适宜的液相回流，因而使精馏提供塔顶液相产品及保证有适宜的液相回流，因而使精馏能连续稳定地进行。能连续稳定地进行。图图l-13l-13所示为间歇精馏所示为间歇精馏操作流程。与连续精馏操作流程。与连续精馏不同的是原料液一次加不同的是原料液一次加入塔釜中，而不是连续入塔釜中，而不是连续加入精馏塔中，因此间加入精馏塔中，因此间歇精馏只有精馏段而没歇精馏只有精馏段而没有提馏段。同时，因有提馏段。同时，因间歇精馏釜液浓度不断间歇精馏釜液浓度不断地变化，故产品组成也地变化，故产品组成也逐渐降低。当釜中的液逐渐降低。当釜中的液体达到规定的组成后，体达到规定的组成后，精馏操作即被停止。精馏操作即