第六章蒸馏 第一节概述 蒸馏分离依据-利用液体混合物中各组分具有不同的挥发度而进行分离的操作; -即利用在相同温度下各组分的蒸汽压不同。 易挥发组分(轻组分)A 难挥发组分(重组分)B 例如:酒精(A)与水(B)溶液,沸腾部分汽化,νA>x 同理,蒸汽部分冷凝,xB>yB 蒸馏-使液体混合物部分汽化,利用其挥发度差异实现初步分离的-种传质操作 精馏-利用多次部分汽化,多次部分冷凝,使汽相得到较纯的轻组分,液相得到较 纯的重组分的操作 二、蒸馏操作分类 简单蒸馏(微分蒸馏)与平衡蒸馏(闪蒸) 常压蒸馏、加压蒸馏与减压蒸馏 连续蒸馏与间歇蒸馏 普通蒸馏与特殊蒸馏 三、蒸馏分离推动力与分离极限 蒸馏是汽液两相间的传质过程 蒸馏分离推动力——两相浓度偏离平衡的程度 蒸馏分离极限——汽液两相达到相平衡(动态平衡)
1 第六章 蒸馏 第一节 概述 一、蒸馏分离依据---利用液体混合物中各组分具有不同的挥发度而进行分离的操作； ----即利用在相同温度下各组分的蒸汽压不同。 易挥发组分（轻组分）A 难挥发组分（重组分）B 例如：酒精（A）与水（B）溶液，沸腾部分汽化，yAxA 同理，蒸汽部分冷凝，xByB 蒸馏----使液体混合物部分汽化，利用其挥发度差异实现初步分离的一种传质操作 精馏---利用多次部分汽化，多次部分冷凝，使汽相得到较纯的轻组分，液相得到较 纯的重组分的操作 二、蒸馏操作分类 简单蒸馏（微分蒸馏）与平衡蒸馏（闪蒸） 常压蒸馏、加压蒸馏与减压蒸馏 连续蒸馏与间歇蒸馏 普通蒸馏与特殊蒸馏 三、蒸馏分离推动力与分离极限 蒸馏是汽液两相间的传质过程 蒸馏分离推动力——两相浓度偏离平衡的程度 蒸馏分离极限——汽液两相达到相平衡（动态平衡）
第二节双组分溶液的汽液相平衡 相组成表示法 1.质量分率a 相中某组分质量G 该相的总质量ΣG 可见:a<1,a+aB.+aN=1 2.摩尔分率x4,xB,y,yB n, G/M /M 3.两者关系 n1(G7/M1)2(a1/M,) a/M 对两元溶液:xA=a,M+“8 x, M+xBME 二、溶液的蒸汽压与 Raoult定律 蒸汽压:汽液相平衡是一种动态平衡 纯溶液-在达到汽液动态平衡时,逸出的A分子数=回到液相的A分子数
2 第二节 双组分溶液的汽液相平衡 一、相组成表示法 1．质量分率 i A A G G a = 该相的总质量 一相中某组分质量 可见：a1， aA+aB…+ aN=1 2．摩尔分率 xA，xB， yA，yB 3．两者关系 ( / ) / ( / ) / i i A A i i A A i A A a M a M G M G M n n x = = = 对两元溶液： A A B B A A A a M a M a M x / / / + = A A B B A A A x M x M x M a + = 二、溶液的蒸汽压与 Raoult 定律 1．蒸汽压：汽液相平衡是一种动态平衡 纯溶液----在达到汽液动态平衡时，逸出的 A 分子数=回到液相的 A 分子数
此时汽相中A的压强=该温度下A的饱和蒸汽压P 混合液(A、B互溶)-在达到平衡时,由于A、B分子间相互作用,使 P Po < 溶液存在三种分子间的作用力:fA,fB,fA (1)理想溶液:fA=fm=fA 显示无容积效应,无热效应 如:苯-甲苯,甲醇-乙醇,烃类同系物溶液 (2)非理想溶液(实际溶液);∫A4≠f≠∫AB 2. Rout定律 实验证明,在一定温度下,理想溶液的汽相中,任一组分的分压等于 PA=x,PA, PB=xBPB=(1-xu P PA+(-xPe P0-P0)+P0 P=Po 非理想溶液不符合Rout定律,汽液平衡关系主要靠实验数据。 道尔顿定律:在总压不高的条件下,y 4.相律-—-研究相平衡的基本规律 自由度F=C-Φ+2=2-2+2=2 由于蒸馏系统可变参数有四个:P,T,x4和y,只要确定任意两个,此平衡 体系就可确定 5. Antoine方程:求一定温度下的饱和蒸汽压 log p= a P=101. 3k l10 N士 H
3 此时汽相中 A 的压强= 该温度下 A 的饱和蒸汽压 0 PA 混合液（A、B 互溶）----在达到平衡时，由于 A、B 分子间相互作用，使 pB < 0 PB ， pA< 0 PA 溶液存在三种分子间的作用力： AA f ， BB f ， AB f （1） 理想溶液： AA BB AB f = f = f 显示无容积效应，无热效应 如：苯-甲苯，甲醇-乙醇，烃类同系物溶液 （2）非理想溶液（实际溶液）； AA BB AB f f f 2．Roult 定律： 实验证明，在一定温度下，理想溶液的汽相中，任一组分的分压等于： 0 A APA p = x ， 0 0 (1 ) B B B A PB p = x P = − x 0 0 0 0 0 (1 ) ( ) A B A A A B A PA PB PB P = p + p = x P + − x P = x − + 0 0 0 A B B A P P P P x − − = 非理想溶液不符合 Roult 定律，汽液平衡关系主要靠实验数据。 3．道尔顿定律：在总压不高的条件下， P x P P p y A A A A 0 = = 4．相律----研究相平衡的基本规律 自由度 F = C −+ 2 = 2− 2+ 2 = 2 由于蒸馏系统可变参数有四个：P，T，xA 和 yA，只要确定任意两个，此平衡 体系就可确定 5．Antoine 方程：求一定温度下的饱和蒸汽压 t C B P A − = − 0 log t2 t3 t4 t/ 0C B H J P=101.3kPa 110 过热汽相区 汽液共存区 饱和蒸汽线
三、二元汽液相平衡图 1.温度组成图(1xy图) 是分析蒸馏原理的理论基础 定义:泡点温度-溶液开始沸腾,产生第一个汽泡所对应的温度。 露点温度--过热蒸汽冷却,开始冷凝产生第-滴液滴所对应的温度 1-xy图通常由实验测得;对理想溶液,可按Rout定律和道尔顿定律计算。 1.0 汽液相平衡图(xy图) 参考线——对角线y=x 平衡线在对角线的上方,因为y>x 平衡线离对角线越远,表示分离推动力越大 总压对xy图影响不大 阳、为丶hh 总压变化20-30%,xy图变化不超过2% 3.双组分非理想溶液 当∫B<∫A和fB,使汽相中各组分的蒸汽压较理想溶液大,为正偏差溶液
4 三、二元汽液相平衡图 1．温度-组成图（t-x-y 图） 是分析蒸馏原理的理论基础。 定义：泡点温度----溶液开始沸腾，产生第一个汽泡所对应的温度。 露点温度----过热蒸汽冷却，开始冷凝产生第一滴液滴所对应的温度。 t-x-y 图通常由实验测得；对理想溶液，可按 Roult 定律和道尔顿定律计算。 2．汽液相平衡图（x-y 图） 参考线——对角线 y=x 平衡线在对角线的上方，因为 yA>xA 平衡线离对角线越远，表示分离推动力越大 总压对 x-y 图影响不大， 总压变化 20~30%，x-y 图变化不超过 2%。 3．双组分非理想溶液 当 AB f < AA f 和 BB f ，使汽相中各组分的蒸汽压较理想溶液大，为正偏差溶液。 y A xA 0 1.0 1.0 图.苯和甲苯溶液的 y-x 图
在tⅹ-y图中出现最低共沸物。 例如:乙醇-水,正丙醇-水溶 当∫>∫A和∫B,使汽相中各组分的蒸汽压较理想溶液小,为负偏差溶液。 在tⅹ-y图中出现最高共沸物。 例如:硝酸-水,氯仿-丙酮溶液 四、挥发度和相对挥发度 1.挥发度 纯溶液-指一定温度下的饱和蒸汽压,νA=P0 混合溶液-由于分子间相互作用的影响,使各组分的蒸汽压比纯态为低 由于挥发度随温度变化较大,使用上不方便,故引出相对挥发度概念 2.相对挥发度aAB 易挥发组分的挥发度vAP4/xA 难挥发组分的挥发度 PA aAB大小可判断分离难易程度,αB越大,A、B越容易分离 AB=1,即xyA,不能分离 (1)对理想溶液:aP0 尽管P,PB随温度而变,但其比值相差不大;在温度变化不大时,aB 可视为常数,计算时可取其平均值 (2)在总压不大时,汽相遵从道尔顿定律
5 在 t-x-y 图中出现最低共沸物。 例如：乙醇-水，正丙醇-水溶 当 AB f > AA f 和 BB f ，使汽相中各组分的蒸汽压较理想溶液小，为负偏差溶液。 在 t-x-y 图中出现最高共沸物。 例如：硝酸-水，氯仿-丙酮溶液 四、挥发度和相对挥发度 1．挥发度 ν： 纯溶液 ----指一定温度下的饱和蒸汽压， νA 0 = PA 混合溶液----由于分子间相互作用的影响，使各组分的蒸汽压比纯态为低 νA = pA / xA νB = pB / xB 由于挥发度随温度变化较大，使用上不方便，故引出相对挥发度概念。 2. 相对挥发度 αAB B B A A AB p x p x / / B A = = = 难挥发组分的挥发度 易挥发组分的挥发度 1 αAB 大小可判断分离难易程度，αAB 越大，A|、B 越容易分离 αAB=1，即 xA=yA，不能分离 （1） 对理想溶液： 0 0 B A AB P P = 尽管 0 PA ， 0 PB 随温度而变，但其比值相差不大；在温度变化不大时，αAB 可视为常数，计算时可取其平均值。 （2）在总压不大时，汽相遵从道尔顿定律：
P Va/x Pa/xB PyB/x C 第三节蒸馏和精馏原理 简单蒸馏(微分蒸馏)-非定常态过程,汽液组成随时间而变。 1柳公)个?旦 图简单蒸馏 二、平衡蒸馏(闪蒸)--定常态过程
6 B B A A B B A A B B A A AB y x y x Py x Py x p x p x / / / / / / = = = A A AB B A x x y y − = 1 A A A A x x y y − = − 1 1 AB AB A AB A A x x y 1+ ( −1) = 第三节 蒸馏和精馏原理 一、简单蒸馏（微分蒸馏）---非定常态过程，汽液组成随时间而变。 二、平衡蒸馏（闪蒸）----定常态过程 图.简单蒸馏 1-蒸馏釜，2-冷凝器，3 受器 1 2 3 yF yW xW xF 简单蒸馏相图 原料 1 2 3 汽相产物 液相产物 4 te x y xF
1-加热器,2-节流器,3-分离器,4冷凝器 在一定的P,T下进行闪蒸,其汽液浓度y、x是一定的,与料液的组成xF无关 但与汽液的产量有关(符合杠杆定律 若规定xF与汽液量,则汽化温度L随之而定。 三、精馏原理 1.多次部分汽化,多次部分冷凝宗意图和柜 L 存在问题-
7 在一定的 P，T 下进行闪蒸，其汽液浓度 y、x 是一定的，与料液的组成 xF 无关， 但与汽液的产量有关（符合杠杆定律）。 若规定 xF 与汽液量，则汽化温度 te 随之而定。 三、精馏原理 1．多次部分汽化，多次部分冷凝示意图和相图 存在问题—— 1-加热器，2-节流器，3-分离器，4-冷凝器 t x0 y0 原料 V0 V1 Vn-2 Vn-1 Vn L1 Ln-1 Ln L ‘ 0 V ‘ 1 V ‘ m-1 V ‘ m L ‘ 1 L ‘ m-2 L ‘ m-1 L ‘ m
设备多,能耗大,中间馏分多, 且产品产率太低。 修改以上流程 (1)由部分冷凝放出热量用作部分汽 化所需之热量; (2)汽、液量互补 (3)用一个塔来替代全流程。 L o L
8 设备多，能耗大，中间馏分多， 且产品产率太低。 修改以上流程： （1）由部分冷凝放出热量用作部分汽 化所需之热量； （2）汽、液量互补； （3）用一个塔来替代全流程。 t x0 y0 xW xF xD 原料 V0 V1 Vn-2 Vn-1 Vn L1 Ln-1 Ln L ‘ 0 V ‘ 1 V ‘ m-1 V ‘ m L ‘ 1 L ‘ m-2 L ‘ m-1 L ‘ m
2.塔板的作用——热、质的交换 Vn+I 上升蒸汽(υ*1,b+1)与下降液体(xn,珈m-)在第n板上接触, 因为tn+1>bm1,xm1>xn 蒸汽相(y+1)部分冷凝,较多的重组分B转入液相; 液相(xm)部分汽化,较多的轻组分A转入汽相 总的结果:xny+1 当汽液两相在板上接触时间足够长,离开该板的汽液两相呈平衡,称为理论板。 只要有够多的塔板数,可使混合物达到分离的要求。 3.连续精馏塔的分离过程 料液-在适当的位置加入 塔顶冷凝器-取部分冷凝液从塔顶回流,其余为产品; 塔底再沸釜-将塔底液体部分汽化,产生蒸汽回流到塔内 塔中汽液在塔板上接触 精馏段--加料板上方各板 提馏段-加料板下方各板,包括加料板;
9 2．塔板的作用——热、质的交换 上升蒸汽（yn+1，tn+1）与下降液体（xn-1，tn-1）在第 n 板上接触， 因为 tn+1 tn-1，xn-1 n+1 x 蒸汽相（yn+1）部分冷凝，较多的重组分 B 转入液相； 液相（xn-1）部分汽化，较多的轻组分 A 转入汽相； 总的结果：xn xn-1，yn yn+1 当汽液两相在板上接触时间足够长，离开该板的汽液两相呈平衡，称为理论板。 只要有够多的塔板数，可使混合物达到分离的要求。 3．连续精馏塔的分离过程 料液-----在适当的位置加入； 塔顶冷凝器----取部分冷凝液从塔顶回流，其余为产品； 塔底再沸釜----将塔底液体部分汽化，产生蒸汽回流到塔内； 塔中汽液在塔板上接触 精馏段----加料板上方各板； 提馏段----加料板下方各板，包括加料板； yn+1 yn xn xn-1 n
精馏、蒸馏的区别-—有无回流(包括液相回流和汽相回流 百抽 A
10 精馏、蒸馏的区别----有无回流（包括液相回流和汽相回流）。 进料 全冷凝器 塔顶产物 塔底产物 再沸釜 加热蒸汽 V L D V’ L’ W 回流液