蒸餾技術(shù)-精餾基礎(chǔ)知識

什么是汽液相平衡關(guān)系?1、純組分的汽液相平衡：達(dá)到汽液相平衡時，液面上方蒸汽的壓力稱為該溫度下純組分A的飽和蒸汽壓，pA0。2、二元混合物的汽液相平衡：pA<pA0pB<pB0。。。。。。。。。。。AB××××××A雙組分溶液的汽液相平衡

化工單元操作技術(shù)（一）雙組分理想物系的汽液相平衡在全部濃度范圍內(nèi)都服從拉烏爾定律的溶液稱為理想溶液。氣相為理想氣體，液相為理想溶液的體系稱為理想物系。滿足理想氣體狀態(tài)方程道爾頓分壓定律雙組分溶液的汽液相平衡

化工單元操作技術(shù)1.拉烏爾定律在一定溫度下，汽液兩相達(dá)到平衡時，溶液上方汽相中任意組分的分壓值等于該組分在純態(tài)時，相同溫度下的飽和蒸汽壓與該組分在液相中的摩爾分?jǐn)?shù)之積。用數(shù)學(xué)式表達(dá)為：式中：pA、pB——溶液上方A、B組分的平衡分壓，Pa;

poA、poB——溶液溫度下純組分飽和蒸汽壓，Pa;xA、xB——溶液中組分A、B的摩爾分?jǐn)?shù)。雙組分溶液的汽液相平衡

化工單元操作技術(shù)2.雙組份理想物系的汽液相平衡（1）壓強(qiáng)組成圖(p-x圖)汽相為理想氣體：液相為理想液體：以x表示易揮發(fā)組分的摩爾分?jǐn)?shù)，則：整理得:雙組分溶液的汽液相平衡

化工單元操作技術(shù)壓強(qiáng)組成圖(p-x圖)p0x→1ppApBt一定poApoB拉烏爾定律:pA=pAoxpB=pBo(1-x)p=pA+pB道爾頓定律:y

=pA/p根據(jù)相律:在t確定以后,已知x,則y和p便可以確定。雙組分溶液的汽液相平衡

化工單元操作技術(shù)泡點方程（bubble-pointequation）

poA、poB取決于溶液溫度，即平衡物系的液相組成僅與總壓和溫度有關(guān)。當(dāng)總壓一定時，液相組成與溶液溫度存在一一對應(yīng)關(guān)系。（2）溫度組成圖(t-x-y圖)當(dāng)汽相為理想氣體時顯然，平衡物系的汽相組成也僅與總壓和溫度有關(guān)。當(dāng)總壓一定時，汽相組成與溶液溫度存在一一對應(yīng)關(guān)系，上式又稱為露點方程（dew-pointequation）。雙組分溶液的汽液相平衡

化工單元操作技術(shù)

t-x(y)圖代表的是在總壓P一定的條件下，相平衡時汽（液）相組成與溫度的關(guān)系。在總壓一定的條件下，將組成為x的溶液加熱至該溶液的泡點tA，產(chǎn)生第一個氣泡的組成為yA。繼續(xù)加熱，隨溫度升高，物系變?yōu)榛コ善胶獾钠簝上啵瑑上鄿囟认嗤M成分別為yA

和xA

。t/

Cx(y)01.0露點線泡點線露點泡點xAyAx汽相區(qū)液相區(qū)兩相區(qū)當(dāng)溫度達(dá)到該溶液的露點，溶液全部汽化成為組成為yA=x的氣相，最后一滴液相的組成為xA。溫度組成圖(t-x(y)圖)雙組分溶液的汽液相平衡

化工單元操作技術(shù)a.泡點、露點的確定b.易揮發(fā)和難揮發(fā)組分沸點的確定c.混合溶液氣液平衡組成的確定溶液開始沸騰產(chǎn)生第一個汽泡的溫度稱為泡點；混合氣體開始冷凝產(chǎn)生第一滴液滴的溫度稱為露點。如圖F、E兩點為純苯和純甲苯的沸點。當(dāng)混合液的狀態(tài)點為點K時，物系被分成互成平衡的氣液兩相，其氣、液相組成y、x可用G、L兩點橫坐標(biāo)表示。溫度組成圖(t-x(y)圖)應(yīng)用常壓下苯－甲苯物系的t－x－y圖

雙組分溶液的汽液相平衡

化工單元操作技術(shù)（3）x-y圖

x-y圖代表在總壓一定下，液相組成和與之成平衡的汽相組成的關(guān)系。

x-y圖可通過t-x(y)圖作出，圖中對角線(y=x)為一參考線。大多數(shù)溶液，兩相平衡時，y總是大于x，平衡線位于對角線上方。平衡線偏離對角線越遠(yuǎn)，該溶液越易分離。恒沸點時，x-y線與對角線相交，該點處汽液相組成相等。雙組分溶液的汽液相平衡

化工單元操作技術(shù)（4）揮發(fā)度及相對揮發(fā)度溶液中各組分的揮發(fā)性由揮發(fā)度來量衡，定義為組分在汽相中的平衡蒸汽壓與在液相中的摩爾分?jǐn)?shù)的比值。對雙組分物系：對純組分液體，其揮發(fā)度就等于該溫度下液體的飽和蒸汽壓。溶液中兩組分揮發(fā)度之比稱為相對揮發(fā)度，用

表示雙組分溶液的汽液相平衡

化工單元操作技術(shù)當(dāng)操作壓強(qiáng)不高，氣相服從道爾頓分壓定律時，上式可改寫為：

大小可以判斷能否用蒸餾方法加以分離以及分離的難易程度。對雙組分物系有yB=1-yA，xB=1-xA，代入并略去下標(biāo)A可得——相平衡方程雙組分溶液的汽液相平衡

化工單元操作技術(shù)對理想溶液，組分的揮發(fā)度

=

p

o

，所以

值隨溫度變化相對較小，在一定的溫度范圍內(nèi)，常取

的平均值用于相平衡計算。若已知兩組分的相對揮發(fā)度，可由上式確定汽液平衡組成。

>1，表示組分A較B易揮發(fā)；

值越大，兩個組分在兩相中相對含量的差別越大，越容易用蒸餾方法將兩組分分離；若

=1，yA=xA，此時不能用普通蒸餾方法分離該混合物。雙組分溶液的汽液相平衡

化工單元操作技術(shù)嚴(yán)格地說沒有完全理想的物系。對那些性質(zhì)相近、結(jié)構(gòu)相似的組分所組成的溶液，如苯-甲苯，甲醇-乙醇等，可視為理想溶液；若汽相壓力不太高，可視為理想氣體，則物系可視為理想物系。對非理想物系不能簡單地使用上述定律。汽液相平衡數(shù)據(jù)更多地依靠實驗測定。（二）非理想物系的汽液相平衡雙組分溶液的汽液相平衡

化工單元操作技術(shù)汽液相平衡圖雙組分溶液的汽液相平衡

化工單元操作技術(shù)簡單蒸餾也稱微分蒸餾，間歇非穩(wěn)態(tài)操作(unsteadybatchoperation)，在蒸餾過程中系統(tǒng)的溫度和汽液相組成均隨時間改變。分批加入蒸餾釜的原料液持續(xù)加熱沸騰汽化，產(chǎn)生的蒸汽由釜頂連續(xù)引入冷凝器得餾出液產(chǎn)品。釜內(nèi)任一時刻的汽液兩相組成互成平衡。y原料液x蒸氣xD1xD2xD3冷凝器1.定義

簡單蒸餾

化工單元操作技術(shù)

任一時刻，易揮發(fā)組分在蒸汽中的含量y始終大于剩余在釜內(nèi)的液相中的含量x，釜內(nèi)易揮發(fā)組分含量x由原料的初始組成xF-沿泡點線不斷下降直至終止蒸餾時組成xE，釜內(nèi)溶液的沸點溫度不斷升高，蒸汽相組成y也隨之沿露點線不斷降低。簡單蒸餾

化工單元操作技術(shù)t/

Cx(y)01.0露點線泡點線xAyAxF2.簡單蒸餾的計算

設(shè)d

時間內(nèi)由塔頂引出的蒸汽量為dV(kmol)，釜液變化量為dW(kmol)；

時刻釜內(nèi)液體量為W(kmol)，汽、液相組成為y、x；

+d

時刻釜內(nèi)液體量及組成為W+dW(kmol)及x+dx。在d

時間內(nèi)由物料衡算可得：整理上兩式，略去高階微分項，得：在操作初始的W1、x1至終止時刻的W2、x2間積分上式得注：上式中y與x互成平衡，因此只要有汽、液兩相的平衡關(guān)系，就可求出上式的積分項，得到任意時刻釜液量與組成的關(guān)系式。簡單蒸餾

化工單元操作技術(shù)在釜液由F蒸餾減少至W2期間，釜內(nèi)蒸餾出的液量D（kmol）及平均組成xm可根據(jù)整個過程的物料衡算求得?？偽锪虾馑悖阂讚]發(fā)組分的衡算：利用相平衡關(guān)系積分可得：兩式聯(lián)解即可求得D和xm。簡單蒸餾

化工單元操作技術(shù)例對某兩組分理想溶液進(jìn)行簡單蒸餾，已知xF=0.5（摩爾分率），若汽化率為60%，試求釜?dú)堃航M成和餾出液平均組成。已知常壓下該混合液的平均相對揮發(fā)度為2.16。解：設(shè)原料液量為100kmol，則

D=100×0.6=60kmolW=F-D=100-60=40kmol

因該混合液平均相對揮發(fā)度為α=2.16，則可用下式求釜?dú)堃航M成x2，即解得x2≈0.328簡單蒸餾

化工單元操作技術(shù)餾出液平均組成可由式求得，即簡單蒸餾

化工單元操作技術(shù)1.定義平衡蒸餾是液體的一次部分汽化或蒸汽的一次部分冷凝的蒸餾操作。生產(chǎn)工藝中溶液的閃蒸分離是平衡蒸餾的典型應(yīng)用。閃蒸操作流程：一定組成的料液被加熱后經(jīng)節(jié)流閥減壓進(jìn)入閃蒸室，液體因沸點下降變?yōu)檫^熱而驟然汽化，汽化耗熱使得液體溫度下降，汽、液兩相溫度趨于一致，兩相組成趨于平衡。由閃蒸室塔頂和塔底引出的汽、液兩相即為閃蒸產(chǎn)品。閃蒸罐塔頂產(chǎn)品yAxA加熱器原料液塔底產(chǎn)品Q減壓閥平衡蒸餾

化工單元操作技術(shù)閃蒸過程可通過物料衡算、熱量衡算及相平衡關(guān)系求解所需參數(shù)。下面以兩組分混合液連續(xù)穩(wěn)定閃蒸過程為例給予說明。2.平衡蒸餾的物料衡算

總物料衡算式中：F、D、W——進(jìn)料流率和出塔汽.液相產(chǎn)物的流率，kmol/s；

xF、yD、xW——料液組成以及出塔汽、液相產(chǎn)物的摩爾分?jǐn)?shù)。易揮發(fā)組分的物料衡算兩式聯(lián)立可得閃蒸罐D(zhuǎn),yD,teyD加熱器F,xF,tF

W,xW,teQ減壓閥xWt0平衡蒸餾

化工單元操作技術(shù)若設(shè)液相產(chǎn)物占總加料量的分率為q，即W/F=q，則汽化率為D/F=(1-q)，代入上式整理可得上式表示了汽化率與汽、液相組成的關(guān)系。平衡蒸餾過程可認(rèn)為經(jīng)部分汽化或部分冷凝后所得的汽液兩相呈平衡，即yD~xW符合平衡關(guān)系。若已知進(jìn)料組成xF和生產(chǎn)任務(wù)所要求的汽化率(1-q)，結(jié)合物料衡算式可求得汽液相組成yD、xW。平衡蒸餾

化工單元操作技術(shù)料液由進(jìn)料溫度tF升至t

需供給的熱量Q為閃蒸后，料液溫度由t降至平衡溫度te，若不計熱損失，則料液放出的顯熱全部用于料液的部分汽化所需的潛熱，即3.熱量衡算通過以上諸式，在q為已知的條件下，由物料衡算與相平衡關(guān)系求得yD、xW后，由溫度-組成相圖求te，進(jìn)而求t。汽化量大，(1-q)值大，閃蒸前料液溫度需加熱至更高的t

值。由上式可得平衡蒸餾

化工單元操作技術(shù)簡單蒸餾（simpledistillation）加熱精餾過程如何實現(xiàn)？精餾原理

化工單元操作技術(shù)（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高濃度易揮發(fā)組分（輕組分）高濃度難揮發(fā)組分（重組分）第1級第2級第3級第2'級第3'級精餾原理

化工單元操作技術(shù)上述的汽-液相濃度變化情況可以從圖中清晰地看到：因此