传质与分离设备操作与控制 传质与分离设备操作与控制 蒸馏与精馏技术.doc

第一章??蒸馏与精馏技术 第一节??概述 §1.1.1 蒸馏概述 一、蒸馏分离的依据 蒸馏是分离液相混合物的典型单元操作。 蒸馏操作是将液体混合物部分汽化，利用其中组分挥发度不同的特性（挥发度差异）而达到分离的目的。 液体混合物 二元或多元系 A+B（C...）非A组分 A组分摩尔分率molfrac.xA0 ? A组分易挥发，称之为易挥发组分，也叫做轻组分；B为难挥发组分，也叫重组分。 需注意的是，汽相中仍可能有B等组分，不是纯A，因为轻、重组分都具挥发性，只是A较B易挥发罢了；同样液相中仍可能有A，而不是纯B。故组分在汽、液相中重新分配。 在实验室里的蒸馏操作是这样的，将液体混合物（原料液）置于蒸馏瓶中，蒸馏实验装置如图示。为防止暴沸在瓶中加入几片瓷片，瓶中液体量以不超过其体积的2/3为宜，接下来加热蒸馏瓶使液体部分汽化，产生的蒸汽经过套管冷凝器时被全部冷凝为液体，冷凝液被称为馏出液。得到的馏出液中轻组分的浓度必大于瓶中液相中的浓度xA，即yAxA,且yAxA0 ，xAxA0。同学已做过的是Et-OH+H2O或是苯+甲苯体系,液体（酒精）的蒸馏实验。 如果将得到的馏出液作为原料液逐次重复上述蒸馏实验，则馏出液中轻组分的浓度yA将逐次提高，即馏出液的品质逐次提高，但数量逐次减小（少而精）。同时应该看到蒸馏过程中伴有液体沸腾和蒸汽冷凝过程，所以为了要得到高纯度的馏出液必需消耗热量。 二、工业蒸馏过程 工业上最为简单的蒸馏过程是平衡蒸馏与简单蒸馏。 1.平衡蒸馏 平衡蒸馏又称闪蒸，是一个连续定态过程，流程如左图。原料连续的进入加热炉，在炉内被加热至一定温度，然后经节流阀减压至预定压强。由于压强的突然降低，过热液体发生自蒸发，液体部分汽化。汽、液两相在分离器中分开，汽相为顶部产物，其中易挥发组分较为富集；液相为底部产物，其中难挥发组分获得了增浓。 在平衡蒸馏过程中，各参数维持恒定不变。 2.简单蒸馏 简单蒸馏是一个间歇操作过程，是非定态过程。流程如下： 将一批原料液加入蒸馏釜中，在恒压下加热至沸腾，使液体不断汽化，产生的蒸汽冷凝后为顶部产物，其中易挥发组分较为富集。 在蒸馏过程中，釜内液体的易挥发组分浓度不断下降，蒸汽中的易挥发组分浓度相应地随之降低。因此，顶产品通常分槽收集，最终釜液一次排出。 3.精馏 由上述可看到，平衡蒸馏，简单蒸馏都只能达到有限程度的轻、重组分分离，不能满足高纯度分离的要求。如何根据组分挥发性差异开发一个过程，以实现高纯度的分离是蒸馏方法能否广泛应用的核心问题，为此提出了精馏过程。 本章在简单介绍平衡蒸馏与简单蒸馏后，将着重讨论混合液的精馏过程。 三、蒸馏操作的费用和操作压强 1.蒸馏费用 设备费 （蒸馏釜或精馏塔及其它辅助设备费） 操作费 （加热和冷却费等） 2.操作压强 蒸馏操作中液体沸腾温度与蒸汽冷凝温度均与操作压强有关。 操作压强 常压 —— 一般情况； 加压 —— 用于常压下为气体混合物体系，如精馏法分离空气； 减压 —— 用于常压下沸点高且又是热敏性的混合物系。 本章限于讨论二组分体系（二元体系）的蒸馏过程，至于多组分蒸馏可参阅其它书籍。 第二节??双组分溶液的汽液相平衡 §1.2.1、理想物系的汽液相平衡 平衡蒸馏与简单蒸馏中都存在着汽液两相共存的物系。 在平衡蒸馏中汽液两相充分接触后再进行分离，可以近似认为两相已达到平衡状态。 在简单蒸馏中汽体自沸腾液体中产生，也可近似认为两相处于平衡状态。 所以，蒸馏过程都涉及到两相共存的平衡物系。 一、汽液两相平衡共存的自由度 物系中共有四个变量P、T、y、x F = c-p+2 = 2-2+2 = 2 所以四个变量中只有两个独立变量。而蒸馏过程的操作压强是恒定不变的。P一定，则F=1，即T、x、y中只有一个独立变量了。若T一定，则x、y随之而定；若x或y 一定，则T（y）或T（x）也随之而定。 图中恒压下双组分平衡物系中必存在着： 1）液相（或汽相）组成与温度间的一一对应关系，T-x(y)关系。 2）汽、液相组成之间的一一对应关系，y～x关系。 二、双组分理想物系的Tb～x关系式（泡点——液相组成关系式） 理想物系 液相为理想溶液I.S.，服从拉乌尔定律； 微观Micro：g11=g22=g12， 宏观Macro：△H=0；△V=0 汽相为理想气体I.G.，服从理想气体定律或道尔顿分压定律。 根据拉乌尔定律，液相上方的平衡蒸汽压为 ， ， 混合液的沸腾条件是各组分的蒸汽压之和等于外压，即 或 Tb～x的函数关系 已知泡点，可直接计算液相组成；反之，已知组成也可算出泡点，但一般需经试差，这是由于fA(t)和fB(t)通常系非线性函数的缘故。 纯组分的p0与t的关系通常可表示成如下的经验式： ?安托因方程 A，B，C为安托因常数，由手册查得。 三．