第 九 章 蒸 馏.

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1 第 九 章 蒸 馏

2 9.1 概述 (1) 蒸馏在工业上的应用 1）石油炼制工业 (原油 汽油、煤油、柴油等）；
1）石油炼制工业 (原油 汽油、煤油、柴油等）； 2）石油化工工业（基本有机原料、石油裂解气等分离）； 3）空气的分离（氧气、氮气的制备）； 4）食品加工及医药生产。 (2) 蒸馏的目的和依据 目的：均相液体混合物的分离。 依据：利用液体混合物中各组分在一定温度下挥发能力的差异。

3 混合物中较易挥发的组分——易挥发组分A 混合物中较难挥发的组分——难挥发组分B 例：乙醇—水溶液 (3) 蒸馏过程必要条件 ① 通过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，以保证蒸馏过程的传质推 动力。

4 (4)蒸馏分离的特点 蒸馏操作需要消耗大量的能量，流程简单 蒸馏操作既可用于气体混合物的分离，也可用于液体混合物甚至是固体混合物的分离 蒸馏操作有时需要高压、高真空、高温或低温条件

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6 (5) 分类 ① 按组分数分类: 双组分蒸馏； 多组分蒸馏。 ② 按操作方式分类: 间歇蒸馏— 简单蒸馏； 连续蒸馏— 平衡蒸馏、精馏。 ③ 按操作压力分类： 常压蒸馏、减压蒸馏、加压蒸馏。 本章以双组分连续精馏为重点。

7 精馏装置示意图

8 9.2双组分溶液的气液相平衡 9.2.1 双组分理想物系的气液平衡 9.2.2 双组分非理想物系的气液平衡
双组分理想物系的气液平衡 双组分非理想物系的气液平衡 理想溶液 ：各组分分子之间的作用力相等。

9 9.2.1 双组分理想物系的气液平衡 组成的表示方法：液相x，气相y 一、相律： 式中F――自由度数； C ――独立组分数； Φ ――相数。
双组分理想物系的气液平衡 组成的表示方法：液相x，气相y 一、相律： 式中F――自由度数； C ――独立组分数； Φ ――相数。 对双组分的气液相平衡，由相律知其自由度数为2。

10 二、双组分理想物系的气液平衡函数关系 所谓理想物系，即指液相为理想溶液，遵循拉乌尔定律；气相为理想气体。 拉乌尔定律： pA0、 pB0为溶液温度下纯组分A和B的饱和蒸气压 可查有关手册或由下面安托因方程求得：

11 当溶液沸腾时，溶液上方的总压等于各组分的蒸气压之和：
道尔顿定律： 由式7-4和7-3得： 泡点方程 露点方程

12 三、相图 ① 温度-组成图（t-x-y）

13 图线说明： ① 曲线 t-x 表示恒定压力下，饱和液体组成与泡点的关系， 称为饱和液体线或泡点曲线。 ② 曲线t-y表示恒定压力下，饱和蒸气的组成和露点的关系， 称为饱和蒸气线或露点曲线。 ③ 在t-x 线下方为过冷液相区。 ④ 在t-y 线上方为过热气相区。 ⑤ 在两线之间为两相共存区，即气、液相平衡区。

14 苯-甲苯温度-组成图 t/℃ p=101.3kPa tJ J 110 tI I tE C E D 100 t-y tG G 90 tF F
t-x 80 xC x0 yD 1.0 x (y) 苯-甲苯温度-组成图

15 从过冷液体至过热气体的变化过程

16 常压下苯、甲苯的相对挥发度随温度的变化

17 说明： （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。

18 ② 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。

19 压力对温度组成图的影响

20 说明： （1）组成 均以易挥发组分的组成表示，故曲线位于对角线上方 （2）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。 （3）平衡线距对角线越远，物系越易分离。 （4）压力增加，平衡线靠近对角线。

21 挥发度与相对挥发度 挥发度：

22 相对挥发度： 对双组分溶液，气相遵循道尔顿分压定律，则： 上式称为气液相平衡方程。α越大，分离越容易。

23 9.2.2 双组分非理想物系的气液平衡 一、非理想物系 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：
双组分非理想物系的气液平衡 一、非理想物系 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： 液相为非理想溶液，气相为理想气体； 液相为理想溶液，气相为非理想气体； 液相为非理想溶液，气相为非理想气体。

24 乙醇-水溶液为典型的非理想溶液： 图5-3 常压下乙醇—水溶液的x-y图

25 9.3平衡蒸馏和简单蒸馏 平衡蒸馏 简单蒸馏 平衡蒸馏和简单蒸馏均为单级蒸馏操作过 程，通常用于混合液中各组分挥发度相差较大，对分离要求又不高的场合。

26 平衡蒸馏 平衡蒸馏装置 x xF y

27 9.3.2 简单蒸馏 简单蒸馏装置 简单蒸馏又称微分 蒸馏，是一种单级 蒸馏操作，常以间 歇方式进行。 xw x yw y1 min max
简单蒸馏 简单蒸馏装置 nF, zF nD3, xD3 nD1, xD1 nD2, xD2 nW2, x2 xw x yw y1 min max 简单蒸馏又称微分 蒸馏，是一种单级 蒸馏操作，常以间 歇方式进行。 图5-6 简单蒸馏装置

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29 9.4精馏原理和流程 一.精馏原理 由平衡蒸馏 y >xF x< xF 可使汽相多次部分冷凝 xF <y1 <y2 <y3 →yA →1 使液相多次部分气化 xF>x1>x2>x3→xA→0 设想可用多个釜来实现 使汽相yl经多次部分冷凝 x2→x3→x4→0 y2 →y3 →y4 →1 使液相x1经多次部分汽化

30 但如此在工业上不合理 1）最终汽相产品只有质量没有数量。液相同样。 2）对汽相，每次冷凝下的残液没利用，对液相，每次汽化的汽相没用。 3）汽相每次部分冷凝都需用冷却能量。液相每次部分汽化都需供热能。 4）设备过多，过庞大。

31 如何改进： 浓度 加 汽相 料 温度 釜 以 浓度 上 液相 温度 y1 <y2 <y 3<y4 t1 >t 2>t 3>t4 x1 <x2 <x3 <x4 t 1＞t 2 ＞ t 3 ＞ t4 稍改进把每釜的残液引回到前釜 如 x3 和 y2 与x3平衡的温度为t 3 <汽相y2的温度t2

32 这样x3就可对y2起到部分冷凝作用，而省掉冷凝器，同时还能将x3的部分易挥发组分转移到y2汽相中。
与y3，平衡的温度为t3， >液相x2，的温度t2， 这样y3，就对x2，起到部分汽化的作用而省掉加热器 同时中y3，的部分难挥发组分进入液相x2，中 这样，就可将各汽相、液相的热量做到充分利用， 但设备过庞大。可用一个塔板代替一个釜，然后组成 一个塔体——精馏塔

33 精馏--利用混合液中各组分挥发度的不同，在塔中同时、多次进行部分汽化和部分冷凝使其分离成几乎纯态组分的过程。
二.精馏的装置作用及传质机理 1.装置及流程 精馏段 全塔分 以加料板为界 提馏段 有： 冷凝器 再沸器 塔板

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35 2.塔板上的传质机理 第二块板为例：y3>x1 温度： 液相被部分汽化 传热：汽→液 汽相被部分冷凝 浓度：y3>x1处于不平衡状态 传质从液相→汽相 汽相被增浓（易挥发组分） 液相被减浓 故塔板上，传热，传质同时反向进行 经过足够长时间，汽，液两相充分接触，达到y3>x1成平衡 。 符合 ——称为理论板

36 这样，汽相每上升一板，就被部分冷凝一次，而使A组分被增浓一次，愈到塔顶，浓度愈高，最后得到较纯净A组分。
液相每下降一板，则被部分汽化一次，使A组分减少，而使B组分增浓，愈到塔底，B组分愈浓，最后可得到较纯B组分。 3.塔板的作用 1）气相进行部分冷凝 2）液相进行部分汽化 3）是汽，液两相进行传热，传质的场所 对每一块塔板，传热传质的液相来自上一板，汽相来自下一板。

37 那么对第一块板，液相从何而来——产品回流
对最后一块板，汽相从何而来——加热釜（再沸器） 4.回流及精馏段的作用 1）保证各层塔板（特别是第一块板）有适当的液体层，以使汽相可部分冷凝，并不断补充塔板上易挥发组分，使各板液相组成恒定，保证连续稳定操作。 2）保证馏出液有较高纯度，只有回流液的浓度愈高，则所得产品的浓度也会愈高。 3）精馏段作用：使汽相浓度不断提高，即不断增浓，以得到合格的塔顶产品。

38 5.加热釜提馏段的作用 1）供给精馏必须的汽相（蒸汽）； 2）供给热量； 3）提馏段作用：浓缩难挥发组分以在塔底得到较纯的难挥发组分产品 6.总结以上，完成精馏必须的条件： 1）塔顶必须有产品的回流； 2）塔底必须有加热釜； 3）必须在中间加料，加料板位置应该是该板的浓度（液相或汽相）应和料液浓度一致。

39 7.回流 塔顶液相回流 ⑴塔顶液相回流的方式 a.冷凝器的分类 y1=xD 全凝器 xD y0 分凝器 xD x0 y0=xD y1 y1
相当于一块理论板 x0 y0=xD

40 b.回流液的温度 泡点回流：饱和液体 冷凝液回流 塔底汽相回流 釜液 加热蒸汽 W xw 直接加热 间接加热 a.回流方式 yw xw xn