化工原理 蒸馏.ppt

第五章蒸馏第一节概述
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，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（轻组分）在气相中增浓，难挥发组分（重组分）在液相中得到浓缩。
蒸馏操作的依据：混合液中各组分挥发度的不同。第二节双组分溶液的气液相平衡

1-2-1溶液的蒸汽压及拉乌尔定律

一、相律对两组分的气液平衡，其中组分数为2，相数为2，故由相律可知该平衡物系的自由度数为2。由于气液平衡中可以变化的参数有四个，即温度t、压强P、—组分在液相和气相中的组成x和y(另一组分的组成不独立)，因此在t、P、x和y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。又若再固定某个变量(例如压强，通常蒸馏可视为恒压下操作)，则该物系仅有—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t-x(或y)及x-y的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算得到。二、两组分理想物系的气液平衡函数关系(气液相组成与平衡温度间的关系）(一)用饱和蒸气压和相平衡常数表示气液平衡关系当溶液沸腾时，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，即若引入相平衡常数K，纯组分的饱和蒸气压p。和温度t的关系通常可用安托因(Antoine)方程表示，即(二)用相对挥发度表示的气液平衡关系式中υA和υB分别为溶液中A、B两组分的挥发度。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α表示，即通常，将上式作为相对挥发皮的定义式。相对挥发度的数值可由实验测得。对理想溶液，则有对于两组分溶液，当总压不高时，由式l－Il可得三、两组分理想溶液的气液平衡相图t—x（或y）图（温度—组成图）在总压为101.33kPa下，苯-甲苯混合液的平衡温度-组成图如图l-1所示。图中以t为纵坐标，以x或y为横坐标。图中有两条曲线，上曲线为t-y线，表示混合液的平衡温度t和气相组成y之间的关系。此曲线称为饱和蒸气线。下曲线为t-x线，表示混合液的平衡温度t和液相组成x之间的关系。此曲线称为饱和液体线。上述的两条曲线将t-x-y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，称为过热蒸气区；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。若将温度为t1、组成为xl(图中点A表示)的混合液加热，当温度升高到t2(点J)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泡点线。同样，若将温度为t4、组成为y1(点B)的过热蒸气冷却，当温度降到t3(点H)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露点线。
由图1－1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、液两相组成相同，则气相露点温度总是大于液相的泡点温度。(二)x-y图蒸馏计算中，经常应用一定外压下的x-y图。图1-2为苯-甲苯混合液在P＝101.33kPa下的x-y图。图中以x为横坐标，y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，图中曲线上任意点D表示组成为x1的液相与组成为yl的气相互成平衡，且表示点D有一确定的状态。图中对角线x＝y的直线，作查图时参考用。对于大多数溶液，两相达到平衡时，y总是大于x，故平衡线位于对角线上方，平衡线偏离对角线愈远，表示该溶液愈易分离。x-y图可以通过t-x-y图作出。图1-2就是依据图1-l上相对应的x和y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x-y平衡数据，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—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α愈小，因此蒸馏压强愈高，
平衡温度随之升高，α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20％～30％下，x-y
平衡曲线变动不超过2％，因此在总压变化不大时，外压
对平衡曲线的影响可忽略。1-2-2两组分非理想物系的气液平衡对非理想溶液，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-水、正丙醇-水等物系是具有很大正偏差溶液的典型例子；硝酸-水、氯仿-丙酮等物系是具有很大负偏差溶液的典型例子。非理想溶液的平衡分压可用修正的拉乌尔定律表示。即图1-3为乙醇-水混合液的t-x-y图。由阁可见，液相线和气相线在点M重合，即点M所示的两相组成相等