新乡学院化工原理精品课程

第 九 章 蒸 馏

新乡学院化工原理精品课程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）； 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。

新乡学院化工原理精品课程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。

B

A

B

A

xx

yy

新乡学院化工原理精品课程(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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新乡学院化工原理精品课程(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。

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精馏装置示意图

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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

理想溶液 ：各组分分子之间的作用力相等。

新乡学院化工原理精品课程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： 172 CF

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 。

22 2 2 2

F C

新乡学院化工原理精品课程二、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：

371000 ABBBBAAA xpxppxpp

pA0 、 pB

0 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：TC

BAp

0lg

新乡学院化工原理精品课程 当溶液沸腾时，溶液上方的总压等于各组分的蒸气压之和：

由式 7-4 和 7-3 得： 7 4

A B

AA

BB

P p ppyppyp

7700

0

BA

BA pp

pPx

8700

000

BA

BAAAAA pp

pPPp

Pxp

Ppy

泡点方程

露点方程

道尔顿定律：

新乡学院化工原理精品课程三、相图 ① 温度 - 组成图（ t-x-y ）

yxppt BA ，，总压一定时，给定 00

新乡学院化工原理精品课程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。

图线说明：

新乡学院化工原理精品课程t/℃

x (y)

t-x

t-y

p=101.3kPa

tF F

GtG

EC

xC

D

yD

tE

I

J

tI

tJ

x0

0 1.0

100

110

80

90

苯 - 甲苯温度 - 组成图

新乡学院化工原理精品课程从过冷液体至过热气体的变化过程

新乡学院化工原理精品课程常压下苯、甲苯的相对挥发度随温度的变化

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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。

新乡学院化工原理精品课程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。

新乡学院化工原理精品课程压力对温度组成图的影响

新乡学院化工原理精品课程说明：（ 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。

新乡学院化工原理精品课程 挥发度与相对挥发度

A

AA x

pv 95 B

BB x

pv挥发度：

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127 B

B

AA

BB

AA

xy

xy

xp

xp

B

A

vv

对双组分溶液，气相遵循道尔顿分压定律，则：

13711

x

xy

相对挥发度：

上式称为气液相平衡方程。 α越大，分离越容易。

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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。

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。

非理想物系可能有以下几种情况：

新乡学院化工原理精品课程乙醇 - 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

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9.3 平衡蒸馏和简单蒸馏 9.3.1 平衡蒸馏9.3.2 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。

新乡学院化工原理精品课程9.3.1 平衡蒸馏

平衡蒸馏装置

x xF y

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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。图 5-6 简单蒸馏装置

nF, zF

nD3, xD3

nD1, xD1

nD2, xD2nW2,

x2

xw x yw y1min max

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新乡学院化工原理精品课程一 . 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经多次部分冷凝使液相 x1经多次部分汽化 y2 →y3 →y4 →1

x2→x3→x4→0

9.4 精馏原理和流程

新乡学院化工原理精品课程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。

新乡学院化工原理精品课程如何改进： 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

新乡学院化工原理精品课程 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。 同样，对加料釜以下，将每釜部分汽化的蒸汽引入上釜如 y3

，和 x2，

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

新乡学院化工原理精品课程精馏 -- 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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新乡学院化工原理精品课程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 。

3 1y xt t

符合 13711

x

xy —— 称为理论板

新乡学院化工原理精品课程 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。

新乡学院化工原理精品课程那么对第一块板，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。

新乡学院化工原理精品课程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。

新乡学院化工原理精品课程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

全凝器

分凝器xD

y1

x0

y1xD

y0

相当于一块理论板

y1=xD

y0=xD

新乡学院化工原理精品课程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a.回流方式 直接加热

间接加热xn

yw

xw

加热蒸汽 釜液Wxw