文档介绍：第六章  液体蒸馏
第一节  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yA>xA,且yA>xA0 ,xA<xA0。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。
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。
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。
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
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)
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
§、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
.,服从拉乌尔定律;
微观Micro:g11=g22=g12,
宏观Macro:△H=0;△V=0
.,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)