文档介绍：第一章蒸馏
在化工生产过程中,常常需要将原料、中间产物或粗产品中的组成部分进行分离,如将原油分成气油、煤油、柴油及重油等馏分作为产品;%(也即将杂质分离掉),这些物质大都是均相混合物。对于均相物系的分离,必须造成一个两相物系,利用组分间某种物性的差异使其中某个或某些组分从一相迁移到另外一相,实现传质与分离操作。常见的传质与分离过程有蒸馏、吸收、萃取与干燥等。其中蒸馏是分离均相液态溶液的最常用的方法。
蒸馏是利用溶液中各组分蒸气压(或沸点、挥发度)的差异使各组分得到分离。例如在容器中将苯和甲苯的溶液加热使之部分气化,由于苯的挥发性能比甲苯强,(即苯的沸点比甲苯低),气化出来的蒸气中苯的组成(即浓度)必然比原来液体的要高。当气液达到平衡后,从容器中将蒸气抽出并使之冷凝,则可得到苯含量高的冷凝液。显然,遗留下的残液中苯的组成要比原来溶液低,即甲苯组成要比原来溶液高,这样溶液就得到初步分离。图1为常采用的连续精馏装置流程图,其主要设备为精馏塔,是由若干层塔板组成的板式塔,有时也用充满填料的填料塔。溶液经预热后由塔的中部引入,因为原料组分的沸点不同,沸点低的组分较易气化而向上升,最后在冷凝器中冷凝成易挥发组分含量高的液体,一部分作为塔顶产品(又称馏出液),余下的送回塔内作为回流(称为回流液)。沸点高的组分则从蒸气中不断地冷凝到沿各板下流的回流液中,最后从塔底排出的釜液中难挥发组分含量较高,釜液的一部分被引出作为
塔底产品,余下的再送入再沸器(或者蒸馏釜),被加热气化后再返回塔中,具体内容第二节介绍。
图1:连续精馏流程图
蒸馏按操作方式可分为简单蒸馏、平衡蒸馏(闪蒸)、精馏和特殊精馏;按原料中所含组分数目可分成双组分精馏及多组分精馏;按操作压力则可分为常压蒸馏、加压蒸馏及减压(真空)蒸馏;按操作是否连续又可分为连续蒸馏和间歇蒸馏。本章将重点讨论常压下双组分连续精馏。
第一节两组分溶液的气液平衡
平衡关系是指溶液与其上方蒸气达到相平衡时,气、液两相间组成的关系。它是分析蒸馏原理和进行蒸馏设备计算的依据。
工业上进行分离的溶液多是多组分的,但双组分蒸馏的原理是多组分蒸馏的基础。其基本原理与计算方法均无本质区别,故本节先讨论双组分物系的平衡关系。
相平衡是物理化学课程的基本内容,下面我们从化学工程的角度来讨论两组分理想溶液。
1-1-1理想溶液及拉乌尔定律
根据溶液间相同分子间和相异分子间作用力之异同,可分为非理想溶液和理想溶液。理想溶液的气液平衡关系遵循拉乌尔定律,即
pA=pAoxA pB=pBoxB=pBo(1-xA)
p—溶液上方组分的平衡分压,Pa;
p----纯组分的饱和蒸气压,由安托尼方程或手册查得;
x---组分的摩尔分率。
通常略去下标,以x表示液相中易挥发组分摩尔分率,(1–x)表示难挥发组分,以y表示气相中易挥发组分摩尔分率,(1–y)表示难挥发组分。
上式表明在一定温度下,溶液上方蒸气中任意组分的分压,等于此纯组分在该温度下的饱和蒸气压乘以它在溶液中的摩尔分率。
当溶液沸腾时,溶液上方蒸气总压P等于两组分分压之和,即:
P=pA+pB=pAox+pBo(1-x) 解得: x=(P-pBo)/(pAo-pBo) 泡点方程
当系统总压P不大时,可认为气相