9-1_双组分溶_液气液相平衡

第九章液体精馏第一节概述第二节双组分溶液的气液相平衡第三节平衡蒸馏与简单蒸馏第四节精馏第五节双组分精馏的设计型计算第六节双组分精馏的操作型计算第七节间歇精馏第八节恒沸精馏与萃取精馏第九节多组分精馏第一节概述一、蒸馏过程蒸馏目的：分离液体混合物吸收：气体分离蒸馏：液体分离蒸发：固液分离闪蒸罐塔顶产品yAxA加热器原料液塔底产品Q减压阀二、过程实施与经济性蒸馏简单蒸馏、平衡蒸馏—无回流恒沸精馏、萃取精馏—特殊精馏连续精馏、间歇精馏—精馏—有回流蒸馏依据：挥发度差异易挥发组分—轻组分难挥发组分—重组分AAAABByxyxyx；挥发度表示组分由液相至气相的能力。液体均有挥发成为蒸汽的能力，但各液体的挥发性各不相同，因此液相混合物部分汽化生成的气相组成也液相组成也有差别。y原料液x蒸气xD1xD2xD3冷凝器闪蒸罐塔顶产品yAxA加热器原料液塔底产品Q减压阀简单蒸馏示意图平衡蒸馏示意图料液,xFFeed塔顶产品,xDOverheadproduct塔底产品,xWBottomsproduct液相回流Liquidreflux汽相回流Vaporreflux精馏段Rectifyingsection提馏段Strippingsection再沸器Reboiler冷凝器condenser精馏示意图蒸馏分离实例：石油炼制中使用的250万吨常减压装置加热温度超出一般水蒸汽加热范围，要用高温载热体—减压蒸馏可避免使用高温载热体。冷凝温度低于常温，不能用冷却水，而要使用冷冻剂—加压蒸馏可避免冷冻剂本章重点：精馏塔的设计型计算与操作型计算难点：汽液相平衡概念及加料热状态问题蒸馏的经济性——热耗（加热费用与冷却费用）第二节双组分溶液的气液相平衡一、相律相—具有相同的物性、化学组成均匀部分讨论：平衡物系设计的参数：温度t，压强P，及汽、液两相的组成，三者知其二则平衡体系的状态确定。（组分数N=2，相数φ=2，平衡物系自由度F=2）2NF相律蒸馏过程系恒压操作，压强P一旦确定，物质只剩下一个自由度。（1）液相（或汽相）组成与温度间的一一对应关系恒压下双组分平衡物系中存在如下关系：（2）汽液组成之间的一一对应关系。结论：该结论有利于分析蒸馏过程：随着蒸馏进行，液体中轻组分浓度逐渐下降，重组分浓度逐渐上升。即当组成改变，则釜内温度必随之升高。反之，当釜液组成没有发生明显变化，则增、减加热速率，只能增、减汽化速率而不能明显改变液相温度。二、理想物系汽液相平衡理想物系含义：在一定温度下，理想溶液上方组分i的蒸汽压pi等于纯组分i的饱和蒸汽压pio乘以溶液中的i摩尔分率xi。汽相为理想气体，服从理想气体定律或道尔顿分压定律液相为理想溶液，服从拉乌尔定律；拉乌尔定律：(A)(B)0AA00AB0BB()()ABpPxPftPftpPx；理想混合物的总压等于个组分气体分压之和P=p1+p2+···道尔顿分压定律：混合气体中每个组分气体分压等于混合气体总压乘以该气体在混合气体中的分子分数。pi=Pyi推论：1、双组分理想物系的液相组成——温度（泡点）关系式0000ABAABBAABA(1)PpppxpxpxpxBBAABAB()()()oooPpPftxppftft当纯组分的饱和蒸汽压p0及总压P已知时，可计算溶液的组成。纯组分的饱和蒸汽压与温度t的关系通常用安托因（Antoine）方程表示：0logBPAtCA、B、C为该组分的安托因常数，查手册。2、汽液两相平衡组成间的关系式A00AAAAApppxyKxKPPP；与亨利定律有相似之处y=mx，A0pEKmPP，相平衡常数K与总压、温度均有关。相平衡常数3、汽相组成与温度（露点）的定量表达式yA与xA关系的计算通过pAo（pBo）作为桥梁过渡，而pAo（pBo）是温度的函数，表明了汽、液组成与温度之间的一一对应关系。000AAAABABA00ABAB()()()()pPxPPPftPftyPPPPPPftft三、相图t-x(y)图和y-x图1、t-x(y)图t-x(y)图代表的是在总压P一定的条件下，相平衡时汽（液）相组成与温度的关系（泡点线和露点线）。在总压一定的条件下，将组成为xf的溶液加热至该溶液的泡点tA，产生第一个气泡的组成为yA。继续加热升高温度，物系变为互成平衡的汽、液两相，两相温度相同组成分别为yA和xA。t/Cx(y)01.0露点线泡点线露点泡点xAyAxf气相区液相区两相区当温度达到该溶液的露点，溶液全部汽化成为组成为yA=xf的气相，最后一滴液相的组成为xA。0AA00AB0AAAAPpxppppxyPP在t~x(y)图上标出坐标点得出该图温度-组成图是通过查取纯组分A、B在不同温度t的饱和蒸汽压数据，再经过下式计算得到x、ytC0EFx(或y)AyAxA1.0总压P一定若在t~x（y）图上作一系列水平线，得出汽、液平衡浓度（x，y），将（x，y）一一在y~x图上标出则得出y~x图，（x，y）点连线为相平衡曲线。2、y-x图温度高。右上角温度低，左下角AAyxyxt平衡线在对角线上方，平衡线上每一点对应的组成均不相同，对应的平衡温度也不相同，平衡线上每一点都适合相平衡方程。愈易分离。汽液两相浓度差愈大，互成平衡的平衡线离对角线愈远，1.00yx总压恒定yxy=xx–y相图t-x(y)图用于讨论原理，作为分析蒸馏的依据；y-x图用于进行过程分析与计算相图讨论：tC0EFx(或y)AyAxA1.0总压P一定1.00yx总压恒定yxy=xx–y相图3、y-x的近似表达式及相对挥发度α（1）挥发度挥发度的大小表示组分由液相挥发到汽相的能力。（2）相对挥发度AAAAAAAABBBBABBBBBpyyyPvxxxypyyxvPxxxx的大小可作为用蒸馏分离某物系难易程度的标志ABABAB,ppvvxx（3）相平衡方程双组分体系BABA1,1yyxxAAAA(1)(1)(1)(1)yyyyxxxx略去下标若已知x值则可以根据相平衡方程得到y~x的对应关系xxy)1(1得相平衡方程1.00yx总压恒定yxy=xx–y相图（4）α值的求取，通常由实验测定对理想溶液，用拉乌尔定律代入A0AAA0BBBBpvxppvpx00AB000AAB0Bm()pppppp不同温度值不等，可以有若干值。原则上随温度变化而变化，但受温度的影响较、要小的多，可在操作温度范围取平均值为常数。m12m12()/2，算术平均值，几何平均值相对挥发度讨论：（1）一般情况ABAABBAB,1yyyxyxxx故α愈大则同一液相组成x对应的y值愈大，越易分离。P53图9-5α=1时，y=x，则汽液两相组成相同即yA=xA，yB=xB，P55图9-7，这时用一般精馏方法无法分离。因此α的大小可作为用蒸馏分离某一物系的难易程度标志AAABBB1yxyx即，ABABAB0.72.330.310.20.250.8yyxxBABA10.3,10.8yyxx如：当温度为t时AA0.7,0.2yxt0.20.7xft0t1四、非理想物系的汽液相平衡1、非理想溶液平衡蒸汽压偏离拉乌尔定律点）负偏差（具有最高恒沸正偏差（最低恒沸点）2、非理想气体——进行修正1.00蒸汽压BAppxBpAp0Ap0Bp蒸汽压1.00BAppxBpAp0Ap0Bp3、具有恒沸点物系溶液的蒸馏（1）恒沸组成时汽、液两相的组成相同（y=x）00.20.40.60.81.08075706560tt/℃x（y）xy=xy00.20.40.60.81.01.00.90.80.70.6050.40.30.20.10苯-乙醇溶液相图（正偏差）苯－乙醇溶液为正偏差系统，低沸点tM＝68.3℃，恒沸物的组成xM=0.552。（2）一般蒸馏方法无法将恒沸物中的两个组分加以分离即对应于M点（yA=xA）组成恒沸混合物在恒定温度下沸腾，直至溶液全部汽化为止，不可能分离组分。氯仿－丙酮溶液为负偏差体系，高沸点tM=64.5°C，恒沸物的组成xM=0.65。00.20.40.60.81.07065605550tt/℃x（y）氯仿-丙酮溶液相图（负偏差）xy00.20.40.60.81.01.00.90.80.70.60.50.40.30.20.10y=x（3）具有恒沸点物系溶液的蒸馏以高恒沸点氯仿—丙酮体系为例：初组成为x（xxM）的混合液中在t下沸腾，则yx，气相中易挥发组分较多。结果：塔顶可得到纯氯仿，塔底得组分为xM的恒沸液。若初组成x（xxM）的混合液在t下沸腾，则yx，气相中易挥发组分较少。结果：塔顶可得到纯丙酮，塔底可得到组分为xM的恒沸液。五、总压对相平衡的影响579-12PP，，两相区扩大，有利于分离。图减压蒸馏应用：1、同一物系，总压越高，泡点越高，α越小，越不易用蒸馏分离，因此减压使泡点降低，α增大，有利于蒸馏分离。2、减压降低釜液沸点，避免不稳定组分的分解。还可使低压蒸汽作为热源，避免使用载热剂。但减压所需设备复杂，技术要求高，操作费用大。作业P98：2、4p1p2xy