化工原理下1-1气液平衡

第1章蒸馏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。概述一.蒸馏在工业上的应用二.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。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BABAxxyy三.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，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。四、蒸馏分离的特点通常不须要外加其它组分，可直接获得所需要的产品用于分离液相混合物对于非液相混合物，可以先转为液相混合物例如空气的分离，脂肪酸混合物的分离能耗大因为有相变过程有时需要高压、真空、高温、低温等条件五.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。1.2两组分溶液的气液平衡动态平衡蒸馏过程：气液两相间的传质过程；过程的极限：气、液相平衡。气液相平衡：两相或多相接触达物理平衡时，各相组成之间的关系。一、相律——气液平衡的自由度:T、P2FC相数C为组分数•例：对于单组分液相对于单组分气相对于单组分气液相平衡对于双组分气液相平衡对于单组分饱和蒸气（一）单组分气液相平衡气液平衡时，自由度为1可用温度或饱和蒸气压表示相平衡关系温度与饱和蒸气压的对应动态平衡气化速率与温度正相关液化速率与气相的分压有关饱和蒸气压与总压、沸点的关系例：100OC时水的饱和蒸气压为多少？液相气相气化液化思考•对于双组分气液相平衡，如果温度、压强确定了，它的气液相组成是否确定？•对于双组分气液相平衡，通常用什么图来表示？•t-x-y图和x-y图的前提是什么？•t-x-y图和x-y图有什么区别？•如何获取数据作t-x-y图和x-y图？•本节书中哪条公式最具有概括性？双组分物系气、液相平衡的自由度为2可见：规定其中的两个，则系统平衡状态即定。一般蒸馏压力恒定，故仅有一个自由度。T、P2FC相数二、两组分理想体系的气液平衡（一）理想物系的涵义液相为理想溶液理想溶液：溶液中同分子间与异分子间作用力无差异。即fAA=fBB=fAB把纯组分混合，无容积效应，无热效应气相为理想气体理想气体：气体分子的体积可忽略气体分子间无作用力（二）双组分理想物系气液相平衡•1、用函数关系表示1）用饱和蒸气压和相平衡常数表示2）用相对挥发度表示•2、用相图表示1）t-x-y图2）x-y图拉乌尔定律理想物系在一定温度下,气相中任一组分的平衡分压等于此纯组分在该温度下的饱和蒸气压与它在溶液中的摩尔分率的乘积。PA=PA0xA1）用饱和蒸气压和相平衡常数表示AAAxpp0BAppP)(000泡点方程BABApppPxAAPyp00000BABAAAAApppPPpxPpPpy＝)1(00ABBBxpxppB在一定总压下，查不同温度t下的饱和蒸气压，求出xA和yA相平衡常数AAAAAxxPpPpyA0K＝或露点方程补充例题：计算含苯0.5（摩尔分率）的苯—甲苯混合液在总压101.3kPa下的泡点温度。苯（A）—甲苯（B）的饱和蒸汽压数据如本例附表所示。温度，℃80.185.090.095.0100.0105.0110.6，kPa101.3116.9135.5155.7179.2204.2240.0，kPa40.046.054.063.374.386.0101.3补充例题解答解：设泡点温度℃，查附表得kPakPa由式1-4计算结果表明，所设泡点温度偏高。再设泡点温度℃，由附表数据插值求得kPakPa由式1-4泡点温度℃。分析：求解本题的关键是明确用汽液平衡关系求泡点温度时，需采用试差法。关于平衡计算的说明：（1）已知P、t，求相互平衡的x、y，不必试差：t→pA0,pB0→x,y（2）已知x，求与之平衡的y,t或已知y求与之平衡的x,t，试差计算试算过程为：假设tx判断xy假设txy判断yx在一定温度下，混合液的某组分在气相中的分压与平衡时液相中的摩尔分率之比。νA=pA/xAνB=pB/xBνA、νB—组分A、B的挥发度。对理想溶液，符合拉乌尔定律νA=pA/xA=pA0xA/xA=pA0νB=pB0理想溶液中,各组分的挥发度等于其饱和蒸汽压挥发度2）相对挥发度定义：溶液中两组分挥发度之比。气液相平衡方程BABBAAxpxp//压力不太高时BBAAxypxyp//BABAxxyy00/BApp理想溶液AAyy1xxy)1(1AAxx1思考：α受什么因素影响？★温度对α的影响温度↑，各组分蒸汽压↑，蒸汽压之比变化缓慢，故相对挥发度α随温度变化缓慢，在一定温度范围内，可由其平均值代替。★压力对相平衡的影响P↑，t↑，↓，对分离不利，P↓，t↓，↑，对分离有利。蒸馏压力的选择，优先考虑采用常压操作，只在特殊情况下采用加压（处理量增加，塔径不够）或减压（热敏性物料）。可忽略不计。的影响，其对变化小于　当%30pxxy)1(1yyx)1(——相平衡方程说明：①α表示了物系分离的难易程度，α远离1，物系易分离，α≈1或α=1，则该物系不能用普通的蒸馏方法分离。②对于非理想物系，α不能作为常数处理。③对于理想溶液，相对挥发度α变化不大，可取一平均值作为常数处理，相平衡关系简单。或NN112或3）温度-组成图（t-x-y）yxpptBA，，总压一定时，给定00从过冷液体至过热气体的变化过程说明：（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。二元混合物与纯液体的差别：（1）泡点与浓度有关，其值在A，B组分沸点范围之内（2）总组成相同，其泡点和露点（冷凝点）温度不同压力对温度组成图的影响4）气、液平衡组成的x-y图从t-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。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。图。描点绘出　也可通过相平衡方程yxxxy)1(1（三）非理想溶液1、正偏差：异分子间的排斥倾向起了主导作用，使得溶液的两个组分的平衡分压都比拉乌尔定律所预计的高，那么t-x线比理想溶液低，因为在较低的温度下，其总蒸汽压可与外界压力相等，即可达到沸点。如甲醇－水溶液。2、负偏差：组分的蒸汽压比拉乌尔定律低，那么沸点或t-x线比理想溶液高。当负偏差达到一定程度，会出现最高恒沸点，如硝酸－水物系。正偏差相图示例负偏差相图示例补充说明•1.具有恒沸点的溶液用一般蒸馏的方法,其浓度最多达到恒沸组成。•2.非理想溶液不一定具有恒沸点，但有恒沸点的是明显的、偏差大的非理想溶液；•3.具有恒沸点的溶液在总压发生改变时，恒沸组成也发生变化。小结•单组分气液相平衡，常用饱和蒸气压表示；•双组分气液相平衡，常用t-x-y图或x-y图表示；•对于双组分理想物系，在一定总压下，可用纯组分饱和蒸气压数据作t-x-y图和x-y图•对于相对挥发度近似为常数时，可用相平衡方程作x-y图000BABApppPxAAAxPpy0xxy)1(1OBOAPP作业P731，2