简单蒸馏与蒸馏釜

2021/4/91第二节简单蒸馏与蒸馏釜一、简单蒸馏基本原理

三、简单蒸馏的计算二、蒸馏釜Distilinbriefandthedistiller2021/4/92一、简单蒸馏基本原理1.简单蒸馏

所谓蒸馏是指，根据液体混合物中各组分间挥发性的差异，将液体混合物各组分分离的一种（传质）操作。

根据蒸馏的方法，我们常将蒸馏地分为简单蒸馏、平衡蒸馏（闪蒸蒸馏）和精馏等类型。⑴蒸馏(distil)

简单蒸馏又称为微分蒸馏或瑞利蒸馏，是使混合液逐渐气化并使蒸气及时冷凝以分段收集的分离操作。其流程如图所示。⑵简单蒸馏流程冷却水馏分(送馏分储存器)母液(送母液储存器)原料加热系统冷凝系统蒸馏釜2021/4/93①气－液相间只有瞬间的平衡关系

在简单蒸馏过程中，体系中的气－液相间没有平衡关系，只有瞬间的平衡关系。原料液蒸气(部分)馏分加热冷凝母液

从简单蒸馏的操作流程不难看出，是一种单级、间歇蒸馏，其特点至少有如下两个方面。⑶简单蒸馏的特点只有瞬间的平衡关系

气相体系中易挥发度组分的含量随蒸馏过程的进行，由高→低发生变化；蒸气（气相）的温度随蒸馏过程的进行，由低→高发生变化。②气、液相组成、沸点随时间而改变【气相】

液相体系中易挥发度组分的含量随蒸馏过程的进行，由高→低发生变化；料液的沸点随蒸馏过程的进行，由低→高发生变化。【液相】Why?2021/4/94

我们知道，蒸馏是根据液体混合物中各组分间挥发性的差异，对其进行分离的操作。什么是挥发性？如何度量物质的挥发性？2.挥发度与相对挥发度

挥发性通常是指物质由液态变为气态（蒸气）的一种性质，是物质的物理性质之一。物质的挥发性常用挥发度（υ）来表示。即：⑴挥发度υi=pi/xi

式中，υi为组分i的挥发度，单位为Pa；pi为体系达到气－液平衡时，组分i的蒸气分压，单位为Pa；xi为体系达到气－液平衡时，组分i的物质的量分数。

对于纯组分A而言，因xA=1，则该组分的挥发度υ就等于其饱和蒸气压。即：υA=pA°2021/4/951887年法国物理学家F.-M.拉乌尔在研究含有非挥发性溶质的稀溶液时提出：“在某一温度下，稀溶液的蒸气压等于纯溶剂的蒸气压乘以溶剂的物质的量分数”。

在实际蒸馏操作中，我们讨论的对象均为混合物。为了较清楚地反映混合物中某组分挥发性的大小（体系内各组分间挥发度的差异性），常用相对挥发度来表示。如，二组分体系中A与B的相对挥发度为：⑵相对挥发度αAB=υA/υBpi=pi°xi当体系服从拉乌尔定律时，即：αAB=υA/υB=则：pA/xApB/xB=pA°pB°

这样，我们只需知道在某温度下，体系中各组分的饱和蒸气压，便可求得其相对挥发度。问题：什么是拉乌尔定律？2021/4/96

在简单蒸馏实际操作中，由于蒸馏釜内混合液的温度（沸点）将随着易挥发度组分的减少而逐步升高。这就意味着混合液的相对挥发度也将随温度的变化而变化。由于在一般简单蒸馏操作中，温度的变化范围不是很大（相对挥发度的变化范围同样不大）。因此，为了使讨论简便，在简单蒸馏物料衡算中我们常采用“平均相对挥发度”代替相对挥发度进行计算。即：⑶平均相对挥发度αm=α1-α2α1α2ln

式中：α1表示开始蒸馏时体系沸点(温度)下的相对挥发度；α2表示蒸馏结束时体系沸点下的相对挥发度。2021/4/97

从简单蒸馏的特点我们知道：在简单蒸馏过程中，体系中的气－液相间虽然没有平衡关系，但有瞬间的平衡关系。此平衡关系如何描述？其意义何在？3.平衡关系

在此我们仍以二组分体系进行讨论。若某体系服从拉乌尔定律，其蒸气服从理想气体行为。则，其气相中某组分的物质的量分数为：yA=nA/n=pA/p总yB=nB/n=pB/p总由于：αAB=υA/υB==×pA/xApB/xByA·p总xAyB·p总xB(yA·xB)=(yB·xA)2021/4/98xB=1-xA对于二组分体系有：αAB==则：yB=1-yA(yA·xB)(yB·xA)yA(1-xA)xA(1-yA)

此式称为二组分体系（理想溶液）相对挥发度与气液平衡关系式，它反映了二组分体系A物质在气－液相中组分数间的关系。相对挥发度与气－液平衡关系式在蒸馏操作实际应用中，常用平均相对挥发度代替相对挥发度。移项整理得：yA=αAB·xA1+(αAB-1)·xAαABxA–αAByAxA=yA-yAxAαABxA=yA-yAxA+αAByAxA

αABxA=yA(1-xA+αABxA)αABxA=yA[1+(αAB-1)xA]2021/4/99二、蒸馏釜

在实际生产中，蒸馏釜的类型繁多。通常是根据蒸馏的方式或操作条件对其进行分类。例如：按加热方式的不同，可将其分为电加热式蒸馏釜、蒸气加热式蒸馏釜和导热油加热式蒸馏釜等。1.蒸馏釜的类型

按操作压强可将其分为常压蒸馏釜和减压蒸馏釜。按材质的不同，可将其分为不锈钢蒸馏釜、搪瓷蒸馏釜……奶酒蒸馏釜2021/4/910

如图所示，一般蒸馏釜主要由釜体、釜盖、进料口、馏分蒸气出口、釜残夜出口、加热系统及冷凝系统等部件构成（有时，根据工艺要求，需增加搅拌系统）。2.蒸馏釜的基本构造进料口冷却水馏分(送馏分储存器)母液(送母液储存器)原料加热系统冷凝系统釜残液出口釜盖釜体馏分蒸气出口2021/4/9113.几种常见的蒸馏釜⑴搪玻璃蒸馏釜K系列搪玻璃蒸馏釜

该蒸馏釜是将含硅量高的瓷釉涂于釜体内金属壁表面，通过950℃搪烧制成的。搪玻璃蒸馏釜对各种浓度的无机酸、有机酸、有机溶剂及弱碱等介质均有极强的抗腐性。2021/4/912如图所示，减压蒸馏釜是在普通蒸馏釜设备基础上增加了减压系统。增加了减压系统后，可使原料液的沸点降低，避免在较高温度下料液中热稳定性差的组分，因受热发生分解反应而变性。⑵减压蒸馏釜2021/4/913水蒸汽蒸馏设备是将蒸馏釜的加热系统改为水蒸汽加热，并且直接将加热蒸汽与物料接触进行蒸馏，其馏分与水蒸汽一起由馏分出口排出。水蒸汽蒸馏设备常用于芳香油的粗提，由馏分出口排出的冷凝液须进行油、水分离。⑶水蒸汽蒸馏釜鸢尾酮2021/4/914问题讨论与练习4－4某厂欲对某A、B二组分体系进行简单蒸馏操作。已知：A组分的正常沸点为100℃；B组分在100℃时的饱和蒸气压为50.56kPa。求体系在100℃时，A组分的相对挥发度。4－5计算苯－甲苯混合液（二组分体系）在80.1－110.8℃时苯平均的相对挥发度。2021/4/915三、简单蒸馏的计算

从简单蒸馏的特点得知：在简单蒸馏体系中，其气－液相间只有瞬间的平衡关系。这样，我们便可以利用简单蒸馏的这种瞬间的平衡关系进行物料衡算。

气相中易挥发组分的量

液相中易挥发组分的减少量如图所示，假设W1为蒸馏釜中料液的物质的量分数，x为料液中易挥发组分的物质的量分数；若蒸馏过程中气化了dWmol，其中含易挥发组分为ymol。根据物料衡算有：y·dW=d(W·x)=W·dx+x·dWdWyW1x进料釜残液2021/4/916简单蒸馏过程中的计算公式将物料衡算式移项、整理：dWWy·dW-x·dW=W·dxdW(y-x)=W·dxdxy-x=y·dW=W·dx+x·dW对方程两端进行定积分：W1dWWdxy-x∫

=∫W2x1x2ln=W1W2dxy-x∫x2x1W1-W2xPW1x1进料釜残液W2x2馏分

xP－馏分中易挥发组分的物质的量分数2021/4/917

某厂用常压简单蒸馏处理含苯50(mol)%、含甲苯50(mol)%的混合液。当蒸馏釜中的液体组成为含苯37(mol)%时，停止操作。求：例11.馏分的总组成；2.每100kmol料液可得到的馏分量。W1-W2xPW1x1进料釜残液W2x2馏分ln=W1W2dxy-x∫x2x1计算公式已知：W1

=100kmolx1

=xF(苯)=50%x2

=xW=37%求：xP

=？W1-W2

=？

可见，要运用上述公式进行计算，关键是解决定积分项。定积分项通常可用图解法或计算法求之。2021/4/918根据工艺给出的x1、x2取值范围，列表给出x、y、1/(y-x)的相应数据，然后以x对1/(y-x)作图；在x1到x2之间的曲线所围面积，就是公式中的定积分项。dxy-x∫x2x1【图解法】1.根据工艺条件列出x1到x2的有关数值x0.370.400.430.450.470.50y1/(y-x)2.根据相对挥发度与气液平衡关系式，求

y

值y苯==α苯甲苯·x苯α苯甲苯·x苯+1-x苯αm·x苯1+(αm-1)x苯2021/4/919⑴求平均相对挥发度αmαm=α1-α2lnα1α2

在不清楚蒸馏过程的起始温度的情况下，可近似地以苯及甲苯的正常沸点为起始温度计算挥发度。已知：（查表）80.1℃时（苯的正常沸点）p苯°=101.3kPap甲苯°=39.3kPaα1==

=2.58则：p苯°p甲苯°101.339.3①求相对挥发度2021/4/920同理：（查表）110.8℃时（甲苯的正常沸点）p苯°=233.0kPap甲苯°=101.3kPaα2==

=2.30则：p苯°p甲苯°233.0101.3②求平均相对挥发度==αm=α1-α2

ln=2.442.58-2.30lnα1α22.582.300.280.115注：在两个相对挥发度之差不太大的情况下，可用算术平均值代之。即：αm≈α例如：α=(2.58+2.30)/2=2.442021/4/9210.5890.6190.6480.6660.6840.709

根据相对挥发度与气液平衡关系式，将平均相对挥发度αm代入式中求出y值。3.根据得到的x、y，求1/(y-x)x0.370.400.430.450.470.50y1/(y-x)4.574.574.594.634.674.78

再根据相应的x值和y值求出1/(y-x)。2021/4/9224.554.604.654.704.754.804.500.500.450.400.371/（y苯-x苯）x苯4.以x对1/(y-x)作图x0.370.400.430.450.470.50y0.5890.6190.6480.6660.6840.7091/(y-x)4.574.574.594.634.674.782021/4/923A1=4.57×(0.5-0.37)=0.594A3=0.03×(4.67-4.57)=0.003A35.求曲线所围面积（定积分项）4.554.604.654.704.754.804.500.500.450.400.371/（y苯-x苯）x苯A2=×(0.11×0.03)=0.00165214.78-4.67=0.110.5-0.47=0.03A2A4≈0.0035A4A总=0.594+0.00165+0.003+0.0035=0.60dxy-x∫x2x1=0.602021/4/924母液中易挥发组分的量料液中易挥发组分的量馏分中易挥发组分的量即：W2ln=∫=0.60W1dxy-xx2x11.82于是：W2===54.9(kmol)=arcln0.6=1.82W1W2W11.82100W1-W2=100-54.9=45.1(kmol)每100kmol料液可得到的馏分量馏出液的总组成根据物料衡算有：WP·xP=W1·x1-W2·x22021/4/925则，馏分中苯的含量：xP（苯）=WPW1·x1-W2·x245.1100×0.5-54.9×0.37==0.658xP(甲苯)=1-xP(苯)

=1-0.658

=0.342

即，馏分的组成为：含苯x苯=0.658，含甲苯x甲苯=0.342。馏分中甲苯的含量：WP=W1-W2xPW1=WFx1=xF进料釜残液W2=Wx2=xW馏分2021/4/926为了书写方便，令：αm=α根据相对挥发度与气、液平衡关系式直接求定积分项。即：【计算法】∫

=∫dxy

-xx1x2αm·x1+(αm-1)x-xdxx1x2=∫α·x-[1+(α-1)x]x[1+(α

-1)x]dxx1x2=∫(α-1)x-(α-1)x2[1+(α

-1)x]dxx1x2=∫+(α-1)x+(1-α)x2dxx1x2(α-1)x-(α-1)x2(α

-1)xdxx1x2+∫x1x2∫dx1-x2021/4/927=-lnα-11(α-1)+(1-α)xxx1x2x(a+bx)dx∫=-ln+Ca1a+bxx积分公式∫

(α-1)x+(1-α)x2dxx1x2=∫

x[(α-1)+(1-α)x]dxx1x2α-11(α-1)+(1-α)x1x1=-[ln-ln](α-1)+(1-α)x2x2=-lnα-11(α-1)+(1-α)x1x1(α-1)+(1-α)x2x22021/4/928ln(α-1)+(1-α)x1x1(α-1)+(1-α)x2x2=lnx2[(α-1)+(1-α)x1]x1[(α-1)+(1-α)x2]=lnx2[(α-1)-(α-1)x1]x1[(α-1)-(α-1)x2]=lnx2(α-1)(1-x1)x1(α-1)(1-x2)=ln(1-x1)x2(1-x2)x1=-lnα-11(1-x1)x2(1-x2)x1∫

(α-1)x+(1-α)x2dxx1x2即：2021/4/929=-lnα-11(1-x1)x2(1-x2)x1∫

(α-1)x+(1-α)x2dxx1x2=-ln2.44-11(1-0.5)×0.37(1-0.37)×0.5αm=2.44已知：x1=0.50x2=0.37则：=-ln=0.3691.4410.1850.315∫dxy

-xx1x2=∫+∫(α-1)x+(1-α)x2dxx1x2x1x2dx1-x2021/4/9301-x∫

=0.369+∫dxy

-xx1x2x1x2dx=0.369-∫=0.369-ln(1-x)x1x2d(1-x)1-xx1x21-x2=0.369-ln=0.369-ln1-x11-0.51-0.37=0.369-ln0.794=0.369+0.231=0.60即：W2ln=∫=0.60W1dxy-xx2x1WP=45.1(kmol)1.每100kmol料液可得到的馏分量2.馏分的组成xP(苯)=0.658xP(甲苯)=0.342结论：2021/4/931问题讨论与练习4－6在常压操作下，用简单蒸馏法分离苯－甲苯二组分体系。已知，进料液中苯的含量xF=0.50，要求苯的回收率为80％。求馏出液的量及