2021/4/91第二節(jié)簡單蒸餾與蒸餾釜一、簡單蒸餾基本原理

三、簡單蒸餾的計算二、蒸餾釜Distilinbriefandthedistiller2021/4/92一、簡單蒸餾基本原理1.簡單蒸餾

所謂蒸餾是指，根據(jù)液體混合物中各組分間揮發(fā)性的差異，將液體混合物各組分分離的一種（傳質(zhì)）操作。

根據(jù)蒸餾的方法，我們常將蒸餾地分為簡單蒸餾、平衡蒸餾（閃蒸蒸餾）和精餾等類型。⑴蒸餾(distil)

簡單蒸餾又稱為微分蒸餾或瑞利蒸餾，是使混合液逐漸氣化并使蒸氣及時冷凝以分段收集的分離操作。其流程如圖所示。⑵簡單蒸餾流程冷卻水餾分(送餾分儲存器)母液(送母液儲存器)原料加熱系統(tǒng)冷凝系統(tǒng)蒸餾釜2021/4/93①氣－液相間只有瞬間的平衡關(guān)系

在簡單蒸餾過程中，體系中的氣－液相間沒有平衡關(guān)系，只有瞬間的平衡關(guān)系。原料液蒸氣(部分)餾分加熱冷凝母液

從簡單蒸餾的操作流程不難看出，是一種單級、間歇蒸餾，其特點至少有如下兩個方面。⑶簡單蒸餾的特點只有瞬間的平衡關(guān)系

氣相體系中易揮發(fā)度組分的含量隨蒸餾過程的進行，由高→低發(fā)生變化；蒸氣（氣相）的溫度隨蒸餾過程的進行，由低→高發(fā)生變化。②氣、液相組成、沸點隨時間而改變【氣相】

液相體系中易揮發(fā)度組分的含量隨蒸餾過程的進行，由高→低發(fā)生變化；料液的沸點隨蒸餾過程的進行，由低→高發(fā)生變化。【液相】Why?2021/4/94

我們知道，蒸餾是根據(jù)液體混合物中各組分間揮發(fā)性的差異，對其進行分離的操作。什么是揮發(fā)性？如何度量物質(zhì)的揮發(fā)性？2.揮發(fā)度與相對揮發(fā)度

揮發(fā)性通常是指物質(zhì)由液態(tài)變?yōu)闅鈶B(tài)（蒸氣）的一種性質(zhì)，是物質(zhì)的物理性質(zhì)之一。物質(zhì)的揮發(fā)性常用揮發(fā)度（υ）來表示。即：⑴揮發(fā)度υi=pi/xi

式中，υi為組分i的揮發(fā)度，單位為Pa；pi為體系達到氣－液平衡時，組分i的蒸氣分壓，單位為Pa；xi為體系達到氣－液平衡時，組分i的物質(zhì)的量分數(shù)。

對于純組分A而言，因xA=1，則該組分的揮發(fā)度υ就等于其飽和蒸氣壓。即：υA=pA°2021/4/951887年法國物理學(xué)家F.-M.拉烏爾在研究含有非揮發(fā)性溶質(zhì)的稀溶液時提出：“在某一溫度下，稀溶液的蒸氣壓等于純?nèi)軇┑恼魵鈮撼艘匀軇┑奈镔|(zhì)的量分數(shù)”。

在實際蒸餾操作中，我們討論的對象均為混合物。為了較清楚地反映混合物中某組分揮發(fā)性的大?。w系內(nèi)各組分間揮發(fā)度的差異性），常用相對揮發(fā)度來表示。如，二組分體系中A與B的相對揮發(fā)度為：⑵相對揮發(fā)度αAB=υA/υBpi=pi°xi當(dāng)體系服從拉烏爾定律時，即：αAB=υA/υB=則：pA/xApB/xB=pA°pB°

這樣，我們只需知道在某溫度下，體系中各組分的飽和蒸氣壓，便可求得其相對揮發(fā)度。問題：什么是拉烏爾定律？2021/4/96

在簡單蒸餾實際操作中，由于蒸餾釜內(nèi)混合液的溫度（沸點）將隨著易揮發(fā)度組分的減少而逐步升高。這就意味著混合液的相對揮發(fā)度也將隨溫度的變化而變化。由于在一般簡單蒸餾操作中，溫度的變化范圍不是很大（相對揮發(fā)度的變化范圍同樣不大）。因此，為了使討論簡便，在簡單蒸餾物料衡算中我們常采用“平均相對揮發(fā)度”代替相對揮發(fā)度進行計算。即：⑶平均相對揮發(fā)度αm=α1-α2α1α2ln

式中：α1表示開始蒸餾時體系沸點(溫度)下的相對揮發(fā)度；α2表示蒸餾結(jié)束時體系沸點下的相對揮發(fā)度。2021/4/97

從簡單蒸餾的特點我們知道：在簡單蒸餾過程中，體系中的氣－液相間雖然沒有平衡關(guān)系，但有瞬間的平衡關(guān)系。此平衡關(guān)系如何描述？其意義何在？3.平衡關(guān)系

在此我們?nèi)砸远M分體系進行討論。若某體系服從拉烏爾定律，其蒸氣服從理想氣體行為。則，其氣相中某組分的物質(zhì)的量分數(shù)為：yA=nA/n=pA/p總yB=nB/n=pB/p總由于：αAB=υA/υB==×pA/xApB/xByA·p總xAyB·p總xB(yA·xB)=(yB·xA)2021/4/98xB=1-xA對于二組分體系有：αAB==則：yB=1-yA(yA·xB)(yB·xA)yA(1-xA)xA(1-yA)

此式稱為二組分體系（理想溶液）相對揮發(fā)度與氣液平衡關(guān)系式，它反映了二組分體系A(chǔ)物質(zhì)在氣－液相中組分數(shù)間的關(guān)系。相對揮發(fā)度與氣－液平衡關(guān)系式在蒸餾操作實際應(yīng)用中，常用平均相對揮發(fā)度代替相對揮發(fā)度。移項整理得：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、蒸餾釜

在實際生產(chǎn)中，蒸餾釜的類型繁多。通常是根據(jù)蒸餾的方式或操作條件對其進行分類。例如：按加熱方式的不同，可將其分為電加熱式蒸餾釜、蒸氣加熱式蒸餾釜和導(dǎo)熱油加熱式蒸餾釜等。1.蒸餾釜的類型

按操作壓強可將其分為常壓蒸餾釜和減壓蒸餾釜。按材質(zhì)的不同，可將其分為不銹鋼蒸餾釜、搪瓷蒸餾釜……奶酒蒸餾釜2021/4/910

如圖所示，一般蒸餾釜主要由釜體、釜蓋、進料口、餾分蒸氣出口、釜殘夜出口、加熱系統(tǒng)及冷凝系統(tǒng)等部件構(gòu)成（有時，根據(jù)工藝要求，需增加攪拌系統(tǒng)）。2.蒸餾釜的基本構(gòu)造進料口冷卻水餾分(送餾分儲存器)母液(送母液儲存器)原料加熱系統(tǒng)冷凝系統(tǒng)釜殘液出口釜蓋釜體餾分蒸氣出口2021/4/9113.幾種常見的蒸餾釜⑴搪玻璃蒸餾釜K系列搪玻璃蒸餾釜

該蒸餾釜是將含硅量高的瓷釉涂于釜體內(nèi)金屬壁表面，通過950℃搪燒制成的。搪玻璃蒸餾釜對各種濃度的無機酸、有機酸、有機溶劑及弱堿等介質(zhì)均有極強的抗腐性。2021/4/912如圖所示，減壓蒸餾釜是在普通蒸餾釜設(shè)備基礎(chǔ)上增加了減壓系統(tǒng)。增加了減壓系統(tǒng)后，可使原料液的沸點降低，避免在較高溫度下料液中熱穩(wěn)定性差的組分，因受熱發(fā)生分解反應(yīng)而變性。⑵減壓蒸餾釜2021/4/913水蒸汽蒸餾設(shè)備是將蒸餾釜的加熱系統(tǒng)改為水蒸汽加熱，并且直接將加熱蒸汽與物料接觸進行蒸餾，其餾分與水蒸汽一起由餾分出口排出。水蒸汽蒸餾設(shè)備常用于芳香油的粗提，由餾分出口排出的冷凝液須進行油、水分離。⑶水蒸汽蒸餾釜鳶尾酮2021/4/914問題討論與練習(xí)4－4某廠欲對某A、B二組分體系進行簡單蒸餾操作。已知：A組分的正常沸點為100℃；B組分在100℃時的飽和蒸氣壓為50.56kPa。求體系在100℃時，A組分的相對揮發(fā)度。4－5計算苯－甲苯混合液（二組分體系）在80.1－110.8℃時苯平均的相對揮發(fā)度。2021/4/915三、簡單蒸餾的計算

從簡單蒸餾的特點得知：在簡單蒸餾體系中，其氣－液相間只有瞬間的平衡關(guān)系。這樣，我們便可以利用簡單蒸餾的這種瞬間的平衡關(guān)系進行物料衡算。

氣相中易揮發(fā)組分的量

液相中易揮發(fā)組分的減少量如圖所示，假設(shè)W1為蒸餾釜中料液的物質(zhì)的量分數(shù)，x為料液中易揮發(fā)組分的物質(zhì)的量分數(shù)；若蒸餾過程中氣化了dWmol，其中含易揮發(fā)組分為ymol。根據(jù)物料衡算有：y·dW=d(W·x)=W·dx+x·dWdWyW1x進料釜殘液2021/4/916簡單蒸餾過程中的計算公式將物料衡算式移項、整理：dWWy·dW-x·dW=W·dxdW(y-x)=W·dxdxy-x=y·dW=W·dx+x·dW對方程兩端進行定積分：W1dWWdxy-x∫

=∫W2x1x2ln=W1W2dxy-x∫x2x1W1-W2xPW1x1進料釜殘液W2x2餾分

xP－餾分中易揮發(fā)組分的物質(zhì)的量分數(shù)2021/4/917

某廠用常壓簡單蒸餾處理含苯50(mol)%、含甲苯50(mol)%的混合液。當(dāng)蒸餾釜中的液體組成為含苯37(mol)%時，停止操作。求：例11.餾分的總組成；2.每100kmol料液可得到的餾分量。W1-W2xPW1x1進料釜殘液W2x2餾分ln=W1W2dxy-x∫x2x1計算公式已知：W1

=100kmolx1

=xF(苯)=50%x2

=xW=37%求：xP

=？W1-W2

=？

可見，要運用上述公式進行計算，關(guān)鍵是解決定積分項。定積分項通常可用圖解法或計算法求之。2021/4/918根據(jù)工藝給出的x1、x2取值范圍，列表給出x、y、1/(y-x)的相應(yīng)數(shù)據(jù)，然后以x對1/(y-x)作圖；在x1到x2之間的曲線所圍面積，就是公式中的定積分項。dxy-x∫x2x1【圖解法】1.根據(jù)工藝條件列出x1到x2的有關(guān)數(shù)值x0.370.400.430.450.470.50y1/(y-x)2.根據(jù)相對揮發(fā)度與氣液平衡關(guān)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求平均相對揮發(fā)度αmαm=α1-α2lnα1α2

在不清楚蒸餾過程的起始溫度的情況下，可近似地以苯及甲苯的正常沸點為起始溫度計算揮發(fā)度。已知：（查表）80.1℃時（苯的正常沸點）p苯°=101.3kPap甲苯°=39.3kPaα1==

=2.58則：p苯°p甲苯°101.339.3①求相對揮發(fā)度2021/4/920同理：（查表）110.8℃時（甲苯的正常沸點）p苯°=233.0kPap甲苯°=101.3kPaα2==

=2.30則：p苯°p甲苯°233.0101.3②求平均相對揮發(fā)度==αm=α1-α2

ln=2.442.58-2.30lnα1α22.582.300.280.115注：在兩個相對揮發(fā)度之差不太大的情況下，可用算術(shù)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

根據(jù)相對揮發(fā)度與氣液平衡關(guān)系式，將平均相對揮發(fā)度αm代入式中求出y值。3.根據(jù)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

再根據(jù)相應(yīng)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對1/(y-x)作圖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.求曲線所圍面積（定積分項）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總=0.594+0.00165+0.003+0.0035=0.60dxy-x∫x2x1=0.602021/4/924母液中易揮發(fā)組分的量料液中易揮發(fā)組分的量餾分中易揮發(fā)組分的量即：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料液可得到的餾分量餾出液的總組成根據(jù)物料衡算有：WP·xP=W1·x1-W2·x22021/4/925則，餾分中苯的含量：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，餾分的組成為：含苯x苯=0.658，含甲苯x甲苯=0.342。餾分中甲苯的含量：WP=W1-W2xPW1=WFx1=xF進料釜殘液W2=Wx2=xW餾分2021/4/926為了書寫方便，令：αm=α根據(jù)相對揮發(fā)度與氣、液平衡關(guān)系式直接求定積分項。即：【計算法】∫

=∫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積分公式∫

(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則：=-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料液可得到的餾分量2.餾分的組成xP(苯)=0.658xP(甲苯)=0.342結(jié)論：2021/4/931問題討論與練習(xí)4－6在常壓操作下，用簡單蒸餾法分離苯－甲苯二組分體系。已知，進料液中苯的含量xF=0.50，要求苯的回收率為80％。求餾出液的量及