双组分溶液的气-液相平衡6-1.

2020/1/4第六章蒸馏Distillation6.2.1双组分溶液汽液相平衡一、概述二、双组分溶液的汽液相平衡1、溶液的蒸气压2、两组分理想物系的汽液相平衡3、两组分非理想物系的汽液平衡2020/1/41、蒸馏过程在化工中的应用在化工生产过程中，常常需要将原料、中间产物或粗产物进行分离，以获得符合工艺要求的化工产品或中间产品。化工上常见的分离过程包括蒸馏、吸收、萃取、干燥及结晶等，其中蒸馏是分离液体混合物的典型单元操作，应用最为广泛。例如：将原油蒸馏可得到汽油、煤油、柴油及重油等；将混合芳烃蒸馏可得到苯、甲苯及二甲苯等；将液态空气蒸馏可得到纯态的液氧和液氮等。一、概述2020/1/42、蒸馏的依据利用液体混合物中各组分（component）挥发性（volatility）的差异，以热能为媒介使其部分汽化，从而在汽相富集轻组分，液相富集重组分，使液体混合物得以分离的单元操作。轻组分与重组分轻组分：沸点低、挥发性大的组分；重组分：沸点高、挥发性小的组分。如乙醇——水体系：乙醇是轻组分，水是重组分；苯——甲苯体系：苯是轻组分，甲苯是重组分。2020/1/4乙醇-水体系的蒸馏分离乙醇-水加热汽相:醇富集液相:水富集冷凝冷却乙醇产品废水2020/1/42020/1/42020/1/43、蒸馏过程的分类工业上，蒸馏操作可按以下方法分类：（1）按蒸馏原理可分为简单蒸馏、平衡蒸馏（闪蒸），精馏和特殊精馏等。简单蒸馏和平衡蒸馏为单级蒸馏过程，常用于混合物中各组分的挥发度相差较大，对分离要求又不高的场合；精馏为多级蒸馏过程，适用于难分离物系或对分离要求较高的场合；特殊精馏适用于某些普通精馏难以分离或无法分离的物系。工业生产中以精馏的应用最为广泛。2020/1/4（2）按蒸馏操作方式可分为间歇蒸馏和连续蒸馏。间歇蒸馏具有操作灵活、适应性强等优点，主要应用于小规模、多品种或某些有特殊要求的场合；连续蒸馏具有生产能力大、产品质量稳定、操作方便等优点，主要应用于生产规模大、产品质量要求高等场合。间歇蒸馏为非稳态操作，连续蒸馏为稳态操作。2020/1/4（3）按分离物系中组分的数目可分为两组分精馏和多组分精馏。工业生产中，绝大多数为多组分精馏，但两组分精馏的原理及计算原则同样适用于多组分精馏，只是在处理多组分精馏过程时更为复杂些，因此常以两组分精馏为基础来讨论有关问题。2020/1/4（4）按操作压力可分为加压、常压和减压蒸馏。常压下为气态（如空气、石油气）或常压下泡点为室温的混合物，常采用加压蒸馏；常压下，泡点为室温至150℃左右的混合液，一般采用常压蒸馏；对于常压下泡点较高或热敏性混合物（高温下易发生分解，聚合等变质现象），宜采用减压蒸馏，以降低操作温度。本章重点讨论两组分物系连续精馏的原理及计算方法。2020/1/4石油炼制中使用的250万吨常减压装置2020/1/4二、双组分溶液的气液相平衡汽液相平衡，是指溶液与其上方蒸汽达到平衡时气液两相间各组分组成的关系。1、何谓气液相平衡气液相平衡的特点：（1）各种组分进出气液两相的速度相等；（2）气液两相中各种组分的组成保持不变；（3）表观上两相中无质量传递。2020/1/42、两组分理想物系的汽液相平衡所谓理想物系是指液相和汽相应符合以下条件：（2）汽相为理想气体，遵循道尔顿分压定律。当总压不太高（一般不高于10MPa）时汽相可视为理想气体。理想物系的相平衡是相平衡关系中最简单的模型。严格地讲，理想溶液并不存在，但对于化学结构相似、性质极相近的组分组成的物系，如苯—甲苯、甲醇—乙醇、常压及150℃以下的各种轻烃的混合物，可近似按理想物系处理。（1）液相为理想溶液，遵循拉乌尔定律。2020/1/4相平衡关系采用以下3种方法表示：（1）使用气液相平衡数据表；（2）使用各种相图；（3）使用平衡关系式。2020/1/4（1）气液相平衡数据表2020/1/4用相图来表达汽液平衡关系较为直观，尤其对两组分蒸馏的汽液平衡关系的表达更为方便，影响蒸馏的因素可在相图上直接反映出来。蒸馏中常用的相图为恒压下的温度—组成图及汽相—液相组成图。在恒定的总压下，溶液的平衡温度随组成而变，将平衡温度与液（汽）相的组成关系标绘成曲线图，该曲线图即为温度——组成图或t-x-y图。①温度——组成（t-x-y）图（2）汽－液平衡相图2020/1/42020/1/4两条线；三个区；两个点。气相线液相线液相区气相区气液共存区2020/1/4（2）汽—液相组成图(x–y图)x–y图直观地表达了在一定压力下，处于平衡状态的汽液两相组成的关系，在蒸馏计算中应用最为普遍。图中以x为横坐标，y为纵坐标。图中的曲线代表液相组成和与之平衡的汽相组成间的关系，称为平衡曲线。若已知液相组成x1，可由平衡曲线得出与之平衡的汽相组成y1，反之亦然。2020/1/42020/1/43、汽液平衡的关系式用相图来表达汽液平衡关系较为直观，但在定量计算中采用汽液平衡关系式更为方便。（1）拉乌尔定律实验表明，当理想溶液的汽液两相呈平衡时，溶液上方组分的分压与溶液中该组分的摩尔分率成正比，即：AAAxpp*)1(**ABBBBxpxpp2020/1/4（2）相对挥发度与理想溶液的y－x关系式①挥发度ν蒸馏的基本依据是混合液中各组分挥发度的差异。纯组分的挥发度是指液体在一定温度下的饱和蒸汽压。例如：250C时，乙醇（A）、水（B）的饱和蒸气压分别为：pA*＝59mmHgpB*＝23.8mmHg可见：乙醇的挥发性大于水的挥发性。2020/1/4AAAxpBBBxp但对于混合溶液，某组分的在气相中的分压与其液相中的浓度有关。例如：当xA＝0.2xB＝0.8时：pA＝11.8mmHgpB＝19mmHg为消除x的影响，故溶液中各组分的挥发度可用它在蒸汽中的分压和与之平衡的液相中的摩尔分率之比来表示，即：2020/1/4对于理想溶液，因符合拉乌尔定律，则有：**AAAAAAApxxpxp**BBBBBBBpxxpxp挥发度表示某组分挥发能力的大小，随温度而变。即：理想溶液某组分的挥发度就是该组分在纯态时的饱和蒸气压。2020/1/4②相对挥发度α（比挥发度）定义：习惯上将易挥发组分的挥发度与难挥发组分的挥发度之比称为相对挥发度，以α表示，即：BBAABAxpxp//对理想溶液，则有：**BABApp2020/1/4两点说明（1）由于饱和蒸气压p*是温度的函数，故α也是温度的函数。在一定温度下，若pA*＞pB*，则α＞1。（2）由于pA*与pB*随温度沿着相同方向变化，因而两者的比值变化不大，计算时一般可将α取作常数或取操作温度范围内的平均值（几何平均值）。minmax2020/1/447.235.259.2minmax＝2020/1/4③相对挥发度α的影响对于理想物系，汽相遵循道尔顿分压定律，则：ABBABBAABBAABAxyxyxpyxpyxpxp////可以改写为：BABAxxyyAAAAxxyy11或：2020/1/4根据相对挥发度α值的大小可判断某混合液是否能用一般蒸馏方法分离及分离的难易程度。若α1，表示组分A较B容易挥发，α值偏离1的程度愈大，挥发度差异愈大，分离愈容易。若α=1，此时不能用普通蒸馏方法加以分离，需要采用特殊精馏或其它分离方法。2020/1/4④理想溶液的汽液平衡方程式AAAAxxyy11将略去下标，经整理可得：xxy)1(1yyx)1(两式即为以相对挥发度表示的汽液平衡方程式。在蒸馏的分析和计算中，常用来表示汽液平衡关系。注意：由于推导过程中引入了道尔顿分压定律，故上述汽液平衡关系式仅能适用于理想物系。