1、第一节第一节 项目项目1实施方案制定与选择实施方案制定与选择 1、蒸馏酒的发展史及生产工艺、蒸馏酒的发展史及生产工艺 2、设计一套小型蒸馏实验装置、设计一套小型蒸馏实验装置3、混合液体浓度的分析测验方法、混合液体浓度的分析测验方法1、蒸馏酒的发展史 70年代，年代， 考古工作者在河北青龙县发现了被认为是金世宗考古工作者在河北青龙县发现了被认为是金世宗时期的铜制蒸馏烧锅，其内液体经加热后，蒸汽垂直上升，被上时期的铜制蒸馏烧锅，其内液体经加热后，蒸汽垂直上升，被上部盛冷水的容器内壁所冷却，从内壁冷凝，沿壁流下被收集。部盛冷水的容器内壁所冷却，从内壁冷凝，沿壁流下被收集。 江西三清山李渡烧酒作坊遗址
2、（元代）遗迹有水井、炉灶、晾堂、酒窖、蒸馏设施蒸馏设施、墙基、水沟、路面、灰坑、砖柱等。酒窖22个，其中元代酒窖13个，明代酒窖9个，有6个至今仍在使用。明代、清代蒸馏设施各一处。 五粮液的生产过程五粮液的五种粮食原料五粮液的五种粮食原料高粱高粱36%，大米，大米22%，糯米，糯米18%，小麦，小麦16%，玉米，玉米8%。 储存、粉碎、配合、蒸料、摊凉储存、粉碎、配合、蒸料、摊凉 ，进入酿造工序。，进入酿造工序。 混合曲料-曲料的匀度和比例决定着酒的质量原料进窖封窖：采用富含微生物的老窖泥 天价泥巴天价泥巴 ：638年来一直未停止过发酵的五粮液老窖，窖泥中丰富的微生物群落，为微生物种类、繁衍、
3、生物链构成等历史朔源，提供了极为宝贵的研究载体和渠道. 发酵好的原料运出去准备酿酒原料入甑：固态法传统的甑桶蒸馏 五粮液75度原浆酒酿出来了酒液在流出时瞬息万变，酿酒师要不停地品尝，区分出酒的等级来。 勾兑勾兑师将75度的原酒勾兑降低到52度，做成52度的五粮液基础酒后，品酒师会对照标准的五粮液商品酒反复认真品尝，同时进行调味，补充香味和口感的不足。 陈酿储藏一年后，然后再经品酒委员签署“同意包装”的意见后，酒库里的酒便进入流水现开始灌装。从原酒到成品酒，五粮液的生产需要一年半以上的时间。蒸馏设备的发展蒸馏设备的发展 铜制蒸馏器铜制蒸馏器 天锅：天锅：上下两层锅，下面装酒母，上面装冷水，基座上
4、柴火旺盛，蒸煮酒母，含有酒精的气体被上面的冷水冷却，凝成液体，从管道流出，这就是蒸馏酒. 固态法传统的甑桶蒸馏固态法传统的甑桶蒸馏 ：去杂增香 釜式蒸馏釜式蒸馏：酒质量很低，酸低酯少，杂醇油含量高，口味很坏。 蒸馏塔蒸馏塔：无香无味的酒精，而不是白酒 共同点：加热器、冷凝器共同点：加热器、冷凝器白酒蒸馏设备精馏塔精馏塔1）分类： 板式塔：泡罩塔、浮阀塔、筛板塔。 填料塔：塔内充填一定高度的填料。2）塔板的作用：气液两相传质，传热的场所。筛板塔中n层板上的操作情况板式塔鞍环填料阶梯环填料鲍尔环填料 许多生产工艺常常涉及到互溶液体混合物的分离问题，如许多生产工艺常常涉及到互溶液体混合物的分离问题，
5、如石油炼制品的切割，有机合成产品的提纯，溶剂回收和废石油炼制品的切割，有机合成产品的提纯，溶剂回收和废液排放前的达标处理等等。分离的方法有多种，工业上最液排放前的达标处理等等。分离的方法有多种，工业上最常用的是蒸馏或精馏。常用的是蒸馏或精馏。蒸馏操作实例蒸馏操作实例：石油炼制中使用的 250 万吨常减压装置1. 1蒸馏蒸馏原理：原理： 以热能为媒介热能为媒介将液体混合物部分气化部分气化，利用混合物中各组分的挥发度不同挥发度不同使各组分得以分离(在汽相富集轻组分液相富集重组分)。 其中沸点低的组分为易挥发组分（轻组分） 沸点高的组分为难挥发组分（重组分） 蒸出冷凝液馏出液。 蒸出后剩余的混合液釜
6、残液。2. 2 蒸馏分类蒸馏分类 1、按操作方法分： 2、按蒸馏方法分：简单蒸馏（分离要求不高）平衡蒸馏（闪蒸）精馏精馏(分离纯度要求高)特殊精馏(挥发性相近)3、按组分数分：双组分蒸馏双组分蒸馏多组分蒸馏复杂系蒸馏4、按操作压力分：常压常压减压（热敏性物料）加压(常压下为气体)连续蒸馏连续蒸馏间歇蒸馏本章主要讨论常本章主要讨论常压下双组分连续压下双组分连续精馏精馏2、设计一套小型蒸馏实验装置实验过程及注意事项 温度与控温：温度与时间的变化趋势；出现第一个气泡的温度；泡点温度与组成的关系；师傅领进门，修行靠个人，最能考师傅领进门，修行靠个人，最能考验酿酒师的技术，就是摘酒验酿酒师的技术，就是摘
7、酒 掐头：掐头：当蒸馏的酒液从冷凝器的管子里出来时，照行话说，“牛尾巴”出酒了，酿酒师傅就在接酒的坛子上搭一块布，看酒花。“酒头”酒的质量不佳，开头的1斤酒是不要的，这叫“掐头”； 头道酒：头道酒：接着“酒身”就出来了，于是摘取“中间酒”，酒的质量不断变化，它越来越好，质量上升、稳定，这时的酒花是“滚头花滚头花”，花大，均匀，并能保持一段时间； 二道酒：二道酒：后来酒花变小了，先是“铺花铺花”，花小，散得慢，这是“酒尾”出来了，换坛另装，接着酒花变成 “细细花花”，细花中还夹杂着一点大花； 去尾：去尾：细花没有了，就起了“水花水花”，这便是“尾子酒”，酒味酸，汁液中还残留着糖分，酿酒师把它另外
8、盛起来，这叫“去尾”。 简单蒸馏简单蒸馏 简单蒸馏为间歇非稳态操作，在蒸馏过程中系统的温度简单蒸馏为间歇非稳态操作，在蒸馏过程中系统的温度和汽液相组成均随时间改变。和汽液相组成均随时间改变。 蒸馏釜的原料液持续加热沸腾汽化，产生的蒸汽由釜顶连蒸馏釜的原料液持续加热沸腾汽化，产生的蒸汽由釜顶连续引入冷凝器得馏出液产品。续引入冷凝器得馏出液产品。y原料液x蒸气xD1xD2xD3冷凝器釜内任一时刻的釜内任一时刻的汽液两相组成互汽液两相组成互成平衡。成平衡。 2.1 气液相平衡气液相平衡 汽液相平衡，是指溶液与其上方蒸汽达到汽液相平衡，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。平衡时气
9、液两相间各组分组成的关系。 根据相律，双组分两相物系自由度为根据相律，双组分两相物系自由度为2，即，即相平衡时，在温度相平衡时，在温度t、压强、压强P汽相组成汽相组成x和液和液相组成相组成y这四个变量中，只有两个独立变量。这四个变量中，只有两个独立变量。 若物系的温度和压强一定，汽液两相的组若物系的温度和压强一定，汽液两相的组成就一定；若压强和某相的组成一定，则成就一定；若压强和某相的组成一定，则物系的温度和另一相组成将被唯一确定。物系的温度和另一相组成将被唯一确定。气液相平衡的数据测定气液相平衡的数据测定 在气液达到平衡后，同时测定溶液的沸点、气相和液相组成。 加热溶液至沸腾。待其温度计上所
10、指示的温度保持恒定后，读下该温度值，并立即在小泡中取气相冷凝液，迅速测定其折射率，同时停止加热，冷却液相，然后用滴管将溶液搅均后取少量液相测定其折射率。 沸点仪沸点仪 气液相平衡关系的表示方法气液相平衡关系的表示方法 数据表格数据表格 气液相平衡图气液相平衡图 相对挥发度相对挥发度 相平衡方程相平衡方程汽液相平衡图汽液相平衡图-压强一定压强一定)曲线两端点分别代表纯组份曲线两端点分别代表纯组份的沸点，左端点代表纯水沸点，的沸点，左端点代表纯水沸点，右端点代表纯乙醇沸点。右端点代表纯乙醇沸点。上方曲线代表饱和蒸汽线，上方曲线代表饱和蒸汽线，也称为露点线，该线上方的区也称为露点线，该线上方的区域代
11、表过热蒸汽区；下方曲线域代表过热蒸汽区；下方曲线代表饱和液体线，也称为泡点代表饱和液体线，也称为泡点线，该线下方的区域代表过冷线，该线下方的区域代表过冷液体区。液体区。两条曲线之间的区域为气液两条曲线之间的区域为气液共存区，平衡关系用两曲线间共存区，平衡关系用两曲线间的水平线段表示，显然，只有的水平线段表示，显然，只有在气液共存区，才能起到一定在气液共存区，才能起到一定的分离作用。的分离作用。汽液相平衡图汽液相平衡图- x-y 图图 压强一定压强一定)x-y 图代表在总压一定图代表在总压一定下，液相组成和与之成下，液相组成和与之成平衡的汽相组成的关系。平衡的汽相组成的关系。x-y 图可通过图可
12、通过 T-x(y) 图图作出，图中对角线作出，图中对角线 (y=x) 为一参考线。为一参考线。大多数溶液，两相平衡大多数溶液，两相平衡时，时，y 总是大于总是大于 x，平，平衡线位于对角线上方。衡线位于对角线上方。2.2 简单蒸馏的过程与原理简单蒸馏的过程与原理 简单蒸馏是间歇非稳态简单蒸馏是间歇非稳态操作，在蒸馏过程中系操作，在蒸馏过程中系统的温度和汽液相组成统的温度和汽液相组成均随时间改变。均随时间改变。 釜内任一时刻的汽液两釜内任一时刻的汽液两相组成互成平衡。相组成互成平衡。 蒸馏釜的原料液持续加蒸馏釜的原料液持续加热沸腾汽化，产生的蒸热沸腾汽化，产生的蒸汽由釜顶连续引入冷凝汽由釜顶连续
13、引入冷凝器得馏出液产品。器得馏出液产品。y原料液x蒸气xD1xD2xD3冷凝器任一时刻，易挥发组分在任一时刻，易挥发组分在蒸汽中的含量蒸汽中的含量 y 始终大于始终大于剩余在釜内的液相中的含剩余在釜内的液相中的含量量 x，釜内易挥发组分含量釜内易挥发组分含量 x 由由原料的初始组成原料的初始组成 xF 沿泡点沿泡点线不断下降直至终止蒸馏线不断下降直至终止蒸馏时组成时组成 xE，釜内溶液的沸点温度不断釜内溶液的沸点温度不断升高，蒸汽相组成升高，蒸汽相组成 y 也随也随之沿露点线不断降低。之沿露点线不断降低。2.2 简单蒸馏的过程与原理简单蒸馏的过程与原理3、混合液体浓度的分析测验方法混合液体浓度
14、的分析测验方法 密度计：测定溶液的密度，再从密度组成工作曲线上查得相应的组成。 气相色谱：直接分析组成。 折射仪：测定溶液的折射率，再从折射率组成工作曲线上查得相应的组成。 工作曲线: 配成10份已知浓度（0%-90%）的乙醇溶液，测定每份溶液的密度（折射率）。以密度（折射率）对浓度作图，即可绘制工作曲线。 密度计小结小结 蒸馏原理蒸馏原理:以热能为媒介热能为媒介将液体混合物部分气化部分气化，利用混合物中各组分的挥发度不同挥发度不同使各组分得以分离. 汽液相平衡汽液相平衡: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。在温度温度t、压强、压强P、汽、汽相组成相组成y和液相组成和液相组
15、成 x这四个变量中，只有两个独立变量。 汽液相平衡图汽液相平衡图-x-y 图图 简单蒸馏简单蒸馏是间歇非稳态操作，在蒸馏过程中系统的温度和汽液相组成均随时间改变。釜内任一时釜内任一时刻的汽液两相组成互成平衡。刻的汽液两相组成互成平衡。课后作业课后作业 准备实验器材并能预组装起来；准备实验器材并能预组装起来； 准备包含有实验步骤、操作方法、实验现准备包含有实验步骤、操作方法、实验现象、数据记录等内容的实验记录本并预先象、数据记录等内容的实验记录本并预先将拟订的实验步骤和操作方法写出将拟订的实验步骤和操作方法写出。 第二节第二节 项目项目1 1的实验的实验一、密度计的标定 利用老师提供10份已知浓
16、度（0%-90%）的乙醇溶液，用密度计测定每份溶液的密度，以密度对浓度作图，即可绘制工作曲线。 二、蒸馏实验准备 安装小型蒸馏实验装置并检漏。 用电子秤、烧杯等配好实验所需的乙醇溶液并到入三口烧瓶里。三、蒸馏实验过程实验步骤时间温度实验现象1.先打开冷却水（须为逆流），再打开电源加热。2当出现第一个气泡时，可将加热调小些，以方便观察。3当量筒接的冷凝液足够时，可去测量密度，同时换另一个量筒接冷凝液。4重复步骤35当冷凝液密度低于一定值后，停止加热，待无冷凝液流出后再关冷却水。将冷凝液汇在一起，测量其平均密度并秤量其质量。6倒出釜残液，当其温度降至室温后，测量其密度并秤量其质量。注：有能力的学生
17、可更换料液组成重复实验。也可考虑将蒸馏实验装置改装成简单的沸点仪测量乙醇-水的气液相平衡数据。四、实验装置拆卸和清理。五、数据处理 温度随时间的变化； 温度与气液相组成的关系； 物料的质量恒算关系。六、结果与讨论第三节 项目1结果讨论与评价 3.1 气液相平衡气液相平衡 根据相律，双组分两相物系自由度为根据相律，双组分两相物系自由度为2，即相平，即相平衡时，在温度衡时，在温度t、压强、压强P汽相组成汽相组成x和液相组成和液相组成y这这四个变量中，只有两个独立变量。四个变量中，只有两个独立变量。 若物系的温度和压强一定，汽液两相的组成就一若物系的温度和压强一定，汽液两相的组成就一定；若压强和某相
18、的组成一定，则物系的温度和定；若压强和某相的组成一定，则物系的温度和另一相组成将被唯一确定。另一相组成将被唯一确定。 双组分汽液两相，当固定一个独立变量，可用二双组分汽液两相，当固定一个独立变量，可用二维坐标中的曲线图来表示两相的平衡关系，称为维坐标中的曲线图来表示两相的平衡关系，称为相图。相图。 相图有压强一定的温度相图有压强一定的温度-组成组成T-x(y)图、液相组成图、液相组成和汽相组成和汽相组成x-y图，以及温度一定的压强图，以及温度一定的压强-组成组成p-x 图。图。T-x(y) 图代表的是在总压图代表的是在总压 P 一定的一定的条件下，相平衡时汽（液）相组成条件下，相平衡时汽（液）
19、相组成与温度的关系。与温度的关系。在总压一定的条件下，将组成为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的溶液加热至该溶液的泡点 tA，产，产生第一个气泡的组成为生第一个气泡的组成为 yA。继续加热，随温度升高，物系变为继续加热，随温度升高，物系变为互成平衡的汽液两相，两相温度相互成平衡的汽液两相，两相温度相同组成分别为同组成分别为 yA 和和 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，的气相，最后一滴液相的组成为最后一滴液
20、相的组成为 xA。简要说明如下：简要说明如下：（1）曲线两端点分别代表纯组份的沸点，左端点）曲线两端点分别代表纯组份的沸点，左端点代表纯轻组份沸点，右端点代表纯重组份沸点。代表纯轻组份沸点，右端点代表纯重组份沸点。（2）上方曲线代表饱和蒸汽线，也称为露点线，）上方曲线代表饱和蒸汽线，也称为露点线，该线上方的区域代表过热蒸汽区；下方曲线代表该线上方的区域代表过热蒸汽区；下方曲线代表饱和液体线，也称为泡点线，该线下方的区域代饱和液体线，也称为泡点线，该线下方的区域代表过冷液体区。表过冷液体区。（3）两条曲线之间的区域为气液共存区，平衡关）两条曲线之间的区域为气液共存区，平衡关系用两曲线间的水平线段
21、表示，显然，只有在气系用两曲线间的水平线段表示，显然，只有在气液共存区，才能起到一定的分离作用。液共存区，才能起到一定的分离作用。（4）混合液的沸点不是一个定值，而是随组成不）混合液的沸点不是一个定值，而是随组成不断变化。在同样组成下，泡点（开始产生第一个断变化。在同样组成下，泡点（开始产生第一个气泡时对应的温度）与露点（即开始产生第一滴气泡时对应的温度）与露点（即开始产生第一滴液滴时对应的温度）并不相等。液滴时对应的温度）并不相等。温度温度组成图组成图 在总压一定的条件下，将TX、TY 关系标绘在同一直角坐标系中，即得到TXY图，T为纵坐标，以液相组成或气相组成为横坐标。 温度Xi（或yi）
22、p分析温度组成图二条线：泡点线、露点线。三个相区：液相区、气相区、气液两相区。两个温度：泡点温度、露点温度杠杆定律：x-y 图代表在总压一定下，液相组图代表在总压一定下，液相组成和与之成平衡的汽相组成的关系成和与之成平衡的汽相组成的关系。x-y 图可通过图可通过 T-x(y) 图作出，图中图作出，图中对角线对角线 (y=x) 为一参考线。为一参考线。大多数溶液，两相平衡时，大多数溶液，两相平衡时，y 总是总是大于大于 x，平衡线位于对角线上方。，平衡线位于对角线上方。平衡线偏离对角线越远，该溶液越平衡线偏离对角线越远，该溶液越易分离。易分离。恒沸点时，恒沸点时，x-y 线与对角线相交，线与对角
23、线相交，该点处汽液相组成相等。该点处汽液相组成相等。图6-2 苯-甲苯体系的相平衡曲线恒沸物恒沸物 恒沸点时，恒沸点时，x-y 线与对角线相交，该点处汽线与对角线相交，该点处汽液相组成相等。液相组成相等。 在恒沸点时汽液两相组成相同，用一般的在恒沸点时汽液两相组成相同，用一般的蒸馏方法不能实现该组成下混合溶液的分蒸馏方法不能实现该组成下混合溶液的分离。离。 乙醇乙醇-水溶液物系的泡点线和露点线在水溶液物系的泡点线和露点线在 M 点重合，该点溶液点重合，该点溶液的泡点比两纯组分的沸点都低，这是因为该溶液为具有较大正偏的泡点比两纯组分的沸点都低，这是因为该溶液为具有较大正偏差的溶液，组成在差的溶液
24、，组成在 M 点时两组分的蒸汽压之和出现最大值。点时两组分的蒸汽压之和出现最大值。M 点称为恒沸点，具有这一特征的溶液称为具有最低恒沸点的溶液。点称为恒沸点，具有这一特征的溶液称为具有最低恒沸点的溶液。常压下，乙醇常压下，乙醇-水物系恒沸组成摩尔分数为水物系恒沸组成摩尔分数为0.894，相应温度为，相应温度为78.15(纯乙醇为纯乙醇为78.3)。 与之相反，硝酸与之相反，硝酸-水溶液为负偏差较大的溶液，在硝酸摩尔分水溶液为负偏差较大的溶液，在硝酸摩尔分数为数为0.383时，两组分的蒸汽压之和最低，时，两组分的蒸汽压之和最低，T-x(y) 图上对应出现一图上对应出现一最高恒沸点（最高恒沸点（M
25、点），其沸点为点），其沸点为121.9。此溶液称为具有最高恒。此溶液称为具有最高恒沸点的溶液。沸点的溶液。 在恒沸点时汽液两相组成相同，用一般的蒸馏方法不能实现在恒沸点时汽液两相组成相同，用一般的蒸馏方法不能实现该组成下混合溶液的分离。该组成下混合溶液的分离。 3、挥发度和相对挥发度、挥发度和相对挥发度 挥发度的定义挥发度的定义溶液中各组分的挥发度：可用它在蒸汽中的分压和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液相中的摩尔分率之比来表示。与之平衡液相中的摩尔分率之比来表示。 A=PA/XA 纯液体的挥发度：指液体在一定温度下的饱和蒸汽压。 若A、B形成理想溶液：VA=PA0 对于纯
26、液体，即XA=1 （或XB=1）挥发度随温度而变化，因而使它在蒸馏计算中用起来很不方便，故引出相对挥发度的概念。相对挥发度相对挥发度 定义：溶液中易挥发组分的挥发度与难挥发组分的挥发度之比。 =V=VA A/V/VB B =(P =(PA A/x/xA A)/(P)/(PB B/x/xB B)=y)=yA Ax xB B/y/yB Bx xA A 对于理想溶液 =PA0/pB0 精馏塔各截面的 变化不大可视为常数，计算可取平均值当当=1=1时，时，y=x y=x ，不能用普通精馏方法分离该混合物。，不能用普通精馏方法分离该混合物。当当11时，时，yx ,yx ,能用普通精馏方法分离该混合物能用
27、普通精馏方法分离该混合物, , 越大，越易分离。越大，越易分离。xxy) 1(1相平衡方程相平衡方程1 1)拉乌尔定律拉乌尔定律：在一定温度下，理想溶液上方某组分的平衡分压等于此组分在该温度下的饱和蒸汽压乘以其在溶液中的摩尔分率。 即 p = p0 x泡点方程 pA =pA0 xA pB = pB0 xB p = pA+ pB =pA0 xA+ pB0 xB = PA0 xA+PB0(1-xA) 用途：(1)已知泡点，计算液相组成。 (2）已知液相组成求泡点。 X=f（pt） 000BAAPPppxB4. 双组分体系气液相平衡关系双组分体系气液相平衡关系2)道尔顿分压定律道尔顿分压定律(露点方
28、程露点方程) 00000BABAAAAApppPPpPxpPpy确定露点温度或气相组成对那些性质相近、结构相似的组分所组成的对那些性质相近、结构相似的组分所组成的溶液，如苯溶液，如苯-甲苯，甲醇甲苯，甲醇-乙醇等，可视为理乙醇等，可视为理想溶液；若汽相压力不太高，可视为理想气想溶液；若汽相压力不太高，可视为理想气体，则物系可视为理想物系。体，则物系可视为理想物系。小结1、拉乌尔定律、拉乌尔定律(理想溶液理想溶液)2、道尔顿分压定律、道尔顿分压定律3、相平衡方程、相平衡方程4 4、汽液相平衡图、汽液相平衡图000BAAPPppxB00000BABAAAAApppPPpPxpPpyxxy)1(1温
29、度温度组成图组成图 在总压一定的条件下，将TX、TY 关系标绘在同一直角坐标系中，即得到TXY图，T为纵坐标，以液相组成或气相组成为横坐标。 温度Xi（或yi）p分析温度组成图二条线：泡点线、露点线。泡点线、露点线。三个相区：液相区、气相区、气液相区、气相区、气液两相区。液两相区。两个温度：泡点温度、露点温度泡点温度、露点温度杠杆定律：杠杆定律：相平衡图相平衡图 对于大多数溶液，达到平衡时，气相轻组分的浓度总大于液相浓度，故平衡线位于对角线上方。平衡线偏离对角线愈远，该溶液愈易分离。yx 本节注意点：本节注意点：1恒压条件下，双组分平衡物系中仅有一个自由度，即在温度t与组成x(y)这两个参数中
30、，只要决定一个参数，另一个即被定。换言之，恒压下的双组分平衡物系中存在着两个对应关系： 2在一定外压下，纯组分的饱和蒸汽压与外压相等时，液体开始沸腾，其对应的温度称为沸点，可见，外压一定时，纯组分的沸点为一定值。在一定外压下，液体混合物的沸腾温度称为泡点，泡点与混合物的组成有关。在(t-x-y)图上可见，表示不同组成液体混合物的泡点温度（从x=0到x=1.0）为泡点曲线。在该曲线上，对应x=0(即xA=0，xB=1.0)的温度为B组分的沸点；对应x=1.0(即xA=1.0，xB=0) 的温度曲线为A组分的沸点。3相对挥发度，对理想溶液 ，对非理想溶液可由实验测定。用相对挥发度表示的相平衡方程
31、。可用于计算理想溶液的汽、液平衡组成。当在操作温度范围内（即操作温度的上、下限之间）物系的相对挥发度变化不大时，可取其平均值（即视为常数）进行计算。00BAPPxxy) 1(13.2 简单蒸馏原理简单蒸馏原理 简单蒸馏也称微分蒸馏，间歇非稳态操作，在蒸馏过程中系统的温简单蒸馏也称微分蒸馏，间歇非稳态操作，在蒸馏过程中系统的温度和汽液相组成均随时间改变。度和汽液相组成均随时间改变。 分批加入蒸馏釜的原料液持续加热沸腾汽化，产生的蒸汽由釜顶连续分批加入蒸馏釜的原料液持续加热沸腾汽化，产生的蒸汽由釜顶连续引入冷凝器得馏出液产品。釜内任一时刻的汽液两相组成互成平衡。引入冷凝器得馏出液产品。釜内任一时刻
32、的汽液两相组成互成平衡。y原料液x蒸气xD1xD2xD3冷凝器任一时刻，易挥发组分在蒸汽中的含任一时刻，易挥发组分在蒸汽中的含量量 y 始终大于剩余在釜内的液相中的始终大于剩余在釜内的液相中的含量含量 x，釜内易挥发组分含量，釜内易挥发组分含量 x 由原由原料的初始组成料的初始组成 xF- 沿泡点线不断下降沿泡点线不断下降直至终止蒸馏时组成直至终止蒸馏时组成 xE，釜内溶液的，釜内溶液的沸点温度不断升高，蒸汽相组成沸点温度不断升高，蒸汽相组成 y 也也随之沿露点线不断降低。随之沿露点线不断降低。设设 d 时间内由塔顶引出的蒸汽量为时间内由塔顶引出的蒸汽量为 dV (kmol)，釜液变化量为，釜
33、液变化量为 dW (kmol)； 时刻釜内液体量为时刻釜内液体量为 W (kmol)，汽、液相组成为，汽、液相组成为 y、x； +d 时刻釜内液体量及组成为时刻釜内液体量及组成为 W+dW (kmol) 及及 x+dx 。在在 d 时间内由物料衡算可得时间内由物料衡算可得 整理上两式，略去高阶微分整理上两式，略去高阶微分 项，得项，得 WVddxyxWWdd12dln21xxxyxWW在操作初始的在操作初始的 W1、x1 至终止时刻的至终止时刻的 W2、x2 间积分上式得间积分上式得 上式中上式中 y 与与 x 互成平衡，因此只要有汽、液两相的平衡关系，就可互成平衡，因此只要有汽、液两相的平衡
34、关系，就可求出上式的积分项，得到任意时刻釜液量与组成的关系式。求出上式的积分项，得到任意时刻釜液量与组成的关系式。 VyxxWWWxdddDx在釜液由在釜液由 W1 蒸馏减少至蒸馏减少至 W2 期间，釜内蒸馏出的液量期间，釜内蒸馏出的液量 D（kmol）及平均组成及平均组成 可根据整个过程的物料衡算求得。可根据整个过程的物料衡算求得。 总物料衡算总物料衡算 12212111lnln11lnxxxxWW12WWD1122xWxWxDD易挥发组分的衡算易挥发组分的衡算 利用相平衡关系利用相平衡关系积分可得：积分可得：xxy11两式联解即可求得两式联解即可求得 D 和和 。 Dx1. 定义：平衡蒸馏
35、是液体的一次部分汽定义：平衡蒸馏是液体的一次部分汽化或蒸汽的一次部分冷凝的蒸馏操作。化或蒸汽的一次部分冷凝的蒸馏操作。生产工艺中溶液的闪蒸分离是平衡蒸馏生产工艺中溶液的闪蒸分离是平衡蒸馏的典型应用。的典型应用。 闪蒸操作流程：一定组成的料液被加热闪蒸操作流程：一定组成的料液被加热后经节流阀减压进入闪蒸室，液体因沸后经节流阀减压进入闪蒸室，液体因沸点下降变为过热而骤然汽化，汽化耗热点下降变为过热而骤然汽化，汽化耗热使得液体温度下降，汽、液两相温度趋使得液体温度下降，汽、液两相温度趋于一致，两相组成趋于平衡。由闪蒸室于一致，两相组成趋于平衡。由闪蒸室塔顶和塔底引出的汽、液两相即为闪蒸塔顶和塔底引出
36、的汽、液两相即为闪蒸产品。产品。 闪蒸罐塔顶产品yAxA加热器原料液 塔底产品 Q减压阀3.3 平衡蒸馏原理平衡蒸馏原理闪蒸过程可通过物料衡算、热量衡算以及相平衡关系求解所需参数。闪蒸过程可通过物料衡算、热量衡算以及相平衡关系求解所需参数。下面以两组分混合液连续稳定闪蒸过程为例给予说明。下面以两组分混合液连续稳定闪蒸过程为例给予说明。 总物料衡算总物料衡算 式中：式中：F、D、W 进料流率和出塔汽进料流率和出塔汽.液相产物的流率，液相产物的流率，kmol/s； xF、yD、xW 料液组成以及出塔汽、液相产物的摩尔分数。料液组成以及出塔汽、液相产物的摩尔分数。 易挥发组分的物料衡算易挥发组分的物
37、料衡算 两式联立可得两式联立可得 WDFWxDyFxWDWFxyxxFD闪蒸罐D, yD, teyD加热器F, xF, tF W, xW, teQ减压阀xWt0WDF若设液相产物占总加料量的分率为若设液相产物占总加料量的分率为 q，即，即W/F=q，则汽化率为，则汽化率为D/F =(1-q)，代入上式整理可得，代入上式整理可得 11qxqqxyFWD上式表示了汽化率与汽、液相组成的关系。上式表示了汽化率与汽、液相组成的关系。 平衡蒸馏过程可认为经部分汽化或部分冷凝后所得的汽液两相呈平衡蒸馏过程可认为经部分汽化或部分冷凝后所得的汽液两相呈平衡，即平衡，即 yDxW 符合平衡关系。符合平衡关系。若
38、已知进料组成若已知进料组成 xF 和生产任务所要求的汽化率和生产任务所要求的汽化率 (1-q)，结合物料，结合物料衡算式可求得汽液相组成衡算式可求得汽液相组成 yD、xW。 WWDxxy11料液由进料温度料液由进料温度 tF 升至升至 t0 需供给的热量需供给的热量 Q 为为 闪蒸后，料液温度由闪蒸后，料液温度由 t0 降至平衡温度降至平衡温度 te，若不计热损失，则料液，若不计热损失，则料液放出的显热全部用于料液的部分汽化所需的潜热，即放出的显热全部用于料液的部分汽化所需的潜热，即 FpmttFCQ0 FrqttFCepm10pmeCqtt10通过以上诸式，在通过以上诸式，在 q 为已知的条
39、件下，由物料衡算与相平衡关系求为已知的条件下，由物料衡算与相平衡关系求得得yD、xW 后，由温度后，由温度-组成相图求组成相图求 te，进而求，进而求 t0。汽化量大，汽化量大， (1-q) 值大，闪蒸前料液温度需加热至更高的值大，闪蒸前料液温度需加热至更高的 t0 值。值。 由上式可得由上式可得3.4 精馏原理精馏原理 精馏是多次而且同时运用部分气化和部分冷凝的方法，使混合液较完全分离，获得接近纯组分的单元操作。（一（一 ）精馏原理）精馏原理1 1） 多次部分气化和多次部分冷凝多次部分气化和多次部分冷凝x3y2y1xFx2x1y3多次部分冷凝多次部分冷凝 如图：将组成为XF，温度为TA的混合
40、液加热到气液共存区，使其部分气化，并将气液两相分开，气相组成为Y1 ，液相组成为X1 ，且Y1XFX1 ，部分分离。 将产生的组成为Y1 的饱和蒸汽部分冷凝到T1 出现新的气液平衡，气相组成为Y2，液相组成为X2 且Y2 Y1 。再将温度为T1 组成为Y2 的饱和蒸汽冷凝到P点T2 出现新平衡，气相组成为Y3 ，Y3 Y1 。Y/2x/2如此类推，最终可得难挥发组分浓度低，易挥发组分接近于纯组分的气相。多次部分汽化多次部分汽化 将组成为X1 的饱和液体加热T2 （J 点），使其部分气化，这时又出现新的气液平衡，将气液两相分开，液相组成为X2 。再将组成为X2 的饱和液体部分气化，如此类推，最终
41、可得易挥发组分浓度很低，接近于纯净的难挥发组分的液相。tX或（y）2 2 ）精馏操作精馏操作A 设想将单级分离器加以组合成多级分离流程。B 存在的两个问题：（1）中间产品多，收率低。（2）设备复杂、能耗大，操作不便。x3xFy2y1x2x1y3C C 简化流程简化流程由图可知，由图可知，X X1 1 XXF F Y Y1 1 ，X X1 1 X X2 2 Y Y1 1 ，X X2 2 与与X XF F比较接近，比较接近，X X3 3 于于Y Y1 1 比较接近，比较接近，若将第二级产生的中间产品若将第二级产生的中间产品X X2 2 于第一于第一级的原料级的原料X XF F 混合，混合，X X3
42、 3 与与Y Y1 1 混合这样混合这样消除了中间产品消除了中间产品且提高了最后产品的且提高了最后产品的收率。传质收率。传质。由于温度较高的蒸汽与温度低的由于温度较高的蒸汽与温度低的X X3 3确确接触，使液体部分气化，蒸汽自身被接触，使液体部分气化，蒸汽自身被冷凝，省去了中间加热器与冷凝器冷凝，省去了中间加热器与冷凝器。 传热传热 3) 实现精馏操作的条件实现精馏操作的条件 将每一中间产品返回到下一级中，不仅可以提高产品的收率；而且是过程必不可少的条件。 通常，将部分产品引回设备的操作称为回流。回流回流是保证精馏过程连续稳定操作的必要条件之一。 (液相回流液相回流)冷凝器冷凝器是保证精馏过程
43、能连续稳定操作的必不可少的条件。 (气相回流气相回流)再沸器再沸器是保证精馏过程连续稳定操作的必不可少的条件。 混合液体连续或多次部分汽化，釜液组成沿 t-x(y) 相图的泡点线变化，可得难挥发组分含量很高而易挥发组分含量很低的釜液。 混合蒸汽连续或多次部分冷凝，蒸汽组成沿 t-x(y) 相图的露点线变化，可得到易挥发组分含量很高而难挥发组分含量很低的蒸汽。 精馏过程正是这二者的有机结合。精馏：将由挥发度不同的精馏：将由挥发度不同的组分所组成的混合液，在精馏组分所组成的混合液，在精馏塔中同时多次进行部分气化和塔中同时多次进行部分气化和部分冷凝，使其分离成几乎纯部分冷凝，使其分离成几乎纯态组分的
44、过程。态组分的过程。4) 精馏原理精馏原理 左图所示的为精馏塔的模型，目前工业上左图所示的为精馏塔的模型，目前工业上使用的精馏塔是它的体现。塔中各级的易挥发使用的精馏塔是它的体现。塔中各级的易挥发组分浓度由上至下逐级降低，而温度逐步增高。组分浓度由上至下逐级降低，而温度逐步增高。当某级的浓度与原料液的浓度相同或相近时，当某级的浓度与原料液的浓度相同或相近时，原料液就由此级进入。原料液就由此级进入。精馏塔模型精馏塔模型右右图是以筛板塔为例，由图是以筛板塔为例，由精馏塔模型转变为实际精馏塔精馏塔模型转变为实际精馏塔的一段。的一段。精馏塔的一段精馏塔的一段精馏塔精馏塔1）分类： 板式塔：泡罩塔、浮阀
45、塔、筛板塔。 填料塔：塔内充填一定高度的填料。2）塔板的作用：气液两相传质，传热的场所。3、筛板塔中n层板上的操作情况板式塔精馏塔的操作情况精馏塔的操作情况 精馏操作在直立圆形的精馏塔精馏操作在直立圆形的精馏塔内进行内进行. 塔内装有若干层塔板或充填塔内装有若干层塔板或充填一定高度的填料一定高度的填料, g-l 两相传质可以两相传质可以是微分接触式或逐级接触式是微分接触式或逐级接触式. 传质设传质设备对吸收和蒸馏过程通用备对吸收和蒸馏过程通用. 本章以逐本章以逐级接触的板式塔为重点级接触的板式塔为重点. 上图所示的为泡罩塔中任意第上图所示的为泡罩塔中任意第n层板上的操作情况层板上的操作情况.
46、进入第板进入第板的气相浓度和温度分别为的气相浓度和温度分别为yn+1和和tn+1，液相的浓度和温度分别为，液相的浓度和温度分别为xn-1和和tn-1，二者互不平衡，二者互不平衡, yn+1tn-1 -存在温度差和浓度差存在温度差和浓度差-传质和传热传质和传热. 其结果其结果:泡罩塔的操作情况 1) 气相部分冷凝气相部分冷凝, 使其中难挥发组分转入到液相中；使其中难挥发组分转入到液相中； 2) 气相冷凝放出潜热传给液相气相冷凝放出潜热传给液相, 使其部分气化使其部分气化, 其中的部分易其中的部分易挥发组分转入到气相挥发组分转入到气相, 结果结果: xnyn+1。 理论板理论板: 气气. .液两相
47、在塔板上充分接触液两相在塔板上充分接触. .混合混合, , 进行传质进行传质. .传热传热后后, ,两相组成均匀且离开塔板的气两相组成均匀且离开塔板的气. .液两相呈相平衡关系液两相呈相平衡关系. .显然显然, ,在在相同条件下相同条件下, , 理论板具有最大的分离能力理论板具有最大的分离能力, , 是塔分离的极限是塔分离的极限. .精馏流程精馏流程连续精馏流程连续精馏流程典型的连续精馏流程如图所示典型的连续精馏流程如图所示.预预热到一定温度的原料液送入精馏塔的热到一定温度的原料液送入精馏塔的进料板进料板,在每层塔板上在每层塔板上, 回流液体与上回流液体与上升蒸气互相接触升蒸气互相接触, 进行
48、热和质的传递进行热和质的传递. 塔顶冷凝器冷凝器的作用: 获得塔顶产品及保证有适宜的液相回流.再沸器再沸器的作用: 提供一定量的上升蒸气流.对于间歇精馏对于间歇精馏: 原料液一次加入塔原料液一次加入塔底底, 只有精馏段只有精馏段.精馏段精馏段: :加料板以上的塔段.上升汽相中重组分向液相传递，液相中轻组分向汽相传递，完成上升蒸气轻组分精制。 提馏段提馏段: :加料板及其以下的塔段.下降液体中轻组分向汽相传递，汽相中重组分向液相传递，完成下降液体重组分提浓。小结小结 精馏：精馏：将由挥发度不同挥发度不同的组分所组成的混合液，在精馏塔中同时多次多次进行部分气化和部分冷凝部分气化和部分冷凝，使其分离成几乎纯态组分的过程。 精馏塔内从上到下,轻组分的浓度逐渐降低,重组分的浓度逐渐增加,原料从组成接近的截面引入到塔内;温度逐渐升高;压力逐渐升高. 精馏塔结构：精馏塔结构：主要由塔身(精馏段、提馏段、进料口）、冷凝器、再沸器等组成。 液相回流液相回流 (冷凝器冷凝器)是保证精馏过程能连续稳定操作的必不可少的条件。 气相回流气相回流 (再沸器再沸器)是保证精馏过程连续稳定操作的必不可少的条件。
