时间：2022-04-22 08:26:42
摘要: 本文充分运用理想气体、理想液体、拉乌尔定律,道尔顿分压定律以及相平衡、相图、相律等有关基础理论知识,深刻的剖析了精馏的理论依据和实质。对精馏理论的发展和完善作了一次有意义的探索和实践。
关键词:回流探讨 汽液平衡 相律 理想溶液和气体
一、前言
人们对精馏的认识是比较深刻的,有关精馏的理论也比较系统。在此基础上,广大科技工作者和工程技术人员对精馏设备、工艺路线及工艺条件等进行了进一步的研究和探索,设计出了许多既经济又高效的精馏设备和工艺路线。但在开发过程中,难免有不完善之处;现就精馏原理和实质进行论述,以进一步探索和完善精馏理论。
精馏作为分离液相混合物的一种常用方法,作为一种相平衡分离过程,其重要的理论基础就是汽-液相平衡原理。
相:是指系统中具有完全相同的物理性质和化学组成的均匀部分。在不同的相之间,有着明显的分界面,可以用机械的方法将两相分开。
相平衡:是指如果有两个或两个以上的相共存,若在长时间中宏观上没有任何变化,即没有任何物质在相间传递,换句话讲,当体系的性质不随时间而变的相状态叫相平衡状态,简称相平衡。
相平衡状态是相对的、动态的和有条件的,真正的相平衡状态是达不到的,一般情况下,当以现有的检测手段测不出体系的性质有所变化时,就认为体系已经达到了相平衡状态。
相律:表示的是相平衡体系中组分数、相数和平衡条件之间的关系的规律。其内容为:自由度(F)等于组分数(N)减去相数(E)和化学反应数(R)再加2,即:
F=N-E-R+2
自由度是指相平衡系统的强度性质中独立变数的数目。
相律是各种相平衡系统普遍遵守的定律,在相平衡系统中,各个相之间之所以能共存并达到相平衡,关键在于具备一定的条件,条件一变,原有的平衡就被破坏,并在新的条件下建立新的平衡。
理想溶液:是人们为了研究问题的方便而假想的一种溶液模型。真正的理想溶液是不存在的,但在某些条件下,有些溶液近似于理想溶液,可按理想溶液进行推导和讨论。
理想溶液的定义:
(1)各组分的分子体积相同,分子间吸引力也相同;
(2)分子间不发生化学反应。
理想溶液具有如下特征:
(1)其蒸汽压遵守拉乌尔定律:
Pi=P.xi
(2)各组分混合时,有体积加和性,即溶液的体积等于各组分混合前体积之和,不多也不少。
(3)各组分混合时,无热效应。
理想气体:是人们为了研究问题的方便而假设的一种气体模型,真正的理想气体是不存在的,但在某些条件下的气体近似于理想气体,可按理想气体进行推导和讨论。
理想气体的定义:
分子间无相互作用;分子本身无大小。
理想气体遵守道尔顿分压定律:混合气体的总压等于各组分分压之和。
P=∑Pi
分压是指某组分在系统温度下单独占有总体积时所具有的压力,叫该组分的分压,即:
Pi=ni .R.T/V
精馏是以相平衡为基础理论的工程。相、相平衡、相律、相图以及有关的理想溶液、理想气体、拉乌尔定律、道尔顿分压定律等有关知识是我们认识精馏的根本依据,人们也正是充分运用这些理论知识,才逐步的对精馏有了比较深刻的认识。
由于各种具体情况不同,很多精馏装置的回流方式多有不同,有的装置为了稳定某些参数,将塔顶回流设计为可变动量。这对精馏操作和稳定产品质量是相当不利的。现从理论上论证“塔顶回流的稳定”是塔平稳运行和保证产品质量稳定的必要条件。下面就以二元理想溶液的汽-液相平衡的有关理论知识对其进行讨论和论证。
二、汽-液相平衡是精馏的理论基础
设A为轻组分,B为重组分。则根据拉乌尔定律:
PA=PA0 .xA ----------- (1)
PB=PB 0 .xB ----------- (2)
其中:PA、PB分别为溶液中组分A和B的蒸汽分压。
PA0、PB 0分别为纯A和纯B的饱和蒸汽压。
xA、xB分别为溶液中组分A和B的摩尔分率。
再根据道尔顿分压定律:混合气体的总压等于各组分分压之和得:
P=PA+PB ------------------ (3)
其分压就是指各组分在系统温度下单独占有总体积时所具有的压力,即:
Pi=ni .R.T/V ------------ (4)
因为,P=n.R.T/V ------------- (5)
则(4)除以(5)得:
Pi/P=ni/n=yi ----------- (6)
其中y 为组分i的摩尔分数。
由(6)可知:yA =PA/PyB =PB/P
则:yA =PA/P=(PA0/P)xA ------ (7)
yB =PB/P=(PB0/P)xB ------ (8)
根据(1)、(2)、(3)得:
P=PA+PB=PA0.xA+PBO.xB
=PA0 (1-xB )+PBO.xB --------- (9)
P总是介于PA0与PBO之间,又因为PA0〉PBO,所以:
PA0〉P〉PBO --------------- (10)
由(7)、(8)、(10)可以推知:
yA 〉xA ; yB〈xB 即 xB〉yB
也就是说,汽相中易挥发组分的摩尔分数比液相中易挥发组分的摩尔分数大;而液相中难挥发组分的摩尔分数比汽相中难挥发组分的摩尔分数大。这种易挥发组分在汽相中浓集和难挥发组分在液相中浓集的趋势是精馏成为可行性的根本原因和基础理论依据。
可以设想,任何一个分馏过程,都可以将目的产品与其它组分作为二元理想溶液处理。对于二元理想溶液的汽-液相平衡,根据相律即:自由度(F)等于组分数(N)减去相数(E)和化学反应数(R)再加2,用式子表示为:
F=N-E-R+2
所谓自由度就是相平衡系统的强度性质中独立变数的数目。在我们所讨论的二元物系精馏过程中,组分数为二,相数为二,无化学反应,则F=2-2-0+2=2,其自由度为2。也就是说,只有两个独立变数,现将温度和压力设定为两个独立变数,则在恒压下 根据(1)、(2)、(3)、(7)可知
xA =(P-PB0)/(PA0-PB0)---- (11)
yA =(PA0/P).xA ------------ (12)
在一定的总压下,不同的的平衡温度,对应不同的PA0和PB0 ,而且在一定的平衡温度下,其平衡组成是确定的值。这正是我们设计精馏塔的基础理论和基本依据。由于不同的平衡条件对应着不同的平衡组成,因此,我们就可以根据我们所要达到的分离纯度,来确定平衡条件。如果我们所设定的平衡条件被破坏了,那么,相对应的平衡组成也就改变了,就达不到我们所需要的分离纯度了。
三、结论
根据以上的分析和论证可知,任何物系的精馏过程,都可以作为二元物系进行来分析。并且,只有二个独立变数。因此,我们可以将塔顶回流作为一个独立的变数。当回流为变量时,其平衡条件就被破坏了,平衡组成也就改变了。必然导致产品的波动。因此,可以得出如下的稳结论:稳定的回流是产品质量稳定的必要条件。
参考文献
1.《化工基础》上册;上海师范学院等编;人民教育出版社;1981.
2.《基础化学工程》中册;上海化工学院编;上海科学技术出版社;1978.
3.《气液传质设备》;化学工程手册第十三篇;化学工业出版社;1979.
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5.《化工原理》;谭天恩、麦本熙、丁惠华编注;化学工业出版社;1984.
6.《物理化学》上册;上海化工学院物理化学教研组胡英、陈学让、吴树森编;人民教育出版社;1979.
7.《化工过程及设备设计》;华南工学院化工原理教研组编;华南工学院出版社;1986.