平衡蒸馏是指使混合液体部分汽化、并使汽液两相处于平衡状态,然后将汽液两相分开的过程,简单流程如图1所示。组成为xF、进料流量为F的混合液体溶液被送入到平衡蒸馏器前的预热器1进行预热,预热后的物流经过减压阀2进入到平衡蒸馏器3中,在蒸馏器中部分液体由于减压而汽化并形成汽液两相平衡,流量为D、组成为y的汽相从蒸馏器顶部引出,而流量为W、组成为x的液相从蒸馏器底部引出,从而完成混合液的一次分离。在平衡蒸馏过程中,液体混合物在预热器中吸热,而经减压阀后则为绝热过程(忽略热量损失),液体部分汽化通过物流自身降温实现。如在相图中表示,其仅为一个平衡级,如简单蒸馏中的a线、或b线、或c线。 ![]() 图1 平衡蒸馏基本流程 平衡蒸馏过程的计算包括三个部分,即物料衡算、热量衡算和相平衡计算,具体计算过程如下所述(各参数意义如图1中所示)。 (1)物料衡算 对总物料: F = D + W 对易挥发组分: FxF = Dy + Wx 结合上两式可得: FxF = Dy + (F-D)x 即: ![]() (a) 进一步假设: W/F = q 则: D/F = 1-q 将上两式带入式(a)可得: ![]() 该方程描述了汽液相平衡组成达到平衡时的关系,该方程被称为进料方程,在精馏操作的计算中至关重要。在x-y图上 ,该方程表示通过点(xF ,xF)且斜率为q/(q-1)的直线。 (2)热量衡算 对加热器做热量衡算,并忽略加热器的热损失,则得: Q = FCp(T-Tf) 式中Q为加热器提供的热量,T为加热后的温度,而tf为进料温度。 原料液节流减压后进入蒸馏器,由于物料是通过自身的降温来使部分液体汽化,即物料放出的显热等于部分气化所需的潜热,所以有如下等式: FCp(T-Te) = (1-q)Fr 式中r为液体在平衡温度te时的汽化焓。从此式可获得原料液离开加热器的温度: ![]() (3)汽液平衡关系 要求得汽液平衡时的分离效果,即平衡分离后的汽液相组成,必须结合相平衡关系,汽液相平衡公式如下: ![]() 平衡温度与液相组成关系为: te = f(x) 结合以上三个方面即可完成平衡蒸馏的计算,求得分离后的汽液相组成、热负荷等等。 以上对平衡蒸馏的计算过程也可以通过相图表示,如下图(图2)所示。该图为x-y相图,首先画出平衡方程线,如果知识液化率或汽化率,可在图中画出进料方程线,它们的交点即为平衡汽液相组成,通过该点引x轴的垂线,与沸点线()相交,即可得到平衡温度,再结合相关公式可完成热负荷的计算。 ![]() 图 2 平衡蒸馏相图表示计算过程 |
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