2.2　簡單蒸餾和平衡蒸餾

對于組分揮發度相差較大、分離要求不高的場合（如原料液的組分或多組分的初步分離），可采用簡單蒸餾和平衡蒸餾。

2.2.1　裝置流程

簡單蒸餾又稱微分蒸餾，是一種間歇、單級蒸餾操作，其裝置如圖2-3所示。原料液分批加到蒸餾釜1中，通過間接加熱使之部分汽化，產生的蒸汽隨即進入冷凝器2中冷凝，冷凝液作為餾出液產品排入接收器3中。隨著蒸餾過程的進行，釜液中易揮發組分的含量不斷降低，與之平衡的氣相組成（即餾出物組成）也隨之下降，釜中液體的泡點則逐漸升高。當餾出液平均組成或釜液組成降低至某規定值后，即停止蒸餾操作。通常，餾出液按組成分段收集，而釜殘液一次排放。

平衡蒸餾又稱閃蒸，是一種連續、穩態的單級蒸餾操作。平衡蒸餾的裝置如圖2-4所示。被分離的混合液先經加熱器升溫，使之溫度高于分離器壓力下液料的泡點，然后通過節流閥降低壓力至規定值，過熱的液體混合物在分離器中部分汽化，平衡的氣液兩相及時被分離。通常分離器又稱閃蒸塔（罐）。

2.2.2　簡單蒸餾及平衡蒸餾的原理

理想物系的相平衡是相平衡關系中最簡單的模型。所謂理想物系是指液相和氣相應符合以下條件。

①液相為理想溶液，遵循拉烏爾定律。

②氣相為理想氣體，遵循道爾頓分壓定律。當總壓不太高時（一般不高于10⁴kPa）時，氣相可視為理想氣體。

用相圖來表示氣液平衡關系比較清晰、直觀，而且說明蒸餾原理及分析過程的影響因素也非常方便。

在恒定總壓下，溶液的平衡溫度隨組成而變，溫度與液（汽）相的組成關系可用溫度組成圖或t-x-y圖表示。圖2-5所示是在總壓為101.3kPa下測得的苯-甲苯混合液的平衡溫度-組成圖。圖中的上曲線為t-y線，稱飽和蒸汽線（或露點線）。下曲線為t-x線，稱飽和液體線（或泡點線）。上述的兩條曲線將t-x-y圖分為三個區域：飽和液體線以下為液相區，飽和蒸汽線以上為過熱蒸氣區，兩曲線包圍的區域為氣液共存區。氣液共存區內的自由度為1，即是說，若溫度指定之后，則兩個平衡相的組成也就隨之而定。

圖2-6是101.3kPa的總壓下，苯-甲苯混合物系的x-y圖，它表示不同溫度下互成平衡的氣液兩相組成y與x的關系。圖中對角線x=y的直線供查圖時參考用。對于理想物系，氣相組成y恒大于液相組成x，故平衡線位于對角線上方。平衡線偏離對角線越遠，表示該溶液越易分離。x-y圖可通過t-x-y圖做出。常見兩組分物系常壓下的平衡數據，可從物理化學或化工手冊中查得。在雙組分蒸餾的圖解計算中，應用一定總壓下的x-y圖非常方便快捷。

應用t-x-y圖，可以求取任一沸點的氣液相平衡組成，或者求取理想平衡時的溫度。在恒定總壓下，組成為x，溫度為t₁（圖2-5中的點A）的混合液升溫至t₂（點J）時達到該溶液的泡點，產生的第一個氣泡組成為y₁（點C）。同樣，組成為y、溫度為t₄（點B）的過熱蒸汽冷卻至溫度t₃（點H）時達到混合氣的露點，凝結出第一個液滴的組成為x₁（點Q）。當某混合物系的總組成與溫度位于點K時，則此物系被分成互成平衡的氣液兩相，其液相和氣相組成分別用L、G兩點表示。兩相的量由杠桿規則確定。

簡單蒸餾過程的任何瞬間，氣相與釜中液體處于相平衡狀態。組成為x_F1的混合液在蒸餾釜中被加熱至泡點溫度t_F1而汽化，與之相平衡的蒸汽組成為y_F1，且y_F1>x_F1，將蒸汽全部冷凝，即得到易揮發組分含量高于原始溶液的餾出物。隨著過程的進行，蒸汽不斷的引出，釜中料液的易揮發組分含量不斷減少，相應產生的蒸汽組成也隨之降低，而釜內溶液的泡點則逐漸升高。則x_F1>x_F2>x_F3>…，與此相對應，y_F1>y_F2>y_F3>…，而t_F1<t_F2<t_F3<…。這一過程表示在圖2-7中。

在平衡蒸餾過程中，閃蒸器內壓力及溫度均保持恒定，蒸汽與液相處于平衡，即在閃蒸器內通過一次部分汽化使混合液得到一定程度的分離。圖2-8中將閃蒸過程表示在t-x-y圖中，原料液組成為x_F，經過一次部分汽化，得到相互平衡的氣相組成y_D和液相組成x_W，并且x_W<x_F<y_D，將氣相組成為y_D的蒸汽全部冷凝下來，即得到易揮發組分含量較高的頂部產品，而塔底排出液中易揮發組分較低。

從以上的討論可以看出，無論是簡單蒸餾還是平衡蒸餾，在一定的汽化率下均不能得到純度較高的產品，為了對混合物進行較高純度的分離，應采用精餾操作。