第五章第五章 精馏精馏 第五章 精馏2 教学内容： 一、概述 二、气液间的相平衡 三、物料衡算 四、理论塔板数的确定 五、塔板效率 六、精馏设备—板式塔 第五章 精馏 [教学目的] 掌握精馏的气液相平衡关系和相对挥 发度的计算；掌握定态连续精馏过程中的物料衡 算—操作线方程；掌握理论级的概念；能够进行 理想二元体系泡点进料时理论板数的求算；了解 回流比与精馏优化的关系；在此基础上了解板式 塔的结构和性能 第五章第五章 精馏精馏 第五章 精馏3 一、概述 本章讨论分离均相液体混合物最常用最重要的方法—蒸馏 1、定义 1）质量传递过程（传质过程）：由浓度差引起的物质转移 过程 2）蒸馏：利用液体混合物中各组分挥发性的差异来分离液 体混合物的传质过程 3）精馏：多次部分汽化，多次部分冷凝 4）轻组分：液体混合物中的易挥发组分A 5）重组分：液体混合物中的难挥发组分B 6）原理：溶液加热至沸腾并有部分气化，气液平衡时由于 各组分的挥发度不同，液相和气相的组成不同，轻组分在 气相中的浓度高于液相浓度；蒸气被冷凝时，冷凝液中重 组分浓度高于气相中的浓度，进行一次部分气化和冷凝（ 简单蒸馏）或多次部分气化、部分冷凝（精馏），将不同 组分按挥发性高低分离开，最终在气相中得到较纯的轻组 分，在液相中得到较纯的重组分。
8）浓度表示法及其换算 7）分离依据：利用物系在发生相变化过程中组分间挥发 性的差异，将液体混合物中各组分分离的操作 第五章第五章 精馏精馏 第五章 精馏5 2 、蒸馏分类 按分离要求分：简单蒸馏；精馏 按操作方式分：间歇；连续 按组分数分：双组分；多组分 按操作压强分：常压；加压；减压 按物系的特殊性分：恒沸；萃取；溶盐；反应 简单蒸馏 常压蒸馏 双组分蒸馏 间歇蒸馏 平衡蒸馏（闪蒸） 减压蒸馏 多组分蒸馏 连续蒸馏 精 馏 加压蒸馏 特殊精馏（恒沸精馏、萃取精馏） 第五章第五章 精馏精馏 第五章 精馏6 酒的提纯——蒸馏操作过程 锅为汽化器，顶盖为冷凝器如图所示这就是一种 简单蒸馏的操作过程我还不知道“对酒当歌”源于哪个朝 代的帝王将相，但可以肯定，从“对酒当歌”那个时候起， 我国古代劳动人民就已经掌握了简单精馏这种操作过程 制酒作坊装置图 为什么能使乙醇增浓呢？主要 因为乙醇比水的沸点低（或者说 乙醇比水的挥发度高）这样蒸 汽中乙醇的含量yA高于粗酒中乙 醇的含量xA，即yAxA蒸汽冷 凝之后，就得到乙醇含量高的酒 。
1)简单蒸馏 简单蒸馏又称微分蒸馏，是一种单级蒸馏操作，常以间歇操 作方式进行在恒定压力下，将蒸馏釜中的溶液加热至沸腾，并 使液体不断汽化，产生的蒸汽随即进入冷凝器中冷凝（在引出的 瞬间，气、液间存在平衡关系冷凝液用多个罐子收集由 于整个蒸馏过程中，气相的组成和液相的组成都是不断降低的（ 馏出液的平均组成与原始溶液和馏残液间只存在物料衡算关系， 不存在直接的相平衡间的联系所以每个罐子收集的溶液的 组成是不同的，因此混合液得到了初步的分离 特点：非定态过程过程中，气液组成及温度都随时间而变 ） 应用：相对挥发度大的混合液的分离；要求不高的分离 2）平衡蒸馏 平衡蒸馏又称为闪蒸，是一种单级蒸馏操作，常以连续操作 方式进行原料连续进入加热器中，加热到一定温度（超过进 料的泡点）后经节流阀减到规定的压力，部分液体迅速汽化， 汽液两相在分离器中分开，得到了组成不同的塔顶产品和塔底 产品由于汽液两相成平衡状态，所以称为平衡蒸馏其优点 是可以在相对较低的温度下有较高的馏出率；与简单蒸馏比较 ，在相同的温度时可产生较多的蒸气，即相对地可使蒸馏在较 低温度下进行；这对于高温易分解的物料尤为重要 第五章第五章 精馏精馏 第五章 精馏9 3）间歇精馏 它是在简单蒸馏釜上安装带有回流的精馏塔以 改善精馏效率的；操作是间歇的，原料分批地加 入，馏出液的组成随时间而改变，难于得到纯度 很高的组分；但间歇精馏装置简单，操作机动性 大，通用性广，因而在小批量的有机合成、制药 等工业中广泛应用。
特点：间歇精馏的装置是在蒸馏釜上安装只有 精馏段的精馏塔，为非定态过程 第五章第五章 精馏精馏 第五章 精馏10 4）特殊蒸馏（略，见教材P228~P236) 恒沸蒸馏、萃取蒸馏、催化精馏、石油的侧线分馏、热 泵精馏等 纯组分的沸点在等压下不会变化混合液则与之不同， 开始沸腾的温度为t1，随着少量蒸气的分出，其沸腾温度 会逐步提高在工程上将混合液开始沸腾的温度t1定名为 泡点；相应地将混合蒸气开始凝结的温度定名为露点 塔顶蒸气部分冷凝或全冷凝后的冷凝液（即馏出液）引 回一部分注入塔顶；引回的这部分馏出液称为回流 冷凝器分为全凝器（把上升的蒸气全部冷凝和分凝 器（部分冷凝，即只是将回流液冷凝下来 目前生产上主要还是用全凝器，这是由于调节回流比时 分凝器不如全凝器便利、准确 第五章第五章 精馏精馏 第五章 精馏11 第五章第五章 精馏精馏 第五章 精馏12 第五章第五章 精馏精馏 第五章 精馏13 第五章第五章 精馏精馏 第五章 精馏14 第五章第五章 精馏精馏 第五章 精馏15 1、相律：只受温度和压力影响的平衡物系的自由度数，等于物系的独 立组分数减去相数再加上二，即F=C+2 式中 F—自由度数； C—独立组分数；—相数；2—温度、压力。
对两组分的气液平衡，F=22+2=2 若恒定压力，则自由度数为1，即该物系温度或组成中只有一个独 立变量，其它变量都是它的函数，所以可以用平面相图来表示各变量 间的关系 2、两组分理想物系的气液平衡关系 1）理想物系：液相为理想溶液、气相为理想气体的物系 2）拉乌尔定律：理想溶液中某组分的溶液蒸汽压等于该组分同温度下 的液体蒸汽压与该组分的液相摩尔分率的乘积，即pA=p0AxA 式中pA—组分A的溶液蒸汽压，Pa；即溶液上方组分A的平衡分压； p0A—组分A的液体蒸汽压，Pa；即纯液体的饱和蒸汽压； xA—组分A的液相摩尔分率 二、气液间的相平衡 由 得 由 得 3） 相对挥发度 ① 挥发度：某组分的溶液蒸汽压与该组分的摩尔分率之比 即： 对理想溶液（溶液服从拉乌尔定律），有 ② 相对挥发度：易挥发组分挥发度与难挥发组分挥发度之比 即： 对理想溶液，有 pi0随温度变化而变化，但对理想体系，两者 的比值变化不大， 即相对挥发度可看成常数 ③ Antoine方程 理想溶液两组分挥发的难易也可用其沸点的 高低来表示；差值越大，相对挥发度也越大。
④ 气液平衡方程(相平衡方程) 若气相为理想气体， 则： 所以 ∵α＞1 ∴ 即 α值越大，相应地蒸气中y越高，越易分离α＝1时，平衡线为对角 线，体系中组分不能用一般的蒸馏和精馏方法分离 对双组分溶液， ，有 整理并略去下标，得 上式表示互成平衡的气液两相组成间的关系，称为相平衡方程如能 得知α值，便可算出气液两相平衡时易挥发组分浓度以yx的对应关系 α为常数时，溶液的相平衡曲线如上图所示α=1时，y=x（即对角线 ）；α值越大，同一液相组成x对应的y值越大，可获得的提浓程度越大 ，分离程度越好因此，α值的大小可作为用蒸馏分离某物系的难易程 度的标志 3、两组分理想物系的气液平衡相图 1）温度—组成（txy）图（说明原理） 2）xy图（简便，具有实用价值） 3）以相图表示蒸馏过程 （两相区平衡关系服从杠杆规则） 封闭体系：溶液完全蒸发，蒸气组成等于溶液初始组成 敞开体系：两相组成沿着液相线（泡点线）和气相线（露点线 ）变化，导出的蒸气中轻组分含量大于液相。
多次部分气化、部分冷凝：经多次部分气化可得纯重（难挥发 ）组分；经多次部分冷凝，可得纯轻（易挥发）组分 第五章第五章 精馏精馏 第五章 精馏19 第五章第五章 精馏精馏 第五章 精馏20 第五章第五章 精馏精馏 第五章 精馏21 第五章第五章 精馏精馏 第五章 精馏22 如x—y相图所示，对于易挥发组分，因为yAxA，所以x— y线均在对角线上方，只有x=0纯B，或x=1纯A，才有y=x x—y线与对角线偏离越远，表示越易分离若x—y线与对 角线重合，则不能用一般的蒸馏和精馏方法分离 如t—x—y相图所示，在一定总 压下，对于一定组成x1的溶液加 热到与t—x线相交的点，即出现 第一个气泡，所以t—x线亦称泡 点线 对于组成为y1的蒸气， 冷却至与t—y线相交，出现第一 滴露珠，所以称t—y线为露点线 若t—x线与t—y线重合，则 表示该溶液不能分离若两线相 距愈远，则表示愈易分离很明 显，只有在气液共存区内，才可 能达成一定程度的分离 t—x —y相图可通过实验测定。
第五章第五章 精馏精馏 第五章 精馏23 4、压力对气液平衡的影响 1）t—x—y相图和x—y相图都是在指定压力下得到的（必须 在相图中标明总压P） ①体系的压力变化不大时，气液间的平衡组成受影响不大； 但溶液的泡点和蒸气的露点有明显的变化这是x—y相 图比t—x—y相图在应用上较方便的地方 ②当体系的压力有显著的变化时，气液平衡关系受到很大的 影响 2）压力降低，体系的相对挥发度增大，恒沸点组成逐渐变 化；压力增大，体系的相对挥发度降低 ①应用加压蒸馏的原因，在于提高气液平衡温度后，便于利 用蒸气冷凝时的热量，或可用较低品位的冷却剂使蒸气冷 凝，从而减少蒸馏能量的消耗 ②应用减压蒸馏的原因，可提高体系的相对挥发度，甚至使 原有的恒沸点消失；但主要原因是降低气液平衡温度后， 可以减少降解或聚合的损失；也有利于低压水蒸气或余热 利用 第五章第五章 精馏精馏 第五章 精馏24 第五章第五章 精馏精馏 第五章 精馏25 5、非理想溶液—不符合拉乌尔（Roult）定律， 汽液平衡关系主要靠实验数据 1）汽相中各组分的蒸汽压较理想溶液大，为正偏 差溶液 n在txy图中，特殊条件下出现最低恒沸物。
n 例如：乙醇水体系、正丙醇水体系等 2）汽相中各组分的蒸汽压较理想溶液小，为负偏 差溶液 n在txy图中，特殊条件下出现最高恒沸物 n 例如：硝酸水体系、氯仿丙酮体系等 3）对于有恒沸点的体系，在恒沸点时，气相和液 相有相同的组成，不能用一般蒸馏方法分离出纯 组分不在恒沸点时，用蒸馏方法只能分离出一 种纯组分和恒沸液 第五章第五章 精馏精馏 第五章 精馏26 n乙醇—水体系在常压下蒸馏时生成最低恒沸液 恒沸液中x（乙醇）=0.894【w（乙醇）=0.96 】 ，沸点78.15℃，因此用一般蒸馏方法只能得到恒 沸组成为乙醇—水的混合液，而不可能得到无水 乙醇分离恒沸物需要应用特殊蒸馏方法 4）非理想溶液不一定有恒沸点，但有恒沸点的是 明显偏差大的非理想溶液；具有恒沸点的溶液在 总压改变时，其t—x—y图不仅上下移动，而且形 状也可能变化，即恒沸组成可能变动；故理论上 可用改变总压的方法来分离恒沸物，但是否经济 合理，还需作权衡 第五章第五章 精馏精馏 第五章 精馏28 三、物料衡算 1 、精馏原理与流程 n一次简单蒸馏及平衡蒸馏只能使液体混合物得到有限的的 分离，远远不能满足工业的要求。
进行多次部分汽化、部 分冷凝。