第五章第五章 液体的精馏液体的精馏1第一页，共二十六页。5.1 蒸馏概述蒸馏概述5.2 双组分溶液的气液相平衡双组分溶液的气液相平衡5.3 液体的蒸馏方法及分离原理液体的蒸馏方法及分离原理5.4 精馏过程的物料衡算和塔板数的计算精馏过程的物料衡算和塔板数的计算5.5 间歇精馏间歇精馏5.6 恒沸精馏与萃取精馏恒沸精馏与萃取精馏5.7 板式精馏塔板式精馏塔2第二页，共二十六页。 一、引言一、引言 在化工生产中，由于技术、经济等原因：在化工生产中，由于技术、经济等原因： 1. 原料要求有一定的纯度，中间产品要进行下一步反应对原料要求有一定的纯度，中间产品要进行下一步反应对其含量的要求，粗产品要进行其含量的要求，粗产品要进行 提纯以达到一定的标准。提纯以达到一定的标准。 2. 副反应的影响。副反应的影响。 3. 催化剂对毒物的敏感性。催化剂对毒物的敏感性。 4. 环境保护的需要。环境保护的需要。5.1 概述概述3第三页，共二十六页。 的过程可称为：的过程可称为： 某个组分的某个组分的富集富集过程（对一个组分而言）过程（对一个组分而言） 各组分的各组分的分离分离过程（对几个组分而言）过程（对几个组分而言） 从含有杂质从含有杂质 纯度较高的某物质纯度较高的某物质从混合液、混合气从混合液、混合气 得到几种较纯的物质得到几种较纯的物质4第四页，共二十六页。二、分离过程二、分离过程 1. 机械分离机械分离 被分离物为非均相混合物（两相或三相）被分离物为非均相混合物（两相或三相） 可用机械来进行分离，如过滤、离心等。可用机械来进行分离，如过滤、离心等。 2. 传质分离传质分离 被分离物为均相混合物，设法将均相变为被分离物为均相混合物，设法将均相变为 非均相，利用物系中不同组分间某种物性非均相，利用物系中不同组分间某种物性 的差异来分离，如蒸馏、吸收等。的差异来分离，如蒸馏、吸收等。 3. 速控分离速控分离 对均相混和物，通过控制各组分的传递速率对均相混和物，通过控制各组分的传递速率 来分离，如膜分离等。来分离，如膜分离等。5第五页，共二十六页。三、蒸馏三、蒸馏 蒸馏是利用液体混合物中蒸馏是利用液体混合物中各组分挥发性的不同各组分挥发性的不同，把液体，把液体混合物中各组分达到某种程度分离的单元操作。混合物中各组分达到某种程度分离的单元操作。分类：分类：按操作方式按操作方式间间 歇歇 蒸馏蒸馏连续连续 蒸馏蒸馏按蒸馏方法按蒸馏方法简单简单 蒸馏蒸馏平衡平衡 蒸馏蒸馏精馏精馏特殊精馏特殊精馏6第六页，共二十六页。按操作压强按操作压强常压蒸馏常压蒸馏加压蒸馏加压蒸馏减压蒸馏减压蒸馏按混合液按混合液 组分数组分数双组分（二元）蒸馏双组分（二元）蒸馏多组分（多元）蒸馏多组分（多元）蒸馏7第七页，共二十六页。气体的吸收与液体的蒸馏同为分离均相物系的气液传质操作，但是，二者有重要的差别。一般说来，为使均相混合物分离成较纯净的组分，必须出现第二个物相。吸收操作中 则采用从外界引入另一相物质（吸收剂）的办法形成两相系统。蒸馏操作中采 用改变状态参数的办法（如加热与冷却），使混合物系内部产生出第二个物相。因此，经过蒸馏（精馏）操 作可以直接获得较纯净的轻、重组分，但经过吸收操作，混合气中的溶质却进入吸收液中，而不能以较纯净的状态直接得到。要取得较纯净的溶质组分，还需经过第二个分离操作（例如 脱吸）才能实现。 液体蒸馏和气体吸收液体蒸馏和气体吸收8第八页，共二十六页。5.2 双组分溶液的气液平衡双组分溶液的气液平衡一、理想溶液的概念一、理想溶液的概念 根据溶液中同分子间的同分子间的与与异分子间的异分子间的作用力的差异，可将溶液分为理想溶液和非理想溶液两种。理想溶液：理想溶液：在这种溶液内，组分A、B分子间作用力aAB与纯组分A的分子间作用力aAA或纯组分B的分子间作用力aBB相等。严格地说，理想溶液是不存在的。但是，对于那些由性质极相近、分子结构极相似的组分所组成的溶液，例如苯-甲苯，甲醇-乙醇，烃类同系物等都可视为理想溶液。9第九页，共二十六页。二、气液相平衡二、气液相平衡单位时间从液相进入气相的分子数与从气相进入液相的分单位时间从液相进入气相的分子数与从气相进入液相的分子数相等。子数相等。 轻组分轻组分(A)与重组分与重组分(B) 挥发性：液相中物质的分子可从液相进入气相，挥发性：液相中物质的分子可从液相进入气相， 这特性称为挥这特性称为挥发性。发性。 在外压不变（一般为常压）时，设双组分在外压不变（一般为常压）时，设双组分(A， B)溶液中：溶液中： A : 沸点低，易挥发，称为轻组分；沸点低，易挥发，称为轻组分； B ：沸点高，：沸点高， 难挥发，称为重组分；难挥发，称为重组分； xA, xB ： 分别为液相中分别为液相中A，B 的摩尔分率；的摩尔分率； yA, yB ： 分别为气相中分别为气相中A，B 的摩尔分率；的摩尔分率；： 分别为纯分别为纯A，B的饱和蒸气压；的饱和蒸气压；： 分别为平衡分压。分别为平衡分压。10第十页，共二十六页。三、拉乌尔定律三、拉乌尔定律 (Raoults Law)实验表明，理想溶液的气液平衡关系遵循拉乌尔定律，即实验表明，理想溶液的气液平衡关系遵循拉乌尔定律，即: : 在在一定温度下，气相中任一组分的分压等于此纯组分在该温度下一定温度下，气相中任一组分的分压等于此纯组分在该温度下的饱和蒸汽压与它在溶液中的摩尔分率的乘积。的饱和蒸汽压与它在溶液中的摩尔分率的乘积。道尔顿分压定律道尔顿分压定律习惯上以 表示液相中易挥发组分的摩尔分率，以（1-）表示难挥发组分的摩尔分率；以表示气相中易挥发组分的摩尔分率，以（1-）表示难挥发组分的摩尔分率。11第十一页，共二十六页。四、两组分气液平衡图四、两组分气液平衡图 蒸馏操作通常在一定的外压下进行，溶液的沸点随组成而变。溶液的沸点-组成图（t-x-y) 是分析蒸馏原理的理论基础。总压P=101.3kPa,苯-甲苯混合液的沸点-组成(t-x-y)图图中以t为纵坐标,以液相组成x或气相组成y为横坐标。图中有两条曲线,上方曲线为t-y线,表示混合液的沸点和平衡气相组成y之间的关系。此曲线称为饱和蒸气线。下方曲线为t-x线,表示混合液的沸点和平衡液相组成x之间的关系。此曲线称为饱和液体线。上述的两条曲线将t-x-y图分成三个区域。饱和液体线以下的区域代表未沸腾的液体,称为液相区；饱和蒸气线上方的区域代表过热蒸气,称为过热蒸气区；二曲线包围的区域表示气液同时存在,称为气液共存区。1. t-x-y图图12第十二页，共二十六页。若将温度为t1、组成为x1(图中点A所示)的混合液加热，当温度升高到t2(点J)时，溶液开始沸腾，此时产生第一个气泡，相应的温度称为泡点温度，因此饱和液体线又称泡点线。同样，若将温度为t4、组成为 (点B)的过热混合蒸气冷却，当温度降到 t3(点H)时，混合气开始冷凝产生第一滴液体，相应的温度称为露点温度，因此饱和蒸气线又称露点线。通常，t-x-y关系的数据由实验测得。对于理想溶液，也可用纯组分的饱和蒸气压数据按拉乌尔定律及理想气体分压定律进行计算。13第十三页，共二十六页。2. 气液相平衡图（气液相平衡图（yx图）图）txy 图图 y x 图图t1t2x1x2y1y2y1y2x1x214第十四页，共二十六页。x-y图说明图说明蒸馏计算中，经常应用一定外压下的 x-y 图。图中对角线为 x=y 的直线，作查图时参考用。对于大多数溶液，两相达到平衡时，y总是大于x，故平衡线位于对角线上方，平衡线偏离对角线愈远，表示该溶液愈易分离。x-y 图可以通过 t-x-y 图作出。若总压变化范围为2030%，x-y 平衡线的变动不超过2。因此在总压变化不大时，外压的影响可忽略。但 t-x-y 图随压强变化较大，可见精馏中使用 x-y 图较 t-x-y 图更为方便。15第十五页，共二十六页。四、四、 挥发度及相对挥发度挥发度及相对挥发度1. 挥发度：挥发度： 表示某种溶液易挥发的程度。若为纯液体时，通常用其当时温度下饱和蒸气压来表示，如PA0。若为溶液时，各组分的挥发度，则用它在一定温度下蒸气中的分压和与之平衡的液相中该组分的 摩尔分率之比来表示， A = pA / xA B = pB / xB A 、B 组分组分A、B 的挥发度的挥发度。 对理想溶液，符合拉乌尔定律对理想溶液，符合拉乌尔定律 A = pA / xA = pA0 xA / xA = pA0 B = pB0 * 理想溶液中理想溶液中, 各组分的挥发度等于其饱和蒸汽压各组分的挥发度等于其饱和蒸汽压.16第十六页，共二十六页。2. 相对挥发度相对挥发度相对挥发度定义：相对挥发度定义：溶液中两组分挥发度之比。溶液中两组分挥发度之比。 3. 气液相平衡方程气液相平衡方程（用相对挥发度表示）：可求得 x-y 关系的方程，称为气液平衡方程。 17第十七页，共二十六页。例例 已知正戊烷（已知正戊烷（A）及正己烷（）及正己烷（B）在不同温度下的饱和）在不同温度下的饱和蒸汽压，求平均相对挥发度。正戊烷及正己烷的沸点分别蒸汽压，求平均相对挥发度。正戊烷及正己烷的沸点分别为为36.1 和和68.7 。（。（50 pA0 =159.16 kPa pB0=54.04 kPa； 55 pA0 = 185.18 kPa pB0 = 64.44 kPa ）解：理想溶液的平均相对挥发度可用平均温度下的饱和蒸解：理想溶液的平均相对挥发度可用平均温度下的饱和蒸汽压求取，汽压求取，平均温度平均温度 t = ( 36.1+ 68.7) / 2 =52.4 50 pA0 =159.16 pB0=54.04 1 = pA0 / pB0=159.16 / 54.04 =2.9555 pA0 = 185.18 pB0 = 64.44 2 = pA0 / pB0 =185.18 / 64.44 = 2.8718第十八页，共二十六页。内插法求内插法求52.4 时的相对挥发度时的相对挥发度t1 = 501 = 2.95t2 = 552 = 2.87 t = 52.4相平衡方程相平衡方程19第十九页，共二十六页。五、双组分非理想溶液五、双组分非理想溶液乙醇乙醇- -水（正偏差，不同分子之间作用力小于同水（正偏差，不同分子之间作用力小于同种分子作用力，易挥发）种分子作用力，易挥发）硝酸硝酸- -水（负偏差，不同分子之间作用力大水（负偏差，不同分子之间作用力大于同种分子作用力，不易挥发）于同种分子作用力，不易挥发）20第二十页，共二十六页。一、简单蒸馏一、简单蒸馏 使混合液在蒸馏釜中逐渐受热气化，并不断将生成的蒸气引入冷凝器，以达到混合液中各组分得以分离的方法，称为简单蒸馏或微分蒸馏。5.3 液体的蒸馏方法及分离原理液体的蒸馏方法及分离原理21第二十一页，共二十六页。适用于：适用于： 1. 沸点差较大的混合液；沸点差较大的混合液； 2. 分离含量要求不高的情况；分离含量要求不高的情况； 3. 粗加工过程。粗加工过程。一次加料，釜内及馏出液的含量不断变化，一次加料，釜内及馏出液的含量不断变化， 得不到纯组分。得不到纯组分。不稳定过程。不稳定过程。简单蒸馏特点：简单蒸馏特点：22第二十二页，共二十六页。二、连续精馏二、连续精馏连续精馏概念 精馏操作就是在同一设备内多次而且同时运精馏操作就是在同一设备内多次而且同时运用部分气化和冷凝的方法，以得到接近于纯的易用部分气化和冷凝的方法，以得到接近于纯的易挥发组分和接近于纯的难挥发组分的操作挥发组分和接近于纯的难挥发组分的操作。 精馏操作中液相的部分气化与气相的部分冷凝同时发生，每层塔板上的液体和蒸气都处于接近饱和的温度之下。在相界面两侧，轻、重组分同时地向着彼此相反的方向传递，即气相中的重组分向着液相一侧传递过去，液相中的轻组分则向着气相一侧传递过来。23第二十三页，共二十六页。精馏设备由精馏塔、冷却器和再沸器等构成；加料板；精馏段；提馏段冷却器冷却器精馏塔精馏塔再沸器再沸器精馏段精馏段提馏段提馏段精馏是气液两相间的传质过程，因此常用组分在