液體的精餾第一講

液體的精餾第一講2023/4/221第1頁(yè)，共26頁(yè)，2023年，2月20日，星期六第五章液體的精餾2023/4/222第2頁(yè)，共26頁(yè)，2023年，2月20日，星期六5.1蒸餾概述5.2雙組分溶液的氣液相平衡5.3液體的蒸餾方法及分離原理5.4精餾過(guò)程的物料衡算和塔板數(shù)的計(jì)算5.5間歇精餾5.6恒沸精餾與萃取精餾5.7板式精餾塔2023/4/223第3頁(yè)，共26頁(yè)，2023年，2月20日，星期六一、引言在化工生產(chǎn)中，由于技術(shù)、經(jīng)濟(jì)等原因：

1.原料要求有一定的純度，中間產(chǎn)品要進(jìn)行下一步反應(yīng)對(duì)其含量的要求，粗產(chǎn)品要進(jìn)行提純以達(dá)到一定的標(biāo)準(zhǔn)。

2.副反應(yīng)的影響。

3.催化劑對(duì)毒物的敏感性。

4.環(huán)境保護(hù)的需要。5.1概述2023/4/224第4頁(yè)，共26頁(yè)，2023年，2月20日，星期六

的過(guò)程可稱(chēng)為：

某個(gè)組分的富集過(guò)程（對(duì)一個(gè)組分而言）各組分的分離過(guò)程（對(duì)幾個(gè)組分而言）從含有雜質(zhì)純度較高的某物質(zhì)從混合液、混合氣得到幾種較純的物質(zhì)2023/4/225第5頁(yè)，共26頁(yè)，2023年，2月20日，星期六二、分離過(guò)程

1.機(jī)械分離被分離物為非均相混合物（兩相或三相）可用機(jī)械來(lái)進(jìn)行分離，如過(guò)濾、離心等。

2.傳質(zhì)分離被分離物為均相混合物，設(shè)法將均相變?yōu)榉蔷?，利用物系中不同組分間某種物性的差異來(lái)分離，如蒸餾、吸收等。

3.速控分離對(duì)均相混和物，通過(guò)控制各組分的傳遞速率來(lái)分離，如膜分離等。2023/4/226第6頁(yè)，共26頁(yè)，2023年，2月20日，星期六三、蒸餾

蒸餾是利用液體混合物中各組分揮發(fā)性的不同，把液體混合物中各組分達(dá)到某種程度分離的單元操作。分類(lèi)：按操作方式間歇蒸餾連續(xù)蒸餾按蒸餾方法簡(jiǎn)單蒸餾平衡蒸餾精餾特殊精餾2023/4/227第7頁(yè)，共26頁(yè)，2023年，2月20日，星期六按操作壓強(qiáng)常壓蒸餾加壓蒸餾減壓蒸餾按混合液組分?jǐn)?shù)雙組分（二元）蒸餾多組分（多元）蒸餾2023/4/228第8頁(yè)，共26頁(yè)，2023年，2月20日，星期六氣體的吸收與液體的蒸餾同為分離均相物系的氣－液傳質(zhì)操作，但是，二者有重要的差別。一般說(shuō)來(lái)，為使均相混合物分離成較純凈的組分，必須出現(xiàn)第二個(gè)物相。吸收操作中則采用從外界引入另一相物質(zhì)（吸收劑）的辦法形成兩相系統(tǒng)。蒸餾操作中采用改變狀態(tài)參數(shù)的辦法（如加熱與冷卻），使混合物系內(nèi)部產(chǎn)生出第二個(gè)物相。因此，經(jīng)過(guò)蒸餾（精餾）操作可以直接獲得較純凈的輕、重組分，但經(jīng)過(guò)吸收操作，混合氣中的溶質(zhì)卻進(jìn)入吸收液中，而不能以較純凈的狀態(tài)直接得到。要取得較純凈的溶質(zhì)組分，還需經(jīng)過(guò)第二個(gè)分離操作（例如脫吸）才能實(shí)現(xiàn)。液體蒸餾和氣體吸收2023/4/229第9頁(yè)，共26頁(yè)，2023年，2月20日，星期六5.2雙組分溶液的氣液平衡一、理想溶液的概念

根據(jù)溶液中同分子間的與異分子間的作用力的差異，可將溶液分為理想溶液和非理想溶液兩種。理想溶液：在這種溶液內(nèi)，組分A、B分子間作用力aAB與純組分A的分子間作用力aAA或純組分B的分子間作用力aBB相等。嚴(yán)格地說(shuō)，理想溶液是不存在的。但是，對(duì)于那些由性質(zhì)極相近、分子結(jié)構(gòu)極相似的組分所組成的溶液，例如苯-甲苯，甲醇-乙醇，烴類(lèi)同系物等都可視為理想溶液。2023/4/2210第10頁(yè)，共26頁(yè)，2023年，2月20日，星期六二、氣液相平衡單位時(shí)間從液相進(jìn)入氣相的分子數(shù)與從氣相進(jìn)入液相的分子數(shù)相等。

輕組分(A)與重組分(B)

揮發(fā)性：液相中物質(zhì)的分子可從液相進(jìn)入氣相，這特性稱(chēng)為揮發(fā)性。在外壓不變（一般為常壓）時(shí)，設(shè)雙組分(A，B)溶液中：

A:沸點(diǎn)低，易揮發(fā)，稱(chēng)為輕組分；

B：沸點(diǎn)高，難揮發(fā)，稱(chēng)為重組分；

xA,xB

：分別為液相中A，B的摩爾分率；

yA,yB

：分別為氣相中A，B的摩爾分率；：分別為純A，B的飽和蒸氣壓；：分別為平衡分壓。2023/4/2211第11頁(yè)，共26頁(yè)，2023年，2月20日，星期六三、拉烏爾定律(Raoult'sLaw)實(shí)驗(yàn)表明，理想溶液的氣液平衡關(guān)系遵循拉烏爾定律，即:在一定溫度下，氣相中任一組分的分壓等于此純組分在該溫度下的飽和蒸汽壓與它在溶液中的摩爾分率的乘積。道爾頓分壓定律習(xí)慣上以ｘ表示液相中易揮發(fā)組分的摩爾分率，以（1-ｘ）表示難揮發(fā)組分的摩爾分率；以ｙ表示氣相中易揮發(fā)組分的摩爾分率，以（1-ｙ）表示難揮發(fā)組分的摩爾分率。2023/4/2212第12頁(yè)，共26頁(yè)，2023年，2月20日，星期六四、兩組分氣液平衡圖蒸餾操作通常在一定的外壓下進(jìn)行，溶液的沸點(diǎn)隨組成而變。溶液的沸點(diǎn)-組成圖（t-x-y)是分析蒸餾原理的理論基礎(chǔ)?？倝篜=101.3kPa,苯-甲苯混合液的沸點(diǎn)-組成(t-x-y)圖圖中以t為縱坐標(biāo),以液相組成x或氣相組成y為橫坐標(biāo)。圖中有兩條曲線(xiàn),上方曲線(xiàn)為t-y線(xiàn),表示混合液的沸點(diǎn)和平衡氣相組成y之間的關(guān)系。此曲線(xiàn)稱(chēng)為飽和蒸氣線(xiàn)。下方曲線(xiàn)為t-x線(xiàn),表示混合液的沸點(diǎn)和平衡液相組成x之間的關(guān)系。此曲線(xiàn)稱(chēng)為飽和液體線(xiàn)。上述的兩條曲線(xiàn)將t-x-y圖分成三個(gè)區(qū)域。飽和液體線(xiàn)以下的區(qū)域代表未沸騰的液體,稱(chēng)為液相區(qū)；飽和蒸氣線(xiàn)上方的區(qū)域代表過(guò)熱蒸氣,稱(chēng)為過(guò)熱蒸氣區(qū)；二曲線(xiàn)包圍的區(qū)域表示氣液同時(shí)存在,稱(chēng)為氣液共存區(qū)。1.t-x-y圖2023/4/2213第13頁(yè)，共26頁(yè)，2023年，2月20日，星期六若將溫度為t1、組成為x1(圖中點(diǎn)A所示)的混合液加熱，當(dāng)溫度升高到t2(點(diǎn)J)時(shí)，溶液開(kāi)始沸騰，此時(shí)產(chǎn)生第一個(gè)氣泡，相應(yīng)的溫度稱(chēng)為泡點(diǎn)溫度，因此飽和液體線(xiàn)又稱(chēng)泡點(diǎn)線(xiàn)。同樣，若將溫度為t4、組成為(點(diǎn)B)的過(guò)熱混合蒸氣冷卻，當(dāng)溫度降到t3(點(diǎn)H)時(shí)，混合氣開(kāi)始冷凝產(chǎn)生第一滴液體，相應(yīng)的溫度稱(chēng)為露點(diǎn)溫度，因此飽和蒸氣線(xiàn)又稱(chēng)露點(diǎn)線(xiàn)。通常，t-x-y關(guān)系的數(shù)據(jù)由實(shí)驗(yàn)測(cè)得。對(duì)于理想溶液，也可用純組分的飽和蒸氣壓數(shù)據(jù)按拉烏爾定律及理想氣體分壓定律進(jìn)行計(jì)算。2023/4/2214第14頁(yè)，共26頁(yè)，2023年，2月20日，星期六2.氣液相平衡圖（y—x圖）t—x—y圖

y—x圖t1t2x1x2y1y2y1y2x1x22023/4/2215第15頁(yè)，共26頁(yè)，2023年，2月20日，星期六x-y圖說(shuō)明蒸餾計(jì)算中，經(jīng)常應(yīng)用一定外壓下的x-y圖。圖中對(duì)角線(xiàn)為x=y的直線(xiàn)，作查圖時(shí)參考用。對(duì)于大多數(shù)溶液，兩相達(dá)到平衡時(shí)，y總是大于x，故平衡線(xiàn)位于對(duì)角線(xiàn)上方，平衡線(xiàn)偏離對(duì)角線(xiàn)愈遠(yuǎn)，表示該溶液愈易分離。

x-y圖可以通過(guò)t-x-y圖作出。若總壓變化范圍為20～30%，x-y平衡線(xiàn)的變動(dòng)不超過(guò)2％。因此在總壓變化不大時(shí)，外壓的影響可忽略。但t-x-y圖隨壓強(qiáng)變化較大，可見(jiàn)精餾中使用x-y圖較t-x-y圖更為方便。2023/4/2216第16頁(yè)，共26頁(yè)，2023年，2月20日，星期六四、揮發(fā)度及相對(duì)揮發(fā)度1.揮發(fā)度：表示某種溶液易揮發(fā)的程度。若為純液體時(shí)，通常用其當(dāng)時(shí)溫度下飽和蒸氣壓來(lái)表示，如PA0。若為溶液時(shí)，各組分的揮發(fā)度，則用它在一定溫度下蒸氣中的分壓和與之平衡的液相中該組分的摩爾分率之比來(lái)表示，

νA=pA/xAνB=pB/xBνA

、νB—組分A、B的揮發(fā)度。對(duì)理想溶液，符合拉烏爾定律

νA=pA/xA=pA0xA/xA=pA0νB=pB0**理想溶液中,各組分的揮發(fā)度等于其飽和蒸汽壓.2023/4/2217第17頁(yè)，共26頁(yè)，2023年，2月20日，星期六2.相對(duì)揮發(fā)度相對(duì)揮發(fā)度定義：溶液中兩組分揮發(fā)度之比。3.氣液相平衡方程（用相對(duì)揮發(fā)度表示）：可求得x-y關(guān)系的方程，稱(chēng)為氣液平衡方程。2023/4/2218第18頁(yè)，共26頁(yè)，2023年，2月20日，星期六例已知正戊烷（A）及正己烷（B）在不同溫度下的飽和蒸汽壓，求平均相對(duì)揮發(fā)度。正戊烷及正己烷的沸點(diǎn)分別為36.1℃和68.7℃。（50℃pA0=159.16kPapB0=54.04kPa；55℃pA0=185.18kPapB0=64.44kPa

）解：理想溶液的平均相對(duì)揮發(fā)度可用平均溫度下的飽和蒸汽壓求取，平均溫度t=(36.1+68.7)/2=52.4

℃50℃pA0=159.16pB0=54.04

α1=pA0/pB0=159.16/54.04=2.9555℃pA0=185.18pB0=64.44

α2=pA0/pB0=185.18/64.44=2.872023/4/2219第19頁(yè)，共26頁(yè)，2023年，2月20日，星期六內(nèi)插法求52.4℃時(shí)的相對(duì)揮發(fā)度t1=50℃α1=2.95t2=55℃α2=2.87t

=52.4℃相平衡方程2023/4/2220第20頁(yè)，共26頁(yè)，2023年，2月20日，星期六五、雙組分非理想溶液乙醇-水（正偏差，不同分子之間作用力小于同種分子作用力，易揮發(fā)）硝酸-水（負(fù)偏差，不同分子之間作用力大于同種分子作用力，不易揮發(fā)）2023/4/2221第21頁(yè)，共26頁(yè)，2023年，2月20日，星期六一、簡(jiǎn)單蒸餾使混合液在蒸餾釜中逐漸受熱氣化，并不斷將生成的蒸氣引入冷凝器，以達(dá)到混合液中各組分得以分離的方法，稱(chēng)為簡(jiǎn)單蒸餾或微分蒸餾。5.3液體的蒸餾方法及分離原理2023/4/2222第22頁(yè)，共26頁(yè)，2023年，2月20日，星期六適用于：1.沸點(diǎn)差較大的混合液；2.分離含量要求不高的情況；3.粗加工過(guò)程。一次加料，釜內(nèi)及餾出液的含量不斷變化，得不到純組分?！环€(wěn)定過(guò)程。簡(jiǎn)單蒸餾特點(diǎn)：2023/4/2223第23頁(yè)，共26頁(yè)，2023年，2月20日，星期六二、連續(xù)精餾連續(xù)精餾概念

精餾操作就是在同一設(shè)備內(nèi)多次而且同時(shí)運(yùn)用部分氣化和冷凝的方法，以得到接近于純的易揮發(fā)組分和接近于純的難揮發(fā)組分的操作。精餾操作中液相的部分氣化與氣相的部分冷凝同時(shí)發(fā)生，每層塔板上的液體和蒸氣都處于接近飽和的溫度之下。在相界面兩側(cè)，輕、重組分同時(shí)地向著彼此相反的方向傳遞，即氣相中的重組分向著液相一側(cè)傳遞過(guò)去，液相中的輕組分則向著氣相一側(cè)傳遞過(guò)來(lái)。2023/4/2224第24頁(yè)，共26頁(yè)，2023年，2月20日，星期六精餾設(shè)備由精餾塔、冷卻器和再沸器等構(gòu)成；加料板；精餾段；提餾段冷卻器精餾塔再沸器精餾段提餾段精餾是氣液兩相間的傳質(zhì)過(guò)程，因此常用組分在兩相中的濃度(組成)偏離平衡的程度來(lái)衡量傳質(zhì)推動(dòng)力的大小。傳質(zhì)過(guò)程是以?xún)上噙_(dá)到相平衡為極限的。由此可見(jiàn)，氣液相平衡關(guān)系是分析精餾原理和進(jìn)行設(shè)備計(jì)算的理論基礎(chǔ)。2023/4/22