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化工原理
第六章 蒸馏
第一节 双组分溶液的气液相平衡
一、溶液的蒸气压和拉乌尔定律
饱和蒸气压
在一定温度下，纯组分液体的气液两相达到平衡状态，称为饱和状态。其蒸气称为饱和蒸气，其压力就是饱和蒸气压，简称蒸气压。
安托因方程
lgP°=A-B/(t+C)，P°为纯组分液体的蒸气压，kPa；t为温度，℃；
拉乌尔定律
在一定温度下气液两相达到平衡时，溶剂A在气相中的分压等于纯溶剂的蒸气压与其液相组分的乘积,即PA=P°AxA
二、理想溶液气液相平衡
（一）t-y-x图与y-x图
1）温度-组成图（t-y-x图）
过热蒸气区
气相线
表示了蒸气的组成与露点的关系，也称为露点线
气液共存区
液相线
表示了溶液的组成与泡点的关系，也称为泡点线
冷夜区
杠杆定律：若液相与气相的量分别用L与V表示，则L/V=(y-xs)/(xs-x)
2）气液相平衡曲线图（y-x图）
表示不同温度下互成平衡的气液两相组成y与x的关系。y-x曲线离对角线越远，y就比x越大混合液越容易分离。
（二）理想溶液的t-y-x关系式
1.温度（泡点）-液相组成关系式
x=（P-P°B）/（P°A-P°B）
2.恒压下t-y-x关系式
yA=P°AxA/P
3.温度（露点）-气相组成关系式
y=(P°A/P)*(P-P°B)/(P°A-P°B)
4.理想溶液的t-y-x关系式的应用
P、t、x、y，知二求二
（三）相对挥发度与理想溶液的y-x关系式
1.挥发度ν
νA=PA/xA=P°A
2.相对挥发度α
α=νA/νB=P°A/P°B
3.理想溶液的气液相平衡方程式
y=αx/[1+(α-1)x]
x=y/[α-(α-1)y]
三、非理想溶液气液相平衡
（一）对拉乌尔定律有正偏差的溶液
即PA＞P°AxA,PB＞P°BxB
（1）无恒沸点的溶液
如甲醇-水溶液，其拉乌尔定律的偏差不大
（2）有最低恒沸点的溶液
如乙醇-水溶液，其存在最低恒沸点tM，xM称为恒沸组成，M点处的溶液为恒沸物。泡点曲线上的温度在M点处最低。古这种对拉乌尔定律有很大正偏差的非理想溶液又称为具有最低恒沸点的溶液。
（二）对拉乌尔定律有负偏差的溶液
即PA＜P°AxA,PB＜P°BxB
（1）无恒沸点的溶液
如氯仿-苯溶液
（2）有最高恒沸点的溶液
丙酮-氯仿溶液
第二节 蒸馏与精馏原理
一、简单蒸馏与平衡蒸馏
（一）简单蒸馏
不稳定过程、馏分浓度会逐渐降低
书本P79
适用于混合液中各组分的挥发度相差较大、分离要求不高、初步分离
性能下降、噪声和震动、损害泵壳和叶轮
（二）平衡蒸馏
原理：闪蒸
原料液用泵送入加热器，加热后减压喷入分离器，过程中，压力逐渐减小，绝热蒸发，气液两相充分接触而达到平衡状态。气液混合物以切线方向闪蒸进入分离器，实现气液分离。
稳定连续、生产能力大、初步分离
二、精馏原理
（一）精馏塔内气液两相的流动、传热与传质
由于在塔的进料板以下（包括进料板）的塔段中，上升气相从下降液相中提出了易挥发组分，故称为提馏段。
由于在塔的进料板以上的塔段中，上升气相中难挥发组分被除去，而得到了精制，故称为精馏段。
主要设备：精馏塔、冷凝器与蒸馏釜（再沸釜）
（二）塔板上气液两相的传热与传质
在精馏塔中，越往上气液两相中易挥发组分就越多，温度就越低，即yn-1＞yn＞yn+1；xn-1＞xn＞xn+1;tn-1＜tn＜tn+1;
yn与xn为平衡关系
（三）回流的作用
第三节 双组分连续精馏的计算与分析
一、全塔物料衡算
总物料衡算：F=D+W,单位kmol/s
易挥发组分物料衡算：FxF=DxD+WxW
由以上二式可求出，D/F=(xF-xW)/(xD-xW)
W/F=1-D/F=(xD-xF)/(xD-xW)
馏出液易挥发组分的回收率ηA=DxD/(FxF)
釜液中难挥发组分的回收率ηB=W(1-xW)/F(1-xF)
二、恒摩尔流量的假设
1.精馏段
每层塔板上升蒸气的摩尔流量皆相等，以V表示；每层塔板下降液体的摩尔流量皆相等，以L表示。
2.提馏段
每层塔板上升蒸气的摩尔流量皆相等，以V'表示；每层塔板下降液体的摩尔流量皆相等，以L'表示。
三、进料热状态参数q
五种进料热状态
1.温度低于泡点的冷液体
热量衡算式:（V'-V）r=FcpL(tb-tF)→q=1+cpL(tb-tF)/r,cpL为（tb+tF）/2时得进料摩尔热容，kJ/(kmol▪℃)
2.泡点下的饱和液体
L'=L+F,V'=V,所以q=1
3.温度介于泡点和露点之间的气液混合物
F=LF+VF,L'=L+LF,V=V'+VF→q=LF/F
4.露点下的饱和蒸气
L'=L,V'=V-F,故q=0
5.温度高于露点的过热蒸气
（L'-L）r=FcpV(tF-td)→q=-cpv(tF-td)/r
由于进料（流量F）所引起的提馏段下降液体流量L’与精馏段L不同，其差值（L'-L）。而单位进料流量引起的差值即为q=（L'-L）/F，改写为L'=L+qF。
对进料板物料衡算，得F+L+V'=L'+V，联立上式得V'=V+(q-1)F。
四、操作线方程与q线方程
（一）精馏段操作线方程
定义回流比R=L/D
易挥发组分物料衡算：Vyn=Lxn-1+DxD→yn=(L/V)xn-1+(D/V)*xD
将V=(L/D+1)*D和R=L/D带入→yn=Rxn-1/(R+1)+xD/(R+1)
（二）提馏段操作线方程
定义塔釜得气相回流比R’=V'/W
易挥发组分物料衡算：L'xm=V'ym+1+WxW⇿ym+1=L'xm/V'-WxW/V'
将L'=(V'/W+1)W,R'=V'/W带入→ym+1=(R'+1)xm/R'-xw/R'
（三）塔釜气相回流比R'与塔顶液相回流比R及进料热状态q的关系式
R'=(R+1)D/W+(q-1)F/W⇿R'=(R+1)(xF-xW)/(xD-xF)+(q-1)(xD-xW)/(xD-xF)
（四）操作线的绘制与q线方程
q线方程
y=qx/(q-1)-xF/(q-1)
五、理论板数的计算
（一）理论板数的图解计算法
根据操作线方程和q线方程以及相平衡曲线的关系,画线即可得出
（二）理论板数的逐板计算法
y1=xD→x1(相平衡方程计算)→y2（操作线方程计算）→x2（相平衡方程计算）→…→xn-1
六、回流比与进料热状态对精馏过程的影响
q（xF，xW，xD）一定，R增加，所需理论板数减少
R一定（xF，xW，xD ），q增加，QF下降，理论板数下降，但Q蒸馏釜增加
R’一定（xF，xW，xD ），q减小，理论板数下降，但Q冷凝增加。
七、塔顶液相回流比的选择
（一）全回流与最少理论板数
芬斯克方程：Nmin=lg[(xD/1-xD)*(1-xW/xW)]/lgα,Nmin为全回流时的最少理论板数（包括蒸馏釜）
（二）最小回流比
Rmin=(xD-yP/(yP-xP),式中，xP、yP为q线方程和相平衡方程交点
（三）适宜回流比
R=(1.1～2.0）Rmin
八、理论板数的简捷计算法
吉利兰关联图，N-Nmin/N+1=0.75-0.75(R-Rmin/R+1)^0.5668
第四节 间歇精馏
一、回流比恒定的操作
回流比R不变，操作线斜率R/(R+1)就不变，随着蒸馏的进行，操作线将平行下移
所得馏出液组成是精馏开始xp1到精馏结束时馏出液组成xp2的中间值
二、馏出液组成恒定的操作
间歇精馏操作过程中，随着精馏的进行， 蒸馏釜内液体混合物中易挥发组分的浓度不断↓
如果回流比R也保持不变，则馏出液中易挥发组分的浓度势必不断↓。
∴要保持产品的浓度不变，必须调整回流比
第五节 恒沸精馏与萃取精馏
一、恒沸精馏
(一）含义
加入第三组分（夹带剂）与原料液中的一种组分形成共沸液，然后用精馏的方法分离的操作。
（二）实例
乙醇（E）—水（W）共沸液，夹带剂苯（S） EW 恒沸液
（三）夹带剂应具备的条件
能与一个或两个组分形成最低恒沸点的恒沸物
挥发度较大
二、萃取精馏
（一）含义
萃取精馏也是向原料液中加入第三组分，称为萃取剂。加入的萃取剂一般沸点较高、且不与原溶液中任一组分形成恒沸物，仅仅是改变原有组分的相对挥发度而实现精馏分离。萃取精馏，从塔顶可得一个纯组分，萃取剂与另一组分从塔底排出。
（二）实例
苯-乙烷---糠醛
（三）萃取剂应具备的条件
选择性好，加入少量萃取剂能使溶液相对挥发度显著提高；
挥发性小且不与原组分起反应，便于分离回收;
安全，无毒，无腐蚀，热稳定性好以及价格便宜等。
第六节 板式塔
一、塔板结构
1.汽液鼓泡区
2.溢流堰
3.降液管
4.塔板上液体流动的安排
单流型
双流型
二、塔板上气液两相的流动现象
（一）汽液接触状态
1.鼓泡接触状态
2.泡沫接触状态
3.喷射接触状态
4.关于泡沫状态与喷射状态下操作的几个问题
（二）塔板上的液面落差
（三）塔板筛孔漏液
（四）液泛
（五）泡沫夹带
三、塔板效率
（一）全塔板效率（或总塔板效率），E0=N理/N实
（二）单板效率
汽相组成表示：EMV=yn-yn+1/yn*-yn+1=实际板的汽相组成增高值/理论板的汽相组成增高值
液相组成表示：EmL=xn-1-xn/xn-1-xn*=实际板的液相组成降低值/理论板的液相组成降低值
四、塔高的确定
有效段（汽液接触段）高度：Z=N实*HT
五、塔径的计算
DT=√[Vs/(πu/4)]
六、塔板类型
（一）泡罩塔板
（二）浮阀塔板
（三）筛孔塔板
（四）导向塔板
（五）垂直筛板