《化工原理》气液平衡液体精馏共84页
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第7章 液体精馏
7.1.2 精馏的分类
工业上精馏操作可按以下方法分类： （1）操作方式：可分为间歇精馏和连续精馏。 （2）物系中组分的数目：可分为双组分精馏和多组分精馏。 （3）物系分离的难易：可分为精馏和特殊精馏。 （4）操作压强：可分为常压精馏、减压精馏和加压精馏。
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第7章 液体精馏
7.2 双组分溶液的气液相平衡
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第7章 液体精馏
7.1.1精馏操作在化工中的应用
精馏是分离液体均相混合物典型的单元操作，在化工、 炼油等工业生产中应用很广，例如石油精馏可得到汽油、煤 油和柴油等；液态空气精馏可得到纯的液氧和液氮等。精馏 分离的依据是液体混合物中各组分的挥发性不同。
精馏操作通过气、液两相的直接接触，使易挥发组分由 液相向气相传递，难挥发组分由气相向液相传递，是气、液 两相之间的传质过程。
7.2.1双组分溶液的气液相平衡
1．双组分理想溶液的气液相平衡关系 气液相平衡关系，是指溶液与其上方的蒸气达到平衡时，
系统的总压、温度及各组分在气液两相中组成间的关系。 ⑴ 理想溶液及拉乌尔定律
实验表明，理想溶液的气液平衡关系遵循拉乌尔定律。 拉乌尔定律表示：当气液呈平衡时，溶液上方组分的蒸气 分压与溶液中该组分的摩尔分率成正比。 在一定压强下，液体混合物开始沸腾产生第一个气泡的温 度，称为泡点温度（简称泡点）。 严格而言，实际上理想溶液是不存在的，仅对于那些由性 质极相近、分子结构相似的组分所组成的溶液，例如苯-甲苯、 甲醇-乙醇、烃类同系物等可视为理想溶液。
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第7章 液体精馏
7.3 精馏原理
7.3.1 精馏原理
精馏过程原理 可用气液平衡相图 说明，如图7-5所示。
图7-5 多次部分气化和部分冷凝
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第7章 液体精馏
若将组成为xF、温度低于泡点的某混合液加热到泡点以上， 使其部分气化，并将气相和液相分开，则所得气相组成为y1， 液相组成为x1，且y1＞xF＞x1，此时气液相量可用杠杆规则确 定。若将组成为y1的气相混合物进行部分冷凝，则可得到组成 为y2的气相和组成为x2的液相；又若将组成为y2的气相部分冷
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第7章 液体精馏
⑵ 气液平衡相图 ① t-x-y图
该图表示在一定总压下， 温度与气、液相组成之间的 关系。
在 总 压 为 101.33kPa 下 ， 苯 - 甲 苯 混 合 液 的 t-x-y 图 如 图7-1所示。
图7-1 苯-甲苯混合液的t-x-y图
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第7章 液体精馏
② y-x图
在一定外压下，以y为纵 坐标，以x为横坐标，建立气 - 液 相 平 衡 图 ， 即 y-x 图 ， 图 中曲线代表气液相平衡时的 气相组成y与液相组成x之间 的关系。
图7-2为苯-甲苯混合液在 外压为101.33kPa下的y-x图。 如图中曲线的D点表示组成 为 x1 的 液 相 与 组 成 为 y1 的 气 相互成平衡。该曲线又称为 平衡曲线。
图7-2 苯-甲苯混合液的y-x图
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第7章 液体精馏
2．双组分非理想溶液的气液平衡关系 非理想溶液可分为与理想溶液发生正偏差的溶液和负偏差
凝，则可得到组成为y3的气相和组成为x3的液相，且y3＞y2＞y1，
可见气体混合物经多次部分冷凝后，在气相中可获得高纯度的 易挥发组分。同时，若将组成为x1的液相经加热器加热，使其 部分气化，则可得到组成为x2＇的液相和组成为y2＇（图中未 标出）的气相，再将组成为x2＇的液相进行部分气化，可得到 组成为x3＇的液相和组成为y3＇（图中未标出）的气相，且 x3＇＜x2＇＜x1＇，可见液体混合物经过多次部分气化，在液 相中可获得高纯度的难挥发组分。
塔顶蒸汽冷凝器可分为全凝器和分凝器两种。全凝器用 得较多，所以通常称其为冷凝器。
该物质在一定温度下的饱和蒸气压来表示。同一温度下，蒸 气压愈大，表示挥发性愈大。对于混合液，因组分间的相互 影响，使其中各组分的蒸气压要比纯组分的蒸气压低，故混 合液中组分的挥发度可用该组分在气相中平衡分压与其在液 相中组成（摩尔分率）之比表示， 2．相对挥发度
相对挥发度，即为混合液中组分挥发度之比，用α表示。
流液体，其余部分经冷却器（图
中末画出）后被送出作为塔顶产 品（馏出液）。
1.精馏塔 2.再沸器 3.冷凝器 4.回流液泵
图7-6 连续精馏装置流程
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第7章 液体精馏
7.3.3塔板与回流的作用
塔内气、液两相每经过一块塔板，上升蒸汽中易挥发组 分和下降液相中难挥发组分分别同时得到一次提浓，因此， 经过的塔板数越多，提浓程度越高。通过整个精馏过程，最 终在塔顶得到高纯度的易挥发组分（塔顶馏出液），塔釜得 到的基本上是难挥发组分。概括来说，每一块塔板是一个混 合分离器，进入塔板的气流和液流之间同时发生传质和传热 过程，结果是两相各自得到提浓。
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第7章 液体精馏
7.3.2 精馏装置的流程
典 型 的 连 续 精 馏 流 程 如 图 7-7 所示。
原料液经预热后，送入精馏
塔内。操作时，连续地从再沸器
取出部分液体作为塔底产品（釜
残液），部分液体气化，产生上
升蒸气，依次通过各层塔板。塔
顶蒸气进入冷凝器中被全部冷凝，
并将部分冷凝液借助重力作用
（也可用泵送）送ຫໍສະໝຸດ Baidu塔顶作为回
的溶液。例如，乙醇-水物系是具有正偏差的非理想溶液；硝 酸-水物系是具有负偏差的非理想溶液。它们的y-x图分别如图 7-3和7-4所示。
图7-3 乙醇-水溶液的y-x图
图7-4 硝酸-水溶液的y-x图
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第7章 液体精馏
7.2.2相对挥发度
1 ．挥发度 挥发度可表示物质挥发的难易程度。纯物质的挥发度可用
第7章 液体精馏
7.1 概 述
化工生产过程中，常常需要将均相混合物分离为较纯净 或几乎纯态的物质。对于均相物系必须要造成一个两相物系， 利用原物系中各组分间某种物性的差异，而使其中某个组分 （或某些组分）从一相转移到另一相，以达到分离的目的。 物质在相间的转移过程称为传质过程或分离过程。化工生产 中常见的传质过程有蒸馏、吸收、干燥和萃取等单元操作， 常见的蒸馏方式有简单蒸馏、平衡蒸馏和精馏。当分离程度 要求不高或较易分离时，可采用简单蒸馏或平衡蒸馏；当分 离程度要求很高时，可采用精馏。精馏是蒸馏操作中应用最 广泛的一种。
第7章 液体精馏
7.1.2 精馏的分类
工业上精馏操作可按以下方法分类： （1）操作方式：可分为间歇精馏和连续精馏。 （2）物系中组分的数目：可分为双组分精馏和多组分精馏。 （3）物系分离的难易：可分为精馏和特殊精馏。 （4）操作压强：可分为常压精馏、减压精馏和加压精馏。
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第7章 液体精馏
7.2 双组分溶液的气液相平衡
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第7章 液体精馏
7.1.1精馏操作在化工中的应用
精馏是分离液体均相混合物典型的单元操作，在化工、 炼油等工业生产中应用很广，例如石油精馏可得到汽油、煤 油和柴油等；液态空气精馏可得到纯的液氧和液氮等。精馏 分离的依据是液体混合物中各组分的挥发性不同。
精馏操作通过气、液两相的直接接触，使易挥发组分由 液相向气相传递，难挥发组分由气相向液相传递，是气、液 两相之间的传质过程。
7.2.1双组分溶液的气液相平衡
1．双组分理想溶液的气液相平衡关系 气液相平衡关系，是指溶液与其上方的蒸气达到平衡时，
系统的总压、温度及各组分在气液两相中组成间的关系。 ⑴ 理想溶液及拉乌尔定律
实验表明，理想溶液的气液平衡关系遵循拉乌尔定律。 拉乌尔定律表示：当气液呈平衡时，溶液上方组分的蒸气 分压与溶液中该组分的摩尔分率成正比。 在一定压强下，液体混合物开始沸腾产生第一个气泡的温 度，称为泡点温度（简称泡点）。 严格而言，实际上理想溶液是不存在的，仅对于那些由性 质极相近、分子结构相似的组分所组成的溶液，例如苯-甲苯、 甲醇-乙醇、烃类同系物等可视为理想溶液。
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第7章 液体精馏
7.3 精馏原理
7.3.1 精馏原理
精馏过程原理 可用气液平衡相图 说明，如图7-5所示。
图7-5 多次部分气化和部分冷凝
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第7章 液体精馏
若将组成为xF、温度低于泡点的某混合液加热到泡点以上， 使其部分气化，并将气相和液相分开，则所得气相组成为y1， 液相组成为x1，且y1＞xF＞x1，此时气液相量可用杠杆规则确 定。若将组成为y1的气相混合物进行部分冷凝，则可得到组成 为y2的气相和组成为x2的液相；又若将组成为y2的气相部分冷
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第7章 液体精馏
⑵ 气液平衡相图 ① t-x-y图
该图表示在一定总压下， 温度与气、液相组成之间的 关系。
在 总 压 为 101.33kPa 下 ， 苯 - 甲 苯 混 合 液 的 t-x-y 图 如 图7-1所示。
图7-1 苯-甲苯混合液的t-x-y图
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第7章 液体精馏
② y-x图
在一定外压下，以y为纵 坐标，以x为横坐标，建立气 - 液 相 平 衡 图 ， 即 y-x 图 ， 图 中曲线代表气液相平衡时的 气相组成y与液相组成x之间 的关系。
图7-2为苯-甲苯混合液在 外压为101.33kPa下的y-x图。 如图中曲线的D点表示组成 为 x1 的 液 相 与 组 成 为 y1 的 气 相互成平衡。该曲线又称为 平衡曲线。
图7-2 苯-甲苯混合液的y-x图
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第7章 液体精馏
2．双组分非理想溶液的气液平衡关系 非理想溶液可分为与理想溶液发生正偏差的溶液和负偏差
凝，则可得到组成为y3的气相和组成为x3的液相，且y3＞y2＞y1，
可见气体混合物经多次部分冷凝后，在气相中可获得高纯度的 易挥发组分。同时，若将组成为x1的液相经加热器加热，使其 部分气化，则可得到组成为x2＇的液相和组成为y2＇（图中未 标出）的气相，再将组成为x2＇的液相进行部分气化，可得到 组成为x3＇的液相和组成为y3＇（图中未标出）的气相，且 x3＇＜x2＇＜x1＇，可见液体混合物经过多次部分气化，在液 相中可获得高纯度的难挥发组分。
塔顶蒸汽冷凝器可分为全凝器和分凝器两种。全凝器用 得较多，所以通常称其为冷凝器。
该物质在一定温度下的饱和蒸气压来表示。同一温度下，蒸 气压愈大，表示挥发性愈大。对于混合液，因组分间的相互 影响，使其中各组分的蒸气压要比纯组分的蒸气压低，故混 合液中组分的挥发度可用该组分在气相中平衡分压与其在液 相中组成（摩尔分率）之比表示， 2．相对挥发度
相对挥发度，即为混合液中组分挥发度之比，用α表示。
流液体，其余部分经冷却器（图
中末画出）后被送出作为塔顶产 品（馏出液）。
1.精馏塔 2.再沸器 3.冷凝器 4.回流液泵
图7-6 连续精馏装置流程
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第7章 液体精馏
7.3.3塔板与回流的作用
塔内气、液两相每经过一块塔板，上升蒸汽中易挥发组 分和下降液相中难挥发组分分别同时得到一次提浓，因此， 经过的塔板数越多，提浓程度越高。通过整个精馏过程，最 终在塔顶得到高纯度的易挥发组分（塔顶馏出液），塔釜得 到的基本上是难挥发组分。概括来说，每一块塔板是一个混 合分离器，进入塔板的气流和液流之间同时发生传质和传热 过程，结果是两相各自得到提浓。
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第7章 液体精馏
7.3.2 精馏装置的流程
典 型 的 连 续 精 馏 流 程 如 图 7-7 所示。
原料液经预热后，送入精馏
塔内。操作时，连续地从再沸器
取出部分液体作为塔底产品（釜
残液），部分液体气化，产生上
升蒸气，依次通过各层塔板。塔
顶蒸气进入冷凝器中被全部冷凝，
并将部分冷凝液借助重力作用
（也可用泵送）送ຫໍສະໝຸດ Baidu塔顶作为回
的溶液。例如，乙醇-水物系是具有正偏差的非理想溶液；硝 酸-水物系是具有负偏差的非理想溶液。它们的y-x图分别如图 7-3和7-4所示。
图7-3 乙醇-水溶液的y-x图
图7-4 硝酸-水溶液的y-x图
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第7章 液体精馏
7.2.2相对挥发度
1 ．挥发度 挥发度可表示物质挥发的难易程度。纯物质的挥发度可用
第7章 液体精馏
7.1 概 述
化工生产过程中，常常需要将均相混合物分离为较纯净 或几乎纯态的物质。对于均相物系必须要造成一个两相物系， 利用原物系中各组分间某种物性的差异，而使其中某个组分 （或某些组分）从一相转移到另一相，以达到分离的目的。 物质在相间的转移过程称为传质过程或分离过程。化工生产 中常见的传质过程有蒸馏、吸收、干燥和萃取等单元操作， 常见的蒸馏方式有简单蒸馏、平衡蒸馏和精馏。当分离程度 要求不高或较易分离时，可采用简单蒸馏或平衡蒸馏；当分 离程度要求很高时，可采用精馏。精馏是蒸馏操作中应用最 广泛的一种。