福州大学化工原理教案液体精馏

9 液体精馏

9.1 蒸馏概述

本章讨论分离均相液体混合物最常用最重要的方法—液体蒸馏及精馏。同学们以后要注意蒸馏及精馏的区别。

（1）蒸馏及精馏的分离依据

液体均具有挥发成蒸汽的能力，但各种液体的挥发性各不相同。习惯上，将液体混合物中的易挥发组分A 称为轻组分，难挥发组分B 则称为重组分。将液体混合物加热至泡点以上沸腾使之部分汽化必有A A x y >；反之将混合蒸汽冷却到露点以下使之部分冷凝必有B B y x >。上述两种情况所得到的气液组成均满足

B

A B A x x y y > 部分汽化及部分冷凝均可使混合物得到一定程度的分离，它们均是籍混合物中各组分挥发性的差异而达到分离的目的，这就是蒸馏及精馏分离的依据。

（2）工业蒸馏过程

① 平衡蒸馏（闪蒸）

平衡蒸馏又称闪蒸，系连续定态过程，其流程如图9-1。原料经泵

加压后连续地进入加热炉，在加热炉内被加热升温至高于分离器压力下

的沸点，然后经节流阀减压至预定压强。由于压强的突然降低，液体成

为过热液体，其高于沸点的显热随即转变为潜热发生自蒸发，液体部分

汽化。气、液两相在分离器中分开，气相为顶部产物，其中难挥发组分

获得了增浓。

② 简单蒸馏

简单蒸馏为间歇操作过程，如图9-2。将一批料液加入蒸馏釜中，

在恒压下加热至沸腾，使液体不断汽化。陆续产生的蒸汽经冷凝后作为

顶部产品，其中易挥发组分相对地富集。在蒸馏过程中，釜内液体的易

挥发组分含量不断下降，蒸汽中易挥发组分的含量也相应地随之降低。

因此，通常是分罐收集顶部产物，最终将釜液一次排出。

（3）讨论几个问题

① 平衡蒸馏及简单蒸馏产生的汽液相其组成服从什么关

系？对了，是气液相平衡关系，故后面要讨论蒸馏的气液相平衡

关系，这是蒸馏计算的基础。此外，蒸馏时各股物料和各组分还

应满足另一种关系，是什么关系？对了，是物料衡算关系，故蒸

馏计算最基本的两个关系就是汽液相平衡关系和物料衡算，请同

学们要认真学习掌握。

② 平衡蒸馏和简单蒸馏能否实现高纯度的分离，为什么？不

能，因为平衡蒸馏只经过一次部分汽化，但其为间歇过程，顶部

蒸汽组成随釜液组成的降低而降低，得不到高纯度的顶部产品，

虽然可得到高纯度的底部产品，但其量很小。

③ 如何蒸馏可得到高纯度的产品？利用多次部分汽化与多次部分冷凝可分离得到高纯度的产品。

④ 能否利用多次平衡蒸馏或多次简单蒸馏实现高纯度分离？为什么？不能，因为：a 、设备流程太复杂，不经济且操作不便；b 、中间产品量多，最后得到的高纯度产品量很少。

⑤ 工业上如何利用多次部分汽化和多次部分冷凝的原理实现连续的高纯度分离，而流程又不太复杂

呢？利用精馏（在塔设备内完成，可以是板式塔、也可以是填料塔）本章在简单介绍平衡蒸馏与简单蒸馏后，将重点讨论混合液的精馏问题，也就是说精馏是本章的重点。

（4）精馏操作的费用和操作压强

蒸馏和精馏都是通过气化、冷凝达到分离提浓的目的的。液体加热气化需要耗热，气相冷凝则需要提供冷却量，因此，蒸馏和精馏都是能耗很高的单元操作，采用何种措施达到节能降耗是精馏过程研究的重要任务。此外，蒸馏过程中的液体沸腾温度和蒸汽冷凝温度均与操作压强有关，故工业蒸馏的操作压强应进行适当的选择。加压精馏可使冷凝温度提高以避免使用费用很高的冷凝器或者在常压下为气态混合物（如烷、烃类混合物），沸点很低，需加压使其成液态后才能精馏分离；减压精馏可使沸点降低以避免使用高温载热体，沸点高且又是热敏性混合物精馏宜用减压精馏；除上述情况外以外一般用常压精馏。

9.2 双组分溶液的气、液相平衡

9.2.1理想物系的气液想平衡

（1）气液两相平衡共存时的自由度

22222=+-=+-=φN F

自由度2个，在t 、p 、y 、x 4个变量中，任意确定其中的两个变量，则物系的状态被唯一确定，余下的参数已不能任意选择。一般精馏在恒压下操作（p 一定），物系只剩下1个自由度。如指定温度t ，则气液组成y 、x 均为t 的函数被确定。后面讨论)(y x t 或-，或y x -的函数关系。

（2）t x -（泡点）关系式

液相为理想溶液，服从拉乌尔定律：

x p x p p o A A o A A ==

)1(x p x p p o

A B o B B -==

气相为理想气体，符合道尔顿分压定律： p

x p p p y o

A A A == 混合液沸腾的条件是各组分的蒸汽压之和等于外压，即

B A p p p +=

)1(x p x p o B A o A -+= o B o A o B P P p p x --=

纯组分的蒸汽压o p 与温度t 的关系式可用安托因方程表示，即

c

t B A p o +-

=log 故x 与t 的关系为非线性关系，已知t 求x 用上式很方便，但是已知x 求泡点t 要用试差法（迭代法）求。

（3）t y -（露点）关系式

指定t 用上述方法求出x 后用道尔顿分压定律求y ，即 p

x p y o

A A = （4）)(y x t 或-图

将用上述方法求出的)(y x t 或-的数据画在同一张图上，就得

到)(y x t 或-图。

此图的的特点如下：

① 两端点A 与B.端点A 代表纯易挥发A 组分（1=x ），端点B 代表纯难挥发B 组分（0=x ）。

沸点沸点,,B A t t <。

② 两线：x t -线为泡点线，泡点与组成x 有关；y t -线为露点线，露点与组成y 有关。

③ 3区：x t -线以下为过冷液体区；y t -线以上为过热蒸汽区；在x t -与y t - 线之间的区域为

气液共存区，在此区域内气液组成y 与x 是成平衡关系，气液两相的量符合杠杆定律。只有设法使体系落在汽液共存区这才能实现一定程度的分离。例如将组成为F x 的过冷溶液加热至C 点，产生第1滴气泡，故C 点所对应的温度称为泡点，气泡组成为1y ，维持加热升温至G 点，溶液部分汽化，气相组成为y （F 点），液相部分分离，y 与x 成平衡关系，G 点所对应的温度为气液相的平衡温度；反之将组成为F y 的过热混合气体冷却至D 点，第1滴冷凝液出现，D 点所对应的温度为露点，继续冷却至G 点气相部分冷凝，液相组成为x ，气相组成为y ，F y x <，F y y <，故部分冷凝亦可实现一定程度的分离。要实现高纯度分离必须采用多次部分汽化和多次部分冷凝，这个过程在工业生产上是如何实现的呢？

（5）x y -图

在蒸馏计算中广泛应用的是一定总压下的x y -图。因1/>p p o A ，故在任一x 下总是x y >，相平衡曲线x y -必位于对角线x y =上方。若平衡曲线离对角线越远，越有利于精馏分离。注意：x y -曲线上各点对应不同的温度。x 、y 值越大，泡、露点温度越低。

（6）相对挥发度α和相平衡方程

① 相对挥发度α

纯组分的饱和蒸汽压o p 只能反映纯液体挥发性的大小。某组分与其它组分组成溶液后其挥发性将受

其它组分的影响。溶液中各个组分的挥发性大小应该怎样表达才符合实际情况呢？对了，要用各组分的平衡蒸汽分压与其液相的摩尔分数的比值，即挥发度γ表示。

挥发度 A A A x p =γ， B

B B x p =γ 在蒸馏中表示分离难易程度要用两组分挥发度之比，称为相对挥发度α

相对挥发度 )

1/()1/(//////x x y y x x y y x y x y x p x p B A B A B B A A B B A A B A --=====γγα 相平衡方程 x

x y )1(1-+=αα 此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x y -的对应关系。

对理想溶液，将拉乌尔定律带入α的定义式可得

0//B A B B A A B A P P x p x p ===γγα 即理想溶液的α值仅依赖于各纯组分的性质。纯组分的饱和

蒸汽压o p A 、o

p B 均系温度t 的函数，且随温度的升高而加大，因

此α原则上随温度（也即随x ）而变化。但o o p p B A /与温度的关

系较o p A 或o p B 单独与温度的关系小得多，因而可在操作的温度

范围内取一平均的相对挥发度α并将其视为常数，这样利用相平

衡方程就可方便地算出x y -平衡关系。换句话说相平衡方程仅对

α为常数的理想溶液好用。

那么怎么取α的平均值呢？

α为常数时，溶液的相平衡曲线如图9-5所示。1=α时，

x y =（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的大小可

作为用蒸馏分离某物系的难易程度的标志。