第十章 蒸馏.doc

第十章蒸馏10-1概述一.蒸馏基本原理吸收是分离气体混合物的最常用的化工单元操作，而分离液体均相混合物最常用的化工单元操作是蒸馏。对混合物进行分离总是利用混合物中各组分的某种性质的差异。例如，吸收是利用气体混合物中各组分在溶剂中的溶解度差异实现分离的。为了说明蒸馏分离的基本原理，让我们先做一个小实验：小实验：在一个容器中放入苯40mol(3.12kg) ，甲苯60mol(5.52kg) ，充分搅拌使之混合均匀成为均相混合物。 然后进行加热，升温到100C，则混合物处于沸腾状态，将产生的蒸汽引入冷凝器冷凝后装入另一个容器，这样原来的混合物被分成两部分，如图10-1所示。上述实验通过一次部分汽化和部分冷凝的操作，将原来的液体混合物分为两部分。其中冷凝液部分苯的组成由原来的0.4提高到0.456，我们称它富集了苯；另一部分剩余液体甲苯的组成由原来的0.6提高到y=0.743，我们称它富集了甲苯。通过这样一次部分汽化部分冷凝，就使分开的两部分液体产生一定程度的分离效果。可以设想，如果将所得的冷凝液再进行一次类似的操作，可以得到苯的含量更高的液体；同理，对剩余液体再进行一次类似的操作，可以得到含甲苯的量更高的液体。为什么进行一次部分汽化部分冷凝的操作就能够产生一定程度的分离效果效果呢？这是由于在混合液中两种组分苯和甲苯的挥发性大小不同。从它们的常压沸点看，苯的常压沸点是80.1C，而甲苯的常压沸点是110.6C，在相同的温度下，苯比甲苯的挥发性大，当液体沸腾时，苯分子具有较强的从液相中逸出进入汽（注意“气相”和“汽相”的区别）xF,A=0.4xF,B=0.6F=100molxA=0.257xB=0.743mx=28.1molyA=0.456yB=0.544my=71.9molA=苯，B=甲苯，t=100C相的趋势（或者说“倾向”），因此汽化时含有较多的苯。同理，液相中甲苯的挥发性较小，汽汽化时液相中含有较多的甲苯。与液体部分汽化能够产生一定程度的分离效果的道理相似，当对处于过热状态的汽体混合物进行冷却再冷凝，使部分汽体冷凝成液体时所形成的液体和剩余的汽体也能够产生一定程度的分离效果。 蒸馏操作是利用液体混合物中各组分挥发性大小的差异实现分离的。 图10-1一次部分汽化部分冷凝的分离效果二.蒸馏分类1. 按操作方式分： 间歇蒸馏 连续蒸馏2. 按蒸馏方法分：简单蒸馏 平衡蒸馏 精馏 特殊精馏：恒沸精馏 萃取精馏3. 按操作压强分：常压蒸馏 减压蒸馏 加压蒸馏4. 按组分数分： 两组分蒸馏 多组分蒸馏本章重点介绍：两组分常压连续精馏。第一节二元物系的汽液平衡蒸馏是汽液间的传质过程，传质推动力是汽相或者液相的实际浓度与平衡浓度的差距，传质过程的极限程度是汽液两相达到相平衡，因此，汽液平衡关系是分析蒸馏原理和进行设备设计计算的理论基础。相平衡是物理化学课程学习的基本内容，本节侧重论述相平衡在本课程中的应用。10-2二元理想溶液及其汽液平衡图根据溶液中同分子间作用力与异分子间作用力的差异程度，可将溶液分为理想溶液和非理想溶液。理想溶液是指同分子间作用力与异分子间作用力相同或相近，溶液中各个组分在全部浓度范围内（x=01）服从拉乌尔定律，即 pA=pA0 xA （xA =01） (10-2-1) pB=pB0 xB =pB0 (1-xA) （xB =01） (10-2-2)若溶液各组分与拉乌尔定律偏离较远，就称为非理想溶液。一般而言，如果溶液中各个组分的物性和分子结构相似，分子大小相近，其行为就接近于理想溶液。例如苯-甲苯、甲醇-乙醇等二元混合溶液可视为理想溶液。二.沸点-组成图（t-x-y图）如汽液平衡时总压P不高（一般小于10atm），则道尔顿分压定律适用于汽相，即P=pA+pB (10-2-3)若溶液为理想溶液，则有 P= pA0 xA + pB0 xB = pA0 xA + pB0 (1-xA ) (10-2-4) 由上式得 （10-2-5）又由道尔顿分压定律得 （10-2-6）对于二元物系，表示组分的组成的下标可去掉。当总压为定值时，任选取一个温度值t1，查得该温度下的各纯组分的饱和蒸汽压pA0和pB0（如果没有实验数据可查取时可用经验公式如Antoine方程进行计算），然后据式（10-2-5）计算相应的x1值，又据式（10-2-6）计算相应的y1值，注意x1和y1是互相达成平衡的两个组成值；再取一个温度值t2，用同样的方法求得x2和y2 ；。如此重复进行，得到一组tk，xk，yk(k=1,2,3,)数据。将得到的tk，xk数据以x 为横座标，以t为纵座标作图得到一系列的点，将这些联结成一条光滑的曲线，称为t-x线；相似地，将得到的tk，yk数据以y 为横座标，以t为纵座标作图得到一系列的点，将这些联结成一条光滑的曲线，称为t-y线。将t-x线和t-y线绘制在同一张图上，则称为t-x-y图，如图10-2所示，该图的物系为苯-甲苯二元物系。在t-x-y图中，有二条线和三个区域。二条线即t-x线和t-y线，三个区域分别是：在t-x线以下为液相区，在t-y线以上为汽相区，在t-x线和t-y线之间为汽液两相共存区。 图10-2t-x-y图下面讨论某种初始组成的液体或汽体混合物在升温或降温过程中的相态及组成将如何变化(参见图10-3)。设对初始组成为苯的摩尔分数xF =0.4的苯和甲苯混合溶液在室温下进行加热升温，当温度低于95C时，混合液一直处于液体单相状态；当温度达到95C时（图中G点），液体达到饱和温度，此时开始有汽泡产生，因此这个温度又称为泡点温度， t-x线又称为泡点线，产生的第一个汽泡的组成为图示的yK；继续升温，产生的汽体的数量渐渐增多，相反地剩余液体渐渐减少；当温度上升到图中H点所对应的温度时，混合物分为C点所代表的液体和D点所代表的汽体两部分，汽体 和液体呈平衡状态，相应的液体组成为xC，汽体组成为yD。当温度上升到图中I点所对应的温度101.5C时，所有的液体全部汽化变成该温度下的饱和蒸汽，最后一滴液体的组成为图示的xL。当温度从G点的95C上升到I点的101.5C时，平衡的液相组成从G点的x(=xF)沿着t-x线的GL段变化到L 图10-3混合物相态隨温度的变化点的xL，平衡的汽相组成同步地从K点的yK沿着t-y线的KI段变化到I点的y(其值等于xF)。在汽液两相共存区域内某一个温度值下的汽相和液相的数量符合杠杆规则。例如，在H点所代表的温度下，平衡的液相C和汽相D的数量满足 （10-2-7）当温度高于I点时，蒸汽由饱和状态变成过热状态。相反地，当对一处于过热状态的蒸汽混合物进行冷却冷凝时，其相态随温度的变化与上述相反。当蒸汽从过热冷却到I点所代表的温度下的饱和状态时，开始有第一个液滴冷凝下来，就象露珠一样，故I点温度又称为露点温度，t-y线又称为露点线；到了G点，所有的汽体全部冷凝成饱和液体；当温度低于G点时，液体就成为非饱和的（过冷）液体。由t-x-y图可以看出：只要液体或汽体混合物加热或冷却到汽液两相区域内，就能实现一定程度的分离。由t-x-y图可知，在一定的总压下，混合溶液和纯液体在下述两方面存在差别：1）与纯液体的沸点是一个定值的情况不同，混合溶液的沸点或泡点有一个范围。以苯-甲苯混合溶液为例，其沸点范围为80.1-110.6C（两组分各为纯态时的沸点区间），混合溶液的沸点与组成有关，溶液中易挥发组分的含量越大，沸点越低。苯-甲苯混合溶液为例，当x=0.4时，tb =95C；当x=0.8时，tb =83C；2）同样组成下，混合溶液开始沸腾时温度即泡点与蒸汽开始冷凝时的温度即露点不相等。以苯甲苯混合物为例，当x=y=0.4时，tb =95C， tf =101.5C。而对于纯液体，泡点与露点一致。例如，水在常压下的泡点与露点都是100C。三.x-y图t-x-y图中的t-x线和t-y随总压的变化较大，应用较为方便，在蒸馏研究和计算中广泛应用的是汽液平衡组成相图，简称x-y图。x-y图的绘制方法：将前述得到的tk，xk，yk(k=1,2,3,)系列数据的xk，yk(k=1,2,3,)部分以x 为横座标，以y为纵座标作图，得到一系列的点，将这些点联结成一条光滑的曲线即为x-y平衡线，该图即为x-y图，如图10-4所示。在x-y图中画出了对角线（对角线上的组成关系为y=x）作为参考线。由于汽相的易挥发组分的摩尔分数大于液相的，故平衡曲线在对角线之上，只是在两个端点（分别对应于x=0，纯B；x=1，纯A）才与对角线相交。平衡线离对角线越远，意味着汽相组成与液相组成差别越大。 图10-4x-y图图10-4为苯甲苯二元物系的x-y图，图中的圆点为理想溶液计算的组成值，叉点为组成实测值，由图可见，两者差别很小，说明苯甲苯二元物系可视为理想溶液。 10-3挥发度和相对挥发度小问题：我们通常说酒精是挥发性液体，能否说水是挥发性液体，或者说水不是挥发性液体？前已述及，蒸馏是利用混合物中各组分挥发性大小的差异进行分离的，那么，物质的挥发性大小如何表征，而如果有两种物质，比如甲醇和乙醇，按通常的说法它们都是挥发性物质，能否通过蒸馏将它们进行分离，为此，我们定义挥发度的概念。对于纯液体，液体在某温度下的饱和蒸汽压定义为其在该温度下的挥发度，用v表示。这样，不同的纯物质的挥发度的大小可通过比较它们在相同温度下的饱和蒸汽压得知，蒸汽压越大，挥发度越大；反之亦然。表10-1为相同温度下几种物质的蒸汽压，通过比较它们蒸汽压可知，表中所列的几种物质的挥发度的大小顺序为：甲醇苯水甲苯。表10-1几种物质在相同温度（90C）下的饱和蒸汽压比较 物质甲醇苯水甲苯 蒸汽压（kPa） 252.6 136.3 70.1 54.3 对于混合溶液，某组分i的挥发度vi定义为该组分的平衡分压pi与该组分的摩尔分数xi之比，以二元混合溶液为例，即 （10-2-8）如果溶液为理想溶液，则有（10-2-9） 即理想溶液某组分的挥发度与其为纯态时相同。对于非理想溶液，式（10-2-9）不成立。由物质的挥发度的大小还不能直接判断能否通过蒸馏将它们进行分离，或者说用起来不方便，能直接用来判断能否通过蒸馏将它们进行分离的依据是表征两种物质的挥发度相对大小的参数，称为相对挥发度，用表示。相对挥发度是混合物中两种物质的挥发度的比值，习惯上，挥发度大的作为分子，小的作为分母。根据这个定义，混合物中A和B两组分的相对挥发度由下式计算：（10-2-10）式中下标标明此相对挥发度为A和B的相对挥发度。如果操作压强不高，气体遵循道尔顿分压定律，则得 （10-2-11）如果物系为二元物系，则只有两种组分，即易挥发组分和难挥发组分，则表示组分的下标可去掉，所有的组成全部默认为易挥发组分的组成，则上式可表示为 （10-2-12） 上式可整理为 （10-2-13）上式是有关二元物系蒸馏计算经常应用的关系式，它通过相对挥发度关联达成平衡的汽相组成和液相组成，当已知相对挥发度的数值时，依据该式由液相组成可计算汽相组成，反之，由汽相组成可计算液相组成。对于理想溶液，有 ABpA0/ pB0 （10-2-14）注意，由于达成平衡的组成与温度有关，故即使对同一物系的相同的两个组分，相对挥发度的数值也与温度有关。对于理想溶液，相对挥发度的数值随温度的变化较小（参见表10-2）。对于非理想溶液，相对挥发度的数值随温度的变化相当大。显然，两个组分的相对挥发度越大，通过蒸馏将它们进行分离越容易。两个组分的相对挥发度一般随温度升高而减小，所以进行加压蒸馏操作时，压强较高，因而溶液沸点较高，相对挥发度较小，对分离不利；相反，减压蒸馏操作时，相对挥发度较大，对分离有利。表10-2苯-甲苯物系相对挥发度与温度的关系 t,C 80.1 84 88 92 x 2.60 1 2.56 0.816 2.53 0.651 2.49 0.504 96 100 104 108 110.6 2.46 0.373 2.43 0.257 2.40 0.152 2.37 0.057 2.35 010-4非理想溶液前已述及，当溶液行为与拉乌尔定律偏离较远时，就称其为非理想溶液。偏离的原因可粗略地用分子间作用力进行解释。以A、B二元物系为例，当同分子间作用力aAA 、aBB与异分子间作用力aAB相近时，则表现为理想溶液；相反，当同分子间作用力与异分子间作用力相差较大时，则表现为非理想溶液。非理想溶液对拉乌尔定律的偏差有两种情况，一种是溶液各组分的实际分压比由拉乌尔定律计算的数值高，即 pApA0 xA pB pB0 xB 称为正偏差，这种情况比较常见，如乙醇-水二元物系即属于这种情况，参见图10-5。图10-5（a）中实线为乙醇和水的实 际平衡分压，虚线为按拉乌尔定律计算的平衡分压。两条实线均在各自的虚线之上，表明为正偏差。另一种情况与此相反，即溶液各组组分的实际分压比由拉乌尔定律计算的数值低，称为负偏差，如硝酸-水二元物系，参见图10-6。产生正偏差的原因可解释为异分子间作用力aAB比同分子间作用力aAA 、aBB小，换句话说，相对于同分子而言，异分子具有互相排斥的倾向。这种排斥倾向越大，则正偏差也越大，大到一定程度时，溶液上方的总蒸汽压P随着x在0-1之间变化会出现最大值，如图10-5（a）即有这种情况，即图中的M点。当操作压强为1atm时，M点的组成为x=0.894(对应的乙醇质量分数为95.6%)，对应的沸点为78.15C。图10-5(b)为乙醇-水物系的t-x-y图（注意其和理想溶液t-x-y图的差别），t-x线和t-y除了在两个组成端点处相交外，也在M点相交，这意味着在M点处汽相组成和液相组成相同，在常压条件下，此组成即为x=y= 0.894 。于是，假如有一初始组成为x=0.894的乙醇水溶液将其加热到部分汽化，则产生的汽体的组成和液相组成相同，也即不能产生一定程度的分离作用。这个组成称为共沸（或称恒沸）组成，其对应温度称为共沸点或恒沸点。由相对挥发度的定义可知，共沸点下相对挥发度的值为1，由此可知，当混合物两组分的相对挥发度为1时，就不能通过普通蒸馏的方法进行分离。图10-5（c）为乙醇-水物系的x-y图，注意其和理想溶液x-y图的差别，以M点为界，M点右侧的x-y曲线在对角线之下。当异分子间的排斥倾向很大时，混合物的两个组分变成不能完全互溶（部分互溶）如正丁醇-水物系即属此例。排斥倾向的极限是混合物两个组分完全不互溶，溶液分层为两个纯组分，此时，溶液上方的蒸汽压为两个纯组分的饱和蒸汽压之和，溶液的沸点比任何一个纯组分的沸点低。对负偏差的物系可相反情形的类似分析，参见图10-6。最后指出，恒沸点和恒沸组成与操作压强有关。以乙醇-水物系为例，恒沸组成随压强的变化如教材P92表格所示。第二节蒸馏原理和计算下面的内容按不同的蒸馏方式为序，介绍各种蒸馏方式的原理和计算。先介绍简单蒸馏。10-5简单蒸馏简单蒸馏装置如图10-7所示。其实例有白酒的蒸制。通常发酵液不到10（10%体积分数），第一次的第一阶段蒸馏所得白酒可达50 。要得到更高浓度的产品，可将第一次图10-5 乙醇-水物系相图 图10-6 硝酸-水物系相图(a)p-x图(t=75C); (b)t-x-y图(p=101.3kPa); (a)p-x图(t=75C); (b)t-x-y图(p=101.3kPa);(c)x-y图(p=101.3kPa) (c)x-y图(p=101.3kPa)第一阶段蒸馏所得白酒再次进行蒸馏。下面讨论简单蒸馏的计算。简单蒸馏是不稳定过程，必须对蒸馏中的某一瞬间作微分物料衡算。设釜内某一时间的液量为W kmol，其浓度为x，此时馏出液浓度为y，经微分时间d后，釜内液量为W-dW kmol，其浓度为x-dx，据物料衡算Wx=(W-dW)(x-dx)+ydW 整理上式并忽略高阶微分，得 图10-7 简单蒸馏装置 0=(y-x)dW-Wdx 1-蒸馏釜；2-冷凝器；3A、3B、3C馏出液容器分离变量并积分得 （10-5-1）上式为简单蒸馏的通用计算式。下面考虑几种情况：1.理想溶液对于理想溶液，汽液平衡关系可用y=x/(1+(-1)x)表示，式中取x1和x2之间的平均值，参见教材P83例10-3，则式（10-5-1）可整理为 （10-5-2）上式较复杂，可通过变换进行形式简化。设A、B分别表示釜内易挥发和难挥发组分的kmol数，则有 x1=A1/W1 ,x2=A2/W2 W1A1+B1 W2A2+B2代入式（13-16）得 (10-5-3a) 或 （10-5-3b）上式较简单，且适用于多元物系的任意两个组分。2.平衡关系为直线设平衡关系在x1和x2之间的范围内满足y=mx+b(参见图10-18)，代入式（10-5-1）得（10-5-14）若平衡关系为y=mx，则上式可简化为 （10-5-15） 图10-8平衡关系的近似表示3.图解积分若平衡关系不能用简单的数学式表示，则需要进行图解积分求式（10-5-1）右侧的积分值。简单蒸馏的一般问题是W1、x1为已知，若知W2(或x2），则可利用上述关系式求x2(或W2），而馏出液的数量WD和浓度xD由下列物料衡算求得 WDW1-W2 （10-5-6） WD xD W1 x1 -W2 x2 （10-5-7）应用实例见教材P85例10-3。10-6 平衡蒸馏一.平衡蒸馏平衡蒸馏又称闪蒸，其过程如图10-9所示。下面讨论平衡蒸馏的计算。设料液、汽相和液相的流量分别为F、V、L，相应的组成分别为xF、yD、xW，作物料衡算得 V+L=F （10-6-1） V yD +L xW =F xF （10-6-2）由上二式得 （F-L） yD +L xW =F xF （10-6-3） 图10-9平衡蒸馏装置令q=L/F，上式可整理为 （10-6-4）设yD与xW达成平衡，如为理想溶液，相对挥发度视为常数，则平衡关系可用下式表示 （10-6-5）联合式（10-6-4）和（10-6-5），即可求得设yD和xW。一般用图解法进行求解较为方便。图解法还适用于非理想溶液。式（10-6-4）是通过物料衡算得到的，称为操作关系，如果去掉yD与xW的下标，则得 （10-6-6）该式在x-y图中为一条直线，称为操作线。令式（10-6-6）中的x=xF，得y=xF，即上式通过点（ xF ， xF ），该点为过横座标x=xF作垂直线交于对角线的一个点。过该点（参见图10-10，为该图的f点）作斜率为q/(q-1)的直线，即为操作线。又据平衡关系或平衡数据作x-y线，两线的交点同时满足平衡关系和操作关系，其座标值即为yD和xW。平衡蒸馏的应用参见教材P85例10-4。 图10-10平衡蒸馏图解二.平衡级概念如图10-11所示，设有流量为L、初始组成为x0的液体和流V,y0L,x0L,xWV,yD量为V、初始组成为y0的汽体进入某传质设备，经过充分接触，离开传质设备时液体的流量仍为L，组成为xW，汽体的流量仍为V，组成为yD，由于传质充分， xW和yD处于平衡状态，则称这样的装置为平衡级。10-7精馏 图10-11平衡级一.多次部分液化部分冷凝 如前所述，将组成为xF的料液加热到t1温度使之部分汽化，则料液分离成组成分别为x1和y1的液体和汽体两部分，两组分实现了一定程度的分离。但是这种经过一次的部分汽化和冷凝的分离程度是有限的。如果要作进一步的分离，可以设想将汽相经过冷凝器冷凝成液体后，再引入另一个分离设备中加热使之部分汽化，得到组成为x2和y2的汽液两相。显然，x2x1， y2y1 。图10-12和图10-13分别为经过三次部分汽化和冷凝的分离装置和相应的在t-x-y图中的组成点的变化情况。如要继续提高易挥发组分的浓度，可以依此类推继续进行部分汽化和冷凝的操作，直到得到几乎纯态的易挥发组分。同理，对液相加热使之部分汽化，可得到组成为x2和y2的汽液两相。显然， x2 (1-x1)，换句话说，经过对液相再一次的部分汽化和冷凝的图10-12多次部分汽化部分冷凝 图10-13多次部分汽化部分冷凝t-x-y图分离后，难挥发组分的浓度提高了。如果依此类推继续进行部分汽化和冷凝的操作，可以得到几乎纯态的难挥发组分。综上所述可知，要使混合物得以（几乎）完全分离，必须进行足够多次的部分汽化和冷凝的分离操作。然而，上述操作在工业上是不能采用的，理由有二：一是分离过程中得到许多中间产物（如图中组成为x2和x3的混合物），使得最后纯产品的收率很低（部分汽化和冷凝的次数越多，收率越低）；二是设备庞杂，能耗太高。避免产生中间产品的措施是将上一个分离装置的液体引入下一个分离装置作为下一个分离装置的进料，与此同时，去除每个分离装置上方的冷凝器，直接将每个分离装置的汽体引入上一个分离装置。由于上下两个分离装置组成不同，因而温度不同，使得进入每个分离装置的汽体和液体的温度不同，必然导致热量交换，热交换过程中，汽体部分被冷凝，而液体部分被汽化，这种部分汽化和部分冷凝所产生的分离效果和原来那种装有冷凝器将汽体冷凝下来后再部分汽化的分离效果是一样的。这种改进后的分离装置如图10-14所示。将图10-14所示的分离装置进一步扩展，则如图10-15所示，该图即为精馏模型。二.精馏塔和精馏流程1.精馏塔图10-15所示的分离装置还是过于庞杂，需作进一步精简。化工生产中实际使用的分离装置是在一个金属圆筒中做成若干在结构上可供汽体和液体通过的隔板，称为塔板，每两块所隔离出来的空间相当于精馏模型中的一个分离器。这种装有隔板的分离装置称为精馏塔，如图10-16所示。这样，图10-15所示的庞杂的分离装置就被容纳在一个精馏塔中，显得十分紧凑。2.精馏流程精馏流程如图10-16所示。整个塔由若干层塔板按一定距离叠加而成，由塔板提供汽、液两相接触的场所，一层塔板就是一个接触级，这是实现精馏过程的“设备”条件。为了向每一层塔板提供两相接触所必须的汽流和液流，在塔顶设置冷凝器，将上升蒸汽冷凝，并使部分冷凝液回流入塔(其余部分作为塔顶产品引出)，以形成沿塔下降的液流(称为液相回流)；在塔底设置再沸器，将下流液体经再沸器加热，使部分汽化返回塔内(其余部分作为塔低产品引出)，以形成沿塔上升的汽流(称为汽相回流)，这就是实现精馏过程所必须的“回流”条件。这样，在精馏塔中就有可图13-14无中间产品和冷凝器的分离装置 图 10-15精馏模型能使上升汽流与下降的液流沿塔进行多次接触级蒸馏，从而使上升汽流中的易挥发组分逐渐增加和下降流液中的易挥发组分逐渐减少。所以，可以说精馏就是利用回流手段实现多次接触级蒸馏的过程。如果在塔中部的某一合适位置(其组成与进料组成最)接近不断加入料液，则只要塔板数目足够多，而且有足够的液、汽回流，就有可能使精馏塔稳定操作，并不断地从塔顶和塔底获得合格的产品。3. 精馏原理要点1) 精馏为双向传质过程，且伴随着传热过程 图10-16 精馏流程精馏塔中每一块塔板上面都存在汽液两相，在一般操作条件下，液体为连续相，汽体为分散相，如图10-17所示。在任何一块塔板中，从上一块板流下来的液体和从下一块板升上来的汽体进入该块塔板，由于两者的温度差别(上一块板因易挥发组分含量较多温度较低，下一块板因易挥发组分含量较少温度较高)进行热量交换，汽体部分被冷凝而冷凝过程中释放出来的热量又使液体部分被汽化，在这种汽体部分汽化液体部分冷凝过程中，汽相中难挥发组分向液相进行净的转移(即传质)；相反，液相中易挥发组分向汽相进行净的转移。换句话说，在汽体部分汽化液体部分冷凝过程中汽液相发生双向传质，这种双种双向传质过程是在汽泡中的汽液界面发生的，如图10-18所示。2）塔板间无须外加热源 图10-17 塔板上汽液两相流动和接触状况在一般情况下，塔板上汽体和液体的部分冷凝部分汽化过程汽化和冷凝潜热相互补偿，因此不需要外加热源。3）精馏塔维持正常操作必要条件：塔顶回流和塔底再沸在一个正常操作的精馏塔中，每一块塔板都存在从上一块塔板流到下一块塔板的液体和从下一块塔板流到上一块塔板的汽体，那么追根溯源，必须有汽体和液体的源头。液体的源头是从塔顶冷凝器的 图10-18汽液双向传质过程示意冷凝液中分出一部分让其回流到顶部塔内，称其为回流液。汽体的源头是在塔底设置一个热交换装置，称为再沸器，通过它将从最下面一块塔板流下来的液加热到沸腾状态，产生的汽体引入精馏塔底部。因此说，塔顶回流和塔底再沸是维持精馏塔正常操作的必要条件。 4）几个基本概念：进料板、精馏段、提馏段、理论塔板精馏过程中物料是从塔中部的某一块适宜的塔板进入塔内的，这一块塔板称为进料板，以进料板为界，进料板以上的塔段称为精馏段，进料板以下的塔段称为提馏段。一般情况下，精馏段和提馏段中汽体和液体流量及操作状况存在差别。如果离开某一块塔板的汽体和液体处于平衡状态，则此塔板称为理论塔板。理论塔板是一个很重要的概念，它是一个表示传质极限的理想化概念，实际塔板由于汽液接触时间有限不可能达到平衡。第三节二元连续精馏的分析与计算为了简化计算，二元连续精馏的分析与计算中作了塔内各块塔板汽相和液相的摩尔流量恒定的基本假定，简称恒摩尔尔流假定。有了恒摩尔尔流假定条件，对于精馏段则有V1V2Vn=V L1L2Ln=L 同理，对于提馏段则有V1V2Vn=V L1L2Ln=L 恒摩尔流假定成立的条件是：1）待分离的两组分的摩尔汽化潜热相等；2）汽液接触时因温度不同而交换的显热可以忽略不计；3）塔设备保温良好，热损失可忽略不计。10-8 物料衡算和操作线方程一.全塔物料衡算如图10-19所示，对虚框范围作全塔总物料衡算，以单位时间为计算基准（下同），得F, xFW, xWD, xD图10-19精馏塔全塔物料衡算F=D+W (10-8-1)对全塔易挥发组分作物料衡算得FxF=DxD+WxW (10-8-2)上二式可用质量单位，也可用摩尔单位，但要注意统一单位。应用实例见教材例10-6。二.精馏段操作关系在连续精馏塔中，精馏段和提馏段的汽液体流量一般不相同，因此在有关精馏塔的计算和设计中应分别对精馏段段和提馏段进行讨论。对图10-20所示的虚框范围作物料衡算，得总物料衡算 VL+D （10-8-3）对其中的易挥发组分作物料衡算得 Vy2Lx1 +DxD （10-8-4）由上二式可得（10-8-5） 图10-20精馏段分析通常将回流液流量L与馏出液流量之比称为回流比，用R表示，即 RL/D （10-8-6）结合式（10-8-6），式（10-8-5）可整理为 （10-8-7）如果对精馏段的物料用第n块塔板下方的塔截面取代前面讨论的第一块塔板下方的塔截面，则可得到下列一般关系式 （10-8-8） 上式系表示xn与yn+1组成关系的关系式。当n取1，2，等一系列数值时，则得到一组数据(x1,y2)、 (x2,y3)、 (xk,yk+1)，这些数据在x-y坐标图中表现为一系列的点，这些点称为操作点，它们表示精馏段各块塔板截面的组成。式（10-8-8）称为精馏段操作关系，是由物料衡算得到的。将式（10-8-8）的下标去掉，则成为 （10-8-9）上式在在x-y坐标图中是一条斜率为R/（R+1）、截距为xD/(R+1)的直线，这条直线称为精馏段操作线，上述操作点全部落在这条直线上。三.提馏段操作关系对图10-21所示的虚框范围作物料衡算，得总物料衡算 L=V+W （10-8-10）对其中的易挥发组分作物料衡算得 Lxm= Vym+1+WxW（10-8-11） 由上二式可得 图10-21提馏段的分析 (10-8-12)上式表示离开第m+1块塔板汽相和离开第m块塔板液相组成之间的关系式。同理，当m取不同的数值时， (xm,ym+1)在x-y坐标图中表现为一系列的点，这些点称为操作点，它们表示提馏段各块塔板截面的组成。将式（10-8-8）的下标去掉，则成为 （10-8-13）上式在在x-y坐标图中是一条斜率为L/（L-W）、截距为xWW/(L-W)的直线，这条直线称为提馏段操作线，上述操作点全部落在这条直线上。上式中，W、xW可由物料衡算得到。据恒摩尔流假定，L也为定值。但是L的计算比较复杂，除了与L有关外，还与进料流量和进料热状况有关。下面讨论进料热状况的影响。10-9进料热状况的影响所谓进料热状况，是指进料的物料形态，即液态、汽态或汽液混合进料等情况。因为进料物料形态不同，它们所包含的热焓不同，在热量衡算时要考虑这种影响，故称为热状况。进料的热状况有五种（结合图10-2的t-x-y图说明），它们是：1）冷液体进料（料液温度低于泡点，在t-x-y图中料液状态点在G点以下）；2）饱和液体进料（料液温度等于泡点，在t-x-y图中为G点）；3）汽液混合进料（料液温度介于泡点和露点之间，在t-x-y图中在G点I点之间）；4）饱和蒸汽进料（料液温度等于露点，在t-x-y图中为I点）；5）过热蒸汽进料（料液温度高于露点，在t-x-y图中为I点以上）。下面先对第3种进料，即汽液混合进料进行分析。设进料中液相所占的分率为q，则汽相分率为(1-q)，对进料板作液相和汽相的物料衡算，参见图10-22，得 L=L+qF (10-9-1) V=V+(1-q)F (10-9-2a)FqF(1-q)FLVLV10-22 进料板物流关系上式改写为V=V-(1-q)F (10-9-2b)q值可由热量衡算求得。以iF、iL、iv分别表示进料、饱和液体、饱和蒸汽的焓（单位为kJ/kmol，以0C液体作为焓的计算基准），则据热量衡算得 F iF qF iL +(1-q)F iv (10-9-3a)上式经化简整理得 （10-9-3b） 上式右侧分子的意义为将1kmol进料的汽液混合物变为饱和蒸汽所需的热量，分母的意义为将1kmol饱和料液变为饱和蒸汽所需的热量。对于汽液混合物进料而言，有iV iF iL 因此据式（10-9-3a）可知 0q1 (汽液混合进料)上述分析可推广到其它进料热状况。FLVLV(a)(a)对于第2种进料热状况，即饱和液体进料， iF iL ，所以得q=1，参见图10-23(a)；FLVLV(b) (c) (d) 图10-23进料板物流示意对于第4种进料热状况，即饱和蒸汽进料， iF iV ，所以得q=0，参见图10-23(b)； 对于第1种进料热状况，即冷液进料， iF 1。其物理意义为：冷料液入塔后在进料板上与提馏段上升的蒸汽相遇，被加热到饱和状态，其所需的热量来自一部分蒸汽被冷凝下来释放出相变潜热，结果形成ViV ，所以得q0。其物理意义为：过热蒸汽入塔后在进料板上与精馏段下降的液体相遇，被冷却到饱和状态，其所释放的热量使一部分液体汽化，结果形成LL 。参见图10-23(d)。综上所述，q的意义也可以理解为塔内液体经过进料板后增加的液体流量与进料量的比，其值由式（10-45b）进行计算。由热量衡算求得q值后（应