第六章精馏 §1传质过程概述 6-1由卫生球挥发引出传质 传质过程的定义—物质以扩散的方式,从一相转移到另一相的相界面的转移过程, 称为物质的传递过程,简称传质过程 日常生活中的冰糖溶解于水,樟脑丸挥发到空气中,都有相界面上物质的转移过程。 例如某焦化厂里,用水吸收焦炉气中的氨。MH3+H2O→NH4OH如图61所示 N 水珠 相介面 图6-1吸收传质示意图 再如某酒精厂里,酒精的增浓与提纯。即利用乙醇与水的沸点不同,或挥发度不同, 使乙醇与水分离的过程。如图6-2所示。 相介面 气相 HO C..O 图6-2精馏传质示意图 这两个例子说明,有物质(NH3,C2HOH,H2O)在相界面的转移过程,都称为传 质过程。 6-2传质过程举例 焦化厂的例子,是吸收操作。一利用组成混合气体的各组分在溶剂中溶解度不同来 分离气体混合物的操作,称为吸收操作。 焦炉气中不仅含有NH3,还有CO,CO2,CH4,H2等气体,利用NH3易溶于水, 以水为吸收剂,使NH3从焦炉气中分离出来。吸收主要用来分离气体混合物,所以有的教
1 第六章 精馏 §1 传质过程概述 6-1 由卫生球挥发引出传质 传质过程的定义——物质以扩散的方式，从一相转移到另一相的相界面的转移过程， 称为物质的传递过程，简称传质过程。 日常生活中的冰糖溶解于水，樟脑丸挥发到空气中，都有相界面上物质的转移过程。 例如某焦化厂里，用水吸收焦炉气中的氨。NH3 + H2O ® NH4OH 。如图 6-1 所示。 图 6-1 吸收传质示意图 再如某酒精厂里，酒精的增浓与提纯。即利用乙醇与水的沸点不同，或挥发度不同， 使乙醇与水分离的过程。如图 6-2 所示。 图 6-2 精馏传质示意图 这两个例子说明，有物质(NH C H OH H O) 3 2 5 2 , , 在相界面的转移过程，都称为传 质过程。 6-2 传质过程举例 焦化厂的例子，是吸收操作。——利用组成混合气体的各组分在溶剂中溶解度不同来 分离气体混合物的操作，称为吸收操作。 焦炉气中不仅含有 NH3 ，还有 2 4 2 CO , CO , CH , H 等气体，利用 NH3 易溶于水， 以水为吸收剂，使 NH3 从焦炉气中分离出来。吸收主要用来分离气体混合物，所以有的教
材称吸收为气体吸收。如图63所示。水称为溶剂,NH3称为溶质,炉气中其他气体称为 惰性组分。用水吸收氯化氢气体(HC),制备盐酸,也是一种吸收操作 不含Na的焦炉气H2O N,CO2,CO,2,C含氨的氨水 图6-3吸收塔局部示意图 酒精厂的例子,是精馏操作。—利用液体混合物各组分沸点(或挥发度)的不同, 将物质多次部分汽化与部分冷凝,从而使液体混合物分离与提纯的过程,称为精馏操作。 精馏主要用来分离液体混合物,所以有的教材称精馏为液体精馏。 传质过程还有, 萃取——利用混合物各组分对某溶剂具有不同的溶解度,从而使混合物各组分得到分 离与提纯的操作过程 例如用醋酸乙酯萃取醋酸水溶液中的醋酸。如图6-4所示。此例中醋酸乙酯称为萃取剂 (S),醋酸称为溶质(A),水称为稀释剂(B)。萃取操作能够进行的必要条件是:溶质在萃 取剂中有较大的溶解度,萃取剂与稀释剂要有密度差 醋酸乙酯 醋酸乙酯+醋酸 醋酸+水溶液 醋酸+水溶液 图6-4萃取示意图 干燥操作—利用热能使湿物料的湿分气化,水气或蒸气经气流带走,从而获得固体 产品的操作。如图6-5所示
2 材称吸收为气体吸收。如图 6-3 所示。水称为溶剂， NH3 称为溶质，炉气中其他气体称为 惰性组分。用水吸收氯化氢气体(HCl) ，制备盐酸，也是一种吸收操作。 图 6-3 吸收塔局部示意图 酒精厂的例子，是精馏操作。——利用液体混合物各组分沸点（或挥发度）的不同， 将物质多次部分汽化与部分冷凝，从而使液体混合物分离与提纯的过程，称为精馏操作。 精馏主要用来分离液体混合物，所以有的教材称精馏为液体精馏。 传质过程还有， 萃取——利用混合物各组分对某溶剂具有不同的溶解度，从而使混合物各组分得到分 离与提纯的操作过程。 例如用醋酸乙酯萃取醋酸水溶液中的醋酸。如图 6-4 所示。此例中醋酸乙酯称为萃取剂 (S) ，醋酸称为溶质(A) ，水称为稀释剂(B) 。萃取操作能够进行的必要条件是：溶质在萃 取剂中有较大的溶解度，萃取剂与稀释剂要有密度差。 图 6-4 萃取示意图 干燥操作——利用热能使湿物料的湿分气化，水气或蒸气经气流带走，从而获得固体 产品的操作。如图 6-5 所示
dW(水汽) 气流→> 湿产品 干产品 图6-5干燥传质示意图 还有固一液萃取,结晶,吸附等操作。 要研究传质过程,主要从三个方面进行研究。相平衡关系(气液溶解度,液液溶解度, 干燥中的水蒸气分压),物料衡算关系和传质速率关系。 浓度表示法及其换算:质量分数 质量分数 m, ks M4+(1-x)MB nA mR ks W/M 摩尔分数 W/M+(l-w) A的物质的量 A的物质的量+B的物质的量 A 摩尔比 x1=4的物质的量 B的物质的量 A 1+AA §2理想溶液的气-液平衡 6-3由制酒作坊引出相平衡 大庆油田开采出来的是原油,如何将原油加工成汽油、煤油、柴油、重油呢?酿酒厂 酿制出了原酒,如何将粗酒加工成60°的白酒呢? 先介绍以下古老的烧酒作坊吧!目前江浙一带仍有这种家庭小作坊,主要分三步: (1)粬的制作—发酵过程(获得菌种 (2)粗酒的制作—将酒粬与蒸熟的米饭,按一定比例混合发酵,制成酒、水、酒糟 的糊状混和物(生物降解)。 (3)酒的提纯—蒸馏操作过程。 如图66所示。锅为汽化器,顶盖为冷凝器。这就是一种简单蒸馏的操作过程。我还不 知道“对酒当歌”源于哪个朝代的帝王将相,但可以肯定,从“对酒当歌”那个时候起, 劳动人民已经掌握了简单精馏这种操作过程
3 图 6-5 干燥传质示意图 还有固—液萃取，结晶，吸附等操作。 要研究传质过程，主要从三个方面进行研究。相平衡关系（气-液溶解度，液-液溶解度， 干燥中的水蒸气分压），物料衡算关系和传质速率关系。 浓度表示法及其换算：质量分数 的物质的量 的物质的量 摩尔比 的物质的量 的物质的量 的物质的量 摩尔分数 质量分数 B A X A B A x m m m W A A A B A A = + = + = kg kg ( ) ( ) A A A A A A A A A B A A A A A A B A A A X X x x x X W M W M W M x x M x M x M W + = - = + - = + - = 1 1 1 1 §2 理想溶液的气-液平衡 6-3 由制酒作坊引出相平衡 大庆油田开采出来的是原油，如何将原油加工成汽油、煤油、柴油、重油呢？酿酒厂 酿制出了原酒，如何将粗酒加工成60°的白酒呢？ 先介绍以下古老的烧酒作坊吧！目前江浙一带仍有这种家庭小作坊，主要分三步： （1）粬的制作——发酵过程（获得菌种） （2）粗酒的制作——将酒粬与蒸熟的米饭，按一定比例混合发酵，制成酒、水、酒糟 的糊状混和物（生物降解）。 （3）酒的提纯——蒸馏操作过程。 如图 6-6 所示。锅为汽化器，顶盖为冷凝器。这就是一种简单蒸馏的操作过程。我还不 知道“对酒当歌”源于哪个朝代的帝王将相，但可以肯定，从“对酒当歌”那个时候起， 劳动人民已经掌握了简单精馏这种操作过程
铜制蒸锅 酒 粗酒 图6-6制酒作坊装置图 为什么能使乙醇增浓呢?主要因为乙醇比水的沸点低(或说乙醇比水的择发度高)这 样蒸气中乙醇的含量()高于粗酒中乙醇的含量(x),即y4>x4。蒸气冷凝之后,就得 到乙醇含量高的酒。 ()—蒸气中乙醇的摩尔分数 乙醇的摩尔数 乙醇的摩尔数+水的摩尔数 (x)—液相中乙醇的摩尔分数 本章中,y均代表蒸气的组成(摩尔分数),x均代表液体的组成(摩尔分数) 我们要问,()与(x)服从什么规律呢?即y=f(x)的函数关系如何呢?本节就要 回答这个问题。 6-4理想溶液及拉乌尔定律 个个 Pa= Para PB=PBxB=P:(-x) a B 图6-7拉乌尔定律示意图 如图67所示,在一定的温度下,溶液上方任意组分的蒸气分压,等于该纯组分在同温 度下的蒸气压与该组分在溶液中的摩尔分数之乘积。一拉乌尔定律
4 图 6-6 制酒作坊装置图 为什么能使乙醇增浓呢？主要因为乙醇比水的沸点低（或说乙醇比水的挥发度高）。这 样蒸气中乙醇的含量( ) A y 高于粗酒中乙醇的含量( ) A x ，即 A A y > x 。蒸气冷凝之后，就得 到乙醇含量高的酒。 ( ) A y ——蒸气中乙醇的摩尔分数 y A = 乙醇的摩尔数 水的摩尔数 乙醇的摩尔数 + ( ) A x ——液相中乙醇的摩尔分数 本章中， y 均代表蒸气的组成（摩尔分数）， x 均代表液体的组成（摩尔分数） 我们要问，( ) A y 与( ) A x 服从什么规律呢？即 ( ) A y = f x 的函数关系如何呢？本节就要 回答这个问题。 6-4 理想溶液及拉乌尔定律 图 6-7 拉乌尔定律示意图 如图 6-7 所示，在一定的温度下，溶液上方任意组分的蒸气分压，等于该纯组分在同温 度下的蒸气压与该组分在溶液中的摩尔分数之乘积。——拉乌尔定律。 ( ) B B B B A A A A p p x p x p p x = = - = 1 * * *
p(p)的意思是x1=1(x=1)时的蒸气分压 道尔顿分压定律的表达式为: Pa=y PB=y -5t-x-y图 在一定外压条件下(P),沸点t与汽液相组成(xy)的关系,绘在图上即是t-x-y图。 外压 液 气相区t- 露点线) 液相区 t-x xA(y)(泡点线) 图6-8温度-组成图 如图68所示,对于一定组成的溶液(x1)加热到与t-x相交的点,即出现第一个气泡, 所以t-x线亦称泡点线。 对于组成为y的蒸汽,冷却至与1-y线相交,出现第一个露珠,所以称|-y线为露 点线 若t-x线与t-y线重合,则表示该溶液不能分离。若两线相距愈远,则表示愈易分离。 t-x-y图可通过实验测定 若为二元理想溶液,-x-y图可利用计算方法求得 Pa= pax PB=PBxB=P:(I-x) p4+p2=P=px4+p2(-x) PA-p y PA⊥PAxA PP 式()说明,只要知道某温度下的p和D(饱和蒸气压数据,就可以计算得到x与y, 就可以作出在指定外压(P)下的t-x-y图式()还说明,总压P对t-x-y图是有影响
5 ( ) * * A B p p 的意思是 = 1 ( = 1) A B x x 时的蒸气分压。 道尔顿分压定律的表达式为： pA = y A × P , pB = yB × P 6-5 t - x - y图 在一定外压条件下(P)，沸点t 与汽液相组成(x, y)的关系，绘在图上即是t - x - y 图。 图 6-8 温度-组成图 如图 6-8 所示，对于一定组成的溶液( ) 1 x 加热到与t - x 相交的点，即出现第一个气泡， 所以t - x 线亦称泡点线。 对于组成为 1 y 的蒸汽，冷却至与t - y 线相交，出现第一个露珠，所以称t - y 线为露 点线。 若t - x 线与t - y 线重合，则表示该溶液不能分离。若两线相距愈远，则表示愈易分离。 t - x - y 图可通过实验测定。 若为二元理想溶液， t - x - y 图可利用计算方法求得： A A A p p x * = ( ) B B B B A p = p x = p 1- x * * ( ) A B A A B A p + p = P = p x + p 1- x * * * * * * ï ï þ ï ï ý ü = = - - \ = P p x P p y p p P p x A A A A A B B A …………(I) 式(I) 说明，只要知道某温度下的 * * A B p 和p （饱和蒸气压数据），就可以计算得到 x 与 y ， 就可以作出在指定外压(P)下的t - x - y 图。式(I) 还说明，总压 P 对t - x - y 图是有影响