第六章精馏 §1传质过程概述 6-1传质过程的定义 传质过程的定义一一物质以扩散的方式,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。 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 H:0 H OH 图6-2精馏传质示意图 这两个例子说明,有物质(N3,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MH3,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 传质过程的定义 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6-3所示。 不含NH的焦炉气H2O 7…9 Na,CO2,CO,,C含氨的氨水 图6-3吸收局部示意图 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(HCD),制备盐酸,也是一种吸收操作。 酒精厂的例子,是精馏操作。—一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。 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 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。 干燥操作——利用热能使湿物料的湿分汽化,水汽或蒸汽经气流带走,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。 图 6-3 吸收局部示意图 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。 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。 图 6-4 萃取示意图 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。 干燥操作——利用热能使湿物料的湿分汽化，水汽或蒸汽经气流带走，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:重量百分率(质量分率) 质量百分率(质量分率) x M A mA w/M 摩尔分率 W/M+(l-W)/ A的摩尔数 sAA的摩尔数+B的摩尔数 X 摩尔比分率 =4的摩尔数 B的摩尔数 1+ x §2理想溶液的汽-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)粬的制作一一发酵过程(获得菌种) (2)粗酒的制作—一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)酒的提纯一一蒸馏操作过程
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：重量百分率（质量分率） 的摩尔数 的摩尔数 摩尔比分率 的摩尔数 的摩尔数 的摩尔数 摩尔分率 质量百分率（质量分率） B A X A B A x m m k g m k g W A A A B A A = + = + = ( ) ( ) 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 理想溶液的汽-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
铜制蒸锅 酒 图6-6制酒作坊装置图 锅为汽化器,顶盖为冷凝器。如图6-6所示 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 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 样蒸汽中乙醇的含量(v)高于粗酒中乙醇的含量(x),即yA>x4。蒸汽冷凝之后,就得 到乙醇含量高的酒 ()一蒸汽中乙醇所占的摩尔分率 乙醇的摩尔数 y=乙醇的摩尔数+水的摩尔数 (x)—一液相中乙醇所占的摩尔分率 本章中,y均代表蒸汽的组成(摩尔分率),x均代表液体的组成(摩尔分率) 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=p PBxS=pB(-x) A B 图6-7拉乌尔定律示意图
4 图 6-6 制酒作坊装置图 锅为汽化器，顶盖为冷凝器。如图 6-6 所示。 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。 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 样蒸汽中乙醇的含量 ( ) A y 高于粗酒中乙醇的含量 ( ) A x ，即 A A y x 。蒸汽冷凝之后，就得 到乙醇含量高的酒。 ( ) A y ——蒸汽中乙醇所占的摩尔分率 yA = 乙醇的摩尔数 水的摩尔数 乙醇的摩尔数 + ( ) A x ——液相中乙醇所占的摩尔分率 本章中， y 均代表蒸汽的组成（摩尔分率）， x 均代表液体的组成（摩尔分率） 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 ( ) B B B B A A A A p p x p x p p x = = − = 1 0 0 0
如图6-7所示,在一定的温度下,溶液上方任意组分的蒸汽分压,等于该纯组分在同温 度下的蒸汽压与该组分在溶液中的摩尔分率之乘积。一一拉乌尔定律。 p2)的意思是x1=1(x2=1)时的蒸汽分压 道尔顿分压定律的表达式为: Pa=yA PB =yI 6-5t-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 p=外压 液 气相区ty 露点线) 液相区 t-x ()(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y1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-xy图可利用计算方法求得: PA= paxa px2=P2(-x) p4+p2=P=px4+p2(1-x) PA-PB Pa pax P 式(1)说明,只要知道某温度下的p4和p(饱和蒸汽压数据),就可以计算得到x与y
5 如图 6-7 所示，在一定的温度下，溶液上方任意组分的蒸汽分压，等于该纯组分在同温 度下的蒸汽压与该组分在溶液中的摩尔分率之乘积。——拉乌尔定律。 ( ) o B o pA p 的意思是 =1( =1) A B x x 时的蒸汽分压。 道尔顿分压定律的表达式为： pA = yA 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 o A A p = p x ( ) A o B B o B B p = p x = p 1− x ( ) A o A B o A B A p + p = P = p x + p 1− x = = − − = P p x P p y p p P p x A o A A A o B o A o B A …………(I) 式 (I) 说明，只要知道某温度下的 o B o pA和p （饱和蒸汽压数据），就可以计算得到 x 与 y