【正文】 同溫度下兩純組分的飽和蒸汽壓之比。純液體的揮發(fā)度υ是指該液體在一定溫度下的飽和蒸汽壓。從t—x—y圖中具體讀出x—y的數(shù)據(jù)的方法如下：根據(jù)t—x—y圖中的橫坐標(biāo)某點(diǎn)x（或y）值，垂直上升到泡點(diǎn)線（或露點(diǎn)線），然后水平向右（或向左）移到露點(diǎn)線（或泡點(diǎn)線），再垂直下降到橫坐標(biāo)，此點(diǎn)的坐標(biāo)讀數(shù)就是與之對(duì)應(yīng)的y（或x）。 圖5—2 苯—甲苯混合液的x—y圖圖中曲線上任意點(diǎn)D表示組成為x1的液相與組成為y1的氣相互成平衡，且表示點(diǎn)D有一確定的狀態(tài)。如圖5—1所示。 附表1解：因苯—甲苯混合液遵循拉烏爾定律，即可按式（5—1）和式（5—1a）： 求得pA和pB。 各種恒沸液的恒沸組成的數(shù)據(jù)，可由有關(guān)手冊(cè)中查得。同一種溶液的恒沸組成隨壓強(qiáng)而變（其中組成又決定了溫度），乙醇—水系統(tǒng)的變化情況如下表所示。圖（b）是乙醇—水混合液的x—y圖，平衡線與對(duì)角線的交點(diǎn)M與圖（a）的點(diǎn)M相對(duì)應(yīng)，該點(diǎn)溶液的相對(duì)揮發(fā)度等于1。圖（a） 圖（b）由圖可見，液相線和氣相線在點(diǎn)M重合，即點(diǎn)M所示的兩相組成相等。非理想溶液可分為兩類，即與理想溶液發(fā)生正偏差的溶液及負(fù)偏差的溶液。若將溫度為t組成為x1 (圖中點(diǎn)A所示)的混合液加熱，當(dāng)溫度升高到t2 (點(diǎn)J )時(shí)，溶液開始沸騰，此時(shí)產(chǎn)生第一個(gè)氣泡，相應(yīng)的溫度稱為泡點(diǎn)溫度，因此飽和液體線又稱泡點(diǎn)線。此曲線稱為飽和蒸汽線或露點(diǎn)線。溶液的沸點(diǎn)——組成圖是分析蒸餾原理的理論基礎(chǔ)。由此可知，兩組分氣液平衡物系中只有兩個(gè)自由度。(下標(biāo)A表示易揮發(fā)組分、B表示難揮發(fā)組分)為簡(jiǎn)單起見，常略去上式中的下標(biāo)，習(xí)慣上以：x表示液相中易揮發(fā)組分的摩爾分率，以(1－x)表示難揮發(fā)組分的摩爾分率；y表示氣相中易揮發(fā)組分的摩爾分率，以(1－y)表示難揮發(fā)組分的摩爾分率。傳質(zhì)過程是以兩相達(dá)到相平衡為極限的。這種分離操作是通過液相和氣相間的質(zhì)量傳遞來實(shí)現(xiàn)的。通常將物質(zhì)在相間的轉(zhuǎn)移過程稱為傳質(zhì)過程或分離操作。化工原理蒸餾培訓(xùn)課件作者：日期：第五章 蒸 餾化工生產(chǎn)中所處理的原料、中間產(chǎn)物、粗產(chǎn)品等幾乎都是由若干組分所組成的混合物，而且其中大部分是均相物系?；瘜W(xué)工業(yè)中常見的傳質(zhì)過程有蒸餾、吸收、萃取及干燥等單元操作。通常，將沸點(diǎn)低的組分稱為易揮發(fā)組分，沸點(diǎn)高的組分稱為難揮發(fā)組分。由此可見，氣液相平衡關(guān)系是分析蒸餾原理和進(jìn)行設(shè)備計(jì)算的理論基礎(chǔ)。 二、相律相律表示平衡物系中的自由度數(shù)、相數(shù)及獨(dú)立組分?jǐn)?shù)間的關(guān)系，即： （5—2）式中 F——自由度數(shù)； C——獨(dú)立組分?jǐn)?shù)； Φ——相數(shù)； 2——表示外界只有溫度和壓強(qiáng)這兩個(gè)條件可以影響物系的平衡狀態(tài)。又若再固定某個(gè)變量(例如壓強(qiáng)P，通常蒸餾可視為恒壓下操縱)，則該物系僅有一個(gè)獨(dú)立變量t，而其它變量都是t的函數(shù)。在總壓P＝ kPa下，苯—甲苯混合液的沸點(diǎn)—組成圖(t—x—y)如圖5—1所示。下方曲線為t—x線，表示混合液的沸點(diǎn)和平衡液相組成x之間的關(guān)系。同樣，若將溫度為t組成為y1 (點(diǎn)B)的過熱混合蒸汽冷卻，當(dāng)溫度降到t3 (點(diǎn)H)時(shí)，混合氣開始冷凝產(chǎn)生第一滴液體，相應(yīng)的溫度稱為露點(diǎn)溫度，飽和蒸氣線又稱露點(diǎn)線。各種實(shí)際溶液與理想溶液的偏差程度是不同的。，稱為恒沸組成；℃，稱為恒沸點(diǎn)。 下圖（c）為硝酸—水混合液的t—x—y圖。由表可見，在理論上可以用改變壓強(qiáng)的方法來分離恒沸液。例1：苯(A)與甲苯(B)的飽和蒸汽壓和溫度關(guān)系數(shù)據(jù)如本題附表1所示。 由于溶液上方的總壓等于各組分的分壓之和，即： 解得： （a） 當(dāng)系統(tǒng)總壓不高時(shí)，氣相可視為理想氣體。 二、液氣平衡組成x—y圖蒸餾計(jì)算中，經(jīng)常應(yīng)用到一定壓強(qiáng)下的x—y圖。圖中對(duì)角線為y = x的直線，作查圖時(shí)參考用。圖5—2就是依據(jù)圖5—1上相對(duì)應(yīng)的x和y的數(shù)據(jù)標(biāo)繪而成的。 溶液中各組分的揮發(fā)度υ可用它在蒸汽中的分壓和與之平衡的液相中的摩爾分率之比來表示，即： （5—3） （5—3a）由于溶液中組分的揮發(fā)度是隨溫度而變的，因此在使用上不甚方便，故引出相對(duì)揮發(fā)度的概念。由于p0A及p0B均隨溫度沿相同方向而變化，因而兩者的比值變化不大，故一般可將α視為常數(shù)，計(jì)算時(shí)可取平均值。相對(duì)揮發(fā)度α為常數(shù)時(shí)，溶液的相平衡曲線如圖5—3所示： 圖5—3 相對(duì)揮發(fā)度α為定值的相平衡曲線（恒壓）若α＞1，表示組分A較B容易揮發(fā)，α愈大，分離愈易。即：求題述溫度下的氣液平衡組成：為了便于與上例1進(jìn)行比較，上式中的x值應(yīng)取與上例1中溫度為85℃及105℃時(shí)的對(duì)應(yīng)值，即：850C時(shí)：查例1表2知：x = ，y = ，而將x = ： 1050C時(shí)：查例1表2知：x = ，y = ，而將x = ： 計(jì)算結(jié)果表明，用平均相對(duì)揮發(fā)度求得的平衡數(shù)據(jù)與上例題的結(jié)果基本一致。這就叫做精餾。在塔內(nèi)上半部(加料位置以上)上升蒸汽和回流液體之間進(jìn)行著逆流接觸和物質(zhì)傳遞。只要有足夠的相際接觸表面和足夠的液體回流量，到達(dá)塔頂?shù)恼羝麑⒊蔀楦呒兌鹊妮p組分。塔的下半部完成了下降液體中重組分的提濃，即提出了輕組分，因而稱為提餾段。這使上升蒸汽在與自身冷凝回流液之間的接觸過程中，重組分向液相傳遞，輕組分向氣相傳遞。下圖5—5所示的為間歇精餾流程。 第三節(jié) 雙組分連續(xù)精餾塔的計(jì)算雙組分連續(xù)精餾塔的工藝計(jì)算主要包括以下內(nèi)容：(1) 確定產(chǎn)品的流量和組成。(5) 計(jì)算冷凝器和再沸器的熱負(fù)荷，并確定兩者的類型和尺寸。理論板僅是作為衡量實(shí)際板分離效率的依據(jù)和標(biāo)準(zhǔn)，它是一種理想板。而yn＋1與xn間的關(guān)系是由精餾條件所決定的，這種關(guān)系可由物料衡算求得，并稱之為操作關(guān)系。即： L1 = L2 = …… = Ln = L = 定值 L1′= L2′= …… = Lm′= L′= 定值式中 L——精餾段中下降液體的摩爾流量，kmol／h； L′——提餾段中下降液體的摩爾流量，kmo1／h； (下標(biāo)表示塔板序號(hào))。(2) 氣液接觸時(shí)因溫度不同而交換的顯熱可以忽略。對(duì)圖5—6所示的連續(xù)精餾塔作全塔物料衡算，并以單位時(shí)間為基準(zhǔn)：圖5—6 精餾塔的物料衡算 總物料衡算： F = D＋W （5—11） 易揮發(fā)組分衡算： FxF = DxD＋WxW （5—12）式中 F ——原料液流量，kmol / h；D ——塔頂產(chǎn)品(餾出液)流量，kmol／h；W——塔底產(chǎn)品(釜?dú)堃?流量，kmol／h；xF ——原料液中易揮發(fā)組分的摩爾分率；xD——餾出液中易揮發(fā)組分的摩爾分率；xW——釜?dú)堃褐幸讚]發(fā)組分的摩爾分率。 V——精餾段中上升蒸汽摩爾流量，kmol / h； L——精餾段中下降液體的摩爾流量，kmol / h； D——塔頂產(chǎn)品(餾出液)流量，kmol／h； xD——餾出液中易揮發(fā)組分的摩爾分率。此兩式表示在一定操作條件下，精餾段內(nèi)自任意第n層板下降的液相組成Xn與其相鄰的下一層板(如第n＋1層板)上升的氣相組成yn＋l之間的關(guān)系。將式（5—18）代入式（5—19），并整理可得： （5—20）式（5—20）稱為提餾段操作線方程式。 5—3—3 進(jìn)料熱狀況的影響在實(shí)際生產(chǎn)中，加入精餾塔中的原料液可能有以下五種不同的熱狀況：(1) 溫度低于泡點(diǎn)的冷液體。(5) 溫度高于露點(diǎn)的過熱蒸汽。如圖5—9（a）所示。即： L′= L＋F V′= V對(duì)于氣液混合物進(jìn)料，則進(jìn)料中液相部分成為L(zhǎng)′的一部分，而蒸汽部分則成為V的一部分。如圖5—9（e）所示。由于塔中液體和蒸汽都呈飽和狀態(tài)，且進(jìn)料板上、下處的溫度及氣、液濃度都比較相近，故： IV≈IV′， IL≈IL′于是，式（5—22）可改寫為： FIF＋V′IV＋LIL = VIV＋L′IL整理后得： (V－V′)IV = FIF－(L′－L)IL將式（5—21）變形為：F－（L′－L）= V－V′再代入上式得： [ F－(L′－L) ] IV = FIF－(L′－L) IL整理后得： F(IV－IF) = (L′－L) (IV－IL)或： （5—23）令： （5—24） q值稱為進(jìn)料熱狀況的參數(shù)，對(duì)各種進(jìn)料熱狀況，均可用式（5—24）計(jì)算q值。對(duì)于飽和液體、氣液混合物及飽和蒸氣三種進(jìn)料而言，q值就等于進(jìn)料中的液相分率。以知： xW = W = 95 kmol / h F = 175 kmol / h D = 80 kmol / h解： L = RD = 80 = 160 kmol / h 因進(jìn)料為飽和液體（即泡點(diǎn)進(jìn)料），原料液的焓IF即為飽和液體的焓IL，故： 將以上數(shù)據(jù)代入式（5—27） 得： 計(jì)算整理得： ，在y軸上的截距為－。 一、逐板計(jì)算法 見圖5—11，塔頂采用全凝器，從塔頂最上層板(第l塊理論板)上升的蒸汽進(jìn)入冷凝器中被全部冷凝，所以塔頂餾出液的組成及回流液組成均與第1塊板的上升蒸汽組成相同，即：y1＝xD =已知值（由工藝要求確定）圖5—11 逐板計(jì)算法示意圖由于離開每層理論板的氣液兩相組成是互成平衡的，故離開第一塊板的液體組成x1應(yīng)與y1成平衡，可由氣液相平衡方程或由t—x—y圖及x—y圖上的氣液平衡曲線求得。即從加料板開始往下計(jì)算，改用提餾段操作線方程式。總結(jié)逐板計(jì)算法的過程，即為：xD = y1 →（用相平衡關(guān)系）x1 →（用精餾段操作線方程）y2→（用相平衡關(guān)系）x2→（用精餾段操作線方程）y3→ …… → xn ≤ xF 為止。逐板計(jì)算法是求算理論板層數(shù)的基本方法，計(jì)算結(jié)果較準(zhǔn)確，且可同時(shí)求得各層板上的氣液相組成。圖解法中以直角梯級(jí)圖解法最為常用。當(dāng)x = xD時(shí)，代入(5—17)式可以得到：y = x＝xD。圖5—12 操作線的作法 (2) 提餾段操作線的作法若省略提餾段操作線方程中變量x、y的上下標(biāo)，則式(5—27)變?yōu)椋? 當(dāng)x = xW時(shí)，代入(5—27)式得y = xW，即得圖5—12對(duì)角線上的c點(diǎn)。提餾段操作線與精餾段操作線的交點(diǎn)d的求法兩操作線的交點(diǎn)d可由聯(lián)立解得兩操作線方程而得：精餾段操作線及提餾段操作線方程可用式（5—15）及（5—19）表示，因在交點(diǎn)處兩式中的變量相同，故可略去式中變量的上下標(biāo)，即： Vy = Lx＋DxD （5—15） V′y = L′x－WxW （5—19）（5—19）式減（5—15）式得： (V′－V)y = (L′－L)x－(DxD＋WxW) （5—28）由式（5—9）、式（5—25）及式（5—26）知： FxF = DxD＋WxW （5—9） L′－L = qF （5—25） V′－V = (q－1)F