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第四章 液体的精馏
内容提要：
介绍化工中的分离方法；用相对挥发度表示的气液平衡关系；阐明精馏的基本原理，然后通过物料衡算导出精馏塔的精馏段和提馏段操作线方程，泡点进料线方程，进而讨论精馏塔理论塔板数和实际塔板数的计数原理和方法；回流比对精馏操作的影响与选择，最后对精馏设备作简单介绍。
学习指导：
明确相对挥发度、理论塔板的概念；了解精馏原理；熟悉t-x-y和x-y相图；掌握连续稳定精馏塔的物料衡算及操作线方程；掌握泡点进料时理论塔板数的求算方法逐板法和图解法；了解回流比对精馏的影响及板式塔的基本结构。
第一节 化工生产中的分离过程
一、分离过程在化工生产中的重要性
在化工生产过程中，由于技术、经济等方面的原因，许多原料、中间产物、粗产品等几乎都是若干组分所组成的混合物。原料一般不是可直接送入反应器进行反应的，它必须通过处理，除去杂质，使之达到进入反应器所必需达到的浓度和纯度才行；化工过程中的中间产物，需要进行下一步反应，也必须除出其中的杂质，以满足下一步反应对其浓度和纯度的要求。生产出来的粗产品，之所以称之为粗产品，因为它还没有达到规定的质量标准（国标、部标、厂标），而质量标准往往是产品的纯度和杂质的允许含量确定的，因而也必须对粗产品进一步加工，分离提纯，使之达到质量标准，才能合格出厂。
众所周知，化学反应常常伴随着付反应的发生，尤其是有机化学反应更是如此。如果反应物不达到一定的纯度，按希望进行的主反应是困难的，有时甚至不可能发生。例如，由单体氯乙烯通过聚合反应生产聚氯乙烯，要求氯乙烯的纯度必须达到99.9%以上，否则不能得到合格产品。此外，在工业化的反应中，常常使用催化剂，而催化剂比较娇嫩，反应条件要求苛刻，很微量的杂质就能使其失活（即中毒），反应就不能进行，生产就要停顿。例如合成氨反应中，如果原料气中CO、CO2的浓度超标，铁催化剂就会中毒。必须将CO、CO2的含量控制在20PPm之内，这就意味着必须将原料气中CO、CO2杂质分离除去才行。
综上所述，可见分离过程在化工生产中是十分重要的。我们把从混合物中通过处理得到某一个较纯的组分的过程称为该组分的富集过程，而把混合物中所有组分都分离成较纯的组分的过程称为各组分的分离过程。从本质上说，这两者是一致的。
二、分离的方法
在生产中，根据不同的情况和条件，可采用不同的分离方法，分别介绍如下。
1、机械分离
如果被分离的混合物为非均相（两相或三相），可以采用机械分离的方法加以分离。例如，NaCl的结晶和饱和母液的混合物，显然它是两相（液----固），可采用过滤的办法，使用过滤机将其分离，得到固体NaCl和饱和母液；也可用离心分离的办法，使用离心机将其分离。此外，油和水、气和固这样的非均相混合物都可采用类似的方法分离。这种用机械将非均相混合物分离的方法称为机械分离。
2、传质分离
如果被分离的混合物为均相混合物，显然用机械分离的方法就不起作用。例如乙醇的水溶液，要把乙醇和水分开，是不能用机械分离方法的。这时，可将均相混合物采取措施，使之变为非均相混合物（两相），根据两相平衡组成互不相等的原理，利用物系中不同组分间某种物性的差异来实现分离。
例如，利用乙醇和水沸点的差异分离乙醇水溶液过程如下：
浓度较低的乙醇水溶液------------>加热蒸发--------------->将蒸气冷凝
均相（液相)
造成非均相（气相、液相） 均液（液相）
在加热蒸发时，乙醇由液相传递到气相，气相中乙醇的含量比液相高得多，再将蒸气冷凝成液体（液相），此时冷凝液中乙醇的含量比分离前大大提高。在这样的过程中，组分从一个相传递到另一个相，为相间的传质过程，因而这种分离过程称为传质分离。
又如，合成氨的原料气为混合气体，是N2，H2，CO，CO2的混合物，均相。其中含CO218%。怎样将大量的CO2分离去除呢？工业上采用吸收的方法如图4-1所示。
图4-1 用水吸收CO2
将混合气从底部送入装有填料的吸收塔中，塔顶喷淋清水，清水由上而下，气体由下而上，塔内是气、液两相体系。气液逆流在填料表面接触CO2溶于水中（被水吸收），或者说CO2从气相传递到液相。当混合气从塔顶出来时，其CO2的含量为3%大大降低，达到了初步分离的目的。这就是利用各组分在水中溶解度的差异来分离均相混合物的例子，同样也为传质分离。本章重点讲述的精馏即属传质分离。
三、速控分离
均相混合物的分离要通过传质分离来实现，因而耗费大量能源显得不经济。随着科学和技术的发展，发现均相混合物可通过控制各种组分的传递速率而使之分开，这种分离的方法称为速控分离，其中一种称为膜分离，简介如下。
膜分离的关键是研制出一种特殊的膜，它在一定的条件下可控制组分通过它时的速率，因而将其分开。例如，在海水的淡化中，采用膜分离的方法如图4-2所示。
图4-2 用膜分离制淡水
海水以100atm的压力送入膜分离器中，水分子极易通过膜层，而无机盐离子则很难通过。因而另一端源源不断地流出合乎饮用的淡水。还有其它速控分离的方法，这里不再多叙。