4.2.1精馏过程的加热方式和冷凝方式 1.加热方式
精馏的加热方式分为间接蒸汽加热和直接蒸汽加热两种，工业生产中大多采用前者。当欲分离的为水与易挥发组分（如乙醇等）构成的混合液时，宜采用直接蒸汽加热方式，这样可节省再沸器，提高传热速率。但是由于精馏塔中加入水蒸气，使从塔底排出的水量增加，若馏出液组成xw维持一定，则随塔釜液损失的易挥发组分增多，使其回收率减少。若保持相同的回收率，必须降低xw，这样提馏段理论板数就应增加。
在设计中，通常将再沸器视为一块理论板。 2.冷凝方式
精馏塔的冷凝方式一般分为以下两类：
（1） 全凝器冷凝 塔顶上升蒸汽进入冷凝器被全部冷凝成饱和液体，部分液体作为回流，
其余部分作为塔顶产品。这种冷凝方式的特点是便于调节回流比，但较难保持回流温度。因该法流程较简单，工业生产上大多采用这种冷凝方式。
（2） 分凝器冷凝 塔顶上升蒸汽先进入一个或几个分凝器，冷凝的液体作为回流或部分
作为初馏产品；从分凝器出来的蒸汽进入全凝器，冷凝液作为塔顶产品。这种冷凝方式的特点是便于控制冷凝温度，可提取不同组成的塔顶产品，但是该法流程复杂。 在设计中，分凝器可视为一块理论板。 4.2.3回流比的选择
1.全回流：全回流：其特点是操作线与对角线重合，精馏段、提馏段操作线均可写成
yn?1?xn。由于全回流没有产品的采出，所以不具备生产意义，常在精馏塔开停工、调试
和实验室研究时采用。 2.最小回流比：对特定的分离任务和要求，需无穷多理论板时的回流比，定义为最小回流比。 ①对正常的平衡曲线，有：Rmin?xD?yqyq?xq
②对不正常的平衡曲线，一般是通过x?y图上的点（xD，xD）作平衡曲线的切线，该切线即为最小回流比下的操作线，用作图法算出该切线的斜率
Rmin，进而求得Rmin。
Rmin?13.适宜回流比：适宜回流比应通过经济核算确定。操作费用和设备费用之和最低时的回流比为最佳回流比。在设计中一般取经验值，即R宜?(1.1~2.0)Rmin。上式中最小回流比的倍数由设计者选定，从耗能角度考虑宜取低限，对难分离物系，宜取高限。
精馏操作中，回流比是重要的调控参数，其值与产品质量及生产能力密切相关。 4．3连续精馏塔理论板数的计算
二元精馏塔理论板数的求取方法主要有逐板法、图解法和捷算法。 （1） 逐板法
从塔顶（也可从塔底）开始逐板计算，即从y1开始交替运用相平衡方程和操作线方程，求出各板上气液两相的组成。当xN1?1?xF时精馏段计算结束，数一数所用的相平衡关系次
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数，即为精馏段板数N1块。然后改用提馏段方程和相平衡方程计算当xN?xW时，表明已经能够满足分离要求，整个精嗄所需的总理论板数为N-1块（因第N块为塔釜，所以要扣除）。提馏段板数=（N-1-N1）块。具体步骤如下：
xD?y1?相平衡???x1?精馏段操作线?????y2?相平衡???x2?精馏段操作线???????相平衡???xN1?1?xFxN1?1?提馏段操作线?????yN1?2?相平衡?????相平衡???xN?1?提馏段操作线?????yN?相平衡???xN?xW 逐板计算方法比较繁琐，但得到的结果较为准确，且能获得各板上气液两相的组成，当塔板数很多时可采用计算机求解。 （2）图解法
图解法又称麦卡勃-蒂列（McCabe-Thiele）法，简称M-T法，其原理与逐板计算法完全相同，只是将逐板计算过程通过作图来实现。作图时，将跨过三线（精馏段、提馏段操作线和q线）交点d的梯级定为加料板。这种进料为最佳位置进料。 （3）捷算法
捷算法是利用吉利兰关联图，由横坐标X?R?Rmin查图（通过关联式）求得纵坐标
R?1Y?N?Nmin，从而求出理论板数N。其中Rmin为最小回流比；Nmin为最小理论板数，
N?2即全回流时的理论板数，其求取方法有逐板法和图解法。
对理物系，通过逐板法可推得：
Nmin1??xA??xB??lg???x????x?????B?D?A?F??，N??lg?1min??xA??xB??lg???x????x?????B?D?A?W???1（不含塔釜） ??lg?上式为芬克斯（Fenske）方程，该式适用于多组分物系。式中?1??D?F，
???D?W。Nmin1为精馏段所需的最少理论板数。
捷算法快捷，但精确性较差，一般用于设计时的粗估。 4．4精馏操作条件的优化及操作分析 4.4.1精馏操作条件的优化
（1）选择最佳的进料位置：两操作线交点稍下的位置。 （2）保持全塔物料平衡：F?D?W,FxF?DxD?WxW
（3）选择适宜的塔顶回流：适宜的回流比及回流温度。
（4）选择合适的进料热状况：工业上多采用饱和液体进料，以节省能耗。 （5）在灵敏板进行温度控制。 4.4.2操作型问题定性分析 1.影响精馏操作的因素分析
（1）影响精馏操作的主要因素有：物系特性和操作压强；生产能力和产品质量；回流比和进料热状况；塔设备情况；再沸器和冷凝器的热负荷。
（2）上述因素以应遵循的基本关系：相平衡关系；物料衡算关系；理论板数关系；塔板效
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率关系；热负荷关系。 2.操作型问题定性分析方法
所谓操作型问题是指设备给定的条件下，计算或分析某操作条件改变后分离效果的变化，或者提出为获得合格产品需采用的调节措施等。
操作型问题定性分析时，为使分析过程简单化，通常 忽略塔板效率的变化，按理论板数不变进行分析，这是操作型问题的定性分析的前提。
（1）首先判断出精馏段、提馏段操作线斜率的变化。精馏段操作线斜率越大，操作线越远离平衡线，精馏段内塔板的分离能力越高；提馏段操作线斜率越小，操作线越远离平衡线，提馏段内塔板的分离能力越高。反之亦然。或者，在y-x相图中画出新旧操作线，并用M-T法作出梯级，并与理论板数不变这一前提相比较，最终确定馏出液和釜液浓度的变化趋势。 （2）在精馏操作型问题的定量计算中可假设馏出液和釜液组成中的一个，采用逐板计算或M-T图得出另一个，最后用物料衡算关系来校验。 4.5其他类型的蒸馏过程 4.5.1简单蒸馏
特点：（1）间歇，不稳定；（2）分离程度不高，仅适用于相对挥发度大而分离要求不高的场合，常作为初加工，如原油的初馏。 ①宏观物料衡算：
W1?W2?WDW1x?W2x2?WDxD
式中W1、x1为初始料液量和组成；W2、x2为最终残液量和组成；WD、xD为馏出液量和馏出液平均浓度。 ②微分物料衡算：
dWdx? Wy?x对理想物系将气液相平衡关系式y??x代入上式积分得：
1?(??1)xlnW1x1W(1?x1) ??ln1W2x2W2(1?x2)4.5.2平衡蒸馏 特点：（1）连续、稳定，（2）分离程度不高。 在平衡蒸馏过程中，x、y保持不变。 ①物料衡算：
F?L?VFxF?Lx?Vy
②相平衡关系：y??x
1?(??1)x4.5.3间歇精馏 1.特点：（1）非定态过程；（2）只有精馏段；（3）塔内存液对精馏影响大，生产商多采用填料塔。
2.操作方式：（1）恒回流比操作；（2）恒馏出液组成操作。
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3.计算方法：图解试差法。
4.5.4二元连续精馏的其他流程（参阅） （1）塔顶设有分凝器
若离开分凝器的两相达到气液相平衡，则分凝器可看成一块理论板，与带有全凝器的流程相比，全塔多了一块理论板。故全塔理论板数为
N=梯级数–2 （2） 冷液回流
冷液回流时流入塔的液体量L0（称外回流量）与塔内下降的液体量L（称内回流）不相等。内回流比R与外回流比R0也不相等。设回流液温度为t0，塔内第一块板上的温度为
?cp(t1?t0)?oC)；r为回流液的气t1，则：R??1??R0 式中：cp为回流液比热，kJ/(mol·
r??化潜热，kJ/kmol。
冷液回流塔内操作回流比较大，因此冷回流对精馏过程是有利的。但冷回流操作由于塔顶移取的热量多，相应地需要再沸器提供的热量也多，所以冷回流给精馏塔带来的好处是以增加能耗为代价的。 （3） 直接蒸气加热流程
直接蒸气加热流程适用于水溶液，且水是难挥发组分，如甲醇-水、乙醇-水等。水蒸气起到加热剂的作用。与间接蒸气加热流程相比有：
①全塔物料衡算方程不同。
全塔物料衡算：F?S?D?
W*，FxF?S?0?DxD?W*xW*
*式中，S为塔釜直接通入的加热蒸气摩尔流率，W、xw*为排出的釜液量和组成。与间接蒸气加热时全塔物料衡算对照可知：W?W?S,WxW*?Wxw
②在相同的条件下（F、xF、q、D、xD、R相同），釜液排出量W直?W间，排出组
*成xW。 直?xW间**③精馏段、提馏段操作线、q线形式相同。在相同的条件下（F、xF、q、D、xD、
R相同），直接蒸气加热时塔内的操作线方程与间接蒸气加热时的完全一致，只不过
*b(xW、xW)点下移至b?(xW、0)点因此理论板数略有增加。 a 直接蒸气加热流程可以用结构简单的塔釜鼓泡器代替
d 造价昂贵的再沸器，且需要的加热蒸气压力较低；但需要
的理论板数略有增加、塔釜排出的废液更多。 （4）多股加料和侧线出料流程
多股加料流程与单股进料相比精馏段、提馏段操作线 b(xW、x方程不变，两股进料之间的操作线方程则另需物料衡算得
*?b(x、0) W到，如对两股加料流程，两进料口间的操作线方程为：
W) 9
y?DxD?F1x1L?x? V?V?塔内从上至下各段的L?气液负荷之间满足：
?L??L?q1F1 ??V?V?(1?q)F11??L???L??q2F2 ????V?V?(1?q)F22? 侧线出料流程与多股加料流程处理方法类似。
（5）回收塔流程
只有提馏段没有精馏段的精馏塔称为回收塔。分为无回流和有回流两种情况。其解算方法与普通精馏塔类似。
第二章 液–液萃取
1.本章学习目的
液–液萃取是一种应用广泛、发展迅速的单元操作。通过学习要求掌握萃取操作的基本原理、过程计算、设备特性，最终达到合理地选择适宜的萃取剂、萃取操作条件及设备。 2.本章应掌握的内容
学习本章应重点掌握：萃取分离的原理及流程、萃取过程的相平衡关系（包括萃取剂及操作条件的选择）、萃取过程的计算。 3.学习本章应注意的问题
液–液萃取属传质过程，但和蒸馏吸收相比又有其特殊性，如相平衡关系的表述方法、萃取设备的结构特点及外加能量。 4.本章学习要点
液–液萃取是利用液体混合物中各组分在某种溶剂中溶解度的差异来实现分离的一种单元操作。
液–液萃取主要包括两大类传质过程：分级传质过程和微分连续接触式传质过程。这两类传质过程所用的数学描述方法不同，对前者的数学描述方法与精馏章节类似；对后者的数学描述方法则与气体吸收章节类似。我们在学习过程中应充分注意到这一点，以便将本章与精馏、吸收章融会贯通。
分级传质过程按操作流程可分为；单级萃取、多级错流萃取、多级逆流萃取、回流萃取 等。而微分连续接触式传质过程则可分为连续逆流萃取和回流萃取等。
与精馏、吸收类似，液–液萃取的数学模型中主要包括物料衡算、相平衡关系和传质速率模型。值得注意的是，因为萃取操作的热效应一般狠小，基本上是等温过程，因此可不必考虑热量衡算问题，这一点与精馏、吸收章不同。传质速率模型 处理则与精馏、吸收章相同，引进理论级（即平衡级）或传质单元的概念以使复杂的工程问题简单化。 4.1相平衡关系
萃取中的相平衡关系就是溶解平衡关系。因为萃取过程达平衡时，呈平衡的两相即萃取相和萃余相大都为三元混合物，所以，萃取过程的溶解平衡关系相对精馏、吸收的气液平衡更为复杂，常常需在三角形坐标上表示，称为三角形相图。
学习本章应能熟练地使用三角形相图，了解相图中的点、线段的物理含义，并在相图中会标注两相、三相的状态点，会在相图上表示物料的混合和分开（含分层，下同）过程，这是本章计算的基础。
4.1.1三角形相图应用基础 （1）关于三角形相图
三角形相图可采用直角三角形、等边三角形等，下面以用直角三角形为例介绍，如图所
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