甲醇精馏原理

把液体混合物进行多次部分汽化，同时又把产生的蒸汽多次部分冷凝，使混合物分离为所要求组分的操作过程称为精馏。

为什么把液体混合物进行多次部分汽化，同时又多次部分冷凝，就能分离为纯或比较纯的组分呢？对于一次汽化、冷凝来说，由于液体混合物中所含组分的沸点不同，当其在一定温度下部分汽化时，因低沸点物易于汽化，故它在气相中的浓度较液相高，而液相中高沸点物的浓度较气相高。

这就改变了气液两相的组分。

当对部分汽化所得蒸气进行部分冷凝是，因高沸点物易于冷凝，使冷凝液中高沸点物的浓度较气相高，而未冷凝气中低沸点物的浓度较液相高。

这样经过一次部分汽化和部分冷凝，使混合液通过各组分浓度的改变得到初步分离。

如果多次地这样进行下去，将最终在液相中留下基本上是高沸点的组分，在气相中留下基本上是低沸点的组分。

由此可见，部分汽化和部分冷凝，都使气液相的组成发生变化，多次部分汽化和部分冷凝同时进行，就可以将混合物分离为纯的或比较纯的组分。

液体汽化要吸收热量，气体冷凝要放出热量。

为了合理利用热量，我们可以把气体冷凝时放出的热量供给液体汽化时使用，也就是使气液两相直接接触，在传热的同时进行传质。

为满足这一要求，在实践中，这种多次部分汽化伴随部分冷凝的过程是在逆流作用的塔式设备中进行。

所谓逆流，就是因液体受热而产生的温度较高的气体，自下而上地同塔顶因冷凝而产生的温度较低的回流液体（富含低沸点组分）作逆向流动，即回流液自上而下与上升蒸气相遇，塔内发生传质、传热过程如下：（1）气液两相进行热的交换——利用部分汽化所得气体混合物中的热来加热部分冷凝所得液体混合物；（2）气液两相在热交换过程中同时进行质的交换。

温度较低的液体混合物被温度较高的气体混合物加热而部分汽化。

此时，因挥发能力的差异，低沸点组分比高沸点组分挥发得多，结果表现为低沸点组分从液相转入气相，气相中易挥发组分增浓；同理，温度较高的气相混合物，因加热了温度较低的液体混合物，而使自己部分冷凝，同样因为挥发能力的差异，使高沸点组分从气相转入液相，液相中难挥发组分增浓。

精馏塔是由若干塔板组成的，塔的最上面称为塔顶，塔的最下面称为塔釜。

一块塔板只进行一次部分汽化和部分冷凝，塔板数愈多，部分汽化和部分冷凝的次数愈多，分离效果愈好。

通过整个精馏过程，最终由塔顶得到高纯度的易挥发组分（塔顶馏出物）。

塔釜得到的基本上是难挥发的组分。

2、什么是拉乌尔定律？拉乌尔定律是从实验中总结出来的一条重要的规律。

该定律指出，在一定温度下，汽液平衡时，溶液上方气相中任意组分所具有的分压，等于该组分在相同温度下的饱和蒸汽压乘以该组分在液相中的分子分数。

用数学式表示为：pA =PAXA式中pA——气相中A组分的分压；PA——纯组分A在该温度下的饱和蒸汽压；XA——液相中组分A的分子分数。

3、什么是道尔顿定律？道尔顿定律是表示理想气体混合物的总压和分压的关系的定律。

道尔顿定律指出：理想气体混合物的总压，等于个个组成气体分压之后。

根据道尔顿定律可以推出一个很重要的结论：混合气体中每个组分气体的分压等于混合气体的总压乘以该气体在混合气体中所占的分子分数。

例如，第i个组分气体的分压可用下式表示：pi =P总Yi式中pi——组分气体i分压；P总——混合气体的总压；Yi——组分气体I在混合气体中所占分子分数。

4、挥发度和相对挥发度：挥发度和相对挥发度是精馏过程使用的重要基本概念之一，精馏塔设计中也经常应用它。

纯物质的挥发性能一般都以饱和蒸汽压力的大小来描述。

对处在相同温度的不同物质，饱和蒸汽压力大的称为易挥发物质，否则就是难挥发物质。

饱和蒸汽压即是外压时该物质的沸点温度下的蒸汽压，因此习惯上，也用沸点来说明挥发性能。

如在101.325kPa下水的沸点为100℃，乙醇的沸点为78.4℃，甲醇的沸点为64.7℃，我们可以说甲醇比乙醇容易挥发，乙醇又比水容易挥发。

对纯物质来说，不论是饱和蒸汽压力，还是沸点，都可以用来判断其挥发能力的大小。

精馏过程是处理多组分的液态混合物，而与液体成平衡的气相也是由各组分组成的气体混合物。

这时各个组分在气相中所具有的分压数值的大小反映了该物质的挥发性能。

其挥发性能的大小除与物料性质有关外，根据拉乌定律，还与物料在液体中所具有的浓度大小有关。

为此规定挥发度的定义是：组分的气相分压与组分液相的浓度之比。

对物质a和物质b组成的溶液,Va= Vb=式中Va、Vb——分别为组分a和组分b的挥发度；Pa 、Pb——组分a和组分b在气相中的分压；Xa 、Xb——组分a和组分b在液相中的分子分数。

对符合拉乌尔定律的理想溶液，Pa=PA·XaPb=PB·Xb= PB（1－Xa）式中PA、PB分别指组分a和b的饱和蒸汽压。

由此可见，当溶液浓度不变时，物质挥发度的大小与饱和蒸汽压有关，也就是与温度有关，温度愈高，挥发度愈大。

当温度不变时，挥发度的大小与浓度有关。

对理想溶液而言，浓度愈大，挥发度愈大，二者成正比关系。

为了比较混合液中各个组分挥发度的大小，同时也便于在精馏中进行计算，因而引出了相对挥发度的概念，其定义是，混合液中各个组分挥发度之比。

如对物质a和物质b组成的溶液，其相对挥发度，αab=式中αab——为组分a对组分b的相对挥发度。

5、什么是露点？什么是泡点？什么是沸点？把气体混合物在压力不变的条件下降温冷却，当冷却到某一温度时，产生第一个微小的液滴，温度叫做该混合物在指定压力下的露点温度，简称露点。

处于露点温度下的气体称为饱和气体。

从精馏塔顶蒸出的气体温度，就是处在露点温度下。

这里提醒一下，第一个液滴不是纯组分，它是露点温度下与气相相平衡关系的液相。

其组成是由相平衡关系决定的。

由此可见，不同组成的气体混合物它们的露点是不同的。

液体混合物在一定的压力下加热到某一温度时，液体中出现第一个很小的气泡，即刚开始沸腾，则此温度叫该液体在指定压力下的泡点温度，简称泡点。

处于泡点温度下的液体称为饱和液体，精馏塔的釜液温度，就是处在泡点温度下。

应该说明，这第一个很小的气泡，也不是纯组分，它的组成也是由相平衡关系确定的。

当纯液体物质的饱和蒸汽压等于外压时，液体就会沸腾，此时的温度叫该液体在指定压力下的沸点。

应该指出，纯物质的沸点是随外界压力而改变的。

当外压升高，沸点升高；外压降低，沸点降低。

对液体混合物来说，各组分的分压总和等于外压时，物料开始沸腾。

由于各组分的分压随其在液相中的含量的改变而有所不同，因此，它没有恒定的沸点。

液体混合物在泡点至露点的整个温度范围内，都处于沸腾状态，并且不同温度下气液相组成是不同的。

6、回流比、全回流、最小回流比：回流比的定义就是：回流液体量与采出量的重量比。

通常用R 来表示，即R=L/D式中R——回流比；L——单位时间内塔顶回流液体量，公斤/小时；D——单位时间内塔顶采出量，公斤/小时；全回流是指精馏操作中，把停止塔的进料、塔釜出料和塔顶出料，将塔顶冷凝液全部作为回流液的操作，称作全回流。

最小回流比是在规定的分离要求下，即塔顶、塔釜采出的组成为一定时，逐渐减少回流比，此时所需理论塔板数逐渐增加。

当回流比减少到某一数值时，所需理论塔板数增加到无穷多，这个回流比的数值，称为完成该预定分离任务的最小回流比。

它是精馏塔设计计算中的重要数据之一，通常操作时的实际回流比取最小回流比的1.3~2倍。

7、简述回流液在精馏分离过程中的作用：在精馏过程中，混合液加热后所产生的蒸气由塔顶引出，进入塔顶冷凝器。

蒸气在此冷凝（或部分冷凝）成液体，将其一部分冷凝液返回塔顶沿塔板下流，这部分液体就叫做回流液；将另一部分冷凝液（或未凝蒸汽）从塔顶采出，作为产品。

在回流液沿塔板下流过程中，与塔内不断汽化上升的蒸汽进行多次部分汽化和部分冷凝，即发生质交换过程，这样一来，就增大了回流下来液体中高沸点组分的含量。

回流是构成气、液两相接触传质的必要条件，没有气、液两相接触传质也就无从进行物质交换。

当然组分挥发度的差异仍然是精馏过程的基础。

8、精馏塔的压力降：所谓精馏塔的压力降，就是平时所说的塔顶和塔釜的压力差。

对板式塔来说，塔板压降主要由三部分组成，即干板压力降、液层压力降和克服液体表面张力的压力降。

塔顶和塔釜的压力差是全塔每块塔板塔顶和塔釜的压力降的总和。

所谓干板压力降，就是精馏塔内上升气体（或蒸汽）通过没有液体存在的塔板时，所产生的压力降；当气体穿过每层塔板上液体层时产生的压力降，叫做液层压力降；气体克服液体表面张力所产生的压力降，叫液体表面张力压力降。

对于固定的塔来说，在正常操作中，塔压力降主要随上升气体的流速大小而变化，有经验表明，压力降与气体流速的平方成正比。

9、什么是空塔速度？它与孔速有什么关系？空塔速度是指单位时间内精馏塔上升蒸汽的体积与塔截面的比，即塔内上升气体在单位时间内流动的距离。

单位为米3/秒·米2或米/秒。

用公式可表示为：W = Vs/Aa式中W——空塔速度, 米/秒；Vs——上升蒸气体积流量，米3/秒；Aa——塔的总截面积，米2。

上式也可以表示为 W = Vs/0.785D2D——塔内径，米。

孔速是指单位时间内通过升气孔道的上升蒸汽的体积与孔道总截面的比，即上升气体穿过升气孔道的流速，单位为米3/秒·米2或米/秒。

用公式可表示为：W孔= Vs/AT式中W孔——孔速度, 米/秒；Vs——上升蒸气体积流量，米3/秒；AT——升气孔道总截面积，米2。

因为升气孔道总截面积是由塔板开孔率决定的，设开孔率为φ，则上式可表示为：W孔= Vs/0.785D2·φ= W/φ空塔速度是影响精馏操作的重要因素之一。

对于已经确定的塔来说，如果在允许范围内提高空塔速度，则能提高塔的生产能力。

当空塔速度,提高到一定限度时，气液两相在塔板上因接触时间过短，而且会产生严重的雾沫夹带，破坏塔的正常操作。

一般是以雾沫夹带量不大于10%来确定空塔速度，称为最大允许速度。

当空塔速度过低时，不利于气体穿过孔道，甚至托不住上层塔板的液体，塔板上的液体可以经升气孔道倒流至下层塔板，这种现象通常称为液体泄漏，泄漏严重时，会降低精馏塔的分离效果，特别筛板塔、浮阀塔、舌形塔，尤其是这样。

10、什么是流体的流量与流速？两者之间存在什么样的关系？流体的流量与流速均可分为重量流量、重量流速与体积流量、体积流速。

重量流量：单位时间内流过管道或设备的任一截面（与流向垂直的截面）上的流体重量。

重量流量通常用符号G表示，单位为公斤/秒。

体积流量：单位时间内流过管道或设备的任一截面（与流向垂直的截面）上的流体体积。

体积流量通常用符号V表示，单位为米3/秒。

重量流速：单位时间，单位管道或设备的截面（与流向垂直的截面）上流过的流体重量。

重量流速通常用符号WG表示，单位为公斤/秒·米2。