化工原理-上下册-修订版-(夏清--陈常贵-着)-天津大学出版社--第六章--蒸馏

1、2021/7/31化学工程教研室1 6.1 概述概述 6.2 6.3 平衡蒸馏与简单蒸馏平衡蒸馏与简单蒸馏 6.4 精馏原理精馏原理 6.5 两组分连续精馏的计算两组分连续精馏的计算 6.6 间歇精馏间歇精馏 6.7 恒沸精馏与萃取精馏恒沸精馏与萃取精馏2021/7/31化学工程教研室2教学要求：教学要求：重重 点：点：两组分的相平衡关系；两组分联系精馏的计算；影响精馏过程两组分的相平衡关系；两组分联系精馏的计算；影响精馏过程的主要因素。的主要因素。覆盖内容：覆盖内容：两组分物系的汽液平衡关系，两组分物系的汽液平衡关系，t-x-y图图, x-y图，拉乌尔定律，图，拉乌尔定律，泡点方程、露点方程

2、、相对挥发度及其影响因素；精馏原理；双组分泡点方程、露点方程、相对挥发度及其影响因素；精馏原理；双组分连续精馏塔的物料衡算，恒摩尔流假设，理论板的概念，操作线方程，连续精馏塔的物料衡算，恒摩尔流假设，理论板的概念，操作线方程，进料热状况，进料热状况，q的意义及计算，最小回流比的概念及确定，回流比对的意义及计算，最小回流比的概念及确定，回流比对精馏过程的影响，理论板数的确定；（图解法，逐板计算法及简捷精馏过程的影响，理论板数的确定；（图解法，逐板计算法及简捷法）；点效率、板效率和塔效率的概念，实际塔板数的确定；精馏装法）；点效率、板效率和塔效率的概念，实际塔板数的确定；精馏装置的热衡算；平衡蒸馏

3、、简单蒸馏的特点及计算，间歇精馏的特点及置的热衡算；平衡蒸馏、简单蒸馏的特点及计算，间歇精馏的特点及计算步骤；恒沸精馏、萃取精馏的概念；精馏塔全塔效率及点效率的计算步骤；恒沸精馏、萃取精馏的概念；精馏塔全塔效率及点效率的测定方法。测定方法。2021/7/31化学工程教研室3混合物混合物均相物系均相物系非均相物系非均相物系非均相物系的分离主要依靠质非均相物系的分离主要依靠质点运动与流体流动原理实现分点运动与流体流动原理实现分离离均相物系的分离条件是必须造成一均相物系的分离条件是必须造成一个两相物系，然后依据物系中不同个两相物系，然后依据物系中不同组分间某种物性的差异，使其中某组分间某种物性的差异

4、，使其中某个组分或某些组分从一相向另一相个组分或某些组分从一相向另一相转移，以达到分离的目地转移，以达到分离的目地传质过程传质过程物质以扩散的方式，从一相转移到另一相的相界物质以扩散的方式，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。面的转移过程，称为物质的传递过程，简称传质过程。2021/7/31化学工程教研室4 通过加热造成气液两相物系，利用物系中各组分的挥通过加热造成气液两相物系，利用物系中各组分的挥发度不同的特性以实现分离的目的。发度不同的特性以实现分离的目的。 易挥发组分：沸点低的组分易挥发组分：沸点低的组分难挥发组分：沸点高的组分难挥发组分：沸点高的组分

5、（1）通过蒸馏操作，可以直接获得所需要的组分（产品），因此一）通过蒸馏操作，可以直接获得所需要的组分（产品），因此一般蒸馏操作流程较为简单。般蒸馏操作流程较为简单。（2）蒸馏分离应用较广泛，历史悠久。它不仅可分离液体混合物，）蒸馏分离应用较广泛，历史悠久。它不仅可分离液体混合物，而且可分离气体混合物。而且可分离气体混合物。（3）在蒸馏过程中，由于要产生大量的气相或液相，因此要消耗大）在蒸馏过程中，由于要产生大量的气相或液相，因此要消耗大量的能量。能耗的高低是决定是否能采用蒸馏分离的主要因素。量的能量。能耗的高低是决定是否能采用蒸馏分离的主要因素。2021/7/31化学工程教研室5间歇蒸馏连续蒸

6、馏按操作压强按操作压强常压蒸馏减压蒸馏加压蒸馏按蒸馏方式按蒸馏方式简单蒸馏平衡蒸馏精 馏特殊精馏按待分离混合物中按待分离混合物中组分的数目组分的数目双组分精馏多组分精馏按操作流程按操作流程本章重点讨论常压下双组分连续精馏的原理和计算本章重点讨论常压下双组分连续精馏的原理和计算返回2021/7/31化学工程教研室6 溶液的气液平衡关是蒸馏过程的热力学基础，是它的依据，因此了溶液的气液平衡关是蒸馏过程的热力学基础，是它的依据，因此了解混合物的气液平衡关系是理解掌握过程的最基本条件。解混合物的气液平衡关系是理解掌握过程的最基本条件。1.2.1 两组分理想物系的气液平衡两组分理想物系的气液平衡一、理想

7、物系与拉乌尔定律一、理想物系与拉乌尔定律（1）液相为理想溶液，遵循拉乌尔定律。）液相为理想溶液，遵循拉乌尔定律。（2）气相为理想气体，遵循道尔顿分压定律。）气相为理想气体，遵循道尔顿分压定律。PpyPpyppPBBAABA2021/7/31化学工程教研室7ABBBBAAAxpxppxpp1000在一定的温度下，溶液上方任意组分的蒸汽分压，在一定的温度下，溶液上方任意组分的蒸汽分压， 等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。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。拉乌尔定律示意图拉乌尔定律示意图 在溶液温度下纯在溶液温度下纯A组分的饱和蒸组分的饱和

8、蒸汽压汽压在溶液温度下纯在溶液温度下纯B组分的饱和蒸组分的饱和蒸汽压汽压2021/7/31化学工程教研室8相律是研究相平衡的基本规律。相律表示平衡物系中的自由度数、相律是研究相平衡的基本规律。相律表示平衡物系中的自由度数、相数及独立组分数间的关系。相数及独立组分数间的关系。2CF式中自由度数独立组分数相数、对于双组分系统，、对于双组分系统，F平衡物系涉及的参数有温度、压强与气、平衡物系涉及的参数有温度、压强与气、液两相的组成。对双组分物系，当一相液两相的组成。对双组分物系，当一相中某一组分的浓度确定后，另一组分的中某一组分的浓度确定后，另一组分的浓度随之确定，故液相或气相的组成均浓度随之确定，

9、故液相或气相的组成均可用单参数表示，因此，只要温度、压可用单参数表示，因此，只要温度、压强和气、液两相组成这四个变量中任意强和气、液两相组成这四个变量中任意规定两个，则平衡物系的状态将被唯一规定两个，则平衡物系的状态将被唯一地确定，余下的参数不能任意选择。地确定，余下的参数不能任意选择。、恒压操作：恒定，则该平衡物、恒压操作：恒定，则该平衡物系只剩一个自由度，因此，在恒压下系只剩一个自由度，因此，在恒压下的双组分气液平衡物系必存在如下关的双组分气液平衡物系必存在如下关系：液相（或气相）组成与温度的一系：液相（或气相）组成与温度的一一对应关系；气液相间的一一对应关一对应关系；气液相间的一一对应关

10、系。系。1.2.1 两组分理想物系的气液平衡两组分理想物系的气液平衡2021/7/31化学工程教研室91.液相组成与温度液相组成与温度(泡点泡点)的关系的关系-泡点方程泡点方程 由于纯组分由于纯组分A、的饱和蒸气压均是温度的函数、的饱和蒸气压均是温度的函数 tfpA0 tfpB0混合物的沸腾条件是各组分的液面分压之和等于外压，即：混合物的沸腾条件是各组分的液面分压之和等于外压，即：饱和蒸汽压与温度的关饱和蒸汽压与温度的关系可用安托因系可用安托因（AntoineAntoine）方程表示）方程表示CtBAp0logA、B、C 为安托因常数，可由相关的手册查到。为安托因常数，可由相关的手册查到。一定

11、总压下液相组成与纯组分饱和蒸汽压一定总压下液相组成与纯组分饱和蒸汽压(泡点温度泡点温度)关系，称为关系，称为 1.2.1 两组分理想物系的气液平衡两组分理想物系的气液平衡PxpxpBBAA00PppBA000BABApppPx2021/7/31化学工程教研室10PxpPpyAAAA00000BABAApppPPpy000BABApppPx一定总压下气相组成一定总压下气相组成与纯组分饱和蒸汽压与纯组分饱和蒸汽压(露点温度露点温度)之间的关之间的关系，称为系，称为1.2.1 两组分理想物系的气液平衡两组分理想物系的气液平衡2021/7/31化学工程教研室11AAAxPpy01.2.1 两组分理想物

12、系的气液平衡两组分理想物系的气液平衡若引入相平衡常数，则若引入相平衡常数，则AAAxKy PpKAA02021/7/31化学工程教研室124. 用相对挥发度表示用相对挥发度表示ABABABPPxx1.2.1 两组分理想物系的气液平衡两组分理想物系的气液平衡溶液中各组分的挥发度溶液中各组分的挥发度可用它在蒸气中的分压和与之平衡的液可用它在蒸气中的分压和与之平衡的液相中的摩尔分率之比表示。相中的摩尔分率之比表示。对双组分物系对双组分物系BBAABAxpxp（1）挥发度）挥发度纯液体的挥发度是指该液体在一定温度下的饱和蒸气压纯液体的挥发度是指该液体在一定温度下的饱和蒸气压对理想溶液对理想溶液00BB

13、AApp（2）相对挥发度相对挥发度溶液中易挥发组分的挥发度与难挥发组分的挥发度之比溶液中易挥发组分的挥发度与难挥发组分的挥发度之比称为相对挥发度，用称为相对挥发度，用 表示表示2021/7/31化学工程教研室131.2.1 两组分理想物系的气液平衡两组分理想物系的气液平衡当操作压强低，气相服从道尔顿分压定律时，上式可改写为：当操作压强低，气相服从道尔顿分压定律时，上式可改写为：ABBAABAAxyxyxPyxPy对理想溶液：00BAPP由于 pA0和pB0均随温度沿相同方向变化，因而两者的比值变化不大，故一般可将视为常数，计算时可取操作温度范围内的平均值。对于双组分溶液，当总压不高时：由ABB

14、AABAAxyxyxPyxPyBABAxxyyAAAAxxyy11xxy111，表示组分，表示组分A较较B易挥发；易挥发；值越大，两组分在两相中相对含量值越大，两组分在两相中相对含量的差别越大，用蒸馏方法越容易将的差别越大，用蒸馏方法越容易将其分离。其分离。 相平衡方程相平衡方程2021/7/31化学工程教研室14（1）等温图）等温图 在温度一定的条件下，气、液两相平衡时，压力与组分的关在温度一定的条件下，气、液两相平衡时，压力与组分的关系用压力系用压力-组成图（组成图（p-x图）表示。图）表示。1.2.1 两组分理想物系的气液平衡两组分理想物系的气液平衡 pA0 P pB0 0 xA （xB

15、） 1T为常数2021/7/31化学工程教研室15在一定外压条件下，沸点与汽液相组成的关系，绘在图上即是t-x-y图 (2)等压图等压图yxtA、t-x-y图1.2.1 两组分理想物系的气液平衡两组分理想物系的气液平衡2021/7/31化学工程教研室16两线：tx线为泡点线，泡点与组成有关；ty线为露点线，露点与组成y有关。 3区:tx线以下为过冷液体区；ty线以上为过热蒸汽区；在tx与ty线之间的区域为气液共存区，在此区域内气液组成y与x是成平衡关系，气液两相的量符合杠杆定律。只有设法使体系落在汽液共存区这才能实现一定程度的分离。例如将组成为的过冷溶液加热至C点，产生第1滴气泡，故C点所对应

16、的温度称为泡点，气泡组成为y1，维持加热升温至G点，溶液部分汽化，气相组成为y(F点)，液相组成为x(E点)，yxF，xxF，故原料液得到部分分离，x与y成平衡关系，G点所对应的温度为气液相的平衡浓度；反之将组成为yF的过热混合气体冷却至D点，第1滴冷凝液出现，D点所对应的温度为露点，继续冷却至G点气相部分冷凝，液相组成为x，气相组成为y，xyF，故部分冷凝亦可实现一定程度的分离。要实现高纯度分离必须采用多次部分汽化和多次部分冷凝，这个过程在工业生产上是如何实现的呢？两端点A与B.端点A代表纯易挥发A组分(x=1)，端点B代表纯难挥发B组分（x=0 ）。对于一定组成的溶液加热到与相交的点，即出

17、现第一个气泡，所以线亦称泡点线。对于组成为的蒸汽，冷却至与线相交，出现第一个露珠，所以称线为露点线。1.2.1 两组分理想物系的气液平衡两组分理想物系的气液平衡2021/7/31化学工程教研室17t-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： 式说明，只要知道某温度下的（饱和蒸汽压数据），就可以计算得到x与y，就可以作出在指定外压下的图。上式还说明，总压对t-x-y图是有影响的。 AoAAxppAoBBoBBxpxpp1AoBAoABAxpxpPpp1 PxpPpypppPxAoAAAoBoAoBA1.2.1 两组分理想物系的气液平衡两组分理想物系的气液平衡20

18、21/7/31化学工程教研室18B x-y图取 图中的数据，以x为横坐标，y为纵坐标，绘成的图为 图。yxtyx x-y图 对于易挥发组分，因为 ，所以x-y线均在对角线上方。X-y线与对角线偏离越远，表示越易分离。若x-y线与对角线重合，则不能用精馏方法分离。对于二元理想溶液，x-y图可由t-x-y图得到。 AAxy1.2.1 两组分理想物系的气液平衡两组分理想物系的气液平衡通常，精馏过程是在接近等压的条件下进行，所以等压图是精馏过程中常用的，尤其是x-y图，常用它来说明两组分混合物精馏过程的计算。返回2021/7/31化学工程教研室196.3.1 平衡蒸馏平衡蒸馏 t B A xW xF

19、yD x 或或 y 一、平衡蒸馏过程一、平衡蒸馏过程 将一定组成的液体加热至泡点以上使其部分汽化，或一定组成的将一定组成的液体加热至泡点以上使其部分汽化，或一定组成的蒸气冷却至露点以下使其部分冷凝，形成气、液两相，两相达到平衡，蒸气冷却至露点以下使其部分冷凝，形成气、液两相，两相达到平衡，然后，将气、液两相分离，此过程的结果是易挥发组分在气相富集，然后，将气、液两相分离，此过程的结果是易挥发组分在气相富集，难挥发组分在液相富集，这种过程称为平衡蒸馏。难挥发组分在液相富集，这种过程称为平衡蒸馏。2021/7/31化学工程教研室20二、过程的数学描述二、过程的数学描述衡蒸馏过平程的主要关系式有：衡

20、蒸馏过平程的主要关系式有：物料衡算式物料衡算式热量衡算式热量衡算式气液平衡关系气液平衡关系物料衡算物料衡算以两组分混合液的闪蒸为例进行说明以两组分混合液的闪蒸为例进行说明以整个装置为系统进行衡算以整个装置为系统进行衡算两式联立得：两式联立得： WDFWxDyFxF总物料衡算：总物料衡算：易挥发组分的物料算：易挥发组分的物料算：设液相产物占总加料量的分率为设液相产物占总加料量的分率为q，qFD 1FxDFxDFy 1气化率为气化率为:11qxxqqyF2021/7/31化学工程教研室21FptTFcQ对加热器作热量衡算，忽略热损失，则对加热器作热量衡算，忽略热损失，则节流减压后，物料放出的显热即

21、供自身的部分气化，故节流减压后，物料放出的显热即供自身的部分气化，故 FrqtTFcep1由此式可求得原料液离开加热器的由此式可求得原料液离开加热器的温温为为pecrqtT12021/7/31化学工程教研室22 xfy 平衡蒸馏中，气、液两相处于平衡状态，即两相温度相同，平衡蒸馏中，气、液两相处于平衡状态，即两相温度相同，组成互为平衡。因此，组成互为平衡。因此，y与与x应满足相平衡方程式应满足相平衡方程式若为理想溶液应满足若为理想溶液应满足平衡温度平衡温度te与组成与组成x应满足泡点方程即应满足泡点方程即xxy) 1(1 xte2021/7/31化学工程教研室23简单精馏装置图简单精馏装置图

22、在实验室或工业生产中，采用如图所示的装置，实质也是一个汽在实验室或工业生产中，采用如图所示的装置，实质也是一个汽化器，一个冷凝器。化器，一个冷凝器。 一、简单蒸馏的装置一、简单蒸馏的装置 2021/7/31化学工程教研室24蒸馏原理示意图蒸馏原理示意图 釜液量若全部汽化，又全部冷凝，釜液量若全部汽化，又全部冷凝，即最终釜液量即最终釜液量W=0，则达不到分离，则达不到分离的目的。只有部分汽化，部分冷凝，的目的。只有部分汽化，部分冷凝，才可得到易挥发组分较高的馏出液。才可得到易挥发组分较高的馏出液。由图看出，当料液组成为由图看出，当料液组成为x1时，所时，所得馏出液最高组成为得馏出液最高组成为y1

23、。所以用简。所以用简单蒸馏的方法，得不到纯度高的产单蒸馏的方法，得不到纯度高的产品。品。 在简单蒸馏的过程中：液相组成由在简单蒸馏的过程中：液相组成由nxxxx321汽相组成（馏出液组成）由汽相组成（馏出液组成）由nyyyy321釜液量由釜液量由WdnFF二、简单蒸馏的原理二、简单蒸馏的原理2021/7/31化学工程教研室25 描述简单蒸馏过程的物料衡算、热量衡算方程与平衡蒸馏并无本质区描述简单蒸馏过程的物料衡算、热量衡算方程与平衡蒸馏并无本质区别，但简单蒸馏是个时变过程，而平衡蒸馏为定态过程。因此，对简单蒸别，但简单蒸馏是个时变过程，而平衡蒸馏为定态过程。因此，对简单蒸馏必须选取一个时间微元

24、馏必须选取一个时间微元dt ，对该时间微元的始末作物料衡算。，对该时间微元的始末作物料衡算。L某瞬间釜中的液体量，它随时而变，由初态某瞬间釜中的液体量，它随时而变，由初态W1变至终态变至终态W2； x某瞬间釜中液体的组成，它由初态某瞬间釜中液体的组成，它由初态x1降至终态降至终态x2； y瞬间由釜中蒸出的气相组成，随时间而变。瞬间由釜中蒸出的气相组成，随时间而变。 三、简单蒸馏过程的计算三、简单蒸馏过程的计算：易挥挥发组分时刻蒸馏釜中tdLdD ydDdxxdLLLx总物料：易挥发组分：量易挥挥发组分时刻塔顶dtt 易挥挥发组分蒸出的dtt 忽略高阶无穷小： xydxLdL2021/7/31化

25、学工程教研室26若最初釜液量若最初釜液量F为，此时釜液组成为，此时釜液组成x1为，最终釜液量为为，最终釜液量为W ，此时釜液组，此时釜液组成为成为x2，积分上式：，积分上式：12 lnxxxydxWF(1) 若若x-y平衡关系用曲线或表格表示时，则可应用图解积分法或数值积分。平衡关系用曲线或表格表示时，则可应用图解积分法或数值积分。bxmbxmmWF2111ln11ln(3) 若在操作范围内，若在操作范围内，x-y平衡关系为直线，即平衡关系为直线，即y=mx+b，则，则若若y=mx，则，则21ln11lnxxmWF(2) 若平衡关系可用相对挥发度表示若平衡关系可用相对挥发度表示122111ln

26、ln11lnxxxxWF2021/7/31化学工程教研室27WFD 原料量原料量F及原料组成及原料组成x1一般已知，当给定一般已知，当给定x2即可联立上式求出残液量即可联立上式求出残液量W。由于釜液组成由于釜液组成x随时变化，每一瞬间的气相组成随时变化，每一瞬间的气相组成y也相应变化。若将全过程的也相应变化。若将全过程的气相产物冷凝后汇集一起，则馏出液的平均组成及数量可对全过程的始末作气相产物冷凝后汇集一起，则馏出液的平均组成及数量可对全过程的始末作物料衡算而求出。物料衡算而求出。易挥发组分的物料衡算：易挥发组分的物料衡算：21WxFxyD总物料衡算：总物料衡算：返回2021/7/31化学工程

27、教研室28 简单蒸馏及平衡蒸简单蒸馏及平衡蒸馏只能使液体混合物得馏只能使液体混合物得到有限的的分离，远远到有限的的分离，远远不能满足工业的要求。不能满足工业的要求。如何利用两组分挥发度如何利用两组分挥发度的差异实现连续的高纯的差异实现连续的高纯度的分离，是我们在本度的分离，是我们在本节要讨论的基本内容。节要讨论的基本内容。 2021/7/31化学工程教研室29现取第现取第n板为例来分析精馏过程和原理：板为例来分析精馏过程和原理： 塔板的形式有多种，最简单的一种是板上有许多小孔（称筛板塔），每层板上都装有溢塔板的形式有多种，最简单的一种是板上有许多小孔（称筛板塔），每层板上都装有溢流管，由下一层

28、（流管，由下一层（n+1层）的蒸汽通过板上的小孔上升，而上一层（层）的蒸汽通过板上的小孔上升，而上一层（n-1层）来的液体通层）来的液体通过溢流管流到第过溢流管流到第n板上，在第板上，在第n板上汽液两相密切接触，进行热和质的交换。进、出第板上汽液两相密切接触，进行热和质的交换。进、出第n板板的物流有四种：的物流有四种：a由第由第n-1板溢流下来的液体量为板溢流下来的液体量为Ln-1，其组成为，其组成为xn-1 ，温度为，温度为tn-1；b由第由第n板上升的蒸汽量为板上升的蒸汽量为Vn，组成为，组成为yn，温度为，温度为tn；c从第从第n板溢流下去的液体量为板溢流下去的液体量为Ln，组成为，组成

29、为xn，温度为，温度为tn；d由第由第n+1板上升的蒸汽量为板上升的蒸汽量为Vn+1，组成为，组成为yn+1，温度为，温度为tn+1。开始时进入第开始时进入第n板的汽液两相是不平衡的。因此，当组成为板的汽液两相是不平衡的。因此，当组成为xn-1的液体及组的液体及组成为成为yn+1 的蒸汽同时进入第的蒸汽同时进入第n板，由于存在温度差板，由于存在温度差tn=1tn-1和浓度差和浓度差xn-1xn+1*，汽液两相在第，汽液两相在第n板上密切接触进行传质和传热，即组成为板上密切接触进行传质和传热，即组成为yn+1的蒸的蒸汽部分冷凝汽部分冷凝,使其中部分难挥发组分转入液相中；冷凝放出的潜热传给液相，组

30、使其中部分难挥发组分转入液相中；冷凝放出的潜热传给液相，组成为成为xn-1的液体部分气化，其中易挥发组分转入气相中。因而离开第的液体部分气化，其中易挥发组分转入气相中。因而离开第n 板的气相板的气相组成组成ynyn+1，液相组成，液相组成xnxn-1，若汽液两相在板上的接触时间足够长，接触，若汽液两相在板上的接触时间足够长，接触比较充分，那么离开该板的汽液两相相互平衡，通常称这种板为理论板（比较充分，那么离开该板的汽液两相相互平衡，通常称这种板为理论板（xn，yn成平衡）。精馏塔中每层板上都进行着与上述相似的过程，其结果是上升蒸汽中成平衡）。精馏塔中每层板上都进行着与上述相似的过程，其结果是上

31、升蒸汽中易挥发组分浓度逐渐增高，而下降的液体中难挥发组分越来越浓，只要塔内有足易挥发组分浓度逐渐增高，而下降的液体中难挥发组分越来越浓，只要塔内有足够多的塔板数，就可使混合物达到所要求的分离纯度。够多的塔板数，就可使混合物达到所要求的分离纯度。2021/7/31化学工程教研室30加料板把精馏塔分为二段，加料板把精馏塔分为二段，加料板以上的塔，即塔上半加料板以上的塔，即塔上半部完成了上升蒸汽的部完成了上升蒸汽的 精制，精制，即除去其中的难挥发组分，即除去其中的难挥发组分，因而称为精馏段。加料板以因而称为精馏段。加料板以下（包括加料板）的塔的下下（包括加料板）的塔的下半部完成了下降液体中难挥半部完

32、成了下降液体中难挥发组分的提浓，即除去了易发组分的提浓，即除去了易挥发组分，因而称为提馏段。挥发组分，因而称为提馏段。一个完整的精馏塔应包括精一个完整的精馏塔应包括精馏段和提馏段。馏段和提馏段。 2021/7/31化学工程教研室31从上面所讨论的精馏操作不难看出，精馏之所以区别于蒸馏就从上面所讨论的精馏操作不难看出，精馏之所以区别于蒸馏就在于精馏有在于精馏有“回流回流”，而蒸馏没有，而蒸馏没有“回流回流”。回流包括塔顶的。回流包括塔顶的液相回流与塔釜部分汽化造成的气相回流。回流是构成汽、液液相回流与塔釜部分汽化造成的气相回流。回流是构成汽、液两相接触传质使精馏过程得以连续进行的必要条件。若塔顶

33、没两相接触传质使精馏过程得以连续进行的必要条件。若塔顶没有液相回流，或是塔底没有再沸器产生蒸汽回流，则塔板上的有液相回流，或是塔底没有再沸器产生蒸汽回流，则塔板上的气液传质就缺少了相互作用的一方，也就失去了塔板的分离作气液传质就缺少了相互作用的一方，也就失去了塔板的分离作用。因此，回流液的逐板下降和蒸汽的逐板上升是实现精馏的用。因此，回流液的逐板下降和蒸汽的逐板上升是实现精馏的必要条件。必要条件。返回2021/7/31化学工程教研室32第五节第五节 两组分连续精馏的计算两组分连续精馏的计算两组分连续精馏的工艺设计及计算主要内容:确定产品的流量和组成确定产品的流量和组成确定精馏塔的类型，根据塔型

34、，求理论板层数或填料层高度确定精馏塔的类型，根据塔型，求理论板层数或填料层高度确定塔高和塔径确定塔高和塔径对板式塔，进行塔板结构尺寸的计算及塔板流体力学验算对板式塔，进行塔板结构尺寸的计算及塔板流体力学验算对填料塔，确定填料的类型及尺寸，并计算填料塔的流动阻力对填料塔，确定填料的类型及尺寸，并计算填料塔的流动阻力计算冷凝器和再沸器的热计算冷凝器和再沸器的热 负荷，并确定两者的类型和尺寸负荷，并确定两者的类型和尺寸2021/7/31化学工程教研室336.5.1 6.5.1 理论板的概念与恒摩尔流假定理论板的概念与恒摩尔流假定一、理论板一、理论板 所谓理论板是指离开这种板的气液两相互成平衡，而且塔

35、板上所谓理论板是指离开这种板的气液两相互成平衡，而且塔板上的液相组成也可视为均匀的。的液相组成也可视为均匀的。nnxfy理论板示意图 理论板是一个理想化的塔板，即不论进入理论板是一个理想化的塔板，即不论进入塔板的汽液组成如何，在塔板上充分混合和接塔板的汽液组成如何，在塔板上充分混合和接触的最终结果表现为离开该板的汽液两相在传触的最终结果表现为离开该板的汽液两相在传热、传质两方面都达到平衡状态，两相的温度热、传质两方面都达到平衡状态，两相的温度相等，组成互成平衡。理论板在实际上是不存相等，组成互成平衡。理论板在实际上是不存在的，这是由于要想使板上的汽液两相达到平在的，这是由于要想使板上的汽液两相

36、达到平衡，汽液两相的接触时间必须为无限长，这显衡，汽液两相的接触时间必须为无限长，这显然是不可能的。但理论板的概念之所以重要，然是不可能的。但理论板的概念之所以重要，是由于它可以作为衡量实际塔板分离效果的一是由于它可以作为衡量实际塔板分离效果的一个重要依据和标准。在设计计算时，先求出理个重要依据和标准。在设计计算时，先求出理论板数以后，然后用塔板效率予以校正就可以论板数以后，然后用塔板效率予以校正就可以得出实际塔板数。得出实际塔板数。2021/7/31化学工程教研室346.5.1 6.5.1 理论板的概念与恒摩尔流假定理论板的概念与恒摩尔流假定二、恒摩尔流假设二、恒摩尔流假设（1）恒摩尔汽化：

37、精馏段内每层塔板上升蒸汽的摩尔流量相等，）恒摩尔汽化：精馏段内每层塔板上升蒸汽的摩尔流量相等，即即V1=V2=Vn=V；同理，在提馏段内，；同理，在提馏段内，V1 =V2 =Vm =V 。一般情况下，一般情况下，VV 。 （2）恒摩尔溢流：精馏段内每层塔板下降液体的摩尔流量相等，）恒摩尔溢流：精馏段内每层塔板下降液体的摩尔流量相等，即即L1=L2=Ln=L；同理，在提馏段内，；同理，在提馏段内，L1 =L2 =Lm =L 。一般情况下，一般情况下，LL 。假设：假设：各组分的摩尔汽化潜热近似相等各组分的摩尔汽化潜热近似相等汽、液接触时因温度不同而交换的显热可以忽略汽、液接触时因温度不同而交换的

38、显热可以忽略塔设备保温良好，热损失可以忽略塔设备保温良好，热损失可以忽略 2021/7/31化学工程教研室356.5.2 6.5.2 物料衡算和操作线方程物料衡算和操作线方程精馏塔的物料衡算精馏塔的物料衡算WDFWDFWxDxFx以单位时间为衡算基准：以单位时间为衡算基准：总物料总物料易挥发组分易挥发组分联立以上两式可得联立以上两式可得:WDWFx-xxxFDWDFD1xxxxFDFW塔顶易挥发组分回收率塔顶易挥发组分回收率%100FDFxDx塔底难挥发组分回收率塔底难挥发组分回收率%100）1（）1（FWxFxW2. 在规定分离要求时应使在规定分离要求时应使DxDFxF 或或(D/F)(XD

39、/XF)。如果塔顶产品采出率取得过。如果塔顶产品采出率取得过大，即使精馏塔有足够的理论板层数也达不到分离大，即使精馏塔有足够的理论板层数也达不到分离要求。要求。注意：注意：1.回收率的定义回收率的定义2021/7/31化学工程教研室366.5.2 6.5.2 物料衡算和操作线方程物料衡算和操作线方程DnnxVDxVLy1令DLR 以单位时间为衡算基准：以单位时间为衡算基准：DLV总物料总物料易挥发组分易挥发组分DnnDxLxVy1111RxxRRyDnnDnnxDLDxDLLy1在一定的操作条件下，该式在在一定的操作条件下，该式在x-y直角坐标图上为直角坐标图上为直线直线，其斜率为，其斜率为R

40、 /（R+1），截距为），截距为xD / (1+R)。设塔顶采用全凝器，泡点回流：设塔顶采用全凝器，泡点回流：DRVRDL) 1(y xD a 0 X xDxnyn+12021/7/31化学工程教研室376.5.2 6.5.2 物料衡算和操作线方程物料衡算和操作线方程WmmxVWxVLy1以单位时间为衡算基准：以单位时间为衡算基准： 总物料总物料易挥发组分易挥发组分WmmWxyVxL1WVLWmmxWLWxWLLy1在提馏段内在提馏段内, V = L W, 代入上式代入上式在一定的操作条件下，该式在在一定的操作条件下，该式在x-y直角坐标直角坐标图上图上为为直线直线，过，过(XW,XW）点。）

41、点。2021/7/31化学工程教研室386.5.3 6.5.3 进料热状况的影响进料热状况的影响由于不同进料热状况的影响，使从进料板上升蒸气量及下降液体量发生由于不同进料热状况的影响，使从进料板上升蒸气量及下降液体量发生变化，对于冷液进料的情况，提馏段内回流液体流量包括三部分：变化，对于冷液进料的情况，提馏段内回流液体流量包括三部分：VV精馏段的回流液体量精馏段的回流液体量L原料液流量原料液流量F为将原料液加热到板上温度，一部分上升蒸气冷凝而为将原料液加热到板上温度，一部分上升蒸气冷凝而成的液体成的液体冷液进料VLVLFVLVLFVIILIVLIFI总物料衡算总物料衡算热量衡算热量衡算假设：假

42、设：精馏塔中液体和蒸汽均呈饱和状态精馏塔中液体和蒸汽均呈饱和状态 。加料板与相邻的上、下板的温度及汽、液相组成均相差不大加料板与相邻的上、下板的温度及汽、液相组成均相差不大则焓值有：则焓值有：VVIILLIIVLVLFVIILIVLIFI热量衡算式可近似写成：热量衡算式可近似写成：LFVILLFIIVVLFVILLFIILLF2021/7/31化学工程教研室396.5.3 6.5.3 进料热状况的影响进料热状况的影响qFLLIIIILVFV热原料液的千摩尔量的进料变为饱和蒸气所需kmol1将气化潜热LVFVIIIIq加料热状态参数 q 的定义：FLLqqFLLFqVV1VLVLF则提馏段操作线

43、方程可写为：则提馏段操作线方程可写为：WmmxWqFLWxWqFLqFLy12021/7/31化学工程教研室406.5.3 6.5.3 进料热状况的影响进料热状况的影响状况状况低于泡点的过冷液进料低于泡点的过冷液进料状况状况泡点液体进料泡点液体进料状况状况汽汽-液混合物进料液混合物进料状况状况露点蒸汽进料露点蒸汽进料状况状况高于露点的过热蒸汽进料高于露点的过热蒸汽进料（1）低于泡点的冷液体，）低于泡点的冷液体，IF1, LL+F, VV（2）泡点下的饱和液体，）泡点下的饱和液体，IF=IL； q=1, L=L+F, V=V（3）汽液混合物，）汽液混合物，ILIFIV ； 0qL, VV（4）露

44、点下的饱和蒸汽，）露点下的饱和蒸汽，IF=IV ； q=0, L=L, V=V+F（5）过热蒸汽，）过热蒸汽，IFIV ; q1, LV+F2021/7/31化学工程教研室416.5.3 6.5.3 进料热状况的影响进料热状况的影响进料线方程进料线方程精馏段操作线与提馏段操作线的交点轨迹方程。精馏段操作线与提馏段操作线的交点轨迹方程。DnnDxLxVy1WmmWxyVxL1DDxLxVy在交点处两式中的变量相同，在交点处两式中的变量相同，可略去下标可略去下标WWxyVxL)()()(WDWxDxxLLyVVqFLLFqVV111 qxxqqyF进料线方程进料线方程 *不同的不同的q值对应着不同

45、的值对应着不同的q 线，线，进料组成一定时各加料热状进料组成一定时各加料热状态下的态下的q 线如图所示。线如图所示。*q 线的作法：由线的作法：由q线方程，当线方程，当x=xF时时, y=xF，可得图中对角，可得图中对角线上的线上的e点；过点；过e点作以点作以q/(q-1)为斜率的直线即得为斜率的直线即得 q 线。线。2021/7/31化学工程教研室426.5.4 6.5.4 理论板层数的求法理论板层数的求法2021/7/31化学工程教研室436.5.4 6.5.4 理论板层数的求法理论板层数的求法一、逐板计算法 精馏塔的逐板计算 D, xD y1 y2 L, xD x1 V L 1 2 x2

46、 V, y1 V,yW ym V L xm-1 W, xW m+1 m ym+1 xm F, xF n-1 n 依据：xxy) 1(1111RxxRRyDnnWLWxxWLLyWmm1步骤：若塔顶为全凝器, y1=xDxxy) 1(1x1111RxxRRyDnny2xxy) 1(1x2111RxxRRyDnnxxy) 1(1xnxF（仅指饱和液体进料）第n层理论板是进料板，精馏段所需理论板层数为（n-1）此后，可改用提段操作线方程进行类似计算，直至xm xW，m为提馏段理论板数（含再沸器）。2021/7/31化学工程教研室446.5.4 6.5.4 理论板层数的求法理论板层数的求法二、图解法图

47、解法通常采用直角梯级图解法，其实质仍然是以平衡关系与操作关系为依据，将两者绘在图上，便可图解得出达到指定分离任务所须的理论塔板数及加料板位置。 依据：R，q，进料及产品组成步骤1 在y-x图上作出对角线、平衡线、精馏段操作线、q线及提馏段操作线2 从a点开始，在平衡线与精馏段操作线之间作直角梯级。3当梯级跨过两操作线交点（d点）时，则改在平衡线与提馏操作线之间作梯级，直至某梯级的垂直线达到小于xW为止。4 每个梯级代表一块理论板。梯级总数即为所需理论板数。2021/7/31化学工程教研室456.5.4 理论板层数的求法 2021/7/31化学工程教研室466-5-5 几种特殊情况时理论板层数的

48、求法在精馏过程中，常常有加热、进料方式不同，根据要求，其采出方式也有所区别，对此，分别讨论如下： （1） 直接蒸气加热直接蒸气加热一般精馏是间接加热，主要是为避免对物料污染。如果物料含有水，精馏过程中允许水存在，于是，可将加热蒸气直接通入塔釜内，直接加热。这样加热蒸气将热量、质量均带入塔内，同时参与塔的热量、质量的传递。该过程提高了传热效率，可使用温度相对低的加热蒸气，同时，又省一台再沸器。如图所示，由物料衡算可知精馏段物料衡算与常规塔完全一致，仅提馏段有所不同，即： 按恒摩尔流假设处理，设近似有S=V ，则L=W ，因y0=0 ，故提馏段操作方程:2021/7/31化学工程教研室47（1）

49、直接蒸气加热为直接蒸气加热精馏的提馏段操作方程。采用图解法可求理论板数。与间接加热比较，当 和 相同时，直接加热所需理论板数、回收率、采出量D均有所降低。若要维持相同产品质量 及回收率，则应适当增加理论塔板数以降低釜液组成 。直接蒸气加热的精馏2021/7/31化学工程教研室48（2）具有侧线采出的精馏过程）具有侧线采出的精馏过程目标：侧线采出的意义及对分离的影响 当需要获取浓度不同的两种或多种产品，或某组分在塔某几板上存在富集现象。为获得该组分产品或消出该组分对塔两端产品的影响，应采取侧线出料的方法，在适宜塔板上将其及时采出，如图所示。侧线抽出的产品可为塔板上泡点液体或板上的饱和蒸气。 图

50、6.4.18 带侧线采出的精馏 如果在精馏段设一侧线采出，则塔被分为三段。塔两端分别同精馏段和提馏段操作线方程，而塔下段（III）操作线同提馏段操作线方程。而中段则由物料衡算获得其操作线方程。无论抽出液相还是气相产品，其段操作线的斜率均小于第I段塔的操作线的斜率。且使最小回流比Rmin增大，减小了回流比的调节范围，显然，不利于节能。 2021/7/31化学工程教研室49（3）多股进料精馏当两股组分相同，组成各异的原料在同一塔中分离，为避免混合增加分离的能耗，则分别在适宜位置加入。如图6.4.19所示。两进料将塔分为三段，各段有相应操作线方程，各进料也有相应的q线方程。 图 6.4.19 多股进

51、料精馏由于进料的加入，使进料下方塔段的操作线斜率大于上方塔段的操作线的斜率。如图6.4.19所示。若混合进料，将使进料处操作线更接近平衡曲线，使所需理论塔板数增多。2021/7/31化学工程教研室50（4）塔顶进料蒸馏塔 目标：蒸出塔理论级数 原料从塔顶加入，则塔只有提馏段没有精馏段，该塔称之为回收塔或蒸出塔、气体塔，如图6.4.19（a）所示。原料应在泡点或接近泡点温度进入塔顶，无回流。而热量则以间接或直接蒸气加热塔底。当该塔为间接加热时，由物料衡算可得：L=V+W根据恒摩尔流假设，L=F、V=D，上式（6.4.15）可改写为 蒸出塔 2021/7/31化学工程教研室51式（6.4.16）为

52、该塔操作线方程，亦为一直线，该直线通过 点，斜率为F/D。而q线与操作线交点为 。由此，可采用图解方法求解理论板数。当进料为泡点进料时，如图6.4.19（b）所示。若维持加入塔底热流量不变，则冷进料时，其操作线斜率增大，向平衡线靠近。如图6.4.19（c）所示，要求塔底达到相同分离要求，势必提高塔釜加热量或增加塔理论板数。该塔多用于轻、重组分的初步分离，或主要考虑获得较纯的重组分的分离，或回收稀溶液中易挥发组分。泡点进料蒸出塔 冷进料蒸出塔 蒸出塔及图解理论板数 2021/7/31化学工程教研室52（5）塔顶设分凝器的精馏 在一般情况下塔顶蒸气应全部冷凝，并保持一定过冷度，以免蒸气未凝而积累，

53、引起塔压升高，如果塔顶蒸气中含少量或一定量较轻的组分，一般冷剂难以将其冷凝，提高冷剂品位又不经济。为此，塔顶则设部分冷凝器，将未凝的部分轻组分气体采出，然后，再用高品位冷剂将其冷凝作产品送出。对于量少和无利用价值的不凝气，则直接排入火炬或放空，以节省高品位冷剂的用量。再沸器中存在釜液的部分汽化，相当一个理论板。而在分凝中存在蒸气的部分冷凝，也相当一平衡级，故也相当一个理论板。如图6.4.20流程。求解理论板方法与常规塔相同，只是第一理论板相当分凝器，而最下一理论板则相当再沸器。当求得塔内总理论板数则等于（N2）块理论板。2021/7/31化学工程教研室53带分冷凝器的精馏 带分冷凝器的精馏20

54、21/7/31化学工程教研室546-5-6 回流比的影响及其选择回流比的影响及其选择回流是精馏塔内汽、液相间传质过程得以连续稳定进行的必要条件，选择适宜的回流比十分重要 。两个极限值：全回流 R 最小回流比 R=R min，实际回流比介于两个极限值之间0LDLR塔顶上升蒸汽经冷凝器冷凝后，全部引回塔顶作为回流，称为全回流。此时，D=0， W =0 ， F=？全回流时的回流比精馏段操作线斜率11RR在y轴上的截距01RxDnnxy1即在x-y图上，操作线与对角线重合。此时操作线和平衡线的距离为最远，传质推动力最大, 所需的理论板数最少，以Nmin表示2021/7/31化学工程教研室556-5-6

55、 回流比的影响及其选择回流比的影响及其选择mWWDDxxxxNlg11lg1min Nmin的求取方法：的求取方法：图解法图解法计算法计算法1、图解法、图解法在x-y图上的平衡线与对角线间直接图解求得2、计算法、计算法对双组分溶液：芬斯克方程2021/7/31化学工程教研室566-5-6 回流比的影响及其选择回流比的影响及其选择2021/7/31化学工程教研室571-5-6 回流比的影响及其选择回流比的影响及其选择qDqDxxyxRR1minminqqqDxyyxRminxq与yq是平衡线与进料线之交点。最小回流比是指对于一定分离要求的最小回流比，分离要求变动了（例如xD变了），对应的Rmin

56、亦要改变。 2021/7/31化学工程教研室586-5-6 回流比的影响及其选择回流比的影响及其选择减小回流比时，在两操作线的交点还未落到平衡线上之前，操作线已与平衡线相切，如图a、b中g点所示。此时恒浓区出现在g点附近，对应的回流比为最小回流比。R min 仍可采用式计算，但式中xq 与yq不是一对平衡数据，需由图上读出。2021/7/31化学工程教研室596-5-6 回流比的影响及其选择回流比的影响及其选择精馏的操作费用: 加热介质(水蒸汽) 量+冷却介质(水)量. 当F、q、D一定时，R增大，加热和冷却介质的消耗量亦随之增多，操作费用相应增加，如图中曲线1所示。 设备费用随回流比变化的趋

57、势，如图中曲线2所示。 主要通过影响N和V, V来影响设备费用。因此，最合理的回流比的选择应使精馏过程总费用（操作费用与设备费用之和）最低，此回流比也称为最适宜的回流比，如图所示。根据实验和生产数据统计，一般最适宜回流比的范围为:min22 . 1RR2021/7/31化学工程教研室606-5-7 简捷法求理论板数简捷法求理论板数一、吉利兰图一、吉利兰图 2021/7/31化学工程教研室616-5-7 简捷法求理论板数简捷法求理论板数二、求理论板层数的步骤二、求理论板层数的步骤1、求最小回流比Rmin，并选择R 2、求全回流时的理论板数Nmin 3、计算（R-Rmin)/(R+1)之值，由吉利

58、兰图吉利兰图 查得（N-Nmin )/(N+2)之值，算出理论板层数N2021/7/31化学工程教研室626-5-8 6-5-8 塔高和塔径的计算塔高和塔径的计算1*1nnnnmVyyyyE*11nnnnmLxxxxE1、板效率和实际板数理论板定义：1 汽、液两相在板上充分接触混合。 2 离开塔板的两相流体达到相平衡。理论板用途：可以用汽液平衡关系式描述实际上，平衡态是不可能进行传质的，故实际塔板用板效率的概念加以校正。单板（Murphree）效率 Em物理意义: 式中分子代表汽相或液相经过一块板后实际的组成变化，分母则为理论组成变化。获得：由实验测定xn, yn 等，再与计算的理论组成比较。

59、l全塔板（总板）效率%100PTNNE2021/7/31化学工程教研室636-5-8 6-5-8 塔高和塔径的计算塔高和塔径的计算uVDs42021/7/31化学工程教研室646-5-9 连续精馏装置的热量衡算连续精馏装置的热量衡算LDLDVDcDILIVIQDRDLV1 LDVDcIIDRQ1对连续精馏装置进行热量衡算，可以求得冷凝器和再沸器的热负荷以及冷却介质和加热介质的消耗量，并为设计这些换热设备提供基本数据。对图中所示的全凝器做热量衡算，以单位时间为基准，并忽略热损失：12ttcQWpccc冷却介质消耗量：2021/7/31化学工程教研室656-5-9 连续精馏装置的热量衡算连续精馏装

60、置的热量衡算LLWVWBQILmLWIIVQLmLWIIWLV对图中所示的再沸器做热量衡算，以单位时间为基准：LLWVWBQIIVQ21BBBhIIQW加热介质消耗量：返回2021/7/31化学工程教研室666-6 间歇精馏间歇精馏 间歇精馏为非定态过程。 间歇精馏时全塔均为精馏段，没有提馏段 馏出液组成恒定的间歇精馏操作 回流比恒定的间歇精馏操作 在 时间内，对组分i作物料衡算，则塔釜组分i的减少量等于塔产品的采出量 因DW， 相当高阶无穷小，故可忽略，式（6.5.2）整理可得： 式中： 、 为初始、最终釜液量，kmol； 、 为初始、最终釜液组成，摩尔分数； 、 釜液、产品组成瞬时值，摩尔