液体精馏课件

1、第九章 液体精馏第一节 双组分溶液的气液相平衡 第二节 蒸馏与精馏原理第三节 双组分连续精馏的计算与分析第五节 恒沸精馏与萃取精馏第四节 间歇精馏第六节 板式塔8/1/20221蒸馏在化工生产中的应用 分离多组分混合物； 某一组分的提纯； 有用组分的回收。目的：广泛性： 液体混合物； 气体混合物； 固体混合物。8/1/202228/1/202238/1/20224蒸馏过程的分离依据依据：蒸馏是利用混合物中各组分挥发性的差异。易挥发组分(或轻组分): 挥发性高的组分，以A表示；难挥发组分(或重组分): 挥发性低的组分，以B表示。 蒸馏过程液体混合物 加热部分汽化液相：xA, xB 汽相：yA,

2、yB 液相冷凝8/1/20225必有： yA xA, yB x两条线：液相线（泡点线） 气相线（露点线）组成相同时，t露点t泡点8/1/202214对角线y=x为辅助曲线，yx ，平衡线在对角线之上；Xy线上各点温度不同；平衡线离对角线越远，挥发性差异越大，物系越易分离。8/1/202215压力对txA（yA）图及x y图的影响压力增加，平衡线靠近对角线，分离难度大8/1/202216（三） 相对挥发度与理想溶液的yx关系气相中某一组分的平衡分压与其在液相中的摩尔分数之比称为该组分的挥发度，用表示。pA、 pB汽液平衡时，组分A,B在气相中的分压；xA、xB汽液平衡时，组分A,B在液相中的摩尔

3、分率。 混合液某组分挥发度:1. 挥发度8/1/202217理想溶液则:2. 相对挥发度(以表示) 理想气体：或：一般物系：8/1/2022183. 理想溶液的气液相平衡方程式 代入相平衡方程讨论: 的物理意义：汽相中两组分组成之比是液相中两 组分组成 之比的倍数。 其值标志着分离的难易程度。8/1/202219 若=1，则普通蒸馏方式将无法分离此混合物。 1。 平均相对挥发度m。三、 非理想溶液气液相平衡（一）对拉乌尔定律有正偏差的溶液 （1）无恒沸点的溶液 如甲醇-水溶液pApA理， pBpB理，介于pAo、pBo 之间。8/1/202220(1)正偏差溶液溶液的两个组分的平衡蒸汽压都比拉

4、乌尔定律所预计的高，如右图所示。 1.00蒸汽压xA8/1/202221 （1）无恒沸点溶液 如氯仿-苯溶液 pApA理， pBpB理，介于pao、pBo 之间。 正偏差严重时形成具有最低恒沸点的溶液，下面两张分别为苯乙醇溶液的tx（y）图及yx图。0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.08075706560tt / x（y）xy=xy0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.01.00.90.80.70.6050.40.30.20.10 苯-乙醇溶液相图（正偏差）8/1/202222 负偏差严重时形成具有最高恒沸点的溶液，下面两张分别为氯仿丙酮溶液的tx（y）图及yx图。0 0.2 0.4

5、0.6 0.8 1.07065605550tt / x（y）氯仿-丙酮溶液相图（负偏差）xy=xy0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.01.00.90.80.70.60.50.40.30.20.10 由图可知氯仿丙酮溶液的最高恒沸点tM=64.5C，恒沸物的组成xM=0.65。8/1/202223(三)讨论若具有恒沸点的溶液中某组分的组成小于该组分在溶液恒沸点的组成时，用一般蒸馏的方法,其浓度最多达到恒沸物的组成。非理想溶液不一定具有恒沸点，但有恒沸点的一定是偏差大的非理想溶液；具有恒沸点的溶液在总压发生改变时，恒沸物的组成也发生变化。8/1/202224第二节 蒸馏与精馏原理二、精馏原理

6、一、简单蒸馏与平衡蒸馏8/1/202225（一）简单蒸馏（微分蒸馏）y原料液x蒸气xD1xD2xD3冷凝器特点：间歇、非定态，R=0一、简单蒸馏与平衡蒸馏8/1/202226（二）平衡蒸馏特点：可连续； 定态； 单级。分离器塔顶产品yAxA加热器原料液 塔底产品 Q减压阀8/1/202227二、精馏原理（一）精馏塔内气液两相的流动、传热与传质8/1/202228（一）精馏塔内气液两相的流动、传热与传质 馏出液 塔顶产品 回馏液 全凝器 部分冷凝器 再沸器 加料板 精馏段 提馏段8/1/202229精馏原理：多次部分冷凝、多次部分汽化、液相回流及 上升蒸气。进料板：原料液进入的那层塔板精馏段：进

7、料板以上的塔段提馏段：进料板以下（包括进料板）的塔段塔顶冷凝器和塔低再沸器8/1/202230yn-1*xn+1*n+1nn-1tn+1tntn-1xn-1yn+1xnyn（二）塔板上气液两相的传质与传热8/1/202231两相传热 两相传质 液相中的易挥发组分部分汽化向气相传递；气相中的难挥发组分部分冷凝向液相传递；平衡：离开该塔板的气液两相温度相等；理论级：离开该级的气液两相组成相平衡。8/1/202232问题：1.精馏过程的能耗在何处？无液相回流，分离结果如何？无气相回流，分离结果如何？（三）回流作用连续精馏的充分必要条件：最上要有高纯度易挥发组分的液相：液相回流最下要有高纯度难挥发组分

8、的气相：气相回流(上升蒸气)8/1/202233第三节 双组分连续精馏的计算与分析一、 全塔物料衡算二、 恒摩尔流量的假定三、 进料热状态参数q四、 操作线方程与q线方程五、 理论板数的计算 六、 回流比与进料热状态对精馏的影响九、 精馏塔的操作计算八、 理论板数的捷算法计算七、 塔顶回流比的选择8/1/202234设计目标：1）根据分离任务，确定产品流量D，W；2）选择操作条件R、进料状态；3）确定塔板数及加料位置；4）选择塔型，确定塔径，塔内结构尺寸， 流体力学验算；5）冷凝器及再沸器热负荷及设计计算。8/1/202235一、 全塔物料衡算单位时间为基准总物料衡算：F=D+W易挥发组分物料

9、衡算：FxF=DxD+WxWF、D、W：kmol/sxF、xD、xW：摩尔分数F, xFD, xDW, xW8/1/202236分离要求的不同形式：2）组分回收率：1） 规定xD、xW二、恒摩尔流量的假定1.恒摩尔流假定8/1/202237即：V1=V2=V=常数， V1=V2=V=常数 V-精馏段上升蒸汽的摩尔流量，kmol/h; V-提馏段上升蒸汽的摩尔流量，kmol/h。 （1）精馏段，每层塔板上升的蒸汽摩尔流量都 相等，提馏段也一样。但两段的上升蒸汽的摩尔流量不一定相等。8/1/202238即：L1=L2= L=常数 L1=L2= L=常数但两段下降的液体摩尔流量不一定相等。式中：L-

10、精馏段下降液体的摩尔流量，kmol/h; L-提馏段下降液体的摩尔流量，kmol/h。（2）精馏段内，每层塔板下降的液体摩尔流量 都相等，提馏段也一样。8/1/2022392.恒摩尔流假设适用条件两组分的摩尔汽化潜热相等；两相接触因温度不同交换的显热忽略不计；塔设备保温良好，热损失可以忽略不计。8/1/202240三、 进料热状态参数q过冷液体P饱和液体C汽液混合物G饱和蒸汽D过热蒸汽HH8/1/202241FLVLV冷液进料泡点进料FLVLVFqF(1-q)FLVLV汽液混合进料8/1/202242FLVLV过热蒸汽进料FLVLV饱和蒸汽进料8/1/202243（3）气液混合物进料, 0qV

11、, L1, LL+F，VV冷夜进料时，进料温度tF低于泡点温度tb，使提馏段上升蒸气部分冷凝（冷凝量为V-V)，放出冷凝潜热，将进料加热到泡点。其热量恒算式为：r-进料在tb时的平均摩尔汽化热，kJ/(kmol) -温度（tb+tF)/2时的进料液体摩尔热容， kJ/(kmol)8/1/202245（5）过热蒸汽进料 VV，q0, Ltd,q1(2) 饱和液体 q1(3) 气液混合 0q1(4) 饱和蒸汽 q0 (5) 过热蒸汽 q0进料状况q值q线位置V与V8/1/202257 q线对两操作线的影响对精馏段操作线无影响，对提馏段操作线有影响， q 提馏段操作线斜率推动力 。8/1/20225

12、8【例2】氯仿和四氯化碳的混合液在连续精馏塔内分离，要求馏出液氯仿浓度为0.95(摩尔分率)，流量为50kg/h，塔顶为全凝器，平均相对挥发度为1.6，回流比为2。求： (1) 由上向下数第一块塔板下降的液体组成;(2) 第二块塔板上升蒸气组成。(3) 精馏段各板上升蒸气量及下降的液体量;8/1/202259解：(1) y1 = xD= 0.95(2)8/1/202260（3） V = ( R + 1 ) D = ( 2 + 1 )50 = 150 kg / h L= RD = 2 50 = 100 kg / h【例3】在双组分连续精馏塔中精馏段的某一理论板n上，进入该板的气相组成为0.8(摩

13、尔分数，下同)，离开该板的液相组成为0.7，物系相对挥发度为2.4，气液比为21，计算离开该板的气相组成和进入该板的液相组成。8/1/202261nn+1xnxn+1ynyn+1xn-1？8/1/202262【例4】分离乙醇水溶液的精馏塔，进料量为100kmol/h，进料温度为60，含乙醇10%(摩尔分率，下同)，回流比为2。要求馏出液中含乙醇87%，且乙醇回收率达到98%，计算塔顶、塔底产品量及其釜液组成。精馏段和提馏段上升蒸汽及下降液体量。已知10%乙醇泡点为86。8/1/2022638/1/202264五、 理论塔板数计算 （一）理论塔板数的图解法计算xn,yn符合平衡关系，由2点表示8

14、/1/202265图解法求理论板数讨论：确定最佳进料位置最优进料位置：塔内汽相或液相组成与进料组成相等或相近的塔板。 图解法最优进料板：跨越两操作线交点的梯级， NT最少。8/1/202266阶梯中水平线的距离代表液相中易挥发组分的浓度经过一次理论板后的变化；竖直线的距离代表气相中易挥发组分的浓度经过一次理论板后的变化每个阶梯代表一块理论板，阶梯在相平衡线上的顶点纵、横坐标值分别为离开该板的气、液相组成。8/1/202267（二）理论塔板数的逐板计算法全凝器泡点回流泡点进料间接蒸汽加热F, xFD, xDW, xWyWm-112nx1x2xnxm-1y2y1ym-1精馏段：y1=xD精馏段塔板

15、数：n-1n平衡关系的次数8/1/202268提馏段：平衡关系：操作关系：或提馏段塔板数：m-1(不含再沸器）8/1/202269平衡关系：操作关系：或注意： 塔顶分凝器与冷 凝器，分凝器相 当于一块理论板.精馏段塔板数： n-1-1D, xD=y0y1y0 x08/1/202270六、回流比与进料热状态对精馏过程的影响QFQDQWQcQQvQRQBq一定，RR、V、V、L、L都（一） R、 q和R对冷凝器和蒸馏釜的热负荷影响8/1/202271R一定， ，QB一定，若QF（q ）分离任务一定，热进料，减少塔釜负荷总输入热量一定，塔釜输入热量多，有利传质传热R一定，D、W、xD、xW一定QD、

16、QW一定R=V/W，L= V+W所以L不变，而 QF，必须增大L，R , QC8/1/202272（一） R、 q和R对理论板数的影响q一定，RR一定，D、W、xD、xW一定，q的影响8/1/202273D、F、xD、R一定，q推动力 NTq NT是以塔釜负荷增加为代价8/1/202274R一定，xF、xD、xW一定，q的影响xWyxxDxFDFWq0q=00q1推动力 NTq NT是以塔顶负荷增加为代价8/1/202275R的影响RNT、操作费七、塔顶液相回流比的选择8/1/202276（一）全回流与最少理论板数 全回流：塔顶上升蒸气冷 凝后全部引回塔作为回流。 D=0，W=0，F=0；两条

17、操作线合二为一，与对角线重合。 N=Nmin 全回流的特点：8/1/202277全回流时Nmin：第1块8/1/202278第1块第2块第2块第N-1板 第N块（再沸器） 塔顶全凝器8/1/202279芬斯克公式(多组分) 适用条件：双组分混合物，塔顶全凝器，塔釜间接加热。8/1/202280注意： Nmin：包括再沸器； 以xF 代替xw，可求得不含进料板在内的精馏段最小理论塔板数。 全回流的意义:开工、实验研究、设备异常或调试时， 便于控制。8/1/202281（二）最小回流比Rmin8/1/202282最小回流比：对于某一物系，在一定的分离任务下，所需理论板为无穷多时所对应的回流比。恒浓

18、区（夹紧点或夹点） 夹点：操作线与平衡线的交点或切点称为夹点。在p点（两操作线的交点落在平衡线上的点）前后各板气液两相组成基本没有变化 ，即无增浓作用。所以此区称作恒浓区，p点叫夹紧点。8/1/202283 作图法： 理想物系平衡线 非理想物系平衡线最小回流比的计算phDFFxpyp8/1/202284gg8/1/202285（三）适宜回流比R 对操作费用的影响：R 对设备费用的影响：8/1/202286八、理论板的简捷计算法R 、NT 、Rmin 、Nmin关系关联图：吉利兰图。R为操作回流比， Rmin为最小回流比， NT为操作回流比时的理论塔板数（包括蒸馏釜）， Nmin为最小回流比时的

19、理论塔板数（包括蒸馏釜）。 8/1/202287左端：右端：最小回流全回流 适用条件：多组分，多种进料状态，：1.264.05 N： 2.443.1 特点：简便、快； 双组分、多组分都适用； 误差大，可用N估算，方案的比较。8/1/202288 NT的计算步骤：（1）由物系性质及分离程度定Rmin 、R；（2）计算全回流下的Nmin （图解法、芬斯克公式 ） （4）xw=xF，定加料位置 注意：吉利兰图可回归成8/1/202289【例6-9】用一连续精馏塔分离苯和甲苯混合物，原料液中苯为0.44，馏出液中苯为0.957，釜液中苯为0.0235，进料为饱和液体 ，回流比为最小回流比的2倍），相对

20、挥发度为2.5，求 列平衡方程和进料线方程 最小回流比 列操作线方程平衡线方程式： y = x /1+( -1 ) x 进料线方程： y = qx/ ( q-1) -xF /( q-1)饱和液体进料，q= 1，q线方程为x = xF ,与x轴垂直。8/1/202290最小回流比:Rmin /(Rmin+1) = (xD -yq) / (xD-xq)，进料线与平衡线交点坐标Xq=XF=0.44, 代入平衡线方程求得yq = 0.66, XD=0.957, 所以解得：Rmin= 1.35R=2Rmin=2.7, 精馏段操作线方程：yn+1 = 0.73xn0.26将XF=0.44, 代入精馏段操作

21、线方程求得yF+1=0.5812根据点（XF,y)、(xw,xw)可得提馏段操作线方程： 化简得： ym+1 =1.339xm0.0088/1/202291九、精馏塔的操作计算（试差法）先设xw物料衡算求xD（y1)（接近xw为止）十、直接蒸气加热及两股进料的精馏塔（一）直接蒸汽加热的精馏塔8/1/202292目的：处理某轻组分的水溶液，难挥发组分为水时， 直接蒸气加热，省再沸器流程及特点：FxFWD8/1/202293NT的计算 精馏段操作线 提馏段操作线 q线总物料衡算L+S=V+b易挥发组分Lxn=Vyn+1+bxbF, xFD, xDb, xbSV,yn+1L, xn+1n b上式中S

22、为加热蒸汽流量，kmol/h8/1/202294过点（xb，0）斜率：b/SS=Vb=LxDxbxF 理论板数的求取依据恒摩尔流假设，有则8/1/202295（二）两股进料的精馏塔P77F2, xF2D, xDW, xWF1, xF1V, yn+1L, xn+1s段：段：8/1/202296DxF2xF1xDxw357共7块（含再沸器）第3块为xF1加料板第5块为xF2加料板 斜率： 100全回流8/1/2022118四、塔高的确定 五、塔径的计算u气相的空塔气速，m/s.8/1/2022119C气相负荷因子液体表面张力，dyne/cm (同mN/m)2020dyne/cmC 2.02020C

23、C =ss下的气相负荷因子8/1/2022120泡 罩泡罩塔板（一）泡罩塔六、板式塔类型8/1/2022121V- 浮阀V- 浮阀塔板（二）浮阀塔8/1/2022122筛 板导向筛板（三）筛板塔8/1/2022123浮舌塔板舌形塔板（四）其它类型塔板1）舌形塔板与浮动舌形塔板8/1/20221242） ADV浮阀塔板ADV高性能浮阀塔板技术是在F1浮阀塔板的基础上,对浮阀及塔板结构进行了多方面的创新和优化。几年来在300多个大型工业塔上的应用情况表明,与F1塔板相比,ADV塔板技术可使生产能力提高30-50,分离效率提高10-20,操作弹性增大40以上,压降约低10。 8/1/2022125ADV塔盘的鼓泡状态8/1/20221268/1/20221278/1/