《化工单元操作》课件-项目4：蒸馏

DISTILL0ATIONOVERVIEW

蒸馏概述项目三蒸馏概述0

1.

熟知蒸馏操作的原理、双组分理想体系的相平衡关系及在蒸馏操作的运用。0

2.0

3.

熟知精馏系统中常见设备的结构和性能。掌握精馏过程分析及计算。知识目标：

技能目标：0

1.

能进行精馏操作工艺参数的简单计算。0

2.

能正确识读精馏流程。03.会进行精馏塔的开停车及正常操作。项目三蒸馏概述项目三蒸馏概述0

1.

双组分气液相平衡关系分析02.

蒸馏方式及其原理分析03.

连续精馏过程的计算04.

蒸馏设备及选择05.

板式精馏塔的操作与控制石油炼制工业

(原油

汽油、煤

油、柴油等）；石油化工工业（石油裂解气

的分

离）；空气的分离（氧气、氮气的制备）等。0分离多组分混合物；某一组分的提纯；

有用组分的回收。一、蒸馏在化工生产中的应用蒸馏的应用2016

蒸馏的目的项目三

蒸馏概述例粗甲醇的精制1-粗甲醇槽2-预精馏塔

3-加压精馏塔

4-常压精馏塔项目三

蒸馏概述利用液体混合物中各组分在一定温度下挥发能力的差异。蒸馏过程的实质是汽液相的相际间的传质传热过程，是化工生产

中重要的单元操作之一。二、蒸馏分离的依据项目三

蒸馏概述

蒸馏过程易挥发组分(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。必有：

yA

>

xA,

yB

<

xB

>

BAxxBAyy二、蒸馏分离的依据汽相：

yA,

yB液相：

xA,

xB项目三

蒸馏概述液体混合物部分汽化加热液相冷凝三、蒸馏过程的分类简单蒸馏平衡蒸馏精馏特殊精馏双组分蒸馏多组分蒸馏项目三

蒸馏概述按物系的组分数按蒸馏方式常压蒸馏加压蒸馏减压（真空）蒸馏三、蒸馏过程的分类普通蒸馏特殊蒸馏间歇蒸馏连续蒸馏项目三

蒸馏概述按分离难易按操作压力按操作方式1ANALYSISOFTWO-COMPONENTGAS-LIQUIDPHASEEQUILIBRIUMRELATIONSHIP双组分气-液相平衡关系分析项目三蒸馏任务1双组分气-液相平衡关系分析四、

非理想溶液气液相平衡二、

理想溶液气液相平衡一、

蒸馏的理论基础三、

相对挥发度

液体的饱和蒸气压密闭容器内，一定温度，纯组分液体的气液两相达到平衡状态，或称饱和状态。蒸汽为饱和蒸汽，其压力为饱和蒸气压（蒸气压）。Antoine方程：

lgp0

=

A

-

B

t

+

Cpo—纯组分液体的饱和蒸汽压，kPa任务1双组分气-液相平衡关系分析

一、蒸馏的理论基础A、B、C—与物质有关的常数，可由手册查找。

拉乌尔定律及其应用理想溶液：

微观

：fAB=

fAA=

fBB；

宏观：体积和不变，无热效应。拉乌尔定律：理想溶液在一定温度下，汽液平衡时汽相中任一组分的分压等于此纯组分在该温度下的蒸汽压乘以它在液相中的摩尔分数。pA

、pB—溶液上方A和B两组分的平衡气相分压，PapAo、pBo

—

同温度下，纯组分A和B的饱和蒸汽压，PaxA

、

xB

—分别为混合液组分A和B的摩尔分数任务1双组分气-液相平衡关系分析

pA=pAo

xApB=pBoxB=

pBo（1-xA）一、蒸馏的理论基础理想物系pA=pAoxA

pB=pBoxB=

pBo（1-xA）理想物系，气相服从道尔顿定律p=

pA

+

pB

=

p

xA

+

p

xB

=

p

xA

+

p

(1

-

xA

)—泡点方程（平衡物系的温度与液相组成的关系）B0A0B0A0任务1双组分气-液相平衡关系分析

二、理想溶液气液相平衡—露点方程（平衡物系的温度与气相组成的关系）yA

=

x

AxA

=

0

0pA

-

pB理想溶液t

~y

~x关系式p

-

pB0两条线：液相线（泡点线）气相线（露点线）三个区：液相区，过冷液体气相区，过热蒸汽两相区，气液共存•

两相温度相同：y

>

x二、理想溶液气液相平衡•

组成相同：t露点

>t泡点

理想溶液t

~y

~x图任务1双组分气-液相平衡关系分析

理想溶液y

~x图x~y线上各点温度不同；对角线y=x为辅助曲线，y>x

，平衡线在对角线之上；平衡线离对角线越远，挥发性差异越大，物系越易分离。二、理想溶液气液相平衡任务1双组分气-液相平衡关系分析任务1双组分气-液相平衡关系分析

压力增加，平衡线靠近对角线，分离难度大。

压力对t~xA（yA

）图及x~y图的影响二、理想溶液气液相平衡p2

>p1

挥发度该物质挥发难易程度的标志，v

表示。纯组分的挥发度：

v=

pAo任务1双组分气-液相平衡关系分析

三、相对挥发度vA

=

,

vB

=

xA

xBpA=

=x

ApB=

=xBpA

x

Ax

ApB

xB

xBoo混合液某组分挥发度:=

pAo=

pBopA

pB理想溶液则:vAvB

相对挥发度(以α表示)一般物系：

C

=

VA

=

xAxB

=

1

一

}

代入

=

C

一1=Byx

Bx

ABAyyx

Ay

AxBpAC

=yA

x

AyBxB或：yAyB=

CxAxB任务1双组分气-液相平衡关系分析

三、相对挥发度y

=Cx1

+

(C

一

1)x理想气体或低压：—相平衡方程VB

pBα的物理意义：

标志着物系分离的难易程度。若α=1

，则普通蒸馏方式将无法分离此混合物。若α<1,则重新定义轻组分与重组分，使α

>1。平均相对挥发度

“m

，近似计算时

am

=

a顶

a釜

。任务1双组分气-液相平衡关系分析

三、相对挥发度

相对挥发度(以α表示)

讨论（1）无恒沸点的溶液

，如甲醇-水溶液。pA>pA理，pB>pB理，介于pAo、pBo

之间。（2）有最低恒沸点的溶液

，如乙醇-水。任务1双组分气-液相平衡关系分析

对拉乌尔定律有正偏差的溶液四、非理想溶液气液相平衡乙醇-水x-y图

对拉乌尔溶液有负偏差的溶液（1）无恒沸点溶液，如氯仿-苯溶液。pA<pA理，pB<pB理，介于pao、pBo

之间。（2）有最高恒沸点的溶液，如硝酸-水溶液。任务1双组分气-液相平衡关系分析

四、非理想溶液气液相平衡硝酸-水溶液x-y图蒸馏的理论基础液体的饱和蒸气压、拉乌尔定律及其应用理想溶液气液相平衡理想溶液t

~y

~

x关系式、理想溶液y

~

x图、压力对t~xA（yA）图及x~y图的影响。相对挥发度挥发度、相对挥发度(以“表示)非理想溶液气液相平衡项目三蒸馏任务1双组分气-液相平衡关系分析任务1重难点2DISTILLATION

MODEAND

ITS

PRINCIPLEANALYSIS蒸馏方式及其原理分析项目三蒸馏任务2蒸馏方式及其原理分析一、

简单蒸馏二、

平衡蒸馏

三、

精馏原料液yx蒸汽残液特点间歇操作过程是一动态过程；易挥发组分更多地传递到气相中去，釜

液温度不断升高；产品与釜液组成随时间而改变(降低）；瞬时蒸汽与釜中液体处于平衡状态。任务2蒸馏方式及其原理分析

一、简单蒸馏03040201塔顶

产品塔顶

产品蒸馏釜冷凝器

特点01可连续操作；02定态，组成和温度恒定不变；03

气、液两相平衡

；04

单级。任务2蒸馏方式及其原理分析

加热器原料液减压阀二、平衡蒸馏yAxA塔顶产品塔底产品分离器无回流多次部分冷凝和部分汽化示意图

蒸馏装置庞大；

能量消耗大；任务2蒸馏方式及其原理分析

连续精馏流程的选择三、精馏Ln−1L1原料加热水蒸气v

−1m′L

−1m′v

n−1冷却水冷却水冷却水vm′Lm′v1′vnL0′L1′Lnv1v0有回流多次部分冷凝和部分汽化任务2蒸馏方式及其原理分析

两相回流：精馏过程的必要条件之一。

连续精馏流程的选择三、精馏原料加热水蒸气加热水蒸气v

−1m′L

−1m′v

n−1冷却水Ln−1vm′Lm′v1′vnL0′L1′Lnv1v0L1任务2蒸馏方式及其原理分析

三、精馏xn

1与yn+1不平衡

—两相传质

精馏原理tn

1

<

tn+1

—两相传热y

1

>

yn+1

液相中的易挥发组分部分汽化向气相传递；x

+1

<

xn

1

气相中的难挥发组分部分冷凝向液相传递；平衡：

yn与xn

相平衡离开该级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。结果：

yn

>

yn+1

，xn

<

xn

1n*n*ynxn-

1yn+1xn任务2蒸馏方式及其原理分析

三、精馏

精馏原理n+1nn-1tn-1tn+1tn任务2蒸馏方式及其原理分析

三、精馏

连续精馏装置主要结构：精馏塔、冷凝器、再沸器。进料板进料板：原料液进入的那层塔板。精馏段：进料板以上的塔段，从下到上逐板增浓上升气相中易挥发组分的浓度。提馏段：进料板以下（包括进料板）的塔段，从上到下逐板增浓下降液相中难挥发组分的浓度。任务2蒸馏方式及其原理分析

三、精馏

连续精馏装置010203精馏段提馏段yn-1tn-1ntnn+1tn+1n-1ynxn-1yn+1xnxn+1塔板：提供气、液两相进行传质和传热的场所，每一块塔板是一个混合分离器。任务2蒸馏方式及其原理分析

三、精馏

连续精馏装置04塔顶冷凝器：使进入冷凝器的塔顶蒸气全部或部分冷凝，部分冷凝液送回

塔顶回流，其余作为液相产品。任务2蒸馏方式及其原理分析

三、精馏

连续精馏装置04塔底再沸器：溶液受热后部分汽化，气相进入塔内，使塔内有一定流量的上升蒸气流，液相作为塔釜产品。任务2蒸馏方式及其原理分析

三、精馏

连续精馏装置04•

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？任务2蒸馏方式及其原理分析

三、精馏

连续精馏装置

思考项目三蒸馏任务2蒸馏方式及其原理分析

简单蒸馏

平衡蒸馏

精馏原理任务2重难点项目三蒸馏任务2蒸馏方式及其原理分析

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作为液

相回流。•

最下要有高纯度难挥发组分的气相作为气

相回流(上升蒸气)。任务2重难点3CALCULATIONOFCONTINUOUSDISTILLATION

PROCESS连续精馏过程的计算--全塔物料衡算及操作线方程项目三蒸馏任务3连续精馏过程的计算

--全塔物料衡算及操作线方程一、

恒摩尔流量假设二、

全塔物料衡算三、

操作线方程

恒摩尔流假设（1）恒摩尔气流：每层塔板上升的蒸汽摩尔流量都相等，提馏段也一样。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。但两段的上升蒸汽的摩尔流量不一定相等。任务3连续精馏过程的计算--全塔物料衡算及操作线方程一、恒摩尔流量假设

恒摩尔流假设（2）恒摩尔液流：每层塔板下降的液体摩尔流量都相等，提馏段也一样。但两段下降的液体摩尔流量不一定相等。即：

L1=L2=

······L=常数L1

’=L2

’=

······L’=常数式中：

L------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。任务3连续精馏过程的计算--全塔物料衡算及操作线方程一、恒摩尔流量假设•

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。任务3连续精馏过程的计算--全塔物料衡算及操作线方程一、恒摩尔流量假设

恒摩尔流假设适用条件

全塔物料衡算分析单位时间为基准总物料衡算：

F=D+W易挥发组分物料衡算：FxF=DxD+WxWF、D

、W：kmol/sxF、xD、x

W：摩尔分数任务3连续精馏过程的计算--全塔物料衡算及操作线方程

二、全塔物料衡算规定

xD、x

W组分采出率：组分回收率：

A

=

100%

B

=

--

100%))x

Fx

W11((FWFx

FDx

D任务3连续精馏过程的计算--全塔物料衡算及操作线方程二、全塔物料衡算

分离要求的不同形式：xD-

xW=xD

-

xF塔顶易挥发组分：塔釜难挥发组分：010302xF

-

xWxD

-

xFD

W馏出液：釜液：WF=

精馏段操作线方程•

总物料衡算：

V=L+D•

易挥发组分的物料衡算：Vyn+1=Lxn+DxD•精馏段的操作线方程：yn+1

=

xn

+

xD

令R=L/D

，R称为回流比任务3连续精馏过程的计算--全塔物料衡算及操作线方程

yn+1

=RR+

1xn

+1R+

1xD三、操作线方程VLR'

=

V'

/W

—塔釜的气相回流比'R

+

1

1ym+1

=

R'

xm

R'

xW任务3连续精馏过程的计算--全塔物料衡算及操作线方程

'

'•

总物料衡算：L

=

V

+'•

易挥发组分：

Lxm

=

Vym+1

='LV'xmx

W三、操作线方程

提馏段操作线方程W'ym+1+WxW

′L′项目三蒸馏任务3连续精馏过程的计算

--全塔物料衡算及操作线方程任务3-1重难点全塔物料衡算操作线方程3CALCULATIONOFCONTINUOUSDISTILLATION

PROCESS连续精馏过程的计算--进料热状况项目三蒸馏任务3连续精馏过程的计算--进料热状况五、

进料热状况对操作线的影响二、

进料热状态参数四、

操作线的绘制三、

q线方程一、

进料状态任务3连续精馏过程的计算--进料热状况一、进料状态过冷液体P饱和液体CtF

<

t泡点tF

=

t泡点t泡点

<

tF

<

t露点

汽液混合物G饱和蒸汽D过热蒸汽HtF

=

t露点tF

>

t露点冷液进料泡点进料汽液混合进料饱和蒸汽进料过热蒸汽进料'L

>

L+

F'L

=

L+

F'V

<V'L

=

L'L

<

L'V

<V'V

=V'L<

L

<

L+

F'V

＝

V

一

F'V

<

V

一

F任务3连续精馏过程的计算--进料热状况汽液混合进料1kmol原料变为饱和蒸汽所需热量q

=

V,＝V一

(1

一

q)FL,

=

L+

qF以汽液混合物进料分析，令液相分率为q,对进料板进行物料衡算和热量衡算，得到任务3连续精馏过程的计算--进料热状况二、进料热状态参数'V

F

=

F

I

一

IV

L原料液的千摩尔汽化潜热'L

一

LF=

qL

一

L

I

一

I进料热状况方程又称q线方程，是精馏段操作线和提馏段操作线交点的轨迹方程。精馏段操作线方程：Ⅴy

=Lx+DxD提馏段操作线方程:

Ⅴ′y

=L′x−wx

w结合

L,

=

L+

qF

V,＝V一

(1

一

q)F得到q线方程：任务3连续精馏过程的计算--进料热状况y

=

q

q一1x

一

xF

q一1三、

q线方程yxF

x进料状况q值q线位置冷液q>1饱和液体q＝1气液混合0<q<1饱和蒸汽q＝0过热蒸汽q<0q＝1

q>10<q<1f3q＝0f4‘f5q<0任务3连续精馏过程的计算--进料热状况三、

q线方程f1f2a操作线为过点a（xD，xD

）

xD

截距:

R

+

1斜率:

=

任务3连续精馏过程的计算--进料热状况yn+1

=RR+

1xn

+1R+

1xD四、操作线的绘制yb

xD

R

+

1

精馏段操作线xD

xfbca任务3连续精馏过程的计算--进料热状况ym+1

=

xm

-

x

W过点d截距:

-

'斜率:

V'四、操作线的绘制

提馏段操作线xW

xF

xD

x过点c（xW

，

xW

）

xD

R

+

1deyL•

对精馏操作线无影响，•

对提馏操作线有影响，•q提馏操作线斜率个推动力

。五、进料热状况对操作线的影响任务3连续精馏过程的计算--进料热状况项目三蒸馏任务3连续精馏过程的计算--进料热状况进料状态冷液进料、泡点进料、汽液混合进料、饱和蒸汽进料、过热蒸汽进料进料热状态参数任务3-2重难点'L-

LF=

q项目三蒸馏任务3连续精馏过程的计算--进料热状况q线方程操作线的绘制进料热状况对操作线的影响任务3-2重难点3CALCULATIONOFCONTINUOUSDISTILLATION

PROCESS连续精馏过程的计算--理论塔板数的确定项目三蒸馏任务3连续精馏过程的计算--理论塔板数的确定板式精馏塔塔高的设计需要计算理论塔板数。

理论塔板数计算物系的相平衡关系和操作线方程。

依据

应用逐板计算法或图解法。项目三蒸馏任务3连续精馏过程的计算--理论塔板数的确定一、

理论板数的逐板计算法三、

理论塔板数影响因素二、

理论板数的图解法精馏段塔板数：n-1n——平衡关系的次数{

=

平衡关系：xn任务3连续精馏过程的计算--理论塔板数的确定

精馏段

.

全凝器；泡点回流；间接蒸汽加热操作关系：yn+1=

V

xn+

V

xD

或

yn+1

=

R

+

1xn

+

R

+

1xD一、理论板数的逐板计算法（泡点进料）...

xn

<

xFy1=xD

X1

X

2系衡关平L

D

R

1操作

关系平衡

关系y2任务3连续精馏过程的计算--理论塔板数的确定

yn

C

-

(C

-

1)yn=

L

x

-

W

x'平衡关系：

xn

=操作关系：

ym+1一、理论板数的逐板计算法提馏段'操作关系

y2提馏段塔板数：m-1(不含再沸器）

L

+

qF

L

+

qF

-

W'操作关系

y3

...'xm

<

xWV'

m

V'

W'xn

=

x1L

+

qF

-

W{平衡关系ym+1

=xm

-'x2xWW精馏段塔板数：n-1-1任务3连续精馏过程的计算--理论塔板数的确定一、理论板数的逐板计算法塔顶分凝器与冷凝器，分凝器相当于一块理论板。

注意xFx

a•

y-x线•

精馏段操作线•

q线•

提馏段操作线•

梯级任务3连续精馏过程的计算--理论塔板数的确定二、理论板数的图解法

bq

线

2xD

1.04

xwxq1.0yde3051•

xn~yn

相平衡，落到平衡线上。•

xn~yn+1

操作关系，落到操作线上。任务3连续精馏过程的计算--理论塔板数的确定二、理论板数的图解法

梯级的物理意义NT

=

f(“、xF、q、R、xD、xW

)与

F无关a一定，

个

、

NT

任务3连续精馏过程的计算--理论塔板数的确定三、理论塔板数影响因素

梯级的物理意义最优进料位置：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。任务3连续精馏过程的计算--理论塔板数的确定三、理论塔板数影响因素

梯级的物理意义任务3连续精馏过程的计算--理论塔板数的确定三、理论塔板数影响因素展项目三蒸馏任务3连续精馏过程的计算--理论塔板数的确定理论板数的逐板计算法理论板数的图解法理论塔板数影响因素任务3-3重难点3CALCULATIONOFCONTINUOUSDISTILLATION

PROCESS连续精馏过程的计算--适宜回流比的选择项目三蒸馏任务3连续精馏过程的计算--适宜回流比的选择一、全回流二、

最小回流比Rmin三、

适宜回流比yx

全回流的特点•

塔顶上升蒸气冷凝后全部引回塔顶作为回流。•

两条操作线合二为一，与对角线重合。yn+1

=

xn

N=Nmin任务3连续精馏过程的计算--适宜回流比的选择一、全回流W=0

，F=0；

=

xw

xF

xDD=0，R=

全回流时理论塔板数的确定.

全回流时理论塔板数可用芬斯克方程计算（不包括再沸器）任务3连续精馏过程的计算--适宜回流比的选择「(

x

)

(

1

-

x

)

]

1'g“一、全回流'g

||

D

|

|

W

|

||L（1-xD)（

xW)

」|

-Nmin

=

全回流时理论塔板数的确定•适用条件：双组分混合物，塔顶全凝器，塔釜间接加热。•

全回流的意义：开工、实验研究、设备异常或调试时，便于控制。任务3连续精馏过程的计算--适宜回流比的选择一、全回流1.0

yqyxq

xF

xDxaqdhe

b•对于某一物系，在一定的分离任务下，最小回流比时所需理论板为无穷多。任务3连续精馏过程的计算--适宜回流比的选择理想物系平衡线•

理想物系平衡线二、最小回流比

RminR

=

xD

-

yq

min

yq

-

xq

Rmin

=

ah

=

xD

-

yqRmin

+

1

dh

xD

-

xqxw1.00任务3连续精馏过程的计算--适宜回流比的选择

Rmin

=

ag

Rmin

+

1

gd二、最小回流比

Rmin

非理想物系平衡线

总

费

用

操

作费

用

设

备费

用Rmin

R

回

流

比•

R对操作费用的影响：

R

个牵V

个,V

'

个牵

操作费用个•

R

对设备费用的影响：

R

个牵

NT

专

(到一定程度下降缓慢

R个牵V个,V'

个牵

换热设备费用个•

适宜回流比：任务3连续精馏过程的计算--适宜回流比的选择三、适宜回流比R=

(1.1

-

2)Rmin项目三蒸馏任务3连续精馏过程的计算--适宜回流比的选择

全回流

yn+1

最小回流比

适宜回流比=

xnxD

yqRmin

=

yq

xqR=

(1.1

2)Rmin任务

-

重难点3

44DISTILLATION

EQUIPMENTAND

ITSSELECTION蒸馏设备及其选择--板式塔的结构及气液传质过程项目三蒸馏任务4蒸馏设备及其选择--板式塔的结构及气液传质过程三、

塔板上气液两相的流体现象二、

板式塔结构一、

塔类型任务4蒸馏设备及其选择--板式塔的结构及气液传质过程一、塔类型连续接触式（填料塔）逐级接触式（板式塔）任务4蒸馏设备及其选择--板式塔的结构及气液传质过程二、板式塔结构任务4蒸馏设备及其选择--板式塔的结构及气液传质过程二、板式塔结构筛孔任务4蒸馏设备及其选择--板式塔的结构及气液传质过程塔板结构及气、液通道（以筛孔塔板为例）二、板式塔结构塔板鼓泡区03

气液鼓泡区02

降液管01溢流堰降液

管道筛板塔板流体流动安排•

气液分布均匀，•

总体逆流，•板上错流。

塔板结构及气、液通道（以筛孔塔板为例）任务4蒸馏设备及其选择--板式塔的结构及气液传质过程二、板式塔结构04

气液接触状态（3种）01

鼓泡接触状态•

液体：连续相；•

气体：分散相；•

传质面：气泡表面。任务4蒸馏设备及其选择--板式塔的结构及气液传质过程三、塔板上气液两相的流体现象