化工原理6 蒸馏

1、第六章 蒸馏,第一节 双组分溶液的汽液相平衡,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,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；,汽体混合物；,固体混合物。,蒸馏过程的分离依据,依据：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,液相：xA, xB,必有： yA xA, yB x,两条线：液相线（泡点线） 汽相线（露点线）,组成相同，

2、t露点t泡点,对角线y=x为辅助曲线，yx ，平衡线在对角线之上；,yx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。,压力对txA（yA）图及xy图的影响,压力增加，平衡线靠近对角线，分离难度大,（三） 相对挥发度与理想溶液的yx关系,组分的挥发度: 是该物质挥发难易程度的标志，表示。,pA、 pB汽液平衡时，组分A,B在汽相中的分压； xA、xB汽液平衡时，组分A,B在液相中的摩尔分率。,混合液中某组分挥发度:,1. 挥发度,纯组分的挥发度： = pAo,理想溶液则:,2. 相对挥发度(以表示),理想汽体：,或：,一般物系：,3. 理想溶液的汽液相平衡方程式,代入,

3、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。,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、 非理想溶液汽液相平衡,（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。,（2）有最低恒沸点的溶液 如乙醇-水,（二）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 pApA理， pBpB理，介于pao、pBo 之间。,（2）有最高恒沸点的溶液 如硝酸-水溶液,第二节 蒸馏与精馏原理,二、精馏原理,一、简单蒸馏与平衡

4、蒸馏,（一）简单蒸馏（微分蒸馏）,y,原料液,x,蒸汽,冷凝器,特点：间歇、非定态，R=0,一、简单蒸馏与平衡蒸馏,简单蒸馏流程,组成,温度,0.0,1.0,分离原理,（二）平衡蒸馏,特点： 连续； 定态； 单级。,分离器,塔顶产品,yA,xA,加热器,原料液,塔底产品,Q,减压阀,组成,温度,0.0,1.0,分离原理,结论： 混合液体经过多次部分汽化可得到接近纯的重组分 混和蒸汽经过多次部分冷凝可得到接近纯的轻组分,（三）精馏原理 1、多次部分汽化和多次部分冷凝,加热器1,加热器2,加热器3,L3,x3,L4,x4,V1,y1,L2,x2,V2,y2,L3,x3,L4,x4,冷凝器1,冷凝器

5、2,冷凝器3,V3,y3,V4,y4,分离器,F,xF,2、过程设计,v3,y3,v4,y4,v2,y2,L2,x2,L1,x1,存在问题： 设备庞杂 能量消耗大 中间产品多，收率低,3、设备改进及能量的综合利用精馏塔,精馏连续稳定操作的两个必要条件： 塔顶液相回流 塔底汽相回流,精馏流程,小结： 精馏就是在精馏塔中同时实现多次部分汽化和多次部分冷凝，最终在塔顶得到接近纯的轻组分，塔底得到接近纯的重组分。, 精馏连续稳定操作的必要条件: 塔顶液相回流和塔底汽相回流,问题：1. 精馏过程的能耗主要在何处？,无液相回流，分离结果如何？ 无汽相回流，分离结果如何？,第三节 双组分连续精馏的计算与分析

6、,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,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。,一、 全塔物料衡算,单位时间为基准,总物料衡算：,F=D+W,易挥发组分物料衡算：,FxF=DxD+WxW,F、D、W：kmol/s,xF、xD、xW：摩尔分数,

7、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,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。,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-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、。,2.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。,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H,H,冷液进料,泡点进料,F,L,V,L,V,汽液混合进料,过热蒸汽进料,饱和蒸汽进料,（一）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,四、 操作线方程与q线方程,令R=L/D，R称为回流比,精馏段的操作线方程,（二）提馏段操作线方程,总物料衡算：,易挥发组分：,精馏段的操作线方程,塔釜的汽相回流比,（三）

9、塔釜汽相回流比R与塔顶液相回流比R及进料热 状态参数q的关系,（四） 操作线的绘制与q线方程,1.精馏段操作线,斜率:,截距:,操作线为过点（xD， xD ）,过点（xW， xW ）,斜率,截距:,D,I,f,2.提馏段操作线,F,W,3.两操作线交点坐标与q线方程,两操作线 交点坐标,q线方程,L与L,进料状况,q值,q线位置,V与V,q线对两操作线的影响,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 推动力 。,五、 理论板数计算,（一）理论板数的图解法计算,梯级的物理意义,理论板上浓度特征：xnyn相平衡，落到平衡线上。,某截面浓度特征： xnyn+1操作关系，落到操作

10、线上。,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。,（二）理论板数的逐板计算法,全凝器 泡点回流 泡点进料 间接蒸汽加热,精馏段：,y1=xD,精馏段塔板数：n-1,n平衡关系的次数,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）,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-1-1,六、回流比与进料热状态对精馏过程的影响,q一定，R,R、V、V、L、L都,（一） R、 q和R对冷凝器和蒸馏

11、釜的热负荷影响,R一定，QB一定，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 , QC,R一定，D、W、xD、xW一定,QD、QW一定,（二） R、 q和R理论板数的影响,q一定，R,R一定，D、W、xD、xW一定，q的影响,D、F、xD、R一定，q,推动力 NT,q NT是以塔釜负荷增加为代价,R一定，xF、xD、xW一定，q的影响,xW,xD,D,F,W,q0,q=0,0q1,推动力 NT,q NT是以塔顶负荷增加为代价,R的影响,RNT、操作费,七、塔顶液相回流比的选择,（一）全回流与最少理论板数,全回流：塔顶上升蒸汽冷 凝后全部引

12、回塔 顶作为回流。,D=0，W=0，F=0；,两条操作线合二为一，与对角线重合。,N=Nmin,全回流的特点：,全回流时Nmin：,第1块,第1块第2块,第2块,第N-1板,第N块（再沸器）,塔顶全凝器,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。,注意：,Nmin：包括再沸器；,xw=xF,全回流的意义:开工、实验研究、设备异常或调试时， 便于控制。,（二）最小回流比Rmin,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。,恒浓区（夹紧点） 在p点前后汽液两相浓度没有变化 ，即无增浓作用。所以此区称作恒浓区，p点叫夹紧点。,作图

13、法：,理想物系平衡线,非理想物系平衡线,最小回流比的计算,（三）适宜回流比,R 对操作费用的影响：,R 对设备费用的影响：,八、理论板的简捷计算法,R 、NT 、Rmin 、Nmin关系关联图：吉利兰图,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。,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,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、直接蒸汽加热及两股进料的精馏塔,（一）直接蒸汽加热的精馏塔,目的：处理某轻组分的水溶液，难挥发组分为水时， 直接蒸汽加热，省再沸器,流程及特点：,NT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+bxn,S=V,b=L,理论板数的求取,（二）两股进料的精馏塔,段：,段：,D,xF2,xF1,xD,xw,共7块（含再沸器）,第3块为xF1加料板,第5块为xF2加料板