化工原理第九章液体精馏.ppt

第九章 液体精馏9.1 9.1 蒸馏概述蒸馏概述 用于互溶液体混合物的分离用于互溶液体混合物的分离,是最常用的方法是最常用的方法.蒸馏分离的物理依据蒸馏分离的物理依据:液体中各组分挥发度不同液体中各组分挥发度不同.液体部分气化后的组成与剩余的液体组成有区别液体部分气化后的组成与剩余的液体组成有区别.工业蒸馏过程工业蒸馏过程:最简单的是平衡蒸馏和简单蒸馏最简单的是平衡蒸馏和简单蒸馏,只用一次平衡关系只用一次平衡关系.对高纯度的分离对高纯度的分离,需要需要精馏精馏,(,(重点重点)应用多次平衡关系应用多次平衡关系.图图9 91 1，图，图9 92 2精馏操作的费用和操作压强精馏操作的费用和操作压强 操作费用操作费用-液体气化需要热量液体气化需要热量(蒸汽蒸汽),),气体冷凝需要冷量气体冷凝需要冷量(冷却冷却水水););设备费用设备费用-塔器的投资塔器的投资,由塔直径和塔板数由塔直径和塔板数(塔高塔高)确定确定;操作压强高操作压强高设备要求高设备要求高,但对低沸点物质可用一般冷却介质但对低沸点物质可用一般冷却介质;操作压强低操作压强低需要真空设备需要真空设备,但适用高沸点和热敏性物质但适用高沸点和热敏性物质;9.2 9.2 双组分溶液的气液相平衡双组分溶液的气液相平衡9.2.1 9.2.1 理想物系的气液相平衡理想物系的气液相平衡气液两相平衡共存时的自由度气液两相平衡共存时的自由度 相律相律 1)1)液相液相(或气相或气相)组成与温度间一一对应关系组成与温度间一一对应关系;2)2)气气,液组成间的一一对应关系液组成间的一一对应关系.双组分理想物系的液相组成双组分理想物系的液相组成温度温度(泡点泡点)关系式关系式 1)1)液相为理想液体液相为理想液体(组分分子结构相似组分分子结构相似),),服从拉乌尔定律服从拉乌尔定律;2)2)气相为理想气体气相为理想气体(低压气体低压气体),),服从道尔顿分压定律服从道尔顿分压定律.满足拉乌尔定律：满足拉乌尔定律：纯组分的饱和蒸气压与纯组分的饱和蒸气压与t t的关系，用的关系，用AntoineAntoine公式表示公式表示:总压总压气相组成与温度气相组成与温度(露点露点)的定量表达式的定量表达式引入相平衡常数引入相平衡常数K K t-x(y)t-x(y)图和图和y-xy-x图图 泡点线泡点线,露点线露点线,平衡线平衡线y-xy-x的近似表达式与相对挥发度的近似表达式与相对挥发度 相态变化相态变化 杠杆定律杠杆定律P=常数常数xy011xAxBt泡点线泡点线露点线露点线气相区气相区液相区液相区两相区两相区重组分沸点重组分沸点轻组分沸点轻组分沸点讨论讨论:1)1)上式相平衡方程，反映了双组分物系平衡时两相的浓度关系上式相平衡方程，反映了双组分物系平衡时两相的浓度关系2)2)对理想物系对理想物系3)3)对物系相对挥发度对物系相对挥发度 相差不大相差不大4)4)相差较大相差较大,但不超过但不超过30%30%9.2.2 9.2.2 非理想物系的气液相平衡非理想物系的气液相平衡 实际生产遇到的物系大多数是非理想物系实际生产遇到的物系大多数是非理想物系.在常压和减压条件下在常压和减压条件下,气相为理想气体气相为理想气体,液相为非理想液相为非理想 上式为上式为 相平衡常数相平衡常数K K为为 某些溶液和理想溶液比较具有较大的某些溶液和理想溶液比较具有较大的正偏差正偏差,使溶液在某一组使溶液在某一组成时其两组分的蒸汽压之和出现最大值成时其两组分的蒸汽压之和出现最大值.溶液具有溶液具有最低恒沸点最低恒沸点.某些溶液和理想溶液比较具有较大的某些溶液和理想溶液比较具有较大的负偏差负偏差,使溶液在某一组使溶液在某一组成时其两组分的蒸汽压之和出现最小值成时其两组分的蒸汽压之和出现最小值.溶液具有溶液具有最高恒沸点最高恒沸点.活度系数是温度和组成的函数可以通过活度系数关联式求得活度系数是温度和组成的函数可以通过活度系数关联式求得,各种关联式中的模型参数由实验数据拟合各种关联式中的模型参数由实验数据拟合.见图见图9 96 6，图，图9 97 7，图，图9 98 8，图，图9 99 9，图，图9 91010 在中高压条件下在中高压条件下,需通过状态方程求取逸度系数需通过状态方程求取逸度系数.总压对相平衡的影响总压对相平衡的影响 混合物的泡点越高混合物的泡点越高,各组分挥发度的差异越小各组分挥发度的差异越小.因此因此总压增高总压增高,泡点上升泡点上升,相对挥发度减小相对挥发度减小,分离困难分离困难.当压强大于轻组分的当压强大于轻组分的临界压强时，气液共存区临界压强时，气液共存区缩小，分离只能在一定范缩小，分离只能在一定范围内进行，不能得到轻组围内进行，不能得到轻组分的高纯度产品。分的高纯度产品。9.3 9.3 平衡蒸馏和简单蒸馏平衡蒸馏和简单蒸馏9.3.1 9.3.1 平衡蒸馏平衡蒸馏 y y，x x，泡点温度，泡点温度t te e。DWFxF9.3.2 简单蒸馏简单蒸馏平衡蒸馏与简单蒸馏的平衡蒸馏与简单蒸馏的比较比较:平衡蒸馏：平衡蒸馏：y y与与x x平衡平衡简单蒸馏：简单蒸馏：y y与与x x不满足平衡关系不满足平衡关系 当液相产品当液相产品x x相等时，简单蒸馏的汽相产品浓度可大些见相等时，简单蒸馏的汽相产品浓度可大些见P59P59例例9-39-3，两种蒸馏方式只能使混合液一定程度的提浓，而，两种蒸馏方式只能使混合液一定程度的提浓，而不能获得高浓度分离。不能获得高浓度分离。9.4 9.4 精馏精馏9.4.1 9.4.1 精馏原理精馏原理 上述平衡蒸馏与简单蒸馏可见只经过一次部分气化上述平衡蒸馏与简单蒸馏可见只经过一次部分气化,即只利于即只利于一次平衡关系一次平衡关系,因此不能获得高纯度产品因此不能获得高纯度产品.精馏实际是多次部分气精馏实际是多次部分气化或多次部分冷凝化或多次部分冷凝,即利用多次平衡关系即利用多次平衡关系.t-x-y图图 有许多中间产品有许多中间产品为了消除中间产品可以以下流程为了消除中间产品可以以下流程用上升蒸汽的热量使液体部分气化用上升蒸汽的热量使液体部分气化,由于由于是同一物系是同一物系,可用直接可用直接接触方式换热接触方式换热.工业上精馏是在精馏塔内完成的工业上精馏是在精馏塔内完成的,塔顶冷凝器将蒸汽冷凝塔顶冷凝器将蒸汽冷凝后后,一部分冷凝液回流入塔一部分冷凝液回流入塔,称为回流液称为回流液.塔底装有再沸器塔底装有再沸器气化部分液体成蒸汽使之沿塔上升气化部分液体成蒸汽使之沿塔上升,与下降的液体逆流接与下降的液体逆流接触进行物质传递触进行物质传递,达到分离的目的达到分离的目的.图图9-14常规精馏塔常规精馏塔常规精馏塔见图常规精馏塔见图9-14 一股进料一股进料,二股出料二股出料,塔顶是全凝器塔顶是全凝器,塔底是间壁式的塔底是间壁式的再再沸器沸器.在塔的加料板以上完成上升蒸汽的精制在塔的加料板以上完成上升蒸汽的精制,除去其中的除去其中的重组分重组分,称为精馏段称为精馏段;在塔的加料板以下完成液体中提浓在塔的加料板以下完成液体中提浓,提出轻组分提出轻组分,称为提馏段称为提馏段.精馏与简单蒸馏的区别在于精馏与简单蒸馏的区别在于”回流回流”,回流构成气液回流构成气液两两相接触传质的必要条件相接触传质的必要条件,使重组分向液相传递使重组分向液相传递,轻组分向轻组分向气相传递气相传递.全塔物料衡算全塔物料衡算 精馏塔操作的各流率和组成间的关系均受全塔物料精馏塔操作的各流率和组成间的关系均受全塔物料衡算的约束衡算的约束.流率以流率以kmol/s表示表示,气液组成以摩尔分率气液组成以摩尔分率y和和x表示表示.总物料衡算总物料衡算对轻组分物料衡算对轻组分物料衡算得得进料组成进料组成xF通常已规定通常已规定1)当产品质量规定当产品质量规定,即即xD和和xW确定确定,产品得采出率产品得采出率D/F和和 W/F也确定也确定,不能自由选择不能自由选择.2)当塔顶得产率和质量当塔顶得产率和质量xD确定确定,塔底的产率和质量塔底的产率和质量xW也也 不能自由选择不能自由选择.3)规定分离要求时规定分离要求时,应使应使DxDFxF或或WxWFxF回流比和能耗回流比和能耗 回流比定义回流比定义 R=L/D 当塔顶产品量不变当塔顶产品量不变,回流比大回流比大,即上升蒸汽的量大即上升蒸汽的量大,塔塔顶顶全凝器的冷却负荷大全凝器的冷却负荷大,再沸器的加热负荷也大再沸器的加热负荷也大,即能耗加即能耗加大大.另一方面回流比增大另一方面回流比增大,使气液比也增大使气液比也增大,提高了分离提高了分离能能力力.9.4.2 精馏过程数学描述的基本方法精馏过程数学描述的基本方法逆流多级传质操作逆流多级传质操作 精馏设备也可分为微分接触式和分级接触式精馏设备也可分为微分接触式和分级接触式.典型的分级接触设备是板式精馏塔典型的分级接触设备是板式精馏塔.气相借压差穿过气相借压差穿过塔板上的小孔与横过塔板的液体接触塔板上的小孔与横过塔板的液体接触,进行两相的热进行两相的热,质质交换交换,然后气相上升至上层塔板然后气相上升至上层塔板,液相降至下层塔板液相降至下层塔板.过程描述的基本方法过程描述的基本方法 列出物料衡算列出物料衡算,热量衡算热量衡算,过程特征方程过程特征方程,有的时候进有的时候进行适当的简化行适当的简化.9.4.3 塔板上过程的数学描述塔板上过程的数学描述单块塔板的物料衡算单块塔板的物料衡算第第n块板的总物料衡算块板的总物料衡算第第n块板的轻组分物料衡算块板的轻组分物料衡算单块塔板的热量衡算及简化单块塔板的热量衡算及简化若假定若假定可得可得 称为称为恒摩尔流假定恒摩尔流假定.(有时用恒质量流假定有时用恒质量流假定)塔板传质过程的简化塔板传质过程的简化-理论板和板效率理论板和板效率 由于塔板上气液传递过程非常复杂由于塔板上气液传递过程非常复杂,为了避免困难为了避免困难,引引入理论板概念入理论板概念理论板理论板定义定义-在板上气液充分接触在板上气液充分接触,传热和传质阻力为传热和传质阻力为 零的理想化塔板零的理想化塔板,即离开塔板的气液相温度相等即离开塔板的气液相温度相等,气液相组成达到相平衡气液相组成达到相平衡.特征方程为特征方程为:泡点方程泡点方程 tn=(xn)相平衡方程相平衡方程 yn=f(xn)但但实际板不同于理板不同于理论板板,引入板效率概念引入板效率概念气相默弗里气相默弗里板效率板效率 理论板概念的引入使复杂的精馏问题分解为两个问题理论板概念的引入使复杂的精馏问题分解为两个问题,然后分步解决然后分步解决.理论板数量取决于分离要求理论板数量取决于分离要求,相平衡和回流比相平衡和回流比.板效率大小取决于设备和气液接触状况板效率大小取决于设备和气液接触状况.(相当于相当于NOG和和HOG)经过简化单块板的数学方程为经过简化单块板的数学方程为:物料衡算式物料衡算式 相平衡方程相平衡方程加料板过程分析加料板过程分析1）加料的热状况）加料的热状况原料加热到不同温度时状态不一；原料加热到不同温度时状态不一；有冷液，饱和液，气液两相，饱和气，过热气。有冷液，饱和液，气液两相，饱和气，过热气。不同的加料状态，离开加料板的两相流量和组成也不同的加料状态，离开加料板的两相流量和组成也 不同。不同。2）理论加料板）理论加料板 不管加料板上状态如何，离开加料板的两相温度相不管加料板上状态如何，离开加料板的两相温度相等，组成互为平衡。等，组成互为平衡。物料衡算式物料衡算式 相平衡方程相平衡方程3）精馏段和提馏段流量的关系）精馏段和提馏段流量的关系 列加料板物料和热量衡算式列加料板物料和热量衡算式 由恒摩尔假定，不同温度和组成的饱和液体焓由恒摩尔假定，不同温度和组成的饱和液体焓i和汽和汽化潜热均相等。化潜热均相等。V,I,ymL,i,xm-1V,I,ym+1L,i,xmF,iF,xF联立上二式，得联立上二式，得定义：定义：分子：分子：1kmol原料变成饱和蒸气所需的热原料变成饱和蒸气所需的热 分母：原料的摩尔汽化热分母：原料的摩尔汽化热可得可得q为加料热状态参数为加料热状态参数 q0，饱和气体（露点）；，饱和气体（露点）；q0，饱和液体（泡点），饱和液体（泡点）q0，过热蒸气；，过热蒸气；0q1，冷液，冷液精馏塔内的摩尔流率精馏塔内的摩尔流率精馏段精馏段提馏段提馏段塔顶冷凝器热负荷塔顶冷凝器热负荷塔釜热负荷塔釜热负荷冷凝器物料衡算冷凝器物料衡算塔釜物料衡算塔釜物料衡算9.4.4 精馏塔的逐板计算精馏塔的逐板计算精馏段精馏段操作线操作线提馏段提馏段操作线操作线DFVLVL操作方程的图示操作方程的图示操作线操作线精馏段的端点精馏段的端点yxD，xxD 斜率斜率R(R+1),截距截距xD/(R+1)提馏段的端点提馏段的端点yxW，xxW 斜率斜率两操作线的交点两操作线的交点xWxD理论板的增浓度理论板的增浓度yn和和xn是平衡关系是平衡关系yn和和xn-1是操作关系是操作关系yn+1和和xn是操作关系是操作关系AB是液体经过该塔板的增浓度是液体经过该塔板的增浓度BC是气体经过该塔板的增浓度是气体经过该塔板的增浓度第第n板板ynyn1xn1xnxn1xnyn1ynABC逐板计算法逐板计算法 平衡关系平衡关系 操作关系操作关系 平衡关系平衡关系 操作关系操作关系 直至达到塔底要求直至达到塔底要求 9.5 双组分精馏的设计型计算双组分精馏的设计型计算9.5.1 理论板数的计算理论板数的计算精馏设计型计算的命题精馏设计型计算的命题 分离要求：分离要求：xD，xW 回收率回收率 DxD/FxF 分离要求的分离要求的约束束 D和和xD，及，及W和和xW不能随意不能随意规定。定。精精馏条件：条件：压强p，回流比，回流比R，进料料热状状态q。精精馏条件确定后，相平衡关系和操作关系也确定。条件确定后，相平衡关系和操作关系也确定。逐板逐板计算法算法 如前所述：在如前所述：在xD与点与点xq，yq间，交替使用平衡关系，交替使用平衡关系 和精和精馏段操作关系；段操作关系；在点在点xq，yq与与xW间，交替使用平衡关系，交替使用平衡关系 和提和提馏段操作关系。段操作关系。见图见图阶梯数为理论阶梯数为理论板数；板数；跨越点跨越点xq，yq的板为加料板的板为加料板位置。位置。再沸器由于体再沸器由于体积大液体停留积大液体停留时间长可以认时间长可以认为是一块理论为是一块理论板。板。xDxWx1，y1xN，yNxq，yq最优加料板位置的确定最优加料板位置的确定 跨越点跨越点xq，yq的板为加料板位置是所需理论板最少。的板为加料板位置是所需理论板最少。见表见表91 如果理论板数已确定，在较高的板上进料，使精馏如果理论板数已确定，在较高的板上进料，使精馏段板数太少，提浓度不够，塔顶达不到要求；在较低的段板数太少，提浓度不够，塔顶达不到要求；在较低的板上进料，使提馏段板数太少，提浓度不够，塔底达不板上进料，使提馏段板数太少，提浓度不够，塔底达不到要求；到要求；实际加料的位置应是加料浓度与板上浓度接近的位实际加料的位置应是加料浓度与板上浓度接近的位置加入最合适，因为浓度不匹配，将改变精馏塔内浓度置加入最合适，因为浓度不匹配，将改变精馏塔内浓度分布，使分离效果降低。分布，使分离效果降低。加料位置必须在图加料位置必须在图927的的p和和m点之间。点之间。操作线的实际作法操作线的实际作法消去上二式的消去上二式的xD，得，得1）以点）以点xD和截距作精馏段操作线；和截距作精馏段操作线；2）以）以q线的斜率和点线的斜率和点xF作作q线；线；3）以点）以点xW和点和点xq，yq作提馏段操作线。作提馏段操作线。qxDxFxWq热状态和热状态和q线的斜率线的斜率泡点加料是垂线泡点加料是垂线露点加料是水平线露点加料是水平线q1q=00q1q0 xF9.5.2 回流比的选择回流比的选择 增大回流比，加大了精馏段的液气比，也增大了提馏增大回流比，加大了精馏段的液气比，也增大了提馏段的气液比。使操作线靠向对角线，理论板数减少，设段的气液比。使操作线靠向对角线，理论板数减少，设备费用减少；但能耗增加，操作费用增加。是一个优化备费用减少；但能耗增加，操作费用增加。是一个优化的问题。的问题。全回流与最少理论板数全回流与最少理论板数 全回流是指塔顶全凝器的冷凝液全部入塔，无塔顶和全回流是指塔顶全凝器的冷凝液全部入塔，无塔顶和塔底产品，也无进料。一般用于设备开车，希望尽快建塔底产品，也无进料。一般用于设备开车，希望尽快建立全塔的浓度分布，或在实验研究时采用。立全塔的浓度分布，或在实验研究时采用。全回流时的操作线就是对角线，因此所需的理论板数全回流时的操作线就是对角线，因此所需的理论板数最少。最少。最少理论板数的计算，对应理想溶液：最少理论板数的计算，对应理想溶液：最小回流比最小回流比Rmin 两操作线向平衡线靠近，两操作线向平衡线靠近，理论板数需要无穷多，理论板数需要无穷多，e点为挟点，附近为恒浓区；点为挟点，附近为恒浓区；最小回流比与平衡关系和最小回流比与平衡关系和分离要求有关。分离要求有关。正常平衡关系时的最小正常平衡关系时的最小回流比的计算：回流比的计算：非正常平衡关系时，需用切线的非正常平衡关系时，需用切线的 方法，见图方法，见图932最适宜回流比的选择最适宜回流比的选择 回流比应在回流比应在Rmin与与R之之间，应使使设备费用与操作用与操作费用之和最小。根据用之和最小。根据经验取取 Ropt（1.22）Rmin回流比回流比费费用用理论塔板的捷算法理论塔板的捷算法 当对理论板数只需一个大概的估计当对理论板数只需一个大概的估计,可以用经验公可以用经验公式，称为吉利兰关联图。式，称为吉利兰关联图。计算步骤：计算步骤：1 1）计算最小回流比；）计算最小回流比；2 2）选取实际操作回流比；）选取实际操作回流比；3 3）计算全回流条件下的最少理论板数；）计算全回流条件下的最少理论板数；4 4）由（）由（R RR Rminmin）/（R R1 1）5 5）查图或计算得）查图或计算得lglg（N NN Nminmin）/（N+1N+1）6 6）计算）计算N N。9.5.3 加料热状态得选择加料热状态得选择 由图可见不同得加料热状态将由图可见不同得加料热状态将改变提馏段操作线的斜率和精馏改变提馏段操作线的斜率和精馏段操作线的长短段操作线的长短.q值越小值越小,提馏段提馏段靠近平衡线靠近平衡线,需要的理论板数越多需要的理论板数越多.由全塔的热量衡算可知当塔顶由全塔的热量衡算可知当塔顶冷凝量一定时冷凝量一定时,进塔的热量等于塔进塔的热量等于塔釜热量和加料热量釜热量和加料热量,q小加料热量小加料热量多多,使塔釜热量减少使塔釜热量减少,上升蒸汽量少上升蒸汽量少,不利于分离不利于分离.塔釜热量塔釜热量不变不变,加料热量增加加料热量增加,塔顶冷凝量也增加塔顶冷凝量也增加,回流比增大回流比增大,塔板塔板数可减少数可减少,但能耗增大但能耗增大.一般而言一般而言,热量尽可能塔底加入热量尽可能塔底加入,塔顶取出塔顶取出.有时气相进料有时气相进料,主要是为了减少再沸器的热负荷主要是为了减少再沸器的热负荷,尤其釜尤其釜温较高温较高,可防止结焦可防止结焦.9.5.4 双组分精馏过程的其他类型双组分精馏过程的其他类型直接蒸汽加热直接蒸汽加热在分离要求相同的情况下在分离要求相同的情况下,因因加热蒸汽凝液排出时也带出加热蒸汽凝液排出时也带出少量轻组分少量轻组分,将使轻组分的回收率降低将使轻组分的回收率降低.因此须尽可能除因此须尽可能除去蒸汽夹带的水分去蒸汽夹带的水分.多股加料多股加料如图有二股加料如图有二股加料,把精馏塔分成三段把精馏塔分成三段,因此有三根操作线因此有三根操作线.并且下段的操作线斜率大并且下段的操作线斜率大.最小回流比位置会根据平衡关最小回流比位置会根据平衡关系的不同发生变化系的不同发生变化.如把二股物料混合后一起加入如把二股物料混合后一起加入,将不将不利于分离利于分离q1q2F1F2DW侧线出料侧线出料左图是饱和液体出料左图是饱和液体出料,右图是饱和气体出料右图是饱和气体出料.不够那种出料不够那种出料,第二操作线斜率小于第一操作线斜率第二操作线斜率小于第一操作线斜率.最小回流比时最小回流比时,恒浓区一般出现在恒浓区一般出现在q线和平衡线的交点处线和平衡线的交点处.qqxDyDDF回收塔回收塔 只有提馏段无精馏段的塔称为回收塔只有提馏段无精馏段的塔称为回收塔.目的目的:回收稀溶液中的轻组分回收稀溶液中的轻组分,并要求不高并要求不高;或物系在低浓度相对挥发度较大或物系在低浓度相对挥发度较大.设计时设计时,已知原料组成已知原料组成xF,规定釜液组成规定釜液组成xW及回收率及回收率,则塔顶浓度则塔顶浓度xD和采出率和采出率D/F由全塔物料衡算确定由全塔物料衡算确定.提馏段操作线方程同精馏塔提馏段操作线方程同精馏塔,泡点加料时为泡点加料时为:要提高馏出液浓度要提高馏出液浓度,须减少蒸发须减少蒸发量量,减少气液比减少气液比,理论板数要增加理论板数要增加.xWxFxDxDmax9.5.5 平衡线为直线时理论板数的解析计算平衡线为直线时理论板数的解析计算 双组分溶液在很低的浓度，汽液平衡关系为线性，双组分溶液在很低的浓度，汽液平衡关系为线性，即即yKx，K为常数。恒摩尔流假定，操作线也为直线。为常数。恒摩尔流假定，操作线也为直线。上述方法适用于高纯度分上述方法适用于高纯度分 离过程理论板数的计算。离过程理论板数的计算。y1x0yN1xN9.6 双组分精馏的操作型计算双组分精馏的操作型计算9.6.1 精馏过程的操作型计算精馏过程的操作型计算操作型计算的命题操作型计算的命题已知：全塔总板数，加料板位置，平衡关系，原料组成已知：全塔总板数，加料板位置，平衡关系，原料组成 xF和热状态和热状态q，回流比，回流比R，塔顶产出率，塔顶产出率D/F。求：产品组成求：产品组成xD和和xW，及逐板组成分布。，及逐板组成分布。特点：变量间多为非线性关系，需试差；特点：变量间多为非线性关系，需试差；加料板位置或其他操作条件，不一定最优。加料板位置或其他操作条件，不一定最优。回流比增加对精馏结果的影响回流比增加对精馏结果的影响 回流比增大塔顶回流比增大塔顶xD和塔底和塔底xW。同时塔顶全凝器的。同时塔顶全凝器的热负荷和塔底再沸器的热负荷也增加。热负荷和塔底再沸器的热负荷也增加。但回流比增大对但回流比增大对xD和和xW影响有极限值。影响有极限值。进料组成变动的影响进料组成变动的影响 xF下降，下降，xD，xW。要保持产品浓度，需增大回流比或减小产出率要保持产品浓度，需增大回流比或减小产出率D/F。压强的影响压强的影响 压强影响平衡线的位置，一般设计时已确定压强，操压强影响平衡线的位置，一般设计时已确定压强，操作时要控制其稳定。作时要控制其稳定。加料热状况的影响加料热状况的影响 q增大，塔顶增大，塔顶xF，但全凝器热负荷要增加。，但全凝器热负荷要增加。产出率的影响产出率的影响 D D增大，增大，x xD D加料量的影响加料量的影响 热负荷变化热负荷变化9.6.2 精馏塔的温度分布和灵敏板精馏塔的温度分布和灵敏板精馏塔温度分布精馏塔温度分布 溶液的泡点与组成和压强有关溶液的泡点与组成和压强有关灵敏板塔板温度对外界干扰反映最敏感的塔板。灵敏板塔板温度对外界干扰反映最敏感的塔板。控制点放在灵敏板上控制点放在灵敏板上,该板温度发生变化该板温度发生变化,即可开始调即可开始调节节.P大大xB大大大大tt板板序序号号9.7 间歇精馏间歇精馏9.7.1 间歇精馏的特点间歇精馏的特点 分离要求较高分离要求较高,料液品种或组成变化料液品种或组成变化,处理量比较小的处理量比较小的,采用间歇精馏比较合适采用间歇精馏比较合适.间歇精馏料液一次性投入塔釜间歇精馏料液一次性投入塔釜,轻轻组分提取后组分提取后,釜液一次性排出釜液一次性排出.特点特点:1)非定态过程非定态过程;2)精馏塔全为精馏段精馏塔全为精馏段,无提馏段无提馏段.操作模式操作模式:1)为保持塔顶浓度为保持塔顶浓度,可逐步加大回流比可逐步加大回流比;2)回流比恒定回流比恒定,塔顶浓度逐步下降塔顶浓度逐步下降;3)塔釜的物料可分批加入下一次精馏中塔釜的物料可分批加入下一次精馏中.9.7.2 保持馏出液组成恒定的间歇精馏保持馏出液组成恒定的间歇精馏设计型计算设计型计算已知已知:投料量投料量F,料液组成料液组成xF,要求的塔顶馏出物组成要求的塔顶馏出物组成xD,规规 定的釜液组成定的釜液组成xW或回收率或回收率,选择回流比范围选择回流比范围.求求:所需理论板数所需理论板数xWyWxD 在操作过程中，塔板数不变，随着釜液的降低，逐步在操作过程中，塔板数不变，随着釜液的降低，逐步增大回流比增大回流比R，由于汽化量，由于汽化量V不变，塔顶流出液不变，塔顶流出液D逐步下逐步下降，来保证塔顶浓度。见例降，来保证塔顶浓度。见例910附表附表2。9.7.3 回流比保持恒定的间歇精馏回流比保持恒定的间歇精馏 塔板数和回流比不变，塔顶馏出液浓度和釜液浓度同塔板数和回流比不变，塔顶馏出液浓度和釜液浓度同时下降。为了达到某一要求的产物，最初的馏出液浓度时下降。为了达到某一要求的产物，最初的馏出液浓度要提高，使整个精馏过程的平均浓度为产品浓度。要提高，使整个精馏过程的平均浓度为产品浓度。设计型计算设计型计算 已知料液量已知料液量F，料液组成，料液组成xF，最终釜液，最终釜液xW，馏出液平均，馏出液平均浓度浓度xDp。选择合适的回流比及所需理论板数。选择合适的回流比及所需理论板数。设初始浓度设初始浓度xDs。选合适的回流比，计算理论板。选合适的回流比，计算理论板。有类似简单精馏形式有类似简单精馏形式因塔板数和回流比一定，瞬时因塔板数和回流比一定，瞬时釜液组成釜液组成x必对应一个塔顶浓必对应一个塔顶浓度度xD。通过数值积分得。通过数值积分得W。平均浓度平均浓度xDp为：为：例例911是两种间隙精馏能耗得对比是两种间隙精馏能耗得对比结果：在产品质量一样的情况下，保持恒定塔顶组成的结果：在产品质量一样的情况下，保持恒定塔顶组成的比较经济，但控制比较困难。比较经济，但控制比较困难。9.8 恒沸精馏和萃取精馏恒沸精馏和萃取精馏 当有恒沸物的物系，不能用精馏的方法把恒沸物分当有恒沸物的物系，不能用精馏的方法把恒沸物分离；或相对挥发度接近离；或相对挥发度接近1，用精馏所需的理论板太多。，用精馏所需的理论板太多。需用特殊精馏的方法，即一般加入第三组分来改变原组需用特殊精馏的方法，即一般加入第三组分来改变原组分间的热力学相平衡关系。常用的特殊精馏有恒沸精馏分间的热力学相平衡关系。常用的特殊精馏有恒沸精馏和萃取精馏。恒沸精馏加入第三组分挟带剂，形成新的和萃取精馏。恒沸精馏加入第三组分挟带剂，形成新的恒沸物从塔顶蒸出。萃取精馏不形成恒沸物，第三组分恒沸物从塔顶蒸出。萃取精馏不形成恒沸物，第三组分萃取剂从塔底排出。萃取剂从塔底排出。9.8.1 恒沸精馏恒沸精馏双组分非均相恒沸精馏双组分非均相恒沸精馏 不要加入第三组分，利用塔顶恒沸物冷凝后分成两个不要加入第三组分，利用塔顶恒沸物冷凝后分成两个部分互溶的液相，通过二个塔设备联合操作，来进行分部分互溶的液相，通过二个塔设备联合操作，来进行分离。离。xF=0.71%蒸汽蒸汽其余水其余水xW0.009%99%糠醛糠醛恒沸组成恒沸组成9.19%糠醛糠醛2糠醛糠醛70.1%糠醛糠醛三组分恒沸精馏三组分恒沸精馏 以乙醇水物系原恒沸物以乙醇水物系原恒沸物0.894（摩尔分数），温度（摩尔分数），温度78.15度；现加入苯为挟带剂，形成三元恒沸物度；现加入苯为挟带剂，形成三元恒沸物64.9度，组成苯度，组成苯0.539，乙醇，乙醇0.228，水，水0.233。挟带剂量合。挟带剂量合适正好把水全部带完。流程见图适正好把水全部带完。流程见图950。挟带剂的选择挟带剂的选择：1）能与一个或二个组分形成最低恒沸物从塔顶蒸出。）能与一个或二个组分形成最低恒沸物从塔顶蒸出。最好与量少的成恒沸物，以减少能耗。最好与量少的成恒沸物，以减少能耗。2）新的恒沸物要容易分离，回收挟带剂，最后冷凝后）新的恒沸物要容易分离，回收挟带剂，最后冷凝后 分层。分层。3）挟带剂的挟带量要大，可以少有挟带剂。）挟带剂的挟带量要大，可以少有挟带剂。9.8.2 萃取精馏萃取精馏流程流程异辛烷甲苯（沸点异辛烷甲苯（沸点99.3度度 110.8 度度)，加苯酚（沸点加苯酚（沸点181度）为萃取剂。度）为萃取剂。异辛烷甲苯异辛烷甲苯异辛烷异辛烷甲苯苯酚甲苯苯酚甲苯甲苯苯酚苯酚0.550.83萃取剂的选择萃取剂的选择1）选择性高；）选择性高；2）挥发度小，易回收；）挥发度小，易回收；3）与原物系能有足够的互溶度，混合良好。）与原物系能有足够的互溶度，混合良好。操作特点操作特点：1）各板保持足够的萃取剂浓度，回流比太大会使萃取）各板保持足够的萃取剂浓度，回流比太大会使萃取 剂浓度下降；剂浓度下降；2）为使精馏段和提馏段萃取剂浓度接近，原料以饱和）为使精馏段和提馏段萃取剂浓度接近，原料以饱和 蒸汽加入；蒸汽加入；3）萃取剂加入量一般较多，能耗主要提高萃取剂温）萃取剂加入量一般较多，能耗主要提高萃取剂温 度。度。恒沸精馏和萃取精馏的比较恒沸精馏和萃取精馏的比较1）因恒沸精馏要形成恒沸物，恒沸剂比较难选择；萃）因恒沸精馏要形成恒沸物，恒沸剂比较难选择；萃 取剂容易选择，适用范围大；取剂容易选择，适用范围大；2）恒沸物塔顶蒸出，萃取剂塔顶排除，因此恒沸精馏）恒沸物塔顶蒸出，萃取剂塔顶排除，因此恒沸精馏 能耗大；能耗大；3）萃取剂不断从塔顶加入，难以间歇操作；恒沸精馏）萃取剂不断从塔顶加入，难以间歇操作；恒沸精馏 大规模生产和实验室都能间歇精馏。大规模生产和实验室都能间歇精馏。9.9 多组分精馏基础多组分精馏基础9.9.1 多组分精馏流程方案的选择原则多组分精馏流程方案的选择原则1）按进料接近）按进料接近0.5比比0.5的组分先分的组分先分2）按挥发度大到小分离；）按挥发度大到小分离；3）按相对挥发度大到小分离；）按相对挥发度大到小分离；4）按摩尔分数大到小分离；）按摩尔分数大到小分离；5）分离要求高或难分离的最后。）分离要求高或难分离的最后。分离流程数分离流程数二组分，一个塔，一个方案；二组分，一个塔，一个方案；三组分，二个塔，二个方案；三组分，二个塔，二个方案；四组分，三个塔，五个方案；四组分，三个塔，五个方案；五组分，四个塔，五组分，四个塔，14个方案。个方案。A+B+CA+BCBCA+B+CAB+CCB9.9.2 多组分的气液相平衡多组分的气液相平衡平衡常数平衡常数相对挥发度相对挥发度泡点温度计算泡点温度计算 露点温度计算露点温度计算多组分物系的平衡蒸馏（闪蒸）多组分物系的平衡蒸馏（闪蒸）9.9.3 多组分精馏的关键组分和物料衡算多组分精馏的关键组分和物料衡算关键组分关键组分在进料中选二个组分，对多组分分离起控在进料中选二个组分，对多组分分离起控 制作用，挥发度大的为轻关键组分，挥发制作用，挥发度大的为轻关键组分，挥发 度小的为重关键组分。度小的为重关键组分。全塔物料衡算全塔物料衡算 分离要求分离要求只能对关键组分进行规定。如：只能对关键组分进行规定。如：1）塔顶重关键组分摩尔分数，塔底轻关键组分摩尔分）塔顶重关键组分摩尔分数，塔底轻关键组分摩尔分 数规定，产品产出率数规定，产品产出率D/F，W/F及其他组分摩尔分及其他组分摩尔分 数不能自由选择。数不能自由选择。2）当塔顶产出率）当塔顶产出率D/F和塔顶重关键组分摩尔分数规定，和塔顶重关键组分摩尔分数规定，及其他组分摩尔分数不能自由选择。及其他组分摩尔分数不能自由选择。清晰分割法清晰分割法轻重关键组分相邻，两者挥发度差异较轻重关键组分相邻，两者挥发度差异较大，分离要求较高时。可以认为：比轻关键组分还轻的大，分离要求较高时。可以认为：比轻关键组分还轻的组分仅在塔顶，比重关键组分重的组分仅在塔底。组分仅在塔顶，比重关键组分重的组分仅在塔底。全回流近似法全回流近似法假定：实际部分回流时，各组分在塔假定：实际部分回流时，各组分在塔 顶和塔底产品中的摩尔分顶和塔底产品中的摩尔分 数与全回流时的相同。数与全回流时的相同。9.9.4 多组分精馏理论塔板数的计算多组分精馏理论塔板数的计算最小回流比最小回流比 多组分精馏中，由非关键组分存在，加料板上下各多组分精馏中，由非关键组分存在，加料板上下各 有一个恒浓区。有一个恒浓区。