化工原理章液体精馏.pptx

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1、9.1蒸馏概述9.2双组分溶液的气液相平衡9.3平衡蒸馏与简单蒸馏9.4 精馏9.5双组分精馏的设计型计算9.6 双组分精馏的操作型计算9.7 间歇精馏9.8 恒沸精馏与萃取精馏9.9 多组分精馏基础第9章 液体精馏第1页/共166页9.1 概 述工业乙醇的蒸馏（有机化学实验）第2页/共166页化工生产过程中所遇到的物料有许多是两个或两个以上组分的均相混合物。物系内部各处物料性质均匀而且不存在相界面的混合物。如：石油、空气、粗甲醇均相混合物：思考：混合物的分类？第3页/共166页蒸馏操作在工业生产中的应用第4页/共166页世界六大蒸馏酒的制备 白兰地(Brandy)、威士忌(Whisky)、伏

2、特加(Vodka)、金酒（Gin）、朗姆酒(Rum)、中国白酒(Spirit)。蒸馏酒把经过发酵的原酒，经过一次或多次蒸馏过程提取的高度酒酒液。西凤1952第一界评酒会获评四大名酒称号 第5页/共166页蒸馏水的制备海水淡化技术第6页/共166页粗苯精制第7页/共166页第8页/共166页第9页/共166页粗甲醇的三塔精馏第10页/共166页酒精水如何实现分离？酒精的沸点低易于气化。若将气化的酒精蒸气全部冷凝，即实现分离提纯。如何操作？第11页/共166页蒸馏：将液体部分气化，利用各组分挥发度的不同从而使混合 物达到分离的单元操作。蒸馏是分离液相混合物的典型 单元操作。易挥发组分：沸点低的组分

3、，又称为轻组分。难挥发组分：沸点高的组分，又称为重组分。一、概念精馏：多次进行部分气化和部分冷凝后，最终可以在气相中得 到较纯的易挥发组分，而在液相中得到较纯的难挥发组 分，这个过程叫精馏。第12页/共166页二、蒸馏的分类1、按蒸馏方法：简单蒸馏、平衡蒸馏(闪蒸)、精馏、特殊精馏。2、按操作压力：常压；减压；加压。3、按原料液组分数：双组分蒸馏和多组分蒸馏4、按操作方式：间歇蒸馏和连续蒸馏。第13页/共166页 平衡蒸馏（闪蒸）平衡蒸馏是液体的一次部分气化或蒸气的一次部分冷凝的蒸馏操作。是连续定态过程。闪蒸罐塔顶产品yAxA加热器原料液塔底产品Q减压阀特点：闪蒸是连续、稳定的单级蒸馏程，生产

4、能力大，不能得到高纯产物，常用于只需粗略分离的物料。第14页/共166页 简单蒸馏(微分蒸馏/瑞利蒸馏)：y原料液x蒸汽xD1xD2xD3冷凝器定义：将原料液一次加入蒸馏釜中，在一定压强下加热至沸，使液体不断气化，并不断将生成的蒸气移出在冷凝器 内冷凝，使混合液中组分部分分离的方法。是间歇过程。第15页/共166页 三、蒸馏操作的特点优点：*适用面广，液体混合物和气体混合物均可 *操作流程较简单，无需其他外加介质缺点：*能耗大（加热和冷却费用是蒸馏过程的 主要操作费用）第16页/共166页 四、气液传质设备的分类实现蒸馏过程是在气液传质设备中进行的。板式塔填料塔在塔板上，气液两相密切接触，进行

5、热量和质量的交换。第17页/共166页散装填料塑料鲍尔环填料规整填料 塑料丝网波纹填料 填料塔第18页/共166页9.2双组分溶液的气液相平衡双组分理想物系的气液相平衡理想物系：液相为理想溶液，气相为理想气体且服从 道尔顿分压定律的物系。道尔顿分压定律：理想气体混合物的总压力为各组元 气体分压力之和。注：理想溶液并不存在，但对于化学结构相似、性质极相近的 组分组成的物系，如，苯-甲苯、甲醇-乙醇等，在压力不 太高（一般t泡点两相区特点：当两相温度相同时 y xt/Cx(y)01.0露点线泡点线露点泡点xAyAxf气相区液相区两相区在总压一定的条件下，将组成为 xf 的溶液加热至该溶液的泡点 T

6、A，产生第一个气泡的组成为 yA。继续加热升高温度，物系变为互成平衡的气、液两相，两相温度相同组成分别为 yA和xA。当温度达到该溶液的露点，溶液全部气化成为组成为 yA=xf 的气相，最后一滴液相的组成为 xA。第27页/共166页对角线y=x为辅助曲线，yx，平衡线在对角线之上；x-y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。2、气液平衡相图（y-x图）第28页/共166页四、用相对挥发度表示的气液平衡关系通常，纯液体的挥发度是指该液体在一定温度下的饱和蒸汽压。混合液体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相中的摩尔分数之比来表示，即对于理想溶液，因符

7、合拉乌尔定律，则 第29页/共166页 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。若操作压力不高，气相遵循道尔顿分压定律 其值标志着分离的难易程度。第30页/共166页对于两组分溶液代入相平衡方程y=x,即相平衡时气相的组成与液相的组成相同，不能用蒸馏方法分离。则yx,愈大，y比x大的愈多，组分A和B愈易分离。当为已知时，可用相对挥发度表示了气液相平衡关系。当=1当1第31页/共166页液相为理想溶液，气相为非理想气体液相为理想溶液，气相为非理想气体溶液为非理想的原因：溶液为非理想的原因：不同种类分子之间的作用力与同不同种类分子之间的作用力与同种分种分 子之间的作用力的大

8、小不同，子之间的作用力的大小不同，其表现其表现 是溶液中各组分的饱和蒸气是溶液中各组分的饱和蒸气压压偏离拉偏离拉 乌尔定律。乌尔定律。双组分非理想物系的气液相平衡本书讨论：气相属于理想气体，而液相为非理想溶液的体系。液相为非理想溶液，气相为理想气体非理想物系：液相为非理想溶液，气相为非理想气体第32页/共166页 非理想溶液：i 活度系数，分子间引力发生变化，使得 i1。（1）正偏差溶液 平衡分压高于拉乌尔定律的计算值，泡点下降。（2）负偏差溶液平衡分压低于拉乌尔定律的计算值，泡点升高。当压力不太高，气相为理想气体时，则第33页/共166页 当溶液正、负偏差较大时，出现恒沸点。正偏差：具有最低

9、恒沸点；恒沸点：气相组成和液相组成相等的点，如图中M点。=1第34页/共166页 负偏差：具有最高恒沸点。第35页/共166页 平衡蒸馏平衡蒸馏是液体的一次部分汽化或蒸汽的一次部分冷凝的蒸馏操作。生产工艺中溶液的闪蒸分离是平衡蒸馏的典型应用。闪蒸罐塔顶产品yAxA加热器原料液塔底产品Q减压阀9.3 平衡蒸馏与简单蒸馏特点：闪蒸是连续、稳定的单级蒸馏程，生产能力大，不能得到高纯产物，常用于只需粗略分离的物料。第36页/共166页 1.1.物料衡算物料衡算 总物料衡算式中：F、D、W 进料流率和出塔气、液相产物的流率，kmol/s；xF、y、x 料液组成以及出塔气、液相产物的摩尔分数。易挥发组分的

10、物料衡算两式联立可得总物料衡算闪蒸罐D,y,tey加热器F,xF,tF W,x,teQ减压阀xT第37页/共166页 若设液相产物占总加料量的分率为q，即W/F=q，则汽化率为D/F=(1-q)，代入上式整理可得平衡蒸馏过程yx 符合平衡关系:物料衡算式物料衡算式 若已知进料组成xF 和生产任务所要求的汽化率(1-q)，结合物料衡算式可求得气液相组成y、x。闪蒸罐D,y,tey加热器F,xF,tF W,x,teQ减压阀xT第38页/共166页 料液由进料温度tF 升至T需供给的热量Q 为闪蒸后，物料放出的显热即供自身的部分汽化，即2.热量衡算tf,T分别为料液温度与加热后的液体温度；Kte闪蒸

11、后气、液两相的平衡温度，Kcm,p混合液的平均摩尔热容，kJ/(kmolK)r平均摩尔汽化热，kJ/kmol第39页/共166页气化量越大，(1-q)值越大大，闪蒸前料液温度T需加热至更高值。由上式可得第40页/共166页 简单蒸馏(微分蒸馏/瑞利蒸馏)：y原料液x蒸汽xD1xD2xD3冷凝器定义：将原料液一次加入蒸馏釜中，在一定压强下加热至沸，使液体不断气化，并不断将生成的蒸气移出在冷凝器 内冷凝，使混合液中组分部分分离的方法。第41页/共166页 釜内任一时刻的气、液两相组成互成平衡。简单蒸馏原理：釜内易挥发组分含量由原料的初始组成沿泡点线不断下降直至终止蒸馏时组成，釜内溶液的沸点温度不断

12、升高，气相组成也随之沿露点线不断降低。因此，通常设置若干个槽按组成范围收集馏出液产品。特点：间歇操作过程 单级过程 非稳态过程应用：液体混合物初步分离 沸点相差较大，分离要求不高场合第42页/共166页 设d 时间内，釜液变化量为dW(kmol)时刻釜内液体量为W(kmol)，汽、液相组成为y、x+d 时刻釜内液体量及组成为W-dW(kmol)及x-dx 在d 时间内由物料衡算可得：整理上两式，略去二阶微分项，得在操作初始的W1、x1 至终止时刻的W2、x2 间积分上式得第43页/共166页 利用相平衡关系积分可得：W1及x1一般已知，当给定x2，即可求出W2釜液组成x随时间变化，则气相组成y

13、也相应变化，将全过程气相产物冷凝后汇集一起，设馏出液平均组成为，可对全过程始末作物料衡算，全过程易挥发组分的物料衡算式为：第44页/共166页第45页/共166页 第46页/共166页 第47页/共166页 多次进行部分气化或部分冷凝以后，可以在气相中得到较纯的易挥发组分，而在液相中得到较纯的难挥发组分。一、精馏概念：精馏过程9.4精馏第48页/共166页二、精馏原理精馏段的作用：自下而上逐步增浓气相中的易挥发组分，以提高 产品中易挥发组分的浓度；提馏段的作用：自上而下逐步增浓液相中的难挥发组分，以提高 塔釜产品中难挥发组分的浓度。再沸器的作用：提供一定流量的上升蒸气流。冷凝器的作用：提供塔顶

14、液相产品和回流液。给塔板上液相补充 易挥发组分，使塔板上液相组成保持不变。加料板：原料液进入的塔板精馏段：加料板以上部分提馏段：加料板以下的部分（包括加料板）第49页/共166页将部分气化得到的气相经过n次 部分冷凝后，最终产品组成为yn。次数愈多，组成愈高，最后可得 到几乎纯态的易挥发组分。将部分气化得到的液相经过n次 部分气化后，最终产品组成为xn。次数愈多，组成愈高，最后可得 到几乎纯态的难挥发组分。第50页/共166页 再沸器供热，使釜中残液部分气化后蒸气逐板上升，塔中各板上液体处于沸腾状态。冷凝器得到的馏出液部分作回流入塔，从塔顶引入后逐板下流，使各板上保持一定液层。上升蒸气和下降液

15、体呈逆流流动，在每块板上相互接触进行传热和传质。原料液于中部适宜位置处加入精馏塔。由于塔底部几乎是纯难挥发组分，因此塔底部温度最高，而顶部回流液几乎是纯易挥发组分，因此塔顶部温度最低，整个塔内的温度，由下向上逐渐降低。第51页/共166页板式塔内相邻几块板的温度、组成的关系：第52页/共166页 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流量，kmol/hxF、xD、xW轻组分摩尔分数三、全塔物料衡算W/F、D/F馏出液和釜液的采出率第53页/共166页进料板：原料液进入的那 层塔板精馏段：进料板以上的塔段提馏段：进料板以下（包括进料板）的塔段四、

16、工业中的连续精馏装置流程：.连续精馏装置第54页/共166页 2、塔板的作用塔板提供了汽液分离的场所。每一块塔板是一个混合分离器足够多的板数可使各组分较完全分离特点：第55页/共166页 回流的作用：提供不平衡的气液两相，是构成气液两相传质的必要条件。精馏的主要特点就是有回流！3、精馏过程的回流回流包括：塔顶回流液塔底回流汽第56页/共166页回流比回流比：增大回流比的措施：增大塔底加热速率增大塔顶冷凝量加大回流比既增加精馏段液气比，也增加了提馏段气液比，对提高两组分的分离程度都起积极作用第57页/共166页物料衡算热量衡算传质速率方程精馏过程数学描述的基本方法第58页/共166页 精馏塔内自

17、塔顶算起的任一第n块塔板（非加料板），组成如图所示：精馏过程的数学描述1、单块塔板的物料衡算总物料衡算式:Vn+1+Ln-1=Vn+Ln轻组分衡算式：Vn+1yn+1+Ln-1xn-1=Vnyn+Lnxn第59页/共166页在精馏塔内，无中间加料或出料的情况下，每层塔板的上升蒸气摩尔流量相等（恒摩尔气流）下降液体摩尔流量相等（恒摩尔液流）。本书以后介绍的精馏计算均是以恒摩尔流假设为前提2、恒摩尔流假定第60页/共166页 （1）精馏段 提馏段VV 其中:V精馏段任一塔板上升蒸汽流量，kmol/h或kmol/s V提馏段任一塔板上升蒸汽流量，kmol/h或kmol/s（2）精馏段提馏段 L L

18、其中：L精馏段任一塔板下降液体流量，kmol/h或kmol/s L提馏段任一塔板下降液体流量，kmol/h或kmol/s第61页/共166页 理论板是指离开该塔板的蒸气和液体成平衡的塔板。不论进入理论板的气液两相组成如何，离开时两相温度相等，组成互成平衡。实际上，由于板上气液两相接触面积和接触时间是有限的，因此在任何形式的塔板上，气液两相难以达到平衡状态，理论板是不存在的，但它可作为实际板分离效率的依据和标准。在设计时求得理论板数后，通过用板效率校正就可得到实际板数。3.塔板传质过程的简化理论板和板效率（1）理论板的概念第62页/共166页 影响塔板效率的因素很复杂，有系统的物性、塔板的结构、

19、操作条件、液沫夹带、漏液、返混等等。目前尚未能得到一个较为满意地求全塔效率的关联式。比较可靠的数据来自生产及中间试验的测定。对双组分混合液全塔效率多在0.50.7之间。（2）塔板效率全塔效率ET 第63页/共166页用用气气相相（或或液液相相）经经过过一一实实际际塔塔板板时时组组成成变变化化与与 经过一理论板时组成变化的经过一理论板时组成变化的比值比值来表示。来表示。单板效率(EmV或EmL)第64页/共166页以气相表示的单板效率 以液相表示的单板效率第65页/共166页4.加料板过程分析加料板的物料衡算与热量衡算FiF+Li+I=VI+iI，i，iF-分别为饱和蒸汽、饱和液体、原料液的摩尔

20、焓kJ/kmol；热量衡算：FiF+Li+I=VI+i物料衡算：F+L=V+第66页/共166页理论加料板不论进入加料板各物流的组成、热状态及接触方式如何，离开加料板的气液两相温度相等，组成互为平衡。第67页/共166页精馏段与提馏段两流量的关系进料热状态过冷液体：温度低于泡点饱和液体：温度等于泡点气液混合物：温度在泡点和露点之间饱和蒸气：温度等于露点过热蒸气：温度高于露点第68页/共166页 FiF+Li+I=VI+iF+L=V+由物料衡算和热量衡算式：得到:令：q进料的热状态参数第69页/共166页 q作用：判断进料状态及温度两段下降液体流之间关系：两段上升蒸汽流之间关系：第70页/共16

21、6页第71页/共166页a.过冷液体进料q 1 原料液温度低于加料板上沸腾液体的温度，遇到提馏段上升的蒸气，蒸气部分冷凝。提馏段下降液体流量L由三部分组成LL+FVV(其差值为蒸气冷凝量)第72页/共166页 b.饱和液体进料（泡点进料）q=1原料液加入后不会在加料板上产生气化或冷凝，进料全部作为提馏段的回流液，两段上升蒸汽流量相等，即V=VL=L+F第73页/共166页 原料液中液相部分气化成为L的一部分，而其中蒸气部分冷凝成为V的一部分，即c气液混合进料0q1VVLL第74页/共166页 d饱和蒸气进料q=0原料液中没有液体，整个进料与提馏段上升的蒸气V汇合进入精馏段，两段的回流液流量则相

22、等，即L=LV=V+F第75页/共166页 e过热蒸气进料q V+FL1(2)饱和液体（泡点进料）q=1(3)气液混合0q1(4)饱和蒸汽（露点进料）q=0(5)过热蒸汽q0第77页/共166页5.塔釜和冷凝器的物料衡算（1）塔釜釜内液体在蒸馏釜内部分汽化，离开塔釜的气液两相组成yN与xW可认为互成平衡，故蒸馏釜可视作一块理论板。第78页/共166页（2）冷凝器回流液体组成为x0，冷凝器的物料衡算式为：若冷凝器为全凝器，则y1=x0=xDVy1=Lx0+DxD第79页/共166页注：因原料液不断从塔中部加 入，使得精馏段和提馏段 具有不同的操作关系。操作线方程：操作线方程：表达由任意板下降液相

23、组成表达由任意板下降液相组成xn与与 其下其下 一层塔板上升的气相组成一层塔板上升的气相组成yn+1 之间的关系方程。之间的关系方程。精馏塔的逐板计算第80页/共166页回流比 一、精馏段操作线方程精馏段操作线方程因为V=L+D第81页/共166页精馏段操作线的画法：截距:yxxD操作线为过点（xD,xD）xD第82页/共166页二、提馏段操作线方程提馏段操作线方程得到:第83页/共166页因为代入得到又因为提馏段操作线方程得到：第84页/共166页三、操作方程的图示操作线精馏段操作线方程提馏段操作线方程联立求解，可得到两操作线交点坐标第85页/共166页操作线做法:yxxDxDxWxW(xq

24、,yq)第86页/共166页例题：例题：用一精馏塔分离二元液体混合物，进料量用一精馏塔分离二元液体混合物，进料量100kmol/h，易挥发组分，易挥发组分xF=0.5，泡泡点进料点进料，得塔顶产品，得塔顶产品xD=0.9，塔底釜液，塔底釜液xW=0.05（皆摩尔分率），操作回流比（皆摩尔分率），操作回流比R=1.61，该物系平均相对挥发度，该物系平均相对挥发度=2.25，塔顶为全凝器，求：，塔顶为全凝器，求：1)塔顶和塔底的产品量（塔顶和塔底的产品量（kmol/h）；）；2)第一块塔板下降的液体组成第一块塔板下降的液体组成x1 为多少；为多少；3)写出精馏段操作线数值方程；写出精馏段操作线数值

25、方程；4)写出提馏段操作线数值方程；写出提馏段操作线数值方程；第87页/共166页相平衡方程为：第88页/共166页（4）泡点进料，即q=1提馏段操作线方程为：则提馏段操作线方程为（3）精馏段操作线方程为则精馏段操作线方程为：y=0.62x+0.345xD=0.9，R=1.61第89页/共166页四、理论板的增浓值B点：离开理论板的气液两相组成状态AB：液体经过该理论板的提纯或增浓程度BC:气相经过该理论板的提纯或增浓程度第90页/共166页五、逐板计算法通常是从塔顶(或塔底)开始，交替使用气-液相平衡方程和操作线方程去计算每一块塔板上的气-液相组成，直到满足分离要求为止。若塔顶采用全凝器，即

26、：已知y1得到x1得到y2得到x2得到y3相平衡关系操作线关系相平衡关系操作线关系第91页/共166页例题：氯仿（CHCl3）和四氯化碳（CCl4）的混合物在一连续精馏塔中分离。馏出液中氯仿的浓度为xD=0.95,馏出液流量为D=50kmol/h，平均相对挥发度=1.6，回流比R=2。求:（1）塔顶第二块塔板上升的气相组成；（2）精馏段各板上升蒸气量V及下降液体量L（以kmol/h表示）。氯仿与四氯化碳混合液可认为是理想溶液。第92页/共166页解：（1）由题知，y1=xD=0.95，R=2,由相平衡方程得 由精馏段操作线方程 则（2）V=L+D，L/D=R，V=（R+1）DV=350=150

27、kmol/h，L=250=100kmol/h第93页/共166页一、精馏设计型计算的命题理论板数的计算9.5双组份精馏的设计型计算任务：分离要求选择操作条件计算理论板数操作条件操作压强得到相对挥发度回流比R得到精馏段操作线方程热状态参数q得到提馏段操作线方程工业上一般用产物的回收率来代替产率：第94页/共166页二、理论板数的计算方法1、逐板计算法若塔顶采用全凝器，即：已知y1得到x1得到y2得到x2得到y3相平衡关系精馏段操作线关系相平衡关系精馏段操作线关系直至xNxW结论：理论板数为N块直至xnxq提馏段操作线关系得到yn+1相平衡关系得到xn+1提馏段操作线关系得到yn+2第95页/共1

28、66页气液两相的平衡求得塔板上气液平衡组成；ynxn操作线关系求得相邻塔板上的液相或气相组成。yn+1xn利用气-液相平衡方程 (1)若塔顶采用全凝器，即第96页/共166页 (2)由第一块理论塔板下降的回流液组成x1，按精馏段操作线方程求出第二块理论板上升的蒸气组成y2，即同理，第二块理论塔板下降的液相组成x2与y2互成平衡，可利用气-液相平衡方程由求得x2。第97页/共166页(3)按照精馏段操作线方程再由x2求得y3，如此重复计算，直至计算到xnxq时，表示第n块理论板是进料板(即提馏段第1块理论板)，因此精馏段所需理论板数为(n-1)。在计算过程中，每利用一次平衡关系式，表示需要一块理

29、论板。第98页/共166页 (4)从此开始，改用提馏段操作线方程和气-液相平衡方程，继续采用与上述相同的方法进行逐板计算，直至计算到xNxW止。结论：理论板数为N块第99页/共166页2、图解法图解法计算精馏塔的理论板数和逐板计算法一样，也是利用气液平衡关系和操作关系，只是把气液平衡方程和操作线方程描绘在相图上，使繁琐数学运算简化为图解过程。两者并无本质区别，只是形式不同而己。第100页/共166页在直角坐标纸上绘出待分离的双组分混合物在操作压强下的平衡曲线，并作出对角线。依照前面介绍的方法作精馏段的操作线ac，q线ef，提馏段操作线bd。xDabefdxFxWc第101页/共166页xDab

30、efdxFxWc1123456从a点开始，在精馏段操作线与平衡线之间作水平线及垂直线构成直角梯级，当梯级跨过d点时，则改在提馏段操作线与平衡线之间作直角梯级，直至梯级的水平线达到或跨过c点为止。第102页/共166页 每一个直角梯级代表一块理论板，这结合逐板计算法分析不难理解。其中过d点的梯级为加料板。第103页/共166页 在图中梯级总数为7，即该分离过程共需7块理论板。第4层跨过d点，即第4层为加料板，精馏段共3层。图解法较为简单，且直观形象，有利于对问题的了解和分析，目前在双组分连续精馏计算中仍广为采用。第104页/共166页三、最优加料位置的确定1、加料板偏下此加料板状态下，气相提浓程

31、度必小于原加料板提浓程度。说明加料板偏下是不利的，釜残液中易挥发组分含量增高，从而降低馏出液中易挥发组分的收率。第105页/共166页2、加料板偏上此加料板状态下，第4、5、6板提浓程度有所减少。说明加料板偏上是不利的，会使馏出液的组成偏低（难挥发组分偏高）。第106页/共166页由以上可以看出，最优加料板位置是该板的液相组成xxq（两操作线交点的横坐标），设计时加料板位置可变范围在（p,m）两点之间。加料板位置加料板位置所需理论板数所需理论板数412510812表9-1加料板位置对理论板数的影响举例第107页/共166页四、操作线的实际做法为简便起见，常找出两操作线交点坐标（xq,yq）yx

32、xDxDxWxW(xq,yq)若要得到两操作线交点坐标(xq,yq)，需知道交点的轨迹方程（q线方程）第108页/共166页 q线方程为精馏段操作线与提馏段操作线交点轨迹的方程q线方程/进料线方程已知交点坐标两式消去xD，得第109页/共166页q线是通过点（xF,xF）的一条直线,斜率为q/(q-1)第110页/共166页第111页/共166页第112页/共166页第113页/共166页回流比的选择 回流比的大小，对精馏塔的分离能力、系统能耗和设备结构尺寸有影响。第114页/共166页 回流比有两个极限值，上限为全回流（即回流比为无穷大），下限为最小回流比，实际回流比为介于两极限值之间的某一

33、适宜值。第115页/共166页xDxWxF回流比与理论板层数的关系 R 越大 NT 越少 R1 R2 R3第116页/共166页一、全回流与最少理论板数全回流：塔顶上升蒸气冷凝后全 部引回塔顶作为回流。D=0，W=0，F=0；全回流的特点：第117页/共166页 全回流的意义:全回流是操作回流比的极限，只在开工、实验研究、设备异常或调试时采用，便于控制。在操作线与平衡线间绘直角梯级，其跨度最大，所需的理论板数最少。全回流时回流比R为无穷大，气液两相流量相等,是回流比的最大值。精馏段和提馏段操作线的斜率均为1，此时塔内无精馏段和提馏段之分，操作线方程为：yn+1=xnN=NminxWxD1.图解

34、法第118页/共166页2.解析法（芬斯克方程）假设分离两种混合溶液，轻组分为A，重组分为B因为相对挥发度则：1第一块板上液体相对挥发度第119页/共166页全回流操作线方程 yn+1=xn则：又因为相对挥发度则离开第二块板液体组成：依次类推，离开第N块板液体组成：第120页/共166页当第N块板液体组成达到指定的釜液组成(xA/xB)W时，则全回流下塔的理论板块数为N块,记为Nmin若相对挥发度取平均值：代替各板上相对挥发度芬斯克(Fenske)方程得：第121页/共166页若塔顶、塔底相对挥发度相差不大时，则平均相对挥发度为：则：变为：第122页/共166页 当回流比减小到某一数值时，两操

35、作线的交点e落在平衡曲线上，如图所示，在平衡线和操作线间绘梯级，需要无穷多的梯级才能达到e点，这是一种不可能达到的极限情况，相应的回流比称为最小回流比，以 Rmin表示。二、最小回流比 对于一定的分离任务，若减小回流比，精馏段的斜率变小，两操作线的交点沿q线向平衡线趋近，表示气-液相的传质推动力减小，达到指定的分离程度所需的理论板数增多。精馏段操作线方程第123页/共166页xDxWxF R1 R2最小回流比斜率xqyq g第124页/共166页 依据平衡曲线的形状不同，作图方法有所不同。对于理想溶液曲线，根据下图，在最小回流比时，精馏段操作线的斜率为：1.图解法第125页/共166页 对于不

36、正常的平衡曲线，平衡线具有下凹部分。当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，如下图此时达到分离要求，所需理论板数为无穷多，故对应的回流比为最小回流比。这种情况下的求法应根据切点确定其Rmin。e点称为挟点第126页/共166页 实际的回流比一定要大于最小回流比，而适宜回流比需按实际情况，全面考虑到设备费用（塔高、塔径、再沸器和冷凝器的传热面积等）和操作费用（热量和冷却器的消耗等），应通过经济核算来确定，使操作费用和设备费用之和为最低。在精馏塔设计中，通常根据经验取最小回流比的一定倍数作为操作回流比。近年来一般都推荐取最小回流比的1.12倍，即三、最适宜回流比的选取第127页

37、/共166页3总费用2操作费1设备费第128页/共166页 在生产中，设备都已安装好，即实际板数固定。若原料的组成、加料热状况均为定值，倘若加大回流比操作，这时操作线更接近对角线，所需理论板数减少，而塔内理论板数比需要的多，因而产品纯度会有所提高。反之，减少回流比操作，情况正好与上述相反，产品纯度会有所下降。在生产中把调节回流比当作保持产品纯度的一种手段第129页/共166页在一常压精馏塔内分离苯和甲苯混合物，塔顶为在一常压精馏塔内分离苯和甲苯混合物，塔顶为全凝器全凝器，塔釜间接蒸汽加热，平，塔釜间接蒸汽加热，平均均相对挥发度为相对挥发度为2.47，饱和蒸汽进料饱和蒸汽进料。已知进料量为。已知

38、进料量为150kmol/h，进料组成为，进料组成为0.4（摩尔分率），（摩尔分率），回流比为回流比为4，塔顶塔顶馏出液中苯的馏出液中苯的回收率为回收率为0.97，塔釜塔釜采出液中采出液中甲苯的甲苯的回收率为回收率为0.95。试求：。试求：1)塔顶馏出液及塔釜采出液组成；塔顶馏出液及塔釜采出液组成；2)精馏段操作线方程；精馏段操作线方程；3)提馏段操作线方程；提馏段操作线方程；4)回流比与最小回流比的比值；回流比与最小回流比的比值；第130页/共166页第131页/共166页第132页/共166页四、理论板数的捷算法大致估计理论板数，简略找出N和R的关系(吉利兰图)第133页/共166页捷算法求

39、理论板数的步骤：根据物系性质及分离要求，求出Rmin，选择合适的R；求出全回流下所需理论板数Nmin；使用吉利兰图，求出所需理论板数N.第134页/共166页图中曲线在范围内可用下式代替：其中N和Nmin均指全塔（包括塔釜）的理论板数第135页/共166页第136页/共166页第137页/共166页f1f2f3f4f5进料热状态的选择（及其影响）回流比以及分离要求不变时：q增加塔釜供热必须增加提馏段斜率减小所需塔板数减少。(P75-76)第138页/共166页结论：q值得大小影响理论塔的板数，q值越大，理论板块数越少第139页/共166页1、精馏操作型计算的命题精馏过程的操作型计算9.6双组份

40、精馏的操作型计算任务：在设备已定的条件下，由指定的操作条件预计 精馏操作的结果（产品组成xD、xW以及逐板的组成分布）。第140页/共166页操作型计算特点：（1）众多变量之间的非线性关系，操作型计算一般 均需通过试差法（迭代法）。（2）加料板位置（或其他操作条件）一般不满足最优化条件。第141页/共166页2.R（F、D、W不变，R值增加）结论：xD,xW这是提高精馏分离效果最有效途径!但代价是：塔釜需要更多的热量，塔顶需要更多的冷量!第142页/共166页第143页/共166页第144页/共166页第145页/共166页3.xF ,D,W不变，不变，其它相关不变。其它相关不变。结论：xD,

41、xW第146页/共166页4.加料板位置上移（或下移）结论：xD,xW第147页/共166页5.q,R不变，D不变，V结论：xD,xW第148页/共166页精馏塔的温度分布和灵敏板一、精馏塔的温度分布 溶液的泡点与总压和组成有关，精馏塔内各块塔板上物料的组成及总压并不相同，因而从塔顶到塔底形成某种温度分布。第149页/共166页第150页/共166页二、灵敏板一个正常操作的精馏塔当受到某一外界因素的干扰（如回流比、进料组成发生波动等）全塔各板的组成发生变动全塔的温度分布发生相应的变化可用测量温度的方法预示塔内组成 在一定总压下，塔顶温度是馏出液组成的直接反映。但在高纯度分离时，在塔顶（或塔底）

42、相当高的一个塔段中温度变化极小。这样，当塔顶温度有了可觉察的变化，馏出液组成的波动早已超出允许的范围。第151页/共166页 仔细分析操作条件变动前后温度分别的变化，即可发现在精馏段或提馏段的某些塔板上，温度变化量最为显著。或者说，这些塔板的温度对外界干扰因素的反映最灵敏，故将这些塔板称之为灵敏板。将感温元件安置在灵敏板上可以较早觉察精馏操作所受到的干扰。而且灵敏板比较靠近进料口，可在塔顶馏出液组成尚未产生变化之前先感受到进料参数的变动并及时采取调节手段，以稳定馏出液的组成。第152页/共166页9.7间歇精馏特点：（1）过程非定态（2）塔底加料，无提馏段（3）获得xD,xW一定的产品，能耗大

43、于连续精馏两种基本操作方式：(1)恒回流比R=常数,xD、xW不断减小；(2)恒流出液组成，定xD，要不断增加回流比。第153页/共166页(1)恒流出液组成，定xD第154页/共166页Xn不变，再按照终点时的截距做出精馏段操作线，与平衡线画梯级，得到理论板数。第155页/共166页(2)恒回流比R=常数回流比以开始的状态计算：R不变，按操作初态为基准，假设初始馏出液组成为xD始，釜液组成为xF,求理论塔板数？第156页/共166页R不变，再按照始态时的截距斜率不变做出精馏段操作线，与平衡线画梯级，得到理论板数。再以馏出液平均组成满足分离要求为准，对xD始进行验算。第157页/共166页9.

44、8 恒沸精馏与萃取精馏恒沸精馏萃取精馏加入第三种组分，改变原物系的相对挥发度。第158页/共166页恒沸精馏1.原理：原理：一般在混合液中一般在混合液中加入第三组分（称为挟带剂）加入第三组分（称为挟带剂）形成新形成新 的最低恒沸物。的最低恒沸物。a.双组分非均相恒沸精馏（糠醛-水）第159页/共166页b.三组分恒沸精馏（乙醇-水-苯）第160页/共166页2.恒沸精馏挟带剂的选择挟带剂能与待分离组分之一（或两个）形成最低恒沸物，并且希望与料液中含量较少的组分形成恒沸物从塔顶蒸出，以减少操作的热能消耗。新形成的恒沸物要容易分离，以回收其中的挟带剂。恒沸物中挟带剂的相对含量少，这样操作较为经济。

45、第161页/共166页9.2萃取精馏1.原理：原理：向混合液中加入溶剂向混合液中加入溶剂(又称萃取剂又称萃取剂)，与恒沸精馏不同的，与恒沸精馏不同的 是是萃取剂萃取剂不不与原料液中任何组分与原料液中任何组分形成恒沸物形成恒沸物。第162页/共166页2.萃取精馏萃取剂的选择选择性高；挥发性小；添加剂能与原溶液有足够的互溶度，两者能良好地混合。第163页/共166页3.萃取精馏的操作特点应使各板液相均保持足够的添加剂浓度，必存在某一个最合适的回流比，塔内温度稳定。萃取精馏中的添加剂加入量一般较多，沸点又高，精馏热能消耗中的相当可观部分用于提高添加剂的温度。第164页/共166页4.恒沸精馏与萃取精馏比较(1)萃取精馏中的萃取剂为系统中的最重组分，它将从塔釜流出。而恒沸精馏中的恒沸剂并不受此限制，很多情况下恒沸剂从塔顶以恒沸物形式馏出。(2)恒沸精馏一般能耗较大。只有当恒沸物中含恒沸剂组分较少，使恒沸剂用量少时，恒沸精馏的能耗才有可能比萃取精馏小。(3)恒沸精馏既可用于连续操作，也可用于间歇操作，而萃取精馏则只能用于连续操作，不宜于间歇操作（因为萃取剂不断的从塔顶加入）。第165页/共166页感谢您的观看。第166页/共166页