化工原理 ---精馏

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1、.,1,6. 精馏,本章重点及难点内容 掌握双组分理想溶液气液相平衡的各种表达形式； 掌握进料的不同热状况及其对精馏操作的影响； 掌握两组分连续精馏塔理论塔板数的的图解法； 掌握回流比对精馏过程的影响； 了解简捷法求理论板层数的方法； 了解各种类型的塔板的特点及性能，掌握筛板塔的流体力学性能。,.,2,蒸馏：利用液体混合物各组分挥发度的不同，使其部分气化，从而达到分离的单元操作 易挥发组分：沸点低的组分，又称为轻组分 难挥发组分：沸点高的组分，又称为重组分 蒸馏的分类 按操作方式分：简单蒸馏、平衡蒸馏、精馏、特殊精馏 按组分数目分：双组分蒸馏及多组分蒸馏 按操作压力分：常压蒸馏、加压蒸馏、减压

2、（真空）蒸馏 按操作流程分：连续蒸馏和间歇蒸馏,6. 概述,.,3,6.1 理想溶液的气液相平衡,精馏与吸收的对比 操作过程中相态的变化：精馏时两相同时产生，而吸收是操作前已经是两相； 操作结果的不同：精馏能得到较为纯净的分离产物，而吸收则必须通过后续的进一步处理才能得到较纯净的物质； 传质的方向不同：精馏过程中既有气相传质，也有液相传质，而吸收一般只有气相中溶质分子进入吸收剂中，属于单向传质。,.,4,6.1 理想溶液的气液相平衡,蒸馏是气液两相间的传热和传质过程 气液相平衡关系是指溶液与其上方蒸汽达到相平衡时，汽液相间组成、温度和压强的关系。 气液相平衡关系是分析蒸馏原理和进行设备计算的理

3、论基础，过程以两相达到平衡为极限 气液相平衡关系可用 p（分压） x 或 t x（或 y ）或 x y 的函数关系或相图来表示。,.,5,6.1 理想溶液的气液相平衡,6.1.1 相平衡拉乌尔定律,双组分理想溶液的气液相平衡关系式：,条件：双组分理想溶液,.,6,6.1 理想溶液的气液相平衡,6.1.2 相平衡相图 t x （或 y） 图（温度组成图）,露点线,气相区（过热蒸汽）,泡点线,气液共存区,液相区（冷液）,x1(y1),t4 t3 t2 t1,B,H,J,A,.,7,6.1 理想溶液的气液相平衡,y x 图（气液组成关系图）,大多数溶液，平衡线位于对角线上方，且偏离对角线愈远，此溶液

4、愈易分离（传质推动力越大）。,总压变化不大时外压影响可忽略，但温度的变化对 yx 平衡线的影响较大。,.,8,6.1 理想溶液的气液相平衡,6.1.2 相平衡相平衡方程 纯液体的挥发度：该液体在一定温度下的饱和蒸气压。 溶液中各组分的挥发度：该组分在蒸气中的分压和与之相平衡的液相中的摩尔分率之比。 相对挥发度：是指溶液中两组分挥发度之比，常以易挥发组分的挥发度为分子。,道尔顿分压定律,.,9,6.1 理想溶液的气液相平衡,相平衡方程,相对挥发度表示的相平衡方程,.,10,6.2 精馏原理,6.2.1 精馏工艺 精馏流程（熟悉相关的概念） 原料液（进料）、馏出液（产品）、回流液和釜液； 冷凝器（

5、分凝器、全凝器）、再沸器（塔釜加热）； 加料板、精馏段和提馏段,.,11,6.2.2 精馏原理 一次部分气化和部分冷凝 y1xFx1y1加热原料液时产生的第一个 气泡的组成。x1经过一次气化后原料剩下的液体的组成。,6.2 精馏原理,.,12,多次的部分气化和部分冷凝,6.2 精馏原理,液体混合物经过多次部分气化和多次部分冷凝后从气相得到较纯的易挥发组分，而从液相中则得到较纯的难挥发组分 。,.,13,有回流的多次部分汽化、冷凝,6.2 精馏原理,具有不同挥发度的组分所组成的混合液，经多次进行部分气化和部分冷凝，使其分离成几乎纯态组分的过程。 实现的 条件：回流；塔釜产生的蒸汽,.,14,涉及

6、的主要问题： 全塔物料衡算、恒摩尔流假设、操作线方程 、q线方程、（最小）回流比 、适宜回流比 、（最少）理论塔板数、全塔效率、实际塔板数,6.3 双组分连续精馏塔的计算,.,15,6.3.1 全塔物料衡算 总物料： F=D+W 易挥发组分： F xF=D xD+W xw 应用见P263例71,6.3 双组分连续精馏塔的计算,.,16,6.3 双组分连续精馏塔的计算,6.3.2 恒摩尔流的假设 塔顶采用全凝器，塔釜间接加热 离开每块塔板的气液相达到平衡 每段各板上的气液摩尔流量各自恒定（不一定相等） 满足恒摩尔流的 条件 各组分的摩尔汽化潜热相等； 气液接触时因温度不同而交换的显热可以忽略；

7、塔设备保温好，无热损失。,.,17,6.6.3 操作线方程 研究相邻两块塔板 气液组成之间的关系 精馏段操作方程 对精馏段作物料衡算 V=L+D V yn+1=L xn+ D xD,6.3 双组分连续精馏塔的计算,馏出液,D , xD , ID,L,V y1,L x1,V y2,L x2,L xn,V yn+1,1,2,n,.,18,6.3 双组分连续精馏塔的计算,精馏段操作线方程： 表示xn与yn+1之间的关系 是直线关系，斜率为 R/(R+1)，截距为 xD/(R+1),xD,a,b,.,19,提馏段操作线方程对提馏段物料衡算 L=V+W L xn =V ym+1+ W xw,6.3 双组

8、分连续精馏塔的计算,.,20,由于提馏段下降液体量L不易确定，所以提馏段操作线的实际应用价值不大。但提馏段操作线一定通过C点（xW，xW）（间接蒸汽加热方式） 操作线的应用举例详见教材P265 例 72、例 73,6.3 双组分连续精馏塔的计算,.,21,6.3.4 进料热状况q 线方程提馏段操作线不易确定，但可以通过两条操作线的交点（轨迹）来确定（两点一线） 精馏段操作线：V yn+1=L xn+ D xDA 提馏段操作线： L xn =V ym+1+ W xwB 则交点轨迹：（VV）y（LL）x（DxDWxW） C 由全塔物料衡算： F xF=D xD+W xw ，（C）式为,6.3 双组

9、分连续精馏塔的计算,.,22,对加料板作物料衡算 VVLLF 令 则有： q 线方程，精馏段操作线和提馏段操作线的交点，但经过 点。,6.3 双组分连续精馏塔的计算,（xF， xF ）,.,23,对加料板作热量衡算 F IF+VIV +LIL=VIV+LIL IVIV ， ILIL （条件：恒摩尔流，加料板上） （VV） IV （LL） IL F IF 即,6.3 双组分连续精馏塔的计算,.,24,q值重要的物理意义 1)以1kmol/h进料为基准时，提馏段中的液体流量较精馏段中液体流量增大的kmol/h数； 2）对于饱和液体、气液混合物及饱和蒸气三种进料，q值与进料中的液相分率相等。,6.3

10、 双组分连续精馏塔的计算,.,25,q值对进料的影响,6.3 双组分连续精馏塔的计算,冷液进料,饱和液体进料,气液混合物进料,饱和蒸气进料,过热蒸气进料,.,26,不同 q值对应的 q线方程,6.3 双组分连续精馏塔的计算,q 1,q = 1,0 q 1,q = 0,q 0,e,xF,f,.,27,不同q值对操作线的影响,q 1,q = 1,0 q 1,q = 0,q 0,e,xF,f,xW,xD,q值不同改变的是提馏段的操作线方程。当进料组成、回流比及分离要求一定时，q值的减少使提馏段操作线越来越靠近平衡线。,6.3 双组分连续精馏塔的计算,.,28,6.3.5 NT及加料板位置的确定 NT

11、：理论塔板数，即在一定的操作条件下，为实现分离工艺的要求，所需的气液平衡级数（每经过一次气液相平衡，气相浓度增加）。 理论加料板位置：当进料组成与塔内某处的气液组成相同，且在该处气液两相恰好处于平衡状态时，该处既对应着一块理论塔板，同时也是加料的恰当位置（实际上这样的位置尽管存在，但却很难确定，一般只能选择在相邻的两块塔板之间）。,6.3 双组分连续精馏塔的计算,.,29,NT计算的方法逐板计算法、图解法和捷算法 重点掌握逐板计算法和图解法，二者实质是一 样的。,6.3 双组分连续精馏塔的计算,第1块:（x1，y1）,第2块:（x2，y2）,精馏段,逐板法,.,30,6.3 双组分连续精馏塔的

12、计算,第n块:（xn，yn）,第1块:（x1，y1）,当xn xF时，下降液体流到了加料板上，此时该板属于提馏段。由精馏段操作线与 q线方程求交点（ xq，yq ），由（ xq，yq与（ xW，yW ）两点确定提馏段操作线方程。,提馏段,第m块:（xm，ym）,当xm xW时，逐板计算完毕,.,31,6.3 双组分连续精馏塔的计算,图解法,xW,xF,1,2,3,4,5,xD,逐板法原理,.,32,6.3 双组分连续精馏塔的计算,图解法（续）,xW,xF,1,2,3,4,5,xD,实际图解过程,.,33,说明： 1 ） NT是指精馏塔所需的理论塔板数，其数值必须指明是否包括塔釜在内（塔釜也相当

13、于一块理论塔板）。 2）由教材P270 例 77可知，进料热状况不同，所需 NT及进料板位置均不同。 3）随着进料的 q值逐渐减小，精馏塔所需的 NT是逐渐增加的。 4）直接蒸气加热与间接蒸气加热的区别主要体现在提馏段操作线上，它们分别经过（ xW，0）和（ xW，yW）点，具体详见教材 P271 例 78,6.3 双组分连续精馏塔的计算,.,34,6.3.6 Rmin和NT，min的确定 Rmin 要求：从图解法掌握求取 Rmin的方法,6.3 双组分连续精馏塔的计算,当两操作线的交点位于平衡线上时，则需要无穷多的阶梯 。相应的回流比称为 最小回流比 ，以Rmin表示。对于一定的分离要求，

14、Rmin是回流比的最小值。,.,35,6.3 双组分连续精馏塔的计算,xD,xq,xF,e,d,xW,yq,a,e,d,a,f,c,yq,非理想溶液,理想溶液,xD,xq,xF,xW,c,.,36,NT，min 当操作线远离平衡线 NT减少，与对角线重合时达到 NT，min，一般由图解法求取。若体系为双组分理想溶液，则可通过解析法计算 （Fenske方程）：,6.3 双组分连续精馏塔的计算,NT，min为所需的最少理论塔板数（不包括再沸器）,为全塔平均相对挥发度,.,37,NT，min的意义： 1）全回流， R=L/D； 2） F=0，D=0，W=0，无精馏段和提馏段之分； 3）只有在特定条件

15、下才用它，如精馏塔的启动阶段，或操因意外而产品纯度低于要求时，进行一定时间的全回流，使精馏塔能较快地达到正常操作。,6.3 双组分连续精馏塔的计算,.,38,6.3.7 q值和R值对精馏操作的影响和选择 q值的影响 对全塔热量衡算： QFQBQDQW QC 1）当R、D（xD）、W（ xW ）一定时，q值减小（ QF ）增加，则QB必减少，V将减小，使提馏段操作线斜率加大，所需NT增加；,6.3 双组分连续精馏塔的计算,.,39,2）当QB一定时，q值减小（ QF ）增加，则QC将增大，L增加使R增大，精馏段操作线斜率加大，所需NT减少； 3）热量尽量从塔釜提供，产生更多的气相回流（产品浓度较高），冷（却）量应从塔顶输入，保证塔内正常的回流液量； 4）工业上有时采用热态甚至汽态进料是为了减少塔釜的加热量以避免釜温过高时物料产生聚合或结焦。,6.3 双组分连续精馏塔的计算,.,40,R的影响 R的改变（如增大）对设 备费用（NT增加）和操作费 用（D减少）。 实际R介于Rmin和（全 回流）之间，一般需进行经 济核算。经验值推荐为 R=(1.12)Rmin ，,6.3 双组分连续精馏塔的计算,.,41,6.3.8 精馏塔的 E 和 Np E板效率 实际精馏操作时，某块实际精馏板上升蒸气与下降液体并不是互成平衡状态，与理想状态有差距（存在一定的操作效率），分为单板效率和全塔效