第三章 蒸馏Distillation3.0 概述 3.1 两组分溶液的汽液平衡 3.2 平衡蒸馏与简单蒸馏 3.3 精馏原理和流程 3.4 两组分连续精馏的计算 3.5 间歇精馏 3.6 特殊精馏 本章总结－联系图 工程案例Date13.0 概述蒸馏是分离液体混合物的典 型单元操作1.蒸馏分离的依据将液体混合物部分气化，利 用其中各组分挥发度不同的 特性而达到分离目的的单元 操作这种分离操作是通过液相和 气相间的质量传递来实现的 例如：加热甲醇(沸点 64.7℃)和乙醇(沸点78.3℃)混合液的过程A+B大量A+少量B少量A+大量BDate2将沸点低的组分称为易挥 发组分或轻组分light component ，用A表示将沸点高的组分称为难挥 发组分或重组分heavy component ，用B表示则混合液：A+BA+B大量A+少量B少量A+大量BDate32、蒸馏过程的分类按蒸馏方式分为：ü 平衡蒸馏和简单蒸馏多用于待分离混合物中各组分挥发度相差较大而对分离要求不高的场合 ，是最简单的蒸馏；ü 精馏适合于待分离的混合物中各组分挥发度 相差不大且对分离要求较高的场合，应用最广泛 ；ü 特殊蒸馏。
适合于待分离混合物中各组分的挥 发度相差很小甚至形成共沸物，普通蒸馏无法达 到分离要求的场合主要有萃取精馏、恒沸精馏 、盐熔精馏、反应精馏及水蒸气蒸馏Date4按操作流程分为：ü 间歇蒸馏又称分批蒸馏，属于非稳态操作， 主要适用于小规模及某些有特殊要求的场合；ü 连续蒸馏属于稳态操作，是工业生产中最常 用的蒸馏方式，用于大规模生产的场合Date5按操作压力分为：ü 加压蒸馏适用于常压下为气态（如空气）或 常压下沸点接近室温的混合物；ü 常压蒸馏适用于常压下沸点在1500C左右的混合物；ü 减压蒸馏真空蒸馏）适用于常压下沸点较 高或热敏性物质，可降低其沸点Date6按待分离混合物的组分数分为：ü 两组分精馏计算简单常以此精馏原理为计 算基础，然后引申到多组分精馏计算中ü 多组分精馏工业上常见本章重点讨论常压两组分连续精馏过程的原理和 计算 Date73.蒸馏分离的特点ü 直接获取几乎纯态的产品而吸收、萃取等操 作的产品为混合物ü 应用范围广可分离液体混合物，气体混合物 、固体混合物ü 能耗高气化、冷凝需消耗大量的能量加压 、减压，将消耗额外的能量Date83.1 两组分溶液的气液平衡 3.1.1 两组分理想物系的汽液关系 理想物系是指符合以下条件的物系：ü 液相为理想溶液，遵循拉乌尔定律；ü 汽相为理想气体，遵循道尔顿分压定律，当总 压不太高(> 1 :easy to be separatedv If 1yD、 x1+ef1(↗) 泡点IF=IL=1∞ef2(↑) 汽液混合物 ILIVRmin：N=有限值,设备费↓↓ü R再增加，N减少的缓慢，但 因V增加，使塔、再沸器、冷凝 器等尺寸增加，因此设备反而 上升。
如红线示 3.R对总费用的影响 如蓝线示 Date834.适宜回流比通过经济衡算确定适宜回 流比：总费用最低时的回 流比为适宜回流比经济衡算繁琐，根据经验 选取：R=(1.1~2.0)Rmin通常对易分离的物系R取得小些，而对难分离的物 系，R取得大些 Date84例5 在常压连续精馏塔中分离苯-甲苯混合液，原料液 流量为1000kmol/h，组成为含苯0.4（摩尔分率，下同） 馏出液组成为含苯0.9，苯在塔顶的回收率为90%，泡点 进料，回流比为最小回流比的1.5倍，物系的平均相对挥 发度为2.5试求：（1）精馏段操作线方程；（2）提馏段操作线方程 解：W=F-D=1000-400=600kmol/hDate85精馏段操作线方程 （1）Date86（2）Date87例6.在常压连续精馏塔中分离苯-甲苯混合液，已知xF=0.4（ 摩尔分率、下同），xD=0.97, xW=0.04，相对挥发度α=2.47 试分别求以下三种进料方式下的最小回流比和全回流下 的最小理论板数 （1）冷液进料q=1.387（2）泡点进料（3）饱和蒸汽进料两式联立；xq=0.483, yq=0.698相平衡方程 ：解：（1）q=1.387,则q线方程：Date88(2)泡点进料，q=1 则xq=xF=0.4(3)饱和蒸汽进料，q=0则yq=xF=0.4Date89(4) 全回流时的最小理论板数〖结论〗v在分离要求一定的情况下，最小回流比Rmin与进 料热状况q有关，q, Rmin。
vNmin与进料热状况无关Date903.4.6 简捷法求理论板层数将N、Nmin、R、Rmin关联成如图形式，称 吉利兰关联图求解N步骤：①求解Rmin：②选择R：R=(1.1~2.0)RminDate91将N、Nmin、R、Rmin关联成如图形式，称 吉利兰关联图求解N步骤：①求解Rmin：Date92②选择R：R=(1.1~2.0)Rmin③求解Nmin：Date93注意：N,Nmin不含釜④求解N：Date94〖说明〗 1.加料板位置的确定：2.曲线两端代表两种极限情况： 右端：全回流左端：最小回流比Date953.条件：组分数为2～11，5种进料状况， Rmin=0.53～0.70，α=1.26～4.05，N=2.4～43.14.横标值X=0.01~0.9时，可用下式计算：Date963.4.8.1 塔高Z的计算ü 板式塔，先利用塔板效率将理论板层数折算成 实际板层数，然后再由实际板层数和板间距相乘 计算塔高ü 填料塔，先计算等板高度，再由理论板层数与 等板高度相乘计算塔高以上计算的塔高，均指塔体有效高度，不包括再 沸器和塔顶空间等高度3.4.8 塔高和塔径的计算Date971.板式塔有效高度的计算①全塔效率ETNT、NP:不包括塔釜Date98〖说明〗ü 全塔效率反映全塔传质性能的优劣，是各层塔 板的平均效率。
ü 影响全塔效率的因素很多，且非常复杂，因此 目前不能用理论公式计算ET的获得：v 选用经验值；v 利用经验公式计算如P134奥康奈尔 (O’connell)关联式Date99②单板效率(默弗里板效率)EM以汽相(或液相)经过实际板的组成变化值与经过理论板的组成变化值之比yn(yen)yn＋1xn(xen)xn-1nDate100〖说明〗ü 单板效率反映单独一块板上传质的优劣ü EM通过实验测定获得ü 一般来说，每块板上的单板效率并不相等，用 汽相和液相表示的单板效率也不相等Date101③点效率EO 塔板上某点的局部效率y—与流经塔板某点的液相浓度x相接触后而离开的气相 浓度； ye—与流经塔板某点的液相浓度x成平衡的气相浓度； ny(ye)yn＋1x (xe)xn-1Date102④塔高Z的计算式中：NP－实际板层数，不含釜NT－理论板层数，不含釜HETP－等板高度，m，实验测定HT－板间距，m，经验值范围见P180表4-3Date1033.4.8.2 塔径的计算式中：Vs－塔内上升蒸汽的体积流量，m3/su－空塔速度，m/s精馏段和提馏段上升蒸汽量不一定相等，因此塔 径分别计算。
Date1041.精馏段Vs的计算2.提馏段〖说明〗Ø 若两段上升蒸汽体积流量相差不太大时， 两段采用较大一段的塔径；Ø 塔径圆整Date1051.再沸器的热量恒算 ：1小时，0C为基准3.4.9 连续精馏装置的热量恒算目的：确定再沸器、冷凝器的热负荷，加热介质 与冷却介质的用量，为设计这些设备提供数据QLQBV’,IVWL’,ILmW,ILWL’ V’Wh,Ih1Wh,Ih2Date1062.冷凝器的热量恒算以冷凝器为例1小时,0C为基准，忽略热损失D,ILDQcV,IVDL,ILDWc,Ic1Wc,Ic1VLDate1073.4.10 精馏过程的操作型计算和调节3.4.10.1 影响精馏操作的主要因素1.物料平衡的影响据物料衡算，对一定的F和xF，确定了xD和xW后 ，D、W即确定了因此，D、W或D/F、W/F只 能根据xD、xW确定，而不能任意增减，否则进、出塔的两个组分的量不平衡，将导致塔内组成变 化，操作波动，使操作不能达到预期的效果Date1082.回流比R的影响增大R，将使精馏段操 作线斜率L/V变大，推断力变大，馏出液组成 变大；同时，使提馏段 操作线斜率L’/V’变小，推断力变大，釜残液 组成变小；但塔顶产品 D减小。
Date1093.回流液温度的影响回流液温度降低，将增加塔 内实际 的汽液两相流量， 使分离效率提高但能量消 耗增大4.进料组成xF的影响xF , 其它不变， D, W不变 结果：xD , xW xF 对xD, xW 的影响Date1105.进料热状况q的影响q , R 不变， D不变， V’ 结果：xD , xW q 对xD, xW 的影响Date1113.4.10.2 精馏过程的操作型计算此类计类计 算的任务务是在设备设备 （精馏馏段板数及全塔理论论板数）已定的条件下，由指定的操作条件预计预计 精馏馏操作的结结果已知量为为：全塔总总板数N及加料板位置（第m块块板）；相平衡曲线线或相对挥发对挥发 度；原料组组成xF与热热状态态q，回流比R；并规规定塔顶馏顶馏 出液的采出率D/F待求的未知量为为精馏馏操作的最终结终结 果—产产品组组成xD、xW以及逐板的组组成分布Date112操作型计计算的特点： ①由于众多变变量之间间的非线线形关系，使操作型计计算一般均须通过试差（迭代），即先假设一个塔顶（或塔底）组成，再用物料衡算及逐板计算予以校核的方法来解决② 加料板位置（或其它操作条件）一般不满满足最优优化条件。
Date1133.4.10.3 精馏产品的质量控制和调节1.精馏馏塔的温度分布溶液的泡点与总压总压 及组组成有关精馏馏塔内各块块塔板上物料的组组成及总压总压 并不相同，因而塔顶顶至塔底形成某种温度分布在加压压或常压压精馏馏中，各板的总压总压 差别别不大，形成全塔温度分布的主要原因是各板组组成不同图图a表示各板组组成与温度的对对应应关系，于是可求出各板的温度并将它标标绘绘在图图b中，即得全塔温度分布曲线线Date114减压压精馏馏中，蒸汽每经过经过 一块块塔板有一定压压降，如果塔板数较较多，塔顶顶与塔底压压强的差别别与塔顶绝对压顶绝对压 强相比，其数值值相当可观观，总压总压 降可能是塔顶压顶压 强的几倍因此，各板组组成与总总压压的差别别是影响全塔温度分布的重要原因，且后一因素的影响往往更为显为显 著Date1152.灵敏板一个正常操作的精馏馏塔当受到某一外界因素的干扰扰（如回流比、进进料组组成发发生波动动等），全塔各板的组组成发发生变动变动 ，全塔的温度分布也将发发生相应应的变变化因此，有可能用测测量温度的方法预预示塔内组组成尤其是塔顶馏顶馏 出液的变变化Date116在一定总压总压 下，塔顶顶温度是馏馏 出液组组成的直接反映。
但在高纯纯 度分离时时，在塔顶顶（或塔底）相 当高的一个塔段中温度变变化极小 ，典型的温度分布曲线线如图图所示 这样这样 ，当塔顶顶温度有了可觉觉 察的变变化，馏馏出液组组成的波动动 早已超出允许许的范围围以乙苯- 苯乙烯烯在8kPa下减压压精馏为馏为 例 ，当塔顶馏顶馏 出液中含乙苯由 99.9%降至90%时时，泡点变变化仅仅 为为0.7℃可见见高纯纯度分离时时一 般不能用测测量塔顶顶温度的方法来 控制馏馏出液的质质量 Date117仔细细分析操作条件变动变动 前后 温度分别别的变变化，即可发现发现 在精馏馏段或提馏馏段的某些塔板 上，温度变变化量最为显为显 著或 者说说，这这些塔板的温度对对外界 干扰扰因素的反映最灵敏，故将 这这些塔板称之为为灵敏板将感 温元件安置在灵敏板上可以较较 早觉觉察精馏馏操作所受到的干扰扰 ；而且灵敏板比较较靠近进进料口 ，可在塔顶馏顶馏 出液组组。