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1、第第6章章 蒸馏（蒸馏（Distillation）6.1 概述概述6.2 双组分溶液的汽双组分溶液的汽-液平衡液平衡6.3 简单蒸馏和平衡蒸馏简单蒸馏和平衡蒸馏6.4 精馏原理精馏原理6.5 双组分连续精馏塔的计算双组分连续精馏塔的计算6.6 间歇精馏间歇精馏6.7 恒沸精馏与萃取精馏恒沸精馏与萃取精馏6.8 板式塔板式塔6.9 蒸馏过程的强化与展望蒸馏过程的强化与展望6.1 概述概述蒸馏的应用蒸馏的应用 液体产品的精制液体产品的精制汽油汽油煤油煤油柴油柴油其它油品其它油品石油石油苯苯甲苯甲苯二甲苯等二甲苯等煤焦油煤焦油目的目的：对液体混合物的分离，提取或回收有用组分：对液体混合物的分离，提取
2、或回收有用组分依据依据：液体混合物中：液体混合物中各组分挥发性各组分挥发性的差异的差异蒸馏分离的目的和依据蒸馏分离的目的和依据挥发性高（乙醇），称为易挥发组分或轻组分（挥发性高（乙醇），称为易挥发组分或轻组分（A）挥发性低（水）挥发性低（水） ，称为难挥发组分或重组分（，称为难挥发组分或重组分（B）液体混合物：液体混合物：( (如：酒精水溶液如：酒精水溶液) ) 液体混合物液体混合物 加热加热部分汽化部分汽化 气相：气相：yA, yB 液相：液相：xA, xB 液相液相冷凝冷凝必有：必有： yA xA, yB 1,则则 yx ,可用蒸馏方法分离，且可用蒸馏方法分离，且愈大，愈大， 平衡线愈远离
3、对角线，物系愈易分离；平衡线愈远离对角线，物系愈易分离； =1, 1, 无法用普通蒸馏方法分离。无法用普通蒸馏方法分离。 5. 5. 压力对压力对xy图的影响图的影响压力增加，压力增加，平衡线靠近平衡线靠近对角线，分对角线，分离难度大离难度大6.2.5 6.2.5 非理想溶液的汽非理想溶液的汽- -液平衡液平衡1.1.具有正偏差的溶液具有正偏差的溶液 一般正偏差一般正偏差：pApA理理， pBpB理理，介于，介于pAo、pBo 之间。之间。正偏差溶液：正偏差溶液：x=0.894，最低恒沸点，最低恒沸点，78.15乙醇水溶液相图乙醇水溶液相图硝酸水溶液相图硝酸水溶液相图负偏差溶液：负偏差溶液：x
4、=0.383，最高恒沸点，最高恒沸点，121.92. 具有负偏差的溶液具有负偏差的溶液一般负偏差一般负偏差 pApA理理， pBpB理理。注意：注意：1 1、非理想溶液不一定都具有恒沸点。、非理想溶液不一定都具有恒沸点。 如甲醇水溶液，属正偏差系统。如甲醇水溶液，属正偏差系统。2 2、精馏分离的依据：、精馏分离的依据： 挥发度的差异，而非沸点的大小。挥发度的差异，而非沸点的大小。6.3 简单蒸馏和平衡蒸馏简单蒸馏和平衡蒸馏一一 、 简单蒸馏简单蒸馏1. 装置装置2. 特点特点:间歇非定态间歇非定态一次进料一次进料xD, xW不是一对平衡不是一对平衡组成组成适合于适合于 大的组分大的组分对对A部
5、分提出部分提出, 粗分粗分二二. 平衡蒸馏平衡蒸馏(又叫闪蒸又叫闪蒸)1. 流程流程2. 特点特点:一次进料，粗分一次进料，粗分xD, xW是一对平是一对平衡组成衡组成W xWTD xDF xF6.4.1多次部分汽化、部分冷凝多次部分汽化、部分冷凝6.4.2连续精馏装置流程连续精馏装置流程6.4.3塔板的作用塔板的作用6.4.4 精馏过程的回流精馏过程的回流6.4精馏原理精馏原理6.4.1多次部分汽化、部分冷凝多次部分汽化、部分冷凝通过多次部分气化和多通过多次部分气化和多次部分冷凝，最终可以次部分冷凝，最终可以获得几乎纯态的易挥发获得几乎纯态的易挥发组分和难挥发组分，但组分和难挥发组分，但得到
6、的气相量和液相量得到的气相量和液相量却越来越少。却越来越少。 缺点：缺点：1 1、收率低；、收率低；2 2、设备重复量大，设备投资大；、设备重复量大，设备投资大；3 3、能耗大，过程有相变。、能耗大，过程有相变。问题：工业上如何实现？问题：工业上如何实现？2. 2. 有回流的多次部分汽化和多次部分冷凝有回流的多次部分汽化和多次部分冷凝 进料板：进料板：进料板：进料板：原料液进入的原料液进入的那层塔板那层塔板精馏段：精馏段：精馏段：精馏段：进料板以上的进料板以上的塔段塔段提馏段：提馏段：提馏段：提馏段：进料板以下进料板以下（包括进料板）（包括进料板）的塔段的塔段6.4.2 连续精馏装置流程连续精
7、馏装置流程塔板提供了塔板提供了汽液汽液分离的场所；分离的场所；每一块塔板是一每一块塔板是一个个混合分离器；混合分离器；足够多的板数足够多的板数可可使各组分使各组分较完全分较完全分离。离。特点：特点：6.4.3 塔板的作用塔板的作用说明：说明：1、下降的液相泡点、下降的液相泡点tn-1与上升的气相露点与上升的气相露点tn+1不等，不等，当气液平衡时，两相温度相等当气液平衡时，两相温度相等tn，即传质伴有传热。，即传质伴有传热。2、重组分由气相冷凝至液相，放出潜热，轻组分、重组分由气相冷凝至液相，放出潜热，轻组分由液相汽化成气相，需要潜热，二者同时发生，潜由液相汽化成气相，需要潜热，二者同时发生，
8、潜热抵消；热抵消；3、气液两相偏离平衡越远，传质过程进行越快。、气液两相偏离平衡越远，传质过程进行越快。回流的作用：回流的作用：提供不平衡的气液两相，是构成气液两相传提供不平衡的气液两相，是构成气液两相传质的必要条件。质的必要条件。精馏的主要特点就是有回流。精馏的主要特点就是有回流。6.4.4 6.4.4 精馏过程的回流精馏过程的回流 回流包括：回流包括：塔顶回流液塔顶回流液塔底回流汽塔底回流汽塔顶回流液塔顶回流液回流液回流液：在任意塔板上，上一块塔板下来的液：在任意塔板上，上一块塔板下来的液体，轻组分含量高，温度低体，轻组分含量高，温度低塔釜汽相回流塔釜汽相回流回流汽回流汽：任意塔板上，下一
9、块塔板上来的汽：任意塔板上，下一块塔板上来的汽体，重组分含量高，温度高；体，重组分含量高，温度高；6.5 双组分连续精馏塔的计算双组分连续精馏塔的计算6.5.1理论板的概念和恒摩尔流假设理论板的概念和恒摩尔流假设6.5.2全塔物料衡算全塔物料衡算6.5.3操作线方程操作线方程6.5.4进料热状况的影响及进料热状况的影响及q线方程线方程6.5.5理论塔板数的确定理论塔板数的确定6.5.6 回流比的影响与选择回流比的影响与选择6.5.7 理论板数的简捷计算理论板数的简捷计算6.5.8 精馏装置的热量衡算精馏装置的热量衡算6.5.9 双组分精馏的操作型计算双组分精馏的操作型计算6.5.1 理论板的概
10、念和恒摩尔流的假设理论板的概念和恒摩尔流的假设理论板：离开塔板的蒸汽和液体呈平理论板：离开塔板的蒸汽和液体呈平衡的塔板衡的塔板假设：假设：（1） 两组分的摩尔汽化潜热相等；两组分的摩尔汽化潜热相等；（2）两两相相接接触触因因两两相相温温度度不不同同而而交交换换的的显显热热可可忽忽略略不计；不计；（3）塔设备保温良好，热损失可以忽略不计。）塔设备保温良好，热损失可以忽略不计。 2. 恒摩尔流的假设恒摩尔流的假设1. 理论板的概念理论板的概念ynxn精精馏馏段段，每每层层塔塔板板上上升升的的蒸蒸汽汽摩摩尔尔流流量量都都相相等等，提提馏馏段也一样。段也一样。即：即： V1=V2= V=常数常数 V1
11、=V2= V=常数常数式中：式中：V-精馏段上升蒸汽的摩尔流量，精馏段上升蒸汽的摩尔流量，kmol.h-1; V-提馏段上升蒸汽的摩尔流量，提馏段上升蒸汽的摩尔流量，kmol.h-1。 （下标（下标1、2表示自上而下的塔板序号。）表示自上而下的塔板序号。）（1）恒摩尔汽化）恒摩尔汽化Vn+1Vn精精馏馏段段内内，每每层层塔塔板板下下降降的的液液体体摩摩尔尔流流量量都都相相等等，提馏段也一样。提馏段也一样。即：即： L1=L2= L=常数常数 L1=L2= L=常数常数式中：式中：L-精馏段下降液体的摩尔流量，精馏段下降液体的摩尔流量，kmol.h-1;L-提馏段下降液体的摩尔流量，提馏段下降液
12、体的摩尔流量，kmol.h-1。（下标（下标1、2表示自上而下的塔板序号。）表示自上而下的塔板序号。） （2）恒摩尔溢流）恒摩尔溢流 Ln+1Ln1 1）根据分离任务，确定产品流量）根据分离任务，确定产品流量D D，W W；2 2）选择操作条件）选择操作条件R R、进料状态；、进料状态；3 3）确定塔板数及加料位置；）确定塔板数及加料位置；4 4）选择塔型，确定塔径，塔内结构尺寸，）选择塔型，确定塔径，塔内结构尺寸，流体力学验算；流体力学验算；5 5）冷凝器及再沸器热负荷及设计计算。）冷凝器及再沸器热负荷及设计计算。 设计目标设计目标: : 6.5.2 全塔物料衡算全塔物料衡算塔顶采出率塔顶采
13、出率塔底采出率塔底采出率F, xFD, xDW, xW全塔物料衡算全塔物料衡算F、D、Wkmol.h-1xF、xD、xW轻组分的摩尔分率轻组分的摩尔分率塔顶易挥发组分回收率塔顶易挥发组分回收率塔底难挥发组分回收率塔底难挥发组分回收率例例6-3 将将5000kg/h含乙醇含乙醇0.4（摩尔分数，下同）（摩尔分数，下同）和水和水0.6的混合液在常压连续精馏塔中分离。要的混合液在常压连续精馏塔中分离。要求馏出液含乙醇求馏出液含乙醇0.85，釜液含乙醇不高于，釜液含乙醇不高于0.02，求馏出液，釜液的流量及塔顶易挥发组分的回求馏出液，釜液的流量及塔顶易挥发组分的回收率和采出率。收率和采出率。解解 乙醇
14、乙醇=A，水，水=B，MA=46，MB=18进料平均分子量进料平均分子量 MF=MAxF+MB(1-xF)6.5.3 操作线方程操作线方程令令 回流比回流比 精馏段操作线方程精馏段操作线方程取右图虚框内为衡算体系取右图虚框内为衡算体系精馏段操作线精馏段操作线:当当R, D, xD为一定值时为一定值时,该操作线为一直线该操作线为一直线.斜率斜率:截距截距:yxxD操作线过点（操作线过点（xD，yD ）精馏段操作线画法精馏段操作线画法提馏段操作线方程提馏段操作线方程提馏段操作线方程提馏段操作线方程取虚框内为衡算体系取虚框内为衡算体系 意义：提馏段意义：提馏段 ym1f（xm）提馏段操作线过点（提馏
15、段操作线过点（xW，yW ）斜率斜率:L/V截距截距:xWyxxDxFabq例例6-4 将含将含0.24（摩尔分数，下同）易挥发组分的某（摩尔分数，下同）易挥发组分的某液体混合物送入一连续精馏塔中。要求馏出液含液体混合物送入一连续精馏塔中。要求馏出液含0.95易挥发组分，釜液含易挥发组分，釜液含0.03易挥发组分。送入冷易挥发组分。送入冷凝器的蒸汽量为凝器的蒸汽量为850kmol/h，流入精馏塔的回流液，流入精馏塔的回流液为为670kmol/h，试求：，试求：1每小时能获得多少每小时能获得多少kmol/h的馏出液？多少的馏出液？多少kmol/h的釜液？的釜液？2回流比回流比R为多少？为多少？3
16、写出精馏段操作线方程。写出精馏段操作线方程。6.5.4 进料热状况的影响及进料热状况的影响及q线方程线方程以进料温度区分，有以进料温度区分，有5 5种进料热状况种进料热状况(1)(1) 冷液冷液 tFts (2)(2) 饱和液体（泡点进料）饱和液体（泡点进料）tFts(3) (3) 气液混合气液混合 tstFtd 1. 1. 加料板的物料衡算加料板的物料衡算FhF+LhF-1+VHF+1=VHF+LhF 物料恒算：物料恒算：F+V+L=V+L2. 2. 热量衡算热量衡算加料板加料板FF, xF, hFL h F-1V HFL hFV H F+1式中：式中： H，h，hF-分别为饱和蒸汽、饱和液
17、体、原料分别为饱和蒸汽、饱和液体、原料液的摩尔焓液的摩尔焓k kJ.kmol-1；HF=HF+1=H =原料在饱和蒸汽状态下的摩尔焓原料在饱和蒸汽状态下的摩尔焓hF=hF-1=h原料在饱和液体状态下的摩尔焓原料在饱和液体状态下的摩尔焓假设：假设：令令q进料热状况参数进料热状况参数所以：所以：其中饱和液体所占分率为其中饱和液体所占分率为 q，饱和蒸汽所占分率，饱和蒸汽所占分率为为（1q）。将精馏段与提将精馏段与提馏段关联起来馏段关联起来q q线方程或进料方程线方程或进料方程xWyxxDxF 意义：精馏段与提馏段交点轨迹方程；意义：精馏段与提馏段交点轨迹方程；FLVLV冷液进料冷液进料泡点进料泡点
18、进料FLVLVFqF(1-q)FLVLV汽液混合进料汽液混合进料FLVLV过热蒸汽进料过热蒸汽进料FLVLV饱和蒸汽进料饱和蒸汽进料L与与L(1) 冷液冷液 q1(2) 饱和液体饱和液体 q1(3) 气液混合气液混合 0q1(4) 饱和蒸汽饱和蒸汽 q0(5) 过热蒸汽过热蒸汽 q0进料状况进料状况q值值q线位置线位置V与与V（1）D, xD (W, xW)；（2）xD , xW；（3）选择条件：选择条件：操作压力操作压力p，回流比，回流比R，进料热状态，进料热状态q。确定：塔板数确定：塔板数N精馏操作分离要求：精馏操作分离要求：6.5.5 理论塔板数的计算理论塔板数的计算1.1.逐板计算法逐
19、板计算法xnyn符合平衡关系符合平衡关系；yn +1 xn符合操作关系符合操作关系。塔顶设全凝器，泡点回流。塔顶设全凝器，泡点回流。塔顶全凝器塔顶全凝器 精馏段精馏段(n-1)块板，第块板，第n块为加料板。块为加料板。精馏段：精馏段：F, xFD, xDW, xWyWm-112nx1x2xnxm-1y2y1ym-1提馏段：提馏段： 提馏段提馏段(m-1)块板块板 再沸器相当于一块再沸器相当于一块理论板理论板； 分凝器也相当于一块分凝器也相当于一块理论板理论板，可以可以x0、y0计，其它相同计，其它相同 。D, xD分凝器分凝器全凝器全凝器精馏段操作线：平衡线：73双组份体系精馏图解法741在y
20、x图上作气液平衡线及对角线；752在图上依次定出进料组成xF，塔顶xD塔釜xW组成；763在yx图上根据不同进料状况作q线；774求最小回流比和操作回流比,78795根据已知回流比定出精馏段操作线方程在图上标出805根据已知回流比定出精馏段操作线方程在图上标出816精馏段操作线与q线的交点与对角线上xW点相连，得提馏段操作线827由a点出发，在平衡线与操作线之间作阶梯，到跨过c点为止，所得阶梯数即理论板数，跨过e点的板即进料板3. 3. 最优加料位置的确定最优加料位置的确定最优加料板位置最优加料板位置：确定最佳进料位置确定最佳进料位置 最优进料位置：塔内气相或液相组成与进料组成最优进料位置：塔
21、内气相或液相组成与进料组成 相等或相近的塔板。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，图解法最优进料板：跨越两操作线交点的梯级， NT最少。最少。 梯级的物理意义梯级的物理意义理论板上浓度特征：理论板上浓度特征：xn yn相平衡，落到平衡线上。相平衡，落到平衡线上。某截面浓度特征：某截面浓度特征： xn yn+1操作关系，落到操作线上。操作关系，落到操作线上。注意：注意：6.5.6 6.5.6 回流比的影响与选择回流比的影响与选择1. 1. 回流比对精馏操作的影响回流比对精馏操作的影响2. 2. 全回流与最少理论板数全回流与最少理论板数全回流操作时，完成分离任务所需的理论
22、板数为最全回流操作时，完成分离任务所需的理论板数为最少理论板少理论板全回流时操作线方程全回流时操作线方程操作线：操作线：平衡线：平衡线：第第1 1块板：块板： 全凝器全凝器或或则则第第2 2块板：块板：yB:重组分的重组分的mol分率分率NT T块板后块板后（不包括再沸器）（不包括再沸器）相差不大时：相差不大时：双组分：双组分：（不包括（不包括再沸器）再沸器）FenskeFenske方程方程3. 3. 最小回流比最小回流比最小回流比：最小回流比：对于某一物系，在对于某一物系，在一定的分离任务下一定的分离任务下，所需理论板，所需理论板为无穷多时所对应的回流比。为无穷多时所对应的回流比。恒浓区（夹
23、紧点）恒浓区（夹紧点）: : 在在d d点前后气液两相浓度没有变化点前后气液两相浓度没有变化 ，即无增浓作，即无增浓作用。所以此区称作恒浓区，用。所以此区称作恒浓区，d d点叫夹紧点。点叫夹紧点。（1）定义）定义1 1）一般形状的平衡线：）一般形状的平衡线：（2 2）最）最小回流比的计算小回流比的计算图解图解公式计算公式计算q线与平衡线线与平衡线的交点坐标的交点坐标斜率法斜率法截矩法截矩法: :公式法公式法: : （已知（已知q）由平衡线与）由平衡线与q线联立求解交点坐线联立求解交点坐标：标：在图上直接读取在图上直接读取代入精馏段代入精馏段操作线方程操作线方程求解求解Rminq=1，xq=xF
24、q=0，yq=xF特殊特殊情况情况2）不同平衡线形状的最小回流比）不同平衡线形状的最小回流比相平衡方程未知情况下只能图解相平衡方程未知情况下只能图解Rmin取决取决于提馏段于提馏段4. 4. 适宜回流比适宜回流比适宜回流比：适宜回流比：问题？问题？实实际际操操作作中中，R 浮阀浮阀 泡罩；泡罩；2. 2. 压降：压降： 泡罩泡罩 浮阀浮阀 筛板；筛板；3. 3. 操作弹性：操作弹性： 浮阀浮阀 泡罩泡罩 筛板；筛板；4. 4. 造价：造价： 泡罩泡罩 浮阀浮阀 筛板；筛板；5. 5. 板效率：板效率： 浮阀、筛板相当浮阀、筛板相当 泡罩。泡罩。三种塔板的比较三种塔板的比较: : 四、其它类型塔板四、其它类型塔板1. 舌形塔板与浮动舌形塔板舌形塔板与浮动舌形塔板2. 导向筛板导向筛板3. ADV浮阀塔板浮阀塔板ADV塔盘的鼓泡状态塔盘的鼓泡状态6.9 蒸馏过程的强化与展望蒸馏过程的强化与展望低能耗蒸馏技术的开发： 双效蒸馏、热泵技术强化传质与过程耦合 催化蒸馏、反应蒸馏
