化工原理-9章液体精馏

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1、化工原理principlesofchemicalengineering第九章第九章 液体精馏液体精馏（Distillation）延安大学化学与化工学院延安大学化学与化工学院9.1蒸馏概述蒸馏概述9.2双组分溶液的气液相平衡双组分溶液的气液相平衡9.3平衡蒸馏与简单蒸馏平衡蒸馏与简单蒸馏9.4 精馏精馏9.5双组分精馏的设计型计算双组分精馏的设计型计算9.6 双组分精馏的操作型计算双组分精馏的操作型计算9.7 间歇精馏间歇精馏9.8 恒沸精馏与萃取精馏恒沸精馏与萃取精馏9.9 多组分精馏基础多组分精馏基础第第9章章液体精馏液体精馏9.1 概概 述述工业乙醇的蒸馏（有机化学实验）工业乙醇的蒸馏（有

2、机化学实验）化工生产过程中所遇到的物料有许多是两个或两个以上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。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物系内部各处物料性质均匀而且不存在相界面的混合物。混合物。如：石油、空气、粗甲醇如：石油、空气、粗甲醇均相混合物：均相混合物：思考：混合物思考：混合物的分类？的分类？蒸馏操作在工业生产中的应用蒸馏操作在工业生产中的应用世界六大蒸馏酒的制备世界六大蒸馏酒的制备 白兰地白兰地(Brandy)(Brandy)、威士忌、威士忌(Whisky)(Whisky)、伏特加、伏特加(Vodka)(Vodka)、金酒（金酒（Gi

3、nGin）、朗姆酒）、朗姆酒 (Rum)(Rum)、中国白酒、中国白酒(Spirit)(Spirit)。蒸馏酒蒸馏酒把经过发酵的原酒，经过一次或多次蒸馏过程把经过发酵的原酒，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 蒸馏水的制备蒸馏水的制备海水淡化技术海水淡化技术粗苯精制粗苯精制粗甲醇的三塔精馏粗甲醇的三塔精馏酒精水如何实现分离？如何实现分离？酒精的沸点低酒精的沸点低易于气化易于气化。若若将气化将气化的的酒精蒸气全部酒精蒸气全部冷凝，即实现分离提纯。冷凝，即实现分离提纯。如何操作？如何操作？蒸馏：蒸馏：将液体部分气化，利用各组分将液体部分

4、气化，利用各组分挥发度挥发度的不同从而的不同从而使混合使混合 物物达到分离的单元操作。蒸馏是达到分离的单元操作。蒸馏是分离液相混合物分离液相混合物的典型的典型 单元操作单元操作。易挥发组分：易挥发组分：沸点低的组分，又称为沸点低的组分，又称为轻组分轻组分。难挥发组分：难挥发组分：沸点高的组分，又称为沸点高的组分，又称为重组分重组分。一、概念一、概念精馏：精馏：多次多次进行部分气化和部分冷凝后，最终可以在气相中得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。分，这个过程叫精馏。二

5、、蒸馏的分类二、蒸馏的分类1、按蒸馏方法：按蒸馏方法：简单蒸馏、平衡蒸馏简单蒸馏、平衡蒸馏( (闪蒸闪蒸) )、精馏、特殊精馏。、精馏、特殊精馏。2、按操作压力：、按操作压力：常压；减压；加压。常压；减压；加压。3、按原料液组分数：、按原料液组分数：双组分蒸馏和多组分蒸馏双组分蒸馏和多组分蒸馏4、按操作方式：、按操作方式：间歇蒸馏和连续蒸馏。间歇蒸馏和连续蒸馏。 平衡蒸馏平衡蒸馏（闪蒸）（闪蒸） 平衡蒸馏是液体的一次部分气化或蒸气的一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。次部分冷凝的蒸馏操作。是连续定态过程。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

6、减压阀特点：特点：闪蒸是闪蒸是连续、稳定连续、稳定的的单级单级蒸蒸馏程，生产能力大，不能得馏程，生产能力大，不能得到高纯产物，到高纯产物，常用于只需粗常用于只需粗略分离的物料略分离的物料。 简单简单蒸馏蒸馏(微分蒸馏微分蒸馏/瑞利蒸馏瑞利蒸馏)：y原料液x蒸汽xD1xD2xD3冷凝器定义：将定义：将原料液一次加入蒸馏釜中，在一定压强下加热至原料液一次加入蒸馏釜中，在一定压强下加热至沸，沸， 使使液体液体不断气化，并不断将生成的蒸气移出在冷凝器不断气化，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。内冷凝，使混合液中组分部分分离的方法。是间歇过程。是间歇过程。 三、蒸馏操

7、作的特点三、蒸馏操作的特点优点：优点：* * 适用面广，液体混合物和气体混合物均可适用面广，液体混合物和气体混合物均可 * * 操作流程较简单，无需其他外加介质操作流程较简单，无需其他外加介质缺点：缺点：* * 能耗大能耗大（加热和冷却费用是蒸馏过程的（加热和冷却费用是蒸馏过程的 主要操作费用）主要操作费用） 四、气液传质设备四、气液传质设备的分类的分类实现蒸馏过程是实现蒸馏过程是在气液在气液传质传质设备中进行的。设备中进行的。板式塔板式塔填料塔填料塔在在塔板上塔板上，气液，气液两相密切两相密切接触接触，进行，进行热量热量和质量和质量的交换的交换。散装填料塑料鲍尔环填料规整填料 塑料丝网波纹填

8、料 填料塔填料塔9.2双组分双组分溶液溶液的气液相平衡的气液相平衡9.2.1双组分理想物系的气液相平衡双组分理想物系的气液相平衡理想物系：理想物系：液相液相为理想溶液，为理想溶液，气相气相为理想气体且服从为理想气体且服从 道尔顿分压定律道尔顿分压定律的物系。的物系。道尔顿分压定律：道尔顿分压定律：理想气体混合物的总压力为各组元理想气体混合物的总压力为各组元 气体分压力之和。气体分压力之和。 注：注：理想溶液理想溶液并不存在并不存在，但对于化学结构相似、性质极相近的，但对于化学结构相似、性质极相近的 组分组成的物系，如，苯组分组成的物系，如，苯- -甲苯、甲醇甲苯、甲醇- -乙醇等，在压力不乙醇

9、等，在压力不 太高（一般太高（一般t泡点泡点两相区特点：两相区特点：当两相温度相同时当两相温度相同时 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在总总压压一一定定的的条条件件下下，将将组组成成为为 xf 的的溶溶液液加加热热至至该该溶溶液液的的泡泡点点 TA，产产生第一个气泡的组成为生第一个气泡的组成为 yA。继继续续加加热热升升高高温温度度，物物系系变变为为互互成成平平衡衡的的气气、液液两两相相，两两相相温温度度相相同同组组成成分别为分别为 yA和和xA。当温度达到该溶液的露点，当温度达到该溶液的露点，溶液全部溶液全部气化气化成为组成为成为组成为 yA=

10、 xf 的气相的气相，最后，最后一一滴液相的组成为滴液相的组成为 xA。对角线对角线y=x为辅助曲线，为辅助曲线，yx， 平衡平衡线在对角线之上；线在对角线之上；x-y线上各点温度不同；线上各点温度不同；平衡线离对角线越远平衡线离对角线越远，挥发性，挥发性差异差异越大，物系越易分离。越大，物系越易分离。2、气液平衡相图气液平衡相图（y-x图）图）四、用相对挥发度四、用相对挥发度表示表示的气液平衡关系的气液平衡关系通常通常，纯液体纯液体的挥发度是指该液体在一定温度下的的挥发度是指该液体在一定温度下的饱和蒸汽饱和蒸汽压压。混合混合液体液体中中各组分各组分的挥发度可用它的挥发度可用它在蒸气中在蒸气中

11、的的分压分压和与之和与之平衡的平衡的液液相中的相中的摩尔分数摩尔分数之比之比来来表示表示，即，即对于理想溶液，因符合拉乌尔定律，则对于理想溶液，因符合拉乌尔定律，则 相对挥发度：相对挥发度：溶液中易挥发组分的挥发度与难挥发组分的溶液中易挥发组分的挥发度与难挥发组分的 挥发度之比。挥发度之比。若操作压力不高若操作压力不高，气相，气相遵循道尔顿分压定律遵循道尔顿分压定律 其其值标志着分离的难易程度。值标志着分离的难易程度。对于两组分溶液对于两组分溶液代入代入相平衡相平衡方程方程y=x, 即相平衡即相平衡时气相时气相的组成与液相的的组成与液相的组成相同，组成相同，不能用蒸馏方法分离。不能用蒸馏方法分

12、离。则则yx,愈大，愈大，y比比x大的愈多，组分大的愈多，组分A和和B愈易分离。愈易分离。当当为已知时，可用相对挥发度表示了气液相平衡关系。为已知时，可用相对挥发度表示了气液相平衡关系。当当=1当当1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种分不同种类分子之间的作用力与同种分子之间的作用力的大小不同，其表现子之间的作用力的大小不同，其表现是溶液中各组分的饱和蒸气压是溶液中各组分的饱和蒸气压偏离拉偏离拉乌尔定律。乌尔定律。9.2.2双组分非理想物系的气液相平衡双组分非理想物系的气液相平衡本书讨论本书讨论：

13、气相气相属于理想气体，而属于理想气体，而液相液相为非理想溶液的体系。为非理想溶液的体系。液相为非理想溶液，气相为理想气体液相为非理想溶液，气相为理想气体非理想物系：非理想物系：液相为非理想溶液，气相为非理想气体液相为非理想溶液，气相为非理想气体 非理想溶液非理想溶液： i 活度系数，分子间引力发生变化，使得活度系数，分子间引力发生变化，使得 i 1。（1）正偏差溶液正偏差溶液 平衡分压高于拉乌尔定律的计算值，平衡分压高于拉乌尔定律的计算值，泡点下降泡点下降。（2）负偏差溶液负偏差溶液平衡分压低于拉乌尔定律的计算值，平衡分压低于拉乌尔定律的计算值，泡点升高泡点升高。当压力不太高，气相为理想气体时

14、，则当压力不太高，气相为理想气体时，则 当溶液正当溶液正、负偏差较大时，出现恒沸点。、负偏差较大时，出现恒沸点。正偏差正偏差：具有具有最低恒沸点；最低恒沸点；恒沸点：恒沸点：气相组成和液相组成气相组成和液相组成相等相等的点，如图中的点，如图中M点。点。=1=1 负偏差负偏差：具有具有最高恒沸点。最高恒沸点。 9.3.1平衡蒸馏平衡蒸馏平衡蒸馏是液体的一次部分汽化或蒸汽的一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。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

15、阀9.3 平衡蒸馏与简单蒸馏平衡蒸馏与简单蒸馏特点：特点：闪蒸是闪蒸是连续、稳定连续、稳定的的单级单级蒸蒸馏程，生产能力大，不能得馏程，生产能力大，不能得到高纯产物，到高纯产物，常用于只需粗常用于只需粗略分离的物料略分离的物料。 1. 1. 1. 1. 物料衡算物料衡算物料衡算物料衡算 总物料衡算 式式中中：F、D、W 进进料料流流率率和和出出塔塔气气、液液相相产产物物的的流流率率，kmol/s； xF、y、x 料料液液组组成成以以及及出出塔塔气气、液液相相产产物物的的摩摩尔尔分分数。数。易挥发组分的物料衡算易挥发组分的物料衡算两式联立可得两式联立可得总物料衡算总物料衡算闪蒸罐D, y, te

16、y加热器F, xF, tF W, x, teQ减压阀xT 若若设设液液相相产产物物占占总总加加料料量量的的分分率率为为q，即即W/F=q，则则汽化率为汽化率为D/F =(1-q)，代入上式整理可得代入上式整理可得平衡蒸馏过程平衡蒸馏过程yx 符合平衡关系符合平衡关系:物料衡算式物料衡算式物料衡算式物料衡算式 若若已已知知进进料料组组成成xF 和和生生产产任任务务所所要要求求的的汽汽化化率率(1-q)，结合物料衡算式可求得气液相组成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 料液由进料温度料液由进料温度tF 升至升至T需供

17、给的热量需供给的热量Q 为为闪蒸后，闪蒸后，物料放出的显热即供自身的部分汽化物料放出的显热即供自身的部分汽化，即，即2 2. . 热量衡算热量衡算tf,T分别为料液温度与加热后的液体温度；分别为料液温度与加热后的液体温度；Kte闪蒸后气、液两相的平衡温度，闪蒸后气、液两相的平衡温度，Kcm,p混合液的平均摩尔热容，混合液的平均摩尔热容，kJ/(kmolK)r平均摩尔汽化热，平均摩尔汽化热，kJ/kmol气气化化量量越越大大，(1-q)值值越越大大大大，闪闪蒸蒸前前料料液液温温度度T需需加热至更高值。加热至更高值。由上式可得由上式可得9.3.2 简单简单蒸馏蒸馏( (微分蒸馏微分蒸馏/ /瑞利蒸

18、馏瑞利蒸馏) )：y原料液x蒸汽xD1xD2xD3冷凝器定义：将定义：将原料液原料液一次加入一次加入蒸馏釜中，在一定压强下加热至蒸馏釜中，在一定压强下加热至沸，沸， 使使液体液体不断气化不断气化，并不断将生成的蒸气移出在冷凝器，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。内冷凝，使混合液中组分部分分离的方法。 釜釜内任一时刻内任一时刻的气、的气、液两相组成互成平衡。液两相组成互成平衡。简单简单蒸馏原理：蒸馏原理： 釜釜内易挥发组分含量由内易挥发组分含量由原料的原料的初始组成沿初始组成沿泡点线不断下降泡点线不断下降直至终直至终止止蒸馏时组成蒸馏时组成，釜，釜内内溶液的溶

19、液的沸点温沸点温度度不断升高不断升高，气相组成，气相组成也随之也随之沿露沿露点点线不断降低。因此线不断降低。因此，通常设置若，通常设置若干干个个槽按组成范围收集槽按组成范围收集馏出液产品。馏出液产品。特点：特点：间歇操作过程间歇操作过程 单级过程单级过程 非稳态过程非稳态过程应用：应用：液体混合物初步分离液体混合物初步分离 沸点相差较大，分离要求不高场合沸点相差较大，分离要求不高场合 设设d 时间内，釜液变化量为时间内，釜液变化量为dW (kmol) 时刻釜内液体量为时刻釜内液体量为W (kmol)，汽、液相组成为汽、液相组成为y、x +d 时刻釜内液体量及组成为时刻釜内液体量及组成为W-dW

20、 (kmol)及及x-dx 在在d 时间内由物料衡算可得时间内由物料衡算可得：整理上两式，略去二阶微分项，得整理上两式，略去二阶微分项，得在操作初始的在操作初始的W1、x1 至终止时刻的至终止时刻的W2、x2 间积分上式得间积分上式得 利用相平衡关系利用相平衡关系积分可得：积分可得：W1及及x1一般已知，当给定一般已知，当给定x2，即可求出，即可求出W2釜釜液液组组成成x随随时时间间变变化化，则则气气相相组组成成y也也相相应应变变化化，将将全全过过程程气气相相产产物物冷冷凝凝后后汇汇集集一一起起，设设馏馏出出液液平平均均组组成成为为，可可对对全全过程始末作物料衡算过程始末作物料衡算，全过程易挥

21、发组分的物料衡算式为：，全过程易挥发组分的物料衡算式为： 多次多次进行进行部分气化部分气化或部分冷凝或部分冷凝以后，可以以后，可以在气相在气相中得到中得到较纯较纯的易的易挥发组分，而在液相中得到较纯的难挥发组分。挥发组分，而在液相中得到较纯的难挥发组分。一、精馏概念：一、精馏概念：9.4.1精馏过程精馏过程9.4精精馏馏二、精馏原理二、精馏原理精馏段精馏段的作用：的作用：自自下而上下而上逐步增浓气相中的易挥发组分，逐步增浓气相中的易挥发组分，以以提高提高 产品产品中中易易挥发组分挥发组分的浓度的浓度；提馏段的作用：提馏段的作用：自自上而下上而下逐步增浓液相中的难挥发组分，逐步增浓液相中的难挥发

22、组分，以以提高提高 塔塔釜产品中釜产品中难挥发难挥发组分的浓度组分的浓度。再沸器的作用：再沸器的作用：提供提供一定流量的一定流量的上升上升蒸气流蒸气流。冷凝器的作用冷凝器的作用：提供提供塔顶液相产品和塔顶液相产品和回流液回流液。给塔板上液相补充。给塔板上液相补充 易挥发组分，易挥发组分，使塔板上液相组成保持不变使塔板上液相组成保持不变。加料板：加料板：原料液进入的塔板原料液进入的塔板精馏段：精馏段：加料板以上部分加料板以上部分提馏段：提馏段：加料板以下的部分（包括加料板）加料板以下的部分（包括加料板）将将部分气化部分气化得到得到的的气相气相经过经过n次次 部分部分冷凝冷凝后，最终产品组成为后，

23、最终产品组成为yn。 次数次数愈多，组成愈高，最后愈多，组成愈高，最后可得可得 到到几乎几乎纯态的易挥发纯态的易挥发组分组分。将将部分气化部分气化得到的得到的液相液相经过经过n次次 部分部分气化气化后，最终产品组成后，最终产品组成为为xn。 次数次数愈多，组成愈高，最后愈多，组成愈高，最后可得可得 到到几乎几乎纯态的难挥发组分纯态的难挥发组分。 再再沸沸器器供供热热，使使釜釜中中残残液液部部分分气气化化后后蒸蒸气气逐逐板板上上升升，塔塔中中各各板板上上液液体体处处于于沸腾沸腾状态。状态。 冷冷凝凝器器得得到到的的馏馏出出液液部部分分作作回回流流入入塔塔，从从塔塔顶顶引引入入后后逐逐板板下下流流

24、，使使各各板板上上保持一定液保持一定液层。层。 上上升升蒸蒸气气和和下下降降液液体体呈呈逆逆流流流流动动，在在每每块块板板上上相相互互接接触触进进行行传传热热和和传传质质。原料液于中部适宜位置处原料液于中部适宜位置处加入精馏塔。加入精馏塔。 由由于于塔塔底底部部几几乎乎是是纯纯难难挥挥发发组组分分，因因此此塔塔底底部部温温度度最最高高，而而顶顶部部回回流流液液几几乎乎是是纯纯易易挥挥发发组组分分，因因此此塔塔顶顶部部温温度度最最低低，整整个个塔塔内内的的温温度度，由由下下向向上上逐逐渐渐降降低。低。板式塔内相邻几块板的温度、组成板式塔内相邻几块板的温度、组成的关系：的关系： 单位时间为基准单位

25、时间为基准总物料衡算：总物料衡算： F=D+W易挥发组分物料衡算：易挥发组分物料衡算：FxF=DxD+WxWF、D、W流量流量，kmol/hxF、xD、xW轻组分轻组分摩尔分数摩尔分数三、三、全塔物料衡算全塔物料衡算W/F、D/F馏出液和釜液的馏出液和釜液的采出率采出率进料板：进料板：原料液进入的那原料液进入的那 层塔板层塔板精馏段精馏段：进料板以上的塔段进料板以上的塔段提馏段：提馏段：进料板以下（包进料板以下（包括进料板）的塔段括进料板）的塔段四、工业中的连续精馏装置流程：四、工业中的连续精馏装置流程：.连续精馏装置连续精馏装置 2、塔板的作用塔板的作用塔板提供了塔板提供了汽液汽液分离的场所

26、。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： 回流的作用：回流的作用：提供不平衡的气液两相，是构成气液两相传质提供不平衡的气液两相，是构成气液两相传质的必要条件。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！3、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回流比回流比：增大回流比的措施：增大回流比的措施：增大塔底加热速率增大塔底加热速率增大塔顶冷凝量增大塔顶冷凝量加大回流比既增加加大回流比既增加精馏段液气精馏段液气比比，也增加了，也增加

27、了提馏段气液比提馏段气液比，对提，对提高两组分的分离程度都起积极作用高两组分的分离程度都起积极作用物料衡算物料衡算热量衡算热量衡算传质速率方程传质速率方程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 精馏塔内自塔顶算起的任一第精馏塔内自塔顶算起的任一第n块塔块塔板板（非加料板），（非加料板），组成如图所示：组成如图所示：9.4.3精馏过程的数学描述精馏过程的数学描述1、单块塔板的物料衡算、单块塔板的物料衡算总物料衡算式总物料衡算式:Vn+1+Ln-1=Vn+Ln轻组分衡算式：轻组分衡算式：Vn+1yn+1+Ln-1xn-1=Vnyn+Lnxn在在精馏塔内，无精馏塔内，无中间加

28、料或出中间加料或出料料的的情况下，每情况下，每层层塔板的塔板的上升上升蒸气蒸气摩尔流量相等摩尔流量相等（恒摩尔气流）（恒摩尔气流）下降下降液体液体摩尔流量相等摩尔流量相等（恒摩尔恒摩尔液流）。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、恒摩尔流假定恒摩尔流假定 （1）精馏段精馏段 提馏段提馏段VV 其中其中: :V精馏段任一塔板上升蒸汽流量，精馏段任一塔板上升蒸汽流量，kmol/h或或kmol/s V提馏段任一塔板上升蒸汽流量，提馏段任一塔板上升蒸汽流量，kmol/h或或kmol/s （2）精馏段精馏段提馏段提馏段 L L 其中：其中

29、：L精馏段任一塔板下降液体流量，精馏段任一塔板下降液体流量，kmol/h或或kmol/s L提馏段任一塔板下降液体流量，提馏段任一塔板下降液体流量，kmol/h或或kmol/s 理论板理论板是指离开该塔板的是指离开该塔板的蒸气和液体蒸气和液体成平衡成平衡的塔板。不论进入理论板的气液的塔板。不论进入理论板的气液两相组成如何，两相组成如何，离开时两相温度相等，组离开时两相温度相等，组成互成平衡。成互成平衡。 实际上实际上，由于板上气液两相接触，由于板上气液两相接触面面积积和接触和接触时间时间是有限的，因此在任何形式是有限的，因此在任何形式的塔板上，气液两相难以达到平衡状态，的塔板上，气液两相难以达

30、到平衡状态，理论板是不存在的理论板是不存在的，但它可作为实际板分但它可作为实际板分离效率的依据和标准离效率的依据和标准。在设计时求得理论。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后，通过用板效率校正就可得到实际板数板数。3.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（1）理论板的概念）理论板的概念 影响影响塔板效率的因素很复杂，有系统的物性、塔板的结塔板效率的因素很复杂，有系统的物性、塔板的结构、操作条件、液沫夹带、漏液、返混等等。构、操作条件、液沫夹带、漏液、返混等等。目前尚未能得目前尚未能得到一个较为满意地求全塔效率的关联式。到一个较为满意地求全塔效率

31、的关联式。比较可靠的数据来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。之间。（2）塔板效率）塔板效率全塔效率全塔效率ET 用气相用气相（或液相）经过一实际塔板时组成（或液相）经过一实际塔板时组成变化与变化与经过经过一理论板时组成变化的一理论板时组成变化的比值比值来来表示。表示。单板效率单板效率(EmV或或EmL)以以气相气相表示的单板效率表示的单板效率 以以液相液相表示的单板效率表示的单板效率4.加料板过程分析加料板过程分析加料板的物料衡算与热量衡算加料板的物料衡算与热量衡算FiF + Li + I =

32、VI + iI，i，iF-分别为饱和蒸汽、饱和液体、原料液的摩分别为饱和蒸汽、饱和液体、原料液的摩尔焓尔焓kJ/kmol；热量衡算：热量衡算：FiF + Li + I = VI + i物料衡算：物料衡算：F + + L = V + 理论理论加料板加料板不论进入加料板各物流的组成、热状态及接触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，方式如何，离开加料板的气液两相温度相等，组成互为平衡。组成互为平衡。精馏段与提馏段两流量的关系精馏段与提馏段两流量的关系进料热状态进料热状态过冷液体：过冷液体：温度低于泡点温度低于泡点饱和液体：饱和液体：温度等于泡点温度等于泡点

33、气液混合物：气液混合物：温度在泡点和露点之间温度在泡点和露点之间饱和蒸气：饱和蒸气：温度等于露点温度等于露点过热蒸气：过热蒸气：温度高于露点温度高于露点 FiF + Li + I = VI + iF + + L= V + 由物料衡算和热量衡算式：由物料衡算和热量衡算式：得到得到: : 令：令：q进料的热状态参数进料的热状态参数 q作用：作用：判断进料状态及温度判断进料状态及温度两段下降液体流之间关系：两段下降液体流之间关系：两段上升蒸汽流之间关系：两段上升蒸汽流之间关系：a.过冷液体进料过冷液体进料q 1 原料原料液液温度低于加料温度低于加料板板上上沸腾沸腾液体的温度液体的温度，遇到提馏段，遇

34、到提馏段上升的蒸气，上升的蒸气，蒸气部分冷凝蒸气部分冷凝。提馏段提馏段下降液体下降液体流量流量L由由三三部分组成部分组成LL+FVV(其差值为蒸气冷凝其差值为蒸气冷凝量量) b.饱和液体进料（泡点进料）饱和液体进料（泡点进料）q =1原料原料液加入后不会在加料液加入后不会在加料板上板上产生气化产生气化或冷凝或冷凝，进料，进料全部全部作为提作为提馏馏段段的回流的回流液，液，两段上升两段上升蒸汽流量蒸汽流量相等相等，即，即V=VL=L+F 原料液中原料液中液相液相部分气化部分气化成为成为L的的一部分，而其中一部分，而其中蒸气蒸气部分冷凝部分冷凝成为成为V的一部分的一部分，即，即c气液混合进料气液混

35、合进料0q1VVLL d饱和蒸气进料饱和蒸气进料q=0原料液中原料液中没有液体没有液体，整个进整个进料与料与提馏段上升提馏段上升的蒸气的蒸气V汇合进汇合进入精馏段入精馏段，两段的，两段的回流液流量回流液流量则则相等相等，即，即L=LV=V+F e过热蒸气进料过热蒸气进料q V+FL1(2)饱和液体（泡点进料）饱和液体（泡点进料）q=1(3)气液混合气液混合0q1(4)饱和蒸汽（露点进料）饱和蒸汽（露点进料）q=0(5)过热蒸汽过热蒸汽q05.塔釜和冷凝器的物料衡算塔釜和冷凝器的物料衡算（1）塔釜）塔釜釜内液体在蒸馏釜内部分釜内液体在蒸馏釜内部分汽化，离开塔釜的气液两相组汽化，离开塔釜的气液两相

36、组成成yN与与xW可认为互成平衡，故可认为互成平衡，故蒸馏釜可视作一块理论板蒸馏釜可视作一块理论板。（2）冷凝器）冷凝器回流液体组成为回流液体组成为x0，冷凝，冷凝器的物料衡算式为：器的物料衡算式为：若冷凝器为全凝器，则若冷凝器为全凝器，则y1=x0=xDVy1=Lx0+DxD注：注：因原料液不断从塔中部加因原料液不断从塔中部加 入，使得入，使得精馏段和提馏段精馏段和提馏段 具有不同的操作关系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。9.4.4精

37、馏塔的逐板计算精馏塔的逐板计算回流比回流比 一、一、精馏段操作线方程精馏段操作线方程精馏段操作线方程精馏段操作线方程因为因为V = L + D精馏段操作线的画法：精馏段操作线的画法：截距截距:yxxD操作线为过点（操作线为过点（xD,xD）xD二、二、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得到得到: :因为因为代入代入得到得到又因为又因为提馏段操作线方程提馏段操作线方程得到：得到：三、三、操作方程的图示操作方程的图示操作线操作线精馏段操作线方程精馏段操作线方程提馏段操作线方程提馏段操作线方程联立求解，可得到两操作线联立求解，可得到两操作线交点坐标交点坐标操作线做法操作

38、线做法: :yxxDxDxWxW(xq,yq)例题：例题：用一精馏塔分离二元液体混合物，进料用一精馏塔分离二元液体混合物，进料量量100kmol/h，易挥发组分，易挥发组分xF=0.5，泡点进料泡点进料，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（皆摩尔分率），操作回流比尔分率），操作回流比R=1.61，该物系平均，该物系平均相对挥发度相对挥发度=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

39、馏段操作线数值方程；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；相平衡方程为：相平衡方程为：（4）泡点进料，即泡点进料，即q=1提馏段操作线方程为：提馏段操作线方程为：则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）精馏段操作线方程为则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=1.61四、四、理论板的增浓值理论板的增浓值B点：点：离开理论板的气液两相组成状态离开理论板的气液两相组成状态AB：液体液体经过该理论板的提纯或增浓程度经过该理论板的提纯或增浓程度BC: :气相气相经过该理论板的提纯或增浓程度经过该理论板的

40、提纯或增浓程度五、五、逐板计算法逐板计算法 通常是从塔顶通常是从塔顶( (或塔底或塔底) )开始，开始，交替使用交替使用气气- -液相平衡方液相平衡方程程和和操作线方程操作线方程去计算每一块塔板上的气去计算每一块塔板上的气- -液相组成，直到液相组成，直到满足分离要求为止。满足分离要求为止。若若塔顶采用全凝塔顶采用全凝器，即：器，即：已知已知y1得到得到x1得到得到y2得到得到x2得到得到y3相平衡关系相平衡关系操作线关系操作线关系相平衡关系相平衡关系操作线关系操作线关系例题：例题：氯仿（氯仿（CHCl3）和四氯化碳（）和四氯化碳（CCl4）的混合物）的混合物在一连续精馏塔中分离。馏出液中氯仿

41、的浓度在一连续精馏塔中分离。馏出液中氯仿的浓度为为xD=0.95,馏出液流量为馏出液流量为D=50kmol/h，平均相，平均相对挥发度对挥发度=1.6，回流比，回流比R=2。求求:（1）塔顶第二块塔板上升的气相组成；）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）精馏段各板上升蒸气量V及下降液体量及下降液体量L（以（以kmol/h表示）。表示）。氯仿与四氯化碳混合液可认为是理想溶液。氯仿与四氯化碳混合液可认为是理想溶液。 解：（解：（1）由题知，）由题知，y1=xD=0.95，R=2,由相平衡方程由相平衡方程得得 由精馏段操作线方程由精馏段操作线方程 则则 （2）V=L+D，L/D

42、=R，V=（R+1）DV=350=150kmol/h，L=250=100kmol/h一、精馏设计型计算的命题一、精馏设计型计算的命题9.5.1理论板数的计算理论板数的计算9.5双组份精馏的设计型计算双组份精馏的设计型计算任务：任务：分离要求分离要求选择操作条件选择操作条件计算理论板数计算理论板数操作条件操作条件操作压强操作压强得到相对挥发度得到相对挥发度回流比回流比R得到精馏段操作线方程得到精馏段操作线方程热状态参数热状态参数q得到提馏段操作线方程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：工业上一般用产物的回收率来代替产率：二、理论板数的计算方法二、理论板数的计算方法1、逐板计算

43、法、逐板计算法若若塔顶采用全凝塔顶采用全凝器，即：器，即：已知已知y1得到得到x1得到得到y2得到得到x2得到得到y3相平衡关系相平衡关系精馏段操作线关系精馏段操作线关系相平衡关系相平衡关系精馏段操作线关系精馏段操作线关系直至直至xNxW结论：理论板数为结论：理论板数为N块块直至直至xnxq提馏段操作线关系提馏段操作线关系得到得到yn+1相平衡关系相平衡关系得到得到xn+1提馏段操作线关系提馏段操作线关系得到得到yn+2气液两相的平衡气液两相的平衡求得塔板上气液平衡组成；求得塔板上气液平衡组成；ynxn操作线关系操作线关系求得相邻塔板上的液相或气相组成。求得相邻塔板上的液相或气相组成。yn+1

44、xn利用气利用气- -液相平衡方程液相平衡方程 (1)若塔顶采用全若塔顶采用全凝器，凝器，即即 (2)由第一块理论塔板下降的回流由第一块理论塔板下降的回流液组成液组成x1，按精馏段操作线方按精馏段操作线方程程求出第二块理论板上升的蒸求出第二块理论板上升的蒸气组成气组成y2，即，即同理，第二块理论塔板下降的液相组成同理，第二块理论塔板下降的液相组成x2与与y2互成平衡，互成平衡，可利用可利用气气-液相平衡方程液相平衡方程由求得由求得x2。 (3)按照精馏段按照精馏段操作线方程操作线方程再由再由x2求求得得y3，如此，如此重复计算重复计算，直至计算，直至计算到到xnxq时时，表示表示第第n块理论板

45、是块理论板是进料板进料板(即提馏段第即提馏段第1块理论板块理论板)，因此因此精馏段精馏段所需所需理论板数理论板数为为(n-1)。在计算过程中，每利用一次平衡关在计算过程中，每利用一次平衡关系式，表示需要一块理论板。系式，表示需要一块理论板。 (4)从此开始，改用从此开始，改用提馏段提馏段操操作线方程和气作线方程和气-液相平衡方程液相平衡方程，继续采用与上述相同的方法继续采用与上述相同的方法进行逐板计算，直至计算到进行逐板计算，直至计算到xNxW止。止。结论：理论板数为结论：理论板数为N块块2、图解法、图解法图解法计算精馏塔的理论板数和逐板计算法一样，图解法计算精馏塔的理论板数和逐板计算法一样，

46、也是利用气液平衡关系和操作关系，只是把气液平衡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。两者化为图解过程。两者并无本质区别并无本质区别，只是形式不同而，只是形式不同而己。己。 在直角坐标纸上在直角坐标纸上绘出绘出待分离的双组分混合物在操作待分离的双组分混合物在操作压强下压强下的的平衡曲线平衡曲线，并，并作出作出对角线对角线。依照前面介绍的方法依照前面介绍的方法作精馏段的操作线作精馏段的操作线ac，q线线ef，提馏段提馏段操作线操作线bd。xDabefdxFxWcxDabefdxFxWc

47、1123456从从a点开始，在点开始，在精馏段操作线精馏段操作线与与平衡线平衡线之间作水平线之间作水平线及垂直线构及垂直线构成成直角梯级直角梯级，当，当梯级梯级跨过跨过d点点时，则改在时，则改在提馏段操作线提馏段操作线与与平衡线平衡线之之间作间作直角梯级直角梯级，直至梯级，直至梯级的水平线的水平线达到或达到或跨过跨过c点点为止。为止。 每每一个直角梯级一个直角梯级代表一块代表一块理论板理论板，这结合逐，这结合逐板计板计算法分析算法分析不难理解。其中过不难理解。其中过d点的梯级点的梯级为为加料板加料板。 在在图中梯级总数图中梯级总数为为7，即该分离过程共需即该分离过程共需7块理论块理论板。板。第

48、第4层跨过层跨过d点，即第点，即第4层层为为加料板加料板，精馏段，精馏段共共3层。层。 图解法图解法较为简单，且直观形象，有利于较为简单，且直观形象，有利于对问题对问题的了解和分的了解和分析，目前在双组分析，目前在双组分连续精馏连续精馏计算中仍广为采用。计算中仍广为采用。三、最优加料位置的确定三、最优加料位置的确定1、加料板偏下、加料板偏下此加料板状态下，此加料板状态下，气相提浓程度必小于原气相提浓程度必小于原加料板提浓程度。说明加料板提浓程度。说明加料板偏下是不利的，加料板偏下是不利的，釜残液中易挥发组分含釜残液中易挥发组分含量增高量增高，从而降低馏出液，从而降低馏出液中易挥发组分的收率。中

49、易挥发组分的收率。2、加料板偏上、加料板偏上此加料板状态下，此加料板状态下，第第4、5、6板提浓程度有板提浓程度有所减少。说明加料板偏上所减少。说明加料板偏上是不利的，是不利的，会使馏出液会使馏出液的组成偏低（难挥发组的组成偏低（难挥发组分偏高）分偏高）。由以上可以看出，最优加由以上可以看出，最优加料板位置是该板的液相组成料板位置是该板的液相组成xxq（两操作线交点的横坐（两操作线交点的横坐标），标），设计时加料板位置可变设计时加料板位置可变范围在范围在（p,m）两点之间。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表表9-1加料板位置对理论板数的影响举例加料板位置

50、对理论板数的影响举例四、操作线的实际做法四、操作线的实际做法为简便起见，常找出两操作线为简便起见，常找出两操作线交点坐标交点坐标（xq,yq）yxxDxDxWxW(xq,yq)若要得到两操作线交点坐标若要得到两操作线交点坐标(xq,yq)，需知道，需知道交点的轨迹方程交点的轨迹方程（q线方程）线方程） 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线方程线方程/进料线方程进料线方程已知交点坐标已知交点坐标两式消去两式消去xD，得，得q线是线是通过点（通过点（xF,xF）的一条直线的一条直线,斜率为斜率为q/(q-1)9.5.2回流比的选择回

51、流比的选择 回流比回流比的大小的大小，对，对精馏塔精馏塔的分离能力、系统能耗和设备结的分离能力、系统能耗和设备结构尺寸有影响。构尺寸有影响。 回流比回流比有两个极限值，有两个极限值，上限上限为为全回流全回流（即回（即回流比为无穷大流比为无穷大），），下限下限为为最小回流比最小回流比，实际回流，实际回流比为介于两极限值之间的某一适宜值。比为介于两极限值之间的某一适宜值。xDxWxF回流比与理论板层数的关系 R 越大 NT 越少 R1 R2 R3一、全回流一、全回流与最少理论板数与最少理论板数全回流全回流：塔顶上升塔顶上升蒸气冷凝后全蒸气冷凝后全 部部引引回塔顶回塔顶作为回流。作为回流。 D=0，

52、W=0，F=0； 全回流全回流的特点：的特点： 全回流的意义全回流的意义: :全回流是操作回流比的极限，只在开工全回流是操作回流比的极限，只在开工、实验研究、实验研究、设备异常或调试设备异常或调试时采用，时采用，便于控制。便于控制。 在在操作线与平衡线间绘操作线与平衡线间绘直角梯直角梯级级，其跨度最大，其跨度最大，所，所需的需的理论板数理论板数最少最少。 全回流全回流时时回流比回流比R为无穷大为无穷大，气液两相流量相等，气液两相流量相等,是回是回流比的最大值。流比的最大值。精馏段和提馏段精馏段和提馏段操作线操作线的的斜率均为斜率均为1，此，此时塔内时塔内无精馏段和提馏段之分无精馏段和提馏段之分

53、，操作线方程为：，操作线方程为：yn+1=xnN=NminxWxD1.图解法图解法2.解析法（芬斯克方程）解析法（芬斯克方程）假设分离两种混合溶液，假设分离两种混合溶液，轻组分为轻组分为A，重组分为，重组分为B因为相对挥发度因为相对挥发度则：则：1第一块板上液体相对挥发度第一块板上液体相对挥发度全回流操作线方程全回流操作线方程 yn+1=xn则：则：又因为相对挥发度又因为相对挥发度则离开第二块板液体组成：则离开第二块板液体组成：依次类推，离开第依次类推，离开第N块板液体组成：块板液体组成：当第当第N块板液体组成达到指定的釜液组成块板液体组成达到指定的釜液组成(xA/xB)W时，时，则全回流下塔

54、的理论板块数为则全回流下塔的理论板块数为N块块,记为记为Nmin若相对挥发度取平均值：若相对挥发度取平均值：代替各板上相对挥发度代替各板上相对挥发度芬斯克芬斯克(Fenske)方程方程得：得：若塔顶、塔底相对挥发度若塔顶、塔底相对挥发度相差不大时相差不大时，则平均相对挥发度为：，则平均相对挥发度为：则：变为： 当当回流比减小到某一数值时，回流比减小到某一数值时，两操作线的两操作线的交点交点e落落在平在平衡曲线上衡曲线上，如图所示如图所示，在平衡线和操作线间绘梯级，需要，在平衡线和操作线间绘梯级，需要无穷多的梯级无穷多的梯级才能才能达到达到e点点，这是一种不可能达到的极限情，这是一种不可能达到的

55、极限情况，相应的回流比称为最小回流比，以况，相应的回流比称为最小回流比，以 Rmin表示表示。二、最小回流比二、最小回流比 对于一定的分离任务，若减小回对于一定的分离任务，若减小回流比，精馏段的斜率变小，两操作线的流比，精馏段的斜率变小，两操作线的交点沿交点沿q线向平衡线线向平衡线趋近趋近，表示气，表示气- -液相液相的传质的传质推动力减小推动力减小，达到指定的分离程，达到指定的分离程度所需的度所需的理论板数增多理论板数增多。精馏段操作线方程精馏段操作线方程xDxWxF R1 R2最小回流比斜率xqyq g 依据平衡曲线的形状不同，作图方法有所不同。对于依据平衡曲线的形状不同，作图方法有所不同

56、。对于理想理想溶液曲线溶液曲线，根据下图，在最小回流比时，精馏段操作线的，根据下图，在最小回流比时，精馏段操作线的斜率为：斜率为：1.图解法图解法 对于对于不正常的平衡曲线，平衡线具有不正常的平衡曲线，平衡线具有下凹部分下凹部分。当两。当两操作线的操作线的交点还未落到平衡线上交点还未落到平衡线上之前之前，操作线已与平衡线操作线已与平衡线相切相切，如下图此时，如下图此时达到分离要求，所需理论板数为无穷多，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故对应的回流比为最小回流比。这种情况下的求法应根据根据切点确定其切点确定其Rmin。e点称为挟点点称为挟点 实际

57、实际的回流比的回流比一定要一定要大于大于最小回流比最小回流比，而，而适宜回流适宜回流比需按实际情况，全面考虑到设备费用（塔高、塔径、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），却器的消耗等），应通过应通过经济核算经济核算来确定，使操作费用来确定，使操作费用和设备费用之和为最低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倍数作为操作回流比。近年来一般都推荐取最小回

58、流比的的1.12倍，即倍，即三、最适宜回流比的选取三、最适宜回流比的选取3总费用总费用2操作费操作费1设备费设备费 在在生产中，设备都已安装好，生产中，设备都已安装好，即实际板即实际板数数固定。若原料的组成、加料热状况均为定值，固定。若原料的组成、加料热状况均为定值，倘若倘若加大回流比操作加大回流比操作，这时，这时操作线更接近对角操作线更接近对角线线，所需理论板数减少所需理论板数减少，而塔内，而塔内理论板数比需理论板数比需要的多要的多，因而，因而产品纯度会有所产品纯度会有所提高提高。反之反之，减少，减少回流比操作，情况正好回流比操作，情况正好与上述与上述相反，产品纯度会有所相反，产品纯度会有所

59、下降。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在生产中把调节回流比当作保持产品纯度的一种手段在一常压精馏塔内分离苯和甲苯混合物，在一常压精馏塔内分离苯和甲苯混合物，塔顶为塔顶为全凝器全凝器，塔釜间接蒸汽加热，平均，塔釜间接蒸汽加热，平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。已知进料量为料量为150kmol/h，进料组成为，进料组成为0.4（摩尔分（摩尔分率），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回收率为率为0.97，塔釜塔釜采出液中甲苯的采出液中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

60、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；四、理论板数的捷算法四、理论板数的捷算法大致估计理论板数，简略找出大致估计理论板数，简略找出N和和R的关系的关系(吉利兰图吉利兰图)捷算法求理论板数的步骤：捷算法求理论板数的步骤：根据物系性质及分离要求，根据物系性质及分离要求，求出求出Rmin，选择合适的选择合适的R；求出全回流下所需理论板数求出全回流下所需理论板数Nmin；使用吉利兰图使用吉利兰图，求出所需理论板数求出所需理论板数N.图中曲线在图中曲线在范围内可用下式代替：范围内可用

61、下式代替：其中其中N和和Nmin均指全塔均指全塔（包括塔釜）（包括塔釜）的理论板数的理论板数f1f2f3f4f59.5.3进料热状态的选择（及其影响）进料热状态的选择（及其影响）回流比以及分离要求回流比以及分离要求不变时：不变时：q增加增加塔釜供热塔釜供热必须增加必须增加提馏段提馏段斜率减小斜率减小所需塔所需塔板数减少。板数减少。(P75-76)结论：结论：q值得大小影响理论塔的板数，值得大小影响理论塔的板数，q值越大，值越大，理论板块数越少理论板块数越少1、精馏操作型计算的命题、精馏操作型计算的命题9.6.1精馏过程的操作型计算精馏过程的操作型计算9.6双组份精馏的操作型计算双组份精馏的操作

62、型计算任务：任务：在设备已定的条件下，由指定的操作条件预计在设备已定的条件下，由指定的操作条件预计 精馏操作的精馏操作的结果结果（产品组成（产品组成xD、xW以及逐板的以及逐板的组成分布）组成分布）。操作型计算特点：操作型计算特点：（1 1）众多变量之间的非线性关系，操作型计算一般）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）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）加料板位置（或其他操作条件）一般不满足最优化条件。优化条件。2.R （F、D、W不变，不变，R值增加）值增加）结论：结论：xD ,xW 这是提高精馏分离这是提高精馏分离效果最有

63、效途径效果最有效途径!但代价是：塔釜需要更多的热量，塔顶需要更但代价是：塔釜需要更多的热量，塔顶需要更多的冷量多的冷量!1.3.xF ,D,W不变，不变，2.其它相关不变。其它相关不变。结论：结论：xD ,xW 4.加料板位置上移（或下移）加料板位置上移（或下移）结论：结论：xD,xW5.q ,R不变，不变，D不变，不变，V 结论：结论：xD ,xW 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一、精馏塔的温度分布一、精馏塔的温度分布 溶液的泡点与溶液的泡点与总压总压和和组成组成有关，精馏塔内有关，精馏塔内各块各块塔板塔板上物料的上物料的组成及总压组成及总压并并不相同不相同，因而

64、从塔顶到，因而从塔顶到塔底形成某种塔底形成某种温度分布温度分布。二、灵敏板二、灵敏板一个正常操作一个正常操作的精馏塔当受的精馏塔当受到某一到某一外界因外界因素的干扰素的干扰（如回流比、（如回流比、进料组成发生进料组成发生波动等）波动等）全塔各板全塔各板的的组成发组成发生变动生变动全塔的全塔的温度温度分布分布发生相发生相应的应的变化变化可用可用测量温测量温度度的方法的方法预预示塔内组成示塔内组成 在一定总压下，在一定总压下，塔顶温度是馏出液组成的直接反映塔顶温度是馏出液组成的直接反映。但在但在高纯度高纯度分离时，在塔顶（或塔底）相当高的一个塔分离时，在塔顶（或塔底）相当高的一个塔段中温度段中温度

65、变化极小变化极小。这样，当塔顶温度有了可觉察的变。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。化，馏出液组成的波动早已超出允许的范围。 仔细分析操作条件变动前后温度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分别的变化，即可发现在精馏段或提馏段的馏段的某些塔板上某些塔板上，温度变化量温度变化量最为最为显著显著。或者说，这些塔板的温度对外。或者说，这些塔板的温度对外界干扰因素的反映界干扰因素的反映最灵敏最灵敏，故将这些，故将这些塔板称之为塔板称之为灵敏板灵敏板。 将将感温元件感温元件安置在安置在灵敏板灵敏板上可以上可以较早觉察较早觉察精馏操作所受到的精馏

66、操作所受到的干扰干扰。 而且灵敏板比较而且灵敏板比较靠近进料口靠近进料口，可，可在塔顶馏出液组成尚未产生变化之前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先感受到进料参数的变动并及时采取及时采取调节手段调节手段，以，以稳定馏出液的组成稳定馏出液的组成。 9.7间歇精馏间歇精馏特点：特点：（1）过程非定态）过程非定态（2）塔底加料，无提馏段）塔底加料，无提馏段（3）获得获得xD,xW一定的产品，一定的产品，能耗大于连续精馏能耗大于连续精馏两种基本操作方式：两种基本操作方式：(1)恒回流比恒回流比R=常数常数,xD、xW不断减小；不断减小；(2)恒流出液组成，定恒流出液组成，定xD，

67、要不断增加回流比。，要不断增加回流比。(1)恒流出液组成，定恒流出液组成，定xDXn不不变，再按照，再按照终点点时的截距的截距做出精馏段操作线，做出精馏段操作线，与平衡线画梯级，得到理论板数。与平衡线画梯级，得到理论板数。(2)恒回流比恒回流比R=常数常数回流比以开始的状态计算：回流比以开始的状态计算：R不变不变，按操作，按操作初态为基准初态为基准，假设初始馏出液组成为，假设初始馏出液组成为xD始，始，釜液组成为釜液组成为xF,求理论塔板数？求理论塔板数？R不不变，再按照始，再按照始态时的截距的截距斜率不变做出精馏段操作线，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。与平衡线画梯级

68、，得到理论板数。再以馏出液平均组成满足分离再以馏出液平均组成满足分离要求为准，对要求为准，对xD始进行始进行验算验算。9.8 恒沸精馏与萃取精馏恒沸精馏与萃取精馏9.8.1恒沸精馏恒沸精馏9.8.2萃取精馏萃取精馏加入第三种组分，加入第三种组分，改变原物系的相对改变原物系的相对挥发度挥发度。9.8.1恒沸精馏恒沸精馏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2.的最低恒沸物。的最低恒沸物。a.双组分非均相恒沸精馏（糠醛双组分非均相恒沸精馏（糠醛-水）水）b.三组分恒沸精馏（乙醇三组分恒沸精馏（乙醇-水水-苯）苯）2.恒沸精馏挟带

69、剂的选择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）挟带剂能与待分离组分之一（或两个）形成最形成最低恒沸物低恒沸物，并且希望与料液中含量较少的组分，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形成恒沸物从塔顶蒸出，以减少操作的热能消耗。耗。新形成的新形成的恒沸物要容易分离恒沸物要容易分离，以回收其中的挟，以回收其中的挟带剂。带剂。恒沸物中恒沸物中挟带剂的相对含量少挟带剂的相对含量少，这样操作较为，这样操作较为经济。经济。9.2萃取精馏萃取精馏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2.是

70、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。2.萃取精馏萃取剂的选择萃取精馏萃取剂的选择选择性高；选择性高；挥发性小；挥发性小；添加剂能与原溶液有足够的互溶度，两者添加剂能与原溶液有足够的互溶度，两者能良好地混合。能良好地混合。3.萃取精馏的操作特点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，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。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，沸萃取精馏中的添加剂加入量一般较多，沸点又高，点又高，精馏热能消耗中的相当可观部分用于精馏热能消耗中的相当可观

71、部分用于提高添加剂的温度提高添加剂的温度。4.恒沸精馏与萃取精馏比较恒沸精馏与萃取精馏比较(1)萃取精馏中的萃取精馏中的萃取剂萃取剂为系统中的为系统中的最重组分最重组分，它将从塔釜，它将从塔釜流出。而恒沸精馏中的流出。而恒沸精馏中的恒沸剂恒沸剂并并不受此限制不受此限制，很多情况，很多情况下恒沸剂从塔顶以恒沸物形式馏出。下恒沸剂从塔顶以恒沸物形式馏出。 (2)恒沸精馏恒沸精馏一般一般能耗较大能耗较大。只有当恒沸物中含恒沸剂组分。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。萃取精馏小。(3)恒沸精恒沸精馏既可用于既可用于连续操作，也可用于操作，也可用于间歇操作，而歇操作，而萃取精萃取精馏则只能只能用于用于连续操作操作，不宜于，不宜于间歇操作歇操作（因（因为萃取萃取剂不断的从塔不断的从塔顶加入）加入）。