化工原理課件5-蒸餾

1、第六章 蒸餾 （Distillation）,第一節(jié) 雙組分溶液的汽液平衡,第二節(jié) 蒸餾和精餾原理,第三節(jié) 雙組分連續(xù)精餾的計(jì)算與分析,第四節(jié) 間歇蒸餾,第五節(jié) 恒沸精餾與萃取精餾,第六節(jié) 板式塔,概述,化工生產(chǎn)中所處理的原料、中間產(chǎn)品、粗產(chǎn)品等幾乎都是混合物，而且大部分是均相物系，例如：石油、石油裂解氣和空氣等。 為了滿足生產(chǎn)的要求，常需將混合物分離成純凈的或接近于純的物質(zhì)，對(duì)于均相物系的分離必須造成兩相物系，并

2、且根據(jù)物系中各組分的差異，使其中一組分或幾個(gè)組分從一相向另一相轉(zhuǎn)移以達(dá)到分離的目的，該過程通常稱為傳質(zhì)過程或分離操作。常見的傳質(zhì)過程有蒸餾、吸收、萃取、干燥等。,一、蒸餾依據(jù) 原理：將液體混合物部分汽化，利用混合物中各組分的揮發(fā)度不同使各組分得以分離。 其中: 沸點(diǎn)低的組分為易揮發(fā)組分（輕組分） 沸點(diǎn)高的組分為難揮發(fā)組分（重組分） 蒸出冷凝液–––

3、餾出液 蒸出后剩余的混合液–––釜?dú)堃骸?二、蒸餾分類,本章主要討論常壓下雙組分連續(xù)精餾!,,5.1雙組分溶液的汽液相平衡,5.1.1 雙組分理想物系的汽液平衡,5.1.2 雙組分非理想物系的汽液平衡,5.1.1 溶液的蒸汽壓和拉烏爾定律,式中： pA—組分A的溶液蒸汽壓，KPa；即溶液上方組分A的平衡分壓； p0A—組分A的液體蒸汽壓，KPa；即純液體的飽和蒸汽壓； xA—組

4、分A的液相摩爾分率。,（ 理想）溶液中某組分的溶液蒸汽壓等于該組分同溫度下的液體蒸汽壓與該組分的液相摩爾分率的乘積，即,一、溶液的蒸汽壓和拉烏爾定律,拉烏爾（Raoult ）定律：,對(duì)于溶劑A：,除了理想溶液外，很少溶液符合，只有在溶度很低的情況下,,溶液在某溫度下純組分的飽和蒸汽壓可查有關(guān)手冊(cè)或由下面安托因（Antoine）方程求得：,【注意】：式中溫度表示為t或T，其分別對(duì)應(yīng)不同的Antoine常數(shù)A，B，C。,,理想物系－液相

5、為理想溶液，汽相為理想氣體。,理想溶液－在全部溶度范圍內(nèi)遵循拉烏爾定律的溶液； 如性質(zhì)極近似的物質(zhì)所構(gòu)成的溶液 （苯－甲苯，正己烷－正庚烷，甲醇－乙醇等）,理想溶液，兩組分都符合Raoult定律：,二、雙組分理想溶液的汽液相平衡,式中F――自由度數(shù)； C ――獨(dú)立組分?jǐn)?shù)； Φ ――相數(shù)。,,對(duì)雙組分的汽液相平衡，

6、,（一）、相律 在物理化學(xué)中，我們學(xué)習(xí)過相律，即：,可知其自由度數(shù)為2, 恒壓P，則 F＝1， t-x-y .,（二）、汽液平衡相圖1、溫度-組成圖 (t-y-x)和相平衡圖(y-x)溫度—組成圖 （t-y-x）: 在總壓一定的條件下，將t-x、t-y 關(guān)系標(biāo)繪在同一直角坐標(biāo)系中，即得到t-y-x圖，t為縱坐標(biāo)，以液相組成或汽相組成為橫坐標(biāo)。,分析 溫度—組成圖二條線：泡點(diǎn)線、露點(diǎn)線。三個(gè)相區(qū)：液相區(qū)、汽相

7、區(qū)、汽液兩相區(qū)。兩個(gè)溫度：泡點(diǎn)溫度、露點(diǎn)溫度,L,F,D,S,V,C,E,t,,,L/V=線段VS/線段LS=(y-xs)/(xs-x),xs,杠桿定律：,t-x-y圖還與壓力有關(guān)。隨壓力提高，使泡點(diǎn)及露點(diǎn)溫度升高，兩相區(qū)縮小。,,,相平衡圖 （y-x）： 對(duì)于大多數(shù)溶液，達(dá)到平衡時(shí)，汽相輕組分的濃度總大于液相濃度，故平衡線位于對(duì)角線上方。平衡線偏離對(duì)角線愈遠(yuǎn)，該溶液愈易分離。,P,（1）、t~x（泡點(diǎn)）關(guān)系式,,,,,

8、,,,2、理想溶液的t-y-x關(guān)系式,液相為理想溶液，服從拉烏爾定律：,混合液沸騰的條件是: 各組分的蒸汽壓之和等于外壓，即符合道爾頓分壓定律(理想氣體) ：,,泡點(diǎn)方程,,,B,【討論】：1、已知泡點(diǎn)溫度，可求算出飽和蒸汽壓，然后可計(jì)算出液相組成；2、已知液相組成，可用試差法求算出泡點(diǎn)溫度。,（2）、恒壓下t~y~x關(guān)系式,由分壓定律：,【討論】： 已知汽液相平衡溫度下，即泡點(diǎn)下液相組成x，可計(jì)算出汽相組成

9、y。,（3）t～y（露點(diǎn)）關(guān)系式,,,,,,,,,,,,由上兩式,即：,露點(diǎn)方程,,,得：,（4）、理想溶液的t-y-x關(guān)系式的應(yīng)用,4個(gè)變量（p，t，x，y），相律為2，已知其中2個(gè)變量，可求另外2個(gè)變量。,1）已知量 待求量 p, t x, y x, t p, y y, t x,

10、p,求解方法：,t－ pAo， pAo－根據(jù),求其他量。,2）已知量 待求量 x, y p, t,解法：見教材P260,3）已知量 待求量 x，p y，t y，p x，t,例題6-1和6-2,,1）、 揮發(fā)度V (Volatility)的定義（1)純液體的揮發(fā)度：指液體在一定溫度

11、下的飽和蒸汽壓。（2)溶液中各組分的揮發(fā)度：可用它在蒸汽中的分壓和與之平衡液相中的摩爾分率之比來表示。νA=PA/XA 若A、B形成理想溶液：VA=PA0 對(duì)于純液體，即XA=1 （或XB=1）,純液體及理想溶液中任一組分的揮發(fā)度都等于它在純態(tài)時(shí)的飽和蒸汽壓，隨溫度而變化，因而使它在蒸餾計(jì)算中用起來很不方便，故引出相對(duì)揮發(fā)度的概念。,3 、揮發(fā)度和相對(duì)揮發(fā)度,定義：溶液中易揮發(fā)組分的揮發(fā)度與難揮發(fā)組分的揮發(fā)度之比。,對(duì)

12、于理想溶液,,,如果汽相服從道爾頓分壓定律,,2）、相對(duì)揮發(fā)度,或,,汽液相平衡方程,當(dāng)α=1時(shí)，y=x ，不能用普通精餾方法分離該混合物。當(dāng)α>1時(shí)，y>x ,能用普通精餾方法分離該混合物, α越大，越易分離。,,,精餾塔各截面的 α變化不大可視為常數(shù)，計(jì)算可取平均值,3）、 汽液相平衡方程式,對(duì)于二元溶液，,,代入相對(duì)揮發(fā)度公式得到汽液相平衡方程式（略去下標(biāo)A）,相對(duì)揮發(fā)度 和相平衡方程 為常數(shù)

13、時(shí)，溶液的相平衡曲線如下圖所示。,,α越大，分離越容易。,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,【注意】：,1.上述的平衡曲線是在恒定的壓強(qiáng)（總壓為1atm）下測(cè)得的。 2. 對(duì)同一物系而言，混合液的平衡溫度愈高，各組分間揮發(fā)度差異愈小，即相對(duì)揮發(fā)度α愈小，因此蒸餾壓強(qiáng)愈高，平衡溫度隨之升高，α減小，分離變得愈難，反之亦然。 3. 但實(shí)驗(yàn)也表明，在總壓變化范圍為20-30%下，x-y平衡曲線變動(dòng)不超過2%

14、，因此在總壓變化不大時(shí)，外壓對(duì)平衡曲線的影響可以忽略。,例題6-3,P263,三、 雙組分非理想物系的汽液平衡,液相為非理想溶液，汽相為理想氣體；液相為理想溶液，汽相為非理想氣體；液相為非理想溶液，汽相為非理想氣體。,,非理想物系可能有以下幾種情況：,化工生產(chǎn)中遇到的物系大多為非理想物系。,1、非理想物系,由于體系內(nèi)的組分在混合前后，分子作用不同，因締合和解離等原因引起混合前后分子數(shù)目的改變導(dǎo)致溶液中各組分產(chǎn)生分壓偏離拉烏爾定律。

15、,正偏差溶液負(fù)偏差溶液,,無恒沸點(diǎn)的溶液(偏差不大),有最低恒沸點(diǎn)的溶液,,無恒沸點(diǎn)的溶液(偏差不大),有最高恒沸點(diǎn)的溶液,,非理想物系,修正的拉烏爾定律：,pA=pA0xAγA,正偏差溶液：,γA>1, pA> pA0xA,pB=pB0xBγB,γB>1，pB> pB0xB,負(fù)偏差溶液：,0<γA<1, pA< pA0xA,0<γB<1，pB< pB0xB,正偏差溶

16、液（有最低恒沸點(diǎn)）：,常壓下乙醇－水的t-y-x圖和y-x圖,2、雙組分非理想溶液的汽液平衡相圖,負(fù)偏差溶液（有最高恒沸點(diǎn)）：,常壓下硝酸－水的t-y-x圖和y-x圖,6.2 平衡蒸餾和簡單蒸餾,6.2.1 簡單蒸餾和平衡蒸餾,6.2.2 精餾原理,蒸餾方式:簡單蒸餾、平衡蒸餾、精餾、恒沸精餾、萃取精餾、水蒸汽蒸餾 。,在恒定壓力下，將蒸餾釜中的溶液加熱至沸騰，并使液體不斷汽化，產(chǎn)生的蒸汽隨即進(jìn)入冷凝器中冷凝，冷凝液用多個(gè)

17、罐子收集。由于整個(gè)蒸餾過程中，汽相的組成和液相的組成都是不斷降低的，所以每個(gè)罐子收集的溶液的組成是不同的，因此混合液得到了初步的分離。,操作流程：,原理：,一、 簡單蒸餾,簡單蒸餾又稱微分蒸餾,是一種單級(jí)蒸餾操作,常以間歇方式進(jìn)行。,6.2.1 簡單蒸餾和平衡蒸餾,特點(diǎn)： 1.一種單級(jí)蒸餾操作，以間歇方式進(jìn)行； 2. 不穩(wěn)定過程，易揮發(fā)組分濃度不斷下降,適用情況：

18、 適用于混合液a較大，而分離要求不高的情況； 初步加工，粗略分離過程， 如：小批量原油的粗略分離。,二 平衡蒸餾,平衡蒸餾又稱為閃蒸，也是一種單級(jí)蒸餾操作，常以連續(xù)方式進(jìn)行。 原料連續(xù)進(jìn)入加熱器中，加熱到一定溫度后經(jīng)節(jié)流閥減到規(guī)定的壓力，部分液體迅速汽化，汽液兩相在分離器中分開，得到了組成不同的塔頂產(chǎn)品和塔底產(chǎn)品。 由于汽液兩相成平衡狀

19、態(tài)，所以稱為平衡蒸餾。,,平衡蒸餾特點(diǎn)： 1、以連續(xù)的方式進(jìn)行； 2、汽液兩相達(dá)到一次平衡狀態(tài)，穩(wěn)定的過程； 3、生產(chǎn)能力大。,適用情況：初步加工，粗略分離過程， 如：原油的粗略分離。,平衡蒸餾和簡單蒸餾均為單級(jí)蒸餾操作過程，通常用于混合液中各組分揮發(fā)度相差較大，對(duì)分離要求又不高的場(chǎng)合。,6.2.2 精餾過程原理和條件 上述的平衡蒸餾和簡單蒸餾都是單級(jí)分離過程，分離所能達(dá)到的

20、程度有限，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足工業(yè)的要求。 精餾是多級(jí)分離過程，同時(shí)進(jìn)行多次部分汽化和部分冷凝的過程，可使混合液得到幾乎完全的分離。,1 多次部分汽化和多次部分冷凝,如此類推，最終可得難揮發(fā)組分濃度低，易揮發(fā)組分接近于純組分的汽相。,xF(液),TA－y1,x1(汽液共存) Y1>XF>X1 －部分分離汽液,a.多次部分冷凝：,y1(飽和蒸汽)－冷凝到T1－x2,y2(汽液平衡)，y2>y1－部分分離汽液,y2

21、(飽和蒸汽)－冷凝到T2－x3,y3(汽液平衡)，y3>y2－部分分離汽液,(一)、精餾原理,b.多次部分汽化,x1(飽和液體)－加熱到T3－x2’ , y2’(汽液平衡)，x2’<x1－部分分離汽液,x2’(飽和液體)－加熱到T4－x3’ ,y3’(汽液平衡)，x3’<x2’－部分分離汽液,如此類推，最終可得易揮發(fā)組分濃度很低，接近于純凈的難揮發(fā)組分的液相。,圖5-7 多次部分汽化和部分冷凝的t-x-y圖,精餾過

22、程原理可用t-x-y圖來說明。,F,S,E,,,xF,,,,,,,y1,x1,y2,X2’,y3,2 精餾操作A 設(shè)想將單級(jí)分離器加以組合成多級(jí)分離流程。B 存在的兩個(gè)問題：（1） 中間產(chǎn)品多，收率低。（2） 設(shè)備復(fù)雜、能耗大，操作不便。,C 簡化流程 由圖可知，y1 <yF <y1 ，y1 <y2 <y1 ，y2 與yF比較接近，y3 與y1 比較接近， 若將第二級(jí)產(chǎn)生的中間產(chǎn)品y

23、2 于第一級(jí)的原料XF 混合，y3 與y1 混合這樣消除了中間產(chǎn)品。 由于溫度較高的蒸汽與溫度低的X3確接觸，使液體部分汽化，蒸汽自身被冷凝，省去了中間加熱器與冷凝器。 將每一中間產(chǎn)品返回到下一級(jí)中，不僅可以提高產(chǎn)品的收率；而且是過程必不可少的條件。,回流和再沸器是保證精餾過程能連續(xù)穩(wěn)定操作的必不可少的條件。,因?yàn)樗斎绻麤]有回流液體返回精餾塔，則塔頂最上一層塔板的傳質(zhì)就無法進(jìn)行； 同樣塔底如果沒有上升蒸汽返

24、回精餾塔，則塔底最下一層塔板的傳質(zhì)也無法進(jìn)行。,(二)、精餾操作條件,,1.回流的作用 精餾之所以區(qū)別于蒸餾就在于精餾有“回流”，而蒸餾沒有“回流”。 回流包括：塔頂?shù)囊合嗷亓鳎?塔釜部分汽化造成的汽相回流。 作用：為塔板上汽液兩相進(jìn)行部分冷凝和部分汽化（傳質(zhì)和傳熱）提供所需要的熱量和冷量。冷凝器：全凝器（用得較多）和分凝器。思考題：為什么只需要部分回流而不必全

25、部回流？（唯有如此，塔頂和塔底才有產(chǎn)品，否則沒有工業(yè)意義）,2、塔板的作用 塔板是開有許多小孔的圓板。 來自n-1層板組成為xn-1的液體與來自n+1層板組成為yn+1的蒸汽在第n層板上接觸。由于xn-1與yn+1不平衡，而且蒸汽的溫度（tn+1）比液體的溫度（tn-1）高，所以，組成為yn+1的蒸汽在第n層板上部分冷凝，并使xn-1的液體部分汽化。,假設(shè)蒸汽和液體充分接觸，并在離開第n層板時(shí)達(dá)

26、到相平衡，則yn與xn平衡，且yn>yn+1，xn<xn-1。這說明塔板主要起到了傳質(zhì)作用，使蒸汽中易揮發(fā)組分的濃度增加，同時(shí)也使液體中易揮發(fā)組分的濃度減少。,精餾操作流程示意圖：,理論塔板——指汽液兩相在塔板上充分接觸，混合進(jìn)行傳質(zhì)、傳熱后，理論塔板兩相組成均勻且離開塔板的汽、液兩相呈相平衡關(guān)系。 顯然，在相同條件下，理論板具有最大的分離能力，是塔分離的極限能力。,3.理論塔板,第三節(jié) 雙組分連續(xù)精餾的分析和

27、計(jì)算,一、全塔物料衡算二、恒摩爾流的假設(shè)三、熱進(jìn)料狀況參數(shù)q四、操作線方程和q線方程五、理想板數(shù)的計(jì)算六、回流比與進(jìn)料熱狀況對(duì)精餾過程的影響七、塔頂液相回流比的選擇 八、理論板的簡捷計(jì)算法九、精餾塔的操作計(jì)算十、直接蒸汽加熱及兩股進(jìn)料的精餾塔,一、全塔物料衡算,以單位時(shí)間為基準(zhǔn)，對(duì)連續(xù)精餾塔作全塔物料衡算：,如圖所示，設(shè) F—原料(液)摩爾流量，kmol/h； D—餾出液摩爾流量，kmol/h；

28、 W—釜?dú)堃耗柫髁浚琸mol/h； xF、xD、xW—原料液、餾出液、釜?dú)堃旱囊讚]發(fā)組分的摩爾分率。,對(duì)全塔進(jìn)行總物料衡算， 則,對(duì)全塔進(jìn)行易揮發(fā)組分的物料衡算， 則,解得：,塔頂易揮發(fā)組分的回收率,塔底難揮發(fā)組分的回收率,回收率：,,,,,P270 例題6-4,例6-1 每小時(shí)將15000kg含苯40%（質(zhì)量%，下同）和甲苯60%的溶液，在連續(xù)精餾塔中進(jìn)行分離，要求釜?dú)堃褐泻讲桓?/p>

29、于2%，塔頂餾出液中苯的回收率為97.1%。試求餾出液和釜?dú)堃旱牧髁考敖M成，以摩爾流量和摩爾分率表示。,進(jìn)料組成：,釜?dú)堃航M成：,原料液的平均分子量：,解：苯的分子量為78；甲苯的分子量為92。,原料液流量：,依題意知：,所以：,（a）,全塔物料衡算,（b）,,或,聯(lián)立式a、b、c，解得：,（c）,引入恒摩爾流假設(shè)，簡化計(jì)算。（1）恒摩爾汽化：精餾操作時(shí)，在精餾塔的精餾段內(nèi)每層塔板的上升蒸汽摩爾流量都是相等的，提餾段也是這樣。但兩段的

30、上升蒸汽摩爾流量不一定相等，即: V1=V2=V3=…=Vn=V V1’=V2’=V’3=…=V’n=V’ （2）恒摩爾溢流：精餾操作時(shí)，在塔的精餾段內(nèi)，每層塔板下降的液體摩爾流量都是相等的，提餾段也是這樣。但兩段的液體摩爾流量不一定相等。即： L1 =L2 =…=Ln=L L1’=L2’=L3’=…=Ln’=L’,3個(gè)恒摩爾流假定成立的條件： （1） 各組分的摩爾汽化潛熱相等。 （2） 汽液接觸因溫差交

31、換的顯熱可以忽略。 （3） 塔設(shè)備保溫良好，熱損失可以忽略。,二、恒摩爾流假設(shè),例題6-5 P271,1．溫度低于泡點(diǎn)的冷液體2．溫度等于泡點(diǎn)的飽和液體3．溫度介于泡點(diǎn)和露點(diǎn)之間的 汽液混合物4．溫度等于露點(diǎn)的飽和蒸汽5. 溫度高于露點(diǎn)的過熱蒸汽,1.五種進(jìn)料熱狀況,三、進(jìn)料熱狀況的影響,A,B,C,D,E,2. 進(jìn)料熱狀況參數(shù),L’－提餾段下降液體流量，kmol/h;L－精餾段下降液體流量， kmol/

32、h;IF：進(jìn)料的焓 kJ/kmol ；IV ：進(jìn)料板上下飽和蒸汽的焓；IL：進(jìn)料板上下飽和液體的焓。,q的物理意義： 將1kmol原料液變成飽和蒸汽所需的熱量與原料液kmol的汽化潛熱之比。,對(duì)加料板虛線范圍進(jìn)行物料衡算，,將,代入，得,V’～V,所以，根據(jù)進(jìn)料熱狀況參數(shù)q，可知精餾段，提餾段汽液相流量的關(guān)系。,所以,L’～L,得,（1）冷液體 q>1 L’>L+F ,

33、V`>V（2）飽和液體q=1 L’=L+F , V’=V（3）汽液混合物 0V’ , LV` , L’<L,3. 定性分析進(jìn)料狀況對(duì)汽液流量的影響,(1),(2),(3),(4),(5),4. 定量分析進(jìn)料熱狀況的影響,（1）汽液混合物進(jìn)料,設(shè) F 中有 LF， VF,則,V,V’,而,對(duì)比得：,0<q<1,由物料衡算,LF,F,VF,可在相圖上用杠桿定律求算。,也可用q

34、線方程求算（后面）。,tF<tb ，V’部分冷凝(冷凝量V’-V)，放出熱量使F加熱到tb。,其中： r ——tb時(shí)，按進(jìn)料組成算的平均千摩爾汽化潛熱， kJ/kmol； cpL——溫度在(tb+tF)/2時(shí)，進(jìn)料液體的摩爾比熱容，kJ/(kmol.0C)； tb——進(jìn)料的泡點(diǎn)； tF——進(jìn)料溫度。,因?yàn)?（2） 當(dāng)進(jìn)料為冷液體時(shí),熱量衡算：,q>1,tF>td ，進(jìn)塔后降到td，放出熱量使精餾段下降

35、液L部分汽化(汽化量L-L’)。,其中： r ——td時(shí)，按進(jìn)料組成算的平均千摩爾汽化潛熱， kJ/kmol； cpL——溫度在(td+tF)/2時(shí)，進(jìn)料蒸汽的摩爾比熱容，kJ/(kmol.0C)； td——進(jìn)料的露點(diǎn)； tF——進(jìn)料溫度。,因?yàn)?（3） 當(dāng)進(jìn)料為過熱蒸汽時(shí),熱量衡算：,q<0,例題6-6 P274,（一）、精餾段操作線方程,四、操作線方程和q線方程,如圖所設(shè)，對(duì)虛線范圍進(jìn)行總物料衡算，則,對(duì)虛

36、線范圍進(jìn)行易揮發(fā)組分的物料衡算，則,所以,令,——精餾段操作線方程,則,——回流比,所以,液汽比,,【討論】：,1.精餾段操作方程的物理意義： 在一定的操作條件下，精餾段內(nèi)任意第n層板下降的液相組成Xn與其相鄰的下一層塔板上升蒸汽的汽相組成Yn+1 之間的關(guān)系。2. 在穩(wěn)定條件下，D、XD為定值，根據(jù)恒摩爾流假定L為定值, R為定值，y與x 成線性關(guān)系。,3. R越大，L/V越大，Yn+1≥ xn,,有利于提高上

37、升汽相的純度。,(二)、提餾段操作線方程,如圖所設(shè)，對(duì)虛線范圍進(jìn)行總物料衡算,對(duì)虛線范圍進(jìn)行易揮發(fā)組分的物料衡算,所以,——提餾段操作線方程,顯然，提餾段操作線為一直線。,則，液汽比為L’/V’,將,化成,代入上式，得,令,或汽液比為,——塔釜的汽相回流比,,,,,,,,【討論】：,1.提餾段操作方程的物理意義： 在一定操作條件下，從提餾段內(nèi)自任意第m層板下降液體組成Xm’與其相鄰的下層板（第m+1）層上升蒸汽組成Ym

38、+1’之間的關(guān)系。2. 根據(jù)恒摩爾流的假定，L’為定值，在操作穩(wěn)定時(shí)，W和XW也為定值，表示的是一條直線方程。,3. R’越大V’/L’越大，Y’m+1 也接近 x’m,有利于提餾下降液中的輕組分，提高釜液重組分的純度。,例題6-7 P277,(三)、塔釜汽相回流比R’與塔底液相回流比R 及進(jìn)料熱狀況參數(shù)q的關(guān)系,因?yàn)?將,及,代入,得R，R’，q的關(guān)系式：,改寫為,（表示1）,已知,所以上式可化成,（表

39、示2）,P279 例題6-8,兩點(diǎn)聯(lián)線即得精餾段操作線。,(四)、操作線的繪制與q線方程,1．精餾段操作線,若已知xD，xW，xF，q,選定R，可在y-x圖上繪制操作線。,一點(diǎn)D：,截距I:,,y=xD,,,I,D,,,,,,,,,xD,2．提餾段操作線,一點(diǎn)W：,斜率:,,W,f,W f 線即為提餾操作線。,f 為兩操作線的交點(diǎn)。,3.兩操作線的交點(diǎn)和q線方程,兩操作線的交點(diǎn)f，坐標(biāo)（xf，yf），則連接fD為精餾段操作

40、線，連接fW為提餾段操作線。,交點(diǎn)坐標(biāo)（xf，yf）的推導(dǎo)：,xw,W,D,f,將R，R’，q的關(guān)系式：,代入提餾段操作線方程,聯(lián)合,（1）兩操作線的交點(diǎn),略去下標(biāo)，整理得提餾段操作線方程另一表達(dá)示：,與精餾段操作線方程,聯(lián)立求解，得交點(diǎn)坐標(biāo)：,上兩式中消去xD，則得q線方程（略去下標(biāo)f）：,（2）q線方程,q線，兩操作線交點(diǎn)的軌跡方程。,繪制：,斜率：,f,F,一點(diǎn)F：,5種進(jìn)料熱狀況的q線,f為q線方程及兩操作線的三線交點(diǎn)。,（3）

41、操作線常用的繪制方法,,若已知xD，xW，xF，q及R,xD，xW，xF三條垂直線與對(duì)角線交于D，W，F(xiàn)。,步驟：,精餾段操作線的截距xD/(R+1)在y軸上 定出I點(diǎn)，連接DI，為精餾段操作線；,3. 在對(duì)角線上F點(diǎn)，以斜率q/(q－1),q線與精餾線交于f，連接 fW，為提餾段操作線。,繪出q線；,W,,,,,,,xw,xF,xD,D,F,w,xD/(R+1),I,,,,,f,6 、進(jìn)料熱狀況對(duì)q線斜率、位置的影響,,

42、五、理論板層數(shù)的求法,精餾塔內(nèi)存在兩種關(guān)系： 相平衡關(guān)系和操作線關(guān)系；每種關(guān)系有兩種表示: 線圖（相平衡線，操作線） 方程（相平衡方程，操作線方程）,逐板法,圖解法,,對(duì)應(yīng)兩種方法：,3. 從D(xD,xD)到W(xW,xW)在相平衡與操作線間畫直角梯級(jí)，梯級(jí)個(gè)數(shù)即理論板層數(shù)（包括塔釜再沸器）。,（一）、圖解法,步驟：,1. 繪相平衡圖,2. 繪操作線,,,,,,,,,,,,,

43、xw xF xW,,梯級(jí)的意義,,例題6-9P281,(二)、逐板法,交替使用平衡關(guān)系與操作關(guān)系，從塔頂至塔釜逐板進(jìn)行計(jì)算。塔頂采用全凝器。,若已知xD，xW，xF，q及R,此時(shí)第n板為加料板，提餾段第一塊板.,N T精=n-1,每使用一次平衡關(guān)系，就表示需要一塊理論板。,xn<xd (兩操

44、作線交點(diǎn)的橫坐標(biāo)，僅當(dāng)飽和液體進(jìn)料時(shí)為xF),N T提=m (包括塔釜),令xn=x1’ 改用提段操作關(guān)系,由于再沸器中的汽液兩相達(dá)到平衡，所以再沸器相當(dāng)于一塊理論板，因此總的理論板數(shù)就等于使用相平衡方程的次數(shù)減一。,圖解過程中當(dāng)某梯級(jí)跨過兩操作線交點(diǎn)時(shí)，應(yīng)更換操作線，跨過交點(diǎn)的梯級(jí)代表適宜的加料板。,?適宜進(jìn)料位置的選擇,否則理論塔板數(shù)會(huì)增加。,逐板法也相同。,P283 例題6-8,（三）圖解法與逐板法的比較,圖解法： 直

45、觀形象，方便。,對(duì)于理想和非理想溶液都適應(yīng)，只要有相平衡數(shù)據(jù)，畫出相平衡曲線即可。,逐板法：方便準(zhǔn)確。 但須是能寫出汽液相平衡方程的物系。,對(duì)應(yīng)相對(duì)揮發(fā)度較小的溶液，理論板數(shù)較多，圖解法不準(zhǔn)確，需用逐板法。,,(一)、R，q及R’對(duì)冷凝器和蒸餾釜(再沸器)的熱負(fù)荷影響,六、回流比與進(jìn)料熱狀況對(duì)精餾過程的影響,3種情況： 1. q一定時(shí)； 2. R一定時(shí)； 3. R’一定時(shí)；,Q

46、C——冷凝器熱負(fù)荷；QB——蒸餾釜(再沸器)熱負(fù)荷。,QC,QB,1. q一定時(shí),R↑；,↑,↑,↑,↑,↑,?可見，L，L’，V，V’，R’都隨之增大。,V,L,L’,V’,QC,QB,若塔頂蒸汽全部冷凝為泡點(diǎn)液體時(shí)，冷凝器熱負(fù)荷為,塔底液體全部汽化為露點(diǎn)時(shí)，再沸器熱負(fù)荷為,rC——組成為xD的混合液汽化熱；,rB ——組成為xW的混合液汽化熱。,? 所以R↑，QC和QB都↑。,QB＝rB V’,2. R一定時(shí)；,V一定

47、，所以Qc一定；,QF+QB=QC+QD+QW,QF,QB,QW,QC,QD,全塔熱量衡算：,,,輸入,輸出,F一定，則D，W一定，且塔頂、塔頂組成一定，所以QD，QW一定，則,QF+QB為定值；,? 當(dāng)q↓ ，則QF↑，則QB ↓（V’ ↓ ）；,? 當(dāng)q↑，則QF ↓ ，則QB ↑（V’ ↑ ）。,問題：當(dāng)分離條件一定時(shí)，是使進(jìn)料預(yù)熱好，還是增大再沸器熱負(fù)荷好？,分析：若使進(jìn)料預(yù)熱，可減少再沸器熱負(fù)荷；而進(jìn)料溫度低于釜液溫度，可以利

48、于低品位的熱能加熱。,通常情況：在QF＋QB一定時(shí)，應(yīng)盡可能在再沸器輸入熱量，使上升蒸汽V’在全塔發(fā)揮傳質(zhì)和傳熱作用。最常見情況為把進(jìn)料加熱到泡點(diǎn)附近進(jìn)塔。,如果進(jìn)料為蒸汽，不必冷凝為液體。 蒸汽可減少再沸器熱負(fù)荷，減少操作費(fèi)，雖然會(huì)使塔板數(shù)增多，但，操作費(fèi)的減少可補(bǔ)償設(shè)備費(fèi)的增多。,3. R’一定時(shí)；,R’＝V’/W,所以，V’一定，則QB一定；,?當(dāng)q↓ ，即QF↑，則R ↑ ，則QC ↑ ；,?當(dāng)q↑，則QF ↓ ，則

49、R ↓ ，則QC ↓ 。,1. q一定時(shí),,總結(jié)：,QC和QB都↑,2. R一定時(shí)；,當(dāng)q↓ ，則QF↑，則QB ↓；,當(dāng)q↑，則QF ↓ ，則QB ↑。,Qc一定,3. R’一定時(shí)；,QB一定；,當(dāng)q↓ ，即QF↑，則R ↑ ，則QC ↑ ；,當(dāng)q↑，則QF ↓ ，則R ↓ ，則QC ↓ 。,R↑，,P285 例題6-11,(二)、R，q及R’對(duì)理論板數(shù)的影響,3種情況： 1. q一定時(shí)，R的影響； 2.

50、 R一定時(shí)，q的影響； 3. R’一定時(shí)，q的影響；,圖6-27 回流比對(duì)理論塔板數(shù)的影響,(1)精餾段 操作線斜率R/(R+1),R ↑, 越接近1，，當(dāng)xF，xD，xW一定時(shí)，操作線越遠(yuǎn)離平衡曲線，則N↓ 。,q＝1,(2) 對(duì)于N一定的精餾塔，q一定時(shí)，R↑，對(duì)于精餾段：,1. q一定時(shí)，R對(duì)理論板數(shù)的影響；,↑,則有利于增大兩相傳質(zhì)推動(dòng)力，提高傳質(zhì)速率，所以xD ↑ ，塔頂輕組分純度↑ 。,對(duì)于提餾段：,q一定時(shí)，

51、R↑，則R’ ↑，,↓,而V’/L’ ↑,則有利于增大兩相傳質(zhì)推動(dòng)力，提高傳質(zhì)速率，所以(1-xW )↑,即塔底重組分純度↑ 。,總結(jié)：,? q一定時(shí)， R ↑,當(dāng)xF，xD，xW一定時(shí)，則N↓。,?若N一定，q一定時(shí)，R↑， xD↑ ，xW ↓，QC↑，QB↑。,2. R一定時(shí)， q對(duì)理論板數(shù)的影響,（1）當(dāng)xF，xD，xW一定時(shí)， R一定時(shí)， q 改變不會(huì)影響精餾段操作線的位置，只改變提餾段操作線的位置。,,,,,當(dāng)q ↑ ，即Q

52、F↓ 時(shí)，提餾線就遠(yuǎn)離平衡曲線，N ↓ ；,q1,q3,q2,q3 < q1 < q2,同時(shí)，R一定， 則QF＋QB一定， QF↓ ， QB ↑， N ↓ ；,（2）若對(duì)于N一定的精餾塔， QB↑，產(chǎn)品純度↑。,3. R’一定時(shí)，q對(duì)理論板數(shù)的影響；,(1) 當(dāng)xF，xD，xW一定時(shí)， R’一定時(shí)， q 改變不會(huì)影響提餾段操作線的位置，只改變精餾段操作線的位置。,q3 < q1 < q2,q1,q3,q2,,

53、,,,,當(dāng)q ↓ ，即QF ↑時(shí)，精餾段操作線就遠(yuǎn)離平衡曲線，N ↓ ；,則R ↑,所以，QC↑；,(2) 若對(duì)于N一定的精餾塔，因?yàn)镽’一定， QB一定，QF ↑， q ↓，R ↑，產(chǎn)品純度↑。,七、塔頂液相回流比的選擇,全回流：塔頂上升蒸汽冷凝后全部回流至塔內(nèi)。 由全回流，得D = 0。取F = 0（一般情況），則W = 0。（無精餾段和提餾段之分）,(一)、全回流和最少理論板層數(shù),——提餾段操作線與對(duì)角線重合,

54、——精餾段操作線與對(duì)角線重合,又由,又,此時(shí)操作線與平衡線的距離達(dá)到最大，所需的理論板數(shù)為最少。,得,全回流特點(diǎn)：（1）D=0，F(xiàn)=0，W=0       （2）R=L/D=∞       （3）三線合一。

55、 （4）此時(shí)所用的理論板層數(shù)最少。,,xW xD,可用前述的逐板計(jì)算法或圖解法確定，也可用下述的芬斯克（Fenske）方程計(jì)算而得。 由相對(duì)揮發(fā)度定義,又由操作線方程,得,而,全回流時(shí)理論板數(shù)的計(jì)算,則(略去下標(biāo)),對(duì)于第n塊板,所以,因?yàn)?溶液組成,令 平均相對(duì)揮發(fā)度,特別地，當(dāng)α 1和αW相差不大時(shí)，可取兩者幾何平均值,則式,可寫成,用平均相對(duì)揮發(fā)度代替每塊板上的相

56、對(duì)揮發(fā)度，,兩邊取對(duì)數(shù)，得,二組分精餾,芬斯克（Fenske）方程,,全回流時(shí)所需要的最小理論板數(shù)(包括再沸器),P289 例題6-12,設(shè)兩操作線（與平衡線）交點(diǎn)P（夾緊點(diǎn)）的坐標(biāo)為（xP, yP），則精餾段操作線斜率為,（二）、最小回流比,,（1）對(duì)理想溶液,夾緊點(diǎn)的坐標(biāo),2. 解析法 設(shè)q線方程與相平衡方程聯(lián)立求解；,1．圖解法 由q線與平衡線的交點(diǎn)，從圖中讀出；,,（2）對(duì)非理想溶液,Rmin仍可用

57、 計(jì)算，但是式中夾緊點(diǎn)p點(diǎn)坐標(biāo)，換成q線與操作線的交點(diǎn)坐標(biāo)（圖中d點(diǎn)）。,P292 例題6-13,適宜的回流比應(yīng)通過經(jīng)濟(jì)衡算決定，即操作費(fèi)用和設(shè)備折舊費(fèi)用之和為最低時(shí)的回流比，是適宜的回流比。,（三）、適宜回流比的選擇,由,知，當(dāng)F、q、D一定時(shí)，,Rmin R,費(fèi)用,總費(fèi)用,設(shè)備費(fèi),操作費(fèi),,在精餾設(shè)計(jì)中，一般并不進(jìn)行詳細(xì)的經(jīng)濟(jì)核算，而是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)選取操作回流比：,對(duì)于難分離的物

58、系，R值應(yīng)取大些。,(一)、吉利蘭圖,八、理論板的簡捷計(jì)算法,吉利蘭圖,(二)、簡捷法求理論板層數(shù)的步驟：1、求Rmin2、選R3、計(jì)算（R-Rmin)/(R+1) 4、用芬斯克方程求Nmin 5、查出對(duì)應(yīng)的 (N-Nmin)/(N+1) 6、計(jì)算N,,例題6-14，P294,1.操作型計(jì)算的命題： 此類計(jì)算的任務(wù)是在設(shè)備（精餾段板數(shù)及全塔理論板數(shù)）已定的條件下，由指定的操作條件預(yù)計(jì)精餾操作的結(jié)果。 計(jì)算所

59、用的方程與設(shè)計(jì)時(shí)相同。 此時(shí)的已知量為：全塔總板數(shù)N，及加料板位置（第m塊板）；相平衡曲線或相對(duì)揮發(fā)度；原料組成xF 與熱狀態(tài) q ，回流比 R ；并規(guī)定塔頂餾出液的采出率 D/F。 待求的未知量為：精餾操作的最終結(jié)果——產(chǎn)品組成xD,xW, 以及逐板的組成分布。,,,,,,九、精餾塔的操作計(jì)算,可知當(dāng)F、xF、xD、xW一定時(shí)，D、W被確定。而xD、xW由理論板數(shù) N確定，N又由xF、汽液平衡方程（?）、R、q確定

60、，所以D、W不能任意增減。,2、影響精餾操作的主要因素簡析,（1）．物料平衡的影響和制約,由,（2）.回流比的影響,（3）.進(jìn)料組成和進(jìn)料熱狀況的影響,3.試差法求算xD，xW的步驟：,（1）計(jì)算xD,假設(shè)xD，計(jì)算兩操作線的交點(diǎn)橫坐標(biāo)xf。,相平衡方程精餾段操作線方程,,,從y1＝xD開始 ，逐板法計(jì)算,x1，y2，…，計(jì)算到進(jìn)料板的上一塊板上的液相組成x＝xf，則xD假設(shè)值正確，否則重新假設(shè)xD。,假設(shè)xD,,（2）計(jì)算xW,利用

61、已經(jīng)求得的xD，計(jì)算兩操作線的交點(diǎn)縱坐標(biāo)yf。,因?yàn)檫M(jìn)料板的汽相組成 yF＝y(tǒng)f 。,從 yF＝y(tǒng)f開始，逐板計(jì)算。,相平衡方程提餾段操作線方程,,,計(jì)算到第N塊板上的液相組成x＝xW（假設(shè)值）時(shí)，則表明xW假設(shè)值正確，否則，重新假設(shè)xW。,假設(shè)xW,例題6-15，6-16 P295,,十、雙組分精餾過程的其他類型,直接蒸汽加熱 兩股進(jìn)料的精餾塔,1. 直接蒸汽加熱,,對(duì)提餾段操作線方程進(jìn)行修正

62、。,對(duì)虛線范圍進(jìn)行物料衡算，,由易揮發(fā)組分的物料衡算，得,由總物料衡算，得,若恒摩爾流假定成立，則,（一般情況），,則,取,顯然也是直線方程，它和精餾段操作線的交點(diǎn)軌跡方程仍然是q線； 但與對(duì)角線的交點(diǎn)不在點(diǎn)w(xw，xw)，但通過點(diǎn)g(xw，0)。,所以,——直接蒸汽加熱時(shí)的提餾段操作線方程,g,w,當(dāng)y＝x時(shí)，即提餾段操作線與對(duì)角線相交,分子－釜液流量中輕組分的含量，分母－釜液流量減去直接水蒸汽流量，

63、 ＝間接水蒸汽加熱時(shí)的釜液流量W’。,所以，提餾段操作線與對(duì)角線的交點(diǎn)x，即為間接水蒸汽加熱時(shí)的xW。,所以，兩種加熱方式的提餾段操作線是同一條線。,圖解法求N時(shí)，x<xb.,所以，直接加熱可比間接加熱多一個(gè)階梯。,P300例題6-7,2. 兩股進(jìn)料的精餾塔,兩種成分相同但濃度不同的料液可在同一塔內(nèi)進(jìn)行分離，兩股料液應(yīng)分別在適當(dāng)位置加入塔內(nèi)。 整個(gè)精餾塔可分成三段，精餾段和提餾段操作線方程和單股進(jìn)料一樣

64、，中間段可由物料衡算推導(dǎo)得出。,F1以下，F(xiàn)2以上為第二段：,總物料衡算：F1+V’’=L’’+D,F1xF+V’’y=L’’x+DxD,易揮發(fā)組分物料衡算：,,,,,,,,,,,,,,F1,F2,V’,L’,V’’,L’’,,m,m+1,,,,,,,,得中間段操作線方程,塔內(nèi)各段汽液相流量關(guān)系,L’’＝L＋q1 F1V’’＝V+(q1-1) F1,L’＝L’’＋q2 F2V’＝V’’+(q2-1) F2,兩股進(jìn)料的q線方程,,

65、q1,q2,三條操作線斜率:,D,xD/(R＋1),,精餾段,中間段,提餾段,,,,第六章 蒸餾 （Distillation）,第4節(jié) 間歇精餾,又稱分批精餾，全部物料一次加入蒸餾釜中，精餾時(shí)自塔頂蒸出的蒸汽冷凝后，部分作為塔頂產(chǎn)品，另一部分作為回流送回塔內(nèi)，操作終了時(shí)，殘液一次從釜內(nèi)排出，然后再進(jìn)行下一批的精餾操作。,一、間歇精餾的定義：,,二、間歇精餾的特點(diǎn)：,（1）過程非定態(tài)（2）塔底加料，無提餾段（3） 獲得 xD, x

66、W一定的產(chǎn)品，能耗大于連續(xù)精餾,兩種操作：(1) 恒回流比R=常數(shù), 定xW (2) 恒流出液組成,定xD,(1) 恒回流比R=常數(shù), 定xW,回流比以開始的狀態(tài)計(jì)算,(2) 恒流出液組成,定xD,R,,三 、兩種操作的優(yōu)缺點(diǎn)：,(1) 恒回流比R=常數(shù), 定xW,(2) 恒流出液組成,定xD,操作方便，但是xD為平均值，純度不高。,雖然xD較大，但是連續(xù)增大R較困難。,最佳辦法：兩種操作結(jié)合應(yīng)用。,恒R→R

67、↑，恒xD → 恒R,,中間餾分加到 下批料液中,第5節(jié) 恒沸精餾與萃取精餾,6.5.1　恒沸精餾,6.5.2　萃取精餾,6.5. 1　恒沸精餾,原理：在混合液中加入第三組分（稱為挾帶劑）形成新的最低恒沸物。,挾帶劑: 苯,三元恒沸物： 苯-乙醇-水,二元恒沸物： 乙醇-水,恒沸精餾塔,苯回收,乙醇回收塔,1、應(yīng)與被分離組分形成新的恒沸液，其沸點(diǎn)要比純的組分的沸點(diǎn)為低，一般要求沸點(diǎn)差不小于10℃，并且希望將料液中含量較少的一個(gè)組

68、分作為恒沸物一起從塔頂蒸出。2、新恒沸液所含挾帶劑的量愈低愈好。3、回收容易，新恒沸液最好為非均相混合物，便于分層分離。4、無毒、無腐蝕性、熱穩(wěn)定性好。5、價(jià)廉易得。,挾帶劑的要求：,6.5.2 萃取精餾,萃取精餾用于分離各組分揮發(fā)度差別很小的溶液。,萃取精餾和恒沸精餾相似，也是向原料液中加入第三組分（稱為萃取劑或溶劑），以改變?cè)薪M分間的相對(duì)揮發(fā)度而得到分離。 但不同的是要求萃取劑的沸點(diǎn)較原料液中各組分的沸點(diǎn)高

69、得多，且不與組分形成恒沸液。,,萃取精餾原理：向混合液中加入溶劑(又稱萃取劑)，與恒沸精餾不同的是萃取劑不與原料液中任何組分形成恒沸物。,萃取劑：苯酚,萃取精餾塔,苯酚回收塔,c苯酚↑， α↑,x苯酚＝0.83時(shí)，分離最容易。,1、萃取劑應(yīng)使兩組分的相對(duì)揮發(fā)度發(fā)生顯著變化。2、萃取劑的揮發(fā)度應(yīng)小，即其沸點(diǎn)應(yīng)較純組分高。3、無毒、無腐蝕性、熱穩(wěn)定性好。4、價(jià)廉易得。,選擇適宜萃取劑時(shí)，應(yīng)考慮的問題：,第六節(jié) 板式塔,6.6.1