化工原理：第7章 蒸馏-7

1、也可由精馏段操作线在y轴上的截距yC确定。, 最小回流比,小 结, 应用,特点 a）提高了传热效率，省去一再沸器； b）在与间接加热相同的xD及回收率时, xW要求更低，因而需较多的理论板。 c）达到与间接加热相同的xD及xW时, 所需的理论板数略少。,所分离混合物是由水和比水易挥发组分组成的混合物时。,7. 6 复杂塔精馏过程分析,（1）水蒸气直接加热的蒸馏,小 结, 特点 侧线出料将塔分为多段, 各段对应各自的操作线和操作方程。,（2）带侧线采出的精馏, 应用 需要几种不同纯度的产品时 混合物按其沸程作大概的分割时。, 操作线方程 对双组分带侧线采出的精馏过程分段进行物料衡算确定塔内操作线

2、方程。,（3）多股进料, 特点 多股进料将塔分为多段, 各段对应各自的操作线和操作方程。, 应用 两股组分相同而组成不同的物料在同一塔内分离。, 操作线,（4）回收塔,应用,特点 只有提馏段，无精馏段, 进料液为塔顶回流液。, 操作线方程, 理论板数的求法,图解法,q=1 恒摩尔流,（5）塔顶设部分冷凝器, 目的,节省高品位冷剂。, 分凝器相当于一块理论板 塔内总理论板数则等于（N2）块理论板。,（5）冷回流,（5）塔顶设部分冷凝器, 目的,节省高品位冷剂。, 分凝器相当于一块理论板 塔内总理论板数则等于（N2）块理论板。, 原料液分批生产；,生产中通常要求稳定连续性生产,连续精馏 (Cont

3、inuous Distillation),连续精馏的局限, 批量小，种类多;, 原料组成又经常变化，且分离要求较高；,间歇精馏 Batch Distillation,流程及设备,7.7 间歇精馏过程,釜液,馏出液,进料,特点, 间歇操作，料液分批加入塔釜； 只有精馏段，无提馏段； 非稳态过程。,常见两种操作方式,恒定塔顶产品组成 恒定回流比,7.7.1. 恒定回流比的间歇精馏,特点：塔顶产品组成不断降低； 釜液中组成也不断降低。,计算思路：假定xD1，确定Rmin, 确定R，求N,假定是否合适，以 = 为判据,（1）理论塔板数的确定,已知： 选取：R 求 ：N,计算过程：设定最初馏出液组成 初

4、值。 确定Rmin,根据Rmin确定适宜操作回流比R 图解理论板数N，,已知：釜中液体量初为W1 , N, R、xW1 、 xWe及 求 ： W2 、 D、,在d 时间内，对系统作物料衡算，则有：,（2）设计校核操作型计算,令：,则：,操作情况,又初始工况时：nWi=nF xWi=zF,则由物料衡算有：,计算平均组成：,整理得：,7.7.2 恒定产品组成的间歇精馏,（1） 理论板数确定,确定此时的适宜回流比R,适宜回流比的选择是一个经济问题,保持馏出液组成不变，势必连续加大回流比 回流比增大的途径： 提高上升蒸汽量； 减小采出量qnD,根据最小回流比Rmin，选定适宜回流比R，图解理论板数NT

5、。, 操作型计算,恒定产品组成的间歇精馏的操作型计算：,理论板数不变，保证塔顶馏分组成不变，每一瞬间R要变化,（2）多组分分离序列的选择,多组分分离流程方案称之为分离序列，不同序列分离相同产品的成本不同。,在分离序列中，如果易挥发组分依次从塔分离出来，此序列为顺序流程。,7.8 多组份精馏,（1）一般确定原则, 减少组分汽化次数，降低能耗。 直接序列（顺序流程）：按混合物中组分沸点递升排序，轻组分依次从塔顶分离出去。,例：四组分A、B、C、D 混合物的分离,保证产品质量原则： 高纯度产品在塔顶采出； 热敏性、易分解或聚合的物料优先分出，减少受 热次数。,7.8.1 多组份精馏的特点,组份数较多

6、,计算较为复杂, 相平衡常数是温度、压力及浓度的函数。,（1） 汽、液平衡关系复杂,（2）物料衡算关系复杂,有m-1个方程,需要的塔多 若要将一混合物完全分离成纯组份产品的分离称之为锐分离，需多塔操作。采用简单塔操作时M组份，需M-1个塔。, 流程方案多,（3）流程方案的选定比较复杂,确定原则：,保证产品质量原则： 高纯度产品在塔顶采出 热敏性、易分解或聚合的物料优先分出， 减少受热次数, 经济性原则： 尽可能考虑到减少设备费和操作费，易腐蚀、 有毒的组分先分出去 难分离的最后分，此时，气体负荷小、塔径小, 操作管理方便原则：,注：以上原则是在用普通精馏塔一进二出， 分离出较纯的单一组分为前提

7、下得到的。,(4) 分离程度的确定比较复杂 只能主观规定其中某几种组分的特定分离程度，其余组分的分离程度则需要由分离的流程和操作情况等条件所决定,(5) 设计计算复杂,7.8.2 全塔物料衡算,（1）关键组份及分离要求的规定,关键组份：根据塔的主要分离目的，选取两组份规定分离要求。规定其中较难挥发的组份在塔顶不得高于某一允许值，易挥发组份在塔底不得高于某值。,轻关键组份: 挥发度较大的关键组份 重关键组份: 挥发度较小的关键组份 非关键组份： 比轻关键组分更轻的组分称为轻非关键组分。 比重关键组分更重的组分称为重非关键组分。,（2）非关键组份在两端产品中的分配,作为设计型计算，求N，欲知qnD

8、， qnW，必需知 xwi和xDi， 但xwi 、 xDi 又和N有关，故需试差。,分离要求规定：通过规定关键组分的分离要求，对塔的分离结果进行控制。,规定轻关键组份在塔顶的组成和重关键组分在塔底的组成 规定轻关键组分在塔顶组成及回收率 规定重关键组分在塔底组成及轻关键组分在塔顶的回收率,估算方法：,a. 清晰分割,比轻关键组份更轻的各组分均从塔顶蒸出，比重关键组份更重的组分，均从塔底排出，且两关键组分为相邻组分，称为清晰分割。可以进行严格的计算。,例6.8.1（P70）,b. 非清晰分割,不满足清晰分割的条件，采用近似方法估计。,给定条件：轻关键组分在馏出液中的回收率; 重关键组分在釜液中的

9、回收率。,方法：享斯特别克法（Hengsteback） 假设： (1) 各组份在馏出液和釜液中的流率分配与回流比无关； (2) 非关键组分在产品中的分配情况与关键组分的相同。 对轻重关键组份使用芬斯克方程。,根据假定，对任意组份与重关键组份来说，也有：,故有：,即在上述条件下 =可知数,=恒定数,于是有：,7.8.3 多组份精馏的最小回流比,(1) 多组份精馏的恒浓区 上恒浓区进料板以上 下恒浓区进料板以下,(2) 最小回流比的求法,恩德伍德公式(Underwood),使用该式其相对挥发度的基准组分为重关键组份。,：取介于轻重关键组分相对挥发度之间的根,适用条件：ij可取为常数 汽液两相符合恒

10、摩尔流假设 轻重关键组分为相邻组份。,例7.8.3 的求法多用试差法求解,7.8.4 多组份精馏的塔板数计算（自学）,（1） 简捷法, 以轻、重关键组分为依据，利用芬斯克公式求, 用Underwood公式求取 Rmin, 根据Rmin，选取适宜的R，利用吉利兰关联图求取所需的N,（2）逐板计算法,设恒摩尔流假定成立，且各组分的相对挥发度可近似作为常数处理，计算步骤如下：,求馏出液及釜液流率qnD、qnW及组成xDi、xwi,- 刘易斯-麦迪逊（L-M）法,确定回流比,求操作线方程。,确定相平衡方程,式中：, 逐板计算求解理论塔板数 当关键组份居中时，可分别从塔顶和塔底计算理论板数。,为两关键组

11、分操作线交点横坐标的比值。,n 块为进料板,提馏段从下至上计算，直至,xni与xmi不一致，称为不契合 。产生不契合的原因，两端产品组成的浓度是估算值。应予以调整。,第m块板为进料板， m 为提馏段理论塔板数 总理论板数 NT=n-1+m,7.8.5 精馏过程的节能, 精馏是耗能较高的单元操作，在产品生成成本中占有较大的比重 用能过程，尤其是热能的使用过程，对热能不仅有量的要求，而且有质或品位的要求 用能过程是能量贬值的过程，是有效能损失的过程，而不是能在量上的减少。,精馏过程节能技术： 精馏塔设计和操作参数的优化 多组分分离序列的选择 精馏与过程系统的能量集成 选择适宜的分离方法替代精馏,（

12、1）精馏塔设计和操作参数的优化 回流比优化 b. 适宜进料位置 c. 进料热状态的选择 d. 操作压力的选择,（3）精馏与过程系统的能量集成, 精馏过程的能量集成是精馏过程的用能与系统的用能统一考虑的技术,a.多效蒸馏,高低压双效精馏流程:,b. 中间再沸器和中间冷凝器,中间再沸器 目的：节省高品位热源,动画,问题：中沸器下方塔板分离能力被削弱。,动画示意, 中间冷凝器,目的：减少主冷凝器高品位冷剂的用量，以减少能耗,存在问题：其下方的塔板的分离能力有所下降,动画,7.9 恒沸精馏 和萃取精馏,(1) 应用：, 具有恒沸点的液相混合物 具有较小相对挥发度的物系,(2) 原理：,在液相混合物中加

13、入第三组分（质量分离剂），改变原溶液中各组分间的相对挥发度。,7.7.1 恒沸精馏 (Azeotropic Distillation),加入第三组分，使其与某一组分形成最低恒沸物，从而使而使原溶液易于分离，称为恒沸精馏。该第三组分常又称为挟带剂 。,典型实例：分离乙醇水溶液，加入挟带剂 苯 二元恒沸物: 水+乙醇 最低恒沸点78.15, 89.4%. 三元恒沸物: 苯54.4%, 乙醇23%, 水22.6%. 在较低温度下，苯与乙醇、水不互溶而分层，可将苯分离出来。 塔底可得到无水乙醇, 恒沸物中挟带剂的组成要小，降低挟带剂用量, 恒沸物本身应易于分离, 经济、安全,对挟带剂的基本要求：, 能

14、形成最低恒沸物，且与塔底组分之间有较大的相对挥发度。,7.9.2 萃取精馏 (Extraction Distillation),加入第三组份能显著改变两组份间的相对挥发度，且本身的挥发性很小，该第三组分称为萃取剂。 实例：苯环已烷的分离.,对萃取剂的基本要求：,（1）选择性强,（2）溶解度大,（3）挥发性小,（4）其它经济、安全要求,恒沸精馏和萃取精馏的比较 ：,（1）第三组分选择范围,（2）能量消耗,（3）操作方式,（4）热敏性物料,6.9.1 反应精馏,在特定的条件下，将反应过程与精馏过程进行集成，使 反应与精馏在蒸馏设备中同时进行的技术。,特点： 生成产物及时移出反应区，对可逆和复杂反应

15、，化学平衡向生成物的反应方向移动，可提高反应的转化率和选择性。 由于生成的产物及时移出，使得反应物总浓度提高，有利于加快反应速率。 利用了反应热，降低了精馏过程的能耗。 反应器与精馏塔合二为一，节省了设备投资。 对于某些难分离的体系，可通过反应精馏使其中某组分进行反应，而将另一组分分离出来。,条件：必须同时满足反应过程和精馏过程的要求。 反应过程适宜的温度、压力、反应物浓度分布和催化剂等； 精馏过程反应物与生成物的挥发能力具有足够大的差异。,故：反应精馏应根据不同反应过程的需要和体系中各组分的性质，选择精馏流程、进料方式、塔板结构和操作条件等。,例：,可逆反应,6.9.2 精密精馏,采用精馏分

16、离气、液平衡组成很接近或相对挥发度接近于1 的体系混合物的操作。,原理：同普通精馏,特点：由于组分的相对挥发度接近于1，故达到较高纯度的分离所 需的理论板数较多，所需的回流比较大，达到稳定操作的 时间较长。,应用：实验制备的小批量物质分离、石油产品评价、高效填料的 性能测定、精细化工产品的提纯、同位素产品的精制等。,计算：难以采用图解方法求解理论板数，通常采用解析方法或 简捷法确定理论板数、进料位置等。计算中，精密精馏 通常按二元混合物处理。,6.9.3 盐溶精馏（加盐精馏）,一种采用特殊萃取剂的萃取精馏，用于难分离混合物的分离。,例：乙醇-水 、丙醇-水、水-醋酸等的分离 萃取剂：盐类（如C

17、aCl2、KAc等）。 萃取剂作用：使有机物与水的相对挥发度增大。,优点：盐不易挥发，从釜中排出，易于回收，循环使用。 能耗低，易保证产品的纯度。,缺点：若加入固体盐，则溶解比较困难，同时易结晶析出堵塞 管道，造成输送困难，是应用受到限制。,6.9.4 分子精馏,在高真空、蒸发面与冷凝面间距离小于或等于分子平均自由程条件下，通过二元混合物中两组分以不同的速度在液相主体向蒸发界面扩散，自蒸发面逸出的分子不与任何分子碰撞，直接奔射并冷凝在冷凝面上，即完成一级分子蒸馏过程，实现一次分离。该过程属于高真空度的蒸馏操作。,特点： 可在任何温度下进行，只要冷、热面存在一定温差，就可以达到分离目的。 该过程

18、的蒸发和冷凝是不可逆的，即奔射至冷凝面上的分子不再返回蒸发面。 在液层表面上的自由蒸发，而不是在液体内鼓泡。 表示分离能力的分离因数，不但与两组分的饱和蒸汽压之比有关，而且还与两组分的摩尔质量比有关。,应用：广泛应用于科学研究、化工、石油、医药、轻工以及油脂等工业中，以浓缩和提纯高相对分子质量、高沸点、高粘度的物质及稳定性差的有机化合物。,蒸馏时相对挥发度越大的两组分越易分离，相对挥发度越小则越难分离 在最小回流比Rmin条件下，其精馏操作线必定通过其q线与平衡线的交点e。 易挥发组分在气相中的分压必大于难挥发组分的分压 在理想体系气液平衡状态下，气相中轻组分的组成必大于液相中的组成,判断题,精馏段及提馏段操作线必定为一直线 R不变，q增大精馏段液相流量随之增大 R不变， q增大再沸器热流量随之提高,判断题,完成规定分离要求，最小回流比Rmin条件所需理论板数最少，全回流条件下所需理论板最多。 ( ) 当低于Rmin时，精馏塔就无法操作。 ( ) 只要提高回流比，就可提高产品质量。 ( ) 只要保证足够的理论板数就可达到分离要求. ( ) 全回流操作两操作线与对角线重合。 ( ),判 断 题,填空题,精馏塔分离二元理想体系，当操作压强降低，相对挥发度