1.5 两组分连续精馏的计算

1、第1章 蒸馏一教学目的通过本章学习，掌握两组分理想物系的气液平衡关系、平衡蒸馏与简单蒸馏、精馏的原理与流程和两组分连续精馏的基本计算方法；了解间歇精馏与特殊精馏过程。二教学内容1.1 概述；1.2 两组分溶液的气液平衡；1.3 平衡蒸馏和简单蒸馏；1.4 精馏原理和流程；1.5 两组分连续精馏的计算；1.6 间歇精馏；1.7 恒沸精馏和萃取精馏；1.8 多组分精馏（自学） 三教学重点、难点及其处理1重点： 两组分理想物系的汽液平衡关系 蒸馏过程的原理 两组分连续精馏过程的计算（物料衡算与进料热状况的影响、理论板层数的计算与回流比的影响、塔板效率）2难点： 进料热状况参数 的理解。 多侧线的精馏

2、塔理论板层数的求解。四教学方法、手段讲解、实物演示、照片、动画五课时安排共14课时，各章节具体课时分配如下：知识点1-1 授课学时数 2 自学学时数 4知识点1-2 授课学时数 1 自学学时数 2知识点1-3 授课学时数 1 自学学时数 2知识点1-4 授课学时数 2 自学学时数 4知识点1-5 授课学时数 4 自学学时数 6知识点1-6 授课学时数 2 自学学时数 4知识点1-7 授课学时数 1 自学学时数 2知识点1-8 授课学时数 1 自学学时数 26 课程内容设计1.1绪论1.化工生产中的传质过程 混合物的分离是化工生产中的重要过程。混合物可分为非均相物系和均相物系。非均相物系的 分离

3、主要依靠质点运动与流体流动原理实现分离，其分离方法有过滤、沉降等。（此处，复习非均 相物系的定义分类等。非均相物系：由具有不同物理性质（如尺寸、密度差别）的分散物质（分散 相）和连续介质（连续相）所组成的物系。显然，非均相物系中存在相界面，且界面两侧物料的性 质不同。根据连续相状态的不同，非均相混合物又可分为两种类型：气态非均物系，如含尘气体、 含雾气体；液态非均物系，如悬浮液、乳浊液、泡沫液等。对于非均相混合物，工业上一般采用机械分离方法将两相进行分离，即造成分散相和连续相之间的相对运动。 而化工生产中遇到的大多为均相混合物（均相物系），均相物系分离方法有蒸馏、吸收、萃取 及干燥等。均相物系

4、：若物系内各处组成均匀且不存在相界面，则称为均相混合物。如溶液及混合气体属于此类。均相混合物组分的分离采用传质分离方法。 混合物分离的目的主要是提纯或回收有用组分。 均相物系的分离条件是必须造成一个两相物系，然后依据物系中不同组分间某种物性的差异， 使其中某个组分或某些组分从一相向另一相转移，以达到分离的目的。物质在相间的转移过程称为 传质（分离）过程。 示例：空气和氨的分离化工生产中的分离过程，总的来讲，可以分为平衡分离过程（气液传质过程、液液传质过程、气固传质过程和液固传质过程）和速率分离过程（膜分离和场分离）。2.何为蒸馏利用液体混合物中各组分挥发度的不同，通过加入热量或取走热量的方法，

5、造成气液两相物 系，因而使易挥发组分在气相中浓集，难挥发组分在液相中浓集，从而使液体混合物的分离的一种 单元操作。 通常将沸点低（挥发度高）的组分称为易挥发组分(a)，而将沸点高（挥发度低）的组分称为 难挥发组分(b)。 3.蒸馏过程的应用在化工生产过程中，常常需要将原料、中间产物或粗产物进行分离，以获得符合工艺要求的化工产品或中间产品。化工上常见的分离过程包括蒸馏、吸收、萃取、干燥及结晶等，其中蒸馏是分离液体混合物的典型单元操作，应用最为广泛。例如将原油蒸馏可得到汽油、煤油、柴油及重油等；将混合芳烃蒸馏可得到苯、甲苯及二甲苯等；将液态空气蒸馏可得到纯态的液氧和液氮等。蒸馏可用于液体、气体和固

6、体混合物的分离。4.蒸馏分离的特点 蒸馏是目前应用最广的一类液体混合物分离方法，其具有如下特点： (1) 通过蒸馏分离可以直接获得所需要的产品，而吸收、萃取等分离方法，由于有外加的溶 剂，需进一步使所提取的组分与外加组分再行分离，因而蒸馏操作流程通常较为简单。 (2) 蒸馏分离的适用范围广，它不仅可以分离液体混合物，而且可用于气态或固态混合物的分 离。例如，可将空气加压液化，再用精馏方法获得氧、氮等产品；再如，脂肪酸的混合物，可用加 热使其熔化，并在减压下建立汽液两相系统，用蒸馏方法进行分离。 (3) 蒸馏过程适用于各种浓度混合物的分离，而吸收、萃取等操作，只有当被提取组分浓度较 低时才比较经

7、济。 (4) 蒸馏操作是通过对混合液加热建立汽液两相体系的，所得到的汽相还需要再冷凝液化。因 此，蒸馏操作耗能较大。蒸馏过程中的节能是个值得重视的问题。 5.蒸馏过程的分类 工业上，蒸馏操作可按以下方法分类： （1）按操作流程 可分为间歇蒸馏和连续蒸馏。间歇蒸馏具有操作灵活、适应性强等优点， 主要应用于小规模、多品种或某些有特殊要求的场合；连续蒸馏具有生产能力大、产品质量稳定、 操作方便等优点，主要应用于生产规模大、产品质量要求高等场合。间歇蒸馏为非稳态操作，连续 蒸馏为稳态操作。 （2）按蒸馏方式 可分为简单蒸馏、平衡蒸馏（闪蒸），精馏和特殊精馏等。简单蒸馏和平 衡蒸馏为单级蒸馏过程，常用于

8、混合物中各组分的挥发度相差较大，对分离要求又不高的场合；精 馏为多级蒸馏过程，适用于难分离物系或对分离要求较高的场合；特殊精馏适用于某些普通精馏难 以分离或无法分离的物系。工业生产中以精馏的应用最为广泛。 （3）按操作压强 可分为常压、减压和加压蒸馏。常压下，泡点为室温至 150左右的混合液， 一般采用常压蒸馏；常压下为气态（如空气、石油气）或常压下泡点为室温的混合物，常采用加压 蒸馏；对于常压下泡点较高或热敏性混合物（高温下易发生分解，聚合等变质现象），宜采用减压 蒸馏，以降低操作温度。 （4）按物系中组分的数目 可分为两组分精馏和多组分精馏。工业生产中，绝大多数为多组分 精馏，但两组分精馏

9、的原理及计算原则同样适用于多组分精馏，只是在处理多组分精馏过程时更为 复杂些，因此常以两组分精馏为基础。 6.相组成的表示方法可用摩尔分率、摩尔比来表示气液相中某个组分的组成。气相中组分组成也可用分压表示。本章重点讨论常压下两组分物系连续精馏的原理及计算方法。 1.2 两组分溶液的气液平衡1、掌握的内容双组分理想物系的汽液平衡，拉乌尔定律、泡点方程、露点方程、汽液相平衡图、挥发度与相对挥发度定义及应用、相平衡方程及应用；2、了解的内容非理想物系汽液平衡；3、本节难点t-x-y图及y-x图，相对挥发度的特点。1.2.1 两组分理想物系的气液平衡1.相律 相律是研究相平衡的基本规律。相律表示平衡物

10、系中的自由度数、相数以及独立组分数间的关系，即 f=c+2（1-1）f自由度数； c独立组分数； 相数； 2表示外界只有温度和压强可以影响物系的平衡状态。 2.两组分理想物系的气液平衡函数关系（气液相组成和平衡温度间的关系）所谓理想物系是指液相和汽相应符合以下条件： 液相为理想溶液，遵循拉乌尔定律。拉乌尔定律实验表明，当理想溶液的汽液两相呈平衡时，溶液上方组分的分压与溶液中该组分的摩尔分率成正比，即: 汽相为理想气体，遵循道尔顿分压定律。当总压不太高（一般不高于104kpa）时汽相可视为理想气体。道尔顿分压定律：理想物系的相平衡是相平衡关系中最简单的模型。严格地讲，理想溶液并不存在，但对于化学

11、结构相似、性质极相近的组分组成的物系，如苯甲苯、甲醇乙醇、常压及150以下的各种轻烃的混合物，可近似按理想物系处理。1）用饱和蒸汽压表示气液平衡关系溶液沸腾时，溶液上方的总压等于各组分的蒸汽压之和：根据拉乌尔定律，有：，代入上式并整理得： 泡点方程同时，在外压不太高时，平衡的气相可视为理想气体，遵循道尔顿分压定律，有：，将其代入泡点方程，可得： 露点方程2）以相平衡常数表示的气液平衡方程设平衡的气相遵循道尔顿分压定律，即：，根据拉乌尔定律又有：，则有：，令：，则平衡时气液相组成的关系可表示为： 以平衡常数表示的气液平衡方程3）以相对挥发度表示的气液平衡方程(1) 挥发度 组分的挥发度是该物质挥

12、发难易程度的标志， 表示。 对理想物系： （2） 相对挥发度 挥发度表示某组分挥发能力的大小，随温度而变，在使用上不太方便，故引出相对挥发度的概念。习惯上将易挥发组分的挥发度与难挥发组分的挥发度之比称为相对挥发度。对理想溶液，有：对于理想物系，气相遵循道尔顿分压定律，上式可写为： 经整理，可得： 以相对挥发度表示的气液平衡方程。讨论： 根据相对挥发度值的大小可判断某混合液是否能用一般蒸馏方法分离及分离的难易程度。若>1，可进行蒸馏操作，值愈大，分离愈容易。 若=1，不能用普通蒸馏方法分离。3. 两组分理想溶液的气液平衡相图1）温度-组成图（t-x-y图）图1-1 苯-甲苯体系的t-x图（

13、1） 液相全部汽化或汽相全部冷凝不能使二元物系的组成发生变化，即不能起分离作用。（2） 液相部分汽化或汽相部分冷凝能起一定的分离作用。（3） 露点线与泡点线间距越大，体系越易分离。2） 气液相组成图（x-y图）在一定外压下，气相组成y和与之平衡的液相组成x之间的关系，称气液相平衡图。y-x图可通过t-x-y图作出。图1-2 苯-甲苯体系的相平衡曲线平衡线与对角线距离越大，分离越容易。3）压力对x-y图的影响图中，压力增加，平衡线靠近对角线，分离难度大。4. 气液平衡方程的应用1） 计算泡点温度已知p、x，求t、y 。2）计算露点温度已知p、 y 求t、x3）计算气液平衡组成已知p、 t, 求

14、x y关系1.2.2 两组分非理想物系的气液平衡在工业生产中，理想溶液很少，原因在于同种分子间的作用力与异种分子间的作用力不同，因偏差有正有负，故将溶液分为对拉乌尔定律具有正偏差的溶液和具有负偏差的溶液。1.具有正偏差的溶液图13 乙醇水溶液的相图当在相同温度下溶液上方各组分的蒸汽分压均大于采用拉乌尔定律的计算值，这种混合液对拉乌尔定律具有正偏差。以图6-3乙醇-水溶液的汽液相平衡图为例。在总压1atm,乙醇的摩尔分数xp=0.894时，所对应的温度为78.15，称为最低恒沸点，而水的沸点为100，乙醇沸点78.3，说明具有该点组成的混合物为恒沸物。2.具有负偏差的溶液当各组分的蒸汽分压小于拉

15、乌尔定律的计算时，这种混合液对拉乌尔定律具有负偏差。如图6-4硝酸-水溶液，在总压1atm下，恒沸组成xm=0.383，最高恒沸点tm=121.9，比水的沸点(100)与纯硝酸的沸点(86)都高。图14 硝酸水溶液的相图本节注意点：1恒压条件下，双组分平衡物系中仅有一个自由度，即在温度t与组成x(y)这两个参数中，只要决定一个参数，另一个即被定。换言之，恒压下的双组分平衡物系中存在着两个对应关系： 2在一定外压下，纯组分的饱和蒸汽压与外压相等时，液体开始沸腾，其对应的温度称为沸点，可见，外压一定时，纯组分的沸点为一定值。在一定外压下，液体混合物的沸腾温度称为泡点，泡点与混合物的组成有关。在(t

16、-x-y)图上可见，表示不同组成液体混合物的泡点温度（从x=0到x=1.0）为泡点曲线。在该曲线上，对应x=0(即xa=0，xb=1.0)的温度为b组分的沸点；对应x=1.0(即xa=1.0，xb=0) 的温度曲线为a组分的沸点。3 相对挥发度，对理想溶液，对非理想溶液a可由实验测定。用相对挥发度表示的相平衡方程。可用于计算理想溶液的汽、液平衡组成。当在操作温度范围内（即操作温度的上、下限之间）物系的相对挥发度变化不大时，可取其平均值（即视为常数）进行计算。1.3 平衡蒸馏和简单蒸馏本节要求：熟悉平衡蒸馏和简单蒸馏的特点；1.3.1 平衡蒸馏平衡蒸馏又称闪蒸，是一个连续稳定过程，在恒定温度与压

17、力下，蒸汽与釜液处于平衡状态，即平衡蒸馏在闪蒸器内通过一次部分汽化使混合液得到一定程度的分离，属于定常连续操作，适合于大批量生产且物料只需粗分离的场合。1. 装置流程和特点d，yw，xf, xf加热器减压阀分离器特点： 连续、稳定； 粗分离； x与y是一对平衡组成。2.平衡蒸馏的计算1） 物料衡算 根据总物料衡算和易挥发组分的物料衡算，可得：其中：q=w/f，为液化率。该方程为一直线，斜率为：，过点：。结合相平衡方程可得到平衡蒸馏的气液组成。xy（xf，xf） 斜率：2） 热量衡算d,yw,xf, tff，tte对加热器进行热量衡算有：对分离器进行热量衡算有：联立求解可得：1.3.2 简单蒸馏

18、 简单蒸馏是一个非定常稳定过程，特点是：塔顶塔底组成不是一对平衡组成。适合于混合物的粗分离，特别适合于沸点相差较大而分离要求不高的场合，例如原油或煤油的初馏。1. 装置流程和特点 简单蒸馏又称微分蒸馏。 特点：间歇、不稳定 分离程度不高2. 简单蒸馏的计算1） 物料衡算对某一瞬时进行总物料衡算和易挥发组分物料衡算，并取边界条件积分可得：结合气液平衡关系：联立求解，得到：2） 一批物料的物料衡算对一批物料，通过总物料衡算和易挥发组分物料衡算，可得这批物料的馏出液平均组成：例题：平衡蒸馏与简单蒸馏的比较1.4 精馏原理和流程1、掌握的内容：精馏分离的过程原理及分析；2、本节难点：精馏原理及其与工业

19、实际设备的结合。回流的概念和塔板的作用。1.4.1 精馏过程原理和条件1.多次部分汽化和冷凝为了实现混合物的完全分离，必须进行多次部分汽化和多次部分冷凝。txfy0y1y2y3x1x2x3x0结论：ab可以看出：气相混合物经多次部分冷凝后，在气相中可获得高纯度的易挥发组分；液相混合物经多次部分汽化后，在液相中可获得高纯度的难挥发组分。 该原理可以采用下的流程来实现：但若采用如图1-7所示的流程用于工业生产，则会带来许多实际困难，如流程过于庞大，设备费用极高；部分汽化需要加热剂，部分冷凝需要冷却剂，能量消耗大；纯产品的收率很低。为此，需采用有回流的多次部分汽化和多次部分冷凝的联合操作 。2.有回

20、流的多次部分汽化和多次部分冷凝的联合操作 为了克服上述缺点，下图所示带回流的流程，在实际工业装置中，精馏流程是通过板式或填料精馏塔来实现的。3.板式塔内进行的精馏过程工业生产中常常采用下图所示的流程进行操作。连续精馏装置主要包括精馏塔，蒸馏釜（或称再沸器）等。精馏塔常采用板式塔，也可采用填料塔。加料板以上的塔段，称为精馏段；加料板以下的塔段（包括加料板），称为提馏段。连续精馏装置在操作过程中连续加料，塔顶塔底连续出料，故是一稳定操作过程。4.回流的作用 回流的主要作用就是提供不平衡的汽液两相，而构成汽液两相接触传质的必要条件。注意：工业用精馏塔内由于塔顶的液相回流和塔底的汽相回流，为每块塔板提

21、供了汽、液来源。5.塔板的作用塔板的作用是提供气液分离的场所；每一块塔板是一个混合分离器，并且足够多的板数可使各组分较完全分离。因此每一块塔板是一个混合分离器，经过若干块塔板上的传质后（塔板数足够多），即可达到对溶液中各组分进行较完全分离的目的。1.4.2 精馏操作流程（略）本节注意点：1 工业上用板式塔或填料塔分离液体均相混合物。2 精馏过程的基础是传质，而液相回流和汽相回流（釜内产生蒸汽）为气液两相间的传质提供了必要的条件。由于两组分挥发度的差异（即a>1），使之气液两相接触时轻组份较多地转入汽相，重组分较多地转入液相，这是由相平衡关系所决定，也正是因为物系的a>1，所以只需将

22、部分产品作为液相回流即可。可见，回流是一种工程上利用各组份挥发度不同而使液体混合物进行高纯度分离的一种手段。3 塔板的作用是提供气液分离的场所；每一块塔板是一个混合分离器，并且足够多的板数可使各组分较完全分离。1.5 两组分连续精馏的计算1、掌握的内容：（1）理论板与恒摩尔假设；（2）精馏塔物料衡算、操作线方程及q线方程，图示及应用；（3）理论塔板数的计算。2、熟悉的内容：非常规二元连续精馏塔计算(直接蒸汽加热、多股进料、侧线采出、塔釜进料、塔顶采用分凝器，提馏塔等)。3、本节难点：（1）两操作线方程及q线方程，图示及应用，它们之间的相互联系；（2）理论塔板数的计算逐板计算法和图解法；（3）非

23、常规精馏的计算。本节将着重讨论双组分连续精馏塔的工艺计算。当生产任务要求将一定数量和组成的原料分离成指定组成的产品时，精馏塔的计算包括以下内容：物料衡算，为完成一定的分离要求所需的塔板数或填料层高度，本节将以板式精馏塔为例加以讨论。1.5.1 计算的基本假定1. 理论板的概念理论板是指离开塔板的蒸汽和液体呈平衡的塔板。理论板是人为的理想化的塔板。它可以作为衡量实际塔板分离效果的一个标准。2. 恒摩尔流假设恒摩尔流假设：（1） 两组分的摩尔汽化潜热相等；（2） 汽液两相接触因两相温度不同而交换的显热可忽略不计；（3） 设备热损失可不及。1）恒摩尔汽化在精馏段内，精馏段内每层塔板上升的蒸汽摩尔流量

24、都相等，即：v1=v2=v=常数 同理，提馏段内每层塔板上升的蒸汽摩尔流量亦相等，即：v1=v2=v=常数 式中：v精馏段上升蒸汽的摩尔流量，kmol/h； v提馏段上升蒸汽的摩尔流量，kmol/h。2）恒摩尔溢流 精馏段内，精馏段内每层塔板下降的液体摩尔流量都相等，即：l1=l2=l=常数 同理，提馏段内每层塔板下降的液体摩尔流量亦相等，即：l1=l2=l=常数 式中：l精馏段下降液体的摩尔流量，kmol/h; l提馏段下降液体的摩尔流量，kmol/h。恒摩尔汽化与恒摩尔溢流总称为恒摩尔流假设。1.5.2 物料衡算和操作线方程1.全塔物料衡算对精馏塔全塔进行物料衡算。总物料衡算： f=d+w

25、 易挥发组分的物料衡算： 式中； f原料液量，kmol/h； d塔顶产品（馏出液）量，kmol/h； w塔底产品（釜液）量，kmol/h； xf原料液组成，摩尔分率；xd塔顶产品组成，摩尔分率；xw塔底产品组成，摩尔分率。在精馏计算中，对分离过程除要求用塔顶和塔底的产品组成表示外，有时还用回收率表示。塔顶易挥发组分的回收率： 塔釜难挥发组分的回收率： 亦可求出馏出液的采出率d/f和釜液采出率w/f，即： 图115 精馏段物料衡算2.精馏段操作线方程在图69虚线所划定的范围内作物料衡算。总物料衡算： v=l+d 易挥发组分的物料衡算：vyn+1=lxn+dxd 联立求解，可得： 精馏段操作线方程

26、 令r=l/d，r称为回流比，于是上式可写作： 精馏段操作线方程 精馏段操作线方程。该方程表示在一定操作条件下，从任意板下降的液体组成xn和与其相邻的下一层板上升的蒸汽组成yn+1之间的关系。该直线过对角线上a(xd，xd)点，以r/(r+1)为斜率，或在y轴上的截距为。在馏出液恒定时，回流液量由回流比决定。图110 操作线做法 3.提馏段操作线方程对提馏段进行物料衡算，可得： 提馏段操作线方程该方程为一直线，其斜率：，截距：，过对角线上点：（xw， xw ）。本节学习要点：1、即产品的量d及其浓度x应由物料衡算式决定。若塔顶产品的量d及组成x已定，则釜底残液的量w及组成x已被确定，其间关系由

27、下式决定：2、回收率的定义是。最大回收率为dxd/fxf1，而实际回收率为dxd/fxf<1，或。若生产中规定df过大，则不能得到高纯度的产品，因为。3、操作线方程是物料衡算的数学表达式。推导操作线方程的条件是：在划定的范围内没有进料和出料、满足恒摩尔流的假设条件。若回流比及进料状态均一定，则精馏段操作线方程和提馏段操作线方程皆为直线方程。4、掌握两操作线的特点及图解1.5.3 进料热状况的影响1.精馏塔的进料热状况 在实际生产中，引入塔内的原料有五种不同的状况：冷进料；泡点进料；气液混合进料；饱和蒸汽进料；过热蒸汽进料。2.进料热状况参数对进料板作物料衡算和热量衡算，可得： 即：q称为

28、进料热状况参数。进料热状况不同，q值亦不同。可得： 五种进料热状况下的q值，气液流量间的流量间的关系如书上所示。 本节学习要点:1、依恒摩尔流的假设可得：精馏段上升蒸汽量v、下降液流量l恒为常量；提馏段上升蒸汽量v、下降液流量l亦为常量。但v、v及l、l不一定相等，其间关系由进料状态（q）决定，即。2、q线方程是两操作线交点的轨迹方程，进料热状况的不同只影响提馏段不影响精馏段。1.5.4 理论板层数的求法双组分连续精馏塔所需理论板数，可采用逐板计算法和图解法。1.逐板计算法假设塔顶冷凝器为全凝器，泡点回流，塔釜为间接蒸汽加热，进料为泡点进料如图612所示。因塔顶采用全凝器，即y1=xd 而离开

29、第1块塔板的x1与y1满足平衡关系，因此x1可由汽液相平衡方程求得。即 第2块塔板上升的蒸汽组成y2与第1块塔板下降的液体组成x1满足精馏段操作线方程，即 同理，交替使用相平衡方程和精馏段操作线方程，直至计算到xn<xq(即精馏段与提馏段操作线的交点)后，再改用相平衡方程和提馏段操作线方程计算提馏段塔板组成，至xw<xw为止。现将逐板计算过程归纳如下：相平衡方程： x1 x2 x3 xn<xq-xw<xw操作线方程： xd=y1 y2 y3在此过程中使用了几次相平衡方程即可得到几块理论塔板数（包括塔釜再沸器）。2.梯级图解法1） q线方程q线方程为精馏段操作线与提馏段操

30、作线交点(q点)轨迹的方程，因此可以由精馏段操作线方程式621与提馏段操作线方程式623联立求解得出q线方程。即： q线方程 图1-13 理论板数图解法示意图在进料热状态一定时，q即为定值，则式633为一直线方程。则q线在yx图上是过对角线上e (xf，xf)点，以为斜率的直线。不同进料热状态，q值不同，其对q线的影响也不同。2） 梯级图解法过程应用逐板计算法求精馏塔所需理论板数的过程，可以在y-x图上用图解法进行。具体求解步骤如下：相平衡曲线 在直角坐标系中绘出待分离的双组分物系y-x图，如图122。精馏段操作线 提馏段操作线 画直角梯级 从a点开始，在精馏段操作线与平衡线之间作水平线及垂直

31、线，当梯级跨过q点时，则改在提馏段操作线与平衡线之间作直角梯级，直至梯级的水平线达到或跨过b点为止。其中过q点的梯级为加料板，最后一个梯级为再沸器。最后应注意的是，当某梯级跨越两操作线交点q时（此梯级为进料板），应及时更换操作线，因为对一定的分离任务，此时所需的理论板数最少，这时的加料板为最佳加料板。加料过早或过晚，都会使某些梯级的增浓程度减少而使理论板数增加。 1.5.5回流比的影响及其选择1、掌握的内容：全回流时的最小理论塔板数、最小回流比及其计算、回流比的选择及其对精馏操作及设计的影响。 2、熟悉的内容：理论板数捷算法(fenske方程和gilliand关联图)3、本节难点：最小回流比及

32、其计算在精馏过程中，回流比的大小直接影响精馏的操作费用和设备费用。回流比有两个极限，一个是全回流时的回流比，一个是最小回流比。生产中采用的回流比界于二者之间。1.全回流和最小理论塔板数1）全回流的特点全回流即塔顶上升蒸气经冷凝器冷凝后全部冷凝液均引回塔顶作为回流。全回流时塔顶产品量d=0，塔底产品量w=0，为了维持物料平衡，不需加料，即f=0（图630）。全塔无精馏段与提馏段之分，故两条操作线应合二为一。 全回流比时回流比为： 全回流时的操作线方程式为 ： 由图中可见，全回流时操作线距平衡曲线最远，说明理论板上的分离程度最大，对完成同样的分离任务，所需理论板数可最少，故是回流比的上限。2）全回

33、流时理论板数的确定全回流时的理论板数除用上述的(yx)图解法和逐板计算法(与前同)外，还可用芬斯克方程进行计算，即： 芬斯克公式该公式用于计算全回流下采用全凝器时得最少理论板数。式中：nmin全回流时所需的最少理论板数（不包括再沸器）；-全塔平均相对挥发度。由上述分析可知，因全回流时无产品，故其生产能力为零，可见它对精馏塔的正常操作无实际意义，但全回流对精馏塔的开工阶段，或调试及实验研究具有实际意义。2.最小回流比在精馏塔计算时，对一定的分离要求(指定xd，xw)而言，当回流比减到某一数值时，两操作线交点d点恰好落在平衡线上，相应的回流比称为最小回流比，以rmin表示。在最小回流比条件下操作时

34、，在d点上下塔板无增浓作用，所以此区称为恒浓区（或称挟紧区），d点称为挟紧点。因此最小回流比是回流比的下限。最小回流比可用作图法或解析法求得。（1） 作图法理想物系回流比的确定如下图所示。图1-24最小回流比求ae线的斜率为： 整理上式得： 最小回流比 式中xq，yq为q线与平衡线交点的坐标，可用图解法由图中读得，或由q线方程与平衡线方程联立确定。对非理想体系的最小回流比：d点坐标（xq，yq）可由图中读出，仍可采用上式计算出rmin。图1-25不正常平衡曲线最小回流比的确定（2）解析法当进料热状态为泡点液体进料时，xq=xf： 若为饱和蒸汽进料，yq=xf： 3.适宜回流比的选择精馏操作存在

35、一适宜回流比。在适宜回流比下进行操作，设备费及操作费之和为最小。在精馏设备的设计计算中，通常操作回流比为最小回流比的1.12 倍。即： 。1.5.6 简捷法求理论板层数1.吉利兰（gilliland）图图1-28 吉利兰图图中：n,nmin为不包括再沸器的理论板层数和最少理论板层数吉利兰关联图是用八种物系在下面的精馏条件下，由逐板计算得出的结果绘制而成。这些条件是：组分数目为211；进料热状况包括冷料至过热蒸气等五种情况；rmin为0.537.0；组分间相对挥发度为1.264.05；理论板层数为2.443.1。吉利兰关联图可用于两组分和多组分精馏的计算，但其条件应尽量与上述条件相似。2.求理论

36、板层数的步骤（略）简捷算法虽然误差较大，但因简便，所以特别适用于初步设计计算，可快速地算出理论塔板数或粗略地寻求塔板数与回流比之间的关系，供方案比较之用。本节要点：1、全回流时精馏段操作线与提馏段操作线均与对角线重合，这时y=x；所需理论板数最少。 2、最小回流比是针对一定的分离任务而定，分离任务有变化，最小回流比也会变化。若回流比小于最小回流比，不能达到要求的分离任务，但它能正常操作。3、对一般物洗取使用回流比r=（1.12）r，而对难分离物系，使用回流比可超出上述范围。1.5.7 几种特殊情况下理论板层数的求法1.直接蒸汽加热： 操作前提： 1、物料中有水 水是重组分，从塔釜出去 提馏段物

37、料恒算的操作线方程：2.多侧线的精馏塔1）多股加料 以两股进料为例： f1,xf1 ; f2,xf2分别与相应塔板组成与xf1，xf2相当; 主要掌握中间段的操作线方程。例：有两股原料，一股为f1=10kmol/h， xf1=0.6， q1=1的混合液体，另一股为f2=5kmol/h， xf2=0.4， q2=0的饱和液体，现拟采用精馏操作进行分离，要求馏出液轻组分含量为0.9，釜液含轻组分0.05。塔顶为全凝器，泡点回流，塔釜间接加热。若两股原料分别在其泡点下进入相应浓度的塔板上。求：1)塔顶塔底的产品量d和w 2) r=1时求各段操作线方程 解：（1）对全塔作物料恒算：两式联立则得：d=7

38、.35kmol/h， w=7.65kmol/h（2）精馏塔被分成三段。如图所示，第一段为浓进料口以上部分，它与一般精馏段相同，操作线为：第二段：l=rd=1´7。35=7。35kmol/h v=(r+1)d=2´7。35=14。7kmol/hq1=1 l=l+q1f1=7。35+10=17。35kmol/h v=v-(1-q1)f1=14。7kmol/h第三段稀进料口一下的塔段操作线方程于一般提馏段相同：q2=0 l=l+q2f2=l+q1f1+q2f2=17。35kmol/hv=v-(1-q2)f2=v-(1-q1)f1-(1-q2)f2=14。7-5=9。7kmol/h

39、2）侧线出料中间段的操作线方程：本节学习要点：1了解多股进料、直接蒸汽加热和体馏塔的特点。2、掌握多股进料中间段的操作线方程的计算。3、掌握直接蒸汽加热和提馏塔操作线的特点1.5.8 塔高和塔径的计算1. 塔高的计算1） 板式塔有效高度的计算2） 塔板效率（1） 总板效率：影响总板效率的因素：物系性质：包括粘度、密度、表面张力、扩散系数及相对挥发度等；塔板结构：包括塔板类型、塔径、板间距、堰高及开孔率等；操作条件：包括温度、压强、气体上升速度及气液流量比等。（2） 单板效率emv、eml 气相单板效率： 液相单板效率： （3） 点效率eo气相点效率： 液相点效率： 3） 填料塔填料层高度的计算

40、影响hetp的因素：流动状况，物性参数、结构参数和操作参数等。2.塔径的计算1） 基本计算公式： 精馏塔直径计算公式2） 蒸汽流量计算公式：（1） 精馏段蒸汽体积流量：（2） 提馏段蒸汽体积流量：1.5.9 连续精馏装置的热量衡算和节能1、熟悉的内容：精馏装置的热量衡算；计算加热剂和冷却剂的用量.2、了解的能容：热能的综合利用对精馏装置进行热量衡算,通过求再沸器和冷凝器的热量衡算,可以计算加热剂和冷却剂的用量.1. 冷凝器的热负荷对书中图1-14所示的冷凝器（冷凝器为全凝器）作热量衡算，以单位时间（1小时）为基准，以0°c为热量计算基准，忽略热损失。热量衡算式： kj/h2. 再沸器

41、的热负荷对再沸器做热量衡算，的再沸器的热负荷： kj/h加热介质消耗量：3.精馏过程的节能在精馏操作中热能的消耗是相当大的，因此精馏生产中怎样提高其能量的有效利用率、降低能耗，是进行精馏装置设计时必须考虑的问题。精馏操作的节能途径可以根据具体情况采用以下几种措施。1） 减小操作回流比2） 降低塔釜操作温度3） 热泵精馏：（简单介绍热泵）热泵的循环介质在冷凝器中吸收塔顶蒸汽的热量而蒸发为蒸汽，该蒸汽经过压缩后提高温度进入再沸器中冷凝放热，冷凝后的液体经节流阀减压再进入冷凝器中蒸发吸热，如此循环。4） 多效精馏将几个精馏塔串联，操作压力依次降低，前一精馏塔的塔顶蒸气作为后一精馏塔的再沸器的加热介质，故除两端精馏塔外，中间的精馏塔不需从外界引入加热和冷却介质。5）原料预热除上述几种节能措施外, 还可在精馏装置上设置