液体精馏过程

液体精馏过程第一页，共六十七页，2022年，8月28日2/25/20231ProcessSystemPrinciple教学内容精馏过程原理蒸馏过程概述精馏过程计算第二页，共六十七页，2022年，8月28日2/25/20232ProcessSystemPrinciple

蒸馏过程概述蒸馏过程基本概念蒸馏及精馏是液体混合物的分离的一种单元操作。（1）蒸馏原理：式中：yA、yB——气相中A、B两组分的摩尔分数；xA、xB——液相中A、B两组分的摩尔分数。液体具有挥发而成为蒸汽的能力，称液体的挥发度（挥发能力）。蒸馏及精馏是根据各种液体挥发能力不同而进行液体混合物的分离的一种单元操作。液体混合物部分气化所生成的气相组成与液相组成是有差别，即：第三页，共六十七页，2022年，8月28日2/25/20233ProcessSystemPrinciple图6-1平衡蒸馏1---加热炉；2---节流阀；3---分离器；4---冷凝器

蒸馏过程概述蒸馏过程基本概念（2）工业蒸馏过程：第四页，共六十七页，2022年，8月28日2/25/20234ProcessSystemPrinciple

蒸馏过程概述蒸馏过程基本概念图6-2简单蒸馏1---蒸馏釜；2--冷凝器；3，4，5---产品受液槽第五页，共六十七页，2022年，8月28日2/25/20235ProcessSystemPrinciple

蒸馏过程概述混合液的气液相平衡一般而言，蒸馏过程是在恒压下进行。在气液相物系中存在以下两个关系：■液相（或气相）组成与温度间的一一对应关系；■气、液相组成之间的一一对应关系；理想物系：■液相为理想溶液，服从拉乌尔（Raoult）定律；■气相为理想气体，服从道尔顿分压定律。第六页，共六十七页，2022年，8月28日2/25/20236ProcessSystemPrinciple蒸馏过程概述混合液的气液相平衡式中：PA、PB---液相上方A、B两组分的蒸汽压；xA、xB---液相中A、B两组分的摩尔分数；---在溶液温度t下纯组分A、B的饱和蒸汽压；根据拉乌尔（Raoult）定律：（1）双组分的液相组成---温度(泡点)关系式：液相上方的平衡蒸汽压为：第七页，共六十七页，2022年，8月28日2/25/20237ProcessSystemPrinciple

蒸馏过程概述混合液的气液相平衡道尔顿分压定理：（2）双组分的气液两相组成间的关系：混合液的沸腾条件是各组分的蒸汽压之和等于外压，即：P0与温度的关系符合安托因（Antoine)方程：A、B、C的值可查阅相关手册。第八页，共六十七页，2022年，8月28日2/25/20238ProcessSystemPrinciple蒸馏过程概述混合液的气液相平衡拉乌尔定律：则：式中：也可以写成则：（3）双组分的气相组成---温度(露点)关系式：第九页，共六十七页，2022年，8月28日2/25/20239ProcessSystemPrinciple

蒸馏过程概述混合液的气液相平衡（4）t—x(y)和y--x关系图：图6-3双组分溶液的温度－组成图图6-4相平衡曲线第十页，共六十七页，2022年，8月28日2/25/202310ProcessSystemPrinciple蒸馏过程概述混合液的气液相平衡（5）y-x的近似表达式与相对挥发度α：设溶液中组分A、B的挥发度定义为：则两个组分之间的相对挥发度定义为：所以，相平衡方程写为：对于理想溶液：第十一页，共六十七页，2022年，8月28日2/25/202311ProcessSystemPrinciple图6-5平衡蒸馏的物料衡算与热量衡算蒸馏过程概述平衡蒸馏（1）过程的数学描述：第十二页，共六十七页，2022年，8月28日2/25/202312ProcessSystemPrinciple

蒸馏过程概述平衡蒸馏物料衡算：对于连续定态过程做物料衡算可得：总物料衡算：易挥发组分的物料衡算：两式联立可得：式中：F、xF---加料流率，kmol/s及料液组成摩尔分数；D、y---气相产物流率，kmol/s及组成摩尔分数；W、x---液相产物流率，kmol/s及组成摩尔分数。第十三页，共六十七页，2022年，8月28日2/25/202313ProcessSystemPrinciple蒸馏过程概述平衡蒸馏设液相产物占总加料量F的分率为q，气化率为D/F＝(1-q)，代人上式整理可得：该方程称为q线方程。

热量衡算：加热炉的热流量Q为：节流减压，释放显热---自身部分汽化，所以：所以料液加热温度为：第十四页，共六十七页，2022年，8月28日2/25/202314ProcessSystemPrinciple

蒸馏过程概述平衡蒸馏式中tF、T---分别为料液温度与加热后的液体温度，K；te---闪蒸后气、液两相的平衡温度，K；Cm,p---混合液的平均摩尔热容，kJ/(kmol·K)；r---平均摩尔气化热，kJ/kmol。例题：将含苯摩尔分数为0.7、甲苯摩尔分数为0.3的溶液加热气化，气化率为1/3。已知物系的相对挥发度为2.47，试计算平衡蒸馏时的气相与液相组成。解：第十五页，共六十七页，2022年，8月28日2/25/202315ProcessSystemPrinciple

蒸馏过程概述平衡蒸馏物料衡算式：相平衡方程：两式联立求得：第十六页，共六十七页，2022年，8月28日2/25/202316ProcessSystemPrinciple精馏过程原理精馏原理图6-6连续精馏过程（1）精馏塔的组成一个完整的精馏塔的分为精馏段和提馏段。精馏段完成上升蒸汽的精制，提馏段完成下降液体的增浓。主要特点：■塔顶液相回流；■塔底气相回流；第十七页，共六十七页，2022年，8月28日2/25/202317ProcessSystemPrinciple精馏过程原理精馏原理（2）全塔的物料衡算假设系统为定态过程。■总的物料衡算由上述两式可得：图6-7全塔物料衡算■轻组分的物料衡算：第十八页，共六十七页，2022年，8月28日2/25/202318ProcessSystemPrinciple精馏过程原理精馏原理①当塔顶、塔底产品组成xD、xW即产品质量巳规定，产品的采出率D/F和W/F亦随之确定而不能再自由选择；②当规定塔顶产品的产率和质量xD，则塔底产品的质量xW及产率亦随之确定而不能自由选择（也可以规定塔底产品的产率和质量）。在规定分离要求时，应使DxD≤FxF或D/F≤xF/xD。如果塔顶产出率D/F取得过大，即使精馏塔有足够的分离能力，塔顶仍不可能获得高纯度的产品，因其组成必须满足：讨论：第十九页，共六十七页，2022年，8月28日2/25/202319ProcessSystemPrinciple精馏过程原理精馏原理（3）回流比：R↑，轻组分纯度↑，利于精馏；R↑，能耗↑，蒸汽加热量↑，冷凝量↑。第二十页，共六十七页，2022年，8月28日2/25/202320ProcessSystemPrinciple精馏过程原理精馏过程的数学描述（1）逆流多级传质操作：图6-8板式精馏塔精馏塔由若干块塔板组成，每块塔板为一个气液接触单元。精馏过程的数学描述方法：■物料衡算；■热量衡算；■过程特方程征。第二十一页，共六十七页，2022年，8月28日2/25/202321ProcessSystemPrinciple精馏过程原理精馏过程的数学描述（2）塔板上过程的数学描述：图6-9塔板的热量衡算和物料衡算第二十二页，共六十七页，2022年，8月28日2/25/202322ProcessSystemPrinciple精馏过程原理精馏过程的数学描述

物料衡算：

热量衡算：饱和蒸汽的焓I为泡点液体的焓i与气化潜热r之和，所以：对第n块塔板作热量衡算（不计热量损失）：对第n块塔板作物料衡算可得：总物料衡算式：轻组分衡算式：第二十三页，共六十七页，2022年，8月28日2/25/202323ProcessSystemPrinciple精馏过程原理精馏过程的数学描述忽略组成与温度所引起的饱和液体焓i及气化潜热r的差别，则假设：将物料衡算式代入上式，得：则：

结论：在精馏塔内没有加科和出料的任一块塔板中，各板上升的蒸汽量均相等，各板下降的液体量也均相等。第二十四页，共六十七页，2022年，8月28日2/25/202324ProcessSystemPrinciple精馏过程原理精馏过程的数学描述适用：被分离组分沸点相差较小，气化潜热相近。（3）理论板和板效率①不同液体的摩尔气化潜热相近，V和L取摩尔流量，上述简化称为恒摩尔流假定；②不同液体的质量气化潜热相近，V和L取质量流量，上述简化称为恒质量流假定。理论板：气、液两相充分混合而且传质与传热过程的阻力皆为零的理想化塔板。即两相温度相同，组成互成平衡。第二十五页，共六十七页，2022年，8月28日2/25/202325ProcessSystemPrinciple精馏过程原理精馏过程的数学描述则特征方程为：板效率：实际塔板不同于一个理论板。泡点方程相平衡方程板效率的定义如下：式中：－－与离开第n板液相xn成平衡的气相组成；－－气相的默弗里板效率。第二十六页，共六十七页，2022年，8月28日2/25/202326ProcessSystemPrinciple精馏过程原理精馏过程的数学描述引入理论板和恒摩尔流假定后：相平衡方程：

适用范围：适用于精馏段、提馏段每一块塔板；不适用于有物料加入或引出的塔板。物料衡算式：（4）加料板的过程分析图6-10加料板的物料和热量衡算进料状态：液相进料，气相进料、气液相混合进料。第二十七页，共六十七页，2022年，8月28日2/25/202327ProcessSystemPrinciple精馏过程原理精馏过程的数学描述

理论进料板：两相温度相同，组成互成平衡。精馏段与提馏段两相流量的关系：联立求解，得：物料衡算和热量衡算：物料衡算式相平衡方程设第m块板为加料板：第二十八页，共六十七页，2022年，8月28日2/25/202328ProcessSystemPrinciple精馏过程原理精馏过程的数学描述若定义：则可得：q---加料热状态参数，其数值大小等于每加入1kmol的原料使提馏段液体所增加的摩尔数。q＝0：为饱和蒸汽加料；0<q<1：为气液混合物加料；q＝1：为泡点加料；第二十九页，共六十七页，2022年，8月28日2/25/202329ProcessSystemPrinciple精馏过程原理精馏过程的数学描述q>1：为冷料加料。此时进料液体的温度低于泡点，入塔后由提馏段上升蒸汽部分冷凝所放出的冷凝热将其加热至泡点，因此q值大于1；q<0：为过热蒸汽加料。入塔后将放出显热成为饱和蒸汽，使加料板上的液体部分气化，因此q值小于0；（5）精馏塔内的摩尔流率：设精馏塔顶的冷凝器为全凝器，凝液在泡点温度下部分地回流入塔(泡点回流)。精馏段：提馏段：第三十页，共六十七页，2022年，8月28日2/25/202330ProcessSystemPrinciple精馏过程原理精馏过程的数学描述塔顶冷凝器的热负荷：塔釜的热负荷：式中：rc---组成为xD的混合液的平均气化热；rb---组成为xW的混合液的平均气化热。第三十一页，共六十七页，2022年，8月28日2/25/202331ProcessSystemPrinciple精馏过程原理精馏过程的两种解法（1）方程联立求解：设某精馏塔共有N块理论板，其中第m块板为加料板，最未一块是蒸馏釜，可视为一块理论板。对N块理论板可写出N个物料衡算式。设回流液体组成为x0，则N个物料衡算式可依次列出如下：第1块板第2块板┆加料板（第m板)第三十二页，共六十七页，2022年，8月28日2/25/202332ProcessSystemPrinciple精馏过程原理精馏过程的两种解法图6-11塔釜的物料衡算最后一块板（第N板）：且：已知条件：全凝器：上述方程联立，可求得共2N个未知数。解法实用范围：N板数已知。提馏段任一块板（第n板）：第三十三页，共六十七页，2022年，8月28日2/25/202333ProcessSystemPrinciple精馏过程原理精馏过程的两种解法（2）逐板计算法：该法适用与板数N未知的情况。冷凝器：由：求出：x1第一块板：精馏段任意一块塔板（加料板以上）：提馏段任意一块塔板（加料板以下）：交替使用上述方程，计算到为止，停止计算。XN的下标N便是所需要的理论板数量。第三十四页，共六十七页，2022年，8月28日2/25/202334ProcessSystemPrinciple精馏过程原理精馏塔的操作方程（1）精馏段操作方程：图6-12精馏段的物料衡算变换：又：所以：第三十五页，共六十七页，2022年，8月28日2/25/202335ProcessSystemPrinciple精馏过程原理精馏塔的操作方程（2）提馏段操作方程：变换：又：所以：图6-13提馏段的物料衡算第三十六页，共六十七页，2022年，8月28日2/25/202336ProcessSystemPrinciple精馏过程原理精馏塔的操作方程因为：所以：（3）操作方程的图示：图6-14精馏段和提馏段操作线精馏段端点坐标（a点）：第三十七页，共六十七页，2022年，8月28日2/25/202337ProcessSystemPrinciple精馏过程原理精馏塔的操作方程提馏段端点坐标（c点）：斜率：或截距：斜率：两操作线方程的交点坐标：第三十八页，共六十七页，2022年，8月28日2/25/202338ProcessSystemPrinciple精馏计算设计型计算1.理论板数的计算（1）设计命题选择条件：操作压强P，回流比R，进料状态q。（2）逐板计算法根据规定的分离要求，选择精馏的操作条件，计算所需的理论板数。关于分离要求：轻组分的回收率η：计算公式：操作线方程，相平衡方程。图6-15为一连续精馏塔，塔顶设全凝器，泡点回流。第三十九页，共六十七页，2022年，8月28日2/25/202339ProcessSystemPrinciple精馏计算设计型计算图6-15逐板计算的图示第四十页，共六十七页，2022年，8月28日2/25/202340ProcessSystemPrinciple精馏计算设计型计算从塔顶开始计算：step1：第一块板，；

注意：在精馏段使用精馏段操作线方程；在提馏段使用提馏段操作线方程；交替点在两个操作线方程的交点处。step3：根据操作线方程，求出y2。step4：交替使用相平衡方程和操作线方程，直到达到规定的xW为止，从而得到所需的理论板数。step2：根据相平衡，求出x1。第四十一页，共六十七页，2022年，8月28日2/25/202341ProcessSystemPrinciple精馏计算设计型计算（3）最优加料位置的确定：图6-16加料位置选择不当（a）第8块板进料（12块理论板）；（b）第4块板进料（12块理论板）

；图6－15第五块板进料（10块理论板）。第四十二页，共六十七页，2022年，8月28日2/25/202342ProcessSystemPrinciple精馏计算设计型计算最优加料位置的确定，应该选择该板的液相组成x等于或略低于xq。（4）操作线的实际做法图6-17操作线的实际作法由：得：上式称为q线方程。第四十三页，共六十七页，2022年，8月28日2/25/202343ProcessSystemPrinciple精馏计算设计型计算例：逐板计算法求理论板数在常压下将含苯摩尔分数为0.25的苯－甲苯混合液连续精馏，要求馏出液中含苯摩尔分数为0.98，釜液中含苯摩尔分数为0.085。操作时所用回流比为5，泡点加料，泡点回流，塔顶为全凝器，求所需理论板数。常压下苯－甲苯混合物可视为理想物系，相对挥发度为2.47。解：或相平衡方程：第四十四页，共六十七页，2022年，8月28日2/25/202344ProcessSystemPrinciple精馏计算设计型计算精馏段操作线提馏段操作线（因q＝1）式中第四十五页，共六十七页，2022年，8月28日2/25/202345ProcessSystemPrinciple精馏计算设计型计算代入可得泡点进料第一块塔板上升的蒸汽组成从第一块板下降的液体组成由式（a）求取从第二块板上升的气相组成由式（b）求取第四十六页，共六十七页，2022年，8月28日2/25/202346ProcessSystemPrinciple精馏计算设计型计算第二块板下降的液体组成第三块板上升的气相组成第三块板下降的液体组成如此反复计算得第四十七页，共六十七页，2022年，8月28日2/25/202347ProcessSystemPrinciple精馏计算设计型计算因为x8<xq，第9块板上升的气相组成由提馏段操作线方程（c）计算第9块板下降的液体组成所需总理论板数为10块，第8块加料，精馏段需7块板。第四十八页，共六十七页，2022年，8月28日2/25/202348ProcessSystemPrinciple精馏计算设计型计算2、回流比的选择：精馏段增大；回流比R增大：提馏段增大；对精馏过程有利。y-x线移向对角线，则理论板数减少。但回流比R增大：全凝器负荷增大；再沸器负荷增大；无回流；全回流；实际：（1）全回流和最少理论板数：全回流：不加料也不出料，此时的理论板数为最少：第四十九页，共六十七页，2022年，8月28日2/25/202349ProcessSystemPrinciple精馏计算设计型计算图6-18全回流时的理论板数第五十页，共六十七页，2022年，8月28日2/25/202350ProcessSystemPrinciple精馏计算设计型计算芬斯克(Fenske)方程：对双组分溶液，则：全回流是操作回流比的极限，只是在设备开工、调试及实验研究时采用。（2）最小回流比Rmin：R↓，操作线移向平衡线，理论板数N↑，两线相交，Rmin。第五十一页，共六十七页，2022年，8月28日2/25/202351ProcessSystemPrinciple精馏计算设计型计算图6-19最小回流比第五十二页，共六十七页，2022年，8月28日2/25/202352ProcessSystemPrinciple精馏计算设计型计算（3）最适宜回流比的选择

：图6-20回流比与理论板数的关系图6-21最适宜回流比的选择第五十三页，共六十七页，2022年，8月28日2/25/202353ProcessSystemPrinciple精馏计算设计型计算（4）理论板数的捷算法

：当需对指定的分离任务所需要的理论板数作出大致的估计，或简略地找出塔板数与回流比之关系，以供经济分析的需要，可用如下的经验方法求取理论板数：step1：求出最小回流比Rmin；step2：求出全回流条件下的最少理论板数Nmin；step3：利用经验关联求出指定回流比下的理论板数。常用的经验关联是吉利兰(Gilliland)图，关联Rmin、Nmin、N、R几个数据。范围内可用下式代替：第五十四页，共六十七页，2022年，8月28日2/25/202354ProcessSystemPrinciple精馏计算设计型计算图6-22吉利兰(Gilliland)关联图第五十五页，共六十七页，2022年，8月28日2/25/202355ProcessSystemPrinciple精馏计算设计型计算例：捷算法计算前例的理论板数N。已知：xF=0.25，xD=0.98，xW=0.085，R=5，q=1，α=2.47解：苯－甲苯为理想溶液，在最小回流比时，精馏段操作线的斜率为：最小回流比：第五十六页，共六十七页，2022年，8月28日2/25/202356ProcessSystemPrinciple精馏计算设计型计算

与前例所得结果10块相近。全回流下的最少理论板数：当采用回流比R＝5时，查吉利兰图可得：解出：第五十七页，共六十七页，2022年，8月28日2/25/202357ProcessSystemPrinciple精馏计算操作型计算1.计算命题在设备（精馏段板数及全塔理论板数）已定条件下，由指定的操作条件预计精馏操作的结果。已知条件：总理论板数N；加料板位置m；y=f（x）平衡线或相对挥发度α；xF（原料）；热状态q；回流比R；采出率D/F。操作型计算的特点：待求量：产品xD、xW，逐板的组成分布。（1）由于众多变量之间的非线性关系．使操作型计算一般均须通过试差（迭代），即先假设一个塔顶（或塔底）组成，再用物料衡算及逐板计算予以校核的方法采解决。第五十八页，共六十七页，2022年，8月28日2/25/202358ProcessSystemPrinciple精馏计算操作型计算（2）加料板位置（或其它操作条件）一般不满足最优化条件。2、回流比增加对精馏结果的影响（分析）图6-23增加回流比对精馏结果的影响第五十九页，共六十七页，2022年，8月28日2/25/202359ProcessSystemPrinciple精馏计算操作型计算计算方法：step3：xm加料板后，提馏段交替使用：step1：假设：xW=value；step2：自xD起，在精馏段交替使用：则：第六十页，共六十七页，2022年，8月28日2/25/202360ProcessSystemPrinciple精馏计算操作型计算step4：算出xn，与xw相比较：结果相近，计算有效；结果相差，重新试差。例：改变回流比求全塔组成分布。某精馏塔具有10块理论板，加料位置在第8块塔板，分离原料组成为摩尔分数0.25的苯－甲苯混合液，物系相对挥发度为2.47。已知在R＝5，泡点进料时x’D=0.98，x’