化工基础-6-精馏

第六章精馏第一节精馏原理第二节简单蒸馏第三节连续精馏第四节连续精馏理论塔板数的计算第五节板式塔2.压力：常压、真空、加压。3.组分：双组分、多组分。4.连续性：间歇、连续。一.精馏操作在化工生产中的应用用于均相液体混合物的分离,达到提纯或回收组分的目的。二.精馏分离的依据利用液体混合物中各组分挥发能力的差异。三.精馏操作的分类1.操作方式:蒸馏方式可分为简单蒸馏、平衡蒸馏、精馏、恒沸精馏、萃取精馏、水蒸气精馏等。2/27/20232第一节精馏原理一、溶液的蒸汽压根据溶液中同分子间的与异分子间的作用力的差异，可将溶液分为理想溶液和非理想溶液两种。

溶液的蒸汽压与纯组分时不同1.气液相平衡：单位时间从液相进入气相的分子数与从气相进入液相的分子数相等。摩尔分率：混合物中某组分的摩尔数与混合物总摩尔数的比值，以x表示2/27/202332、基本概念易挥发组分：通常将沸点低的组分称为易挥发组分。难挥发组分：通常将沸点高的组分称为难挥发组分。ｘ表示液相中易挥发组分的摩尔分率，（1-ｘ）表示难挥发组分的摩尔分率；ｙ表示气相中易挥发组分的摩尔分率，（1-ｙ）表示难挥发组分的摩尔分率。理想溶液：在这种溶液内，组分A、B分子间作用力

FAB与纯组分A的分子间作用力FAA或纯组分B的分子间作用力FBB相等。2/27/20234二、理想的二组分互溶体系在一定温度下,气相中任一组分的分压等于此纯组分在该温度下的饱和蒸汽压与它在溶液中的摩尔分率的乘积。pA=pA*xA

严格地说，理想溶液是不存在的。

由性质极相近、分子结构极相似的组分所组成的溶液，例如苯-甲苯，甲醇-乙醇，烃类同系物等都可视为理想溶液。

对于非理想溶液的气液平衡关系可用修正的拉乌尔定律或实验数据来表示。1、拉乌尔定律2/27/20235由这些公式，可求出各温度下的x、y值；由求出的各温度下的x、y值，可以做出t-x-y相图；2/27/20236t/℃苯甲苯kPammHgkPammHg80.1101.376039.329584.0113.685244.433388.0127.695750.6379.592.0143.7107857.643296.0160.5120465.7492.5100.0179.2134474.5559104.0199.3149583.3625108.0221.2165993.9704.5110.8233.01748101.3760苯-甲苯在不同温度下的蒸汽压t/℃xyα80.11.001.002.5884.00.8230.9232.5688.00.6590.8302.5292.00.5080.7212.5096.00.3760.5962.45100.00.2560.4532.40104.00.1550.3042.39108.00.0580.1282.36110.80.000.002.30苯-甲苯的汽液平衡数据2/27/202372、（t-x-y）相图t1t2t3t4t5tx(y)液相线（泡点线）气相线（露点线）三区：液相区、汽液共存区汽相区两线：泡点曲线、露点曲线五点：A、B、C、D、E一原理：扛杆原理L(x-x’)=V(y’-x)2/27/202383、气液相平衡图（x-y图）沸点--组成（t-x-y)图

t—x—y图x-y图t1t2x1x2y1y2y1y2x1x22/27/20239

对角线为x=y的直线，作查图时参考用。

平衡线一般都位于对角线上方。

平衡线偏离对角线愈远，表示该溶液愈易分离。

在总压变化不大时，外压的影响可忽略。2/27/202310三、挥发度及相对挥发度1、挥发度：若为纯液体时，νA=p*A。νA=pA/xA

νB=pB/xB2、相对挥发度溶液中两组分挥发度之比。在一定温度下，某组分在蒸气中的分压和与之平衡的液相中该组分的摩尔分率之比。2/27/202311

对近似理想的体系，αAB随温度变化小，2/27/2023123、用相对挥发度表示的气液相平衡方程α=1，yA=xA，不可分离；α<1，α>1，可以分离；α=f(T,p),可采用几何平均值：2/27/2023132/27/202314

最大误差只有2%左右。x

y(表6-2来y(从α计算来)α1.001.001.002.580.8230.9230.9192.560.6590.8300.8262.520.5080.7200.7172.500.3760.5960.5962.450.2560.4530.4552.400.1550.3040.3102.390.0580.1280.1312.360.000.000.002.30用平均相对挥发度计算的苯-甲苯气液平衡数据2/27/2023四、双组分非理想溶液1、具有正偏差的体系乙醇-水在这种溶液内，组分A、B分子间作用力FAB比纯组分A的分子间作用力FAA或纯组分B的分子间作用力FBB小。蒸汽压偏高。汽相线下移。一定条件下具有最低恒沸点。不能得到某一组分的纯物质。乙醇-苯，乙醇-乙酸乙酯，丙醇-水，水-丁醇，戊醇-乙酸戊酯，水-丙酸等2/27/2023162/27/202317硝酸-水（负偏差）2、具有负偏差的体系在这种溶液内，组分A、B分子间作用力FAB比纯组分A的分子间作用力FAA或纯组分B的分子间作用力FBB大。蒸汽压偏低。液相线上移。一定条件下具有最高恒沸点。不能得到某一组分的纯物质。水-硫酸，氯化氢-水，溴化氢-水，水-过氯酸，丙酮-氯仿等体系。2/27/2023182/27/2023192/27/2023201、压力变化不大时

对泡点有明显影响，对t-x-y相图影响较大；对相对挥发度影响小，对x-y相图影响小。2、压力有显著变化时(1)压力显著增加

相对挥发度减小，x-y相图上平衡线下移。压力过度增加，平衡线与对角相交，形成恒沸点。恒沸点组成随压力的增加程度而变化。五、压力对汽液平衡的影响2/27/202321压力对于N2-O2体系平衡的影响2/27/202322(2)压力显著减小

相对挥发度增加，x-y相图上平衡线上移。恒沸点组成发生变化。压力降低到一定程度，原来的恒沸点消失。组分的相对分子质量越大，沸点降低的趋势越大。乙醇-水体系的恒沸组成随系统压力的变化系统压力/kPa193.4101.326.412.79.3恒沸组成x水

0.1130.1060.0670.0130.02/27/20232/27/2023第二节简单蒸馏一、简单蒸馏使混合液在蒸馏釜中逐渐受热气化，并不断将生成的蒸气引入冷凝器，以达到混合液中各组分得以分离的方法，称为简单蒸馏或微分蒸馏。1、原理x1y12/27/20232、简单蒸馏特点：

只能得到不同沸程段的馏出液。

一次加料，釜内及馏出液的含量不断变化。

产物组成与残液间只存在物料衡算关系，无平衡关系。

沸点差较大的混合液；分离含量要求不高的情况；粗加工过程。3、应用：2/27/202326二、平衡蒸馏（闪蒸）将混合液加热到泡点以上，保持汽液共存进入闪发塔，闪发分离出蒸汽和残液的蒸馏。1、原理tx(y)2/27/2023272、特点：

也只能得到混合物而不能得到纯净物。

较低温度下获得较多气体馏分。

产物组成与残液间存在相平衡关系。

高温易分解的物料分离；石油精馏前的预处理；粗加工过程。3、应用：2/27/202328第三节连续精馏连续精馏的概念连续精馏操作就是在同一设备内多次而且同时运用部分气化和冷凝的方法，以得到接近于纯的易挥发组分和接近于纯的难挥发组分的操作。2/27/202329一、精馏原理1、部分气化部分冷凝液相进行多次的部分气化可以得到纯的难挥发组分。汽相进行多次的部分冷凝可以得到纯的易挥发组分。2/27/2023302/27/2023312、汽液两相有温差组成相近的体系，其露点高于泡点，有温差，能自动进行热量传递，同时就使蒸汽部分冷凝，液体部分汽化。3、组分的摩尔相变热相近可以使部分冷凝的部分汽化的量接近，汽液相的总量变化不大。t1t2x(y)2/27/202332二、精馏塔中物相组成的变化x1＞x2＞x3＞x4t4＞t3＞t2＞t1

y1＞y2＞y3＞y41、组成变化2/27/2023332、操作情况(1)、每层塔板都同时进行部分汽化和部分冷凝；(2)、汽相向上富集易挥发组分，液相向下富集难挥发组分(3)、塔顶必须有一定的回流，塔底必须生成一定的蒸汽。(4)、进料在与其组成相近的那块塔板上。3、精馏塔的分段(1)、精馏段：进料口以上的部分。(2)、提馏段：进料口以下的部分。

各塔板上的液相中易挥发组分浓度高于进料组成

各塔板上的液相中难挥发组分浓度高于进料组成2/27/202334三、回流比R1、定义塔顶蒸汽冷凝后，返回到精馏塔顶的量L与馏出液D之比值。R=L/D

蒸汽的总量为：V=L+D=RD+D=D（R+1）2、回流比的意义

回流比越大，分离效率越高。

回流是连续精馏的基本条件之一。2/27/202335四、精馏塔的精馏过程馏出液回馏液全凝器再沸器加料板精馏段提馏段2/27/202336①、精馏塔组成：塔体、塔板、填料、再沸器、冷凝器。塔底温度最高，越往上温度越低，塔顶温度最低。越往上易挥发组分含量越高，越往下难挥发组分含量越高。离开塔板的汽液两相达到平衡状态时，该塔板称为理论塔板。②、温度分布规律：③、气液组成的变化规律：④、理论塔板：2/27/202337第四节连续精馏理论塔板数的计算一、计算的条件1、理论塔板假设离开塔板的汽液两相达到相平衡状态的塔板。2/27/2023382、恒摩尔流假设(1)、恒摩尔气化V1=V2=V3=···=VV1’=V2’=V3’

=···=V’(2)、恒摩尔溢流L1=L2=L3=···=LL1’=L2’=L3’=···=L’每层塔板的上升气流量都是分段相等；每层塔板的下降液体流量都是分段相等；2/27/202339

各组分的摩尔潜热相同；因温度不同，气液接触交换的显热可忽略；保温良好。(3)、恒摩尔流假设的条件2/27/2023403、塔顶全凝回流，塔底再沸器产生蒸汽全凝回流使回流液组成与第一块塔板上的汽相组成相同。塔底产生蒸汽是部分汽化，相当于一个塔板。4、泡点进料V1=V2=V3=···=V1’=V2’=V3’

=···=VL1=L2=L3=···=LL1’=L2’=L3’=···=L+F2/27/202341五种进料情况：42二、精馏段操作线方程总物料衡算：V=L+D轻组分物料衡算：R=L/DVyn+1=Lxn+

Dxd2/27/2023精馏段操作线方程

表明相邻两塔板间的汽液组成的关系

适合于整个精馏段

在x-y相图上为一直线R、xd由工艺条件决定x=xd时，y=xd与对角线交于x=xdx=0时，y=xd/(R+1)，即操作线在y轴上的截距。2/27/202344三、提馏段操作线方程L+F=V+W(L+F)xm

=Vym+1+WxWV=L+D，W=F-D，泡点进料时，提馏段的液相回流量为L+F：2/27/202345提馏段操作线方程

表示相邻塔板的汽液相组成关系。

由操作条件确定R、f、xw。f=F/D，单位量馏出液所需进料量，

提馏段操作线在x-y相图上也是一条直线。

当x=xw时，y=xw,与对角线交于xw处。

与精馏段操作线交于xf处:Lx+Dxd=(L+F)x-WxwFx=Dxd+Wxw=Fxfx=Fxf/F=xf2/27/2023462/27/202347例：常压连续精馏时，料液于泡点送入塔中。已知操作线方程为：精馏段y=0.60x+0.38

提馏段y=1.40x-0.02

求回流比、进料、馏出液、馏残液的组成。解：根据精馏段的操作线方程：得：则：R=1.5，xd=0.95根据提馏段的操作线方程：2/27/202348得：则：f=2.0，xw=0.05泡点进料，两段操作线相交于xf处，则解方程组：y=0.60xf+0.38y=1.40xf-0.02得：xf=0.50所以该精馏操作的回流比为1.5，进料组成为0.50，馏出液组成为0.95、馏残液组成为0.05.。2/27/202349理论板数的确定

在分析精馏原理时曾提及理论板的概念。所谓理论板是指离开这种板的气液两相互成平衡，而且塔板上的液相组成也可视为均匀一致的。实际上，由于塔板上气液间接触面积和接触时间是有限的，因此在任何型式的塔板上气液两相都难以达到平衡状态，也就是说理论板是不存在的。理论板仅是作为衡量实际板分离效率的依据和标准，它是一种理想板。2/27/202350N=n+m-1四、逐板计算法求理论板数2/27/202351逐板计算法xD=y1

由气液平衡x1由操作线方程y2依此类推至xn≈

xF按提留段操作线方程由xF=x′1y′2由气液平衡x′2x′n

≤

xW依此类推至2/27/2023522/27/202353例：进料为苯-甲苯混合物，其中xf=0.5，要求馏出液中xd=0.95，馏残液中xw≤0.05，选用回流比为2，设苯-甲苯体系在常压下的相对挥发度为2.45，试用逐板计算法求所需的理论塔板数。解：已知xd=0.95，xw=0.05，xf=0.50，R=2，α=2.45则精馏段操作线方程：提馏段操作线方程：平衡关系：2/27/202354第一块板：第二块板：进料组成xf=0.5，因此进料在第五块板，x5取0.503。2/27/202355从第六块板按提馏段操作线计算，且x5=0.503第六块板：

得到理论塔板数11个，减去塔釜一个，为10个。

适用理想或接于理想的体系。2/27/202356五、图解法求理论板数2/27/202357图解法的步骤：在直角坐标系上绘出待分离混合液的x-y相平衡曲线及对角线y=x；在x轴上作垂线x=xD与对角线相交于a，再按精馏段操作线的截距xD/（R+1），在y轴上定出点b。连接ab，得精馏段操作线。在x轴上作垂线x=xf与精馏段操作线ab交于点d。再在x轴上作垂线x=xw与对角线相交于c，再将点c与点d相连得提留段操作线cd。从点a开始，在操作线与平衡线之间绘出水平线与垂线组成的阶梯。每一个阶梯，代表一层理论板，梯级总数即为理论板总层数。2/27/202358六、回流比的影响与选择1、全回流全回流：R=∞D=0V=L全回流时操作线为对角线。全回流时所需理论塔板数最少。2/27/202359求最小回流比的方法:2、最小回流比RM最小回流比是在特定的xd、xw下的；实际回流比R=1.5~5RM，常用R=1.5~2.5RM

2/27/202360对于偏差较大的体系，y-x线下凹的体系：OB2/27/2023613、适宜回流比选择2/27/202362七、捷算法求理论塔板数芬斯克-吉利兰特（Fenske-Gilliand)估算法1、求全回流下的理论塔板数NM对于理想体系：则：全回流时操作线：则：2/27/202363其中：代入：两边取对数：对于精馏段：α取塔两端的平均值。2/27/2023642、求最小回流比RM对理想体系：其中：3、求理论塔板数N吉利兰特图与曲线2/27/202365→计算NmRm→R→横坐标→作垂线→交点→水平线→交纵坐→N2/27/202366例：苯-甲苯体系的平均挥发度为2.45，若xf=0.5，xd=0.95，

xw=0.05，R=2，试用捷算法求理论塔板数。解：先求最小回流比：则：查图得：其中2/27/202367若只计算精馏段：

捷算法的结果与前面逐板计算的基本一致。

捷算法适合泡点进料的理想或接近理想的体系。

捷算法有一定误差，可作预算或概算用。计算结果：总的理论塔板12块，在第六块进料。2/27/2023681、单板效率(莫弗里板效率)(1)气相莫弗里板效率(EMG)(2)液相莫弗里板效率(EML)八、实际塔板数和板效率2/27/202369实际塔板数：因为实际塔板上不能达到平衡状态，故实际所需塔板数总是大于理论塔板数。2、全塔板效率

全塔效率通常在(0.2~0.8);

双组分混合液多在(0.5~0.7)2/27/202370第五节板式塔板式塔泡罩塔、伞帽塔浮阀塔筛板塔舌形塔浮舌塔浮动喷塔斜孔塔筛孔塔栅板塔鼓泡塔喷射塔穿流塔有降液管无降液管2/27/2023一、泡罩塔1、结构塔板、溢流堰、降液管升气管、泡罩2、特点优点：操作稳定，升气管使泡罩塔板低气速下也不致产生严重的漏液现象，故弹性大。缺点：结构复杂，造价高，塔板压降大，生产强度低。2/27/202372泡罩塔2/27/202373泡罩直径：Φ80Φ100Φ1502/27/2023742/27/202375泡罩塔操作液量过小气体直接排开液体上升液量过大液体从泡罩升气管流下（倾流）气量过小脉冲鼓泡气量过大雾沫夹带气、液量均很大液泛2/27/2023761、操作弹性大，在气、液负荷波动较大时仍能保持较恒定的塔板效率。2、对物料适应性强，塔板不易堵塞。泡罩塔优点1、结构复杂，金属耗量大，造价高，安装和维修不方便。2、气体压力降大，雾沫夹带较严重，因此限制了气速的提高，生产能力不大。泡罩塔缺点2/27/202377二、浮阀塔浮阀结构（F1）三阀脚：导向、保持位置控制最大开度。三定距片：控制静开度。无升气管。园形、直径48mm重阀33克，轻阀25克特点生产能力大：比泡罩塔提高20~30%操作弹性大：7~9（泡罩塔4~5，筛板塔2~3）液面差小，气体分布均匀，阻力小，可用于减压精馏。结构简单，易