化工原理第十章蒸馏小结河南大学演示文稿

化工原理第十章蒸馏小结河南大学演示文稿现在是1页\一共有57页\编辑于星期三化工原理第十章蒸馏小结河南大学现在是2页\一共有57页\编辑于星期三

●教学基本要求●掌握双组分溶液的汽液相平衡；双组分连续精馏的计算和分析。了解间歇精馏、特殊精馏和多组分精馏。掌握板式塔的结构和设计。学习本章重点应掌握的内容：

(1)蒸馏操作的依据；

(2)双组分物系的汽液相平衡；

(3)精馏原理；

(4)精馏操作线方程推导、意义与应用；现在是3页\一共有57页\编辑于星期三

(5)回流比、进料状态、进料位置对精馏操作的影响；

(6)理论塔板数的计算；

(7)板式塔的设计。

●重点内容概要●本章的基本内容如图10-1所示。一、概述

(1)蒸馏分离的依据

蒸馏过程是利用液体混合物中各组分挥发能力的差异，而将均相液体混合物进行分现在是4页\一共有57页\编辑于星期三

离的一种方法。混合物中较易挥发的组分称为易挥发组分，较难挥发的组分称为难挥发组分。

(2)蒸馏操作的分类

按操作方式分：简单蒸馏、平衡蒸馏、精馏、特殊精馏；按操作压力分：常压精馏、真空精馏、加压精馏；按物料的组分数分：双组分精馏、多组分精馏按操作是否连续分：间歇精馏、连续精馏本章主要讨论双组分连续精馏。现在是5页\一共有57页\编辑于星期三

二.双组分溶液的汽液相平衡

1.定律与概念

(1)相律相律表示平衡物系中的自由度F，相数和独立组分数C之间的关系，即对双组分平衡物系，双组分平衡物系涉及的参数与：温度t

、压力、汽相组成和液相组成。而精馏操作通常在恒压下进行，故压力一定，此时，物现在是6页\一共有57页\编辑于星期三

系的自由度F=1，即在三参数中，只要规定了其中一个变量，其余两个也就被唯一确定。

(2)拉乌尔定律汽液平衡时，组分的蒸汽压p与溶液中组分的摩尔分率x成正比，即现在是7页\一共有57页\编辑于星期三-----溶液中组分A，B的摩尔分率。理想溶液的汽液平衡关系服从拉乌尔定律。

(3)道尔顿定律总压p等于各组分分压之和，即理想物系气相服从道尔顿定律。

现在是8页\一共有57页\编辑于星期三现在是9页\一共有57页\编辑于星期三现在是10页\一共有57页\编辑于星期三

相对挥发度定量的表示拉各组分挥发的难易程度，越大，说明A组分越容易分离。说明两组分挥发度相等，在这种情况下，不能用普通的蒸馏方法进行分离。

现在是11页\一共有57页\编辑于星期三2.双组分理想物系平衡关系现在是12页\一共有57页\编辑于星期三(2)温度组成的()图总压一定时，温度与汽液相平衡组成的关系，如下图所示。10-2现在是13页\一共有57页\编辑于星期三(3)汽液平衡组成()图蒸馏计算中用得最多的是汽液平衡组成图，如下图所示。10-3现在是14页\一共有57页\编辑于星期三(4)相平衡方程此时，a在全部操作温度和组成范围内可近似的作为常数处理，计算时，取其算术或几何平均值。

3.双组分非理想溶液平衡关系实际生产中所遇到的多数物质称为非理想溶液，即组分的平衡蒸汽压偏离拉乌尔定率。现在是15页\一共有57页\编辑于星期三(1)具有最低恒沸点的溶液：，对理想溶液具有正偏差，这种系统会出现最高蒸汽压和相应的最低恒沸点，如乙醇—水溶液。

(2)具有最高恒沸点的溶液：，对理想溶液具有负偏差，这种系统会出现最低蒸汽压和相应的最高恒沸点，如硝酸—水溶液。注意：无论是正偏差还是负偏差溶液，在恒沸组成时，其溶液两相的组成皆相同，故无法用一般蒸馏方法加以分离。现在是16页\一共有57页\编辑于星期三

二.蒸馏过程

1.简单蒸馏

(1)流程：如下图所示，为一间歇操作过程。10-4现在是17页\一共有57页\编辑于星期三

(2)特点

●间歇操作过程；

●不稳定过程，随着蒸馏的进行，釜内液体中易挥发组分的组成逐渐降低，与之相平衡的汽相中，易挥发组分的组成亦随之降低，釜液温度不断升高；

●计算时，选择微元时间列出微分式，再积分求解。

2.平衡蒸馏

(1)流程：平衡蒸馏装置如下页图10-5所示。现在是18页\一共有57页\编辑于星期三(2)特点

●连续操作过程；

●稳定过程，维持恒定的操作条件，产物的组成不随时间而变化；

●汽、液两相一次平衡。

3.双组分连续精馏

(1)精馏原理

●理论上可采用多次部分汽化和多次部分冷凝的方法，以实现液体混合物的高纯度分离；

●工程上，广泛采用精馏，典型的精馏过程如图10-6所示。

●精馏操作的必要条件：塔顶的液相回流和现在是19页\一共有57页\编辑于星期三

塔底的汽相回流。

●精馏过程是传质和传热同时进行的过程，但过程主要由传质过程所控制。

●理论塔板数的概念：指这样一块塔板，当汽、液两相在其上进行接触传质时，离开该塔板的两相在传热、传质方面都达到拉平衡，即汽液两相温度相等，组成互呈平衡，常又称为平衡级。

●总板效率的概念：又称全塔效率，达到规定分离要求所需的理论塔板数N与达到相同分离要求所需实际塔板数的比值，即现在是20页\一共有57页\编辑于星期三

(2)双组分连续精馏的物料衡算和热量衡算

●全塔物料衡算如图10-7所示，全塔物料衡算有：现在是21页\一共有57页\编辑于星期三

●恒摩尔流假设为了简化精馏计算，在满足两组分的摩尔汽化潜热差别不大，忽略由于温度不同引起的泡点液体焓的变化和热损失的条件下，精馏塔内在没有进料和出料的塔段中，各板上升蒸汽的摩尔量相等，各板下降液体的摩尔量亦相等。即：

注意：汽、液相的流率采用摩尔流率，对应的组成采用摩尔分率。现在是22页\一共有57页\编辑于星期三现在是23页\一共有57页\编辑于星期三q线方程为两条操作线交点的轨迹方程。

●进料状态对q值与q线的影响，见表10-1。10-1现在是24页\一共有57页\编辑于星期三

●精馏段、提镏段汽液相流率之间的关系液相：汽相：

●全塔热量衡算如图10-8所示。10-8现在是25页\一共有57页\编辑于星期三(3)理论塔板数

●逐板计算法塔顶冷凝器为全冷凝、泡点回流、再沸器中为间接加热，当给定，规定分离要求(或回收率)、选定R，已知操作温度下的a，则可交替使用相平衡方程和操作线方程，由塔顶至塔底逐板计算。

●图解法将上述计算过程用图解过程代替，如图10-9所示。图解步骤：①在图上画出平衡线，连接对角线现在是26页\一共有57页\编辑于星期三②确定精馏操作线；③确定q线；④确定提馏段操作线；⑤在平衡线和操作线间画梯级。图解法直观形象，有利于问题的分析，但误差较大。

●简捷法利用吉利兰(Gilliland)关联图(图10-10)或关联式，查图或计算所需的理路塔板数。现在是27页\一共有57页\编辑于星期三

简捷法主要用于对理论塔板数作初步的估算，或粗略比较不同回流比时所需的理论塔板数。现在是28页\一共有57页\编辑于星期三

注意：图解法时，任一梯级表示的意义如图10-11所示。10-11现在是29页\一共有57页\编辑于星期三(4)进料位置的确定

●最优或适宜的进料位置：对应于两操作线交点Q所在的梯级。

●进料位置较高或较低对分离都不利。

●允许的进料位置的范围在如图10-12所示的之间。●现在是30页\一共有57页\编辑于星期三●现在是31页\一共有57页\编辑于星期三●适宜回流比的选择回流比对精馏费用的影响，见图10-13。一般取Ropt=(1.2~2)Rmin现在是32页\一共有57页\编辑于星期三(6)进料状态的影响

●

q线不影响精馏段操作线位置，但影响提留段操作线位置；

●

q值不同，最佳进料板位置不同；

●

q值不同，达到相同分离要求所需的理论板数不同，q值增大，所需理论板数减少。

(7)操作型问题讨论

●所用的基本关系式与设计型相同，但已知条件和待求结果不同，由于操作型计算的试差过程比较复杂，目前多用计算机求解。

●精馏操作型问题的类型：主要有两类，一是对现有的精馏塔，在给定精馏条件下，现在是33页\一共有57页\编辑于星期三

核算其可能达到的分离程度；二是最运行中的精馏塔，当某一操作条件改变时，分析分离效果的变化，是否能获得合格的产品及为此需采取的措施，还会产生什么其他的影响。

●精馏塔操作问题的分析方法：对类型二的操作型问题，操作条件改变所引起分离效果()的变化必须同时满足全塔物料衡算关系和逐板组成变化关系，但二者所起的作用并不相同。分离结果的改变是由于塔板分离能力的改变引起逐板组成发生变化所致，而其变化的程度则受全塔物料衡算关系的约束。逐板组成变化关系用图示比较直观。现在是34页\一共有57页\编辑于星期三

●主要操作参数的调节精馏过程的许多参数尽管是在设计中选定或规定的，但在操作时，在一定范围内仍是可调的。通常可调节的参数有回流比R，产品采出量D，进料位置Nf

。回流比R

回流比R是影响分离程度和塔内水利学状况的重要操作参数。对于一定的塔板数，若在正常的水利学条件下，增大回流比，可提高塔的分离能力。增大回流比的途径有两条，一是维持塔顶采出量D不变，增大回流量L。采用该种方法时，应考虑塔底再沸器和塔顶冷凝器的能力是否允许，塔能否现在是35页\一共有57页\编辑于星期三

发生液泛。二是维持回流量L不变，减小塔顶采出量D。该方法将使易挥发组分的回收率下降。进料位置Nf

当进料组成发生变化，使进料位置偏离最佳进料位置时，如进料中轻组分增加，进料板应上移，反之应下移，以保证进料组成与进料板上的液相组成最接近。产品采出量D

当进料的组成或流量发生变化，采出量D也应按分离要求重新做物料衡算确定，否则由于物料衡算的限制，有时调节参数也是无效的。现在是36页\一共有57页\编辑于星期三

(8)其他有关实例

●直接蒸汽加热将加热蒸汽直接通入釜液中的操作，称为直接蒸汽加热。该操作使用于所分离的混合液由水和比水易挥发的组分组成的物系，可省去一间接加热的再沸器。对设计型问题，达到相同分离要求时，直接蒸汽加热所需的理论板数比间接加热的略少，但此时塔顶易挥发组分的回收率降低。

●冷回流和塔顶加设分凝器情况冷回流：入塔回流液的温度低于其泡点时，现在是37页\一共有57页\编辑于星期三

称为冷回流。冷回流使塔内实际回流比增加。对于设计型问题，使得达到相同分离要求所需的理论塔板数比泡点回流时略少，其代价是塔釜提供更多的热量。塔顶加设分凝器分凝器中汽液两相达到拉平衡，相当于一块理论塔板。

●塔顶进料的情况塔顶进料，塔只有提馏段而无精馏段，又称汽提塔。

●侧线出料和多股进料侧线出料和多股进料可将塔分成若干段，现在是38页\一共有57页\编辑于星期三

各段分别有相应的操作线，各股进料亦分别有相应的q线方程和q线。各段的操作线方程通过每段的物料衡算推导出。

●加设中间再沸器或中间冷凝器的情况从用能的角度来考虑，加设中间再沸器可降低高温热源的能量热耗，而加设中间冷凝器，则可以节省低温冷剂的消耗量。但无论是加设中间再沸器还是中间冷凝器对分离都是不利的。现在是39页\一共有57页\编辑于星期三

4.间歇精馏

(1)特点：精馏塔只有精馏段而无提镏段；精馏过程中，釜液组成不断降低，使上升蒸汽组成、以及各块塔板汽液相组成均随时间的推移而不断降低，是一非稳态过程。

(2)操作方法间歇精馏可按两种基本方法操作，一是维持回流不变，此时馏出液组成逐渐降低；二是维持馏出液组成恒定，这就要求不断增大回流比。现在是40页\一共有57页\编辑于星期三5.特殊精馏特殊精馏的基本原理是在双组分溶液中加入第三(添加剂)以改变原溶液中各组分之间的相对挥发度。

(1)恒沸精馏加入的第三组分能与原来溶液中一个(或两个)组分形成最低恒沸物，从而使原溶液易于分离，这种方法称为恒沸精馏，加入的第三组分称为挟带剂。如乙醇-水溶液分离制取无水乙醇时，加入苯作为挟带剂。现在是41页\一共有57页\编辑于星期三(2)萃取精馏加入的第三组分不和被分离的组分形成恒沸物，但能比较显著地改变它们之间的相对挥发度，且本身的挥发度很小，这种方法称为萃取精馏。第三组分常称为萃取剂，如常压下笨和环乙烷的分离，以糖醛为萃取剂。

6.多组分精馏实际生产中经常遇到的是多组分精馏、双组分精馏的原理和基本关系式适用于多组分精馏，但由于组分数目增多，其流程和需现在是42页\一共有57页\编辑于星期三

要解决的问题也更复杂。

(1)相平衡关系对m个组分的物系，压力一定时，系统有m-1个自由度，故需已知液(或汽)相各组分的组成，才能求与之相平衡的汽(或液)相组成。而且，组分的相平衡常数不仅与系统的压力和温度有关，还与该组分以及其余组分在两相中的组成有关，设计复杂的热力学关系。这使多组分的汽、液平衡计算变得复杂。对于烃类混合物在不太高的压力下，汽液平衡计算常采用图。现在是43页\一共有57页\编辑于星期三(2)物料衡算

●关键组分的概念多组分精馏中，通常根据分离主要目的，从中选出两个组分来规定其分离要求，这两个组分称为关键组分。其中相对挥发度较大的称为轻关键组分，相对挥发度较小的称为重关键组分，期于组分则称为非关键组分。

●清晰分割与非清晰分割若两关键组分相邻，且轻关键组分与其相邻的轻组分之间的相对挥发度和重关键组分与其相邻的重组分之间的相对挥发度均相差较大现在是44页\一共有57页\编辑于星期三

则可认为比轻关键组分更轻的各组分全部从塔顶蒸出，因而可设它们在釜液中的组成近似为零；比重关键组分更重的各级组分全部从塔底排出，因而可设他们在馏出液中的组成近似为零，这种情况称为清晰分割。若分离的情况不满足清晰分割的条件，一部分轻组分可能和轻关键组分一起进去釜液，一部分重组分可能和重关键组分一起进入馏出液，这种情况称为非清晰分割。此时，分离要求以回收率的形式给出。现在是45页\一共有57页\编辑于星期三

(3)理论塔板数计算对于多组分精馏时理论塔板数的计算，可以采用简捷法或逐板计算法。

现在是46页\一共有57页\编辑于星期三

四.板式塔

1.板式塔中气、液相的异常流动板式塔的设计或操作不当时，气、液两相可能产生使塔无法操作的异常流动。这种异常流动主要有液泛(包括过量液体夹带液泛和降液管液泛)和严重漏夜。

2.常用塔板类型