化工原理之蒸馏培训讲义

第六章蒸馏第一节双组分溶液的气液相平衡

第二节蒸馏与精馏原理第三节双组分连续精馏的计算与分析第五节恒沸精馏与萃取精馏第四节间歇精馏第六节板式塔1蒸馏在化工生产中的应用分离多组分混合物；某一组分的提纯；有用组分的回收。目的：广泛性：液体混合物；气体混合物；固体混合物。234蒸馏过程的分离依据依据：蒸馏是利用混合物中各组分挥发性的差异。易挥发组分(或轻组分):挥发性高的组分，以A表示；难挥发组分(或重组分):挥发性低的组分，以B表示。

蒸馏过程液体混合物加热部分汽化液相：xA,xB

汽相：yA,yB

液相冷凝5必有：yA>xA,yB<xB即：蒸馏过程的分类方法简单蒸馏按蒸馏方式：平衡蒸馏

精馏特殊精馏6常压蒸馏按操作压力：加压蒸馏减压（真空）蒸馏间歇蒸馏连续蒸馏按操作方式：普通蒸馏特殊蒸馏按分离难易：按物系的组分数双组分蒸馏多组分蒸馏7第一节双组分溶液的气液相平衡一、溶液的蒸气压与拉乌尔定律二、理性溶液气液相平衡三、非理想溶液气液相平衡8一、溶液的蒸气压与拉乌尔定律密闭容器内，一定温度，纯组分液体的气液两相达到平衡状态，饱和状态。蒸汽为饱和蒸汽，其压力为饱和蒸汽压（蒸气压）。Antoine方程：po—纯组分液体的饱和蒸汽压，kPaA、B、C—纯组分液体的饱和蒸汽压，kPa9理想溶液与拉乌尔定律拉乌尔定律：在一定温度下，汽相中任一组分的分压等于此纯组分在该温度下的蒸汽压乘以它在溶液中的摩尔分率。理想溶液：微观：fAB=fAA=fBB；宏观：体积和不变，无热效应。pA=pAoxApB=pBoxB=pBo（1-xA）10pA、pB—溶液上方A和B两组分的平衡分压，Papao、pBo—同温度下，纯组分A和B的饱和蒸汽压，Pa；xA、xB—分别为混合液组分A和B的摩尔分率二、理想溶液气液相平衡（一）理想溶液t~y~x关系式

理想液体pA=pAoxApB=pBoxB=pBo（1-xA）理想气体11——汽液两相平衡组成间的关系——泡点方程—露点方程12（二）t~y~x图与y~x图三个区：液相区，过冷液体气相区，过热蒸汽两相区，气液共存两相区特点：两相温度相同

y>x两条线：液相线（泡点线）气相线（露点线）组成相同，t露点>t泡点13对角线y=x为辅助曲线，y>x，平衡线在对角线之上；x~y线上各点温度不同；平衡线离对角线越远，挥发性差异越大，物系越易分离。14压力对t~xA（yA）图及x~y图的影响压力增加，平衡线靠近对角线，分离难度大15（三）相对挥发度与理想溶液的y－x关系组分的挥发度:是该物质挥发难易程度的标志，表示。pA、pB——汽液平衡时，组分A,B在气相中的分压；xA、xB——汽液平衡时，组分A,B在液相中的摩尔分率。混合液某组分挥发度:1.挥发度纯组分的挥发度：=pAo16理想溶液则:2.相对挥发度(以α表示)理想气体：或：一般物系：173.理想溶液的气液相平衡方程式代入——相平衡方程讨论:

α的物理意义：汽相中两组分组成之比是液相中两组分组成之比的倍数。其值标志着分离的难易程度。18若α=1，则普通蒸馏方式将无法分离此混合物。α<1,则重新定义轻组分与重组分，使α>1。平均相对挥发度αm。三、非理想溶液气液相平衡（一）对拉乌尔定律有正偏差的溶液

（1）无恒沸点的溶液如甲醇-水溶液pA>pA理，pB>pB理，介于pAo、pBo之间。19（2）有最低恒沸点的溶液如乙醇-水（二）对拉乌尔溶液有负偏差的溶液（1）无恒沸点溶液如氯仿-苯溶液

pA<pA理，pB<pB理，介于pao、pBo之间。20（2）有最高恒沸点的溶液如硝酸-水溶液21第二节蒸馏与精馏原理二、精馏原理一、简单蒸馏与平衡蒸馏22（一）简单蒸馏（微分蒸馏）y原料液x蒸气xD1xD2xD3冷凝器特点：间歇、非定态，R=0一、简单蒸馏与平衡蒸馏23（二）平衡蒸馏特点：可连续；定态；单级。分离器塔顶产品yAxA加热器原料液塔底产品Q减压阀24二、精馏原理（一）精馏塔内气液两相的流动、传热与传质25精馏原理：多次部分冷凝、多次部分汽化、液相回流及上升蒸气。进料板：原料液进入的那层塔板精馏段：进料板以上的塔段提馏段：进料板以下（包括进料板）的塔段塔顶冷凝器和塔低再沸器26yn-1*xn+1*n+1nn-1tn+1tntn-1xn-1yn+1xnyn（二）塔板上气液两相的传质与传热27——两相传热——两相传质液相中的易挥发组分部分汽化向气相传递；气相中的难挥发组分部分冷凝向液相传递；平衡：离开该级的气液两相温度相等；理论级：离开该级的气液两相组成相平衡。28问题：1.精馏过程的能耗在何处？无液相回流，分离结果如何？无气相回流，分离结果如何？（三）回流作用连续精馏的充分必要条件：最上要有高纯度易挥发组分的液相：液相回流最下要有高纯度难挥发组分的气相：气相回流(上升蒸气)29第三节双组分连续精馏的计算与分析一、全塔物料衡算二、恒摩尔流量的假定三、进料热状态参数q四、操作线方程与q线方程五、理论板数的计算六、回流比与进料热状态对精馏的影响九、精馏塔的操作计算八、理论板数的捷算法计算七、塔顶回流比的选择30设计目标：1）根据分离任务，确定产品流量D，W；2）选择操作条件R、进料状态；3）确定塔板数及加料位置；4）选择塔型，确定塔径，塔内结构尺寸，流体力学验算；5）冷凝器及再沸器热负荷及设计计算。31一、全塔物料衡算单位时间为基准总物料衡算：F=D+W易挥发组分物料衡算：FxF=DxD+WxWF、D、W：kmol/sxF、xD、xW：摩尔分数F,xFD,xDW,xW32分离要求的不同形式：2）组分回收率：1）规定xD、xW二、恒摩尔流量的假定1.恒摩尔流假定33即：V1=V2=……V=常数V1’=V2’=……V’=常数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。（1）精馏段，每层塔板上升的蒸汽摩尔流量都相等，提馏段也一样。但两段的上升蒸汽的摩尔流量不一定相等。34即：L1=L2=······L=常数L1’=L2’=······L’=常数但两段下降的液体摩尔流量不一定相等。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。（2）精馏段内，每层塔板下降的液体摩尔流量都相等，提馏段也一样。352.恒摩尔流假设适用条件两组分的摩尔汽化潜热相等；两相接触因温度不同交换的显热忽略不计；塔设备保温良好，热损失可以忽略不计。36三、进料热状态参数q过冷液体P饱和液体C汽液混合物G饱和蒸汽D过热蒸汽HH37FLV’L’V冷液进料泡点进料FLV’L’VFqF(1-q)FLV’L’V汽液混合进料38FLV’L’V过热蒸汽进料FLV’L’V饱和蒸汽进料39（一）精馏段操作线方程总物料衡算：V=L+D易挥发组分的物料衡算：Vyn+1=Lxn+DxD精馏段的操作线方程四、操作线方程与q线方程40令R=L/D，R称为回流比

精馏段的操作线方程（二）提馏段操作线方程总物料衡算：易挥发组分：精馏段的操作线方程41——塔釜的气相回流比42（三）塔釜气相回流比R’与塔顶液相回流比R及进料热状态参数q的关系43（四）操作线的绘制与q线方程1.精馏段操作线斜率:截距:yxxD操作线为过点（xD，xD

）44xW

过点（xW，xW）斜率截距:yxxDxFDIf2.提馏段操作线FW3.两操作线交点坐标与q线方程45两操作线交点坐标q线方程46L与L’(1)冷液q>1(2)饱和液体q＝1(3)气液混合0<q<1(4)饱和蒸汽q＝0(5)过热蒸汽q<0进料状况q值q线位置V与V’47

q线对两操作线的影响对精馏操作线无影响，对提馏操作线有影响，

q

提馏操作线斜率推动力。48五、理论板数计算（一）理论板数的图解法计算梯级的物理意义理论板上浓度特征：xnyn相平衡，落到平衡线上。某截面浓度特征：xnyn+1操作关系，落到操作线上。49图解法求理论板数讨论：确定最佳进料位置最优进料位置：塔内汽相或液相组成与进料组成相等或相近的塔板。图解法最优进料板：跨越两操作线交点的梯级，NT最少。5051（二）理论板数的逐板计算法全凝器泡点回流泡点进料间接蒸汽加热F,xFD,xDW,xWyWm-112nx1x2xnxm-1y2y1ym-1精馏段：y1=xD精馏段塔板数：n-1n——平衡关系的次数52提馏段：平衡关系：操作关系：或提馏段塔板数：m-1(不含再沸器）53平衡关系：操作关系：或注意：塔顶分凝器与冷凝器，分凝器相当于一块理论板.精馏段塔板数：n-1-1D,xD=y0Іy1y0x054六、回流比与进料热状态对精馏过程的影响QFQDQWQcQ’QvQRQB①q一定，R↑R’、V、V’、L、L’都↑（一）R、

q和R’对冷凝器和蒸馏釜的热负荷影响55③R’一定，QB一定，QF↑（q↓）分离任务一定，热进料，减少塔釜负荷总输入热量一定，塔釜输入热量多，有利传质传热R↑,QC↑②R一定，D、W、xD、xW一定QD、QW一定56（一）R、

q和R’理论板数的影响①q一定，R↑②R一定，D、W、xD、xW一定，q的影响57D、F、xD、R一定，q推动力

NTq

NT是以塔釜负荷增加为代价58③R’一定，xF、xD、xW一定，q↓的影响xWyxxDxFDFWq<0q=00<q<1q=1q>1推动力

NTq↓

NT是以塔顶负荷增加为代价59R的影响RNT、操作费七、塔顶液相回流比的选择60（一）全回流与最少理论板数全回流：塔顶上升蒸气冷凝后全部引回塔顶作为回流。D=0，W=0，F=0；两条操作线合二为一，与对角线重合。N=Nmin

全回流的特点：61全回流时Nmin：第1块62第1块第2块第2块第N-1板第N块（再沸器）塔顶全凝器63——芬斯克公式(多组分)适用条件：双组分混合物，塔顶全凝器，塔釜间接加热。64注意：Nmin：包括再沸器；

xw=xF

全回流的意义:开工、实验研究、设备异常或调试时，便于控制。65（二）最小回流比Rmin66最小回流比对于某一物系，在一定的分离任务下，所需理论板为无穷多时所对应的回流比。恒浓区（夹紧点）

在p点前后气液两相浓度没有变化，即无增浓作用。所以此区称作恒浓区，p点叫夹紧点。67

作图法：理想物系平衡线非理想物系平衡线最小回流比的计算phDFFxqyq68gg69（三）适宜回流比R对操作费用的影响：R对设备费用的影响：70八、理论板的简捷计算法R、NT、Rmin、Nmin关系关联图：吉利兰图71左端：右端：最小回流全回流适用条件：多组分，多种进料状态，：1.264.05N：2.443.1特点：简便、快；双组分、多组分都适用；误差大，可用N估算，方案的比较。72NT的计算步骤：（1）由物系性质及分离程度定Rmin、R；（2）计算全回流下的Nmin（图解法、芬斯克公式）（4）xw=xF，定加料位置注意：吉利兰图可回归成73九、精馏塔的操作计算（试差法）先设xw物料衡算求xD（y1)（接近xw为止）十、直接蒸气加热及两股进料的精馏塔（一）直接蒸汽加热的精馏塔74目的：处理某轻组分的水溶液，难挥发组分为水时，直接蒸气加热，省再沸器流程及特点：FxFWD75NT的计算精馏段操作线提馏段操作线q线总物料衡算L´+S=V´+b易挥发组分L´xn=V´yn+1+bxnF,xFD,xDW,xWSV´,yn+1L,xn´nn+176过点（xb，0）斜率：b/SS=V´b=L´xDxWxF理论板数的求取77（二）两股进料的精馏塔F2,xF2D,xDW,xWF1,xF1ІПШV´´,ys+1L´´,xss+1sІ段：П段：78DxF2xF1xDxw357共7块（含再沸器）第3块为xF1加料板第5块为xF2加料板斜率：І<П<Ш注意：ІП有Rmin

ПШ有RminRmin取其大的q2q1Wf1f279第四节间歇精馏二、xD恒定的操作一、恒定R的操作80特点：1）非定态；2）只有精馏段。操作方式：2）恒定xD，R；1）恒定R，xD。D,xDW,xW一、恒定R的操作1.操作（NT、R一定），xWxWe、xD平均xD

81xD1xD2xW1xW22.计算xD1NT计算以xD1及xF为基准RminRNT始态为基准二、xD恒定的操作1.操作恒定NT、xD

xW达到xWe、R822.计算NT计算依据：终态xD、xWeRminRNTxDR1xW1xW2R2工业间歇操作常为两种方式的结合。83第五节恒沸精馏与萃取精馏一、恒沸精馏二、萃取精馏84一、恒沸精馏（一）含义：加第三组份，形成恒沸物（沸点更低），塔底得纯产品。（二）实例89%E11%W恒沸精馏塔苯回收塔乙醇回收塔苯富水富苯85（三）挟带剂应具备的条件1）新恒沸液A挟带含量少的组分；2）A冷凝后分层；3）A沸点低；能耗低易分离易分离4）价廉、稳定、安全。二、萃取精馏（一）含义：加萃取剂，86（三）萃取剂应具备的条件1）选择性好，；2）沸点高，易回收；3）与原料互溶度大；4）价廉、稳定、安全。回收塔（二）实例87恒沸精馏与萃取精馏的比较：1）原理：恒沸物2）第三组份：塔顶出塔底出难选易选加量受限量变,变3）加入位置：加料处塔顶4）能耗：大小88第六节板式塔六、塔板类型一、塔板结构二、塔板上气液两相的流体现象四、塔高的确定三、塔效率五、塔径的计算89逐级接触式连续接触式901.生产能力大；2.分离效率高；3.阻力小，压降低；4.操作弹性大；5.结构简单、造价低、安装维修方便等。评价塔设备性能的指标91一、塔板结构气体通道（一）气液鼓泡区（二）溢流堰（三）降液管（四）塔板液体流动安排92二、塔板上气液两相的流体现象（一）气液接触状态（3种）液体：连续相气体：分散相传质面：气泡表面鼓泡接触工况93泡沫接触工况液体：连续相气体：分散相传质面：不断更新的液膜表面94气体：连续相液体：分散相传质面：不断更新的液滴表面喷射接触工况工业上常用的是：喷射和泡沫接触状态95（二）塔板上的液面落差液面落差：塔板进出口清液层高度差减少液面落差的措施：多溢流。96（三）塔板筛孔漏液孔速过小或气液分布不均匀，大量液体由筛孔漏下。（四）液泛定义：液体进塔量大于出塔量，结果使塔内不断积液，直至塔内充满液体，破坏塔内正常操作，称为液泛。（五）液沫夹带97气量↑→夹带量↑板间距HT↓→夹带量↑要求液沫夹带量eV≯0.1kg液沫/kg干气主要影响因素减少措施：HT

↑；u↓三、塔效率（一）全塔效率ET=f（物系、板结构、操作条件）关联图98（1）气相单板效率平均组成n（2）液相单板效率平均组成（二）单板效率99注意：1）同一个板，EML不一定等于EMV；仅当

平衡线与操作线平行时两者相等2）不同的板，EML或EMV不一定相等3）EMV或EML可能>100％全回流100四、塔高的确定五、塔径的计算u—气相的空塔气速，m/s.101C－气相负荷因子——液体表面张力，dyne/cm(同mN/m)2020dyne/cmC

2.02020CC

÷øöçèæ=ss下的气相负荷因子＝－－102泡罩泡罩塔板（一）泡罩塔六、板式塔类型103V-浮阀V-浮阀塔板（二）浮阀塔104筛板导向筛板（三）筛板塔105浮舌塔板舌形塔板（四）其它类型塔板1）舌形塔板与浮动舌形塔板1062）ADV浮阀塔板107ADV塔盘的鼓泡状态108《化妆品术语》起草情况汇报中国疾病预防控制中心环境与健康相关产品安全所一、标准的立项和下达时间2006年卫生部政法司要求各标委会都要建立自己的术语标准。1ONE二、标准经费标准研制经费：3.8万三、标准的立项意义术语标准有利于行业间技术交流、提高标准一致性、消除贸易误差，作为标准体系中的基础标准，术语标准在各个领域的标准体系中均起着重要的作用。随着我国化妆品卫生标准体系建设逐步加快，所涉及的术语和定义的数量也在迅速增长，在此情形下，化妆品术语标准的制定就显得尤为重要。四、标准的制订原则1.合法性遵守《化妆品卫生监督条例》、《化妆品卫生监督条例实施细则》中关于化妆品的定义。2.协调性直接引用或修改采用的方式，与相关标准中的术语和定义相协调。3.科学性对于没有国标或定义不统一的术语，在定义时体现科学性的原则。4.实用性在标准体系中出现频率较高，与行业联系较紧密的术语优先选用。五、标准的起草经过

第一阶段：资料搜集

搜集国内外相关法规、标准、文献并对国外文献如美国21CFR进行翻译。第二阶段：2007年末形成初稿

初稿内容包括一般术语、卫生化学术语、毒理学术语、微生物术语、产品术语、人体安全和功效评价术语，常用英文成份术语等７部分。第三阶段：专家统稿1.2007年12月第一次专家统稿会（修订情况：1.在结构上增加原料功能术语、相关国际组织和科研机构等内容；2.在内容上增加一般术语、产品术语的种类，将化妆品行业的新产品类别纳入本标准；3.对于毒理学、卫生化学、微生物学术语进行修改；4.删除与化妆品联系不紧密、无存在必要的常用英文成分术语。2.2009年1月第二次专家统稿会会议意见：1.修改能引用国家标准的尽量引用国家标准；对存在歧义的个别用词进行修改。2.删除由于本标准中的“产品术语”一章和香化协会所制定的某个标准存在重复，因此删除“产品术语”一章的内容；对“原料功能术语”的内容进行梳理，删除了20余条内容。3.增加专家建议增加“化妆品限用物质”等若干项术语。第四阶段：征求意见2009年2月面向全国公开征求意见。第五阶段：征求意见的处理与形成送审稿。在征求意见的处理阶段再次征求了相关专家的意见