第一章-蒸馏(下册)教学课件

第一章蒸馏本章重点：二组分连续精馏塔的计算

7/20/202311.1概述

蒸馏是分离液体混合物重要单元操作之一。其原理是利用混合液中各组分在热能驱动下，具有不同的挥发能力，使得各组分在气液两相中的组成之比发生改变，即易挥发组分（轻组分）在气相中增浓，难挥发组分（重组分）在液相中得到浓缩。蒸馏操作的依据：混合液中各组分挥发度的不同。

蒸馏

蒸馏蒸馏7/20/202321.2两组分溶液的气液平衡1.2.1两组分理想物系的气液平衡相律研究相平衡的基本规律。相律表示平衡物系中的自由度数、相数及独立组分数的关系2---外界影响因素温度，压力对于双组分物系的气液平衡:四个变量中，任意规定两个，可确定平衡物系的状态。若再固定某个变量，则只有一个独立变量7/20/202332两组分理想物系的气液平衡函数关系

理想物系是指液相为理想溶液，气相为理想气体且服从道尔顿分压定律的物系。理想溶液：全部浓度范围内服从拉乌尔定律1）用饱和蒸气压计算气液平衡关系根据拉乌尔定律，平衡时理想溶液上方的分压为：7/20/20234

2）用相对挥发度表示的气液平衡关系蒸馏的依据是混合液中各组分挥发度的不同。在一定条件下纯组分的挥发度由该组分在给定条件下的饱和蒸气压表示。在混合溶液中，由于各组分的相互影响，某一组分的饱和蒸气压比其单独存在时低，故其挥发度用它在气相中的分压与其液相中摩尔分率的比表示。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，以表示。7/20/20235用相对挥发度表示的易挥发组分A的气液相平衡方程式

在一定温度范围内，α可近似为常数。α值的大小反映了混合液分离的难易程度。若α=1，则表明这种混合液不能用普通方法分离。α越大,分离越容易。3两组分理想溶液的气液平衡相图蒸馏中常用的相图有恒压下的温度-组成图和气液平衡相图。1）温度-组成图（t-x-y图）蒸馏通常在一定外压下进行，溶液的温度随组成而变，故恒压下的温度组成图（t-x-y图）对蒸馏过程的分析具有重要意义。

重点7/20/20236

总压对t-x-y关系的影响较大，但对y-x关系的影响较小。故当总压变化不大时，总压对y-x关系的影响可以忽略不计，但对t-x-y的影响则不能忽略。7/20/202371.2.2两组分非理想物系的气液平衡相图7/20/202381.3平衡蒸馏和简单蒸馏1.3.1平衡蒸馏平衡蒸馏又称闪蒸，是一连续、稳态的单级蒸馏过程。其流程如图所示

7/20/20239原料液通过加热器升温（未沸腾），在通过节流阀后因压强突然下降，液体过热，于是发生自蒸发，最终产生相互平衡的气、液两相。气相中易挥发组分浓度较高，与之呈平衡的液相中易挥发组分浓度较低，在分离器内气、液两相分离后，气相经冷凝成为顶部液态产品，液相则作为底部产品。

平衡蒸馏的特点：稳定连续过程，生产能力大，但也不能得到高纯度产物。常用于粗略分离物料，在石油炼制及石油裂解分离的过程中常使用多组分溶液的平衡蒸馏。1.3.2简单蒸馏简单蒸馏又称为微分蒸馏，瑞利1902年提出了该过程的数学描述方法，故该蒸馏又称之为瑞利蒸馏。其流程如图所示。7/20/202310简单蒸馏是分批加入原料，进行间歇操作。蒸馏过程中不断从塔顶采出产品。在蒸馏过程中釜内液体中的轻组分浓度不断下降，相应的蒸汽中轻组分浓度也随之降低。因此，馏出液通常是按不同组成范围收集的。最终将釜液一次排出。所以简单蒸馏是一个不稳定过程。简单蒸馏只能适用于沸点相差较大而分离要求不高的场合，或者作为初步加工，粗略地分离混合物，例如原油或煤油的初馏。7/20/2023111.4精馏原理和流程1.4.1精馏过程原理和条件多次部分汽化、多次的部分冷凝（精馏的原理）利用混合物中各组分挥发能力的差异，通过液相和气相的回流，使气、液两相逆向多级接触，在热能驱动和相平衡关系的约束下，使得易挥发组分（轻组分）不断从液相往气相中转移，而难挥发组分却由气相向液相中迁移，使混合物得到不断分离，称该过程为精馏。该过程中，传热、传质过程同时进行，属传质过程控制。其精馏塔如图所示。原料从塔中部适当位置进塔，将塔分为两段，上段为精馏段，不含进料，下段含进料板为提馏段，冷凝器从塔顶提供液相回流，再沸器从塔底提供气相回流。气、液相回流是精馏重要特点。在精馏段,气相在上升的过程中，气相轻组分不断得到精制，在气相中不断地增浓，在塔顶获轻组分产品。7/20/202312在提馏段，其液相在下降的过程中，其轻组分不断地提馏出来，使重组分在液相中不断地被浓缩，在塔底获得重组分的产品。精馏过程与其他蒸馏过程最大的区别，是在塔两端同时提供纯度较高的液相和气相回流，为精馏过程提供了传质的必要条件。提供高纯度的回流，使在相同理论板的条件下，为精馏实现高纯度的分离时，始终能保证一定的传质推动力。所以，只要理论板足够多，回流足够大时，在塔顶可能得到高纯度的轻组分产品，而在塔底获得高纯度的重组分产品。7/20/202313

7/20/202314蒸馏操作的作用：分离均相液体混合物。精馏的原理：多次的部分冷凝，多次的部分汽化。精馏的必要条件：回流液的逐板下降，蒸汽的逐板上升。精馏的实质：气液两相传质、传热，双向扩散。设置精馏段的目的：除去蒸汽中的重组分。设置提馏段的目的：脱除液相中的轻组分。精馏塔的塔顶几乎是纯的轻组分，温度低（压力低）。精馏塔的塔底几乎是纯的重组分，温度高（压力高）。7/20/20231514-2精馏操作流程7/20/202316

混合物的气、液两相在塔内逆向流动，气相从下至上流动，液相依靠重力自上向下流动，在塔板上接触进行传质。两相在塔内各板逐级接触中，使两相的组成发生阶跃式的变化，故称板式塔为逐级接触设备。

当回流液或料液进入时，将填料表面润湿，液体在填料表面展为液膜，流下时又汇成液滴，当流到另一填料时，又重展成新的液膜。当气相从塔底进入时，在填料孔隙内沿塔高上升，与展在填料上的液沫连续接触，进行传质，使气、液两相发生连续的变化，故称填料塔为微分接触设备。7/20/2023171.5两组分连续精馏的计算精馏塔的计算内容包括：馏出液及釜液的流量、塔板数或填料高度、进料口的位置、塔高、塔径等。

1.5.1理论板的概念及恒摩尔流假定1、理论板的概念

理论板指离开该板的气相组成与离开该板的液相组成之间互成平衡的理想化塔板。

2、恒摩尔流假定（1）恒摩尔气流

精馏段：V1=V2=…=Vn=V

提馏段：V1‘=V2’=…=Vn‘=V‘

除饱和液体进料q=1以外,其余V≠V'.

7/20/202318（2）恒摩尔液流

精馏段：L1=L2=…=Ln=L提馏段：

恒摩尔流假定成立的条件：(1)各组分的摩尔汽化潜热相等；（主要条件）(2)气液接触时因温度不同而交换的显热可以忽略；(3)塔设备保温良好，热损失可以忽略不计。7/20/2023191.5.2物料衡算和操作线方程1、全塔物料衡算（重点）塔顶易挥发组分的回收率塔底难挥发组分的回收率

7/20/2023202、精馏段操作线方程（重点）例用连续精馏方法分离乙烯、乙烷混合物。已知进料中含乙烯0.88（摩尔分数，下同），流量为200kmol/h。今要求馏出液中乙烯的回收率为99.5%，釜液中乙烷的回收率为99.4%，试求所得馏出液、釜液的流量和组成。7/20/2023213、提馏段操作线方程1.5.3进料热状况的影响在生产实际中，精馏塔的进料可能有五种不同的热状态：过冷液体（温度低于泡点）；饱和液体（温度等于泡点）；气液混合物（温度在泡点和露点之间）；饱和蒸气（温度等于露点）；过热蒸气（温度高于露点）。（重点）7/20/202322进料热状况参数q精馏段与提馏段物流之间的关系为：（重点）q>1q=1q=0～1q=0q<0

过冷液体进料

饱和液体进料

气液混合物进料

饱和蒸气进料

过热蒸气进料

7/20/202323(a)q>1(b)q=1(c)q=0～1(d)q=0(e)q<0

7/20/2023241.5.4理论板层数的求法

相平衡关系精馏操作方程提馏段操作线方程

1、逐板计算法逐板计算法是利用相平衡方程和操作线方程，根据塔顶馏出液或塔釜液的组成，从塔顶或塔底开始向塔的进料板方向计算。计算精馏段理论板数，利用精馏段操作线方程和相平衡方程；计算提馏段理论板数，利用提馏段操作线方程和相平衡方程。精馏段理论板数与提馏段理论板数之和，即为全塔理论板数。7/20/202325例题：设计一精馏塔，用以分离双组分混合物，已知原料液流量为100kmol/h，进料中含轻组分0.2（摩尔分数，下同），要求馏出液和釜液的组成分别为0.8和0.05。泡点进料（饱和液体），物系的平均相对挥发度α=2.5，回流比R=2.7。试求：1）精馏段和提馏段操作线方程；2）从塔顶数第二块板下降的液相组成。7/20/202326例题用一常压精馏塔分离某二元理想溶液，进料中含轻组分0.4（摩尔分数，下同），进料量为200kmol/h饱和蒸汽进料，要求馏出液和釜液的组成分别为0.97和0.02。已知操作回流比R=3.0，物系的平均相对挥发度α=2.4，塔釜当作一块理论板处理。试求：（1）提馏段操作线方程；（2）塔釜以上第一块理论板下降的液相组成。（从塔底向上计算）7/20/2023272、q线方程

在进料板上，同时满足精馏段和提馏段的物料衡算，故两操作线的交点落在进料板上。当q为定值，改变塔操作的回流比时，两操作线交点轨迹即q线。当一定操作回流比条件下，不同热状态对提馏段存在显著的影响

（重点）7/20/202328例题：常压下分离丙酮水溶液的连续精馏塔，进料中丙酮50%（摩尔分数，下同），其中气相占80%，要求馏出液和釜液中丙酮的组成分别为95%和5%，回流比R=2.0，若进料流量为100kmol/h，分别计算精馏段和提馏段的气相和液相流量，并写出相应的两段操作线方程和q线方程。7/20/2023293图解法（1）在直角坐标系中绘出物系的相平衡曲线和对角线。

（2）绘出精馏段操作线（精馏段操作线通过D、C两点）。（3）绘出q线（q线与精馏段操作线相交于Q点）（4）连接W点与q线与精馏段操作线的交点Q，得到提馏段操作线。（5）在平衡线与精馏段操作线之间作梯级，当梯级跨过两操作线的交点时，应改在提馏段操作线与平衡线之间作梯级，直至梯级达到或跨过点w为止。此时，梯级数N（含再沸器）为所求的理论塔板数N，跨过两操作线交点的板为进料板。7/20/2023301.5.5回流比的影响及其选择

回流比R是精馏过程设计和操作的重要参数。R值的大小直接影响精馏塔的分离能力、系统的能耗和设备的结构尺寸。

1、全回流与最少理论板数如果精馏塔在操作过程中将塔顶蒸气全部冷凝，其冷凝液全部返回塔顶作为回流，称此操作为全回流，回流比R为无穷大（R=∞）。操作线方程可表示为：

（芬斯克方程）7/20/2023312、最小回流比Rmin随着回流比R的减小，则精馏过程的能耗下降，塔径D也回随之减小。但因R减小，使操作线交点向平衡移动，导致过程传质推动力减小，使得完成相同的分离要求所需理论板数N随之增加

当回流比继续减小，使两操作线交点落在平衡曲线上，此时完成规定分离要求所需理论板数为∞。此工况下的回流比为该设计条件下的最小回流比Rmin。7/20/202332（重点）3、适宜回流比

以获得精馏总成本最低的回流比为最优回流比。总成本为投资费用和操作费用之和。

操作费用和投资费用之和最小的回流比为最适宜的回流比。这一回流比R通常选最小回流比倍数经验范围：大多数文献建议R=（1.1～2.0）Rmin7/20/202333例在常压连续精馏塔中分离苯-甲苯混合液，原料液流量为1000kmol/h，组成为含苯0.4（摩尔分数，下同），馏出液组成为含苯0.9，苯在塔顶的回收率为90%，泡点进料(q=1)，操作回流比为最小回流比的1.5倍，物系的平均相对挥发度为2.5。试求：（1）精馏段操作线方程；（2）提馏段操作线方程。

7/20/202334例题

在连续精馏塔中分离苯—甲苯混合液。原料液组成为0.4（摩尔分数，下同），馏出液组成为0.95。汽--液混合进料，其中汽相占1/3（摩尔数比），回流比为最小回流比的2倍，物系的平均相对挥发度为2.5，塔顶采用全凝器。试求:(1)精馏段操作线方程；（2）从塔顶往下数第二层理论板的上升气相组成。7/20/2023351.5.6简捷法求理论板层数P32

将许多不同精馏塔的回流比、最小回流比、理论板数及最小理论板数即R、Rmin、N、Nmin四个参数进行定量的关联。常见的这种关联如图所示，称为吉利兰图（Gillilad）。使用简捷法计算理论塔板数的具体步骤是：（1）根据精馏给定条件计算Rmin，并选择适宜的R；（2）由芬斯克方程及给定条件计算Nmin；（3）利用图或公式求出得理论板数N。P33注意：N及Nmin均为不含再沸器的理论板数。

7/20/2023361.5.7其它蒸馏方式简介P341、直接蒸气加热

如果所分离的混合物是某种易挥发组分的水溶液，则可将加热蒸气直接通入塔釜内，直接加热。这样加热蒸气将热量、质量均带入塔内，同时参与塔的热量、质量的传递。该过程提高了传热效率，可使用温度相对低的加热蒸气，同时，又节省了一台再沸器。

7/20/202337由物料衡算可知精馏段物料衡算与常规塔完全一致，仅提馏段有所不同。V0－塔釜蒸气用量。按恒摩尔流假设处理，近似有7/20/2023382、多股进料和多侧线采出的精馏(1)多股进料当两股组分相同，组成各异的原料在同一塔中分离，为避免混合增加分离的能耗，则分别在适宜位置加入。

7/20/202339(2)多侧线出料当需要获取浓度不同的两种或多种产品，或某组分在某几块塔板上存在富集现象时，为获得该组分产品或消除该组分对塔两端产品的影响，应采取侧线出料的方法

7/20/2023403、塔顶设有分凝器在一般情况下塔顶蒸气应全部冷凝，并保持一定过冷度，以免蒸气未冷凝而积累，引起塔压升高。如果塔顶蒸气中含有较轻的组分，一般冷却剂难以将其冷凝，提高冷却剂品位又不经济，此时，塔顶可以加设分冷凝器，将未凝的部分轻组分气体采出。分凝器相当一块理论板理论板数的计算同前，但第一块板为分凝器。7/20/2023411.5.8塔高和塔径的计算1、塔高的确定根据完成所要求的分离任务求得理论板数，再根据全塔效率即可确定该塔的实际塔板数。板式塔有效段（气液接触段）高度由实际塔板数和板间距决定。——实际板层数——板间距，m

2板效率和实际板数

7/20/202342（1）单板效率它是以气相（或液相）经过实际塔板的组成变化值与经过理论板时的组成变化值之比表示的。

7/20/202343（2）．全塔效率理论塔板数与实际塔板数之比称为全塔效率。3、塔径的计算或VS———应取精馏段和提馏段中大的气体体积流量空塔气速u选得较小，塔径将增大，设备投资高，反之则相反。

7/20/2023441-5-9精馏操作分析（外加内容）一、塔的一端产品不合格导致塔产品不合格的原因很多，而且比较复杂，但在诸多原因中，首先要考虑塔的物料衡算。(1)当塔顶产品采出量大于由全塔总物料衡算得出的采出量时，势必导致塔底重组分更多的进入塔顶产品中，引起塔顶产品纯度下降，而塔底产品中重组分纯度进一步提高，即过度分离。反之，(2)当塔顶产品采出量小于由全塔总物料衡算得出的采出量时，则部分轻组分向塔底转移，使得塔底轻组分含量升高。即塔底产品不合格。由以上分析可知，在采出量不合理的条件下，无论如何改变其它条件，均不可能得到合格的产品。唯一的措施是调整采出量，使之与分离要求相匹配。7/20/202345二、塔的两端产品纯度不合格如果新投产或改造后开始投入运行的塔，出现塔两端产品不合格，与塔在正常运行中出现异常有所不同，前者问题较后者严重。故障的发生通常有两方面的原因，其一是塔结构，其二是操作条件。而正常运行中的塔应主要从操作条件等因素进行分析诊断。精馏塔投入运行时，应从小负荷开始调试，达到要求后，逐渐提高负荷，也应对塔进行严格模拟计算，核算采出量是否合理。如果采出量大于合理采出量。首先应采用全回流或减小采出量的措施，使塔顶产品达到分离要求。在塔顶产品达到分离要求的前提下，逐渐加大采出量，同时提高回流比，以保证塔两端的产品均达到分离要求。7/20/202346当塔两端产品均达到要求后，可逐渐增加进料量，使之达到设计能力。如果当塔顶采出量达到设计产量时，两端产品不符合分离要求，若提高回流比仍不能奏效，同时发现塔内压差显升高，说明塔板水力学性能（将在板式塔中介绍）受到限制。这种情况应逐渐减少进料量，稳定操作，使塔两端产品达到分离要求。如果在操作中，提高回流比R，塔两端的分离效果变化不大，而塔压差也无明显变化，说明塔板数不足，或是塔板的效率太低。7/20/2023471.6间歇精馏

间歇精馏如图所示。间歇蒸馏又称分批精馏。将原料分批加入釜内，每蒸馏完一批原料后，再加入第二批料。所以，对批量少，品种多，且经常改变产品要求的分离，常采用间歇蒸馏。间歇蒸馏有两种操作方式：（1）恒定回流比R（2）恒定塔顶组成间歇蒸馏有以下特点：a.间歇蒸馏属于非稳态过程b.只有精馏段没有提馏段7/20/2023481.7

恒沸精馏和萃取精馏

一些具有恒沸点的非理想溶液，因该点的相对挥发度等于1，为此，不能采用常规蒸馏方法将其完全分离；有些相对挥发度接近1的体系，采用常规精馏，则需要理论板数多，回流比大，很不经济。对上述两种情况，可分别采用恒沸精馏和萃取精馏方法进行分离。1.7.1恒沸精馏

在双组分混合液中加入第三组分（称为夹带剂），该组分能与原溶液中的一个或两个组分形成一新的最低恒沸物，恒沸物从塔顶蒸出，塔底引出较纯产品，这种精馏称之为恒沸精馏。

乙醇-水常压下恒沸点为78.15℃，其恒沸点组成是，乙醇0.894，水0.006（摩尔分数）。当加入夹带剂苯时，即可形成更低沸点的三元恒沸物。其组成是：苯0.544，乙醇0.23，水0.226，沸点为64.6℃。在较低温度下，苯与乙醇、水不互溶而分层，从而苯被分离出来。7/20/2023497/20/2023507/20/202351对夹带剂的要求是：①夹带剂应能与被分离组分形成新的恒沸物，且该恒沸物易于和塔底组分分离；②新恒沸物中夹带剂的含量要少，以便降低操作费用；③新恒沸物最好为非均相混合物，便于用分层法分离；④价格低廉、安全可靠。1.7.2萃取精馏萃取精馏(和恒沸精馏相似，也)是向原料液中加入第三组分（称为萃取剂或溶剂），以改变原组分间的相对挥发度而达到分离要求的特殊精馏方法。萃取剂本身挥发性很小，不与混合物形成共沸物，却能显著地增大原混合物组分间的