化工原理第09章01改资料课件

第9章液体精馏9.1蒸馏概述9.1.1蒸馏分离的目的和依据目的：液体混合物的分离，提纯或回收有用组分。依据：混合液中各组分挥发性的差异。第9章液体精馏9.1蒸馏概述液体部分气化后的组成与剩余的液体组成必须有区别。液体部分气化后的组成与剩余的液体组成9.1.2工业蒸馏过程平衡蒸馏(闪蒸):连续定态简单蒸馏:间歇9.1.2工业蒸馏过程平衡蒸馏(闪蒸):简单蒸馏:间歇9.1.3蒸馏操作的费用和操作压强

汽化：耗热：冷凝：需提供冷却量。

操作费用：加热费和冷却费。

加压蒸馏：Tc↑免用冷冻剂，但Th↑。

减压蒸馏：Th↓免用高温载热体，但Tc↓。9.1.3蒸馏操作的费用和操作压强9.2双组分溶液的汽液相平衡9.2.1理想物系的汽液相平衡

理想物系:(1)液相为理想溶液；(2)汽相为理想气体。9.2.1.1汽液两相平衡共存时的自由度

F=N–Φ+2=2–2+2=2

参数:p,t,yi,xi

；

p

一定，F=1，故:x(y)~t一一对应

y~x9.2双组分溶液的汽液相平衡9.2.1理想物系的汽液相平9.2.1.2液相组成与温度（泡点）关系式

沸腾：

Antoine方程：9.2.1.2液相组成与温度（泡点）关系式双组分理想物系的液相组成—温度(泡点)关系式1)液相为理想液体(组分分子结构相似),服从拉乌尔定律;2)气相为理想气体(低压气体),服从道尔顿分压定律.

双组分理想物系的液相组成—温度(泡点)关系式平衡常数：9.2.1.4汽相组成与温度（露点）关系式9.2.1.3汽液两相平衡组成间的关系式平衡常数：9.2.1.4汽相组成与温度（露点）关系式9.29.2.1.5t~x(y)图和y~x图9.2.1.5t~x(y)图和y~x图例：某二元组成，由液相升温过程的变化；由气相降温过程的变化。xAxBt泡点线露点线气相区液相区两相区重组分沸点P=常数轻组分沸点例：某二元组成，由液相升温过程的变化；xAxBt泡点线露点线9.2.1.6相对挥发度α挥发度：，

相对挥发度：

对双组分物系，，，则

理想溶液：，

α↑,y↑

(x一定),α标志分离难易。

9.2.1.6相对挥发度α讨论:1)上式相平衡方程，反映了双组分物系平衡时两相的浓度关系2)对理想物系3)对物系相对挥发度相差不大（操作温度范围）4)相差较大,但不超过30%5)α越大平衡线离对角线越远，容易分离。讨论:

非理想物系：（1）液相为非理想液体（2）气相为非理想气体

非理想物系：9.2.2非理想物系的汽液相平衡

非理想物系（R）9.2.2.1非理想溶液

，分别为组分A，B的活度系数9.2.2非理想物系的汽液相平衡当总压不太高时，有：当偏差达到一定程度时，会形成恒沸物。当总压不太高时，有：活度系数可以用实验数据关联：常用的关联式有范拉（Vanlaar）方程，马古斯方程（Margules）。关联的实例见P55例9-2由实验数据关联方程参数。活度系数可以用实验数据关联：9.2.2.2总压对相平衡的影响蒸馏的压强增高，泡点升高，相对挥发减小，分离困难。（见P57图9-12）9.2.2.2总压对相平衡的影响9.3平衡蒸馏和简单蒸馏9.3.1平衡蒸馏9.3.1.1过程的数学描述

(1)物料衡算

9.3平衡蒸馏和简单蒸馏9.3.1平衡蒸馏(2)热量衡算加热炉的热流量：节流减压后：料液加热温度：(3)过程特征方程式相平衡方程(理想溶液)泡点方程(2)热量衡算9.3.1.2平衡蒸馏过程的计算给定汽化率(1–

q)，联立方程：

(1)

(2)可得汽、液相组成y，x9.3.1.2平衡蒸馏过程的计算9.3.2简单蒸馏9.3.2.1过程的数学描述

微元时间作易挥发组分的物料衡算：

略去二阶无穷小量，则

积分相平衡方程式

9.3.2简单蒸馏9.3.2.2简单蒸馏的过程计算

理想溶液

馏出液平均组成：9.3.2.2简单蒸馏的过程计算9.4精馏9.4.1精馏过程9.4.1.1精馏原理

精馏段作用

提馏段作用相平衡条件y>x保证了只需部分回流。∵y>x∴L<V常规精馏9.4精馏9.4.1精馏过程常规精馏上述平衡蒸馏与简单蒸馏可见只经过一次部分气化,即只利用一次平衡关系,因此不能获得高纯度产品.精馏实际是多次部分气化或多次部分冷凝,即利用多次平衡关系。得到许多中间产品上述平衡蒸馏与简单蒸馏可见得到许多中间产品为了消除中间产品可以以下流程用上升蒸汽的热量使液体部分气化,由于是同一物系,可用直接接触方式换热。工业上精馏是在精馏塔内完成的，塔顶冷凝器将蒸汽冷凝后，一部分冷凝液回流入塔,称为回流液.塔底装有再沸器气化部分液体成蒸汽使之沿塔上升，与下降的液体逆流接触进行物质传递,达到分离的目的。

为了消除中间产品可以以下流程工业上精馏是在精馏塔内完成的，塔常规精馏塔见图9-14一股进料,二股出料,塔顶是全凝器,塔底是间壁式的再沸器.在塔的加料板以上完成上升蒸汽的精制,除去其中的重组分,称为精馏段;在塔的加料板以下完成液体中提浓,提出轻组分,称为提馏段.

精馏与简单蒸馏的区别在于”回流”,回流构成气液两相接触传质的必要条件,使重组分向液相传递,轻组分向气相传递.（P60）全塔物料衡算精馏塔操作的各流率和组成间的关系均受全塔物料衡算的约束.流率以kmol/s表示,气液组成以摩尔分率y和x表示.常规精馏塔见图9-14精馏段作用：吸收重组分，完成上升蒸汽的精制。提馏段作用：脱除轻组分，完成下降液体中重组分的提浓。化工原理第09章01改资料课件化工原理第09章01改资料课件9.4.1.2全塔物料衡算总物料衡算轻组分衡算

，

(1)规定xD,xW,则D/F及W/F亦随之确定；

(2)规定D,xD,则W,xW亦随之确定。

，9.4.1.2全塔物料衡算9.4.1.3回流比和能耗回流比：

R↑，V↑，加热速率↑，冷凝量↑，能耗↑。9.4.1.3回流比和能耗9.4.2塔板上过程的数学描述9.4.2.1单块塔板的物料衡算和热量衡算

总物料衡算

Vn+1+Ln-1=Vn+Ln

轻组分衡算

Vn+1yn+1+Ln-1xn-1=Vnyn+Lnxn

热量衡算

Vn+1In+1+Ln-1in-1=VnIn+Lnin（忽略热损失）

（实际塔板结构）9.4.2塔板上过程的数学描述饱和蒸汽：I=i+γVn+1(γn+1+in+1)+Ln-1in-1=Vn

(γn+in)+Lnin热量衡算的简化与恒摩尔流假定假设in+1=in-1=in=

i，γn+1=

γn=

γ

，则(Vn+1–Vn)γ=(Ln+Vn–Ln-1–Vn+1)in联立总物料衡算Vn+1=Vn，Ln=

Ln-1，无加料和出料的任一塔段中，各板上升的蒸汽量均相等，各板下降的液体量也均相等。恒摩尔流假定条件：两组分的汽化热近似相等；忽略显热项误差；忽略热损失。饱和蒸汽：I=i+γ9.4.2.2塔板传质过程的简化

理论板：汽液两相充分混合，传质和传热过程阻力为零的理想化塔板。满足

tn=φ(xn)

yn=f(xn)

板效率：表达实际塔板与理论板的差异。对于具体分离任务，所需理论板的数目只决定于物系的相平衡及两相的流量比。9.4.2.2塔板传质过程的简化

理论加料板:不论进入加料板各物流的组成、热状态及接触方式如何，离开加料板的汽液两相温度相等，组成互为平衡。理论板概念的引入使复杂的精馏问题分解为两个问题,然后分步解决.

理论板数量取决于分离要求,相平衡和回流比.板效率大小取决于设备和气液接触状况.(相当于NOG和HOG)经过简化单块板的数学方程为:物料衡算式相平衡方程理论加料板:不论进入加料板9.4.2.3加料板过程分析(1)理论加料板

理论加料板（R）物料衡算式

相平衡方程

ym=f(xm)9.4.2.3加料板过程分析加料的热状况——原料加热到不同温度时状态不一；有冷液，饱和液，气液两相，饱和气，过热气。不同的加料状态，离开加料板的两相流量和组成也不同。q：加料热状态参数，大小等于每加入1kmol的原料使提馏段液体所增加的kmol数。加料的热状况——原料加热到不同(2)精馏段与提馏段两相流量的关系总物料衡算热量衡算联立上两式：

q的定义：

q：(R)q(2)精馏段与提馏段两相流量的关系五种加料热状态：

q=0饱和蒸汽进料；0<q<1汽液混合物进料；q=1泡点进料；q>1冷液进料；q

<0过热蒸汽进料五种加料热状态：9.4.2.4精馏塔内的摩尔流率精馏段

提馏段

塔顶全凝器的热负荷塔釜热负荷冷凝器物料衡算塔釜物料衡算9.4.2.4精馏塔内的摩尔流率9.4.3精馏塔的操作方程9.4.3.1精馏段操作方程9.4.3精馏塔的操作方程9.4.3.2提馏段操作方程9.4.3.2提馏段操作方程9.4.3.3q线方程，

∴

两操作线交点的轨迹方程。9.4.3.3q线方程9.4.3.4操作方程的图示___操作线9.4.3.4操作方程的图示___操作线操作方程的图示——操作线精馏段的端点y＝xD，x＝xD

斜率R(R+1),截距xD/(R+1)提馏段的端点y＝xW，x＝xW斜率两操作线的交点xWxD操作方程的图示——操作线xWxD9.4.3.5理论板的增浓度9.4.3.5理论板的增浓度9.5双组分精馏的设计型计算9.5.1理论板数的计算9.5.1.1设计型计算的命题

分离要求：(1)D，xD(W,xW)；(2)xD,xW；(3)η=DxD/FxF

规定一个，其余随之而定。选择条件：操作压强p，回流比R和进料热状态q，选定后，相平衡关系及操作方程随之而定。求取：NT9.5双组分精馏的设计型计算9.5.1理论板数的计算9.5.1.2逐板计算法连续精馏塔，塔顶设全凝器，泡点回流。步骤：(1)；(2)；(3)……交替使用相平衡方程和操作方程，至xi≤xq时，改换提馏段操作方程，至xN≤xW止。9.5.1.2逐板计算法逐板计算法的图示逐板计算法的图示见图阶梯数为理论板数；跨越点xq，yq的板为加料板位置。再沸器由于体积大液体停留时间长可以认为是一块理论板。xDxWx1，y1xN，yNxq，yq见图xDxWx1，y1xN，yNxq，yq

逐板计算法的图示化工原理第09章01改资料课件操作线的实际作法消去上二式的xD，得1）以点xD和截距作精馏段操作线；2）以q线的斜率和点xF作q线；3）以点xW和点xq，yq作提馏段操作线。qq操作线的实际作法qq热状态和q线的斜率泡点加料是垂线露点加料是水平线q＝1q=00<q<1q>1q<0xF热状态和q线的斜率q＝1q=00<q<1q>1q<0xF9.5.1.3最优加料位置的确定最优加料板位置：该板x≤xq(xq为两操作线交点坐标)9.5.1.3最优加料位置的确定9.5.2回流比的选择两者均有利于传质,NT↓，但R↑，↑，能耗↑。9.5.2回流比的选择9.5.2.1全回流与最少理论板数9.5.2.1全回流与最少理论板数最少理论板数的计算，对应理想溶液：最少理论板数的计算，对应理想溶液：9.5.2.2最小回流比RminRmin

与相平衡性质及分离要求有关。

9.5.2.2最小回流比Rmin化工原理第09章01改资料课件最小回流比Rmin两操作线向平衡线靠近，理论板数需要无穷多，e点为挟点，附近为恒浓区；最小回流比与平衡关系和分离要求有关。最小回流比Rmin9.5.2.3最适宜回流比的选取9.5.2.3最适宜回流比的选取9.5.2.4理论板数的捷算法9.5.2.4理论板数的捷算法9.5.3加料热状态的选择(1)R一定（冷却量固定）

q值的变化不影响精馏段操作线的位置，但明显改变了提馏段操作线的位置。

q↓（预热原料），NT↑热量尽可能施于塔底!!

原因(R)原因9.5.3加料热状态的选择原因：R一定（冷却量固定），q↓（预热原料），↓，↑,传质推动力↓，NT↑化工原理第09章01改资料课件一定（塔釜加热量固定）

q↑（预冷原料）NT↑，冷量尽可能施于塔顶!!

原因：一定(加热量一定),q↑(预冷原料),R↓,

↓，传质推动力↓,NT↑。

一定（塔釜加热量固定）9.5.4双组分精馏过程的其它类型9.5.4.1直接蒸汽加热

由恒摩尔流假定：

9.5.4双组分精馏过程的其它类型在分离要求相同的情况下，因加热蒸汽凝液排出时也带出少量轻组分，将使轻组分的回收率降低。因此须尽可能除去加热蒸汽夹带的水分。在分离要求相同的情9.5.4.2多股加料浓度不同的料液在同一塔内分离。回流比减小时，三操作线均向平衡线靠拢。挟点位置有多种可能。混合加料不利，能耗增加。9.5.4.2多股加料9.5.4.3侧线出料需要组成不同的多种产品。无论侧线产品为液相还是汽相，总有：挟点一般在q线与平衡线交点处。9.5.4.3侧线出料化工原理第09章01改资料课件9.5.4.4回收塔回收稀溶液中的轻组分，馏出液浓度需要不高。xD↑,↓,

F/D↑,NT↑9.5.4.4回收塔化工原理第09章01改资料课件9.5.5精馏方案的比较不同的物系性质及分离要求，可有多种流程，应从能耗、设备费及产品收率等方面作经济分析。分离重组分为水的溶液，直接蒸汽加热可免去蒸馏釜。9.5.5精馏方案的比较(1)xF,q,R,xD,xW

相同,比较能耗及η顶直接蒸汽加热间接蒸汽加热

R不变,D直↓,↓,能耗直↓NT直<NT间(1)xF,q,R,xD,xW相同,比(2)xF,q,R,xD,η

相同，比较NT

及能耗

D,

xD

相同,V=(R+1)D相同，相同，能耗相同。

D/F保持一定,S冷凝由釜底排出,xW直↓,NT直↑(2)xF,q,R,xD,η相同，比较N9.6双组分精馏的操作型计算9.6.1精馏塔的温度分布和灵敏板9.6.1.1精馏塔的温度分布tB=f(p,x),各板p，x不同，因而精馏塔存在温度分布。9.6双组分精馏的操作型计算9.6.1精馏塔的温度分布和化工原理第09章01改资料课件9.6.1.2灵敏板灵敏板：操作条件变动引起温度变化最为显著的塔板。这些塔板的温度对外界干扰的反映最灵敏。9.6.1.2灵敏板9.6.2精馏过程的操作型计算9.6.2.1操作型计算的命题已知：NT,加料板位置m,相平衡关系,xF,q,R,规定：D/F。求取：xD,xW及逐板的组成分布。特点:(1)变量众多且关系为非线性，须试差求解。(2)加料板位置(或其它操作条件)一般不满足最优化条件。计算所用方程与设计时相同。以下仅作定性分析。9.6.2精馏过程的操作型计算9.6.2.2回流比增加对精馏结果的影响

已知：NT,m,α,xF,q,D/F一定，R↑求：xD,xW的变化。

分析：，∴

xD↑,tD↓,xW↓,tW↑9.6.2.2回流比增加对精馏结果的影响化工原理第09章01改资料课件D/F规定，籍R增加以提高xD并非总是有效！(1)xD

的提高受全塔物料衡算限制，极限值；

xD的提高受精馏塔分离能力的限制。D/F规定，籍R增加以提高xD并非总是有效！

在回流比较小时，R↑,xD↑,xD受分离能力(回流比)的影响。在回流比较大时,xD受物料衡算限制,R↑,xD无明显变化,xD取决于采出率D/F。

在回流比较小时，R↑,xD↑,xD受分离9.6.2.3采出率增加对精馏结果的影响已知：NT,m,α,xF,q,R一定,D/F↑,求：xD,xW的变化，分析：不变，∴xD↓,tD↑,xW↓

,tW↑9.6.2.3采出率增加对精馏结果的影响化工原理第09章01改资料课件9.6.2.4进料组成变动的影响

已知：NT,m,α,q,R,D/F一定,xF↓。

求：xD,xW的变化。分析：不变，xD↓,xW↓

加料板位置不一定最优。9.6.2.4进料组成变动的影响9.6.3精馏塔的操作板式精馏塔的不正常操作现象9.6.3精馏塔的操作9.7间歇精馏9.7.1间歇精馏过程的特点特点：(1)过程非定态；(2)无提馏段，获得

xD,xW

一定的产品，能耗大于连续精馏。9.7间歇精馏9.7.1间歇精馏过程的特点9.7.2xD恒定的间歇精馏设计计算命题：已知F,xF,指定xD不变，操作至规定xw或η，选择R变化范围。求：NT。9.7.2xD恒定的间歇精馏9.7.2.1确定理论板数

NT

xD不变，xW↓，以xW终为计算基准。9.7.2.1确定理论板数NT9.7.2.2每批料液的操作时间τ在时间内的汽化量为，且等于塔顶蒸汽量

(1)

任一瞬时之前已馏出的液体量D由物料衡算式确定，即

将此式代入(1)9.7.2.2每批料液的操作时间τ

积分得

在操作过程中因塔板数不变，每一釜液