化工原理-上下册-修订版-(夏清-陈常贵-着)-天津大学出版社-第六章-蒸馏

第六章蒸馏§6.1概述§6.2

双组分溶液的汽液平衡§6.3平衡蒸馏与简单蒸馏§6.4精馏原理§6.5两组分连续精馏的计算§6.6间歇精馏§6.7恒沸精馏与萃取精馏四川理工学院材化系1蒸馏教学要求：重点：两组分的相平衡关系；两组分联系精馏的计算；影响精馏过程的主要因素。覆盖内容：两组分物系的汽液平衡关系，t-x-y图,x-y图，拉乌尔定律，泡点方程、露点方程、相对挥发度及其影响因素；精馏原理；双组分连续精馏塔的物料衡算，恒摩尔流假设，理论板的概念，操作线方程，进料热状况，q的意义及计算，最小回流比的概念及确定，回流比对精馏过程的影响，理论板数的确定；（图解法，逐板计算法及简捷法）；点效率、板效率和塔效率的概念，实际塔板数的确定；精馏装置的热衡算；平衡蒸馏、简单蒸馏的特点及计算，间歇精馏的特点及计算步骤；恒沸精馏、萃取精馏的概念；精馏塔全塔效率及点效率的测定方法。四川理工学院材化系2蒸馏6.1

概述混合物均相物系非均相物系非均相物系的分离主要依靠质点运动与流体流动原理实现分离均相物系的分离条件是必须造成一个两相物系，然后依据物系中不同组分间某种物性的差异，使其中某个组分或某些组分从一相向另一相转移，以达到分离的目地传质过程——物质以扩散的方式，从一相转移到另一相的相界面的转移过程，称为物质的传递过程，简称传质过程。四川理工学院材化系3蒸馏6.1

概述

蒸馏——通过加热造成气液两相物系，利用物系中各组分的挥发度不同的特性以实现分离的目的。易挥发组分：沸点低的组分难挥发组分：沸点高的组分蒸馏分离的特点：（1）通过蒸馏操作，可以直接获得所需要的组分（产品），因此一般蒸馏操作流程较为简单。（2）蒸馏分离应用较广泛，历史悠久。它不仅可分离液体混合物，而且可分离气体混合物。（3）在蒸馏过程中，由于要产生大量的气相或液相，因此要消耗大量的能量。能耗的高低是决定是否能采用蒸馏分离的主要因素。四川理工学院材化系4蒸馏6.1

概述间歇蒸馏连续蒸馏按操作压强常压蒸馏减压蒸馏加压蒸馏按蒸馏方式简单蒸馏平衡蒸馏精馏特殊精馏按待分离混合物中组分的数目双组分精馏多组分精馏按操作流程本章重点讨论常压下双组分连续精馏的原理和计算返回四川理工学院材化系5蒸馏6.2

双组分溶液的汽液平衡

溶液的气液平衡关是蒸馏过程的热力学基础，是它的依据，因此了解混合物的气液平衡关系是理解掌握过程的最基本条件。1.2.1

两组分理想物系的气液平衡一、理想物系与拉乌尔定律所谓理想物系是指液相和气相应符合以下条件：（1）液相为理想溶液，遵循拉乌尔定律。（2）气相为理想气体，遵循道尔顿分压定律。四川理工学院材化系6蒸馏拉乌尔定律--在一定的温度下，溶液上方任意组分的蒸汽分压，等于该纯组分在同温度下的蒸汽压与该组分在溶液中的摩尔分率之乘积。拉乌尔定律示意图

在溶液温度下纯A组分的饱和蒸汽压在溶液温度下纯B组分的饱和蒸汽压四川理工学院材化系7蒸馏二、相律

相律是研究相平衡的基本规律。相律表示平衡物系中的自由度数、相数及独立组分数间的关系。式中Ｆ－自由度数Ｃ－独立组分数

φ－相数１、对于双组分系统，F＝２平衡物系涉及的参数有温度、压强与气、液两相的组成。对双组分物系，当一相中某一组分的浓度确定后，另一组分的浓度随之确定，故液相或气相的组成均可用单参数表示，因此，只要温度、压强和气、液两相组成这四个变量中任意规定两个，则平衡物系的状态将被唯一地确定，余下的参数不能任意选择。２、恒压操作：Ｐ恒定，则该平衡物系只剩一个自由度，因此，在恒压下的双组分气液平衡物系必存在如下关系：液相（或气相）组成与温度的一一对应关系；气液相间的一一对应关系。1.2.1两组分理想物系的气液平衡四川理工学院材化系8蒸馏三、两组分理想物系的气液平衡函数关系1.液相组成与温度(泡点)的关系--泡点方程

由于纯组分A、Ｂ的饱和蒸气压均是温度的函数混合物的沸腾条件是各组分的液面分压之和等于外压，即：饱和蒸汽压与温度的关系可用安托因（Antoine）方程表示A、B、C为安托因常数，可由相关的手册查到。一定总压下液相组成与纯组分饱和蒸汽压(泡点温度)关系，称为泡点方程

1.2.1两组分理想物系的气液平衡四川理工学院材化系9蒸馏三、两组分理想物系的气液平衡函数关系2.气相组成与温度(露点)的关系--露点方程当汽相为理想气体时，有：一定总压下气相组成与纯组分饱和蒸汽压(露点温度)之间的关系，称为露点方程1.2.1两组分理想物系的气液平衡四川理工学院材化系10蒸馏三、两组分理想物系的气液平衡函数关系3.用相平衡常数表示1.2.1两组分理想物系的气液平衡若引入相平衡常数Ｋ，则四川理工学院材化系11蒸馏三、两组分理想物系的气液平衡函数关系4.

用相对挥发度表示1.2.1两组分理想物系的气液平衡溶液中各组分的挥发度ν可用它在蒸气中的分压和与之平衡的液相中的摩尔分率之比表示。对双组分物系（1）挥发度纯液体的挥发度是指该液体在一定温度下的饱和蒸气压对理想溶液（2）相对挥发度溶液中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，用

表示四川理工学院材化系12蒸馏1.2.1两组分理想物系的气液平衡当操作压强低，气相服从道尔顿分压定律时，上式可改写为：对理想溶液：由于pA0和pB0均随温度沿相同方向变化，因而两者的比值变化不大，故一般可将α视为常数，计算时可取操作温度范围内的平均值。对于双组分溶液，当总压不高时：由α>1，表示组分A较B易挥发；α值越大，两组分在两相中相对含量的差别越大，用蒸馏方法越容易将其分离。

相平衡方程四川理工学院材化系13蒸馏四、两组分理想溶液的气液平衡相图（1）等温图在温度一定的条件下，气、液两相平衡时，压力与组分的关系用压力-组成图（p-x图）表示。1.2.1两组分理想物系的气液平衡T为常数四川理工学院材化系14蒸馏四、两组分理想溶液的气液平衡相图在一定外压条件下，沸点与汽液相组成的关系，绘在图上即是t-x-y图

(2)等压图A、t-x-y图1.2.1两组分理想物系的气液平衡四川理工学院材化系15蒸馏两线：t~x线为泡点线，泡点与组成有关；t~y线为露点线，露点与组成y有关。3区:t~x线以下为过冷液体区；t~y线以上为过热蒸汽区；在t~x与t~y线之间的区域为气液共存区，在此区域内气液组成y与x是成平衡关系，气液两相的量符合杠杆定律。只有设法使体系落在汽液共存区这才能实现一定程度的分离。例如将组成为的过冷溶液加热至C点，产生第1滴气泡，故C点所对应的温度称为泡点，气泡组成为y1，维持加热升温至G点，溶液部分汽化，气相组成为y(F点)，液相组成为x(E点)，y>xF，x<xF，故原料液得到部分分离，x与y成平衡关系，G点所对应的温度为气液相的平衡浓度；反之将组成为yF的过热混合气体冷却至D点，第1滴冷凝液出现，D点所对应的温度为露点，继续冷却至G点气相部分冷凝，液相组成为x，气相组成为y，x<yF，y>yF，故部分冷凝亦可实现一定程度的分离。要实现高纯度分离必须采用多次部分汽化和多次部分冷凝，这个过程在工业生产上是如何实现的呢？两端点A与B.端点A代表纯易挥发A组分(x=1)，端点B代表纯难挥发B组分（x=0）。对于一定组成的溶液加热到与相交的点，即出现第一个气泡，所以线亦称泡点线。对于组成为的蒸汽，冷却至与线相交，出现第一个露珠，所以称线为露点线。1.2.1两组分理想物系的气液平衡四川理工学院材化系16蒸馏四、两组分理想溶液的气液平衡相图t-x-y图可通过实验测定。若为二元理想溶液，t-x-y图可利用计算方法求得：

…………式说明，只要知道某温度下的（饱和蒸汽压数据），就可以计算得到x与y，就可以作出在指定外压下的图。上式还说明，总压对t-x-y图是有影响的。

1.2.1两组分理想物系的气液平衡四川理工学院材化系17蒸馏四、两组分理想溶液的气液平衡相图Bx-y图取图中的数据，以x为横坐标，y为纵坐标，绘成的图为图。x-y图对于易挥发组分，因为，所以x-y线均在对角线上方。X-y线与对角线偏离越远，表示越易分离。若x-y线与对角线重合，则不能用精馏方法分离。对于二元理想溶液，x-y图可由t-x-y图得到。1.2.1两组分理想物系的气液平衡通常，精馏过程是在接近等压的条件下进行，所以等压图是精馏过程中常用的，尤其是x-y图，常用它来说明两组分混合物精馏过程的计算。返回四川理工学院材化系18蒸馏6.3.1

平衡蒸馏一、平衡蒸馏过程

将一定组成的液体加热至泡点以上使其部分汽化，或一定组成的蒸气冷却至露点以下使其部分冷凝，形成气、液两相，两相达到平衡，然后，将气、液两相分离，此过程的结果是易挥发组分在气相富集，难挥发组分在液相富集，这种过程称为平衡蒸馏。四川理工学院材化系19蒸馏6.3.1平衡蒸馏二、过程的数学描述衡蒸馏过平程的主要关系式有：物料衡算式热量衡算式气液平衡关系物料衡算以两组分混合液的闪蒸为例进行说明以整个装置为系统进行衡算两式联立得：

总物料衡算：易挥发组分的物料算：设液相产物占总加料量的分率为q，气化率为:四川理工学院材化系20蒸馏6.3.1平衡蒸馏对加热器作热量衡算，忽略热损失，则节流减压后，物料放出的显热即供自身的部分气化，故由此式可求得原料液离开加热器的温为2、热量衡算四川理工学院材化系21蒸馏6.3.1平衡蒸馏平衡蒸馏中，气、液两相处于平衡状态，即两相温度相同，组成互为平衡。因此，y与x应满足相平衡方程式若为理想溶液应满足平衡温度te与组成x应满足泡点方程即3、气液平衡关系四川理工学院材化系22蒸馏6.3.2

简单蒸馏简单精馏装置图

在实验室或工业生产中，采用如图所示的装置，实质也是一个汽化器，一个冷凝器。

一、简单蒸馏的装置

四川理工学院材化系23蒸馏6.3.2

简单蒸馏蒸馏原理示意图

釜液量若全部汽化，又全部冷凝，即最终釜液量W=0，则达不到分离的目的。只有部分汽化，部分冷凝，才可得到易挥发组分较高的馏出液。由图看出，当料液组成为x1时，所得馏出液最高组成为y1。所以用简单蒸馏的方法，得不到纯度高的产品。在简单蒸馏的过程中：液相组成由汽相组成（馏出液组成）由釜液量由二、简单蒸馏的原理四川理工学院材化系24蒸馏6.3.2

简单蒸馏描述简单蒸馏过程的物料衡算、热量衡算方程与平衡蒸馏并无本质区别，但简单蒸馏是个时变过程，而平衡蒸馏为定态过程。因此，对简单蒸馏必须选取一个时间微元dt

，对该时间微元的始末作物料衡算。L——某瞬间釜中的液体量，它随时而变，由初态W1变至终态W2；

x——某瞬间釜中液体的组成，它由初态x1降至终态x2；

y——瞬间由釜中蒸出的气相组成，随时间而变。

三、简单蒸馏过程的计算：总物料：易挥发组分：忽略高阶无穷小：四川理工学院材化系25蒸馏6.3.2

简单蒸馏若最初釜液量F为，此时釜液组成x1为，最终釜液量为W

，此时釜液组成为x2，积分上式：(1)若x-y平衡关系用曲线或表格表示时，则可应用图解积分法或数值积分。(3)若在操作范围内，x-y平衡关系为直线，即y=mx+b，则若y=mx，则(2)若平衡关系可用相对挥发度表示四川理工学院材化系26蒸馏6.3.2

简单蒸馏

原料量F及原料组成x1一般已知，当给定x2即可联立上式求出残液量W。由于釜液组成x随时变化，每一瞬间的气相组成y也相应变化。若将全过程的气相产物冷凝后汇集一起，则馏出液的平均组成及数量可对全过程的始末作物料衡算而求出。易挥发组分的物料衡算：总物料衡算：返回四川理工学院材化系27蒸馏6.4精馏原理和流程6-4-1精馏过程原理和条件简单蒸馏及平衡蒸馏只能使液体混合物得到有限的的分离，远远不能满足工业的要求。如何利用两组分挥发度的差异实现连续的高纯度的分离，是我们在本节要讨论的基本内容。四川理工学院材化系28蒸馏6.4精馏原理和流程现取第n板为例来分析精馏过程和原理：塔板的形式有多种，最简单的一种是板上有许多小孔（称筛板塔），每层板上都装有溢流管，由下一层（n+1层）的蒸汽通过板上的小孔上升，而上一层（n-1层）来的液体通过溢流管流到第n板上，在第n板上汽液两相密切接触，进行热和质的交换。进、出第n板的物流有四种：a．由第n-1板溢流下来的液体量为Ln-1，其组成为xn-1

，温度为tn-1；b．由第n板上升的蒸汽量为Vn，组成为yn，温度为tn；c．从第n板溢流下去的液体量为Ln，组成为xn，温度为tn； d．由第n+1板上升的蒸汽量为Vn+1，组成为yn+1，温度为tn+1。

开始时进入第n板的汽液两相是不平衡的。因此，当组成为xn-1的液体及组成为yn+1

的蒸汽同时进入第n板，由于存在温度差tn=1>tn-1和浓度差xn-1>xn+1*，汽液两相在第n板上密切接触进行传质和传热，即组成为yn+1的蒸汽部分冷凝,使其中部分难挥发组分转入液相中；冷凝放出的潜热传给液相，组成为xn-1的液体部分气化，其中易挥发组分转入气相中。因而离开第n板的气相组成yn＞yn+1，液相组成xn＜xn-1，若汽液两相在板上的接触时间足够长，接触比较充分，那么离开该板的汽液两相相互平衡，通常称这种板为理论板（xn，yn成平衡）。精馏塔中每层板上都进行着与上述相似的过程，其结果是上升蒸汽中易挥发组分浓度逐渐增高，而下降的液体中难挥发组分越来越浓，只要塔内有足够多的塔板数，就可使混合物达到所要求的分离纯度。四川理工学院材化系29蒸馏6.4精馏原理和流程加料板把精馏塔分为二段，加料板以上的塔，即塔上半部完成了上升蒸汽的精制，即除去其中的难挥发组分，因而称为精馏段。加料板以下（包括加料板）的塔的下半部完成了下降液体中难挥发组分的提浓，即除去了易挥发组分，因而称为提馏段。一个完整的精馏塔应包括精馏段和提馏段。6-4-2精馏操作流程四川理工学院材化系30蒸馏6.4精馏原理和流程从上面所讨论的精馏操作不难看出，精馏之所以区别于蒸馏就在于精馏有“回流”，而蒸馏没有“回流”。回流包括塔顶的液相回流与塔釜部分汽化造成的气相回流。回流是构成汽、液两相接触传质使精馏过程得以连续进行的必要条件。若塔顶没有液相回流，或是塔底没有再沸器产生蒸汽回流，则塔板上的气液传质就缺少了相互作用的一方，也就失去了塔板的分离作用。因此，回流液的逐板下降和蒸汽的逐板上升是实现精馏的必要条件。返回四川理工学院材化系31蒸馏第五节两组分连续精馏的计算两组分连续精馏的工艺设计及计算主要内容:确定产品的流量和组成确定精馏塔的类型，根据塔型，求理论板层数或填料层高度确定塔高和塔径对板式塔，进行塔板结构尺寸的计算及塔板流体力学验算对填料塔，确定填料的类型及尺寸，并计算填料塔的流动阻力计算冷凝器和再沸器的热负荷，并确定两者的类型和尺寸四川理工学院材化系32蒸馏6.5.1理论板的概念与恒摩尔流假定一、理论板

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的。理论板示意图理论板是一个理想化的塔板，即不论进入塔板的汽液组成如何，在塔板上充分混合和接触的最终结果表现为离开该板的汽液两相在传热、传质两方面都达到平衡状态，两相的温度相等，组成互成平衡。理论板在实际上是不存在的，这是由于要想使板上的汽液两相达到平衡，汽液两相的接触时间必须为无限长，这显然是不可能的。但理论板的概念之所以重要，是由于它可以作为衡量实际塔板分离效果的一个重要依据和标准。在设计计算时，先求出理论板数以后，然后用塔板效率予以校正就可以得出实际塔板数。四川理工学院材化系33蒸馏6.5.1理论板的概念与恒摩尔流假定二、恒摩尔流假设（1）恒摩尔汽化：精馏段内每层塔板上升蒸汽的摩尔流量相等，即V1=V2=…=Vn=V；同理，在提馏段内，V1´=V2´=…=Vm´=V´。一般情况下，V‡V´。（2）恒摩尔溢流：精馏段内每层塔板下降液体的摩尔流量相等，即L1=L2=…=Ln=L；同理，在提馏段内，L1´=L2´=…=Lm´=L´。一般情况下，L‡L´。假设：各组分的摩尔汽化潜热近似相等汽、液接触时因温度不同而交换的显热可以忽略塔设备保温良好，热损失可以忽略

四川理工学院材化系34蒸馏6.5.2物料衡算和操作线方程一、全塔物料衡算精馏塔的物料衡算以单位时间为衡算基准：总物料易挥发组分联立以上两式可得:塔顶易挥发组分回收率塔底难挥发组分回收率2.在规定分离要求时应使DxD≤FxF

或(D/F)≤(XD/XF)。如果塔顶产品采出率取得过大，即使精馏塔有足够的理论板层数也达不到分离要求。注意：1.回收率的定义四川理工学院材化系35蒸馏6.5.2物料衡算和操作线方程二、精馏段操作线方程以单位时间为衡算基准：总物料易挥发组分在一定的操作条件下，该式在x-y直角坐标图上为直线，其斜率为R/（R+1），截距为xD

/(1+R)。

精馏段操作线方程回流比设塔顶采用全凝器，泡点回流：四川理工学院材化系36蒸馏6.5.2物料衡算和操作线方程三、提馏段操作线方程以单位时间为衡算基准：总物料易挥发组分在提馏段内,V’=L’–W,代入上式提馏段操作线方程在一定的操作条件下，该式在x-y直角坐标图上为直线，过(XW,XW）点。四川理工学院材化系37蒸馏6.5.3进料热状况的影响由于不同进料热状况的影响，使从进料板上升蒸气量及下降液体量发生变化，对于冷液进料的情况，提馏段内回流液体流量包括三部分：精馏段的回流液体量L原料液流量F为将原料液加热到板上温度，一部分上升蒸气冷凝而成的液体冷液进料总物料衡算热量衡算假设：精馏塔中液体和蒸汽均呈饱和状态。加料板与相邻的上、下板的温度及汽、液相组成均相差不大则焓值有：热量衡算式可近似写成：四川理工学院材化系38蒸馏6.5.3进料热状况的影响加料热状态参数q的定义：q的物理意义可以是进料液与饱和液的汽化热之比，也可以是每摩尔进料为提馏段带入液体的千摩尔数。则提馏段操作线方程可写为：四川理工学院材化系39蒸馏6.5.3进料热状况的影响实际生产中，精馏塔的进料可能有五种不同的热状态,对于两段之间的物料平衡会有不同影响：Ａ状况——低于泡点的过冷液进料Ｂ状况——泡点液体进料Ｃ状况——汽-液混合物进料Ｄ状况——露点蒸汽进料Ｅ状况——高于露点的过热蒸汽进料（1）低于泡点的冷液体，IF<IL；

q>1,L’>L+F,V<V’（2）泡点下的饱和液体，IF=IL；

q=1,L’=L+F,V=V’（3）汽液混合物，IL<IF<IV；

0<q<1,L’>L,V>V’（4）露点下的饱和蒸汽，IF=IV；

q=0,L’=L,V=V’+F（5）过热蒸汽，IF>IV;q<1,L’<L,V>V’+F四川理工学院材化系40蒸馏6.5.3进料热状况的影响进料线方程——精馏段操作线与提馏段操作线的交点轨迹方程。在交点处两式中的变量相同，可略去下标——进料线方程

*不同的q值对应着不同的q线，进料组成一定时各加料热状态下的q线如图所示。*q线的作法：由q线方程，当x=xF时,y=xF，可得图中对角线上的e点；过e点作以q/(q-1)为斜率的直线即得q线。四川理工学院材化系41蒸馏6.5.4理论板层数的求法常用方法:逐板计算法,适合机算,准确,费时图解法,适合手算,快速,粗略简捷(吉利兰图)法,用于估算理论依据:操作线方程相平衡关系(平衡线方程)四川理工学院材化系42蒸馏6.5.4理论板层数的求法一、逐板计算法依据：步骤：若塔顶为全凝器,y1=xDx1y2x2……xn≤xF（仅指饱和液体进料）第n层理论板是进料板，精馏段所需理论板层数为（n-1）此后，可改用提段操作线方程进行类似计算，直至x´m<xW，m为提馏段理论板数（含再沸器）。四川理工学院材化系43蒸馏6.5.4理论板层数的求法二、图解法通常采用直角梯级图解法，其实质仍然是以平衡关系与操作关系为依据，将两者绘在图上，便可图解得出达到指定分离任务所须的理论塔板数及加料板位置。依据：R，q，进料及产品组成步骤1在y-x图上作出对角线、平衡线、精馏段操作线、q线及提馏段操作线2从a点开始，在平衡线与精馏段操作线之间作直角梯级。3当梯级跨过两操作线交点（d点）时，则改在平衡线与提馏操作线之间作梯级，直至某梯级的垂直线达到小于xW为止。4每个梯级代表一块理论板。梯级总数即为所需理论板数。四川理工学院材化系44蒸馏6.5.4理论板层数的求法最适宜的加料位置图a：加料板位置在汽、液相组成与进料组成相同或相近的板上。此时所需的理论板数为最少。因此，它代表了适宜的加料位置。图b，c：加料板位置偏离进料组成，两种安排所需的理论板数均有所增加。原因是操作线在局部与平衡线距离很近，传质推动力小。

四川理工学院材化系45蒸馏6-5-5几种特殊情况时理论板层数的求法在精馏过程中，常常有加热、进料方式不同，根据要求，其采出方式也有所区别，对此，分别讨论如下：（1）直接蒸气加热一般精馏是间接加热，主要是为避免对物料污染。如果物料含有水，精馏过程中允许水存在，于是，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，又省一台再沸器。如图所示，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，即：按恒摩尔流假设处理，设近似有S=V´

，则L´=W

，因y0=0，故提馏段操作方程:四川理工学院材化系46蒸馏（1）直接蒸气加热为直接蒸气加热精馏的提馏段操作方程。采用图解法可求理论板数。与间接加热比较，当和相同时，直接加热所需理论板数、回收率、采出量D均有所降低。若要维持相同产品质量及回收率，则应适当增加理论塔板数以降低釜液组成。

直接蒸气加热的精馏四川理工学院材化系47蒸馏（2）具有侧线采出的精馏过程目标：侧线采出的意义及对分离的影响当需要获取浓度不同的两种或多种产品，或某组分在塔某几板上存在富集现象。为获得该组分产品或消出该组分对塔两端产品的影响，应采取侧线出料的方法，在适宜塔板上将其及时采出，如图所示。侧线抽出的产品可为塔板上泡点液体或板上的饱和蒸气。

图6.4.18带侧线采出的精馏

如果在精馏段设一侧线采出，则塔被分为三段。塔两端分别同精馏段和提馏段操作线方程，而塔下段（III）操作线同提馏段操作线方程。而中段则由物料衡算获得其操作线方程。无论抽出液相还是气相产品，其段操作线的斜率均小于第I段塔的操作线的斜率。且使最小回流比Rmin增大，减小了回流比的调节范围，显然，不利于节能。

四川理工学院材化系48蒸馏（3）多股进料精馏当两股组分相同，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。如图6.4.19所示。两进料将塔分为三段，各段有相应操作线方程，各进料也有相应的q线方程。图6.4.19多股进料精馏由于进料的加入，使进料下方塔段的操作线斜率大于上方塔段的操作线的斜率。如图6.4.19所示。若混合进料，将使进料处操作线更接近平衡曲线，使所需理论塔板数增多。

四川理工学院材化系49蒸馏（4）塔顶进料蒸馏塔

目标：蒸出塔理论级数原料从塔顶加入，则塔只有提馏段没有精馏段，该塔称之为回收塔或蒸出塔、气体塔，如图6.4.19（a）所示。原料应在泡点或接近泡点温度进入塔顶，无回流。而热量则以间接或直接蒸气加热塔底。当该塔为间接加热时，由物料衡算可得：L=V+W根据恒摩尔流假设，L=F、V=D，上式（6.4.15）可改写为

蒸出塔四川理工学院材化系50蒸馏式（6.4.16）为该塔操作线方程，亦为一直线，该直线通过点，斜率为F/D。而q线与操作线交点为。由此，可采用图解方法求解理论板数。当进料为泡点进料时，如图6.4.19（b）所示。若维持加入塔底热流量不变，则冷进料时，其操作线斜率增大，向平衡线靠近。如图6.4.19（c）所示，要求塔底达到相同分离要求，势必提高塔釜加热量或增加塔理论板数。

该塔多用于轻、重组分的初步分离，或主要考虑获得较纯的重组分的分离，或回收稀溶液中易挥发组分。

泡点进料蒸出塔冷进料蒸出塔蒸出塔及图解理论板数四川理工学院材化系51蒸馏（5）塔顶设分凝器的精馏

在一般情况下塔顶蒸气应全部冷凝，并保持一定过冷度，以免蒸气未凝而积累，引起塔压升高，如果塔顶蒸气中含少量或一定量较轻的组分，一般冷剂难以将其冷凝，提高冷剂品位又不经济。为此，塔顶则设部分冷凝器，将未凝的部分轻组分气体采出，然后，再用高品位冷剂将其冷凝作产品送出。对于量少和无利用价值的不凝气，则直接排入火炬或放空，以节省高品位冷剂的用量。

再沸器中存在釜液的部分汽化，相当一个理论板。而在分凝中存在蒸气的部分冷凝，也相当一平衡级，故也相当一个理论板。如图6.4.20流程。求解理论板方法与常规塔相同，只是第一理论板相当分凝器，而最下一理论板则相当再沸器。当求得塔内总理论板数则等于（N－2）块理论板。

四川理工学院材化系52蒸馏带分冷凝器的精馏

带分冷凝器的精馏四川理工学院材化系53蒸馏6-5-6回流比的影响及其选择回流是精馏塔内汽、液相间传质过程得以连续稳定进行的必要条件，选择适宜的回流比十分重要。两个极限值：全回流R

最小回流比R=Rmin，实际回流比介于两个极限值之间一、全回流与最少理论板数塔顶上升蒸汽经冷凝器冷凝后，全部引回塔顶作为回流，称为全回流。此时，D=0，W

=0，F=？全回流时的回流比精馏段操作线斜率在y轴上的截距故全回流时的操作线方程为即在x-y图上，操作线与对角线重合。此时操作线和平衡线的距离为最远，传质推动力最大,所需的理论板数最少，以Nmin表示四川理工学院材化系54蒸馏6-5-6回流比的影响及其选择Nmin的求取方法：图解法计算法1、图解法在x-y图上的平衡线与对角线间直接图解求得2、计算法对双组分溶液：——芬斯克方程四川理工学院材化系55蒸馏6-5-6回流比的影响及其选择二、最小回流比对于一定的条件，减少R,精馏段操作线截距增大，该操作线向平衡线移动，精馏段操作线与q线的交点d（即两操作线交点）向平衡线靠近。这意味着，随回流比减小，提馏段也向平衡线移动。因此，达到指定分离程度所需理论板数增多。当回流比减至某一数值时，交点d落在平衡线上，如图，这时不论画多少梯级都不能跨越d点，即所需的理论板数为无穷多。称为最小回流比，用Rmin

示之。d点称为挟点，其附近称为恒浓区或挟紧区。四川理工学院材化系56蒸馏1-5-6回流比的影响及其选择最小回流比的求法设两操作线与平衡线交点的坐标为（xq,yq），此时精馏段操作线的斜率为:xq与yq是平衡线与进料线之交点。最小回流比是指对于一定分离要求的最小回流比，分离要求变动了（例如xD变了），对应的Rmin亦要改变。

四川理工学院材化系57蒸馏6-5-6回流比的影响及其选择对平衡线有下凹部分的特殊情况减小回流比时，在两操作线的交点还未落到平衡线上之前，操作线已与平衡线相切，如图a、b中g点所示。此时恒浓区出现在g点附近，对应的回流比为最小回流比。Rmin

仍可采用式计算，但式中xq与yq不是一对平衡数据，需由图上读出。四川理工学院材化系58蒸馏6-5-6回流比的影响及其选择三、适宜回流比的选择适宜回流比根据经济核算确定，即应在操作费用和设备费用之间作出权衡。精馏的操作费用:加热介质(水蒸汽)量+冷却介质(水)量.当F、q、D一定时，R增大，加热和冷却介质的消耗量亦随之增多，操作费用相应增加，如图中曲线1所示。设备费用随回流比变化的趋势，如图中曲线2所示。R主要通过影响N和V,V’来影响设备费用。因此，最合理的回流比的选择应使精馏过程总费用（操作费用与设备费用之和）最低，此回流比也称为最适宜的回流比，如图所示。根据实验和生产数据统计，一般最适宜回流比的范围为:四川理工学院材化系59蒸馏6-5-7简捷法求理论板数一、吉利兰图

四川理工学院材化系60蒸馏6-5-7简捷法求理论板数二、求理论板层数的步骤1、求最小回流比Rmin，并选择R

2、求全回流时的理论板数Nmin

3、计算（R-Rmin)/(R+1)之值，由吉利兰图查得（N-Nmin

)/(N+2)之值，算出理论板层数N四川理工学院材化系61蒸馏6-5-8塔高和塔径的计算一、塔高的计算1、板效率和实际板数理论板定义：1汽、液两相在板上充分接触混合。

2离开塔板的两相流体达到相平衡。理论板用途：可以用汽液平衡关系式描述实际上，平衡态是不可能进行传质的，故实际塔板用板效率的概念加以校正。单板（Murphree）效率Em物理意义:式中分子代表汽相或液相经过一块板后实际的组成变化，分母则为理论组成变化。获得：由实验测定xn,yn

等，再与计算的理论组成比较。全塔板（总板）效率四川理工学院材化系62蒸馏6-5-8塔高和塔径的计算2、理论板当量高度和填料层高度用于填料塔计算定义:相当于一块理论板分离能力的填料高度。物理意义:表示填料的优劣,即越小填料性能越好。应用：完成任务所需的填料高度

H=N

HETP二、塔径的计算四川理工学院材化系63蒸馏6-5-9

连续精馏装置的热量衡算一、冷凝器对连续精馏装置进行热量衡算，可以求得冷凝器和再沸器的热负荷以及冷却介质和加热介质的消耗量，并为设计这些换热设备提供基本数据。对图中所示的全凝器做热量衡算，以单位时间为基准，并忽略热损失：冷却介质消耗量：四川理工学院材化系64蒸馏6-5-9

连续精馏装置的热量衡算二、再沸器对图中所示的再沸器做热量衡算，以单位时间为基准：加热介质消耗量：返回四川理工学院材化系65蒸馏6-6间歇精馏间歇精馏过程的特点：①间歇精馏为非定态过程。

②间歇精馏时全塔均为精馏段，没有提馏段

间歇精馏过程的操作方式：①馏出液组成恒定的间歇精馏操作

②回流比恒定的间歇精馏操作

在时间内，对组分i作物料衡算，则塔釜组分i的减少量等于塔产品的采出量

因D<<W，相当高阶无穷小，故可忽略，式（6.5.2）整理可得：式中：、－为初始、最终釜液量，kmol；

、－为初始、最终釜液组成，摩尔分数；

、－釜液、产品组成瞬时值，摩尔分数。

与简单蒸馏不同的是，与之间为全塔物料恒算关系，非平衡关系。

四川理工学院材化系66蒸馏6-6间歇精馏一、回流比恒定时的间歇精馏计算1、确定理论板层数计算可以操作初态为基准，假设一最初的馏出液组成xD1，根据设定的xD1，与釜液组成xW求出所需的最小回流比。然后，选择适宜的回流比R，计算理论板数N。根据Rmin确定适宜操作回流比R，图解理论板数N，N是否合理，必须通过校核，确认初值是否正确，否则重新给初值，迭代计算。

四川理工学院材化系67蒸馏6-6间歇精馏2、对具有一定理论板层数的精馏塔，确定操作过程中各瞬间的xD

和xW的关系在间歇精馏过程中，如果恒定回流操作，采出量不变条件下，塔内气、液流量将恒定，操作线斜率为常数，由于塔釜中轻组分不断的下降，导致馏出液组成不断下降，使得操作线沿对角线平行下移，如图所示。

四川理工学院材化系68蒸馏6-6间歇精馏二、馏出液组成恒定时的间歇精馏计算在一定理论板数的间歇精馏中，维持馏出液组成恒定，势必连续加大回流比。

（1）理论板数确定

为了保证釜液组成达到最终组成时，塔顶产品仍保持不变。必须由和确定最小回流比Rmin。根据Rmin选定适宜回流比R，确定操作线，从D点出发作梯级，图解理论板数N。图6.5.4中所得理论板数N=6。四川理工学院材化系69蒸馏6-6间歇精馏（2）操作型计算当给定塔的理论板数N，回流比R调节的范围以及分离要求及最终的釜液组成，则不同工况下的操作线即可确定。回流比从小到大调节，每改变一次回流比，即可由逐板计算法求得经过N个理论级分离结果后，釜液的组成为（k=1,2…m），获得参数为：

馏出液产品恒定为：

每改变一次回流比：

相应釜液组成：(k=1,2…m)

当R增至最大，时，应结束蒸馏。但是，如果适当减少采出量D，还可使进一步下降，提高产量。＊操作时间

通过建立时间内的物料衡算方程，导得操作时间计算式式中V－塔顶产品采出量，kmol/h。

由以上逐板计算结果，采用上式由数值积分方法求得操作时间。返回四川理工学院材化系70蒸馏6-7

恒沸精馏与萃取精馏

前述普通精馏方式是以溶液中各个组分的挥发度不同作为分离的依据，若各组分的挥发度差异越大（即相对挥发度α越大），越易分离。但工业生产中需要分离的溶液，也有不少其挥发度很接近或具有恒沸点（最高或最低恒沸点），对于这类溶液的分离，用前诉的普通精馏方式就难以实现。例如：乙醇—水溶液在总压为1atm时有最低恒沸点78.1℃，恒沸物组成摩尔分率0.894(重量百分率为95.6%），用前述普通精馏方法，最多只能分离得到接近恒沸组成的酒精，这就是工业酒精中含乙醇只能达到95%（重量百分率）的原因。那么，要得到无水酒精怎么办？理论上可采用降低总压的方法，当总压为0.125atm时，恒沸物组成摩尔分率为0.99，恒沸点为34℃，塔顶上升蒸汽在冷凝器中不能用水将之冷凝下来，必须使用人工制冷，能耗大，一般不用。若两组分