北京化工大學(xué) 《化工原理》 課件 第六章 精餾

1、第六章 蒸餾（Distillation）6.1 概述6.2 雙組分溶液的氣液相平衡蒸餾與精餾原理6.4 雙組分連續(xù)精餾的計(jì)算6.5 雙組分精餾的設(shè)計(jì)計(jì)算6.6 其它精餾方式6.7 塔高塔徑的計(jì)算操作型計(jì)算6. 恒沸精餾與萃取精餾cyk:6.1 概述1. 蒸餾的應(yīng)用2. 蒸餾分離的目的和依據(jù)3. 蒸餾過程的分類4. 蒸餾操作的費(fèi)用1、蒸餾的應(yīng)用 液體產(chǎn)品的精制-石油的精制2、蒸餾分離 的目的和依據(jù) 目的：對(duì)液體混合物的分離，提取或回收有用組分 依據(jù)：液體混合物中各組分揮發(fā)性的差異揮發(fā)性大（乙醇），稱為易揮發(fā)組分或輕組分（A）揮發(fā)性小（水） ，稱為難揮發(fā)組分或重組分（B）液體混合物：(如:酒精水溶

2、液) 3、蒸餾過程的分類 簡單蒸餾按蒸餾方式： 平衡蒸餾 精餾 常壓蒸餾按操作壓力： 加壓蒸餾 減壓（真空）蒸餾按物系的組分?jǐn)?shù)雙組分蒸餾多組分蒸餾間歇蒸餾連續(xù)蒸餾按操作方式：普通蒸餾特殊蒸餾按分離難易：4、蒸餾操作的費(fèi)用主要費(fèi)用：加熱和冷卻費(fèi)用，即能耗大。6.2.1 雙組分溶液的氣液關(guān)系6.2.2 氣液相平衡6.2.3 揮發(fā)度與相對(duì)揮發(fā)度6.2.4 非理想溶液6.2 雙組分溶液的氣液相平衡組分： A、B變量 ： t、p、xA、 yA相數(shù)： 氣相、液相 一定壓力下:液相（氣相）組成xA(yA)與溫度t存在一一對(duì)應(yīng)關(guān)系氣液組成之間xAyA存在一一對(duì)應(yīng)關(guān)系自由度：1、相律分析：雙組分溶液的氣液關(guān)系

3、pA，pB 溶液上方A、B組分的分壓，Pa；pA0 ， pB0 溶液溫度下純組分的飽和蒸汽壓，Pa；xA ， xB 液相中A、B組分的摩爾分率。對(duì)于理想溶液：1. 拉烏爾定律（ Raoults Law）6.2.2 氣液相平衡2、道爾頓分壓定律：泡點(diǎn)方程液相組成 x 與溫度（泡點(diǎn)）的關(guān)系氣相組成yA與溫度（露點(diǎn)）的關(guān)系露點(diǎn)方程3、組成溫度圖（txy圖)兩條線：氣相線（露點(diǎn)線） yAt 關(guān)系曲線 液相線（泡點(diǎn)線） xAt 關(guān)系曲線三個(gè)區(qū)域：液相區(qū) 氣、液共存區(qū) 氣相區(qū)4、xy圖 對(duì)角線 y=x 為輔助曲線 xy曲線上各點(diǎn)具有不同的溫度； 平衡線離對(duì)角線越遠(yuǎn)，揮發(fā)性差異越大，物系越易分離。5. 壓力

4、xy圖的影響壓力增加，平衡線靠近對(duì)角線，分離難度大6.2.3 揮發(fā)度與相對(duì)揮發(fā)度組分的揮發(fā)度: 是該物質(zhì)揮發(fā)難易程度的標(biāo)志，表示。pA、 pB汽液平衡時(shí)，組分A,B在氣相中的分壓；xA、xB汽液平衡時(shí)，組分A,B在液相中的摩爾分率。 混合液某組分揮發(fā)度:1. 揮發(fā)度理想溶液則:2. 相對(duì)揮發(fā)度(以表示) 理想氣體：一般物系：對(duì)于二元物系：yB=1-yA xB=1-xA即相平衡方程理想溶液：4. 平均相對(duì)揮發(fā)度3.的物理意義 氣相中兩組分組成之比是液相中兩組分組成之比的倍數(shù) 標(biāo)志著分離的難易程度: 愈大, 平衡線愈遠(yuǎn)離對(duì)角線，物系愈易分離； =1, 無法用普通蒸餾方法分離。 6.2.4 非理想溶

5、液1.具有正偏差的溶液 一般正偏差：pApA理， pBpB理。正偏差溶液：，最低恒沸點(diǎn)，乙醇水溶液相圖硝酸水溶液相圖負(fù)偏差溶液：x，最高恒沸點(diǎn)，2. 具有負(fù)偏差的溶液一般負(fù)偏差 pApA理， pBpB理。22簡單蒸餾與平衡蒸餾精餾原理連續(xù)精餾裝置流程理論板的概念和衡摩爾流假設(shè)蒸餾與精餾原理236.3.1 簡單蒸餾和平衡蒸餾一 . 簡單蒸餾1. 裝置24二. 平衡蒸餾(又叫閃蒸)1. 流程2、特點(diǎn):一次進(jìn)料，粗分xD, xW是一對(duì)平衡組成251、多次部分汽化和多次部分冷凝 6.3.2 精餾原理缺點(diǎn)：1、收率低；2、設(shè)備重復(fù)量大，設(shè)備投資大；3、能耗大，過程有相變。262、有回流的多次部分汽化和多

6、次部分冷凝 27進(jìn)料板：原料液進(jìn)入的那層塔板精餾段：進(jìn)料板以上的塔段提餾段：進(jìn)料板以下（包括進(jìn)料板）的塔段6 .3.3 連續(xù)精餾裝置流程. 連續(xù)精餾裝置282、 塔板的作用 塔板提供了汽液分離的場所。每一塊塔板是一個(gè)混合分離器足夠多的板數(shù)可使各組分較完全分離特點(diǎn)：29回流的作用：提供不平衡的氣液兩相，是構(gòu)成氣液兩相傳質(zhì)的必要條件。精餾的主要特點(diǎn)就是有回流3、 精餾過程的回流 回流包括：塔頂回流液塔底回流汽306.3.4 理論板的概念和衡摩爾流的假設(shè)1、理論板的概念理論板：離開塔板的蒸汽和液體呈平衡的塔板。假設(shè)：（1）、兩組分的摩爾汽化潛熱相等；（2）、兩相接觸因兩相溫度不同而交 換的顯熱可忽略

7、不計(jì)；（3）、塔設(shè)備保溫良好，熱損失可以忽略不 計(jì)。 2、 恒摩爾流的假設(shè)31精餾段，每層塔板上升的蒸汽摩爾流量都相等，提餾段也一樣。即：V1=V2=V=常數(shù) V1=V2=V=常數(shù)式中：V-精餾段上升蒸汽的摩爾流量，kmol/h; V-提餾段上升蒸汽的摩爾流量，kmol/h。 （1）恒摩爾汽化32精餾段內(nèi)，每層塔板下降的液體摩爾流量都相等，提餾段也一樣。即：L1=L2= L=常數(shù) L1=L2= L=常數(shù)式中：L-精餾段下降液體的摩爾流量，kmol/h; L-提餾段下降液體的摩爾流量，kmol/h。（下標(biāo)1、2表示自上而下的塔板序號(hào)。） （2）恒摩爾溢流 336.4 雙組分連續(xù)精餾的計(jì)算全塔物料

8、衡算精餾段操作線方程提餾段操作線方程進(jìn)料熱狀況的影響進(jìn)料方程（q線方程）34塔頂采出率塔底采出率F, xFD, xDW, xW6.4.1 全塔物料衡算F、D、Wkmol/hxF、xD、xW摩爾分率塔頂易揮發(fā)組分回收率塔底難揮發(fā)組分回收率356.4.2 精餾段操作線方程令 回流比 精餾段操作線方程36精餾段操作線:當(dāng)R, D, xD為一定值時(shí),該操作線為一直線.斜率:截距:yxxD操作線為過點(diǎn)（xD， xD ）畫操作線過程如下:376.4.3 提餾段操作線方程提餾段操作線方程38操作線的實(shí)際做法396.4.4 進(jìn)料熱狀況的影響(1) 冷液(2) 飽和液體（泡點(diǎn)進(jìn)料）(3) 氣液混合 (4) 飽和

9、蒸汽（露點(diǎn)進(jìn)料）(5) 過熱蒸汽40FLVLV冷液進(jìn)料泡點(diǎn)進(jìn)料FLVLVFqF(1-q)FLVLV汽液混合進(jìn)料41FLVLV過熱蒸汽進(jìn)料FLVLV飽和蒸汽進(jìn)料421、加料板的物料衡算FhF+LhF-1+VHF+1=VHF+LhF 物料恒算：F+V+L=V+L2、熱量衡算加料板FF, xF, hFL h F-1V HFL hFV H F+1式中： H，h，hF-分別為飽和蒸汽、飽和液體、原料液的摩爾焓KJ/kmol；43HF=HF+1=H =原料在飽和蒸汽狀態(tài)下的摩爾焓hF=hF-1=h原料在飽和液體狀態(tài)下的摩爾焓假設(shè)：令 q=q進(jìn)料熱狀況參數(shù)446.4.5 進(jìn)料方程（q線方程）q線方程或進(jìn)料方

10、程456.5 雙組分精餾的設(shè)計(jì)計(jì)算理論塔板數(shù)的計(jì)算回流比的影響與選擇理論板的捷算法精餾操作分離要求：（1）D, xD (W, xW)；（2）xD , xW；（3）選擇條件：操作壓力p，回流比R，進(jìn)料熱狀態(tài)q。確定：塔板數(shù)N理論塔板數(shù)的計(jì)算1.逐板計(jì)算法xnyn符合平衡關(guān)系；yn +1 xn符合操作關(guān)系。塔頂設(shè)全凝器，泡點(diǎn)回流。塔頂全凝器 精餾段（n-1）塊板，第n塊為加料板。精餾段：F, xFD, xDW, xWyWm-112nx1x2xnxm-1y2y1ym-1提餾段： 提餾段（m-1）塊板 2. 圖解法3. 最優(yōu)加料位置的確定加料過晚加料過早最優(yōu)加料板位置：6.5.2 回流比的影響與選擇1

11、. 回流比對(duì)精餾操作的影響2. 全回流與最少理論板數(shù)全回流與最少理論板數(shù)操作線：平衡線：第1塊板：全凝器或則第2塊板：NT塊板后（不包括再沸器）相差不大時(shí)：雙組分：（不包括再沸器）最小回流比：對(duì)于一定的分離任務(wù)，所需理論板為無窮多時(shí)所對(duì)應(yīng)的回流比。3. 最小回流比一般形狀的平衡線：斜率法截矩法:公式法:q=1時(shí)，xq=xFq=0，yq=xF不同平衡線形狀的最小回流比4. 適宜回流比適宜回流比：理論板的捷算法1、先算Rmin2、R=(1.1-2)Rmin3、Nmin 由坐標(biāo)YN注意：N,Nmin不包括再沸器。例1、用一精餾塔分離甲醇-水混合液，已知：xF=0.628(摩爾分率，下同), xD=0

12、.965, xW=0.03, 泡點(diǎn)進(jìn)料，回流比R=1.95, .試: 按逐板計(jì)算法確定理論塔板數(shù)。并近似用圖解法表示第二塊板下降液體組成和上升蒸汽組成。例2、在常壓連續(xù)精餾塔中分離苯-甲苯混合液，已知XF（摩爾分率、下同），XD=0.97, Xw=0.04 相對(duì)揮發(fā)度。 試分別求以下三種進(jìn)料方式下的最小回流比和全回流下的最小理論板數(shù)。 （1）冷液進(jìn)料（2）泡點(diǎn)進(jìn)料（3）飽和蒸汽進(jìn)料646.6 其它精餾方式直接蒸汽加熱回收塔（提餾塔）多股進(jìn)料分凝器間歇精餾65直接蒸汽加熱操作前提：1、物料中有水2、水是重組分，從塔釜出去提餾段物料恒算：操作線方程：FxFWD66間接加熱直接蒸汽加熱67回收塔（提

13、餾塔）特點(diǎn)：從第一塊板加料，無精餾段，無回流，下降的液體由進(jìn)料提供。加料情況：冷液或泡點(diǎn)進(jìn)料。F xFD xDW xW68已知：xF, F, xW ,泡點(diǎn)進(jìn)料L=F, V=D例：回收塔分離乙醇水溶液，塔內(nèi)有蒸餾釜，一塊理論板，已知為泡點(diǎn)進(jìn)料，要求xD=0.6, xW。求：xF, D/F69多股進(jìn)料兩股進(jìn)料： F1,xF1 ; F2,xF2分別與相應(yīng)塔板組成與xF1，xF2相當(dāng); F1 q1 xF1F2 q2 xF2D xDW xW70兩股進(jìn)料將塔分成三段，得三個(gè)操作線方程第一段：第二段：第三段：71例：泡點(diǎn)回流，塔釜間接加熱，理想液體第一股加料：F1=10kmol/h, XF1=0.6 q1=

14、1第二股加料：F2=5kmol/h, XF2=0.4, q2=0要求：XD求：1)D,W 2) R=1時(shí)求第二段操作線 3 ) 若=3 Rmin=?72D, xD分凝器全凝器 分凝器也相當(dāng)于一塊理論板，可以x0、y0計(jì)，其它相同 。分凝器73T 86889092PA0mmHg908.2963.21020.81081PB0mmHg356.1381.1406.7433.7分凝器例 ：分離苯-甲苯混合液，塔頂裝有分凝器與全凝器，已知塔頂?shù)恼羝隹跍囟?2， 分凝器出口的汽液溫度為88（汽液溫度同），p=1atm, 若上述兩個(gè)溫度均下降2，即90與86，試問回流比與流出液組成有何變化？苯-甲苯沸點(diǎn)與飽

15、和蒸汽壓數(shù)據(jù)74間歇精餾特點(diǎn)：（1）過程非定態(tài)（2）塔底加料，無提餾段（3） 獲得 xD, xW一定的產(chǎn)品，能耗大于連續(xù)精餾兩種操作：(1) 恒回流比R=常數(shù), 定xW (2) 恒流出液組成,定xD75(1) 恒回流比R=常數(shù), 定xW回流比以開始的狀態(tài)計(jì)算已知: F xF,xW終,xD, 選擇適宜的R求 : NT76(2) 恒流出液組成,定xD776.7 塔高塔徑的計(jì)算6.7.1塔效率6.7.4精餾裝置的熱量恒算6.7.3、塔徑的計(jì)算6.7.2塔高的計(jì)算781、全塔效率ENT:不包括塔釜塔效率2、單板效率(默弗里板效率)Emv, EmLxn* xn xn-1yn*ynyn+179例：用一個(gè)蒸

16、餾釜和一層實(shí)際板組成的精餾塔分離二元理想溶液。組成為的料液在泡點(diǎn)溫度下有塔頂加入，系統(tǒng)的相對(duì)揮發(fā)度為。若使塔頂輕組分的回收率為80%，并要求塔頂產(chǎn)品組成為，試求該層塔板的液相默弗里板效率。 80塔高的計(jì)算塔的有效高度： HT塔徑的計(jì)算注意：將兩段的摩爾流量換成體積流量81精餾段提餾段由于q及操作條件不同，Vs,Vs可能不同，D精與D提可能不同，若相差不大，可統(tǒng)一。82精餾裝置的熱量恒算目的：加熱劑與冷卻劑的用量帶入系統(tǒng)的熱：1、再沸器的熱量恒算：QB, Q F , QR帶出系統(tǒng)的熱：Qv, Qw, Q對(duì)全塔作熱量衡算，以1小時(shí)，0C為基準(zhǔn)。QFQDQWQcQQvQRQB83冷凝器為全凝器,作熱量衡算，以1小時(shí),0C為基準(zhǔn)，忽略熱損失 蒸汽用量:GB-水蒸汽用量, kg/h;r-水蒸氣的汽化潛熱, kJ/kg.2、冷凝器的熱量恒算冷卻劑的消耗量GC 熱量衡算 能量恒算：841. NT不變，泡點(diǎn)進(jìn)料，討論xD,xW如何變化？a. xF , 其它不變， D, W不變。結(jié)論： xD , xW 操作型計(jì)算xF 對(duì)xD, xW 的影響85b. 加料板位置上移結(jié)論：xD , xW 加料板位置對(duì)xD, xW 的影響86c. R結(jié)論：xD , xW R 對(duì)xD, xW 的