工科化工原理下蒸餾第最新版整理版六節(jié)

第四節(jié)精餾原理與流程一.精餾原理1.基本原理液相的多次部分氣化和氣相的多次部分冷凝2.過(guò)程分析:（1）.相圖基本形式:各種相圖均由基本相圖構(gòu)成（2）.用基本相圖分析精餾過(guò)程如圖從M到A前,為均一液相,但溫度升高到A時(shí)開(kāi)始進(jìn)入兩相區(qū),兩相量服從杠桿規(guī)則到B時(shí)得到a1.b1.液相中A比原液中的低,而氣相比原液中的高將b1部分冷凝到D得a2.b2,有b2比b1中A組分含量高,經(jīng)多次的部分冷凝最終氣相中得到沸點(diǎn)低的純的輕組分A將a1部分蒸發(fā)至C點(diǎn)得b和a,a中組分比a1中的低,經(jīng)多次的部分蒸發(fā),最終液相中得到純的高沸點(diǎn)的重組分B有衡沸點(diǎn)的體系經(jīng)蒸餾,可得一純的組分和一衡沸點(diǎn)組成混合物,衡沸點(diǎn)物在蒸餾中為全部蒸發(fā)和全部冷凝（3）用y----x表示的精餾過(guò)程A..相圖的基本形式雖無(wú)明顯相區(qū)但可用平衡線和輔助線間的區(qū)域示意描述精餾過(guò)程平衡線和輔助線組成的區(qū)域滿足杠桿規(guī)則B.精餾過(guò)程示意描述——液相部分蒸發(fā)對(duì)M點(diǎn)混合液加熱,因隨溫度增加,相對(duì)揮發(fā)度增加,平衡線向左上方移動(dòng),到達(dá)A,此時(shí)體系氣相中A的濃度為a1,液相中A的濃度為a2將組成為的液相部分氣化,既加熱到B點(diǎn),此時(shí)體系氣相中A的濃度為b1,液相中A的濃度為b2,b2比a2中A的濃度低如此液相經(jīng)反復(fù)的部分氣化,最終在液相中得到沸點(diǎn)高的純組分(難揮發(fā)分)——?dú)庀嗟牟糠掷淠龑⒔M成為氣相部分冷凝到C點(diǎn),此時(shí)體系氣相中A的濃度為c1.液相中A的濃度為c2,且c1比a1中A的濃度高.如此氣相經(jīng)反復(fù)冷凝,最終在氣相中得到純的沸點(diǎn)低的易揮發(fā)分A5思考問(wèn)題:因精餾分離液體混合物是,為得到兩個(gè)純的組分,操作過(guò)程中需要進(jìn)行多次的部分氣化(需要吸收熱量)和多次的部分冷凝(需要放出熱量),那么生產(chǎn)中如何完成?3.典型精餾設(shè)備----連續(xù)精餾裝置（1）塔分類:填料塔;板式塔;（2）特性:填料塔:操作時(shí)物料組成隨塔高而均勻變化;板式塔:隨高度變化組成呈階梯變化（3）使用范圍:填料塔:直徑<m1板式塔:直徑≥1m4.說(shuō)明（4）板式塔內(nèi)的結(jié)構(gòu)（1）為達(dá)到一定的分離效果，需足夠的板數(shù)或填料高度（2）因上升氣流和液體回流是實(shí)現(xiàn)精餾的前提，故塔低需有上升蒸汽，塔頂需有液體回流二.精餾裝置的流程1.流程2.幾個(gè)重要概念（1）加料板：接受原料的板進(jìn)料位置應(yīng)在組成與其相近的板上,稱為加料板,保證穩(wěn)定操作（2）精餾段：加料板以上的部分此部分易揮發(fā)分含量比加料中的高即精作用：使上升蒸汽中易揮發(fā)組分進(jìn)一步提濃（3）提餾段:加料口以下部分此部分中易揮發(fā)分含量比加料中低,需要進(jìn)一步提取作用：從下降液體中提取易揮發(fā)組分3.說(shuō)明:間歇精餾時(shí)只有精餾段第五節(jié)兩組分連續(xù)精餾的計(jì)算前言：1.已知條件（1）單位時(shí)間（連續(xù)或能力）原料液的處理量及其組成；（2）要求達(dá)到的分離程度2.計(jì)算內(nèi)容：（滿足生產(chǎn)要求各個(gè)相關(guān)設(shè)備的結(jié)構(gòu)、規(guī)格）(1)確定精餾塔的基本結(jié)構(gòu)（板或料塔：板---板數(shù)、料---高度）(2)計(jì)算塔的高度和直徑(3)對(duì)塔的內(nèi)部進(jìn)行計(jì)算：（板、料---分別有結(jié)構(gòu)、尺寸、其上的流體力學(xué)計(jì)算）(4)與塔相關(guān)設(shè)備的計(jì)算[冷凝器和再沸器的結(jié)構(gòu)和規(guī)格（熱量衡算）]3.涉及知識(shí)（及關(guān)系）(1)理論板的概念及恒摩爾流的假設(shè)(2)一般進(jìn)料狀態(tài)下的操作線方程（用物料衡算推導(dǎo)）(3)其他進(jìn)料情況時(shí)的操作線形式(4)理論塔板數(shù)的求法（圖、逐板計(jì)算）(5)特殊情況下理論塔板數(shù)的求法(6)回流比對(duì)理論塔板數(shù)的影響及適宜數(shù)值的確定(7)捷算法求理論塔板數(shù)(8)塔高和直徑計(jì)算(9)冷凝器、再沸器計(jì)算（熱量衡算）(10)簡(jiǎn)述塔的總操作和調(diào)節(jié)一.理論板的概念及恒摩爾流的假設(shè)1.理論塔板(1)編號(hào)及符號(hào)說(shuō)明:圖(2)任意板的操作過(guò)程:Ln-1與Vn+1在n板接觸傳熱傳質(zhì)故兩者換熱使T一致Vn+1可部分冷凝,而Ln-1可部分氣化結(jié)果新生成Vn;Yn;Ln;Xn;且有Yn>Yn+1和Xn<Xn-1（3）.理論塔板的概念:若離開(kāi)板的氣液兩相滿足平衡,則該板稱為理論塔板2.恒摩爾流的假設(shè)（1）進(jìn)塔物料加熱至沸點(diǎn),回流由塔頂?shù)娜淠魈峁?溫度為沸點(diǎn);塔低一塊塔板的蒸氣由塔釜再沸器提供.（2）除塔釜加熱器和塔頂冷凝器外,塔身不與環(huán)境交換熱量,即塔身為絕熱操作.保證塔板上液相氣化所需熱量完全由上升蒸氣提供（3）因每塊塔板上液相的泡點(diǎn)與蒸氣的露點(diǎn)相差不大,故塔板上液相的汽化熱和氣相的冷凝熱幾乎相等,即保證雖氣液相濃度在不同位置有很大變化,氣液兩相的量基本不變—恒摩爾流（4）上述假設(shè)條件下的幾個(gè)數(shù)量關(guān)系式A.全塔各板上升的蒸氣量相等B.精餾段各板的回流量相等,.但與提餾段不等C.提餾段各板的回流量相等,且等于進(jìn)料量與精餾段回流量之和二.物料衡算和操作線方程（作業(yè)5）1.符號(hào)說(shuō)明2.全塔物料衡算3.精餾段操作線方程（1）概念：回流比：設(shè)塔頂蒸氣冷凝后回流入塔的量為L(zhǎng)；作為產(chǎn)品取出的量為D則回流比（2）何為精餾段的操作線方程精餾段某一截面處(某兩板間的任意位置)氣液相組成間的關(guān)系式（3）操作線方程:A.得來(lái)方法:通過(guò)物料衡算B.衡算范圍:塔頂?shù)骄s段某處(?)C.推倒過(guò)程:對(duì)精餾段內(nèi)n板(含n板)以上部分進(jìn)行衡算進(jìn)入總量=離開(kāi)的總量v=L+D--(1)進(jìn)入的輕組分量=離開(kāi)的輕組分量將(1)代入(2)得精餾段操作線方程（4）討論:A.精餾段操作線方程表示精餾段內(nèi)兩相鄰板的氣液兩相中易揮發(fā)分組成的關(guān)系B.式中yn+1與xn不存在平衡關(guān)系,yn與xn有平衡關(guān)系C.在相圖中,操作線為直線,斜率為:R/(R+1);截距為xD/(R+1)且過(guò)對(duì)角線上.xDD.y=xf線把操作線分成兩部分,其中一部分代表全部的精餾段(AD)4.提餾段的操作線方程(1)符號(hào)說(shuō)明(2)何為提餾段方程(3)得來(lái)方法:物料衡算(4)衡算范圍:塔釜到提餾段某截面處(5)推倒過(guò)程對(duì)m板以下部分(不含m板)進(jìn)行物料衡算進(jìn)入的總物料量=離開(kāi)的總物料量L+F=V+w---------(1)將(3)代入(1)(2)得由(4)得提餾段操作線方程(6)討論A.提餾段操作線方程表示提餾段內(nèi)兩相鄰板氣液相中易揮發(fā)分組成間的關(guān)系B..Ym+1與Xm不存在平衡關(guān)系.Ym與Xm有平衡關(guān)系C.在Y—X相圖上,提餾段操作線為一條直線,斜率為(f+R)/(R+1)>1(因f>1)截距為-(f-1Xw/(R+1),且過(guò)對(duì)角線上Xw點(diǎn)則D.與精餾段操作線交于X=Xf處E.因本段液相和氣相量與加料狀態(tài)有關(guān)，故本方程為不同加料狀態(tài)通用方程的一種特殊形式求證:沸點(diǎn)液相進(jìn)料時(shí)提餾段操作線方程與精餾段操作線方程交于X=Xf上的某一點(diǎn)證明:對(duì)精餾段:思路:若Xm=Xf時(shí),提餾段操作線方程與上式相同即得證明對(duì)提餾段對(duì)整個(gè)塔進(jìn)行物料衡算有與(1)式相同即證三.進(jìn)料熱狀況的影響（對(duì)提留段操作方程）---作業(yè)：6.7.1.進(jìn)料狀態(tài)分類(按料的溫度和狀態(tài)分類)(1).泡點(diǎn)以下液相進(jìn)料(2).泡點(diǎn)液相進(jìn)料(3).泡點(diǎn)氣液混合物進(jìn)料(4).露點(diǎn)氣相進(jìn)料(5).露點(diǎn)以上過(guò)熱蒸氣進(jìn)料2.不同進(jìn)料狀態(tài)兩段氣液兩相數(shù)量分析(1).泡點(diǎn)以下液相進(jìn)料V<V′L′=L+F+(V-V′)>L說(shuō)明:并非V中氣相冷為液相,而時(shí)從提餾段上升的氣相少(2).泡點(diǎn)液相進(jìn)料V=V′因塔中各板上的液體處于沸點(diǎn)態(tài)L′=L+F(3).露點(diǎn)氣相進(jìn)料V=V′+FL=L′(4).泡點(diǎn)氣液混合物進(jìn)料V>V′L′=L+[F-(V-V′)]>L(5).過(guò)熱蒸氣進(jìn)料V=V′+F+(L′-L)>V′L′>L問(wèn)題:如何用統(tǒng)一的物理量定量描述進(jìn)料狀態(tài)?0<q<13.用物理量q描述進(jìn)料狀態(tài)(1).q的定義(2).不同進(jìn)料狀態(tài)q的數(shù)值進(jìn)料狀態(tài)q值泡點(diǎn)以下進(jìn)料泡點(diǎn)進(jìn)料>1=1泡點(diǎn)氣液混合物進(jìn)料露點(diǎn)進(jìn)料=0過(guò)熱蒸氣進(jìn)料<0(3).如何用q的通式表示進(jìn)料狀態(tài)思路:在進(jìn)料口附近,選擇任意一個(gè)截面,依此對(duì)精餾段和提餾段進(jìn)行衡算,并引入q,將兩式合并即可[[推倒:在靠近加料口(上)取一截面如圖第一步:寫(xiě)出精餾段的物料衡算式第二步:寫(xiě)出提餾段的物料衡算式7設(shè):提餾段液量為n(L′),蒸氣量為n(V′)則有:物料衡算為先將(1)(2)代入(3)(4)再將(3)代入(4)得第三步:將精餾段物料衡算式代入提餾段物料衡算式,合并整理為(4).討論:*進(jìn)料方程:在Y---X圖中為一直線,斜率為*不同進(jìn)料狀態(tài)進(jìn)料線的形式---冷液進(jìn)料q>1,斜率為正---沸點(diǎn)進(jìn)料q=1,垂直X軸---氣液混合物進(jìn)料0<q<1,斜率為負(fù)---露點(diǎn)進(jìn)料q=0過(guò)熱蒸氣進(jìn)料q<04.進(jìn)料狀態(tài)對(duì)精餾的影響（1）.精餾段和提餾段操作線方程*精餾段操作線方程:因回流比R以塔頂為基礎(chǔ),則方程形式仍為8*提餾段操作線方程則對(duì)提餾段進(jìn)行物料衡算為則將(3)代入(2)得由全塔的物料衡算得n(W)=n(F)-n(D)代入(4)得上式同除以n(D)為整理為*說(shuō)明:上兩式可用于逐板計(jì)算法和作圖法求理論塔板數(shù)（2）.進(jìn)料狀態(tài)對(duì)精餾的影響因只影響提餾段操作線方程,且提餾段由進(jìn)料線和精餾段操作線決定見(jiàn)圖結(jié)論:隨進(jìn)料代入熱量增加,操作線距離平衡線漸近,推動(dòng)力變小,理論板數(shù)增加四.理論塔板數(shù)的求法（圖、逐板計(jì)算）1.理論塔板數(shù)的圖解求算----作業(yè)：9.(1).求算依據(jù)因離開(kāi)各板的氣相和液相存在平衡關(guān)系(理論板)故可用平衡線和操作線求理論塔板數(shù)（2）.圖解法求塔板數(shù)的步驟第一步:根據(jù)已知條件確定Xf;Xw;Xd;R的值第二步在Y—X相圖中作出平衡線和輔助線第三步作精餾段操作線第四步作提餾段操作線第五步從塔頂開(kāi)始,在平衡線和操作線之間畫(huà)理論板

因Xd已知且Xd=Y1,,則Y1的數(shù)值可定;因Y1與X1平衡,所以可用Y=Xd的直線與平衡線的交點(diǎn)確定X1因X1與Y2服從操作線,故Y2可定;Y2與X2,滿足平衡關(guān)系,所以X2可定依此類推,即可確定各板Y和X的數(shù)值則理論板數(shù)為3,因塔釜代表一塊理論板故理論板數(shù)為2;加料位置為第二塊板.2.理論塔板數(shù)的逐板計(jì)算法求算（1）理論塔板數(shù)圖解求算的原理:如圖（2）.逐板計(jì)算法A.原理:利用已知數(shù)據(jù)(Xd;Xw;R等)和操作線及平衡線中Y與X的關(guān)系,采用交替計(jì)算法逐一計(jì)算出各板的Y和X,直至Xn<Xw為止,此時(shí)Y—X的對(duì)數(shù)即為理論塔板數(shù)說(shuō)明:除第一板只用一次平衡線外,其它各板的計(jì)算均需用平衡線和操作線個(gè)依此解:確定平衡關(guān)系式:因?yàn)槔硐肴芤簞t確定精餾段操作線方程確定提餾段操作線方程故需求f同理根據(jù)平衡式得:五.兩種特殊情況理論板數(shù)的求算--簡(jiǎn)1.直接蒸汽加熱（1）什么情況用該法當(dāng)被分離的混合液體中的一種為水，一種為沸點(diǎn)比水低的易揮發(fā)分（2）用該法時(shí)各段的操作線方程A.精餾段方程：同前B加料方程：同前C提餾段方程：因塔釜中多了一股蒸汽，需對(duì)其進(jìn)行修正。2.多側(cè)線塔的理論板數(shù)的確定（1）什么情況用該法當(dāng)需要取出（或加入）不同濃度的混合溶液時(shí)（2）用該法時(shí)各段的操作線方程若取出（或加入）口為N個(gè)，則操作線方程的個(gè)數(shù)為N+1個(gè)各段方程分別由該段的物料衡算得到六.回流比對(duì)理論塔板數(shù)的影響及適宜數(shù)值的確定1.分析:(以精餾段操作線方程為例)R最大和R最小時(shí)情況如何?最適宜的R為多少?2.R最大（1）.何種情況R最大塔頂無(wú)產(chǎn)品采出時(shí)----全回流（2）.R最大時(shí)的特點(diǎn):（3）.適用:評(píng)價(jià)比較各種塔的效率.3.R最小----RM（1）.何種情況是R最小?(若為泡點(diǎn)進(jìn)料)當(dāng)加料線;精餾段操作線;提餾段操作線;平衡線四線交于一點(diǎn)時(shí),R最?。?）.R最小的計(jì)算（3）.用途A確定適宜的回流比R適宜=(1.2—1.3)R最小B.若隨R降低,精餾段操作線與平衡線相切,則按切線的斜率切R最小C.當(dāng)R最小時(shí),精餾段操作線斜率最小,提餾段操作線斜率最大,總操作線與平衡線的距離最小,理論板數(shù)最多.七.捷算法求理論塔板數(shù)(芬斯克公式---吉利蘭特圖估算法)1.該方法簡(jiǎn)述（1）.芬斯克公式對(duì)理想溶液,在全回流時(shí)進(jìn)行逐板計(jì)算因全回流時(shí)傳質(zhì)推動(dòng)力最大,故有芬斯克公式計(jì)算的為最小理論板數(shù)因?qū)κ突痉侠硐肴芤?而全回流不符合.吉利蘭特對(duì)其進(jìn)行效正（2）.吉利蘭特圖方法:通過(guò)實(shí)驗(yàn)搜集數(shù)據(jù),進(jìn)行歸納,得經(jīng)驗(yàn)圖,圖說(shuō)明了最小回流比;實(shí)際回流比;最小理論板;實(shí)際理論板的關(guān)系（3）..芬斯克公式和吉利蘭特圖結(jié)合可確定任何回流比時(shí)理想溶液分離所需的理論塔板數(shù)2.芬斯克公式因理想溶液的相對(duì)揮發(fā)度在沸點(diǎn)范圍內(nèi)基本不變,根據(jù)相對(duì)揮發(fā)度的定義有:則有或類比得精餾段的最小理論板數(shù)為3.吉利蘭特圖（1）.坐標(biāo):原因:愛(ài)迪友斯將吉利蘭特圖用數(shù)學(xué)公式表示為（2）.用途:求實(shí)際回流比時(shí)的理論塔板數(shù)第一步:用芬斯克公式求Nm解:據(jù)題意知:確定加料板位置,即求精餾段塔板數(shù)(或提餾段塔板數(shù))同理說(shuō)明A.該法誤差>10%;B.該法對(duì)多組分精餾也適用八.塔高和塔徑計(jì)算（物料衡算）--作業(yè)151.塔高計(jì)算(1)工業(yè)生產(chǎn)最常用的精餾塔：板式塔（發(fā)展-----）（2）板式塔高度計(jì)算設(shè)HT為兩相鄰板間的距離（經(jīng)驗(yàn)數(shù)值）；NP為塔的實(shí)際板數(shù)。則塔高Z=（NP-1）HT因NP由塔的效率決定則（3）兩個(gè)概念A(yù).單板效率按氣相定義:效率=實(shí)際板的易揮發(fā)分氣相濃度的增加值/理論板的易揮發(fā)分氣相濃度的增加值按液相定義:說(shuō)明：?jiǎn)伟逍视蓪?shí)驗(yàn)測(cè)定B全塔效率設(shè)NT為理論板數(shù)，則全塔效率ET為ET=（NT/

NP）100%說(shuō)明：ET由經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算2.塔徑計(jì)算設(shè)：塔內(nèi)上升蒸汽的體積流量為VS；氣體的空塔速度為u；塔內(nèi)徑為D則有VS=