化工原理第十章蒸餾小結(jié)河南大學(xué)演示文稿

化工原理第十章蒸餾小結(jié)河南大學(xué)演示文稿目前一頁\總數(shù)五十七頁\編于四點(diǎn)化工原理第十章蒸餾小結(jié)河南大學(xué)目前二頁\總數(shù)五十七頁\編于四點(diǎn)

●教學(xué)基本要求●掌握雙組分溶液的汽液相平衡；雙組分連續(xù)精餾的計(jì)算和分析。了解間歇精餾、特殊精餾和多組分精餾。掌握板式塔的結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)。學(xué)習(xí)本章重點(diǎn)應(yīng)掌握的內(nèi)容：

(1)蒸餾操作的依據(jù)；

(2)雙組分物系的汽液相平衡；

(3)精餾原理；

(4)精餾操作線方程推導(dǎo)、意義與應(yīng)用；目前三頁\總數(shù)五十七頁\編于四點(diǎn)

(5)回流比、進(jìn)料狀態(tài)、進(jìn)料位置對(duì)精餾操作的影響；

(6)理論塔板數(shù)的計(jì)算；

(7)板式塔的設(shè)計(jì)。

●重點(diǎn)內(nèi)容概要●本章的基本內(nèi)容如圖10-1所示。一、概述

(1)蒸餾分離的依據(jù)

蒸餾過程是利用液體混合物中各組分揮發(fā)能力的差異，而將均相液體混合物進(jìn)行分目前四頁\總數(shù)五十七頁\編于四點(diǎn)

離的一種方法。混合物中較易揮發(fā)的組分稱為易揮發(fā)組分，較難揮發(fā)的組分稱為難揮發(fā)組分。

(2)蒸餾操作的分類

按操作方式分：簡(jiǎn)單蒸餾、平衡蒸餾、精餾、特殊精餾；按操作壓力分：常壓精餾、真空精餾、加壓精餾；按物料的組分?jǐn)?shù)分：雙組分精餾、多組分精餾按操作是否連續(xù)分：間歇精餾、連續(xù)精餾本章主要討論雙組分連續(xù)精餾。目前五頁\總數(shù)五十七頁\編于四點(diǎn)

二.雙組分溶液的汽液相平衡

1.定律與概念

(1)相律相律表示平衡物系中的自由度F，相數(shù)和獨(dú)立組分?jǐn)?shù)C之間的關(guān)系，即對(duì)雙組分平衡物系，雙組分平衡物系涉及的參數(shù)與：溫度t

、壓力、汽相組成和液相組成。而精餾操作通常在恒壓下進(jìn)行，故壓力一定，此時(shí)，物目前六頁\總數(shù)五十七頁\編于四點(diǎn)

系的自由度F=1，即在三參數(shù)中，只要規(guī)定了其中一個(gè)變量，其余兩個(gè)也就被唯一確定。

(2)拉烏爾定律汽液平衡時(shí)，組分的蒸汽壓p與溶液中組分的摩爾分率x成正比，即目前七頁\總數(shù)五十七頁\編于四點(diǎn)-----溶液中組分A，B的摩爾分率。理想溶液的汽液平衡關(guān)系服從拉烏爾定律。

(3)道爾頓定律總壓p等于各組分分壓之和，即理想物系氣相服從道爾頓定律。

目前八頁\總數(shù)五十七頁\編于四點(diǎn)目前九頁\總數(shù)五十七頁\編于四點(diǎn)目前十頁\總數(shù)五十七頁\編于四點(diǎn)

相對(duì)揮發(fā)度定量的表示拉各組分揮發(fā)的難易程度，越大，說明A組分越容易分離。說明兩組分揮發(fā)度相等，在這種情況下，不能用普通的蒸餾方法進(jìn)行分離。

目前十一頁\總數(shù)五十七頁\編于四點(diǎn)2.雙組分理想物系平衡關(guān)系目前十二頁\總數(shù)五十七頁\編于四點(diǎn)(2)溫度組成的()圖總壓一定時(shí)，溫度與汽液相平衡組成的關(guān)系，如下圖所示。10-2目前十三頁\總數(shù)五十七頁\編于四點(diǎn)(3)汽液平衡組成()圖蒸餾計(jì)算中用得最多的是汽液平衡組成圖，如下圖所示。10-3目前十四頁\總數(shù)五十七頁\編于四點(diǎn)(4)相平衡方程此時(shí)，a在全部操作溫度和組成范圍內(nèi)可近似的作為常數(shù)處理，計(jì)算時(shí)，取其算術(shù)或幾何平均值。

3.雙組分非理想溶液平衡關(guān)系實(shí)際生產(chǎn)中所遇到的多數(shù)物質(zhì)稱為非理想溶液，即組分的平衡蒸汽壓偏離拉烏爾定率。目前十五頁\總數(shù)五十七頁\編于四點(diǎn)(1)具有最低恒沸點(diǎn)的溶液：，對(duì)理想溶液具有正偏差，這種系統(tǒng)會(huì)出現(xiàn)最高蒸汽壓和相應(yīng)的最低恒沸點(diǎn)，如乙醇—水溶液。

(2)具有最高恒沸點(diǎn)的溶液：，對(duì)理想溶液具有負(fù)偏差，這種系統(tǒng)會(huì)出現(xiàn)最低蒸汽壓和相應(yīng)的最高恒沸點(diǎn)，如硝酸—水溶液。注意：無論是正偏差還是負(fù)偏差溶液，在恒沸組成時(shí)，其溶液兩相的組成皆相同，故無法用一般蒸餾方法加以分離。目前十六頁\總數(shù)五十七頁\編于四點(diǎn)

二.蒸餾過程

1.簡(jiǎn)單蒸餾

(1)流程：如下圖所示，為一間歇操作過程。10-4目前十七頁\總數(shù)五十七頁\編于四點(diǎn)

(2)特點(diǎn)

●間歇操作過程；

●不穩(wěn)定過程，隨著蒸餾的進(jìn)行，釜內(nèi)液體中易揮發(fā)組分的組成逐漸降低，與之相平衡的汽相中，易揮發(fā)組分的組成亦隨之降低，釜液溫度不斷升高；

●計(jì)算時(shí)，選擇微元時(shí)間列出微分式，再積分求解。

2.平衡蒸餾

(1)流程：平衡蒸餾裝置如下頁圖10-5所示。目前十八頁\總數(shù)五十七頁\編于四點(diǎn)(2)特點(diǎn)

●連續(xù)操作過程；

●穩(wěn)定過程，維持恒定的操作條件，產(chǎn)物的組成不隨時(shí)間而變化；

●汽、液兩相一次平衡。

3.雙組分連續(xù)精餾

(1)精餾原理

●理論上可采用多次部分汽化和多次部分冷凝的方法，以實(shí)現(xiàn)液體混合物的高純度分離；

●工程上，廣泛采用精餾，典型的精餾過程如圖10-6所示。

●精餾操作的必要條件：塔頂?shù)囊合嗷亓骱湍壳笆彭揬總數(shù)五十七頁\編于四點(diǎn)

塔底的汽相回流。

●精餾過程是傳質(zhì)和傳熱同時(shí)進(jìn)行的過程，但過程主要由傳質(zhì)過程所控制。

●理論塔板數(shù)的概念：指這樣一塊塔板，當(dāng)汽、液兩相在其上進(jìn)行接觸傳質(zhì)時(shí)，離開該塔板的兩相在傳熱、傳質(zhì)方面都達(dá)到拉平衡，即汽液兩相溫度相等，組成互呈平衡，常又稱為平衡級(jí)。

●總板效率的概念：又稱全塔效率，達(dá)到規(guī)定分離要求所需的理論塔板數(shù)N與達(dá)到相同分離要求所需實(shí)際塔板數(shù)的比值，即目前二十頁\總數(shù)五十七頁\編于四點(diǎn)

(2)雙組分連續(xù)精餾的物料衡算和熱量衡算

●全塔物料衡算如圖10-7所示，全塔物料衡算有：目前二十一頁\總數(shù)五十七頁\編于四點(diǎn)

●恒摩爾流假設(shè)為了簡(jiǎn)化精餾計(jì)算，在滿足兩組分的摩爾汽化潛熱差別不大，忽略由于溫度不同引起的泡點(diǎn)液體焓的變化和熱損失的條件下，精餾塔內(nèi)在沒有進(jìn)料和出料的塔段中，各板上升蒸汽的摩爾量相等，各板下降液體的摩爾量亦相等。即：

注意：汽、液相的流率采用摩爾流率，對(duì)應(yīng)的組成采用摩爾分率。目前二十二頁\總數(shù)五十七頁\編于四點(diǎn)目前二十三頁\總數(shù)五十七頁\編于四點(diǎn)q線方程為兩條操作線交點(diǎn)的軌跡方程。

●進(jìn)料狀態(tài)對(duì)q值與q線的影響，見表10-1。10-1目前二十四頁\總數(shù)五十七頁\編于四點(diǎn)

●精餾段、提鎦段汽液相流率之間的關(guān)系液相：汽相：

●全塔熱量衡算如圖10-8所示。10-8目前二十五頁\總數(shù)五十七頁\編于四點(diǎn)(3)理論塔板數(shù)

●逐板計(jì)算法塔頂冷凝器為全冷凝、泡點(diǎn)回流、再沸器中為間接加熱，當(dāng)給定，規(guī)定分離要求(或回收率)、選定R，已知操作溫度下的a，則可交替使用相平衡方程和操作線方程，由塔頂至塔底逐板計(jì)算。

●圖解法將上述計(jì)算過程用圖解過程代替，如圖10-9所示。圖解步驟：①在圖上畫出平衡線，連接對(duì)角線目前二十六頁\總數(shù)五十七頁\編于四點(diǎn)②確定精餾操作線；③確定q線；④確定提餾段操作線；⑤在平衡線和操作線間畫梯級(jí)。圖解法直觀形象，有利于問題的分析，但誤差較大。

●簡(jiǎn)捷法利用吉利蘭(Gilliland)關(guān)聯(lián)圖(圖10-10)或關(guān)聯(lián)式，查圖或計(jì)算所需的理路塔板數(shù)。目前二十七頁\總數(shù)五十七頁\編于四點(diǎn)

簡(jiǎn)捷法主要用于對(duì)理論塔板數(shù)作初步的估算，或粗略比較不同回流比時(shí)所需的理論塔板數(shù)。目前二十八頁\總數(shù)五十七頁\編于四點(diǎn)

注意：圖解法時(shí)，任一梯級(jí)表示的意義如圖10-11所示。10-11目前二十九頁\總數(shù)五十七頁\編于四點(diǎn)(4)進(jìn)料位置的確定

●最優(yōu)或適宜的進(jìn)料位置：對(duì)應(yīng)于兩操作線交點(diǎn)Q所在的梯級(jí)。

●進(jìn)料位置較高或較低對(duì)分離都不利。

●允許的進(jìn)料位置的范圍在如圖10-12所示的之間?！衲壳叭揬總數(shù)五十七頁\編于四點(diǎn)●目前三十一頁\總數(shù)五十七頁\編于四點(diǎn)●適宜回流比的選擇回流比對(duì)精餾費(fèi)用的影響，見圖10-13。一般取Ropt=(1.2~2)Rmin目前三十二頁\總數(shù)五十七頁\編于四點(diǎn)(6)進(jìn)料狀態(tài)的影響

●

q線不影響精餾段操作線位置，但影響提留段操作線位置；

●

q值不同，最佳進(jìn)料板位置不同；

●

q值不同，達(dá)到相同分離要求所需的理論板數(shù)不同，q值增大，所需理論板數(shù)減少。

(7)操作型問題討論

●所用的基本關(guān)系式與設(shè)計(jì)型相同，但已知條件和待求結(jié)果不同，由于操作型計(jì)算的試差過程比較復(fù)雜，目前多用計(jì)算機(jī)求解。

●精餾操作型問題的類型：主要有兩類，一是對(duì)現(xiàn)有的精餾塔，在給定精餾條件下，目前三十三頁\總數(shù)五十七頁\編于四點(diǎn)

核算其可能達(dá)到的分離程度；二是最運(yùn)行中的精餾塔，當(dāng)某一操作條件改變時(shí)，分析分離效果的變化，是否能獲得合格的產(chǎn)品及為此需采取的措施，還會(huì)產(chǎn)生什么其他的影響。

●精餾塔操作問題的分析方法：對(duì)類型二的操作型問題，操作條件改變所引起分離效果()的變化必須同時(shí)滿足全塔物料衡算關(guān)系和逐板組成變化關(guān)系，但二者所起的作用并不相同。分離結(jié)果的改變是由于塔板分離能力的改變引起逐板組成發(fā)生變化所致，而其變化的程度則受全塔物料衡算關(guān)系的約束。逐板組成變化關(guān)系用圖示比較直觀。目前三十四頁\總數(shù)五十七頁\編于四點(diǎn)

●主要操作參數(shù)的調(diào)節(jié)精餾過程的許多參數(shù)盡管是在設(shè)計(jì)中選定或規(guī)定的，但在操作時(shí)，在一定范圍內(nèi)仍是可調(diào)的。通常可調(diào)節(jié)的參數(shù)有回流比R，產(chǎn)品采出量D，進(jìn)料位置Nf

?；亓鞅萊

回流比R是影響分離程度和塔內(nèi)水利學(xué)狀況的重要操作參數(shù)。對(duì)于一定的塔板數(shù)，若在正常的水利學(xué)條件下，增大回流比，可提高塔的分離能力。增大回流比的途徑有兩條，一是維持塔頂采出量D不變，增大回流量L。采用該種方法時(shí)，應(yīng)考慮塔底再沸器和塔頂冷凝器的能力是否允許，塔能否目前三十五頁\總數(shù)五十七頁\編于四點(diǎn)

發(fā)生液泛。二是維持回流量L不變，減小塔頂采出量D。該方法將使易揮發(fā)組分的回收率下降。進(jìn)料位置Nf

當(dāng)進(jìn)料組成發(fā)生變化，使進(jìn)料位置偏離最佳進(jìn)料位置時(shí)，如進(jìn)料中輕組分增加，進(jìn)料板應(yīng)上移，反之應(yīng)下移，以保證進(jìn)料組成與進(jìn)料板上的液相組成最接近。產(chǎn)品采出量D

當(dāng)進(jìn)料的組成或流量發(fā)生變化，采出量D也應(yīng)按分離要求重新做物料衡算確定，否則由于物料衡算的限制，有時(shí)調(diào)節(jié)參數(shù)也是無效的。目前三十六頁\總數(shù)五十七頁\編于四點(diǎn)

(8)其他有關(guān)實(shí)例

●直接蒸汽加熱將加熱蒸汽直接通入釜液中的操作，稱為直接蒸汽加熱。該操作使用于所分離的混合液由水和比水易揮發(fā)的組分組成的物系，可省去一間接加熱的再沸器。對(duì)設(shè)計(jì)型問題，達(dá)到相同分離要求時(shí)，直接蒸汽加熱所需的理論板數(shù)比間接加熱的略少，但此時(shí)塔頂易揮發(fā)組分的回收率降低。

●冷回流和塔頂加設(shè)分凝器情況冷回流：入塔回流液的溫度低于其泡點(diǎn)時(shí)，目前三十七頁\總數(shù)五十七頁\編于四點(diǎn)

稱為冷回流。冷回流使塔內(nèi)實(shí)際回流比增加。對(duì)于設(shè)計(jì)型問題，使得達(dá)到相同分離要求所需的理論塔板數(shù)比泡點(diǎn)回流時(shí)略少，其代價(jià)是塔釜提供更多的熱量。塔頂加設(shè)分凝器分凝器中汽液兩相達(dá)到拉平衡，相當(dāng)于一塊理論塔板。

●塔頂進(jìn)料的情況塔頂進(jìn)料，塔只有提餾段而無精餾段，又稱汽提塔。

●側(cè)線出料和多股進(jìn)料側(cè)線出料和多股進(jìn)料可將塔分成若干段，目前三十八頁\總數(shù)五十七頁\編于四點(diǎn)

各段分別有相應(yīng)的操作線，各股進(jìn)料亦分別有相應(yīng)的q線方程和q線。各段的操作線方程通過每段的物料衡算推導(dǎo)出。

●加設(shè)中間再沸器或中間冷凝器的情況從用能的角度來考慮，加設(shè)中間再沸器可降低高溫?zé)嵩吹哪芰繜岷?，而加設(shè)中間冷凝器，則可以節(jié)省低溫冷劑的消耗量。但無論是加設(shè)中間再沸器還是中間冷凝器對(duì)分離都是不利的。目前三十九頁\總數(shù)五十七頁\編于四點(diǎn)

4.間歇精餾

(1)特點(diǎn)：精餾塔只有精餾段而無提鎦段；精餾過程中，釜液組成不斷降低，使上升蒸汽組成、以及各塊塔板汽液相組成均隨時(shí)間的推移而不斷降低，是一非穩(wěn)態(tài)過程。

(2)操作方法間歇精餾可按兩種基本方法操作，一是維持回流不變，此時(shí)餾出液組成逐漸降低；二是維持餾出液組成恒定，這就要求不斷增大回流比。目前四十頁\總數(shù)五十七頁\編于四點(diǎn)5.特殊精餾特殊精餾的基本原理是在雙組分溶液中加入第三(添加劑)以改變?cè)芤褐懈鹘M分之間的相對(duì)揮發(fā)度。

(1)恒沸精餾加入的第三組分能與原來溶液中一個(gè)(或兩個(gè))組分形成最低恒沸物，從而使原溶液易于分離，這種方法稱為恒沸精餾，加入的第三組分稱為挾帶劑。如乙醇-水溶液分離制取無水乙醇時(shí)，加入苯作為挾帶劑。目前四十一頁\總數(shù)五十七頁\編于四點(diǎn)(2)萃取精餾加入的第三組分不和被分離的組分形成恒沸物，但能比較顯著地改變它們之間的相對(duì)揮發(fā)度，且本身的揮發(fā)度很小，這種方法稱為萃取精餾。第三組分常稱為萃取劑，如常壓下笨和環(huán)乙烷的分離，以糖醛為萃取劑。

6.多組分精餾實(shí)際生產(chǎn)中經(jīng)常遇到的是多組分精餾、雙組分精餾的原理和基本關(guān)系式適用于多組分精餾，但由于組分?jǐn)?shù)目增多，其流程和需目前四十二頁\總數(shù)五十七頁\編于四點(diǎn)

要解決的問題也更復(fù)雜。

(1)相平衡關(guān)系對(duì)m個(gè)組分的物系，壓力一定時(shí)，系統(tǒng)有m-1個(gè)自由度，故需已知液(或汽)相各組分的組成，才能求與之相平衡的汽(或液)相組成。而且，組分的相平衡常數(shù)不僅與系統(tǒng)的壓力和溫度有關(guān)，還與該組分以及其余組分在兩相中的組成有關(guān)，設(shè)計(jì)復(fù)雜的熱力學(xué)關(guān)系。這使多組分的汽、液平衡計(jì)算變得復(fù)雜。對(duì)于烴類混合物在不太高的壓力下，汽液平衡計(jì)算常采用圖。目前四十三頁\總數(shù)五十七頁\編于四點(diǎn)(2)物料衡算

●關(guān)鍵組分的概念多組分精餾中，通常根據(jù)分離主要目的，從中選出兩個(gè)組分來規(guī)定其分離要求，這兩個(gè)組分稱為關(guān)鍵組分。其中相對(duì)揮發(fā)度較大的稱為輕關(guān)鍵組分，相對(duì)揮發(fā)度較小的稱為重關(guān)鍵組分，期于組分則稱為非關(guān)鍵組分。

●清晰分割與非清晰分割若兩關(guān)鍵組分相鄰，且輕關(guān)鍵組分與其相鄰的輕組分之間的相對(duì)揮發(fā)度和重關(guān)鍵組分與其相鄰的重組分之間的相對(duì)揮發(fā)度均相差較大目前四十四頁\總數(shù)五十七頁\編于四點(diǎn)

則可認(rèn)為比輕關(guān)鍵組分更輕的各組分全部從塔頂蒸出，因而可設(shè)它們?cè)诟褐械慕M成近似為零；比重關(guān)鍵組分更重的各級(jí)組分全部從塔底排出，因而可設(shè)他們?cè)陴s出液中的組成近似為零，這種情況稱為清晰分割。若分離的情況不滿足清晰分割的條件，一部分輕組分可能和輕關(guān)鍵組分一起進(jìn)去釜液，一部分重組分可能和重關(guān)鍵組分一起進(jìn)入餾出液，這種情況稱為非清晰分割。此時(shí)，分離要求以回收率的形式給出。目前四十五頁\總數(shù)五十七頁\編于四點(diǎn)

(3)理論塔板數(shù)計(jì)算對(duì)于多組分精餾時(shí)理論塔板數(shù)的計(jì)算，可以采用簡(jiǎn)捷法或逐板計(jì)算法。

目前四十六頁\總數(shù)五十七頁\編于四點(diǎn)

四.板式塔

1.板式塔中氣、液相的異常流動(dòng)板式塔的設(shè)計(jì)或操作不當(dāng)時(shí)，氣、液兩相可能產(chǎn)生使塔無法操作的異常流動(dòng)。這種異常流動(dòng)主要有液泛(包括過量液體夾帶液泛和降液管液泛)和嚴(yán)重漏夜。