化工原理之蒸餾培訓講義

第六章蒸餾第一節(jié)雙組分溶液的氣液相平衡

第二節(jié)蒸餾與精餾原理第三節(jié)雙組分連續(xù)精餾的計算與分析第五節(jié)恒沸精餾與萃取精餾第四節(jié)間歇精餾第六節(jié)板式塔1蒸餾在化工生產中的應用分離多組分混合物；某一組分的提純；有用組分的回收。目的：廣泛性：液體混合物；氣體混合物；固體混合物。234蒸餾過程的分離依據依據：蒸餾是利用混合物中各組分揮發(fā)性的差異。易揮發(fā)組分(或輕組分):揮發(fā)性高的組分，以A表示；難揮發(fā)組分(或重組分):揮發(fā)性低的組分，以B表示。

蒸餾過程液體混合物加熱部分汽化液相：xA,xB

汽相：yA,yB

液相冷凝5必有：yA>xA,yB<xB即：蒸餾過程的分類方法簡單蒸餾按蒸餾方式：平衡蒸餾

精餾特殊精餾6常壓蒸餾按操作壓力：加壓蒸餾減壓（真空）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：按物系的組分數雙組分蒸餾多組分蒸餾7第一節(jié)雙組分溶液的氣液相平衡一、溶液的蒸氣壓與拉烏爾定律二、理性溶液氣液相平衡三、非理想溶液氣液相平衡8一、溶液的蒸氣壓與拉烏爾定律密閉容器內，一定溫度，純組分液體的氣液兩相達到平衡狀態(tài)，飽和狀態(tài)。蒸汽為飽和蒸汽，其壓力為飽和蒸汽壓（蒸氣壓）。Antoine方程：po—純組分液體的飽和蒸汽壓，kPaA、B、C—純組分液體的飽和蒸汽壓，kPa9理想溶液與拉烏爾定律拉烏爾定律：在一定溫度下，汽相中任一組分的分壓等于此純組分在該溫度下的蒸汽壓乘以它在溶液中的摩爾分率。理想溶液：微觀：fAB=fAA=fBB；宏觀：體積和不變，無熱效應。pA=pAoxApB=pBoxB=pBo（1-xA）10pA、pB—溶液上方A和B兩組分的平衡分壓，Papao、pBo—同溫度下，純組分A和B的飽和蒸汽壓，Pa；xA、xB—分別為混合液組分A和B的摩爾分率二、理想溶液氣液相平衡（一）理想溶液t~y~x關系式

理想液體pA=pAoxApB=pBoxB=pBo（1-xA）理想氣體11——汽液兩相平衡組成間的關系——泡點方程—露點方程12（二）t~y~x圖與y~x圖三個區(qū)：液相區(qū)，過冷液體氣相區(qū)，過熱蒸汽兩相區(qū)，氣液共存兩相區(qū)特點：兩相溫度相同

y>x兩條線：液相線（泡點線）氣相線（露點線）組成相同，t露點>t泡點13對角線y=x為輔助曲線，y>x，平衡線在對角線之上；x~y線上各點溫度不同；平衡線離對角線越遠，揮發(fā)性差異越大，物系越易分離。14壓力對t~xA（yA）圖及x~y圖的影響壓力增加，平衡線靠近對角線，分離難度大15（三）相對揮發(fā)度與理想溶液的y－x關系組分的揮發(fā)度:是該物質揮發(fā)難易程度的標志，表示。pA、pB——汽液平衡時，組分A,B在氣相中的分壓；xA、xB——汽液平衡時，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)度純組分的揮發(fā)度：=pAo16理想溶液則:2.相對揮發(fā)度(以α表示)理想氣體：或：一般物系：173.理想溶液的氣液相平衡方程式代入——相平衡方程討論:

α的物理意義：汽相中兩組分組成之比是液相中兩組分組成之比的倍數。其值標志著分離的難易程度。18若α=1，則普通蒸餾方式將無法分離此混合物。α<1,則重新定義輕組分與重組分，使α>1。平均相對揮發(fā)度αm。三、非理想溶液氣液相平衡（一）對拉烏爾定律有正偏差的溶液

（1）無恒沸點的溶液如甲醇-水溶液pA>pA理，pB>pB理，介于pAo、pBo之間。19（2）有最低恒沸點的溶液如乙醇-水（二）對拉烏爾溶液有負偏差的溶液（1）無恒沸點溶液如氯仿-苯溶液

pA<pA理，pB<pB理，介于pao、pBo之間。20（2）有最高恒沸點的溶液如硝酸-水溶液21第二節(jié)蒸餾與精餾原理二、精餾原理一、簡單蒸餾與平衡蒸餾22（一）簡單蒸餾（微分蒸餾）y原料液x蒸氣xD1xD2xD3冷凝器特點：間歇、非定態(tài)，R=0一、簡單蒸餾與平衡蒸餾23（二）平衡蒸餾特點：可連續(xù)；定態(tài)；單級。分離器塔頂產品yAxA加熱器原料液塔底產品Q減壓閥24二、精餾原理（一）精餾塔內氣液兩相的流動、傳熱與傳質25精餾原理：多次部分冷凝、多次部分汽化、液相回流及上升蒸氣。進料板：原料液進入的那層塔板精餾段：進料板以上的塔段提餾段：進料板以下（包括進料板）的塔段塔頂冷凝器和塔低再沸器26yn-1*xn+1*n+1nn-1tn+1tntn-1xn-1yn+1xnyn（二）塔板上氣液兩相的傳質與傳熱27——兩相傳熱——兩相傳質液相中的易揮發(fā)組分部分汽化向氣相傳遞；氣相中的難揮發(fā)組分部分冷凝向液相傳遞；平衡：離開該級的氣液兩相溫度相等；理論級：離開該級的氣液兩相組成相平衡。28問題：1.精餾過程的能耗在何處？無液相回流，分離結果如何？無氣相回流，分離結果如何？（三）回流作用連續(xù)精餾的充分必要條件：最上要有高純度易揮發(fā)組分的液相：液相回流最下要有高純度難揮發(fā)組分的氣相：氣相回流(上升蒸氣)29第三節(jié)雙組分連續(xù)精餾的計算與分析一、全塔物料衡算二、恒摩爾流量的假定三、進料熱狀態(tài)參數q四、操作線方程與q線方程五、理論板數的計算六、回流比與進料熱狀態(tài)對精餾的影響九、精餾塔的操作計算八、理論板數的捷算法計算七、塔頂回流比的選擇30設計目標：1）根據分離任務，確定產品流量D，W；2）選擇操作條件R、進料狀態(tài)；3）確定塔板數及加料位置；4）選擇塔型，確定塔徑，塔內結構尺寸，流體力學驗算；5）冷凝器及再沸器熱負荷及設計計算。31一、全塔物料衡算單位時間為基準總物料衡算：F=D+W易揮發(fā)組分物料衡算：FxF=DxD+WxWF、D、W：kmol/sxF、xD、xW：摩爾分數F,xFD,xDW,xW32分離要求的不同形式：2）組分回收率：1）規(guī)定xD、xW二、恒摩爾流量的假定1.恒摩爾流假定33即：V1=V2=……V=常數V1’=V2’=……V’=常數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）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。但兩段的上升蒸汽的摩爾流量不一定相等。34即：L1=L2=······L=常數L1’=L2’=······L’=常數但兩段下降的液體摩爾流量不一定相等。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。（2）精餾段內，每層塔板下降的液體摩爾流量都相等，提餾段也一樣。352.恒摩爾流假設適用條件兩組分的摩爾汽化潛熱相等；兩相接觸因溫度不同交換的顯熱忽略不計；塔設備保溫良好，熱損失可以忽略不計。36三、進料熱狀態(tài)參數q過冷液體P飽和液體C汽液混合物G飽和蒸汽D過熱蒸汽HH37FLV’L’V冷液進料泡點進料FLV’L’VFqF(1-q)FLV’L’V汽液混合進料38FLV’L’V過熱蒸汽進料FLV’L’V飽和蒸汽進料39（一）精餾段操作線方程總物料衡算：V=L+D易揮發(fā)組分的物料衡算：Vyn+1=Lxn+DxD精餾段的操作線方程四、操作線方程與q線方程40令R=L/D，R稱為回流比

精餾段的操作線方程（二）提餾段操作線方程總物料衡算：易揮發(fā)組分：精餾段的操作線方程41——塔釜的氣相回流比42（三）塔釜氣相回流比R’與塔頂液相回流比R及進料熱狀態(tài)參數q的關系43（四）操作線的繪制與q線方程1.精餾段操作線斜率:截距:yxxD操作線為過點（xD，xD

）44xW

過點（xW，xW）斜率截距:yxxDxFDIf2.提餾段操作線FW3.兩操作線交點坐標與q線方程45兩操作線交點坐標q線方程46L與L’(1)冷液q>1(2)飽和液體q＝1(3)氣液混合0<q<1(4)飽和蒸汽q＝0(5)過熱蒸汽q<0進料狀況q值q線位置V與V’47

q線對兩操作線的影響對精餾操作線無影響，對提餾操作線有影響，

q

提餾操作線斜率推動力。48五、理論板數計算（一）理論板數的圖解法計算梯級的物理意義理論板上濃度特征：xnyn相平衡，落到平衡線上。某截面濃度特征：xnyn+1操作關系，落到操作線上。49圖解法求理論板數討論：確定最佳進料位置最優(yōu)進料位置：塔內汽相或液相組成與進料組成相等或相近的塔板。圖解法最優(yōu)進料板：跨越兩操作線交點的梯級，NT最少。5051（二）理論板數的逐板計算法全凝器泡點回流泡點進料間接蒸汽加熱F,xFD,xDW,xWyWm-112nx1x2xnxm-1y2y1ym-1精餾段：y1=xD精餾段塔板數：n-1n——平衡關系的次數52提餾段：平衡關系：操作關系：或提餾段塔板數：m-1(不含再沸器）53平衡關系：操作關系：或注意：塔頂分凝器與冷凝器，分凝器相當于一塊理論板.精餾段塔板數：n-1-1D,xD=y0?y1y0x054六、回流比與進料熱狀態(tài)對精餾過程的影響QFQDQWQcQ’QvQRQB①q一定，R↑R’、V、V’、L、L’都↑（一）R、

q和R’對冷凝器和蒸餾釜的熱負荷影響55③R’一定，QB一定，QF↑（q↓）分離任務一定，熱進料，減少塔釜負荷總輸入熱量一定，塔釜輸入熱量多，有利傳質傳熱R↑,QC↑②R一定，D、W、xD、xW一定QD、QW一定56（一）R、

q和R’理論板數的影響①q一定，R↑②R一定，D、W、xD、xW一定，q的影響57D、F、xD、R一定，q推動力

NTq

NT是以塔釜負荷增加為代價58③R’一定，xF、xD、xW一定，q↓的影響xWyxxDxFDFWq<0q=00<q<1q=1q>1推動力

NTq↓

NT是以塔頂負荷增加為代價59R的影響RNT、操作費七、塔頂液相回流比的選擇60（一）全回流與最少理論板數全回流：塔頂上升蒸氣冷凝后全部引回塔頂作為回流。D=0，W=0，F=0；兩條操作線合二為一，與對角線重合。N=Nmin

全回流的特點：61全回流時Nmin：第1塊62第1塊第2塊第2塊第N-1板第N塊（再沸器）塔頂全凝器63——芬斯克公式(多組分)適用條件：雙組分混合物，塔頂全凝器，塔釜間接加熱。64注意：Nmin：包括再沸器；

xw=xF

全回流的意義:開工、實驗研究、設備異常或調試時，便于控制。65（二）最小回流比Rmin66最小回流比對于某一物系，在一定的分離任務下，所需理論板為無窮多時所對應的回流比。恒濃區(qū)（夾緊點）

在p點前后氣液兩相濃度沒有變化，即無增濃作用。所以此區(qū)稱作恒濃區(qū)，p點叫夾緊點。67

作圖法：理想物系平衡線非理想物系平衡線最小回流比的計算phDFFxqyq68gg69（三）適宜回流比R對操作費用的影響：R對設備費用的影響：70八、理論板的簡捷計算法R、NT、Rmin、Nmin關系關聯圖：吉利蘭圖71左端：右端：最小回流全回流適用條件：多組分，多種進料狀態(tài)，：1.264.05N：2.443.1特點：簡便、快；雙組分、多組分都適用；誤差大，可用N估算，方案的比較。72NT的計算步驟：（1）由物系性質及分離程度定Rmin、R；（2）計算全回流下的Nmin（圖解法、芬斯克公式）（4）xw=xF，定加料位置注意：吉利蘭圖可回歸成73九、精餾塔的操作計算（試差法）先設xw物料衡算求xD（y1)（接近xw為止）十、直接蒸氣加熱及兩股進料的精餾塔（一）直接蒸汽加熱的精餾塔74目的：處理某輕組分的水溶液，難揮發(fā)組分為水時，直接蒸氣加熱，省再沸器流程及特點：FxFWD75NT的計算精餾段操作線提餾段操作線q線總物料衡算L′+S=V′+b易揮發(fā)組分L′xn=V′yn+1+bxnF,xFD,xDW,xWSV′,yn+1L,xn′nn+176過點（xb，0）斜率：b/SS=V′b=L′xDxWxF理論板數的求取77（二）兩股進料的精餾塔F2,xF2D,xDW,xWF1,xF1?ПШV′′,ys+1L′′,xss+1s?段：П段：78DxF2xF1xDxw357共7塊（含再沸器）第3塊為xF1加料板第5塊為xF2加料板斜率：?<П<Ш注意：?П有Rmin

ПШ有RminRmin取其大的q2q1Wf1f279第四節(jié)間歇精餾二、xD恒定的操作一、恒定R的操作80特點：1）非定態(tài)；2）只有精餾段。操作方式：2）恒定xD，R；1）恒定R，xD。D,xDW,xW一、恒定R的操作1.操作（NT、R一定），xWxWe、xD平均xD

81xD1xD2xW1xW22.計算xD1NT計算以xD1及xF為基準RminRNT始態(tài)為基準二、xD恒定的操作1.操作恒定NT、xD

xW達到xWe、R822.計算NT計算依據：終態(tài)xD、xWeRminRNTxDR1xW1xW2R2工業(yè)間歇操作常為兩種方式的結合。83第五節(jié)恒沸精餾與萃取精餾一、恒沸精餾二、萃取精餾84一、恒沸精餾（一）含義：加第三組份，形成恒沸物（沸點更低），塔底得純產品。（二）實例89%E11%W恒沸精餾塔苯回收塔乙醇回收塔苯富水富苯85（三）挾帶劑應具備的條件1）新恒沸液A挾帶含量少的組分；2）A冷凝后分層；3）A沸點低；能耗低易分離易分離4）價廉、穩(wěn)定、安全。二、萃取精餾（一）含義：加萃取劑，86（三）萃取劑應具備的條件1）選擇性好，；2）沸點高，易回收；3）與原料互溶度大；4）價廉、穩(wěn)定、安全?；厥账ǘ嵗?7恒沸精餾與萃取精餾的比較：1）原理：恒沸物2）第三組份：塔頂出塔底出難選易選加量受限量變,變3）加入位置：加料處塔頂4）能耗：大小88第六節(jié)板式塔六、塔板類型一、塔板結構二、塔板上氣液兩相的流體現象四、塔高的確定三、塔效率五、塔徑的計算89逐級接觸式連續(xù)接觸式901.生產能力大；2.分離效率高；3.阻力小，壓降低；4.操作彈性大；5.結構簡單、造價低、安裝維修方便等。評價塔設備性能的指標91一、塔板結構氣體通道（一）氣液鼓泡區(qū)（二）溢流堰（三）降液管（四）塔板液體流動安排92二、塔板上氣液兩相的流體現象（一）氣液接觸狀態(tài)（3種）液體：連續(xù)相氣體：分散相傳質面：氣泡表面鼓泡接觸工況93泡沫接觸工況液體：連續(xù)相氣體：分散相傳質面：不斷更新的液膜表面94氣體：連續(xù)相液體：分散相傳質面：不斷更新的液滴表面噴射接觸工況工業(yè)上常用的是：噴射和泡沫接觸狀態(tài)95（二）塔板上的液面落差液面落差：塔板進出口清液層高度差減少液面落差的措施：多溢流。96（三）塔板篩孔漏液孔速過小或氣液分布不均勻，大量液體由篩孔漏下。（四）液泛定義：液體進塔量大于出塔量，結果使塔內不斷積液，直至塔內充滿液體，破壞塔內正常操作，稱為液泛。（五）液沫夾帶97氣量↑→夾帶量↑板間距HT↓→夾帶量↑要求液沫夾帶量eV≯0.1kg液沫/kg干氣主要影響因素減少措施：HT

↑；u↓三、塔效率（一）全塔效率ET=f（物系、板結構、操作條件）關聯圖98（1）氣相單板效率平均組成n（2）液相單板效率平均組成（二）單板效率99注意：1）同一個板，EML不一定等于EMV；僅當

平衡線與操作線平行時兩者相等2）不同的板，EML或EMV不一定相等3）EMV或EML可能>100％全回流100四、塔高的確定五、塔徑的計算u—氣相的空塔氣速，m/s.101C－氣相負荷因子——液體表面張力，dyne/cm(同mN/m)2020dyne/cmC

2.02020CC

÷???è?=ss下的氣相負荷因子＝－－102泡罩泡罩塔板（一）泡罩塔六、板式塔類型103V-浮閥V-浮閥塔板（二）浮閥塔104篩板導向篩板（三）篩板塔105浮舌塔板舌形塔板（四）其它類型塔板1）舌形塔板與浮動舌形塔板1062）ADV浮閥塔板107ADV塔盤的鼓泡狀態(tài)108《化妝品術語》起草情況匯報中國疾病預防控制中心環(huán)境與健康相關產品安全所一、標準的立項和下達時間2006年衛(wèi)生部政法司要求各標委會都要建立自己的術語標準。1ONE二、標準經費標準研制經費：3.8萬三、標準的立項意義術語標準有利于行業(yè)間技術交流、提高標準一致性、消除貿易誤差，作為標準體系中的基礎標準，術語標準在各個領域的標準體系中均起著重要的作用。隨著我國化妝品衛(wèi)生標準體系建設逐步加快，所涉及的術語和定義的數量也在迅速增長，在此情形下，化妝品術語標準的制定就顯得尤為重要。四、標準的制訂原則1.合法性遵守《化妝品衛(wèi)生監(jiān)督條例》、《化妝品衛(wèi)生監(jiān)督條例實施細則》中關于化妝品的定義。2.協(xié)調性直接引用或修改采用的方式，與相關標準中的術語和定義相協(xié)調。3.科學性對于沒有國標或定義不統(tǒng)一的術語，在定義時體現科學性的原則。4.實用性在標準體系中出現頻率較高，與行業(yè)聯系較緊密的術語優(yōu)先選用。五、標準的起草經過

第一階段：資料搜集

搜集國內外相關法規(guī)、標準、文獻并對國外文獻如美國21CFR進行翻譯。第二階段：2007年末形成初稿

初稿內容包括一般術語、衛(wèi)生化學術語、毒理學術語、微生物術語、產品術語、人體安全和功效評價術語，常用英文成份術語等７部分。第三階段：專家統(tǒng)稿1.2007年12月第一次專家統(tǒng)稿會（修訂情況：1.在結構上增加原料功能術語、相關國際組織和科研機構等內容；2.在內容上增加一般術語、產品術語的種類，將化妝品行業(yè)的新產品類別納入本標準；3.對于毒理學、衛(wèi)生化學、微生物學術語進行修改；4.刪除與化妝品聯系不緊密、無存在必要的常用英文成分術語。2.2009年1月第二次專家統(tǒng)稿會會議意見：1.修改能引用國家標準的盡量引用國家標準；對存在歧義的個別用詞進行修改。2.刪除由于本標準中的“產品術語”一章和香化協(xié)會所制定的某個標準存在重復，因此刪除“產品術語”一章的內容；對“原料功能術語”的內容進行梳理，刪除了20余條內容。3.增加專家建議增加“化妝品限用物質”等若干項術語。第四階段：征求意見2009年2月面向全國公開征求意見。第五階段：征求意見的處理與形成送審稿。在征求意見的處理階段再次征求了相關專家的意見