化工第四章教案

1、化工第四章教案第1頁，共122頁，2022年，5月20日，17點20分，星期二乙醇水 體系的蒸餾分離乙醇 水加 熱汽相: 醇富集液相: 水富集冷 凝冷 卻乙醇 產(chǎn)品 廢 水第2頁，共122頁，2022年，5月20日，17點20分，星期二 蒸餾操作實例：石油煉制中使用的 250 萬噸常減壓裝置 許多生產(chǎn)工藝常常涉及到互溶液體混合物的分離問題，如石油煉制品的分離，有機合成產(chǎn)品的提純，溶劑回收和廢液排放前的達標處理等等。分離混合液的方法有多種，工業(yè)上最常用的是蒸餾、精餾或萃取。 1、蒸餾操作的用途第3頁，共122頁，2022年，5月20日，17點20分，星期二2、蒸餾的分 類難分離的物系,分離純度要

2、求很高時采用。按蒸餾方式 簡單蒸 餾 平衡蒸餾 （閃蒸 ）精餾 特殊精餾 恒沸蒸餾 萃取蒸餾 水蒸汽蒸餾較易分離的物系或?qū)Ψ蛛x要求不高的物系很難分離的物系或用普通方法難以分離的物系第4頁，共122頁，2022年，5月20日，17點20分，星期二操作壓 強 常壓下為氣體的物系精餾分離常壓下物系沸點較高或熱敏性物質(zhì)不 能承受高溫的情況常壓 一般情況下多用常壓 常壓下不能分離或達不到分離要求 混合物的組分 雙組分: 如乙醇-水體系,苯-甲苯體系等。多組分: 例如原油的分離。 操作方式 間歇:多用于小批量生產(chǎn)或某些有特殊要求的場合。連續(xù):多用于大批量工業(yè)生產(chǎn)中。 加壓減壓 第5頁，共122頁，2022

3、年，5月20日，17點20分，星期二第二節(jié) 氣液相平衡一、理想溶液的氣液相平衡：1.理想溶液： 理想溶液是混合液中指各組分的性質(zhì)極相近、分子的結構相似，分子間無締合作用、同種分子之間和異種分子間作用力相等的溶液 。理想溶液在形成的過程中，既沒有容積效應，又沒有熱效應。2.理想物系： 理想物系是指由氣液組成的一個體系，這個體系應符合以下條件： (1)液相為理想溶液，各組分的蒸氣壓服從拉烏爾定律。 (2)氣相為理想氣體，遵循道爾頓分壓定律。第6頁，共122頁，2022年，5月20日，17點20分，星期二拉烏爾定律：拉烏爾定律主要描述理想溶液上方的氣相中，各組分的蒸氣壓所遵循的規(guī)律。 Pi = Pi

4、*xiPi - 理想溶液上方氣相中某一組分的蒸氣壓；Pi* - 同溫下該純組分的飽和蒸氣壓；Xi - 該組分在溶液中的摩爾分率。把拉烏爾定律應用在雙組分理想溶液中，設雙組分理想溶液由A、B兩種組分構成，則 PA= PA* xA ；PB= PB*xB ，對雙組分溶液 xB =1 - xA ， 設溶液上方蒸汽的總壓為P，A、B組分的蒸汽分壓為PA、 PB，則 P = PA+PB = PA* xA + PB*xB ， P = PA* xA + PB*(1 - xA ) P = (PA* - PB* ) xA + PB* ，2.1 用飽和蒸氣壓表示氣液平衡關系：第7頁，共122頁，2022年，5月20

5、日，17點20分，星期二在此式中，總壓一定時，不同的溫度，對應著不同的飽和蒸汽壓， PA* 、 PB* ，也就對應著不同的xA ，即此式反應了溫度t和液相組成x之間的關系，即t - x 之間的關系。設yA是與液相平衡的蒸氣中組分A的摩爾分率，則根據(jù)分壓定律：yA =PPA=PPA *xA此式反映了在蒸汽總壓一定時，一定溫度下達到氣液平衡時，氣相組成與液相組成xA之間的關系。 把以上兩式結合起來，我們就可以得到雙組分理想溶液在不同溫度下的氣相和液相組成。111頁表4-1就是利用以上兩式得到的苯甲苯溶液的平衡氣液相組成。xA =P - PB* PA* - PB*則第8頁，共122頁，2022年，5

6、月20日，17點20分，星期二對純液體，揮發(fā)度指該液體在一定溫度下的飽和蒸汽壓。（1）揮發(fā)度：混合液中某組分在氣相中的平衡分壓與該組分在溶液中的 摩爾分數(shù)之比，就是該組分的揮發(fā)度，一般用v來表示。揮發(fā)度是對揮發(fā)性的定量描述。v A = PA / xA ， v B = PB/ xB飽和蒸氣壓越大，說明該液體越易揮發(fā)。2.2 用相對揮發(fā)度表示氣液平衡關系：（2）相對揮發(fā)度 溶液中易（輕）揮發(fā)組分的揮發(fā)度與難（重）揮發(fā)組分的揮發(fā)度之比，用表示。 第9頁，共122頁，2022年，5月20日，17點20分，星期二相對揮發(fā)度的數(shù)值可由實驗測得 。理想溶液中組分的相對揮發(fā)度等于同溫度下兩組分的飽和蒸汽壓之比

7、。雖然兩純組分的蒸氣壓都在隨溫度變化，但其比值即卻幾乎不受溫度的影響，即理想溶液的AB只與溫度有關，而與溶液的濃度沒有關系。 對理想溶液：第10頁，共122頁，2022年，5月20日，17點20分，星期二對一般溶液， 除了與溫度有關外，還與溶液的濃度有關，在xA從0 1的變化過程中， 也在不變地變化，所以一般可以將兩個純組分沸點溫度下的相對揮發(fā)度的幾何平均值作為溶液全部濃度范圍內(nèi)的平均相對揮發(fā)度。設為溶液在組分A的沸點時的相對揮發(fā)度， 為溶液在組分B的沸點時的相對揮發(fā)度，則AB溶液在全部濃度范圍內(nèi)的平均相對揮發(fā)度m為：m =AB AB（3）相對揮發(fā)度的意義可作為混合液能否用蒸餾方法分離以及分離

8、難易程度的判據(jù)。第11頁，共122頁，2022年，5月20日，17點20分，星期二 當 1時， yA / (1 yA ) xA / (1 xA )，即yA xA ,兩組分的相對揮發(fā)度越大，易揮發(fā)組分在氣相中的濃度yA比它在液相中的濃度xA就越大，兩種組分就容易分離。所以可以用來判斷混合液容易通過蒸餾的方法進行分離。當AB =1時， yA = xA ， 組分A在氣液相中的濃度相等，混合液就不能用普通蒸餾的方法加以分離。第12頁，共122頁，2022年，5月20日，17點20分，星期二若操作壓強不高，氣相遵循道爾頓分壓定律 氣液平衡方程 (4) 用相對揮發(fā)度表示氣液平衡關系：第13頁，共122頁，

9、2022年，5月20日，17點20分，星期二由 知，時， 組分A較B易揮發(fā)，可以用蒸餾方法分離時，揮發(fā)度差異愈大，愈有利于蒸餾操作。 時，不能用普通蒸餾的方法分離混合液。 可作為混合液能否用蒸餾方法分離以及分離難易程度的判據(jù)。p112例題第14頁，共122頁，2022年，5月20日，17點20分，星期二根據(jù)相律，雙組分兩相物系自由度為2，即相平衡時，在溫度t、壓強P、氣相組成x和液相組成y這四個變量中，只有兩個獨立變量。若物系的溫度和壓強一定，氣液兩相的組成就一定；若壓強和某相的組成一定，則物系的溫度和另一相組成將被唯一確定。雙組分汽液相平衡關系可由某變量與另兩個獨立變量的函數(shù)關系表達。相圖、

10、相平衡常數(shù)或相對揮發(fā)度是常用的三種氣液相平衡關系。 雙組分氣液兩相，當固定一個獨立變量，可用二維坐標中的曲線圖來表示兩相的平衡關系，稱為相圖。相圖有壓強一定的溫度-組成T-x(y)圖、液相組成和氣相組成x-y圖，以及溫度一定的壓強-組成p-x 圖。二、雙組分溶液的氣液相平衡關系第15頁，共122頁，2022年，5月20日，17點20分，星期二1. t-x-y 圖 t-x-y 圖代表的是在總壓 P 一定的條件下，相平衡時氣液相組成與溫度的關系。在總壓一定的條件下，將組成為 xf 的溶液加熱至該溶液的泡點 ，產(chǎn)生第一個氣泡的組成為 y。繼續(xù)加熱，隨溫度升高tA ，物系變?yōu)榛コ善胶獾臍庖簝上?，兩相?/p>

11、度相同，組成分別為 yA 和 xA 。當溫度達到該溶液的露點，溶液全部氣化成為組成為 y= xf 的氣相，最后一滴液相的組成為 x。xA =P - PB* PA* - PB*yA =PPA *xAt/Cx(y)露點線泡點線露點泡點xAyAxf氣相區(qū)液相區(qū)兩相區(qū)書113頁圖x第16頁，共122頁，2022年，5月20日，17點20分，星期二溫度組成( 圖) 兩條線三個區(qū)三種點第17頁，共122頁，2022年，5月20日，17點20分，星期二表示混合液的平衡溫度和液相組成之間關系，t-x線 。露點線表示混合液的平衡溫度和氣相組成之間的關系，t-y線，泡點線兩條線第18頁，共122頁，2022年，5

12、月20日，17點20分，星期二過熱蒸汽區(qū)兩相區(qū)液相區(qū)三個區(qū)第19頁，共122頁，2022年，5月20日，17點20分，星期二沸點（boiling point ）泡點（bubble point ）x越大，易揮發(fā)組分的含量越高，泡點溫度越低。 露點（dew point ）y越大，易揮發(fā)組分含量越高，露點溫度越低。 第20頁，共122頁，2022年，5月20日，17點20分，星期二t 汽液兩相處于平衡時，兩相溫度相同此時，氣相組成大于液相組成；當氣液兩相組成相同時，氣相露點溫度總是高于液相的泡點溫度。 第21頁，共122頁，2022年，5月20日，17點20分，星期二x-y 圖可通過 t-x-y 圖

13、作出，圖中對角線 (y=x) 為一參考線。大多數(shù)溶液，兩相平衡時，y 總是大于 x，平衡線位于對角線上方。平衡線偏離對角線越遠，該溶液越易分離。恒沸點時，x-y 線與對角線相交，該點處汽液相組成相等。2. y-x相圖： y-x相圖表示在一定壓力下，液相組成x和與x 相平衡的氣相組成y的關系 。苯-甲苯氣液平衡的t-x-y相圖三、非理想溶液 : 相圖見115頁xA =P - PB* PA* - PB*yA =PPA *xA第22頁，共122頁，2022年，5月20日，17點20分，星期二一、簡單蒸餾 y原料液x蒸氣xD1xD2xD3冷凝器第三節(jié) 蒸餾方式簡單蒸餾也稱微分蒸餾，間歇非穩(wěn)態(tài)操作，在蒸

14、餾過程中系統(tǒng)的溫度和氣液相組成均隨時間改變。 簡單蒸餾是分批（間歇）進行的，只適用于粗分，對相對揮發(fā)度大的溶液分離效果較好。1.簡單蒸餾的流程及特點 第23頁，共122頁，2022年，5月20日，17點20分，星期二2. 簡單蒸餾的原理：簡單蒸餾的特點是在蒸餾過程中，溫度、組成隨時間變化，是間歇不穩(wěn)定過程。只獲得一定沸程（即某個溫度區(qū)段）的餾分（餾出液）。適用于輕工業(yè)和原料預處理。x2y2y1x1x1y1x2y2第24頁，共122頁，2022年，5月20日，17點20分，星期二簡單蒸餾是一個非穩(wěn)態(tài)過程，并不簡單！又名微分蒸餾（differential distillation）第25頁，共12

15、2頁，2022年，5月20日，17點20分，星期二二、平衡蒸餾（Equilibrium distillation） 使混合液體部分氣化，并使氣液兩相處于平衡狀態(tài)，然后將氣液兩相分開。又名閃蒸（flash distillation）1、原理：平衡蒸餾是液體的一次部分汽化或蒸汽的一次部分冷凝的蒸餾操作。生產(chǎn)工藝中溶液的閃蒸分離是平衡蒸餾的典型應用。閃蒸操作流程：一定組成的料液被加熱后經(jīng)節(jié)流閥減壓進入閃蒸室，液體因沸點下降變?yōu)檫^熱而驟然汽化，汽化耗熱使得液體溫度下降，氣、液兩相溫度趨于一致，兩相組成趨于平衡。由閃蒸室塔頂和塔底引出的氣、液兩相即為閃蒸產(chǎn)品。 2、流程：第26頁，共122頁，2022年

16、，5月20日，17點20分，星期二閃蒸罐塔頂產(chǎn)品yAxA加熱器原料液 塔底產(chǎn)品 Q減壓閥第27頁，共122頁，2022年，5月20日，17點20分，星期二 在相同的原料液濃度及相同釜液的條件下，簡單蒸餾所得到的餾出液濃度高于平衡蒸餾，而平衡蒸餾的優(yōu)點是連續(xù)操作，但其分離效果不如間歇操作的簡單蒸餾。第28頁，共122頁，2022年，5月20日，17點20分，星期二三、 精餾：1.精餾的原理： 設原料液的組成為XF ，經(jīng)過一次簡單蒸餾后，所得氣相組成y1 ，液相的組成為X1，則y1 XF X1 。若將氣相混合物組成為y1的降溫使其部分冷凝，可得氣相組成y2 ，則y2 y1 ，可以把氣相混合物進行多

17、次部分冷凝，在氣相中可獲得高純度的輕組分。同理將組成為X1的液相混合物升溫使其部分汽化，可得液相組成為X2 ，則X2 X1 XF ，將液相混合物進行多次部分汽化，在液相中可獲得高純度的重組分。 這種簡單的重復單級操作設備龐雜，能量消耗大，且中間餾分多，最后得到的產(chǎn)品少，工業(yè)生產(chǎn)中不采用這種流程。第29頁，共122頁，2022年，5月20日，17點20分，星期二 (1)、汽體混和物經(jīng)過多次部分冷凝后可變?yōu)楦呒兌鹊囊讚]發(fā)組分 第30頁，共122頁，2022年，5月20日，17點20分，星期二第31頁，共122頁，2022年，5月20日，17點20分，星期二 (2)、液體混合物經(jīng)過多次部份汽化后可變

18、為高純度的難揮發(fā)組分 第32頁，共122頁，2022年，5月20日，17點20分，星期二第33頁，共122頁，2022年，5月20日，17點20分，星期二精餾是多次部分汽化與多次部分冷凝的聯(lián)合操作精餾塔由若干塊塔板構成，每塊塔板均為理論板，其上溫度為泡點 ； 人為地安排 則液體的溫度 第34頁，共122頁，2022年，5月20日，17點20分，星期二精 餾 塔再沸器冷凝器2.精餾塔的工作過程：第35頁，共122頁，2022年，5月20日，17點20分，星期二F第36頁，共122頁，2022年，5月20日，17點20分，星期二3.精餾流程第37頁，共122頁，2022年，5月20日，17點20分

19、，星期二氣流熱源液流冷卻劑塔板中間再沸器和中間部分冷凝器 易揮發(fā)組份由液相向氣相傳遞，難揮發(fā)組份由氣相向液相傳遞,氣液兩相進行傳質(zhì)和傳熱。 第38頁，共122頁，2022年，5月20日，17點20分，星期二所示的為泡罩塔中任意第n層板上的操作情況. 進入第n層板的氣相濃度和溫度分別為yn+1和tn+1，液相的濃度和溫度分別為xn-1和tn-1，二者互不平衡, xntn-1 -存在溫度差和濃度差-傳質(zhì)和傳熱. 其結果: 1) 氣相部分冷凝, 使其中難揮發(fā)組分轉(zhuǎn)入到液相中； 2) 氣相冷凝放出潛熱傳給液相, 使其部分氣化, 其中的部分易揮發(fā)組分轉(zhuǎn)入到氣相, 結果: xnyn+1。 理論板: 氣.液

20、兩相在塔板上充分接觸?；旌? 進行傳質(zhì)、傳熱后,兩相組成均勻且離開塔板的氣、液兩相呈相平衡關系。顯然,在相同條件下, 理論板具有最大的分離能力, 是塔分離的極限。第39頁，共122頁，2022年，5月20日，17點20分，星期二精餾原理 對增濃難揮發(fā)組分來說，道理是完全相同的。進入最低一層的難揮發(fā)組分(最高濃度)的蒸氣只能有最低一層下降的液體部分氣化而得到，此時氣化的熱量由加熱器（稱為再沸器）供給。在再沸器中，溶液的部分氣化而產(chǎn)生上升蒸氣，如同塔頂回流一樣，是精餾連續(xù)穩(wěn)定操作的另一個必要條件。 對于最上一層而言，將冷凝后不是全部作為產(chǎn)品，而把其中一部分返回與相混合是最簡單的回流方法。通常，將部

21、分產(chǎn)品引回設備的操作稱為回流。回流是保證精餾過程連續(xù)穩(wěn)定操作的必要條件之一。 混合液體連續(xù)或多次部分汽化，釜液組成沿 t-x(y) 相圖的泡點線變化，可得難揮發(fā)組分含量很高而易揮發(fā)組分含量很低的釜液。 混合蒸汽連續(xù)或多次部分冷凝，蒸汽組成沿 t-x(y) 相圖的露點線變化，可得到易揮發(fā)組分含量很高而難揮發(fā)組分含量很低的蒸汽。 精餾過程正是這二者的有機結合。 第40頁，共122頁，2022年，5月20日，17點20分，星期二預熱到一定溫度的原料液送入精餾塔的進料板,在每層塔板上, 回流液體與上升蒸氣互相接觸, 進行熱和質(zhì)的傳遞.提餾段:加料板及其以下的塔段。完成下降液體中輕組分向氣相傳遞（即提出

22、），提高了塔頂輕組分的回收，同時氣相中重組分向液相傳遞，在塔底獲得高含量的重組分，完成下降液體重組分提濃。 塔頂冷凝器的作用: 獲得塔頂產(chǎn)品及保證有適宜的液相回流.再沸器的作用: 提供一定量的上升蒸氣流.精餾段:加料板以上的塔段。上升氣相中重組分向液相傳遞，液相中輕組分向氣相傳遞，氣相中輕組分含量不斷增 大，完成上升蒸氣輕組分精制。第41頁，共122頁，2022年，5月20日，17點20分，星期二提餾段精餾段進料板1、為什么稱精餾？2、為什么稱提餾？第42頁，共122頁，2022年，5月20日，17點20分，星期二再沸器LD1、為什么要回流？2、為什么要再沸？第43頁，共122頁，2022年，

23、5月20日，17點20分，星期二第四節(jié) 雙組分連續(xù)精餾的計算連續(xù)精餾的優(yōu)點：(1)操作條件穩(wěn)定，使產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定，并且易實現(xiàn)生產(chǎn)過程的自動化控制；(2)節(jié)省時間，提高設備的利用率和生產(chǎn)能力；(3)便于回收熱能，節(jié)約能量。一、關于精餾塔的兩個假設：1. 理論塔板：氣液兩相在離開塔板時已達到平衡，這樣的塔板就稱為理論塔板。2. 恒摩爾流假定：由于精餾過程是涉及傳熱和傳質(zhì)的過程,相互影響的因素較多, 引入恒摩爾流假定, 使得連續(xù)精餾過程計算大大簡化。對整個精餾塔, 每層板上升蒸汽摩爾流率相等，每層板下降液體摩爾流率相等。從每塊塔板上升和回流的流體的流量不發(fā)生變化，就是恒摩爾流，即恒摩爾汽化 V1= V

24、2 = V3 ， V1= V2 = V3 恒摩爾液流 L1 = L2= L3 ， L1 = L2= L3 。第44頁，共122頁，2022年，5月20日，17點20分，星期二理論板：離開塔板的蒸氣和液體呈平衡的塔板。1、恒摩爾氣化V1= V2= V3 = = VV1= V2= V3 = = V2、恒摩爾溢流L1 = L2= L3 = = LL1 = L2 = L3 = =L第45頁，共122頁，2022年，5月20日，17點20分，星期二恒摩爾流假設的條件 （1）各組分的摩爾汽化潛熱相等； （2）氣液接觸時因溫度不同而交換的顯熱可以忽略 ， 即相鄰塔板的溫度差可以忽略不計； （3）塔設備保溫良

25、好，熱損失可以忽略。結果：氣液兩相在塔板上接觸時，氣相要進行部分冷凝，而液相進行部分汽化，單位時間內(nèi)有nkmol蒸氣冷凝相應就有nkmol液體汽化 。第46頁，共122頁，2022年，5月20日，17點20分，星期二本章常用的符號：R=L/D-回流比n+1 n-1V,ynL,xnD, xDF, xfnV,yn+1L,xn+1W, xwF、D、W為摩爾流量，kmol/h第47頁，共122頁，2022年，5月20日，17點20分，星期二二、全塔物料衡算全塔物料衡算 對總物料： 對于易揮發(fā)組分： F, xfW, xwn+1 n-1D, xDnF、D、W為摩爾流量，kmol/h第48頁，共122頁，2

26、022年，5月20日，17點20分，星期二全塔物料衡算 對總物料： 對于易揮發(fā)組分： 第49頁，共122頁，2022年，5月20日，17點20分，星期二塔頂易揮發(fā)組分回收率：表示精餾操作對原料液的分離程度。易揮發(fā)組分從塔頂采出的量占全部進料量中輕組分的百分數(shù)。 塔底難揮發(fā)組分回收率：書120頁例題第50頁，共122頁，2022年，5月20日，17點20分，星期二 例 將5000kg/h含正戊烷0.4(摩爾分率)的正戊烷正己烷混合液在連續(xù)精餾塔內(nèi)分離,餾出液含正戊烷0.98,釜液含正戊烷不高于0.03,求餾出液、釜液的流量及塔頂易揮發(fā)組分的回收率。解：正戊烷 M = 72 正己烷 M = 86M

27、F = 0.472+0.686 = 80.4F = 5000 / 80.4 = 62.2 kmol/h D =24.6 2 kmol / hW=37.62 kmol / h第51頁，共122頁，2022年，5月20日，17點20分，星期二選精餾段n+1層以上為衡算范圍：對所有的物料： 對易揮發(fā)組分： nV,ynL,xnD, xD n-1V,yn+1L,xn+1 n+1即： 三、操作線方程：1、精餾段操作線方程 第52頁，共122頁，2022年，5月20日，17點20分，星期二回流比 精餾段操作線方程 一定回流比時的操作線方程，其物理意義為：回流比一定時，任意塔板回流液組成xn與由下層塔板上升蒸

28、氣組成yn+1之間的關系 ，也就是上下層塔板氣液組成之間的關系。第53頁，共122頁，2022年，5月20日，17點20分，星期二 操作線斜率大，意味著經(jīng)過一塊理論板后，汽相的增濃程度變大，液相的減濃程度變大。故操作線斜率大對精餾段的分離是有利的 。汽相增濃程度液相減濃濃程度思考：操作線斜率大，對精餾是否有利？第54頁，共122頁，2022年，5月20日，17點20分，星期二2、提餾段操作線方程 選m層以下塔板為為衡算范圍：對所有物料： 對易揮發(fā)組分： 提餾段操作線方程：mV,ymL,xm m-1m+1W, xwV,ym+1其物理意義為：任意塔板下降的液體組成xm與相鄰下層塔板上升蒸氣組成ym

29、+1之間的關系 ，也就是上下層塔板氣液組成之間的關系。提餾段內(nèi)液體摩爾流量不僅與L的大小有關, 而且還受進料量F及其進料熱狀況的影響。 第55頁，共122頁，2022年，5月20日，17點20分，星期二斜率小，提餾段內(nèi)塔板的分離能力高。 第56頁，共122頁，2022年，5月20日，17點20分，星期二4.1.1 進料的5 種熱狀況 在實際生產(chǎn)中, 引入精餾塔內(nèi)的原料可能有五種不同狀況, 即：低于泡點的冷液體；泡點下的飽和液體；氣液混合物；飽和蒸氣；過熱蒸氣。 原料入塔時的溫度或狀態(tài)稱為加料的熱狀態(tài)。進料熱狀況用進料熱狀態(tài)參數(shù)q值來表示，q值不同, 將直接影響精餾和提餾段上升蒸氣和回流液體的流

30、量. 4.1 進料熱狀況的影響四、進料熱狀況和進料線方程精餾塔的進料熱狀況第57頁，共122頁，2022年，5月20日，17點20分，星期二4.1.2進料熱狀況對操作的影響 1）定義式 進料熱狀況也可看作進料中液相所占分數(shù)。2）q的意義 進料液的kmol汽化潛熱將1kmol進料變?yōu)轱柡驼魵馑锜崃縬 =泡點進料時 飽和蒸汽進料時 以1kmol/h進料為基準時，提留段中的液體流量較精餾段中液體流量增大的kmol/h數(shù)，即為q值。第58頁，共122頁，2022年，5月20日，17點20分，星期二冷液進料時汽液混合物進料時 過熱蒸汽進料時 對于飽和液體、汽液混合物及飽和蒸汽三種進料而言，q值就等于進

31、料中的液相分率。第59頁，共122頁，2022年，5月20日，17點20分，星期二FLVLV冷液進料泡點進料FLVLVFqF(1-q)FLVLV汽液混合進料第60頁，共122頁，2022年，5月20日，17點20分，星期二FLVLV過熱蒸汽進料FLVLV飽和蒸汽進料第61頁，共122頁，2022年，5月20日，17點20分，星期二4.2 q(進料)線方程 在進料板上, 同時滿足精餾段和提餾段的物料衡算, 故兩操作線的交點落在進料板上。聯(lián)立兩操作線方程式此式為精餾段和提餾段操作線交點的軌跡方程。因q為一常數(shù), 故一定狀態(tài)進料時q線為直線. 不同的加料熱狀態(tài)對應著不同的 q 值, 也就對應著不同的

32、 q 線.得q線方程兩式相減 第62頁，共122頁，2022年，5月20日，17點20分，星期二q線方程第63頁，共122頁，2022年，5月20日，17點20分，星期二-q線方程進料狀況的影響： 影響到提餾段傳質(zhì)推動力； 影響到再沸器的熱負荷。 第64頁，共122頁，2022年，5月20日，17點20分，星期二 例：用一連續(xù)精餾裝置在常壓下，分離含苯41%（質(zhì)量%，下同）的苯-甲苯溶液。要求塔頂產(chǎn)品中含苯不低于97.5%，塔底產(chǎn)品中含甲苯不低于98.2%，每小時處理的原料量為8570kg。操作回流比為3，試計算：（1）塔頂及塔底的產(chǎn)品量；（2）精餾段上升蒸汽量及回流液量；第65頁，共122頁

33、，2022年，5月20日，17點20分，星期二分析：求W、D全塔物料衡算求xF、xW、xD求V、L已知R精餾段物料衡算解： （1）產(chǎn)品量 第66頁，共122頁，2022年，5月20日，17點20分，星期二第67頁，共122頁，2022年，5月20日，17點20分，星期二(2)上升蒸汽量及回流量 精餾段： 第68頁，共122頁，2022年，5月20日，17點20分，星期二五、理論塔板層數(shù)的求法1逐板計算法 逐板計算法是由塔頂開始交替使用相平衡關系和操作關系進行逐板下行計算直至塔釜組成符合要求為止，計算過程每使用一次相平衡關系，就代表需要一層理論板。逐板計算步驟如下：設精餾段操作線與提餾段操作線方

34、程的交點為d(xd， yd)以精餾段為例，設氣液相平衡關系為：精餾段操作線方程為：y=f(x)它表示同一層塔板上的氣液相組成之間的關系它表示的是上下層塔板之間的氣液相組成之間的關系第69頁，共122頁，2022年，5月20日，17點20分，星期二 設塔頂冷凝器為全凝器 （ 為已知值）從塔頂?shù)谝粚铀彘_始計算，因為塔頂為全凝器且回流為飽和液體，則有xD=y1，由此，如此重復計算，直到算出的 小于等于xd，則說明第N1層為加料板。此時精餾段的塔板數(shù)為N1 -1；此后，改用提餾段操作線方程與平衡方程進行交替計算，直到算出的液相組成XN+1小于等于殘液組成xw，因一般再沸器也是理論塔板，故塔內(nèi)所需要的

35、總理論塔板數(shù)為N。平衡關系平衡關系第70頁，共122頁，2022年，5月20日，17點20分，星期二2、圖解法2）畫操作線作法 a）精餾段操作線1）畫出物系的平衡曲線和對角線yn+1=R+1Rxn+R+11 xD當xn =xD時， yn+1= xD,即該 線通過對角線上的D點R+1R該線的斜率為當xn =0時，y 軸上截距為1 xDR+1根據(jù)這三個條件中的任意兩個都可把操作線畫出來。第71頁，共122頁，2022年，5月20日，17點20分，星期二b）q線方程求出兩線的交點e(xf，xf)，由e點及直線的鈄率即可作出 q線，此線與精餾段的交點為d (xd，yd) c ) 畫提餾段操作線：y m

36、+1 =LVx m-VWx w當x=xW時，y=xW即提餾段操作線要經(jīng)過對角線上的C（ x w ,x w ）點。連接C點與 d 點即可畫出提餾段操作線。第72頁，共122頁，2022年，5月20日，17點20分，星期二abyxxDxWcxFefd第73頁，共122頁，2022年，5月20日，17點20分，星期二第74頁，共122頁，2022年，5月20日，17點20分，星期二xDabefdxFxWc1123456(3).在平衡線、精餾段操作線、提餾段操作線之間畫臺階，直到過W點為止，所得臺階數(shù)減1即為理論塔板數(shù)，最下的階梯表示再沸器，加料板的位置就在跨過d點的那一層。第75頁，共122頁，20

37、22年，5月20日，17點20分，星期二進料熱狀況對q線及操作線的影響 過冷液體： q1, ，ef1 （ ）飽和液體： q=1, ，ef2 （）汽液混合物 ：0q1, ，ef3 （ ）飽和蒸汽：q=0, ，ef4 （）過熱蒸汽：q0, ，ef5 （ ）在給定回流比時， q值的變化不影響精餾操作線的位置，但明顯改變了提餾段操作線的位置。第76頁，共122頁，2022年，5月20日，17點20分，星期二f1f2f3f4f5在給定回流比時， q值的變化不影響精餾操作線的位置，但明顯改變了提餾段操作線的位置。圖解方法：書126頁例題 第77頁，共122頁，2022年，5月20日，17點20分，星期二

38、例 常壓下用連續(xù)精餾塔分離含苯44%的苯一甲苯混合物. 進料為泡點液體，進料流率取100 kmol/h為計算基準。要求餾出液中含苯不小于 94 %. 釜液中含苯不大于8 %(以上均為摩爾百分率). 設該物系為理想溶液相對揮發(fā)度為2.47. 塔頂設全凝器，泡點進料，選用的回流比為3. 試計算精餾塔兩端產(chǎn)品的流率及所需的理論塔板數(shù)。 解：由全塔物料衡算：FDW ;FxFDxDWxW 將已知值代入, 可解得D41.86kmol/h; W=58.14kmol/h提餾段操作方程為:精餾段操作方程為: 泡點液體進料時q=1,相平衡方程為第78頁，共122頁，2022年，5月20日，17點20分，星期二對于

39、泡點進料, xF =xq =0.44設由塔頂開始計算(從上往下)，第1塊板上升蒸氣組成y1=xD=0.94. 第1塊板下降液體組成x1由相平衡方程式計算: 故第5 板為進料板; 習慣上, 將進料板包括在提餾段內(nèi), 故精餾段有4 塊理論塔板. 自第5 塊開始, 應改用提餾段操作方程式.由xn求下一板上升蒸汽組成yn+1. 第2板上升蒸汽組成由精餾段操作方程計算第2板下降液體組成由相平衡方程計算，可得如此逐級往下計算，可得- - - - - - - - - - - - - - - 因為故所求的總塔板數(shù)為8塊（不包括再沸器）。 因為- - - - - - - - - - - - - - - 第79頁

40、，共122頁，2022年，5月20日，17點20分，星期二六、回流比的影響及其選擇 1、回流比對精餾操作的影響 RxD/R+1 abyxxDxWcxFefdxD/R+1 NTab 下移RD、W不變L、Vab與ac重合R=NT=Nmin第80頁，共122頁，2022年，5月20日，17點20分，星期二RxD/R+1ab、q線與平衡線交于dR=RminabyxxDxWcxFefdxD/R+1 N=d點夾緊點Nab上移RminR第81頁，共122頁，2022年，5月20日，17點20分，星期二2、全回流及最少理論板層數(shù) 全回流時，D=0， F=0，W=0 ；達到給定分離程度所需的理論板層數(shù)最少為Nm

41、in，此時，沒有精餾段與提餾段之分，它們都與對角線重合，為y=x。此時操作線與平衡線最遠，故完成一定分離任務所需理論塔板數(shù)最少。1）Nmin的求法 a）圖解法 xWxD第82頁，共122頁，2022年，5月20日，17點20分，星期二b）解析法芬斯克(Fenske)方程式 全回流時操作線方程式為：yn+1=xn(yA)n+1=(xA)n，(yB)n+1=(xB)n 相對揮發(fā)度近似為一常數(shù)離開任一層板的汽液組成間的關系，由相對揮發(fā)度的定義，為 若塔頂采用全凝器，（yA）1=（xA）D ，（yB）1=（xB）D 第一層板的汽液平衡關系為：第83頁，共122頁，2022年，5月20日，17點20分，

42、星期二第一層板和第二層板之間的操作關系為：yA2=xA1 ，yB2=xB1 即同理，第二板的氣液平衡關系為：將再沸器視為第N+1層塔板，重復以上過程，直到再沸器為止，可得：第84頁，共122頁，2022年，5月20日，17點20分，星期二再沸器視為第n+1層塔板。第85頁，共122頁，2022年，5月20日，17點20分，星期二芬斯克方程 3、最小回流比的求法 作圖法a）對于正常的平衡曲線 xD/R+1 d(xq,yq)第86頁，共122頁，2022年，5月20日，17點20分，星期二b）對于某些不正常的平衡曲線 由點a（xD,xD）向平衡線作切線，切線的斜率=Rmin/Rmin+1。 第87

43、頁，共122頁，2022年，5月20日，17點20分，星期二R=（1.12）Rmin適宜回流比，由精餾過程的經(jīng)濟核算來決定。隨著R增大，精餾塔內(nèi)上升蒸氣量也增多，所以加熱劑和冷卻劑的消耗量也隨之增多，相應的操作費用增加，如綠色曲線。R=Rmin時，塔板數(shù)N=,相應的設備費用為無限大。當R繼續(xù)增大，塔板數(shù)N也迅速減少，但減少的速率變得小了，而這時塔內(nèi)上升的蒸氣量隨之增多，加熱劑和冷卻劑消耗也隨之增多，從而要求塔徑、冷凝器、再沸器的尺寸變大，因此R增至某一值后，設備費用又增多，如粉色曲線。總費用中最低所對應的回流比即為適宜回流比。4、適宜回流比的選擇第88頁，共122頁，2022年，5月20日，1

44、7點20分，星期二5、理論板數(shù)的捷算法 （1）吉利蘭圖 芬斯克方程 第89頁，共122頁，2022年，5月20日，17點20分，星期二（2）簡捷法求理論板數(shù)的步驟根據(jù)物系性質(zhì)及分離要求，求出Rmin，選擇合適的R； 求出全回流下所需理論板數(shù)Nmin ；使用吉利蘭圖 ，求出所需理論板數(shù) ；確定加料位置 ，可把加料組成看成釜液組成求出理論板數(shù)即為精餾段所需理論板數(shù)，從而可以確定加料位置。 第90頁，共122頁，2022年，5月20日，17點20分，星期二七、塔高和塔徑的計算1、基本計算式 板式塔：H=NphNp實際塔板數(shù) h實際塔板間距對于填料塔： H=NHETP HETP：等板高度，指相當于一塊

45、理論塔板分離作用的填料 層高度。第91頁，共122頁，2022年，5月20日，17點20分，星期二2 、塔板效率 （1）單板效率默弗里（Murphree）效率：以氣相或液相經(jīng)過實際板的組成的變化值與經(jīng)過理論板的組成變化值之比來表示的。 表示實際塔板與理論塔板的分離效果的差異。 氣相單板效率 操作線平衡線ynyn-yn+1第92頁，共122頁，2022年，5月20日，17點20分，星期二（2）全塔效率（總板效率） 反應 塔中各層塔板的平均效率，因此是理論塔板數(shù)的一個校正系數(shù)，其值恒小于1。液相單板效率 3、塔徑的計算第93頁，共122頁，2022年，5月20日，17點20分，星期二例 已知：精餾

46、段方程 y = 0.8 x + 0.172 提餾段方程 y = 1.3 x - 0.018露點加料,求: (1) R 、xD、 xW 、xF ;（2）當F=100kmol/h，求 D、W、L、V 。解：第94頁，共122頁，2022年，5月20日，17點20分，星期二求: xW 精餾段方程 y = 0.8 x + 0.172 提餾段方程 y = 1.3 x - 0.018 xW = 0.06對角線方程 y = x xW=0.06第95頁，共122頁，2022年，5月20日，17點20分，星期二 露點加料 求：xF 0.8 x + 0.172 = 1.3 x - 0.018 xq= 0.38 y

47、q = 0.476 xF = yq= 0.476 精餾段方程 y = 0.8 x + 0.172 提餾段方程 y = 1.3 x - 0.018第96頁，共122頁，2022年，5月20日，17點20分，星期二（2）當F = 100 kmol/h，求 D、W、L、VD52 kmol W= 48 kmolL= R D = 452208 kmolq = 0V =V F = ( L+ D) - F = 208 + 52 100 = 160 kmol第97頁，共122頁，2022年，5月20日，17點20分，星期二第五節(jié) 間歇精餾一、間歇精餾的流程：書132頁圖1、間歇精餾為非穩(wěn)態(tài)過程。2、間歇精餾塔

48、只有精餾段，沒有提餾段。二、間歇精餾的回流比控制：1.恒回流比：xD1xD2xD3R不變，則塔板數(shù)不變， xD就會不斷下降，最后餾出液是精餾開始到精餾結束時餾出液組成的中間值。2.恒餾出液組成：為了保證xD不變，R就應該不斷增大，通過不斷減小D，R就可不斷增大。實際生產(chǎn)中，一般采取把兩種方式結合起來的方法，即先按恒回流比操作一段時間，待xD有明顯下降時，再調(diào)大R值，這樣就可得到xD基本不變的餾出液。第98頁，共122頁，2022年，5月20日，17點20分，星期二1恒回流比操作第99頁，共122頁，2022年，5月20日，17點20分，星期二2恒餾出液組成操作第100頁，共122頁，2022年，5月20日，17點20分，星期二 在用間歇精餾設備進行多組分混合物的精餾時，首先由塔頂蒸出低沸點組分，而后蒸出次沸點組分，再蒸出較高沸點組分，最后由塔底排出殘液，所得的各餾分分別導入不同的貯罐。例如，在用間歇精餾設備進行粗苯精餾時，在蒸出沸點低于純苯的“初餾分”后，調(diào)節(jié)回流比使塔頂溫度控制80左右導出純苯餾分；純苯蒸完后，