第九章 液體精餾.ppt

1、1,9 液體精餾,2,9 液體精餾,9.1蒸餾概述 蒸餾的分離對(duì)象：均相的液體混合物 蒸餾分離的介質(zhì)：實(shí)現(xiàn)部分汽化與部分冷凝所需的熱量及冷量 蒸餾分離的依據(jù)：混合液體中各組分揮發(fā)度不同 將液體混合物加熱沸騰使之部分氣化必有yA xA或yB yB 。上述兩種情況所得到的氣、液相組成均滿足,（9-1),3,9.1蒸餾概述,(1)蒸餾過程的分類： 操作方式：間歇蒸餾、連續(xù)蒸餾 操作壓力：加壓、常壓、減壓蒸餾 蒸餾方式：簡(jiǎn)單蒸餾、平衡蒸餾（閃蒸）、精餾、特殊 精餾 組分?jǐn)?shù)目：雙組分蒸餾（二元蒸餾）、多組分蒸餾,4,(2)工業(yè)蒸餾過程 平衡蒸餾（閃蒸） 平衡蒸餾又稱閃蒸，系連續(xù)定態(tài)過程，其流程如下圖。,

2、9.1蒸餾概述,5,簡(jiǎn)單蒸餾 簡(jiǎn)單蒸餾為間歇操作過程，其流程如下圖。,9.1蒸餾概述,6,討論幾個(gè)問題 平衡蒸餾及簡(jiǎn)單蒸餾產(chǎn)生的氣液相其組成服從什么關(guān)系？此 外，蒸餾時(shí)各股物料和各組分還應(yīng)滿足另一種關(guān)系，是什么 關(guān)系？ 平衡蒸餾和簡(jiǎn)單蒸餾能否實(shí)現(xiàn)高純度的分離，為什么？ 如何蒸餾可得到高純度的產(chǎn)品？ 能否利用多次平衡蒸餾或多次簡(jiǎn)單蒸餾實(shí)現(xiàn)高純度分離？為 什么？ 工業(yè)上如何利用多次部分汽化和多次部分冷凝的原理實(shí)現(xiàn)連 續(xù)的高純度分離，而流程又不太復(fù)雜呢？,9.1蒸餾概述,7,精餾操作的費(fèi)用和操作壓強(qiáng) 蒸餾和精餾都是通過汽化、冷凝達(dá)到分離提濃的目的的。液體加熱汽化需要耗熱，氣相冷凝則需要提供冷卻量，因

3、此，蒸餾和精餾都是能耗很高的單元操作，采用何種措施達(dá)到節(jié)能降耗是精餾過程研究的重要任務(wù)。此外，蒸餾過程中的液體沸騰溫度和蒸汽冷凝溫度均與操作壓強(qiáng)有關(guān)，故工業(yè)蒸餾的操作壓強(qiáng)應(yīng)進(jìn)行適當(dāng)?shù)倪x擇。加壓精餾可使冷凝溫度提高以避免使用費(fèi)用很高的冷凝器或者在常壓下為氣態(tài)混合物（如烷、烴類混合物），沸點(diǎn)很低，需加壓使其成液態(tài)后才能精餾分離；減壓精餾可使沸點(diǎn)降低以避免使用高溫載熱體，沸點(diǎn)高且又是熱敏性混合物精餾宜用減壓精餾；除上述情況外以外一般用常壓精餾。,9.1蒸餾概述,8,9.2 雙組分溶液的氣、液相平衡,9.2.1 理想物系的氣液相平衡 相律 自由度=組分?jǐn)?shù)-相數(shù)+2 即 F = N +2 (9-2) 故

4、雙組分氣液平衡物系的自由度為2，在t、p、y、x 4個(gè)變量中，任意確定其中的兩個(gè)變量，則物系的狀態(tài)被唯一地確定,余下的參數(shù)已不能任意選擇。一般精餾在恒壓（p一定）下操作，物系只剩下1個(gè)自由度。故： 指定溫度t，則氣液組成y 、x均為t的函數(shù)被確定。換句話說， y 、x與t之間存在一一對(duì)應(yīng)關(guān)系t y或t x ； 指定液相組成x，則氣相組成y被確定，換句話說y與x之間存在一一對(duì)應(yīng)關(guān)系y x。 上述函數(shù)關(guān)系的具體形式到底怎么樣？我們先討論理想物系的情況，還記得物理化學(xué)中學(xué)過的理想物系的定義嗎？,9,9.2.1 理想物系的氣液相平衡,（1）液相組成x與液相溫度t （泡點(diǎn)）關(guān)系式 理想物系包括兩個(gè)含義：

5、 液相為理想溶液，服從拉烏爾定律:,10,氣相為理想氣體，符合道爾頓分壓定律:,9.2.1 理想物系的氣液相平衡,若汽液平衡時(shí)的總壓p不很高（如1MPa內(nèi)），道爾頓分壓定律可適用于氣相,(9-5),11,9.2.1 理想物系的氣液相平衡,純組分的飽和蒸汽壓p0與溫度t的關(guān)系式p0=f ( t )可用安托因方程表示，即,(9-7),常用液體的安托因常數(shù)A、B、C值可由有關(guān)手冊(cè)查得。 注意：式中p0的單位為kPa,溫度t 的單位為C。 泡點(diǎn)t與液相組成x之間的計(jì)算類型及算法有哪些呢？,已知泡點(diǎn)，可直接計(jì)算液相的組成。 若已知組成，只能通過試差計(jì)算出泡點(diǎn)。,12,已知總壓p 及泡點(diǎn) t ，求 x。

6、算法：,9.2.1 理想物系的氣液相平衡,將 t 及各組分的安托因常數(shù)代入安托因方程求出 、,將p 、 、 代入 中直接求出x，算法簡(jiǎn)便；,已知總壓p及液相組成x，求泡點(diǎn)t。 算法：,假設(shè)一個(gè)t用安托因方程求出 、,將p、 、 代入 中求x計(jì),比較 x計(jì) 與已知x,若x計(jì)x，說明假設(shè)t偏小，下一輪試差時(shí)t要增大；若x計(jì) x，說明假設(shè) t 偏大，下一輪試差時(shí) t 要減小，試差到 x計(jì) =x 為止，所設(shè) t 即為所求 t。,13,9.2.1 理想物系的氣液相平衡,（2）氣液兩相平衡組成y x間的關(guān)系式 把拉烏爾定律代入道爾頓分壓定律可得：,(9-9),(9-10),(9-8),注意：K稱為相平衡常

7、數(shù)，實(shí)際K并非常數(shù)。K是總壓p和溫度t（ 與 t 有關(guān)）的函數(shù)。 工程上用圖的形式表示tx（或y）的關(guān)系及yx的關(guān)系直觀明了，分析問題或計(jì)算方便。tx（或y）及yx圖是如何畫出的？其形式又怎樣呢？,14,9.2.1 理想物系的氣液相平衡,（3）氣相組成 y與氣相溫度t （露點(diǎn)）的關(guān)系式,將x與p、 、 的關(guān)系式代入道爾頓分壓定律即可得y與t(露點(diǎn))的關(guān)系為,與t（泡點(diǎn)） x間的計(jì)算類似， t（露點(diǎn)） y間的計(jì)算也有兩種類型，算法也類似。其中已知總壓p及氣相組成y、求露點(diǎn)t的計(jì)算也要用試差（或迭代）法。為什么求泡、露點(diǎn)均要用試差（迭代）法呢？,(9-11),15,9.2.1 理想物系的氣液相平衡

8、,求泡、露點(diǎn)要用試差（或迭代）法其原因在于fA(t)和fB(t)通常為非線性函數(shù)的緣故。試差（或迭代）法算法繁瑣，若初值取不當(dāng)收斂速度慢甚至發(fā)散導(dǎo)致計(jì)算失敗。因此，研究求泡、露點(diǎn)的高效算法有一定意義。課外閱讀： 1 王雙成。理想混合物泡點(diǎn)溫度和露點(diǎn)溫度的快速計(jì)算方法。 河南廣播電視大學(xué)學(xué)報(bào)，2002，15（1）：6062。 2 曾健。一種新的泡點(diǎn)計(jì)算方法。天然氣化工，1995，20 （1）： 5257。 3 曾健。露點(diǎn)計(jì)算的一種改進(jìn)。天然氣化工，1999，24（5）： 5660。,16,9.2.1 理想物系的氣液相平衡,（4） t x（或y）圖 t x（或y）圖如右圖所示，有以下特點(diǎn)：, 兩個(gè)

9、端點(diǎn)：端點(diǎn)A代表純易揮發(fā)組分A（x1.0),端點(diǎn)B代表純難揮發(fā)組分B（x0）。純A沸點(diǎn) tA 小于純B沸點(diǎn)tB ； 兩條線：tx線為泡點(diǎn)線，泡點(diǎn)與組成x有關(guān)；ty線為露點(diǎn)線，露點(diǎn)與組成y有關(guān)；,17, 三個(gè)區(qū)：tx線以下為過冷液體區(qū)；ty線以上為過熱蒸汽區(qū)；兩線之間的區(qū)域?yàn)闅庖汗泊鎱^(qū)，該區(qū)內(nèi)氣液兩相的組成y與x服從相平衡關(guān)系、兩相的量符合杠桿定律。,9.2.1 理想物系的氣液相平衡,注意：只有設(shè)法使體系落在氣液共存區(qū)才能實(shí)現(xiàn)一定程度的分離。,18,注意： 純物質(zhì)在一定壓力下飽和溫度稱為沸點(diǎn)，是一定值，且無泡點(diǎn)、露點(diǎn)之分； 二元理想溶液在一定壓力下，其泡點(diǎn)與露點(diǎn)不是定值，溶液組成不同，其泡點(diǎn)與露

10、點(diǎn)均不同，且易揮發(fā)組分的組成x越大，泡點(diǎn)越??；y越大，露點(diǎn)越??； 即使同一組成的氣相與液相（即y=x）其對(duì)應(yīng)的泡點(diǎn)與露點(diǎn)也不相同，露點(diǎn)大于泡點(diǎn)（非理想體系中的恒沸點(diǎn)處露點(diǎn)=泡點(diǎn)）； 汽液混合物一定符合相平衡關(guān)系，如C點(diǎn)液相組成x與氣相組成y成平衡關(guān)系，其溫度相同，但對(duì)x來講是泡點(diǎn)，對(duì)y來講是露點(diǎn)。,9.2.1 理想物系的氣液相平衡,19,9.2.1 理想物系的氣液相平衡,(5) y x圖 y x圖如下圖所示，有以下特點(diǎn)：,。,理想物系 ，故y x（ ），相平衡曲線(yx )必位于對(duì)角線上方，且yx 線離對(duì)角線越遠(yuǎn)，越有利于精餾分離； yx 曲線上各點(diǎn)對(duì)應(yīng)于不同的溫度， y、x 值越大，體系的平

11、衡溫度越低,20,9.2.1 理想物系的氣液相平衡,（6）揮發(fā)度,若為理想溶液，應(yīng)用拉烏爾定律可得,（7）相對(duì)揮發(fā)度,21,把道爾頓分壓定律代入上式，可得,9.2.1 理想物系的氣液相平衡,（9-13）,(9-12),22,9.2.1 理想物系的氣液相平衡,來描述二元溶液的氣液相平衡；xy圖是常用的相圖；,(9-16),（9-17）,23,9.2.1 理想物系的氣液相平衡,一般情況下，yx即1，越大，則平衡線遠(yuǎn)離對(duì)角線二元溶液易于分離；操作壓力越小則越大易于分離； =1時(shí)，平衡線與對(duì)角線重合，無法通過普通蒸餾實(shí)現(xiàn)二元溶液的分離； 液體的正常沸點(diǎn)（蒸汽壓等于101.3kPa時(shí)的溫度）較低，表明在

12、同一溫度下其蒸汽壓較高，故理想溶液兩組分揮發(fā)的難易也可以用其沸點(diǎn)的高低來表示，沸點(diǎn)差越大，則相對(duì)揮發(fā)度也越大。,24,9.2.2 非理想物系的氣液相平衡,(1)正偏差溶液 aABaAA，aABaBB，即異 分子間的排斥傾向起了主 導(dǎo)作用，使溶液的兩個(gè)組 分的平衡蒸汽壓都比拉烏爾定律所預(yù)計(jì)的高，如右圖所示。,圖9-6 a 恒溫下非理想溶液的蒸汽壓,25,9.2.2 非理想物系的氣液相平衡,正偏差嚴(yán)重時(shí)形成具有最低恒沸點(diǎn)的溶液，下面兩張分別為苯乙醇溶液的tx（y）圖及yx圖。,由圖可知苯乙醇溶液的最低沸點(diǎn)tM68.3C,恒沸物的組成xM=0.552。,26,9.2.2 非理想物系的氣液相平衡,(2

13、)負(fù)偏差溶液 aABaAA，aAB aBB，即異 分子間的吸引力大于同分子 間的吸引力，使得溶液中兩 組分的平衡蒸汽壓都比拉烏 爾定律所預(yù)計(jì)的低，如右圖 所示。,圖9-6 b 恒溫下理想溶液的蒸汽壓,27,9.2.2 非理想物系的氣液相平衡,負(fù)偏差嚴(yán)重時(shí)形成具有最高恒沸點(diǎn)的溶液，下面兩張分別為氯仿丙酮溶液的tx（y）圖及yx圖。,由圖可知氯仿丙酮溶液的最高恒沸點(diǎn)tM=64.5C，恒沸物的組成xM=0.65。,28,9.3.1平衡蒸餾,流程,9.3平衡蒸餾與簡(jiǎn)單蒸餾,（9-25）,29,9.3.1平衡蒸餾,令q=W/F表示底部液相的殘留率，則汽化率為f =D/F= ( 1-q )上式可化為,（9

14、-27）,當(dāng)xF與q已知，與氣液相平衡聯(lián)立即可確定y、x及平衡溫度。,30,9.3.1平衡蒸餾,（2）非理想溶液 相平衡關(guān)系若可寫成數(shù)學(xué)表達(dá)式 相平衡關(guān)系無法寫成數(shù)學(xué)表達(dá)式,(9-30),31,9.3.1平衡蒸餾,討論： 相同的汽化率下簡(jiǎn)單蒸餾的效果優(yōu)于平衡蒸餾；, p，平衡線靠近對(duì)角線， yD，xW；, 汽化率f，q，則斜率，yD，xW；, 進(jìn)料組成xF，則yD，xW；, 閃蒸塔中實(shí)現(xiàn)部分汽化，若將汽相進(jìn)行冷卻實(shí)現(xiàn)部分冷凝也屬于平衡蒸餾過程。,32,2熱量衡算,對(duì)加熱器熱量衡算,原料液減壓進(jìn)入分離器，物料放出的顯熱等于部分汽化所需潛熱,原料液離開加熱器的溫度,33,9.3平衡蒸餾與簡(jiǎn)單蒸餾,

15、9.3.2簡(jiǎn)單蒸餾,簡(jiǎn)單蒸餾是一非穩(wěn)定過程，是間歇蒸餾方式，要求得餾出液量與組成或殘液量與組成，就必須在微元時(shí)間內(nèi)進(jìn)行物料衡算而后積分求解。,設(shè)在微元時(shí)間dt內(nèi)釜液量減少dW，組成降低dx，初始汽相組成為y，液相組成為x，經(jīng)過微元時(shí)間后殘液量為W- dW ，殘液組成為x-dx，蒸出的易揮發(fā)組分的量為y dW，因此：,或,流程,34,9.3.2簡(jiǎn)單蒸餾,略去高階項(xiàng)，得到：,35,9.3.2簡(jiǎn)單蒸餾,（1）理想溶液,且取平均值視為常數(shù)，積分可得：,(9-33),若以釜內(nèi)溶液中兩種組分的千摩爾數(shù)A和B替代摩爾分率x，則,36,9.3.2簡(jiǎn)單蒸餾,（2）在使用濃度范圍平衡關(guān)系符合直線關(guān)系，即y=mx+

16、b,(9-34),（3）非理想溶液 若平衡關(guān)系可用數(shù)學(xué)表達(dá)式表示并且可積，采用直接積分；否則用圖解積分或數(shù)值積分。,上述物料衡算可從W1、x1加上W2、x2之一中算出W2、x2中未知的一個(gè)。余下餾出液的量WD及組成xD ，可用原料液、殘液及餾出液間的物料衡算決定：,37,9.4精餾,9.4.1精餾過程 精餾原理 （1）流程,38,9.4.1精餾過程,（2）平衡級(jí)理論與全塔效率 平衡級(jí)（理論板）,若為理想溶液滿足,39,9.4.1精餾過程,平衡級(jí)蒸餾與平衡蒸餾的區(qū)別：平衡蒸餾或簡(jiǎn)單蒸餾由外界提供熱量或冷量實(shí)現(xiàn)部分汽化或部分冷凝；其分離過程主要受傳熱控制；而平衡級(jí)蒸餾無須外界提供熱量（對(duì)該平衡級(jí)而

17、言），由汽、液兩相接觸傳熱、傳質(zhì)，這樣便于采用多次的平衡級(jí)蒸餾實(shí)現(xiàn)高純度的分離，這種多級(jí)的平衡級(jí)蒸餾過程稱為精餾。, 全塔效率 實(shí)際塔板數(shù)=理論塔板數(shù)全塔效率 全塔效率與分離體系的性質(zhì)、操作條件及塔板結(jié)構(gòu)等因素有關(guān)，通常由實(shí)驗(yàn)測(cè)定。,40,9.4.1精餾過程,（3）恒摩爾流假設(shè) 汽液傳熱傳質(zhì)接觸，難揮發(fā)組分冷凝潛熱易揮發(fā)組分的汽化潛熱（mol單位）； 進(jìn)入理論板汽液兩相溫度不同（如進(jìn)入第n板的汽相溫度為tn+1，液相溫度為tn-1，離開理論板時(shí)，汽液相的溫度均為tn， tn+1tntn-1）有顯熱變化，但顯熱與潛熱相比很小，可忽略不計(jì)； 保溫良好，沒有熱損失。,恒摩爾溢流：,恒摩爾汽化：,41

18、,基于恒摩爾流假設(shè)，則所有變量單位采用mol為基準(zhǔn)；基于質(zhì)量流假設(shè)，則所有變量采用kg單位為基準(zhǔn)。,(4) 全塔物料衡算,9.4.1精餾過程,（9-35）,（9-36）,42,定義：,塔頂產(chǎn)品采出率：,塔底產(chǎn)品采出率：,塔頂易揮發(fā)組分回收率：,塔底難揮發(fā)組分回收率：,9.4.1精餾過程,（9-37）,（9-38）,43,注意： 對(duì)一定的生產(chǎn)任務(wù)xF為已知量，所以D/F、W/F、xD、xW中只有2個(gè)是獨(dú)立的。如：確定了xD、xW那么采出率D/F、W/F確定，反之亦然； 因?yàn)? DxD/(FxF)1則 (D/F)(xF/xD)，故當(dāng)xF、xD確定時(shí)，采出率(D/F)的極限值就已確定；反之，xD(F

19、xF/D)、 (D/F)確定時(shí)， xD的最大極限值就已確定。,44,9.4.2精餾過程數(shù)學(xué)描述的基本方法,逆流多級(jí)的傳質(zhì)操作 氣液傳質(zhì)設(shè)備（板式塔、填料塔）對(duì)吸收和精餾過程是通用的。吸收以填料塔為例，本章精餾以板式塔為例。 過程描述的基本方法 物料衡算、熱量衡算、過程的特征方程。,45,9.4.3塔板上過程的數(shù)學(xué)描述,（1）塔板傳質(zhì)過程的簡(jiǎn)化理論板和板效率 a.理論板是一個(gè)理想化的塔板，即不論進(jìn)入塔板的汽液組成如何，在塔板上充分混合和接觸與傳質(zhì)的最終結(jié)果表現(xiàn)為離開該板的汽液兩相在傳熱，傳質(zhì)兩方面都達(dá)到平衡狀態(tài)，兩相的溫度相等，組成互成平衡。理論板在實(shí)際上是不存在的，這是由于要想使板上的汽液兩相

20、達(dá)到平衡，汽液兩相的接觸時(shí)間必須為無限長(zhǎng)，這顯然是不可能的。但理論板的概念之所以重要，是由于它可以作為衡量實(shí)際塔板分離效果的一個(gè)重要依據(jù)和標(biāo)準(zhǔn)。在設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)，先求出理論板數(shù)以后，然后用塔板效率予以校正就可以得出實(shí)際塔板數(shù)。 實(shí)際塔板數(shù),46,9.4.3塔板上過程的數(shù)學(xué)描述,b.汽相默弗里板效率 式中 第塊實(shí)際板的汽相默弗里板效率； 、 分別為離開第n、n+1塊實(shí)際板的汽相組成，摩爾分率； 與離開第n塊實(shí)際板液相組成成平衡的汽相組成，摩爾分率。,47,液相默弗里板效率 式中 第塊實(shí)際板的汽相默弗里板效率； 、 分別為離開第n-1、n塊實(shí)際板的汽相組成， 摩爾分率； 與離開第n塊實(shí)際板液相組成成平

21、衡的汽相組成，摩爾分率。,9.4.3塔板上過程的數(shù)學(xué)描述,48,單塊塔板的熱量衡算及其簡(jiǎn)化恒摩爾流假設(shè) 對(duì)單塊塔板進(jìn)行熱量衡算，忽略因組成、溫度不同所引起的進(jìn)出塔板的飽和液體焓及汽化潛熱的區(qū)別，結(jié)合塔板物料衡算關(guān)系，可得 精餾段： , 提餾段： , 組分的摩爾汽化潛熱相等； 液兩相接觸時(shí)因溫度不同而交換的顯熱可以忽略； 設(shè)備保溫良好，熱損失可以忽略。,9.4.3塔板上過程的數(shù)學(xué)描述,49,塔板物料、熱量衡算及傳遞速率的最終簡(jiǎn)化 引入理論板的概念及恒摩爾流假設(shè)使塔板過程的物料衡算、熱量衡算及傳遞速率最終簡(jiǎn)化為 物料衡算式 相平衡方程 對(duì)二元理想溶液,9.4.3塔板上過程的數(shù)學(xué)描述,（9-50）,

22、（9-51）,50,加料板過程分析 加料板因有物料自塔外引入，其物料衡算方程式和能量衡算式與普通板不同?？蓞⒁娤聢D,9.4.3塔板上過程的數(shù)學(xué)描述,8,51,加料的熱狀態(tài)（共5種） 在實(shí)際生產(chǎn)中，加入精餾塔中的原料液可能有一下五種不同的熱狀況： a.溫度低于泡點(diǎn)的過冷液體； b.溫度等于泡點(diǎn)的飽和液體； c.溫度介于泡點(diǎn)和露點(diǎn)之間的汽、液混合物； d.溫度等于露點(diǎn)的飽和蒸汽； e.溫度高于露點(diǎn)的過熱蒸汽。,9.4.3塔板上過程的數(shù)學(xué)描述,52,9.4.3塔板上過程的數(shù)學(xué)描述,加料板過程分析 理論加料板（第m塊） 由于不同進(jìn)料熱狀況的影響，使從加料板上升的蒸汽量及下降的液體量發(fā)生變化，也即上升到

23、精餾段的蒸汽量及下降到提餾段的液體量發(fā)生變化。我們可以通過加料板的物料衡算及熱量衡算求出 的關(guān)系。 總物料衡算式： 熱量衡算： 相平衡方程 ：,（9-53）,（9-52）,53,加料板過程分析 精餾段與提餾段兩相流量的關(guān)系 總物料衡算式 熱量衡算 注意：在熱量衡算式中已經(jīng)應(yīng)用了恒摩爾流假設(shè)，即認(rèn)為不同的溫度和組成下的飽和液體焓及氣化潛熱r均相等，液體i和氣體l均不加下標(biāo)。聯(lián)立以上兩式并令q為加料熱狀態(tài)參數(shù)由以上各式可得,9.4.3塔板上過程的數(shù)學(xué)描述,（9-54）,（9-55）,（9-57）,54,加料板過程分析 由以上各式可得 根據(jù) ，還可以從另一方面來說明的意義。以1kmol/h進(jìn)料為基準(zhǔn)

24、，提餾段中的液體流量較精餾段的液體流量增大的kmol/h數(shù)即為值。因而，對(duì)于飽和液體、汽液混合物及飽和蒸汽三種進(jìn)料熱狀況而言，提餾段液相流量增大的kmol/h數(shù)（即q值）就等于進(jìn)料中液相所占的分率。根據(jù)的這一定義，若是汽液混合物進(jìn)料，題目已知進(jìn)料中汽相與液相的摩爾數(shù)之比為2:1，則。用這種方法求汽液混合物進(jìn)料的值很方便。,9.4.3塔板上過程的數(shù)學(xué)描述,（9-58）,（9-59）,55,9.4.3塔板上過程的數(shù)學(xué)描述,（5）精餾塔內(nèi)的摩爾流率（全凝器，泡點(diǎn)回流） 精餾段 提餾段 冷凝器熱負(fù)荷 再沸器熱負(fù)荷,（9-60）,（9-61）,（9-62）,（9-63）,56,9.4.4精餾過程的兩種解

25、法,方程組的聯(lián)立求解 設(shè)某精餾塔共有N塊理論板，其中第m塊板為加料板，最末一塊是蒸餾釜。這樣N塊理論板可寫出N個(gè)物料衡算式，若回流液體組成x0為則個(gè)物料衡算式可依次列出如下: 第1塊 第2塊 加料板（第m塊） 提餾段任一塊板（第n塊） 最后一塊板（第N塊）,（9-64）,57,方程組的聯(lián)立求解 除此N個(gè)物料衡算式之外，對(duì)N塊理論板還可以寫出個(gè)相平衡方程。 通過全塔物料衡算及塔內(nèi)摩爾流量的計(jì)算，可求出L、V、 、 、W 皆已知；于是，聯(lián)立求解N個(gè)物料衡算式及N個(gè)相平衡方程式，可解出x1至xN及y1至yN共2個(gè)未知數(shù)。但由于相平衡方程式是非線性的，求解過程必須試差或迭代。方程組聯(lián)立求解的必須條件是

26、方程式數(shù)目已知，故上述方法主要用于塔板數(shù)及加料板位置已知的操作型精餾計(jì)算。,9.4.4精餾過程的兩種解法,58,逐板計(jì)算法。 思路：從全凝器開始,交替使用相平衡方程以及物料衡算式，直到 為止，用n次相平衡及物料衡算式，則需n塊理論板。逐板計(jì)算不需事先知道方程式的數(shù)目，故對(duì)板數(shù)N為待定變量的設(shè)計(jì)型問題尤為適合，我們?cè)谙旅鎸⒃敿?xì)討論。,9.4.4精餾過程的兩種解法,59,9.5雙組分精餾的設(shè)計(jì)型計(jì)算,9.5.1理論板數(shù)的計(jì)算 （1）逐板計(jì)算法,提餾段操作線方程,精餾段操作線方程,相平衡方程（理想溶液）,60,9.5.1理論板數(shù)的計(jì)算,計(jì)算過程總共用了n+m次相平衡關(guān)系，因而全塔所需的理論板數(shù)N =

27、 n + m塊（包括再沸器）。為什么理論板數(shù)中包含再沸器的呢？,61,9.5.1理論板數(shù)的計(jì)算,再沸器實(shí)現(xiàn)了部分汽化相當(dāng)于一塊理論板，L=V+W，xw與yw呈平衡關(guān)系。精餾段塔板數(shù)為n-1；提餾段塔板數(shù)為m（不含再沸器）；進(jìn)料板為第n塊。 這種方法適用于相平衡關(guān)系可寫成數(shù)學(xué)表達(dá)式的場(chǎng)合。,62,9.5.1理論板數(shù)的計(jì)算,（2）圖解法 步驟： 在xy圖中作出平衡線與對(duì)角線； 在x軸上定出xD、xF、xw的點(diǎn)，并通過這三點(diǎn)作垂線定出對(duì)角線上的點(diǎn)a、f、b； 在y軸上定出yc=xD/(R+1)的點(diǎn)c，連a、c作出精餾段操作線； 由進(jìn)料狀況求出q線的斜率q/(q-1)，并通過點(diǎn)f作q線;,圖9-27

28、逐板計(jì)算的圖示,63,9.5.1理論板數(shù)的計(jì)算, 將q線、精餾段操作線的交點(diǎn)d與點(diǎn)b連成提餾段操作線bd； 從點(diǎn)a開始，在平衡線與精餾段操作線之間作梯級(jí)，當(dāng)梯級(jí)跨過點(diǎn)d時(shí)（這個(gè)梯級(jí)相當(dāng)于加料板），然后在平衡線與提餾段操作線之間作梯級(jí)，直到跨過點(diǎn)b為止。數(shù)梯級(jí)的數(shù)目，就可以分別得出精餾段和提餾段的理論板數(shù)，同時(shí)也就確定了加料板的位置。,圖9-27 逐板計(jì)算的圖示,64,9.5.1理論板數(shù)的計(jì)算,再沸器內(nèi)進(jìn)行的過程是部分汽化，xw與yw達(dá)到平衡，故相當(dāng)于一次平衡蒸餾或一層理論板，則提餾段和全塔所需的理論板數(shù)應(yīng)從以上得出的數(shù)目減1；如果塔頂?shù)睦淠鞑皇侨鞫欠帜?，也相?dāng)于一層理論板，使得分離所

29、需的理論板數(shù)再減一層。,應(yīng)當(dāng)指出：用圖解法代替逐板計(jì)算法較直觀，但當(dāng)所需的理論板數(shù)相當(dāng)多，則圖解法不易準(zhǔn)確，應(yīng)采取適當(dāng)?shù)臄?shù)值計(jì)算法；上述解法中應(yīng)用了恒摩爾流假設(shè)，與之偏差大的物系，如水醋酸體系，誤差較大，需用其他方法。,65,9.5.2 回流比的選擇,(1) 回流比的確定及其意義,設(shè)計(jì)時(shí)，分離要求xD、xW、分離任務(wù)如xF、F、q等確定，若R，R /(R+1)，xD /(R+1)，L/V，操作線均遠(yuǎn)離平衡線，完成一定分離要求所需的理論塔板數(shù)N，設(shè)備投資；但R，V=(R+1)D，V=V-(1-q)F，操作費(fèi)用。,若R，則設(shè)備投資，操作費(fèi)用，故必然存在一適宜（最佳）回流比Ropt使得設(shè)備費(fèi)與操作費(fèi)

30、總和最小，在經(jīng)濟(jì)上最合理，故在設(shè)計(jì)中回流比的選擇應(yīng)慎重，它是重要的設(shè)計(jì)參數(shù)。,66,9.5.2 回流比的選擇,操作時(shí)，進(jìn)料量F、進(jìn)料狀況q、 xF等不變，精餾塔的總板數(shù)、精餾段的塔板數(shù)、提餾段塔板數(shù)不變，若R，R /(R+1)，xD /(R+1)，提餾段操作線斜率L/V，但塔板數(shù)不變只能是xD，xW，即精餾段操作線斜率增大有利于分離，分離能力提高；而提餾段操作線斜率減小有利于分離，分離能力提高；此時(shí)分離能力提高的代價(jià)是采出率減?。?67,9.5.2 回流比的選擇,（2）最大回流比（全回流） 當(dāng)回流比R增大，在一定的分離要求下，所需的理論塔板數(shù)減少；當(dāng)R 時(shí)，,即塔頂沒有出料，為保持穩(wěn)定，不能有

31、進(jìn)料，塔底也沒有出料，F(xiàn)=0，W=0,精餾段與提餾段操作線斜率均為1，操作線與（對(duì)角線y=x）重合。故R時(shí)，所需理論塔板數(shù)最少NNmin，稱為全回流。,68,9.5.2 回流比的選擇,在全回流條件下，所需的理論塔板數(shù)可作圖求解，對(duì)理想溶液也可采用解析法求解。,相平衡方程：,圖9-30 全回流時(shí)的理論塔板,69,9.5.2 回流比的選擇,若塔頂為全凝器,依此類推,70,9.5.2 回流比的選擇,故在全回流條件下，所需的最小理論塔板數(shù)為：,該式稱為芬斯克（Fenske）方程，可適用于多組分理想溶液中任意兩組分；對(duì)二元理想溶液，可略去下標(biāo)。,（9-79）,（9-78）,71,9.5.2 回流比的選擇

32、,式中Nmin均包括再沸器在內(nèi)，故求得Nmin后應(yīng)減一塊，才是所需的理論塔板數(shù)。全回流由于不須進(jìn)料，也沒有出料，其主要用于開車階段，質(zhì)量波動(dòng)須穩(wěn)定以及測(cè)板效率等場(chǎng)合。,（9-81）,72,9.5.2 回流比的選擇,（3）最小回流比 操作線、q線與相平衡線交于e點(diǎn)（挾點(diǎn)、挾緊點(diǎn)），此時(shí)在e點(diǎn)組成達(dá)平衡，塔板數(shù)逐板計(jì)算作圖時(shí)在點(diǎn)無法越過，也就是說此時(shí)塔板數(shù)趨于無窮多，無法達(dá)到分離要求，因此實(shí)際操作的回流比不應(yīng)小于等于這一最小回流比，此最小回流比用Rmin表示。,根據(jù)分離要求xD已知，若能求得e點(diǎn)組成，即可求得最小回流比，那么(xe，ye)如何求？,（9-82）,73,9.5.2 回流比的選擇,q

33、=1時(shí)（泡點(diǎn)進(jìn)料），xe= xF ； q =0時(shí)（露點(diǎn)進(jìn)料）， ye= xF 。 能否用進(jìn)料線與精餾段操作線方程聯(lián)立求解？ 不能，它求出的是(xd，yd) ，d點(diǎn)不一定是點(diǎn)e，只有R=Rmin時(shí)，對(duì)本情況d點(diǎn)與e點(diǎn)重合。,74,9.5.2 回流比的選擇,R = Rmin時(shí)，d點(diǎn)與e點(diǎn)也有不重合的情況。對(duì)平衡線不正常（有明顯下凹）的情況，不能采用解析法，只能采用圖解法求最小回流比。而正常的平衡線也可采用圖解法。,圖 9-32 不同平衡線形狀的最小回流比,75,9.5.2 回流比的選擇,（4）操作回流比的確定 R Rmin時(shí)，N；R， N Nmin 操作回流比的正常范圍 Rmin R ，但該范圍很

34、大，且R 對(duì)分離過程有顯著的影響，確定回流比的方法有兩種： 經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)法： R =（1.1） Rmin 優(yōu)化設(shè)計(jì)法：建立經(jīng)濟(jì)費(fèi)用模型求最小年總費(fèi)用時(shí)的最佳回流比Ropt。,76,9.5.2 回流比的選擇,(5)實(shí)際塔板數(shù)與板效率 全塔效率（總板效率）E0,根據(jù)理論板數(shù)和總板效率求實(shí)際塔板數(shù)，實(shí)際塔板數(shù)應(yīng)當(dāng)圓整。,77,9.5.2 回流比的選擇,單板效率（默弗里Murphree板效率）,液相單板效率：,78,9.5.2 回流比的選擇,注意： 塔板傳質(zhì)速率的影響因素歸入塔板效率，使精餾計(jì)算大大簡(jiǎn)化方便，只需由相平衡方程與操作線方程求理論板數(shù)，再由總板效率求實(shí)際塔板數(shù)； 塔板效率與汽液相的物性：密度、

35、粘度、擴(kuò)散系數(shù)、表面張力、揮發(fā)度等，操作參數(shù)：溫度、壓力、流量，塔板結(jié)構(gòu)：開孔率、孔徑大小、分布形式、孔結(jié)構(gòu)等因素有關(guān)；使得板效率無法理論計(jì)算，通常由實(shí)驗(yàn)測(cè)定塔板效率； 總板效率、單板效率之間定義不同，它們并不相等，即使全塔各板的單板效率相同，總板效率也不等于單板效率；,79,9.5.2 回流比的選擇,例 已知xD=0.98， Emv,1=0.6 ，= 2.47 ；求全回流操作時(shí)，塔頂?shù)诙K實(shí)際板上升汽相組成y2（塔頂為全凝器）。,(6)理論板的捷算法 R Rmin時(shí)，N；R， N Nmin；根據(jù)眾多實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)整理出Rmin、R 、Nmin、N間關(guān)系；作出吉利蘭（Gilliland）關(guān)聯(lián)圖，回歸

36、式：,式中,該方法可適用于二元、多元精餾，求出Rmin、Nmin再確定R 從而由吉利蘭關(guān)聯(lián)式求出N，常用于估算。,80,進(jìn)料狀態(tài)及進(jìn)料板物料衡算、熱量衡算 1.進(jìn)料狀態(tài) 根據(jù)進(jìn)料的料液溫度有五種狀態(tài) T泡點(diǎn) 過冷液體 （q1） T泡點(diǎn) 飽和液體 （q1） 泡點(diǎn)T露點(diǎn) 汽液混合物 （0q1） T露點(diǎn) 飽和蒸汽 （q0） T 露點(diǎn) 過熱蒸汽 （q0）,9.5.3加料熱狀況的選擇,81,2.進(jìn)料板物料衡算 定義進(jìn)料液中液相的分率為q，kmol液相/kmol料液；則汽相所占分率為1-q 。料液中的液相流量qF進(jìn)塔后向下流動(dòng)與精餾段的液相流量L匯合進(jìn)入提餾段，則：,9.5.3加料熱狀況的選擇,82,進(jìn)料

37、若為液體（飽和，過冷）則其組成與進(jìn)料組成xF相同，若為蒸汽進(jìn)料（飽和、過熱），則其蒸汽組成與進(jìn)料組成相同；但是汽液混合進(jìn)料時(shí)，其汽相、液相組成均不等于進(jìn)料組成xF，而是總組成為xF，若汽液混合物中液相組成為x，汽相組成為y，那么由物料衡算有：,即,液相組成x與汽相組成y混合進(jìn)料，故x與y符合相平衡關(guān)系：,結(jié)合以上兩式求得汽液混合進(jìn)料時(shí)汽相與液相的組成y 與x 。,9.5.3加料熱狀況的選擇,83,若將精餾段與提餾段操作線聯(lián)立：,且,9.5.3加料熱狀況的選擇,84,該方程是精餾段與提餾段操作線聯(lián)立得到的，是精餾段與提餾段操作線交點(diǎn)的軌跡方程，同時(shí)又反映了進(jìn)料中汽液組成x、y的物料衡算關(guān)系，稱為

38、q線方程（進(jìn)料方程）。,點(diǎn)（xd，yd）為q線、精餾段操作線、提餾段操作線的交點(diǎn)；點(diǎn)(xe，ye)為相平衡線與 q線的交點(diǎn)， xe，ye為汽液混合進(jìn)料中汽液相的組成。,9.5.3加料熱狀況的選擇,85,3.進(jìn)料板熱量衡算,工程上忽略溫度對(duì)焓值的影響，即,9.5.3加料熱狀況的選擇,86,進(jìn)料方式： 過熱蒸汽 iFiV ，q0，L=L+ qF L，V=V- (1- q) FV-F 飽和蒸汽 iFiV ，q0，L=L+ qF =L，V=V- (1- q) F = V-F 汽液混合 iLiFiV ，0q1， L=L+ qFL，V=V- (1- q) FV 飽和液體 iFiL，q1，L=L+ qF =

39、 L+F，V=V- (1- q) F = V 過冷液體 iFiL，q1，L=L+ qF L+F，V=V- (1- q) FV,9.5.3加料熱狀況的選擇,87,9.5.3加料熱狀況的選擇,88,9.5.3加料熱狀況的選擇,89,討論： 飽和液體，泡點(diǎn)進(jìn)料,q線變?yōu)?x = xF, 飽和蒸汽，露點(diǎn)進(jìn)料,q線變?yōu)?y = yF, 汽液混合進(jìn)料,9.5.3加料熱狀況的選擇,90, 提餾段操作線方程的其他求解方法 a、物料衡算方法：,9.5.3加料熱狀況的選擇,91,b、兩點(diǎn)求直線法：,9.5.3加料熱狀況的選擇,92, 進(jìn)料狀態(tài)（q 值）對(duì)分離過程的影響,q，進(jìn)料帶入的熱量增大，xF、xD 、xW

40、、R不變，塔底的供熱量必減少才能保證塔頂冷凝量不變，則塔釜上升的蒸汽量V 相應(yīng)減小，L /V,提餾段操作線遠(yuǎn)離對(duì)角線，達(dá)到同樣的分離要求，所需理論塔板數(shù)增大。,若塔釜供熱量（V）不變，進(jìn)料帶入熱量增加， q，則V， R，精餾段操作線斜率L/V，靠近對(duì)角線，遠(yuǎn)離平衡線，所需理論塔板數(shù)減小。,在熱量不變的情況下，熱量應(yīng)盡可能在塔底輸入，使所產(chǎn)生的汽相回流能在全塔中發(fā)揮作用；而冷量應(yīng)盡可能施加于塔頂，使所產(chǎn)生的液體回流能經(jīng)過全塔而發(fā)揮最大的效能。,9.5.3加料熱狀況的選擇,93,填料精餾塔的填料層高度的計(jì)算,對(duì)填料塔不是求塔板數(shù)，因?yàn)樗膫髻|(zhì)元件是填料，要求的是填料層高度，與板式塔計(jì)算類似，引入等

41、板高度的概念。若從一段填料頂部上升的汽流與底部下降的液流剛好符合相平衡關(guān)系，則這段填料層高度稱為理論板等板高度，簡(jiǎn)稱等板高度。那么填料層高度就是理論板數(shù)與等板高度的乘積，理論板數(shù)的計(jì)算方法與前述方法一樣，而等板高度與體系性質(zhì)、操作條件、填料性質(zhì)、結(jié)構(gòu)有關(guān)，通常由實(shí)驗(yàn)測(cè)定或回歸成關(guān)聯(lián)式，不同條件、不同實(shí)驗(yàn)者通過實(shí)驗(yàn)給出不同的關(guān)聯(lián)式，應(yīng)用時(shí)應(yīng)注意適用范圍。 精餾與吸收相比其液相流量一般較小，在填料塔中不易分布均勻，若采用填料精餾應(yīng)特別注意液相的分布問題。,94,9.5.4雙組分精餾過程的其他類型,a. 帶分凝器精餾塔,總物料衡算：,易揮發(fā)組分衡算：,（不含再沸器與分凝器）,95,9.5.4雙組分精

42、餾過程的其他類型,(1) 直接蒸汽加熱,總物料衡算：,易揮發(fā)組分衡算：,式中V0= V，W* = L，y = 0,(9-107),(9-108),96,9.5.4雙組分精餾過程的其他類型,精餾段操作線方程、進(jìn)料方程、相平衡方程對(duì)于間接蒸汽加熱與直接蒸汽加熱是否相同？,提餾段操作線方程：,也可用兩點(diǎn)（xd，xd）和（xW*，0）求直線的方法獲得：,97,9.5.4雙組分精餾過程的其他類型,討論： 當(dāng)xF、xD、R、q、D/F相同時(shí)：,而,不論是直接蒸汽加熱還是間接蒸汽加熱其提餾段操作線的斜率均為：,98,9.5.4雙組分精餾過程的其他類型,其操作線如圖所示，可知 N直接 N間接 在塔頂采出率一定

43、情況下，直接蒸汽加熱所需的理論塔板數(shù)略大于間接蒸汽加熱，但直接蒸汽加熱分離效果好且可以節(jié)省再沸器。,99,9.5.4雙組分精餾過程的其他類型,當(dāng)xF、xD、R、q、 xW相同時(shí)：,100,9.5.4雙組分精餾過程的其他類型,結(jié)合相圖可以看出， N直接 N間接 在分離要求一定的情況下，采用直接蒸汽加熱可以節(jié)省塔板數(shù)，但塔頂?shù)牟沙雎蕼p低。,101,9.5.4雙組分精餾過程的其他類型,b. 回收塔（提餾塔） 回收塔只有提餾段，沒有精餾段又稱提餾塔。當(dāng)精餾的目的是回收稀溶液中的輕組分（易揮發(fā)組分），而對(duì)餾出液濃度要求不高；或物系在低濃度下相對(duì)揮發(fā)度較大，不用精餾段也能達(dá)到要求的餾出液濃度時(shí)采用回收塔。

44、 對(duì)回收塔料液從塔頂加入，其進(jìn)料狀態(tài)為q1（泡點(diǎn)或冷液進(jìn)料），故在塔頂可以有回流，也可以無回流，但不論何種流程，塔內(nèi)操作線沒有精餾段只有提餾段。,102,9.5.4雙組分精餾過程的其他類型,（1）對(duì)間接蒸汽加熱的情況 操作線方程與完全的精餾塔的提餾段操作線相同：,當(dāng)塔頂無回流時(shí)：L=0，R=0 泡點(diǎn)進(jìn)料：q =1，L=F，V=D 冷液進(jìn)料：q 1，L=qF， V=D- ( 1-q )F,當(dāng)塔頂有回流時(shí)： L 0，R 0 泡點(diǎn)進(jìn)料：q =1，L=L+F，V=（R+1）D 冷液進(jìn)料：q 1，L= L+ qF，V= （R+1）D- ( 1-q )F,103,9.5.4雙組分精餾過程的其他類型,（2）

45、對(duì)直接蒸汽加熱的情況,當(dāng)塔頂無回流時(shí)：L=0，R=0 泡點(diǎn)進(jìn)料：q =1，L=F=W*， V=V0=D 冷液進(jìn)料：q 1，L=qF =W* ， V=D- ( 1-q )F =V0,當(dāng)塔頂有回流時(shí)： L 0，R 0 泡點(diǎn)進(jìn)料：q =1，L=L+F =W* ，V=（R+1）D =V0 冷液進(jìn)料：q 1，L= L+ qF =W* ， V= （R+1）D- ( 1-q )F =V0,104,9.5.4雙組分精餾過程的其他類型,3.復(fù)雜塔 復(fù)雜塔指有多股進(jìn)料和多股側(cè)線采出的塔。 操作線的數(shù)目=進(jìn)出料股數(shù)-1,（1）多股進(jìn)料 兩種成分相同但濃度不同的料液可在不同位置加入塔內(nèi)進(jìn)行分離，不能混合后再一股進(jìn)料，

46、為什么？混合是分離的逆過程，對(duì)分離不利。 下面以兩股進(jìn)料為例進(jìn)行說明。,105,9.5.4雙組分精餾過程的其他類型,全塔物料衡算：F1 + F2 = D + W 易揮發(fā)組分衡算： F1 xF1+ F2 xF2 = DxD + W xW 塔頂易揮發(fā)組分回收率：,106,9.5.4雙組分精餾過程的其他類型,操作線：,段：,段：,107,9.5.4雙組分精餾過程的其他類型,段：,q線：,Rmin：挾點(diǎn)對(duì)理想溶液可能出現(xiàn)在q1或q2線與平衡線的交點(diǎn)上（各段操作線斜率：），對(duì)高度非理想溶液可能出現(xiàn)在其他位置。,108,9.5.4雙組分精餾過程的其他類型,（2）側(cè)線出料,全塔物料衡算：F= D1 + D2

47、 + W 易揮發(fā)組分衡算： F xF= D1xD1+ D2xD2 + W xW 塔頂易揮發(fā)組分回收率：,109,9.5.4雙組分精餾過程的其他類型,操作線：,段：,泡點(diǎn)采出：,段：,泡點(diǎn)采出：,110,9.5.4雙組分精餾過程的其他類型,q 線：,Rmin：挾點(diǎn)對(duì)理想溶液可能出現(xiàn)在q線與平衡線的交點(diǎn)上（第一段斜率大于第二段斜率），對(duì)高度非理想溶液可能出現(xiàn)在其他位置。,111,9.6 雙組分精餾的操作型計(jì)算,（1） 精餾段物料衡算,對(duì)虛線劃定的范圍進(jìn)行物料衡算,定義回流比,112,上述物料衡算可以用一個(gè)總式來表示，自任一第n塊板下降的液流組成xn與第n+1板上升的氣流組成yn+1之間有：,上式是

48、由精餾段物料衡算得到的，反映的是精餾段由下一塊理論板上升的汽相組成 y 與上一塊板下降的液流組成 x 之間的關(guān)系，稱為精餾段操作線方程，略去下標(biāo)寫成：,9.6 雙組分精餾的操作型計(jì)算,113,精餾段操作線方程經(jīng)過點(diǎn)（xD，xD ）和（0，xD/（R+1），斜率為R/(R+1),9.6 雙組分精餾的操作型計(jì)算,114,(2) 提餾段物料衡算,根據(jù)精餾段中物料衡算的方法，同樣可以獲得提餾段中的物料衡算式：,上式反映的是提餾段中下一塊理論板上升的汽相組成 y 與上一塊板下降的液流組成 x 之間的關(guān)系，稱為提餾段操作線方程。,9.6 雙組分精餾的操作型計(jì)算,115,注意兩操作線方程中x、y的含義。,x

49、 = xW時(shí)，y = yW ， x =0時(shí)，,在相圖上可以根據(jù)這兩點(diǎn)作出提餾段操作線，但一般xW較小，作圖誤差大；通常不采用這種方法；更有效、更方便、更準(zhǔn)確的方法后面介紹。,9.6 雙組分精餾的操作型計(jì)算,116,9.6.1 操作型計(jì)算 理論塔板數(shù)N=4及、xF、xD、xW、q已知，要求計(jì)算滿足該分離要求所需的操作回流比；則先估計(jì)回流比，求出理論塔板數(shù)與已知的理論塔板數(shù)比較，若不相等則改變回流比重新計(jì)算，直至相等為止；故操作型計(jì)算須采用試差法。,9.6 雙組分精餾的操作型計(jì)算,117,操作型問題分析 （1）回流比變化 塔釜蒸發(fā)量不變 問題：回流比R，F(xiàn)、xF、q、V不變，L、V、L、D、W、x

50、D、xW如何變化？,分析：V= V-（1-q）不變 V不變； V=（R+1）D不變且R增大 D； V=L+D不變且D減小 L ； L=L+qF， L L ； F=D+W， D W； R（L/V）精餾段分離能力提高， xD ； L，V不變（L/V）；提餾段分離能力，xW 。 結(jié)論： V不變，R， xD ， D 。,9.6 雙組分精餾的操作型計(jì)算,118,塔頂產(chǎn)品量不變 問題：R，F(xiàn)、xF、q、D不變，L、V、L、V、W、xD、xW如何變化？ 分析：,L=RD 且 R L ； V=（R+1）D且R V ； L=L+qF且 L L ； V= V-（1-q）且V V ； F=D+W不變，且D不變 W不

51、變； R（L/V）精餾段分離能力提高， xD ； L，V(L/V)=1+(W/V)；提餾段分離能力，xW。 結(jié)論：要保證餾出液量不變，而提高回流比，必須提高塔釜蒸發(fā)量。,9.6 雙組分精餾的操作型計(jì)算,119,（2）適宜進(jìn)料口變化 問題：進(jìn)料口位置偏離適宜進(jìn)料位置上移或下移， xD、xW如何變化？ 分析：上移、下移都使所需理論塔板數(shù)；實(shí)際塔板數(shù)不變，故塔分離能力，而且操作線斜率不變，所以xD、 xW。 結(jié)論：精餾塔存在最佳進(jìn)料位置，及精餾段操作線和提餾段操作線的交點(diǎn)，偏離最佳位置進(jìn)料均使分離效果下降。,9.6 雙組分精餾的操作型計(jì)算,120,（3）進(jìn)料熱狀態(tài)變化；（4）進(jìn)料濃度變化； （5）處

52、理量變化； （6）塔釜蒸發(fā)量變化 。,注意： 以上的分析均是針對(duì)間接蒸汽加熱精餾，對(duì)于直接蒸汽加熱的情況與之類似，但要注意這兩種情況操作線和物料衡算的區(qū)別； 精餾段操作線斜率，精餾段分離能力，餾出液組成xD；提餾段操作線斜率，提餾段分離能力，殘液組成xW；若精餾段操作線斜率不變，進(jìn)料狀態(tài)不變，并不能說明餾出液組成不變，此時(shí)應(yīng)綜合全塔情況進(jìn)行判斷； 對(duì)各種情況無法一一枚舉，但可觸類旁通；對(duì)流量L、L、V、V、D、W可用物料衡算分析其變化趨勢(shì)，而組成xD、xW通常無法利用物料衡算式判斷，可結(jié)合相圖、操作線斜率的變化情況及塔板數(shù)不變條件進(jìn)行判斷； 在判斷出xD、xW的變化趨勢(shì)后，可用全塔物料衡算進(jìn)行

53、檢驗(yàn)是否正確。,9.6 雙組分精餾的操作型計(jì)算,121,9.7 間歇蒸餾（分批蒸餾）,間歇蒸餾特點(diǎn)：一次性加入物料進(jìn)行蒸餾，塔頂連續(xù)出料，而塔釜蒸餾結(jié)束后一次性出料。在蒸餾過程中，塔釜中料液量不斷減少，濃度下降，沸點(diǎn)升高；塔頂餾出液組成下降，故間歇蒸餾各參數(shù)與時(shí)間有關(guān)，為非穩(wěn)定的操作方式。并且在間歇蒸餾塔中只有精餾段沒有提餾段；塔釜中料液加熱到泡點(diǎn)蒸餾過程才能進(jìn)行。根據(jù)間歇蒸餾過程的操作方式不同，分為恒餾出液操作和恒回流比操作。 間歇蒸餾適用于小批量、多產(chǎn)品的生產(chǎn)；但間歇蒸餾能耗大，產(chǎn)量低。,122,（1） 恒回流比操作 在操作過程中保持回流比不變，隨著蒸餾過程的進(jìn)行，釜液組成及塔頂餾出液組成

54、下降，最終得到的餾出液組成為平均值。,（2）恒餾出液操作 由于餾出液組成隨時(shí)間進(jìn)行不斷減小，為保持餾出液組成不變，則在蒸餾過程中必須不斷提高回流比。,9.7 間歇蒸餾（分批蒸餾）,123,9.8 恒沸精餾與萃取精餾,精餾的分離依據(jù)是各組分的揮發(fā)度不同，但對(duì)高度非理想溶液，正偏差嚴(yán)重將出現(xiàn)最低恒沸點(diǎn)，負(fù)偏差嚴(yán)重則會(huì)出現(xiàn)最高恒沸點(diǎn)；在恒沸點(diǎn)上汽液相的組成相同（相對(duì)揮發(fā)度為1），利用普通精餾就無法實(shí)現(xiàn)分離，而應(yīng)采用特殊精餾。,124,9.8.1 恒沸精餾 添加的第三組分稱為夾帶劑，能與原二元體系組分之一形成新的二元最低恒沸物，或與原兩組分形成三元恒沸物；新恒沸物的沸點(diǎn)比原組分、原恒沸物低得多，相對(duì)揮

55、發(fā)度增大從而實(shí)現(xiàn)分離。 如乙醇水溶液以苯為夾帶劑精餾獲得無水乙醇。 夾帶劑的選擇： （1）與被分離組分形成恒沸物，其沸點(diǎn)與另一組分有較大區(qū)別，一般在以上； （2）與含量少的組分形成恒沸物，夾帶量盡可能高，且沸點(diǎn)低，從塔頂蒸出，用量少熱量消耗低； （3）夾帶劑與被夾帶組分溶解度小，冷凝后可分層便于回收； （4）滿足一般要求：穩(wěn)定、無毒、無腐蝕、不易著火爆炸、廉價(jià)等。,9.8 恒沸精餾與萃取精餾,125,9.8.2 萃取精餾 添加第三組分與原二元體系中各組分的分子作用力不同，有選擇性地改變組分的蒸汽壓從而增大相對(duì)揮發(fā)度，第三組分的沸點(diǎn)比其他組分高得多，原恒沸物被破壞，又不形成新的恒沸物，該組分稱為

56、萃取劑。 萃取劑的選擇： （1）選擇性強(qiáng)，相對(duì)揮發(fā)度顯著增大； （2）溶解度大，與原溶液完全互溶，不分層，不形成恒沸物； （3）沸點(diǎn)比任一組分高得多，避免進(jìn)入塔頂； （4）滿足一般要求：穩(wěn)定、無毒、無腐蝕、不易著火爆炸、廉價(jià)等。,9.8 恒沸精餾與萃取精餾,126,恒沸精餾和萃取精餾的比較 （1）溶劑選擇。萃取劑較夾帶劑易于選擇； （2）能量消耗：夾帶劑由塔頂蒸出，萃取劑由塔底蒸出，一般恒沸精餾熱量消耗多；若夾帶劑所需用量小，則熱量消耗會(huì)減少； （3）操作條件：恒沸組成、溫度固定，操作條件要求苛刻；而萃取精餾無此約束，操作上更為靈活，但恒沸精餾總體溫度低適于熱敏性物料分離。,9.8 恒沸精餾與

57、萃取精餾,127,9.9 多組分精餾基礎(chǔ), 相平衡常數(shù)是溫度、壓力及濃度的函數(shù)。, 汽、液平衡關(guān)系復(fù)雜, 物料衡算關(guān)系復(fù)雜, 各有C-1個(gè)操作線方程。,多組分精餾的特點(diǎn)：,128, 分離程度的確定比較復(fù)雜 根據(jù)塔分離工藝要求和物流特點(diǎn)，規(guī)定兩個(gè)特定組分的分離程度，其余組分的分離程度則由分離的流程和操作情況等條件所決定。, 流程方案的選定比較復(fù)雜 需要的塔多 若要將一混合物完全分離成純組份產(chǎn)品的分離稱之為銳分離，需多塔操作。采用簡(jiǎn)單塔操作時(shí)C個(gè)組分，需C -1個(gè)塔。 流程方案多 分離C個(gè)組分的混合物，銳分離的序列數(shù)為：,每個(gè)序列需要精餾塔（C-1）個(gè)。,129,9.9.1多組分精餾流程方案的選擇

58、,（1）一般確定原則, 減少組分汽化次數(shù)，降低能耗。 直接序列（順序流程）：按混合物中組分沸點(diǎn)遞升排序，輕組分依次從塔頂分離出去。,例：四組分A、B、C、D 混合物的分離,130,保證產(chǎn)品質(zhì)量原則： 高純度產(chǎn)品在塔頂采出； 熱敏性、易分解或聚合的物料優(yōu)先分出，減少受 熱次數(shù)。,131, 經(jīng)濟(jì)性原則： 盡可能考慮到減少設(shè)備費(fèi)和操作費(fèi)，易腐蝕、 有毒的組分先分出去； 難分離的最后分，此時(shí)，氣體負(fù)荷小、塔徑小。, 操作管理方便原則：,說明：以上原則是在用普通精餾塔一進(jìn)二出， 分離出較純的單一組分為前提下得到的。,（2）多組分分離序列綜合 研究始于20世紀(jì)70年代，研究方法有： 試探法、調(diào)優(yōu)法、數(shù)學(xué)規(guī)劃法等。,132,9.9.3 多組分精餾的關(guān)鍵組分和物料衡算,（1）關(guān)鍵組份及