液體精餾課件

1、第九章 液體精餾第一節(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(jì)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8/1/20221蒸餾在化工生產(chǎn)中的應(yīng)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。8/1/202228/1/202238/1/20224蒸餾過程的分離依據(jù)依據(jù)：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,

2、yB 液相冷凝8/1/20225必有： yA xA, yB x兩條線：液相線（泡點(diǎn)線） 氣相線（露點(diǎn)線）組成相同時，t露點(diǎn)t泡點(diǎn)8/1/202214對角線y=x為輔助曲線，yx ，平衡線在對角線之上；Xy線上各點(diǎn)溫度不同；平衡線離對角線越遠(yuǎn)，揮發(fā)性差異越大，物系越易分離。8/1/202215壓力對txA（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8/1/202216（三） 相對揮發(fā)度與理想溶液的yx關(guān)系氣相中某一組分的平衡分壓與其在液相中的摩爾分?jǐn)?shù)之比稱為該組分的揮發(fā)度，用表示。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

3、分率。 混合液某組分揮發(fā)度:1. 揮發(fā)度8/1/202217理想溶液則:2. 相對揮發(fā)度(以表示) 理想氣體：或：一般物系：8/1/2022183. 理想溶液的氣液相平衡方程式 代入相平衡方程討論: 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(shù)。 其值標(biāo)志著分離的難易程度。8/1/202219 若=1，則普通蒸餾方式將無法分離此混合物。 1。 平均相對揮發(fā)度m。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(diǎn)的溶液 如甲醇-水溶液pApA理， pBpB理，介于pAo、pBo 之間。8/1/202220(1)正偏差溶液溶液的兩個組分的平衡蒸汽壓都比拉

4、烏爾定律所預(yù)計(jì)的高，如右圖所示。 1.00蒸汽壓xA8/1/202221 （1）無恒沸點(diǎn)溶液 如氯仿-苯溶液 pApA理， pBpB理，介于pao、pBo 之間。 正偏差嚴(yán)重時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。0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.08075706560tt / x（y）xy=xy0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.01.00.90.80.70.6050.40.30.20.10 苯-乙醇溶液相圖（正偏差）8/1/202222 負(fù)偏差嚴(yán)重時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。0 0.2 0.4

5、0.6 0.8 1.07065605550tt / x（y）氯仿-丙酮溶液相圖（負(fù)偏差）xy=xy0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.01.00.90.80.70.60.50.40.30.20.10 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。8/1/202223(三)討論若具有恒沸點(diǎn)的溶液中某組分的組成小于該組分在溶液恒沸點(diǎn)的組成時，用一般蒸餾的方法,其濃度最多達(dá)到恒沸物的組成。非理想溶液不一定具有恒沸點(diǎn)，但有恒沸點(diǎn)的一定是偏差大的非理想溶液；具有恒沸點(diǎn)的溶液在總壓發(fā)生改變時，恒沸物的組成也發(fā)生變化。8/1/202224第二節(jié) 蒸餾與精餾原理二、精餾原理

6、一、簡單蒸餾與平衡蒸餾8/1/202225（一）簡單蒸餾（微分蒸餾）y原料液x蒸氣xD1xD2xD3冷凝器特點(diǎn)：間歇、非定態(tài)，R=0一、簡單蒸餾與平衡蒸餾8/1/202226（二）平衡蒸餾特點(diǎn)：可連續(xù)； 定態(tài)； 單級。分離器塔頂產(chǎn)品yAxA加熱器原料液 塔底產(chǎn)品 Q減壓閥8/1/202227二、精餾原理（一）精餾塔內(nèi)氣液兩相的流動、傳熱與傳質(zhì)8/1/202228（一）精餾塔內(nèi)氣液兩相的流動、傳熱與傳質(zhì) 餾出液 塔頂產(chǎn)品 回餾液 全凝器 部分冷凝器 再沸器 加料板 精餾段 提餾段8/1/202229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(jìn)料板：原料液進(jìn)入的那層塔板精餾段：進(jìn)

7、料板以上的塔段提餾段：進(jìn)料板以下（包括進(jìn)料板）的塔段塔頂冷凝器和塔低再沸器8/1/202230yn-1*xn+1*n+1nn-1tn+1tntn-1xn-1yn+1xnyn（二）塔板上氣液兩相的傳質(zhì)與傳熱8/1/202231兩相傳熱 兩相傳質(zhì) 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：離開該塔板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。8/1/202232問題：1.精餾過程的能耗在何處？無液相回流，分離結(jié)果如何？無氣相回流，分離結(jié)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

8、的氣相：氣相回流(上升蒸氣)8/1/202233第三節(jié) 雙組分連續(xù)精餾的計(jì)算與分析一、 全塔物料衡算二、 恒摩爾流量的假定三、 進(jìn)料熱狀態(tài)參數(shù)q四、 操作線方程與q線方程五、 理論板數(shù)的計(jì)算 六、 回流比與進(jìn)料熱狀態(tài)對精餾的影響九、 精餾塔的操作計(jì)算八、 理論板數(shù)的捷算法計(jì)算七、 塔頂回流比的選擇8/1/202234設(shè)計(jì)目標(biāo)：1）根據(jù)分離任務(wù)，確定產(chǎn)品流量D，W；2）選擇操作條件R、進(jìn)料狀態(tài)；3）確定塔板數(shù)及加料位置；4）選擇塔型，確定塔徑，塔內(nèi)結(jié)構(gòu)尺寸， 流體力學(xué)驗(yàn)算；5）冷凝器及再沸器熱負(fù)荷及設(shè)計(jì)計(jì)算。8/1/202235一、 全塔物料衡算單位時間為基準(zhǔn)總物料衡算：F=D+W易揮發(fā)組分物料

9、衡算：FxF=DxD+WxWF、D、W：kmol/sxF、xD、xW：摩爾分?jǐn)?shù)F, xFD, xDW, xW8/1/202236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8/1/202237即：V1=V2=V=常數(shù)， V1=V2=V=常數(shù) 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。8/1/202238即：L1=L2= L=常數(shù) L1=L2= L=常數(shù)但兩段下降的液體摩爾流量不一定相等。式中：L-

10、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(nèi)，每層塔板下降的液體摩爾流量 都相等，提餾段也一樣。8/1/2022392.恒摩爾流假設(shè)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(jì)；塔設(shè)備保溫良好，熱損失可以忽略不計(jì)。8/1/202240三、 進(jìn)料熱狀態(tài)參數(shù)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HH8/1/202241FLVLV冷液進(jìn)料泡點(diǎn)進(jìn)料FLVLVFqF(1-q)FLVLV汽液混合進(jìn)料8/1/202242FLVLV過熱蒸汽進(jìn)料FLVLV飽和蒸汽進(jìn)料8/1/202243（3）氣液混合物進(jìn)料, 0qV

11、, L1, LL+F，VV冷夜進(jìn)料時，進(jìn)料溫度tF低于泡點(diǎn)溫度tb，使提餾段上升蒸氣部分冷凝（冷凝量為V-V)，放出冷凝潛熱，將進(jìn)料加熱到泡點(diǎn)。其熱量恒算式為：r-進(jìn)料在tb時的平均摩爾汽化熱，kJ/(kmol) -溫度（tb+tF)/2時的進(jìn)料液體摩爾熱容， kJ/(kmol)8/1/202245（5）過熱蒸汽進(jìn)料 VV，q0, Ltd,q1(2) 飽和液體 q1(3) 氣液混合 0q1(4) 飽和蒸汽 q0 (5) 過熱蒸汽 q0進(jìn)料狀況q值q線位置V與V8/1/202257 q線對兩操作線的影響對精餾段操作線無影響，對提餾段操作線有影響， q 提餾段操作線斜率推動力 。8/1/20225

12、8【例2】氯仿和四氯化碳的混合液在連續(xù)精餾塔內(nèi)分離，要求餾出液氯仿濃度為0.95(摩爾分率)，流量為50kg/h，塔頂為全凝器，平均相對揮發(fā)度為1.6，回流比為2。求： (1) 由上向下數(shù)第一塊塔板下降的液體組成;(2) 第二塊塔板上升蒸氣組成。(3) 精餾段各板上升蒸氣量及下降的液體量;8/1/202259解：(1) y1 = xD= 0.95(2)8/1/202260（3） V = ( R + 1 ) D = ( 2 + 1 )50 = 150 kg / h L= RD = 2 50 = 100 kg / h【例3】在雙組分連續(xù)精餾塔中精餾段的某一理論板n上，進(jìn)入該板的氣相組成為0.8(摩

13、爾分?jǐn)?shù)，下同)，離開該板的液相組成為0.7，物系相對揮發(fā)度為2.4，氣液比為21，計(jì)算離開該板的氣相組成和進(jìn)入該板的液相組成。8/1/202261nn+1xnxn+1ynyn+1xn-1？8/1/202262【例4】分離乙醇水溶液的精餾塔，進(jìn)料量為100kmol/h，進(jìn)料溫度為60，含乙醇10%(摩爾分率，下同)，回流比為2。要求餾出液中含乙醇87%，且乙醇回收率達(dá)到98%，計(jì)算塔頂、塔底產(chǎn)品量及其釜液組成。精餾段和提餾段上升蒸汽及下降液體量。已知10%乙醇泡點(diǎn)為86。8/1/2022638/1/202264五、 理論塔板數(shù)計(jì)算 （一）理論塔板數(shù)的圖解法計(jì)算xn,yn符合平衡關(guān)系，由2點(diǎn)表示8

14、/1/202265圖解法求理論板數(shù)討論：確定最佳進(jìn)料位置最優(yōu)進(jìn)料位置：塔內(nèi)汽相或液相組成與進(jìn)料組成相等或相近的塔板。 圖解法最優(yōu)進(jìn)料板：跨越兩操作線交點(diǎn)的梯級， NT最少。8/1/202266階梯中水平線的距離代表液相中易揮發(fā)組分的濃度經(jīng)過一次理論板后的變化；豎直線的距離代表氣相中易揮發(fā)組分的濃度經(jīng)過一次理論板后的變化每個階梯代表一塊理論板，階梯在相平衡線上的頂點(diǎn)縱、橫坐標(biāo)值分別為離開該板的氣、液相組成。8/1/202267（二）理論塔板數(shù)的逐板計(jì)算法全凝器泡點(diǎn)回流泡點(diǎn)進(jìn)料間接蒸汽加熱F, xFD, xDW, xWyWm-112nx1x2xnxm-1y2y1ym-1精餾段：y1=xD精餾段塔板

15、數(shù)：n-1n平衡關(guān)系的次數(shù)8/1/202268提餾段：平衡關(guān)系：操作關(guān)系：或提餾段塔板數(shù)：m-1(不含再沸器）8/1/202269平衡關(guān)系：操作關(guān)系：或注意： 塔頂分凝器與冷 凝器，分凝器相 當(dāng)于一塊理論板.精餾段塔板數(shù)： n-1-1D, xD=y0y1y0 x08/1/202270六、回流比與進(jìn)料熱狀態(tài)對精餾過程的影響QFQDQWQcQQvQRQBq一定，RR、V、V、L、L都（一） R、 q和R對冷凝器和蒸餾釜的熱負(fù)荷影響8/1/202271R一定， ，QB一定，若QF（q ）分離任務(wù)一定，熱進(jìn)料，減少塔釜負(fù)荷總輸入熱量一定，塔釜輸入熱量多，有利傳質(zhì)傳熱R一定，D、W、xD、xW一定QD、

16、QW一定R=V/W，L= V+W所以L不變，而 QF，必須增大L，R , QC8/1/202272（一） R、 q和R對理論板數(shù)的影響q一定，RR一定，D、W、xD、xW一定，q的影響8/1/202273D、F、xD、R一定，q推動力 NTq NT是以塔釜負(fù)荷增加為代價8/1/202274R一定，xF、xD、xW一定，q的影響xWyxxDxFDFWq0q=00q1推動力 NTq NT是以塔頂負(fù)荷增加為代價8/1/202275R的影響RNT、操作費(fèi)七、塔頂液相回流比的選擇8/1/202276（一）全回流與最少理論板數(shù) 全回流：塔頂上升蒸氣冷 凝后全部引回塔作為回流。 D=0，W=0，F(xiàn)=0；兩條

17、操作線合二為一，與對角線重合。 N=Nmin 全回流的特點(diǎn)：8/1/202277全回流時Nmin：第1塊8/1/202278第1塊第2塊第2塊第N-1板 第N塊（再沸器） 塔頂全凝器8/1/202279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。8/1/202280注意： Nmin：包括再沸器； 以xF 代替xw，可求得不含進(jìn)料板在內(nèi)的精餾段最小理論塔板數(shù)。 全回流的意義:開工、實(shí)驗(yàn)研究、設(shè)備異?；蛘{(diào)試時， 便于控制。8/1/202281（二）最小回流比Rmin8/1/202282最小回流比：對于某一物系，在一定的分離任務(wù)下，所需理論板為無窮多時所對應(yīng)的回流比。恒濃

18、區(qū)（夾緊點(diǎn)或夾點(diǎn)） 夾點(diǎn)：操作線與平衡線的交點(diǎn)或切點(diǎn)稱為夾點(diǎn)。在p點(diǎn)（兩操作線的交點(diǎn)落在平衡線上的點(diǎn)）前后各板氣液兩相組成基本沒有變化 ，即無增濃作用。所以此區(qū)稱作恒濃區(qū)，p點(diǎn)叫夾緊點(diǎn)。8/1/202283 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(jì)算phDFFxpyp8/1/202284gg8/1/202285（三）適宜回流比R 對操作費(fèi)用的影響：R 對設(shè)備費(fèi)用的影響：8/1/202286八、理論板的簡捷計(jì)算法R 、NT 、Rmin 、Nmin關(guān)系關(guān)聯(lián)圖：吉利蘭圖。R為操作回流比， Rmin為最小回流比， NT為操作回流比時的理論塔板數(shù)（包括蒸餾釜）， Nmin為最小回流比時的

19、理論塔板數(shù)（包括蒸餾釜）。 8/1/202287左端：右端：最小回流全回流 適用條件：多組分，多種進(jìn)料狀態(tài)，：1.264.05 N： 2.443.1 特點(diǎn)：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。8/1/202288 NT的計(jì)算步驟：（1）由物系性質(zhì)及分離程度定Rmin 、R；（2）計(jì)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8/1/202289【例6-9】用一連續(xù)精餾塔分離苯和甲苯混合物，原料液中苯為0.44，餾出液中苯為0.957，釜液中苯為0.0235，進(jìn)料為飽和液體 ，回流比為最小回流比的2倍），相對

20、揮發(fā)度為2.5，求 列平衡方程和進(jìn)料線方程 最小回流比 列操作線方程平衡線方程式： y = x /1+( -1 ) x 進(jìn)料線方程： y = qx/ ( q-1) -xF /( q-1)飽和液體進(jìn)料，q= 1，q線方程為x = xF ,與x軸垂直。8/1/202290最小回流比:Rmin /(Rmin+1) = (xD -yq) / (xD-xq)，進(jìn)料線與平衡線交點(diǎn)坐標(biāo)Xq=XF=0.44, 代入平衡線方程求得yq = 0.66, XD=0.957, 所以解得：Rmin= 1.35R=2Rmin=2.7, 精餾段操作線方程：yn+1 = 0.73xn0.26將XF=0.44, 代入精餾段操作

21、線方程求得yF+1=0.5812根據(jù)點(diǎn)（XF,y)、(xw,xw)可得提餾段操作線方程： 化簡得： ym+1 =1.339xm0.0088/1/202291九、精餾塔的操作計(jì)算（試差法）先設(shè)xw物料衡算求xD（y1)（接近xw為止）十、直接蒸氣加熱及兩股進(jìn)料的精餾塔（一）直接蒸汽加熱的精餾塔8/1/202292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(diǎn)：FxFWD8/1/202293NT的計(jì)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Lxn=Vyn+1+bxbF, xFD, xDb, xbSV,yn+1L, xn+1n b上式中S

22、為加熱蒸汽流量，kmol/h8/1/202294過點(diǎn)（xb，0）斜率：b/SS=Vb=LxDxbxF 理論板數(shù)的求取依據(jù)恒摩爾流假設(shè)，有則8/1/202295（二）兩股進(jìn)料的精餾塔P77F2, xF2D, xDW, xWF1, xF1V, yn+1L, xn+1s段：段：8/1/202296DxF2xF1xDxw357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： 100全回流8/1/2022118四、塔高的確定 五、塔徑的計(jì)算u氣相的空塔氣速，m/s.8/1/2022119C氣相負(fù)荷因子液體表面張力，dyne/cm (同mN/m)2020dyne/cmC 2.02020C

23、C =ss下的氣相負(fù)荷因子8/1/2022120泡 罩泡罩塔板（一）泡罩塔六、板式塔類型8/1/2022121V- 浮閥V- 浮閥塔板（二）浮閥塔8/1/2022122篩 板導(dǎo)向篩板（三）篩板塔8/1/2022123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8/1/20221242） ADV浮閥塔板ADV高性能浮閥塔板技術(shù)是在F1浮閥塔板的基礎(chǔ)上,對浮閥及塔板結(jié)構(gòu)進(jìn)行了多方面的創(chuàng)新和優(yōu)化。幾年來在300多個大型工業(yè)塔上的應(yīng)用情況表明,與F1塔板相比,ADV塔板技術(shù)可使生產(chǎn)能力提高30-50,分離效率提高10-20,操作彈性增大40以上,壓降約低10。 8/1/2022125ADV塔盤的鼓泡狀態(tài)8/1/20221268/1/20221278/1/