化工原理蒸餾

第六章蒸餾蒸餾定義:蒸餾分類:易揮發(fā)組分難揮發(fā)組分有回流蒸儲(chǔ)（精儲(chǔ)）無回流蒸儲(chǔ)：簡(jiǎn)單蒸播（間歇操作）平衡蒸微（連續(xù)操作）特殊蒸儲(chǔ)：萃取蒸儲(chǔ)、恒沸蒸儲(chǔ)按操作壓力可分為加壓、常壓和減壓蒸儲(chǔ)兩組分精微和多組分精微第一節(jié)雙組分溶液的氣液相平衡一、溶液的蒸汽壓與拉烏爾定律純組分的蒸汽壓與溫度的關(guān)系：拉烏爾定律：在一定溫度下，理想溶液上方氣相中任意組分的分壓等于純組分在該溫度下的飽和蒸氣壓與它在溶液中的摩爾分?jǐn)?shù)的乘積。PA=PA0XA（6-2）p=p0X =P0（1 一BBB BXA） （6-3）式中PA、PB——溶液上方A,B組分的平衡分壓，Pa；P0——在溶液溫度下純組成的飽和蒸汽壓，隨溫度而變，其值可用安托尼（Antoine）公式計(jì)算或由相關(guān)手冊(cè)查得，Pa；Xa、Xb——溶液中A,B組分的摩爾分?jǐn)?shù)。二、理想溶液氣液平衡（一）t-y-x圖.沸點(diǎn)一組成圖（t—x—y圖）（1）結(jié)構(gòu)以常壓下苯-甲苯混合液t—x—y圖為例，縱坐標(biāo)為溫度t,橫坐標(biāo)為液相組成xa和汽相組成y（x,丫均指易揮發(fā)組分的摩爾分?jǐn)?shù)）。下曲線表示平衡時(shí)液相組成與溫度的關(guān)系，稱為液相線，上曲線表示平衡時(shí)汽相組成與溫度的關(guān)系,稱為汽相線。兩條曲線將整個(gè)t—x—y圖分成三個(gè)區(qū)域，液相線以下稱為液相區(qū)。汽相線以上代表過熱蒸汽區(qū)。被兩曲線包圍的部分為汽液共存區(qū)。t—x—y圖數(shù)據(jù)通常由實(shí)驗(yàn)測(cè)得。對(duì)于理想溶液，可用露點(diǎn)、泡點(diǎn)方程計(jì)算。（2）應(yīng)用在恒定總壓下，組成為x,溫度為t1（圖中的點(diǎn)A）的混合液升溫至tj點(diǎn)J）時(shí)，溶液開始沸騰，產(chǎn)生第一個(gè)汽泡，相應(yīng)的溫度t2稱為泡點(diǎn)，產(chǎn)生的第一個(gè)氣泡組成為工（點(diǎn)C）。同樣，組成為y、溫度為1（點(diǎn)B）的過熱蒸汽冷卻至溫度、（點(diǎn)H）時(shí)，混合氣體開始冷凝產(chǎn)生第一滴液滴，相應(yīng)的溫度三稱為露點(diǎn)，凝結(jié)出第一個(gè)液滴的組成為x1（點(diǎn)Q）0F、E兩點(diǎn)為純苯和純甲苯的沸點(diǎn)。圖苯一甲苯物系的t—x—y圖苯一甲苯物系的t—x—y圖圖苯一甲苯物系的y-x圖應(yīng)用t—x—y圖，可以求取任一沸點(diǎn)的氣液相平衡組成。當(dāng)某混合物系的總組成與溫度位于點(diǎn)K時(shí)，則此物系被分成互成平衡的汽液兩相，其液相和汽相組成分別用L、G兩點(diǎn)表示。兩相的量由杠桿規(guī)則確定。操作中，根據(jù)塔頂、塔底溫度，確定產(chǎn)品的組成，判定是否合乎質(zhì)量要求；反之，則可以根據(jù)塔頂、塔底產(chǎn)品的組成，判定溫度是否合適。.氣液相平衡圖y-x圖表示在恒定的外壓下，蒸氣組成y和與之相平衡的液相組成x之間的關(guān)系。如圖所示，常壓下苯一甲苯混合物系的y-x圖，它表示不同溫度下互成平衡的汽液兩相組成y與x的關(guān)系。圖中任意點(diǎn)d表示組成為x1的液相與組成為y1的氣相互相平衡。圖中對(duì)角線y=x,為輔助線。兩相達(dá)到平衡時(shí)，氣相中易揮發(fā)組分的濃度大于液相中易揮發(fā)組分的濃度，即y>x,故平衡線位于對(duì)角線的上方。平衡線離對(duì)角線越遠(yuǎn)，說明互成平衡的氣液兩相濃度差別越大，溶液就越容易分離。y-x圖可由t-x-y圖的數(shù)據(jù)作出。常見兩組分物系常壓下的平衡數(shù)據(jù)，可從書后附錄或化工手冊(cè)中查得。（二）理想溶液的t-y-x關(guān)系式.溫度（泡點(diǎn)）-液相組成關(guān)系式對(duì)于雙組分物系，溶液沸騰的條件是各組分的蒸汽壓之和等于外壓，即P=PA+pB=pAoxA+pBoxB=pAoxA+pBo（1-xA）則x二P- （6-8）Ap0—p0AB式（6-8）表示氣液平衡時(shí)，液相組成與溫度之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，稱為泡點(diǎn)方程。.恒壓下t-y-x關(guān)系式由于理想氣體服從道爾頓分壓定律，則A在氣相中的分壓為pA=pAoxA=PyA則y=Pax="P-P： （6-9）APAPp0—p0AB3.溫度（露點(diǎn)）-氣相組成關(guān)系式y(tǒng)="X"P-P：（6-10）APAPp0—p0AB式（6-10）表示氣液平衡時(shí)，汽相組成與溫度之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，稱為露點(diǎn)方程。精餾過程系恒壓操作，由泡點(diǎn)方程和露點(diǎn)方程可以看出，在壓力一定時(shí)，雙組分平衡物系中必然存在著汽相（或液相）組成與溫度之間的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，汽、液相組成之間的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系。例如，指定了溫度，則兩相平衡共存時(shí)的氣、液相組成必隨之確定而不能任意變動(dòng)。精餾塔內(nèi)自下而上溫度不斷降低，所以每一塊塔板上氣液兩相組成均不相同。（三）相對(duì)揮發(fā)度與理想溶液的y-x關(guān)系式.揮發(fā)度揮發(fā)度是組分揮發(fā)性大小的標(biāo)志。通常純組分的揮發(fā)度是指液體在一定溫度下的飽和蒸汽壓，而溶液中各組分的揮發(fā)度vi可用它在蒸汽中的分壓和與之平衡的液相中的摩爾分?jǐn)?shù)來表示。.相對(duì)揮發(fā)度溶液中兩組分的揮發(fā)度之比稱為相對(duì)揮發(fā)度，用a表示。例如，aab表示溶液中組分A對(duì)組分B的相對(duì)揮發(fā)度，根據(jù)定義a二二PaLXa二—二小ABvp/x pxyx對(duì)于二元體系，令A(yù)為易揮發(fā)組分，B為難揮發(fā)組分，則xB=1—xA,yB=1—yA略去下標(biāo)A、B,則axy—1+（a—1）x上式稱為相平衡方程，在精餾計(jì)算中用來表示氣液相平衡關(guān)系更為簡(jiǎn)便。當(dāng)a=1時(shí)，y=X,氣液相組成相同，二元體系不能用普通精餾法分離；當(dāng)a>1時(shí)，y>x,且a越大，y比x大得越多，互成平衡的氣液兩相濃度差別越大，組分A和B越易分離。因此由a值的大小可以判斷溶液是否能用普通精餾方法分離及分離的難易程度。對(duì)于理想溶液，則p0a=p0B上式說明理想溶液的相對(duì)揮發(fā)度等于同溫度下純組分A和純組分B的飽和蒸氣壓之比。Pa。、Pb0隨溫度而變化，但P”Pb。隨溫度變化不大，故一般可將a視為常數(shù),計(jì)算時(shí)可取其平均值。三、非理想溶液氣液相平衡（一）對(duì)拉烏爾定律有正偏差的溶液.無恒沸點(diǎn)的溶液.有最低恒沸點(diǎn)的溶液（二）對(duì)拉烏爾定律有負(fù)偏差的溶液.無恒沸點(diǎn)的溶液.有最高恒沸點(diǎn)的溶液第二節(jié)蒸僧與精僧原理第三節(jié)精儲(chǔ)流程一、簡(jiǎn)單蒸饋與平衡蒸饋對(duì)于組分揮發(fā)度相差較大、分離要求不高的場(chǎng)合（如原料液的組分或多組分的初步分離），可采用平衡蒸餾和簡(jiǎn)單蒸餾。（一）簡(jiǎn)單蒸餾簡(jiǎn)單蒸餾又稱微分蒸餾，原料液分批加到蒸餾釜中，通過間接加熱使之部分汽化，產(chǎn)生的蒸汽隨即進(jìn)入冷凝器中冷凝，冷凝液作為餾出液產(chǎn)品排入接收器中，其

圖簡(jiǎn)單蒸餾裝置中輕組分相對(duì)富集。隨著蒸餾過程的進(jìn)行，釜液中易揮發(fā)組分的含量不斷降低，餾出液組成也隨之下降，通常餾出液按組成分段收集。當(dāng)釜液組成降低至某規(guī)定值后,即停止蒸餾操作，而釜?dú)堃阂淮闻欧?。圖簡(jiǎn)單蒸餾裝置圖簡(jiǎn)單蒸餾原理1-加熱器；2-節(jié)流閥；3-分離器簡(jiǎn)單蒸餾過程的任何瞬間，氣相與釜中液體處于相平衡狀態(tài)。組成為'的混合液在蒸餾釜中被加熱至泡點(diǎn)溫度1而汽化,與之相平衡的蒸汽組成為八，且《〉、,將蒸汽全部冷凝，即得到易揮發(fā)組分含量高于原始溶液的餾出液。隨著過程的進(jìn)行,蒸汽不斷的引出，釜中料液的易揮發(fā)組分含量不斷減少，相應(yīng)產(chǎn)生的蒸汽組成也隨之降低，而釜內(nèi)溶液的泡點(diǎn)則逐漸升高。即xfi>xf2>xf3>…，與此相對(duì)應(yīng)，yFi>yF2>yF3>…,而tFi<tF2<tF3<??，如圖所示。（二）平衡蒸餾平衡蒸餾又稱閃蒸，是一種連續(xù)、穩(wěn)態(tài)的單級(jí)蒸餾操作。平衡蒸餾的裝置如圖所示。被分離的混合液先經(jīng)加熱器升溫，使之溫度高于分離器壓力下料液的泡點(diǎn)，然后通過節(jié)流閥降低壓力至規(guī)定值，由于壓力的突然降低，過熱液體發(fā)生自蒸發(fā)，在分離器中部分汽化，平衡的汽液兩相及時(shí)被分離。其中氣相為頂部產(chǎn)物，輕組分含量較多，液相為底部產(chǎn)物，其中重組分得到了增濃。通常分離器又稱閃蒸塔（罐）。圖平衡烝餾 圖平衡烝餾原理1-蒸餾釜；2-冷凝器；3-接收器在平衡蒸餾過程中，閃蒸器內(nèi)壓強(qiáng)及溫度均保持恒定，蒸汽與液相處于平衡，即在閃蒸器內(nèi)通過一次部分汽化使混合液得到一定程度的分離。圖中將閃蒸過程表示在t-x-y圖中，原料液組成為勺，經(jīng)一次部分汽化，得到相互平衡的汽相組成與和液相組成xw，并且xw<XF<yD，將汽相組成為"蒸汽全部冷凝下來，即得到易揮發(fā)組分含量較高的頂部產(chǎn)品，而塔底排出液中易揮發(fā)組分較低。從以上的討論可以看出，無論是簡(jiǎn)單蒸餾還是平衡蒸餾，只能達(dá)到有限程度的提濃而不可能滿足高純度的分離要求。二、精儲(chǔ)原理精餾過程可連續(xù)操作，也可間歇操作。精餾裝置系統(tǒng)一般都應(yīng)由精餾塔、塔頂冷凝器、塔底再沸器等相關(guān)設(shè)備組成，有時(shí)還要配原料預(yù)熱器、產(chǎn)品冷卻器、回流用泵等輔助設(shè)備。（一）精餾塔內(nèi)氣液兩相的流動(dòng)、傳熱與傳質(zhì)原料液預(yù)熱至指定的溫度后從塔的中段適當(dāng)位置加入精餾塔，與塔上部下降的液體匯合，然后逐板下流，最后流入塔底，部分液體作為塔底產(chǎn)品，其主要成分為難揮發(fā)組分，另一部分液體在再沸器中被加熱，產(chǎn)生蒸氣，蒸氣逐板上升，最后進(jìn)入塔頂冷凝器中，經(jīng)冷凝器冷凝為液體，進(jìn)入回流罐，一部分液體作為塔頂產(chǎn)品，其主要成分為易揮發(fā)組分，另一部分回流作為塔中的下降液體。通常，將原料加入的那層塔板稱為加料板。加料板以上部分，起精制原料中易揮發(fā)組分的作用，稱為精餾段，塔頂產(chǎn)品稱為餾出液。加料板以下部分（含加料板）,

起提濃原料中難揮發(fā)組分的作用，稱為提餾段，從塔釜排出的液體稱為塔底產(chǎn)品或釜?dú)堃?。（二）塔板上氣液兩相的傳質(zhì)與傳熱（三）回流的作用為實(shí)現(xiàn)分離操作，除了需要有足夠?qū)訑?shù)塔板的精餾塔之外，還必須從塔底引入上升蒸汽流（氣相回流）和從塔頂引入下降的液流（液相回流），以建立氣液兩相體系。塔底上升蒸汽和塔頂液相回流是保證精餾操作過程連續(xù)穩(wěn)定進(jìn)行的必要條件。第三節(jié)雙組分連續(xù)精儲(chǔ)的計(jì)算與分析一、全塔物料衡算圖3-12全塔物料衡算圖3-12全塔物料衡算對(duì)穩(wěn)定連續(xù)操作的精餾塔作全塔物料衡算，如圖所示，并以單位時(shí)間為基準(zhǔn)?？偽锪虾馑悖?F=D+W （6-16）易揮發(fā)組分衡算： FxF=DxD+WxW（6-17）式中F、D、W——分別為原料、塔頂產(chǎn)品和塔底產(chǎn)品的摩爾流量，Kmol/h；xF、xD、xW——分別為原料、塔頂產(chǎn)品和塔底產(chǎn)品中易揮發(fā)組分的摩爾分?jǐn)?shù)。式（6-16）、（6-17）稱為全塔物料衡算式，應(yīng)用此公式計(jì)算時(shí)也可采用質(zhì)量流量，相應(yīng)地使用質(zhì)量分?jǐn)?shù)。聯(lián)立式（6-16）和（6-17）可以求出餾出液的采出率D/F(6-19)塔頂易揮發(fā)組分的回收率nA為丑=D'd*100% (6-20)AFxF通常原料液的流量與組成是給定的，在規(guī)定分離要求時(shí)，應(yīng)滿足全塔物料衡算的約束條件，即DxDWFxF或D/FWxF/XD。二、恒摩爾流假定(1)恒摩爾汽流精餾操作時(shí)，在精餾塔的精餾段內(nèi)，每層板的上升蒸汽摩爾流量都是相等的，在提餾段內(nèi)也是如此：精餾段V/V/Vj-yV二常數(shù)提餾段V'=V'=V,=…=V'=常數(shù)1 2 3但兩段的上升蒸汽摩爾流量卻不一定相等。(2)恒摩爾液流精餾操作時(shí)，在塔的精餾段內(nèi)，每層板下降的液體摩爾流量都是相等，在提餾段內(nèi)也是如此：精餾段\"二??=1二常數(shù)提餾段L'=L'=L,=…=L'=常數(shù)1 2 3但兩段的下降液體摩爾流量不一定相等。恒摩爾流假定成立的條件若在精餾塔塔板上氣、液兩相接觸時(shí)有nkmol的蒸汽冷凝，相應(yīng)就有nkmol的液體汽化，這樣恒摩爾流的假定才能成立。為此，必須滿足的條件是：①各組分的摩爾汽化潛熱相等;②氣液接觸時(shí)因溫度不同而交換的顯熱可以忽略;③塔設(shè)備保溫良好，熱損失可也忽略。三、進(jìn)料熱狀態(tài)參數(shù)q.加入精餾塔中的原料可能有以下五種熱狀態(tài)：(1)冷液體進(jìn)料t>t泡。(2)飽和液體進(jìn)料t=t泡(3)氣液混合物進(jìn)料t泡VtVt露(4)飽和蒸汽進(jìn)料t=t露(5)過熱蒸汽進(jìn)料t>t露.進(jìn)料熱狀況對(duì)進(jìn)料板物流的影響精餾塔內(nèi)，由于原料的熱狀態(tài)不同，從而使精餾段和提餾段的液體流量L與L'間的關(guān)系以及上升蒸汽量V與V'均發(fā)生變化。進(jìn)料熱狀況對(duì)兩段汽液流量變化的影響如圖所示。圖進(jìn)料熱狀況對(duì)進(jìn)料板上、下各流股的影響(a)冷液進(jìn)料；(b)飽和液體進(jìn)料；(c)汽液混合物進(jìn)料；(d)飽和蒸汽進(jìn)料；(e)過熱蒸汽進(jìn)料.進(jìn)料熱狀態(tài)參數(shù)q對(duì)加料板進(jìn)行物料衡算及熱量衡算可得I-IF_L'-LI：i] ￥~式中L——原料液焓，J/kmol；Iv、1V——加料板上、下的飽和蒸汽焓，kJ/kmol；Il、Il'——加料板上、下的飽和液體焓，kJ/Kmolo令(3-19)_I-1_1Kmol進(jìn)料變?yōu)轱柡驼羝璧臒崃?/p>

q~~t^TF 原料的千摩爾汽化潛熱(3-19)q稱為進(jìn)料熱狀況參數(shù)。q值的意義為：每進(jìn)料1kmol/h時(shí)，提餾段中的液體流量較精餾段中增大的kmol/h值。對(duì)于泡點(diǎn)、露點(diǎn)、混合進(jìn)料，q值相當(dāng)于進(jìn)料中飽和液相所占的分率。不同進(jìn)料時(shí)的q值可由式(3-19)計(jì)算，其q值范圍如下：TOC\o"1-5"\h\z(1)冷液 q > 1(2)飽和液體 q = 1(3)汽液混合物0VqV1(4)飽和汽體 q = 0(5)過熱汽體 q V 0由式(3-18)可知L=L+qF (3-20)由加料板物料衡算及式(3-20)可得V=V'+(1-q)F (3-21)則提餾段操作線方程可變?yōu)長(zhǎng)+qF W(3-22)y'= x' x(3-22)L+qF-W L+qF-Ww四、操作線方程與q線方程精餾塔內(nèi)任意板下降液相組成\及由其下一層板上升的蒸汽組成丫田之間關(guān)系

稱為操作關(guān)系。描述精餾塔內(nèi)操作關(guān)系的方程稱為操作線方程。由于精餾過程既涉及傳熱又涉及傳質(zhì)，影響因素很多，為了簡(jiǎn)化精餾過程，得到操作關(guān)系，進(jìn)行恒摩爾假定。（一）精餾段操作線方程對(duì)圖6-13中虛線范圍（包括精餾段的第n十1層板以上塔段及冷凝器）作物料衡算，以單位時(shí)間為基準(zhǔn)，即總物料衡算： V=L+D （6-30）易揮發(fā)組分衡算： Vyn+1=Lxn+DxD （6-31）式中 V——精餾段上升蒸汽的摩爾流量，kmol/h；L——精餾段下降液體的摩爾流量，kmol/h；yn+1——精餾段第n十1層板上升蒸汽中易揮發(fā)組分的摩爾分?jǐn)?shù)；xn——精餾段第n層板下降液體中易揮發(fā)組分的摩爾分?jǐn)?shù)。整理：y=———x+———x （6-32）n+1L+DnL+DD令回流比R=L/D并代入上式，得精餾段操作線方程(6-35)Rxy= x+—d—(6-35)n+1 R+1nR+1圖3-13精餾段操作線方程推導(dǎo)圖圖3-13精餾段操作線方程推導(dǎo)圖6-14精餾塔的操作線圖3-15提餾段操作線方程推導(dǎo)精餾段操作線方程反映了一定操作條件下精餾段內(nèi)的操作關(guān)系，即精餾段內(nèi)自任意第n層板下降的液相組成勺與其相鄰的下一層板（第n+1層板）上升汽相組成yn+1之間的關(guān)系。在穩(wěn)定操作條件下,精餾段操作線方程為一直線。斜率為上，截距為％。由式（6-35）可知，當(dāng)圖3-15提餾段操作線方程推導(dǎo)R+1 R+1 n=xd時(shí)，丫卅=*口即該點(diǎn)位于y—x圖的對(duì)角線上，如圖6-14中的點(diǎn)a；又當(dāng)x0=0時(shí)，yn+i=?，即該點(diǎn)位于y軸上，如圖中點(diǎn)b,則直線ab即為精餾段操作線。n+1r+1（二）提儲(chǔ)段操作線按圖6-15虛線范圍（包括提餾段第m層板以下塔板及再沸器）作物料衡算，以單位時(shí)間為基準(zhǔn)，即總物料衡算： L‘=V,+W （6-37）易揮發(fā)組分衡算： L'x'm=V'y'm+1+Wxw （6-38）TOC\o"1-5"\h\z則提餾段操作線方程為 m 亞L' W(6-39)y'= x' x(6-39)m+1 L'-WmL'-WW式中L,——提餾段下降液體的摩爾流量， kmol/h；V）——提餾段上升蒸汽的摩爾流量，kmol/h；x,m——提餾段第m層板下降液相中易揮發(fā)組分的摩爾分?jǐn)?shù)；y,m+1——提餾段第m+1層板上升蒸汽中易揮發(fā)組分的摩爾分?jǐn)?shù)。提餾段操作線方程反映了一定操作條件下，提餾段內(nèi)的操作關(guān)系。在穩(wěn)定操作條件下，提餾段操作線方程為一直線。斜率為工，截距為-WX0L'-W L'-WW3.兩操作線的交點(diǎn)坐標(biāo)與q線方程xx--F-q-1進(jìn)料狀態(tài)對(duì)q線及操作線的影響進(jìn)料熱狀況不同，q線位置不同，提餾段操作線的位置也相應(yīng)變化，從而影響精餾塔得設(shè)計(jì)及操作。根據(jù)不同的q值，將五種不同進(jìn)料熱狀況下的q線斜率值及其方位標(biāo)繪在圖3-18中。圖3-17q線與操作線 圖3-18進(jìn)料熱狀況對(duì)操作線的影響五、理論板數(shù)計(jì)算理論塔板數(shù)的計(jì)算，需要借助氣液相平衡關(guān)系和塔內(nèi)氣液兩相的操作關(guān)系。精餾塔理論塔板數(shù)的計(jì)算，常用的方法有逐板計(jì)算法、圖解法及簡(jiǎn)捷法。(一)理論板數(shù)的圖解計(jì)算法圖解法求取理論塔板數(shù)的基本原理與逐板計(jì)算法相同，只不過用簡(jiǎn)便的圖解來代替繁雜的計(jì)算而已。圖解的步驟如下，參見圖。對(duì)于連續(xù)精餾塔，塔頂采用全凝器，泡點(diǎn)回流，塔釜采用間接蒸汽加熱。(1)作x—y圖，繪制精、提餾段操作線。(2)由于塔頂采用全凝器，則工二方。自對(duì)角線上的a點(diǎn)開始，在精餾段操作線與平衡線之間畫水平線及垂直線組成的階梯，即從a點(diǎn)作水平線與平衡線交于點(diǎn)1,該點(diǎn)即代表離開第一層理論板的汽液相平衡組成(x1,y1),故由點(diǎn)1可確定x1,此過程相當(dāng)于使用一次相平衡方程。由點(diǎn)1作垂線與精餾段操作線的交點(diǎn)1,可確定y2,此過程相當(dāng)于使用一次精餾段操作線方程。再由點(diǎn)1,作水平線與平衡線交于點(diǎn)

2,由此點(diǎn)定出x『如此重復(fù)在平衡線與精餾段操作線之間繪階梯。當(dāng)階梯跨越兩操作線交點(diǎn)d點(diǎn)時(shí)，則乂戶》則改在提餾段操作線與平衡線之間畫階梯，直至階梯的垂線跨過點(diǎn)c（x『x）為止，此時(shí)，XNW\。（3）每個(gè)階梯代表一塊理論板?？邕^點(diǎn)d的階梯為進(jìn)料板，第n塊板即為加料板，精餾段NT=n—1（塊）；再沸器相當(dāng)于一塊理論板，故總理論板層數(shù)為Nt=N-1（塊）。（4）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，階梯中垂直線的距離代表氣相中易揮發(fā)組分的濃度經(jīng)過一次理論板的變化，因此階梯的跨度也就代表了理論板的分離程度。階梯跨度不同，說明理論板分離能力不同。（5）最優(yōu)進(jìn)料位置的確定。最優(yōu)的進(jìn)料位置一般應(yīng)在塔內(nèi)液相或汽相組成與進(jìn)料組成相近或相同的塔板上。當(dāng)采用圖解法計(jì)算理論板層數(shù)時(shí)，適宜的進(jìn)料位置應(yīng)圖圖解法求取理論塔板數(shù)為跨越兩操作線交點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的階梯。對(duì)于一定的分離任務(wù)，如此作圖所需理論板數(shù)為最少，跨過兩操作線交點(diǎn)后繼續(xù)在精餾段操作線與平衡線之間作階梯，或沒有跨過交點(diǎn)過早更換操作線,都會(huì)使所需理論板層數(shù)增加。圖圖解法求取理論塔板數(shù)對(duì)于已有的精餾裝置，在適宜進(jìn)料位置進(jìn)料，可獲得最佳分離效果。在實(shí)際操作中，如果進(jìn)料位置不當(dāng)，將會(huì)使餾出液和釜?dú)堃翰荒芡瑫r(shí)達(dá)到預(yù)期的組成。進(jìn)料位置過高，使餾出液的組成偏低（難揮發(fā)組分含量偏高）；反之，進(jìn)料位置偏低，使釜?dú)堃褐幸讚]發(fā)組分含量增高，從而降低餾出液中易揮發(fā)組分的收率。圖解法簡(jiǎn)單直觀，但計(jì)算精確度較差，尤其是對(duì)相對(duì)揮發(fā)度較小而所需理論塔板數(shù)較多的場(chǎng)合更是如此。（二）理論板數(shù)的逐板計(jì)算法在已知原料液組成、進(jìn)料熱狀態(tài)、操作回流比及分離要求，利用相平衡方程和操作線方程求得。對(duì)于理論塔板，離開塔板的氣液相組成滿足相平衡方程；而相鄰兩塊塔板間相遇的氣液相組成之間屬操作關(guān)系，滿足操作線方程。這樣，交替地使用相平衡方程和操作線方程逐板可以計(jì)算每一塊塔板上的氣、液相組成，所用相平衡方程的次數(shù)就是理論塔板數(shù)。逐板計(jì)算法較為繁瑣，但計(jì)算結(jié)果比較精確，適用于計(jì)算機(jī)編程計(jì)算。（三）圖解法與逐板法的比較六、回流比與進(jìn)料熱狀態(tài)對(duì)精餾過程的影響（一）R、q及R、對(duì)冷凝器及蒸儲(chǔ)釜的熱負(fù)荷影響（二）R、q及R、對(duì)理論板數(shù)的影響（1）q值一定，R對(duì)理論板數(shù)的影響（2）R一定時(shí)，q值對(duì)理論板數(shù)的影響（3）R、一定時(shí)，q值對(duì)理論板數(shù)的影響七、塔頂液相回流比的選擇（一）全回流與最少理論板數(shù)全回流與最少理論塔板數(shù)塔頂上升蒸氣經(jīng)冷凝后全部流回塔內(nèi)，這種回流方式稱為全回流。.全回流特點(diǎn)全回流時(shí)回流比RT8,塔頂產(chǎn)品量D為零，通常進(jìn)料量F及塔釜產(chǎn)品量W均為零，既不向塔內(nèi)進(jìn)料，也不從塔內(nèi)取出產(chǎn)品。此時(shí)生產(chǎn)能力為零。.全回流時(shí)操作線方程全回流時(shí)全塔無精、提餾段之分，操作線方程y=x，操作線與對(duì)角線重合。.最少理論塔板數(shù)操作線離平衡線的距離最遠(yuǎn)，完成一定的分離任務(wù)所需的理論塔板數(shù)最少，稱為最少理論板數(shù)，記作N，如圖所示。minOq H 和圖全回流時(shí)的最少理論板數(shù)在精餾開車、調(diào)試、操作過程異?；?qū)嶒?yàn)研究中多采用全回流操作。最少理論板層數(shù)Nmin可利用芬斯克方程計(jì)算，對(duì)于雙組分溶液lg[(x^~)(1')]N=—1^—xw—-1 (6-50)min lgam式中am——全塔平均相對(duì)揮發(fā)度，一般可取塔頂、塔底的幾何平均值。(二)最小回流比精餾過程中，當(dāng)回流比逐漸減小時(shí)，精餾段操作線的斜率減小、截距增大，精、提餾段操作線皆向相平衡線靠近，操作線與相平衡線之間的距離減小，氣液兩相間的傳質(zhì)推動(dòng)力減小，達(dá)到一定分離要求所需的理論塔板數(shù)增多。當(dāng)回流比減小至兩操作線的交點(diǎn)落在相平衡線上時(shí)，交點(diǎn)處的氣液兩相已達(dá)平衡，傳質(zhì)推動(dòng)力為零，圖解時(shí)無論繪多少階梯都不能跨過點(diǎn)d,則達(dá)到一定分離要求所需的理論塔板數(shù)為無窮多，此時(shí)的回流比稱為最小回流比，記作Rmin,如圖3-24所示。

圖3-24圖3-24最小回流比的確定在最小回流比下，兩操作線與平衡線的交點(diǎn)稱為夾緊點(diǎn)，其附近（通常在加料板附近）各板之間氣、液相組成基本上沒有變化，即無增濃作用，稱為恒濃區(qū)。最小回流比Rmin的值對(duì)于一定的原料液與規(guī)定的分離程度（xd、xj有關(guān)，同時(shí)還和物系的相平衡性質(zhì)有關(guān)。最小回流比可用圖解法或解析法求得，對(duì)于正常的相平衡關(guān)系，精餾段操作線斜率為R _ah_y1y〃 y〃R+1dhx-xx-x整理得R="y （3-29）miny—x式中xq、yq——相平衡線與進(jìn)料線交點(diǎn)坐標(biāo)（互為平衡關(guān)系）。對(duì)于不正常的相平衡關(guān)系，R的求法可查閱相關(guān)資料。min（三）適宜回流比圖3-25適宜回流比的確定圖3-25適宜回流比的確定如圖3-25所示，對(duì)于一定的料液和分離要求，當(dāng)回流比增大時(shí)，精餾操作線向?qū)蔷€靠近，相平衡線與操作線之間的距離增大，每一塊塔板的分離程度增大，所需塔板數(shù)減少，設(shè)備費(fèi)減少；當(dāng)回流比增大至某一值時(shí)，由于塔徑增大，再沸器和冷凝器的傳熱面積也要增加，設(shè)備費(fèi)又上升。在加料量及產(chǎn)量一定時(shí)，回流比增大,塔內(nèi)氣、液相量增加，則操作費(fèi)用提高?？傎M(fèi)用為設(shè)備費(fèi)及操作費(fèi)之和，總費(fèi)用中的最低值所對(duì)應(yīng)的回流比為適宜回流比，即實(shí)際生產(chǎn)中的操作回流比。通常情況下，適宜回流比為最小回流比的?倍，即R=(?2)Rmin (3-30)實(shí)際生產(chǎn)中操作回流比應(yīng)視具體情況選擇。對(duì)于難分離體系，相對(duì)揮發(fā)度接近1,此時(shí)應(yīng)采用較大的回流比，以降低塔高并保證產(chǎn)品的純度；對(duì)于易分離體系，相對(duì)揮發(fā)度較大，可采用較小的回流比，以減少加熱蒸氣消耗量，降低操作費(fèi)用。八、理論板數(shù)的簡(jiǎn)捷計(jì)算法簡(jiǎn)捷法求理論板層數(shù)的步驟是，先按設(shè)計(jì)條件求出最小回流比R及最少理論板min層數(shù)Nmin，選擇操作回流比R,然后利用吉利蘭圖計(jì)算全塔理論板層數(shù)N。用精餾段的最少理論板層數(shù)Nmini代替全塔的Nmin，可確定適宜的加料板位置。吉利蘭圖簡(jiǎn)捷法計(jì)算理論板數(shù)的誤差較大，不適用于全塔內(nèi)相對(duì)揮發(fā)度變化較大的系統(tǒng)。但由于該法計(jì)算迅速簡(jiǎn)便，對(duì)于一些分離要求不高的塔，在需要估算理論板數(shù)時(shí)，仍有現(xiàn)實(shí)意義，特別是當(dāng)所討論的物系缺少準(zhǔn)確的平衡數(shù)據(jù)，不能滿足多次嚴(yán)格計(jì)算的的要求時(shí)，仍以采用簡(jiǎn)捷計(jì)算為宜。九、精餾塔的操作計(jì)算十、直接蒸汽加熱及兩股進(jìn)料的精微塔（一）直接蒸汽加熱的精微塔（二）兩股進(jìn)料的精微塔第四節(jié)間歇精餾一、回流比恒定的操作（播出液組成逐漸減小）二、播出液組成恒定的操作（回流比逐漸增大）第五節(jié)恒沸精餾與萃取精餾一、恒沸精餾（一）恒沸精微的含義若在兩組分恒沸液中加入第三組分（稱為夾帶劑），該組分能與原料液中的一個(gè)或兩個(gè)組分形成新的恒沸液，從而使原料液能用普通精微方法予以分離，這種精微操作稱為恒沸精微。例如，組分A與B形成的溶液，其相對(duì)揮發(fā)度等于1，用一般精微方法難以分離。若向系統(tǒng)中加入一個(gè)合適的組分C，C與A形成的溶液對(duì)理想溶液偏差很大，而C與B所形成的溶液對(duì)理想溶液偏差很小。由于C的加入便能增大A與B的相對(duì)揮發(fā)度，使難分離的系統(tǒng)變得容易分離里。若加到被分離溶液中去的組分，其沸點(diǎn)與原有組分沸點(diǎn)相差很小，則在改變要分離組分間的相對(duì)揮發(fā)度的同時(shí)，將與原有組分形成恒沸物，使原有組分得到分離。新加入的組分被稱為夾帶劑。例如，向苯（沸點(diǎn)）和環(huán)己烷（沸點(diǎn)352K）溶液中加入丙酮后，丙酮與環(huán)己烷形成恒沸物（沸點(diǎn)），這樣苯與環(huán)己烷便容易分開了。（二）恒沸精餾的實(shí)例（三）夾帶劑應(yīng)具備的條件（1）夾帶劑應(yīng)能與被分離組分形成新的恒沸物，最好其恒沸點(diǎn)比純組分的沸點(diǎn)低，一般兩者沸點(diǎn)差不小于10℃；（2）新恒沸物所含夾帶劑的量愈少愈好，以便減少夾帶劑用量及汽化、回收時(shí)所需的能量。這對(duì)節(jié)約能量和降低設(shè)備投資都很有利；（3）新恒沸物最好為非均相混合物，便于用分層方法分離，使夾帶劑易于回收；（4）無毒性、無腐蝕性，熱穩(wěn)定性好；（5）來源容易，價(jià)格低廉。能完全滿足上述要求的夾帶劑是很少的，在具體選擇時(shí)，要抓住生產(chǎn)過程的主要矛盾，如首先滿足生產(chǎn)工藝的要求，然后再考慮其他問題。二、萃取精儲(chǔ)（一）萃取精餾的含義萃取精餾是向原料液中加入第三組分（稱為萃取劑或溶劑），以改變?cè)薪M分間的相對(duì)揮發(fā)度而達(dá)到分離要求的特殊精餾方法。萃取精餾常用于分離各組分揮發(fā)度差別很小的溶液。萃取精餾中所加入的萃取劑與原溶液中組分的分子間作用力不同，能有選擇地改變組分地蒸氣壓，從而增大相對(duì)揮發(fā)度；混合液中原有的恒沸物也被破壞。與恒沸精餾不同，萃取精餾要求萃取劑的沸點(diǎn)較原料液中各組分的沸點(diǎn)高得多，且不與組分形成恒沸液，容易回收。（二）萃取精餾的實(shí)例例如，在常壓下苯的沸點(diǎn)為80.1℃,環(huán)己烷的沸點(diǎn)為80.73℃,若在苯一環(huán)已烷溶液中加入萃取劑糠醛，則溶液的相對(duì)揮發(fā)度發(fā)生顯著的變化，且相對(duì)揮發(fā)度隨萃取劑量加大而增高。如溶液中糠醛的摩爾分?jǐn)?shù)為時(shí)，a=；糠醛的摩爾分?jǐn)?shù)為時(shí),a=。由于苯與環(huán)己烷的相對(duì)揮發(fā)度大大增加，即可進(jìn)行精餾分離了。（三）萃取劑應(yīng)具備的條件采用萃取精餾時(shí)，分離效果的好壞與萃取劑的選擇有很大關(guān)系。萃取劑的選擇性，指的是改變?cè)薪M分間相對(duì)揮發(fā)度數(shù)值的能力，即\2S與a葭相比越大選擇性越好，此外，還需考慮如下問題：①萃取劑不與原組分發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，不形成恒沸液，與原組分容易分離。②萃取劑的揮發(fā)度應(yīng)低些，即其沸點(diǎn)應(yīng)較原混合液中純組分的為高，在塔內(nèi)呈液相。③萃取劑對(duì)被分離組分的溶解度要大，避免發(fā)生分層現(xiàn)象。④無毒性、無腐蝕性，熱穩(wěn)定性好。來源方便，價(jià)格低廉。目前，萃取劑主要通過實(shí)驗(yàn)來進(jìn)行選擇。第六節(jié)板式塔一、塔板的結(jié)構(gòu)板式塔結(jié)構(gòu)如圖所示。它是由圓柱形殼體、塔板、氣體和液體進(jìn)、出口等部件組成的。操作時(shí)，塔內(nèi)液體依靠重力作