化工原理章液體精餾詳解演示文稿

化工原理章液體精餾詳解演示文稿當前第1頁\共有161頁\編于星期四\20點優(yōu)選化工原理章液體精餾當前第2頁\共有161頁\編于星期四\20點9.1

概述工業(yè)乙醇的蒸餾（有機化學實驗）當前第3頁\共有161頁\編于星期四\20點化工生產(chǎn)過程中所遇到的物料有許多是兩個或兩個以上組分的均相混合物。物系內部各處物料性質均勻而且不存在相界面的混合物。如：石油、空氣、粗甲醇均相混合物：思考：混合物的分類？當前第4頁\共有161頁\編于星期四\20點蒸餾操作在工業(yè)生產(chǎn)中的應用當前第5頁\共有161頁\編于星期四\20點世界六大蒸餾酒的制備白蘭地(Brandy)、威士忌(Whisky)、伏特加(Vodka)、金酒（Gin）、朗姆酒(Rum)、中國白酒(Spirit)。蒸餾酒——把經(jīng)過發(fā)酵的原酒，經(jīng)過一次或多次蒸餾過程提取的高度酒酒液。西鳳1952——第一界評酒會獲評四大名酒稱號

當前第6頁\共有161頁\編于星期四\20點蒸餾水的制備海水淡化技術當前第7頁\共有161頁\編于星期四\20點粗苯精制當前第8頁\共有161頁\編于星期四\20點當前第9頁\共有161頁\編于星期四\20點當前第10頁\共有161頁\編于星期四\20點粗甲醇的三塔精餾當前第11頁\共有161頁\編于星期四\20點酒精水如何實現(xiàn)分離？酒精的沸點低易于氣化。若將氣化的酒精蒸氣全部冷凝，即實現(xiàn)分離提純。如何操作？當前第12頁\共有161頁\編于星期四\20點蒸餾：將液體部分氣化，利用各組分揮發(fā)度的不同從而使混合物達到分離的單元操作。蒸餾是分離液相混合物的典型單元操作。易揮發(fā)組分：沸點低的組分，又稱為輕組分。難揮發(fā)組分：沸點高的組分，又稱為重組分。一、概念精餾：多次進行部分氣化和部分冷凝后，最終可以在氣相中得到較純的易揮發(fā)組分，而在液相中得到較純的難揮發(fā)組分，這個過程叫精餾。當前第13頁\共有161頁\編于星期四\20點二、蒸餾的分類1、按蒸餾方法：簡單蒸餾、平衡蒸餾(閃蒸)、精餾、特殊精餾。

2、按操作壓力：常壓；減壓；加壓。

3、按原料液組分數(shù)：雙組分蒸餾和多組分蒸餾4、按操作方式：間歇蒸餾和連續(xù)蒸餾。當前第14頁\共有161頁\編于星期四\20點

平衡蒸餾（閃蒸）平衡蒸餾是液體的一次部分氣化或蒸氣的一次部分冷凝的蒸餾操作。是連續(xù)定態(tài)過程。閃蒸罐塔頂產(chǎn)品yAxA加熱器原料液塔底產(chǎn)品Q減壓閥特點：閃蒸是連續(xù)、穩(wěn)定的單級蒸餾程，生產(chǎn)能力大，不能得到高純產(chǎn)物，常用于只需粗略分離的物料。當前第15頁\共有161頁\編于星期四\20點

簡單蒸餾(微分蒸餾/瑞利蒸餾)：y原料液x蒸汽xD1xD2xD3冷凝器定義：將原料液一次加入蒸餾釜中，在一定壓強下加熱至沸，使液體不斷氣化，并不斷將生成的蒸氣移出在冷凝器內冷凝，使混合液中組分部分分離的方法。是間歇過程。當前第16頁\共有161頁\編于星期四\20點

三、蒸餾操作的特點優(yōu)點：*

適用面廣，液體混合物和氣體混合物均可

*

操作流程較簡單，無需其他外加介質缺點：*

能耗大（加熱和冷卻費用是蒸餾過程的主要操作費用）當前第17頁\共有161頁\編于星期四\20點

四、氣液傳質設備的分類實現(xiàn)蒸餾過程是在氣液傳質設備中進行的。板式塔填料塔在塔板上，氣液兩相密切接觸，進行熱量和質量的交換。當前第18頁\共有161頁\編于星期四\20點散裝填料塑料鮑爾環(huán)填料規(guī)整填料塑料絲網(wǎng)波紋填料填料塔當前第19頁\共有161頁\編于星期四\20點9.2雙組分溶液的氣液相平衡9.2.1雙組分理想物系的氣液相平衡理想物系：液相為理想溶液，氣相為理想氣體且服從

道爾頓分壓定律的物系。道爾頓分壓定律：理想氣體混合物的總壓力為各組元氣體分壓力之和。注：理想溶液并不存在，但對于化學結構相似、性質極相近的組分組成的物系，如，苯-甲苯、甲醇-乙醇等，在壓力不太高（一般<103kPa）的情況下，近似按理想物系處理。理想液體：沒有黏性、不可壓縮的液體。理想氣體：嚴格遵從氣體狀態(tài)方程的氣體。當前第20頁\共有161頁\編于星期四\20點

組分：A、B變量：

t、p、xA、yA相數(shù)：氣相、液相

一定壓力下:組成xA(yA)與溫度t存在一一對應關系；氣液組成之間xA~yA存在一一對應關系。自由度：f=N–φ

+2=2-2+2=2一、相律分析：N——組分數(shù)φ

——相數(shù)當前第21頁\共有161頁\編于星期四\20點

法國物理學家拉烏爾在1887年研究含有非揮發(fā)性溶質的稀溶液的行為時發(fā)現(xiàn)的，可表述為：“在某一溫度下，稀溶液的蒸氣壓等于純溶劑的蒸氣壓乘以溶劑的摩爾分數(shù)”。

pA0——純組分A在溶液溫度下的飽和蒸氣壓，Pa；xA——溶液中組分A的摩爾分數(shù)；——拉烏爾定律★服從拉烏爾定律是理想溶液的一個最主要的特性二、

拉烏爾定律（Raoult’sLaw）當前第22頁\共有161頁\編于星期四\20點實驗證明，理想溶液的氣液相平衡服從拉烏爾定律，即：雙組份體系：A表示易揮發(fā)組分

B表示難揮發(fā)組分pA、pB——溶液上方組分A、B的平衡分壓，Pa；p0A、p0B——平衡溫度下純組分A、B的飽和蒸氣壓，Pa；xA、xB——溶液中組分A、B的摩爾分數(shù)；當前第23頁\共有161頁\編于星期四\20點

指定壓力下，溶液沸騰的條件是：整理得：——泡點方程理想物系，平衡時氣相服從道爾頓分壓定律，即——露點方程——安托因方程當前第24頁\共有161頁\編于星期四\20點[例題]

苯與甲苯混合液可看作服從拉烏爾定律。已知在70℃時，純苯的飽和蒸汽壓為547.4mmHg，純甲苯的飽和蒸汽壓為202mmHg，試計算在此溫度下，當甲苯濃度x甲苯=0.2（摩爾分數(shù))時，氣相中苯和甲苯的分壓。

解：甲苯的含量x甲苯=0.2(摩爾分數(shù))時：

P甲苯=202×0.2=0.4(mmHg)

P苯=547.4×(1-0.2)=437.9(mmHg)當前第25頁\共有161頁\編于星期四\20點三、雙組分理想溶液的氣液平衡相圖

雙組分理想溶液的氣液平衡關系用相圖表示比較直觀、清晰，而且影響蒸餾的因素可在相圖上直接反映出來。蒸餾中常用的相圖為恒壓下的溫度-組成（t-x-y）圖和氣相-液相組成（x-y）圖。當前第26頁\共有161頁\編于星期四\20點

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。x、y均指易揮發(fā)組分的摩爾分數(shù)。1、溫度-組成圖（t-x-y圖）液相線t-x（泡點線）：圖中藍色線氣相線t-y（露點線）：圖中紅色線液相區(qū)：藍線以下區(qū)域過熱蒸氣區(qū)：紅線以上區(qū)域氣液共存區(qū)：紅線和藍線包圍的區(qū)域當前第27頁\共有161頁\編于星期四\20點

當組成相同，t露點>t泡點兩相區(qū)特點：當兩相溫度相同時y>xt/Cx(y)01.0露點線泡點線露點泡點xAyAxf氣相區(qū)液相區(qū)兩相區(qū)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TA，產(chǎn)生第一個氣泡的組成為yA。繼續(xù)加熱升高溫度，物系變?yōu)榛コ善胶獾臍?、液兩相，兩相溫度相同組成分別為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yA=xf

的氣相，最后一滴液相的組成為xA。當前第28頁\共有161頁\編于星期四\20點對角線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。2、氣液平衡相圖（y-x圖）當前第29頁\共有161頁\編于星期四\20點四、用相對揮發(fā)度表示的氣液平衡關系通常，純液體的揮發(fā)度是指該液體在一定溫度下的飽和蒸汽壓?；旌弦后w中各組分的揮發(fā)度可用它在蒸氣中的分壓和與之平衡的液相中的摩爾分數(shù)之比來表示，即對于理想溶液，因符合拉烏爾定律，則

當前第30頁\共有161頁\編于星期四\20點

相對揮發(fā)度：溶液中易揮發(fā)組分的揮發(fā)度與難揮發(fā)組分的揮發(fā)度之比。若操作壓力不高，氣相遵循道爾頓分壓定律

——其值標志著分離的難易程度。當前第31頁\共有161頁\編于星期四\20點對于兩組分溶液代入——相平衡方程y=x,

即相平衡時氣相的組成與液相的組成相同，不能用蒸餾方法分離。則y>x,α愈大，y比x大的愈多，組分A和B愈易分離。當α為已知時，可用相對揮發(fā)度表示了氣液相平衡關系。當α=1當α>1當前第32頁\共有161頁\編于星期四\20點液相為理想溶液，氣相為非理想氣體溶液為非理想的原因：不同種類分子之間的作用力與同種分子之間的作用力的大小不同，其表現(xiàn)是溶液中各組分的飽和蒸氣壓偏離拉烏爾定律。9.2.2雙組分非理想物系的氣液相平衡本書討論：氣相屬于理想氣體，而液相為非理想溶液的體系。液相為非理想溶液，氣相為理想氣體非理想物系：液相為非理想溶液，氣相為非理想氣體當前第33頁\共有161頁\編于星期四\20點

非理想溶液：

γi——

活度系數(shù)，分子間引力發(fā)生變化，使得

γi

1。（1）正偏差溶液

平衡分壓高于拉烏爾定律的計算值，泡點下降。（2）負偏差溶液平衡分壓低于拉烏爾定律的計算值，泡點升高。當壓力不太高，氣相為理想氣體時，則當前第34頁\共有161頁\編于星期四\20點

——當溶液正、負偏差較大時，出現(xiàn)恒沸點。正偏差：具有最低恒沸點；恒沸點：氣相組成和液相組成相等的點，如圖中M點。α=1當前第35頁\共有161頁\編于星期四\20點

負偏差：具有最高恒沸點。當前第36頁\共有161頁\編于星期四\20點

9.3.1平衡蒸餾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。閃蒸罐塔頂產(chǎn)品yAxA加熱器原料液塔底產(chǎn)品Q減壓閥9.3

平衡蒸餾與簡單蒸餾特點：閃蒸是連續(xù)、穩(wěn)定的單級蒸餾程，生產(chǎn)能力大，不能得到高純產(chǎn)物，常用于只需粗略分離的物料。當前第37頁\共有161頁\編于星期四\20點

1.物料衡算總物料衡算式中：F、D、W——進料流率和出塔氣、液相產(chǎn)物的流率，kmol/s；

xF、y、x

——料液組成以及出塔氣、液相產(chǎn)物的摩爾分數(shù)。易揮發(fā)組分的物料衡算兩式聯(lián)立可得總物料衡算閃蒸罐D,y,tey加熱器F,xF,tF

W,x,teQ減壓閥xT當前第38頁\共有161頁\編于星期四\20點

若設液相產(chǎn)物占總加料量的分率為

q，即W/F=q，則汽化率為D/F=(1-q)，代入上式整理可得平衡蒸餾過程y~x

符合平衡關系:——物料衡算式

若已知進料組成xF和生產(chǎn)任務所要求的汽化率(1-q)，結合物料衡算式可求得氣液相組成y、x。閃蒸罐D,y,tey加熱器F,xF,tF

W,x,teQ減壓閥xT當前第39頁\共有161頁\編于星期四\20點

料液由進料溫度tF升至T需供給的熱量Q為閃蒸后，物料放出的顯熱即供自身的部分汽化，即2.熱量衡算

tf,T——分別為料液溫度與加熱后的液體溫度；Kte——閃蒸后氣、液兩相的平衡溫度，Kcm,p——混合液的平均摩爾熱容，kJ/(kmol·K)r——平均摩爾汽化熱，kJ/kmol當前第40頁\共有161頁\編于星期四\20點——氣化量越大，(1-q)值越大大，閃蒸前料液溫度T需加熱至更高值。由上式可得當前第41頁\共有161頁\編于星期四\20點

簡單蒸餾(微分蒸餾/瑞利蒸餾)：y原料液x蒸汽xD1xD2xD3冷凝器定義：將原料液一次加入蒸餾釜中，在一定壓強下加熱至沸，使液體不斷氣化，并不斷將生成的蒸氣移出在冷凝器內冷凝，使混合液中組分部分分離的方法。當前第42頁\共有161頁\編于星期四\20點

釜內任一時刻的氣、液兩相組成互成平衡。簡單蒸餾原理：

釜內易揮發(fā)組分含量由原料的初始組成沿泡點線不斷下降直至終止蒸餾時組成，釜內溶液的沸點溫度不斷升高，氣相組成也隨之沿露點線不斷降低。因此，通常設置若干個槽按組成范圍收集餾出液產(chǎn)品。特點：間歇操作過程單級過程非穩(wěn)態(tài)過程

應用：液體混合物初步分離沸點相差較大，分離要求不高場合當前第43頁\共有161頁\編于星期四\20點

設d

時間內，釜液變化量為

dW(kmol)

時刻釜內液體量為W

(kmol)，汽、液相組成為y、x

+d

時刻釜內液體量及組成為W-dW

(kmol)及x-dx在d時間內由物料衡算可得：整理上兩式，略去二階微分項，得在操作初始的W1、x1至終止時刻的W2、x2間積分上式得當前第44頁\共有161頁\編于星期四\20點

利用相平衡關系積分可得：W1及x1一般已知，當給定x2，即可求出W2釜液組成x隨時間變化，則氣相組成y也相應變化，將全過程氣相產(chǎn)物冷凝后匯集一起，設餾出液平均組成為

?，可對全過程始末作物料衡算，全過程易揮發(fā)組分的物料衡算式為：當前第45頁\共有161頁\編于星期四\20點當前第46頁\共有161頁\編于星期四\20點

當前第47頁\共有161頁\編于星期四\20點

當前第48頁\共有161頁\編于星期四\20點

多次進行部分氣化或部分冷凝以后，可以在氣相中得到較純的易揮發(fā)組分，而在液相中得到較純的難揮發(fā)組分。一、精餾概念：9.4.1精餾過程9.4精餾當前第49頁\共有161頁\編于星期四\20點二、精餾原理精餾段的作用：自下而上逐步增濃氣相中的易揮發(fā)組分，以提高產(chǎn)品中易揮發(fā)組分的濃度；提餾段的作用：自上而下逐步增濃液相中的難揮發(fā)組分，以提高塔釜產(chǎn)品中難揮發(fā)組分的濃度。再沸器的作用：提供一定流量的上升蒸氣流。冷凝器的作用：提供塔頂液相產(chǎn)品和回流液。給塔板上液相補充易揮發(fā)組分，使塔板上液相組成保持不變。加料板：原料液進入的塔板精餾段：加料板以上部分提餾段：加料板以下的部分（包括加料板）當前第50頁\共有161頁\編于星期四\20點——將部分氣化得到的氣相經(jīng)過n次部分冷凝后，最終產(chǎn)品組成為yn。次數(shù)愈多，組成愈高，最后可得到幾乎純態(tài)的易揮發(fā)組分?！獙⒉糠謿饣玫降囊合嘟?jīng)過n次部分氣化后，最終產(chǎn)品組成為xn。次數(shù)愈多，組成愈高，最后可得到幾乎純態(tài)的難揮發(fā)組分。

當前第51頁\共有161頁\編于星期四\20點

再沸器供熱，使釜中殘液部分氣化后蒸氣逐板上升，塔中各板上液體處于沸騰狀態(tài)。

冷凝器得到的餾出液部分作回流入塔，從塔頂引入后逐板下流，使各板上保持一定液層。上升蒸氣和下降液體呈逆流流動，在每塊板上相互接觸進行傳熱和傳質。原料液于中部適宜位置處加入精餾塔。由于塔底部幾乎是純難揮發(fā)組分，因此塔底部溫度最高，而頂部回流液幾乎是純易揮發(fā)組分，因此塔頂部溫度最低，整個塔內的溫度，由下向上逐漸降低。當前第52頁\共有161頁\編于星期四\20點板式塔內相鄰幾塊板的溫度、組成的關系：當前第53頁\共有161頁\編于星期四\20點

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——流量，kmol/hxF、xD、xW——輕組分摩爾分數(shù)三、全塔物料衡算W/F、D/F——餾出液和釜液的采出率當前第54頁\共有161頁\編于星期四\20點進料板：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）的塔段四、工業(yè)中的連續(xù)精餾裝置流程：１.連續(xù)精餾裝置當前第55頁\共有161頁\編于星期四\20點

2、塔板的作用塔板提供了汽液分離的場所。每一塊塔板是一個混合分離器足夠多的板數(shù)可使各組分較完全分離特點：當前第56頁\共有161頁\編于星期四\20點

回流的作用：——提供不平衡的氣液兩相，是構成氣液兩相傳質的必要條件。精餾的主要特點就是有回流！3、精餾過程的回流

回流包括：塔頂回流液塔底回流汽當前第57頁\共有161頁\編于星期四\20點回流比：增大回流比的措施：增大塔底加熱速率增大塔頂冷凝量——加大回流比既增加精餾段液氣比，也增加了提餾段氣液比，對提高兩組分的分離程度都起積極作用當前第58頁\共有161頁\編于星期四\20點物料衡算熱量衡算傳質速率方程9.4.2精餾過程數(shù)學描述的基本方法當前第59頁\共有161頁\編于星期四\20點精餾塔內自塔頂算起的任一第n塊塔板（非加料板），組成如圖所示：9.4.3精餾過程的數(shù)學描述1、單塊塔板的物料衡算總物料衡算式:

Vn+1+Ln-1=Vn+Ln輕組分衡算式：

Vn+1yn+1+Ln-1xn-1=Vnyn+Lnxn當前第60頁\共有161頁\編于星期四\20點在精餾塔內，無中間加料或出料的情況下，每層塔板的——上升蒸氣摩爾流量相等

（恒摩爾氣流）——下降液體摩爾流量相等

（恒摩爾液流）?！緯院蠼榻B的精餾計算均是以恒摩爾流假設為前提2、恒摩爾流假定當前第61頁\共有161頁\編于星期四\20點

（1）精餾段提餾段

V≠V’其中:V

——精餾段任一塔板上升蒸汽流量，kmol/h或kmol/s

V’——提餾段任一塔板上升蒸汽流量，kmol/h或kmol/s

（2）精餾段

提餾段

L≠L’其中：L——精餾段任一塔板下降液體流量，kmol/h或kmol/s

L’——提餾段任一塔板下降液體流量，kmol/h或kmol/s當前第62頁\共有161頁\編于星期四\20點

理論板是指離開該塔板的蒸氣和液體成平衡的塔板。不論進入理論板的氣－液兩相組成如何，離開時兩相溫度相等，組成互成平衡。

實際上，由于板上氣－液兩相接觸面積和接觸時間是有限的，因此在任何形式的塔板上，氣－液兩相難以達到平衡狀態(tài)，理論板是不存在的，但它可作為實際板分離效率的依據(jù)和標準。在設計時求得理論板數(shù)后，通過用板效率校正就可得到實際板數(shù)。3.塔板傳質過程的簡化——理論板和板效率（1）理論板的概念當前第63頁\共有161頁\編于星期四\20點影響塔板效率的因素很復雜，有系統(tǒng)的物性、塔板的結構、操作條件、液沫夾帶、漏液、返混等等。目前尚未能得到一個較為滿意地求全塔效率的關聯(lián)式。比較可靠的數(shù)據(jù)來自生產(chǎn)及中間試驗的測定。對雙組分混合液全塔效率多在0.5～0.7之間。（2）塔板效率全塔效率ET

當前第64頁\共有161頁\編于星期四\20點——用氣相（或液相）經(jīng)過一實際塔板時組成變化與經(jīng)過一理論板時組成變化的比值來表示。單板效率(EmV或EmL)

當前第65頁\共有161頁\編于星期四\20點以氣相表示的單板效率

以液相表示的單板效率當前第66頁\共有161頁\編于星期四\20點4.加料板過程分析①加料板的物料衡算與熱量衡算FiF+Li+?I=VI+?iI，i，iF---分別為飽和蒸汽、飽和液體、原料液的摩爾焓kJ/kmol；熱量衡算：FiF+Li+?I=VI+?i物料衡算：F+?+L=V+?當前第67頁\共有161頁\編于星期四\20點②理論加料板——不論進入加料板各物流的組成、熱狀態(tài)及接觸方式如何，離開加料板的氣液兩相溫度相等，組成互為平衡。當前第68頁\共有161頁\編于星期四\20點③精餾段與提餾段兩流量的關系進料熱狀態(tài)過冷液體：溫度低于泡點飽和液體：溫度等于泡點氣液混合物：溫度在泡點和露點之間飽和蒸氣：溫度等于露點過熱蒸氣：溫度高于露點當前第69頁\共有161頁\編于星期四\20點

FiF+Li+?I=VI+?iF+?+L=V+?由物料衡算和熱量衡算式：得到:

令：q——進料的熱狀態(tài)參數(shù)當前第70頁\共有161頁\編于星期四\20點

q作用：判斷進料狀態(tài)及溫度兩段下降液體流之間關系：兩段上升蒸汽流之間關系：當前第71頁\共有161頁\編于星期四\20點當前第72頁\共有161頁\編于星期四\20點a.過冷液體進料q>1原料液溫度低于加料板上沸騰液體的溫度，遇到提餾段上升的蒸氣，蒸氣部分冷凝?！狃s段下降液體流量L’由三部分組成L’>L+F

V’>V(其差值為蒸氣冷凝量)

當前第73頁\共有161頁\編于星期四\20點

b.飽和液體進料（泡點進料）q=1原料液加入后不會在加料板上產(chǎn)生氣化或冷凝，進料全部作為提餾段的回流液，兩段上升蒸汽流量相等，即V

=V’L’

=L

+F當前第74頁\共有161頁\編于星期四\20點

原料液中液相部分氣化成為L’的一部分，而其中蒸氣部分冷凝成為V的一部分，即c．氣液混合進料0<q<1V’

<VL

<L’當前第75頁\共有161頁\編于星期四\20點

d．飽和蒸氣進料

q=0

原料液中沒有液體，整個進料與提餾段上升的蒸氣V’匯合進入精餾段，兩段的回流液流量則相等，即L=L’V=V’+F當前第76頁\共有161頁\編于星期四\20點

e．過熱蒸氣進料

q<0原料液入塔后不僅全部與提餾段上升蒸氣V’匯合進入精餾段，還使加料板上的液體部分氣化。進入精餾段的上升蒸氣流量包括三部分。V>V’+FL’<L(其差額為液體氣化量)當前第77頁\共有161頁\編于星期四\20點(1)冷液q>1(2)飽和液體（泡點進料）q=1(3)氣液混合0<q<1(4)飽和蒸汽（露點進料）q=0(5)過熱蒸汽q<0當前第78頁\共有161頁\編于星期四\20點5.塔釜和冷凝器的物料衡算（1）塔釜

釜內液體在蒸餾釜內部分汽化，離開塔釜的氣液兩相組成yN與xW可認為互成平衡，故蒸餾釜可視作一塊理論板。當前第79頁\共有161頁\編于星期四\20點（2）冷凝器

回流液體組成為x0，冷凝器的物料衡算式為：若冷凝器為全凝器，則

y1=x0=xDVy1=Lx0+DxD當前第80頁\共有161頁\編于星期四\20點注：因原料液不斷從塔中部加入，使得精餾段和提餾段具有不同的操作關系。操作線方程：表達由任意板下降液相組成xn與其下一層塔板上升的氣相組成yn+1之間的關系方程。9.4.4精餾塔的逐板計算當前第81頁\共有161頁\編于星期四\20點——回流比一、精餾段操作線方程——精餾段操作線方程因為V=L+D當前第82頁\共有161頁\編于星期四\20點精餾段操作線的畫法：截距:yxxD操作線為過點（xD,xD

）xD當前第83頁\共有161頁\編于星期四\20點二、提餾段操作線方程——提餾段操作線方程得到:當前第84頁\共有161頁\編于星期四\20點因為代入得到又因為——提餾段操作線方程得到：當前第85頁\共有161頁\編于星期四\20點三、操作方程的圖示—操作線精餾段操作線方程提餾段操作線方程聯(lián)立求解，可得到兩操作線交點坐標當前第86頁\共有161頁\編于星期四\20點操作線做法:yxxDxDxWxW(xq,yq)當前第87頁\共有161頁\編于星期四\20點例題：用一精餾塔分離二元液體混合物，進料量100kmol/h，易揮發(fā)組分xF=0.5，泡點進料，得塔頂產(chǎn)品xD=0.9，塔底釜液xW=0.05（皆摩爾分率），操作回流比R=1.61，該物系平均相對揮發(fā)度α=2.25，塔頂為全凝器，求：1)塔頂和塔底的產(chǎn)品量（kmol/h）；2)第一塊塔板下降的液體組成x1為多少；3)寫出精餾段操作線數(shù)值方程；4)寫出提餾段操作線數(shù)值方程；當前第88頁\共有161頁\編于星期四\20點相平衡方程為：當前第89頁\共有161頁\編于星期四\20點（4）泡點進料，即q=1提餾段操作線方程為：則提餾段操作線方程為（3）精餾段操作線方程為則精餾段操作線方程為：y=0.62x+0.345xD=0.9，R=1.61當前第90頁\共有161頁\編于星期四\20點四、理論板的增濃值B點：離開理論板的氣液兩相組成狀態(tài)AB：液體經(jīng)過該理論板的提純或增濃程度BC:氣相經(jīng)過該理論板的提純或增濃程度當前第91頁\共有161頁\編于星期四\20點五、逐板計算法

通常是從塔頂(或塔底)開始，交替使用氣-液相平衡方程和操作線方程去計算每一塊塔板上的氣-液相組成，直到滿足分離要求為止。若塔頂采用全凝器，即：已知y1得到x1得到y(tǒng)2得到x2得到y(tǒng)3相平衡關系操作線關系相平衡關系操作線關系…當前第92頁\共有161頁\編于星期四\20點例題：氯仿（CHCl3）和四氯化碳（CCl4）的混合物在一連續(xù)精餾塔中分離。餾出液中氯仿的濃度為xD=0.95,餾出液流量為D=50kmol/h，平均相對揮發(fā)度

α=1.6，回流比R=2。求:（1）塔頂?shù)诙K塔板上升的氣相組成；（2）精餾段各板上升蒸氣量V及下降液體量L（以kmol/h表示）。

氯仿與四氯化碳混合液可認為是理想溶液。

當前第93頁\共有161頁\編于星期四\20點解：（1）由題知，y1=xD=0.95，R=2,由相平衡方程得

由精餾段操作線方程則（2）V=L+D，L/D=R，V=（R+1）D∴V=3×50=150kmol/h，L=2×50=100kmol/h

當前第94頁\共有161頁\編于星期四\20點一、精餾設計型計算的命題9.5.1理論板數(shù)的計算9.5雙組份精餾的設計型計算任務：分離要求選擇操作條件計算理論板數(shù)操作條件操作壓強——得到相對揮發(fā)度α回流比R——得到精餾段操作線方程熱狀態(tài)參數(shù)q——得到提餾段操作線方程工業(yè)上一般用產(chǎn)物的回收率來代替產(chǎn)率：當前第95頁\共有161頁\編于星期四\20點二、理論板數(shù)的計算方法1、逐板計算法若塔頂采用全凝器，即：已知y1得到x1得到y(tǒng)2得到x2得到y(tǒng)3相平衡關系精餾段操作線關系相平衡關系精餾段操作線關系…直至xN≤xW結論：理論板數(shù)為N塊直至xn≤xq提餾段操作線關系得到y(tǒng)n+1相平衡關系得到xn+1提餾段操作線關系得到y(tǒng)n+2…當前第96頁\共有161頁\編于星期四\20點氣液兩相的平衡——求得塔板上氣液平衡組成；yn—xn操作線關系——求得相鄰塔板上的液相或氣相組成。yn+1—xn利用氣-液相平衡方程

(1)若塔頂采用全凝器，即當前第97頁\共有161頁\編于星期四\20點

(2)由第一塊理論塔板下降的回流液組成x1

，按精餾段操作線方程求出第二塊理論板上升的蒸氣組成y2，即同理，第二塊理論塔板下降的液相組成x2與y2互成平衡，可利用氣-液相平衡方程由求得x2。當前第98頁\共有161頁\編于星期四\20點

(3)按照精餾段操作線方程再由x2求得y3

，如此重復計算，直至計算到xn

≤xq

時，表示第n塊理論板是進料板(即提餾段第1塊理論板)，因此精餾段所需理論板數(shù)為(n-1)。在計算過程中，每利用一次平衡關系式，表示需要一塊理論板。

當前第99頁\共有161頁\編于星期四\20點

(4)從此開始，改用提餾段操作線方程和氣-液相平衡方程，繼續(xù)采用與上述相同的方法進行逐板計算，直至計算到xN≤xW止。結論：理論板數(shù)為N塊當前第100頁\共有161頁\編于星期四\20點2、圖解法

圖解法計算精餾塔的理論板數(shù)和逐板計算法一樣，也是利用氣液平衡關系和操作關系，只是把氣液平衡方程和操作線方程描繪在相圖上，使繁瑣數(shù)學運算簡化為圖解過程。兩者并無本質區(qū)別，只是形式不同而己。當前第101頁\共有161頁\編于星期四\20點

①在直角坐標紙上繪出待分離的雙組分混合物在操作壓強下的平衡曲線，并作出對角線。②依照前面介紹的方法作精餾段的操作線ac，q線ef，提餾段操作線bd。xDabefdxFxWc當前第102頁\共有161頁\編于星期四\20點xDabefdxFxWc11‘23456③從a點開始，在精餾段操作線與平衡線之間作水平線及垂直線構成直角梯級，當梯級跨過d點時，則改在提餾段操作線與平衡線

之間作直角梯級，直至梯級的水平線達到或跨過c點為止。當前第103頁\共有161頁\編于星期四\20點

④每一個直角梯級代表一塊理論板，這結合逐板計算法分析不難理解。其中過d點的梯級為加料板。當前第104頁\共有161頁\編于星期四\20點

在圖中梯級總數(shù)為7，即該分離過程共需7塊理論板。第4層跨過d點，即第4層為加料板，精餾段共3層。圖解法較為簡單，且直觀形象，有利于對問題的了解和分析，目前在雙組分連續(xù)精餾計算中仍廣為采用。當前第105頁\共有161頁\編于星期四\20點三、最優(yōu)加料位置的確定1、加料板偏下此加料板狀態(tài)下，氣相提濃程度必小于原加料板提濃程度。說明加料板偏下是不利的，釜殘液中易揮發(fā)組分含量增高，從而降低餾出液中易揮發(fā)組分的收率。當前第106頁\共有161頁\編于星期四\20點2、加料板偏上此加料板狀態(tài)下，第4、5、6板提濃程度有所減少。說明加料板偏上是不利的，會使餾出液的組成偏低（難揮發(fā)組分偏高）

。當前第107頁\共有161頁\編于星期四\20點

由以上可以看出，最優(yōu)加料板位置是該板的液相組成x≤xq（兩操作線交點的橫坐標），設計時加料板位置可變范圍在（p,m）兩點之間。加料板位置所需理論板數(shù)412510812表9-1加料板位置對理論板數(shù)的影響舉例當前第108頁\共有161頁\編于星期四\20點四、操作線的實際做法為簡便起見，常找出兩操作線交點坐標（xq,yq）yxxDxDxWxW(xq,yq)若要得到兩操作線交點坐標(xq,yq)，需知道交點的軌跡方程（q線方程）當前第109頁\共有161頁\編于星期四\20點

q線方程為精餾段操作線與提餾段操作線交點軌跡的方程——q線方程/進料線方程已知交點坐標兩式消去xD，得當前第110頁\共有161頁\編于星期四\20點q線是通過點（xF,xF）的一條直線,斜率為q/(q-1)當前第111頁\共有161頁\編于星期四\20點當前第112頁\共有161頁\編于星期四\20點當前第113頁\共有161頁\編于星期四\20點當前第114頁\共有161頁\編于星期四\20點9.5.2回流比的選擇

回流比的大小，對精餾塔的分離能力、系統(tǒng)能耗和設備結構尺寸有影響。當前第115頁\共有161頁\編于星期四\20點

回流比有兩個極限值，上限為全回流（即回流比為無窮大），下限為最小回流比，實際回流比為介于兩極限值之間的某一適宜值。當前第116頁\共有161頁\編于星期四\20點xDxWxF回流比與理論板層數(shù)的關系

R越大

NT越少

R1

R2

R3當前第117頁\共有161頁\編于星期四\20點一、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頂作為回流。D=0，W=0，F(xiàn)=0；全回流的特點：當前第118頁\共有161頁\編于星期四\20點

全回流的意義:全回流是操作回流比的極限，只在開工、實驗研究、設備異?；蛘{試時采用，便于控制。在操作線與平衡線間繪直角梯級，其跨度最大，所需的理論板數(shù)最少。

全回流時回流比R為無窮大，氣液兩相流量相等,是回流比的最大值。精餾段和提餾段操作線的斜率均為1，此時塔內無精餾段和提餾段之分，操作線方程為：yn+1=xnN=NminxWxD1.圖解法當前第119頁\共有161頁\編于星期四\20點2.解析法（芬斯克方程）假設分離兩種混合溶液，輕組分為A，重組分為B因為相對揮發(fā)度則：α1——第一塊板上液體相對揮發(fā)度當前第120頁\共有161頁\編于星期四\20點全回流操作線方程yn+1=xn則：又因為相對揮發(fā)度則離開第二塊板液體組成：依次類推，離開第N塊板液體組成：當前第121頁\共有161頁\編于星期四\20點當?shù)贜塊板液體組成達到指定的釜液組成(xA/xB)W時，則全回流下塔的理論板塊數(shù)為N塊,記為Nmin若相對揮發(fā)度取平均值：代替各板上相對揮發(fā)度——芬斯克(Fenske)方程得：當前第122頁\共有161頁\編于星期四\20點若塔頂、塔底相對揮發(fā)度相差不大時，則平均相對揮發(fā)度為：則：變?yōu)椋寒斍暗?23頁\共有161頁\編于星期四\20點當回流比減小到某一數(shù)值時，兩操作線的交點e落在平衡曲線上，如圖所示，在平衡線和操作線間繪梯級，需要無窮多的梯級才能達到e點，這是一種不可能達到的極限情況，相應的回流比稱為最小回流比，以Rmin表示。二、最小回流比對于一定的分離任務，若減小回流比，精餾段的斜率變小，兩操作線的交點沿q線向平衡線趨近，表示氣-液相的傳質推動力減小，達到指定的分離程度所需的理論板數(shù)增多。精餾段操作線方程當前第124頁\共有161頁\編于星期四\20點xDxWxF

R1

R2最小回流比斜率xqyq

g當前第125頁\共有161頁\編于星期四\20點依據(jù)平衡曲線的形狀不同，作圖方法有所不同。對于理想溶液曲線，根據(jù)下圖，在最小回流比時，精餾段操作線的斜率為：1.圖解法當前第126頁\共有161頁\編于星期四\20點

對于不正常的平衡曲線，平衡線具有下凹部分。當兩操作線的交點還未落到平衡線上之前，操作線已與平衡線相切，如下圖此時達到分離要求，所需理論板數(shù)為無窮多，故對應的回流比為最小回流比。這種情況下的求法應根據(jù)切點確定其Rmin。e點稱為挾點當前第127頁\共有161頁\編于星期四\20點

實際的回流比一定要大于最小回流比，而適宜回流比需按實際情況，全面考慮到設備費用（塔高、塔徑、再沸器和冷凝器的傳熱面積等）和操作費用（熱量和冷卻器的消耗等），應通過經(jīng)濟核算來確定，使操作費用和設備費用之和為最低。

在精餾塔設計中，通常根據(jù)經(jīng)驗取最小回流比的一定倍數(shù)作為操作回流比。近年來一般都推薦取最小回流比的1.1～2倍，即三、最適宜回流比的選取當前第128頁\共有161頁\編于星期四\20點3——總費用2——操作費1——設備費當前第129頁\共有161頁\編于星期四\20點

在生產(chǎn)中，設備都已安裝好，即實際板數(shù)固定。若原料的組成、加料熱狀況均為定值，倘若加大回流比操作，這時操作線更接近對角線，所需理論板數(shù)減少，而塔內理論板數(shù)比需要的多，因而產(chǎn)品純度會有所提高。反之，減少回流比操作，情況正好與上述相反，產(chǎn)品純度會有所下降?！谏a(chǎn)中把調節(jié)回流比當作保持產(chǎn)品純度的一種手段當前第130頁\共有161頁\編于星期四\20點在一常壓精餾塔內分離苯和甲苯混合物，塔頂為全凝器，塔釜間接蒸汽加熱，平均相對揮發(fā)度為2.47，飽和蒸汽進料。已知進料量為150kmol/h，進料組成為0.4（摩爾分率），回流比為4，塔頂餾出液中苯的回收率為0.97，塔釜采出液中甲苯的回收率為0.95。試求：1)塔頂餾出液及塔釜采出液組成；2)精餾段操作線方程；3)提餾段操作線方程；4)回流比與最小回流比的比值；當前第131頁\共有161頁\編于星期四\20點當前第132頁\共有161頁\編于星期四\20點當前第133頁\共有161頁\編于星期四\20點四、理論板數(shù)的捷算法——大致估計理論板數(shù)，簡略找出N和R的關系(吉利蘭圖)當前第134頁\共有161頁\編于星期四\20點捷算法求理論板數(shù)的步驟：根據(jù)物系性質及分離要求，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)N.當前第135頁\共有161頁\編于星期四\20點圖中曲線在范圍內可用下式代替：其中N和Nmin均指全塔（包括塔釜）的理論板數(shù)當前第136頁\共有161頁\編于星期四\20點當前第137頁\共有161頁\編于星期四\20點當前第138頁\共有161頁\編于星期四\20點f1f2f3f4f59.5.3進料熱狀態(tài)的選擇（及其影響）回流比以及分離要求不變時：q增加——塔釜供熱必須增加——提餾段斜率減小——所需塔板數(shù)減少。(P75-76)當前第139頁\共有161頁\編于星期四\20點結論：q值得大小影響理論塔的板數(shù)，q值越大，理論板塊數(shù)越少當前第140頁\共有161頁\編