大学化工原理第六章蒸馏.ppt

《大学化工原理第六章蒸馏.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《大学化工原理第六章蒸馏.ppt（93页珍藏版）》请在三一文库上搜索。

1、,主 讲：杨 虎 Tel:13881419522 E-Mail:,第六章 蒸 馏,教学要求 6-0 概述 6-1 两组分溶液的汽液平衡 6-2 平衡蒸馏与简单蒸馏 6-3 精馏原理和流程 6-4 两组分连续精馏的计算 6-5 间歇精馏 6-6 特殊精馏 复习,材料与化学工程系 化学工程教研室,化工原理 蒸馏,2/93,教学要求,重 点：两组分的相平衡关系；两组分连续精馏的计算；影响精馏过程的主要因素。 覆盖内容：两组分物系的汽液平衡关系，t-x-y图, x-y图，拉乌尔定律，泡点方程、露点方程、相对挥发度及其影响因素；精馏原理；双组分连续精馏塔的物料衡算，恒摩尔流假设，理论板的概念，操作线方程

2、，进料热状况，q的意义及计算，最小回流比的概念及确定，回流比对精馏过程的影响，理论板数的确定（图解法，逐板计算法及简捷法）；点效率、板效率和塔效率的概念，实际塔板数的确定；精馏装置的热衡算；平衡蒸馏、简单蒸馏的特点及计算，间歇精馏的特点及计算步骤；恒沸精馏、萃取精馏的概念；精馏塔全塔效率及点效率的测定方法。,材料与化学工程系 化学工程教研室,化工原理 蒸馏,3/93,6-0 概述,蒸 馏 定义与术语,轻组分低沸点组分 重组分高沸点组分,特点：,直接获得产品，蒸馏操作流 程较为简单。,应用广泛，历史悠久。可分离 液体混合物、气体混合物。,蒸馏能量消耗大。,材料与化学工程系 化学工程教研室,化工原

3、理 蒸馏,4/93,6-0 概述,材料与化学工程系 化学工程教研室,化工原理 蒸馏,5/93,6-1 两组分溶液的汽液平衡,物质迁移：高化学位低化学位。, 6-1-1 两组分理想物系的汽液平衡,一、相律,强度性质：t、P、yA、yB、xA、xB 浓度约束方程有： yA+ yB =1 xA + xB =1 1) P=constant: yA=f(t)、 xB=f(t);2) t= constant: yA=f(P)、 xB=f(P);,二、理想物系与拉乌尔定律,1.理想物系： 溶液理想溶液，气体理想气体 2.拉乌尔定律,材料与化学工程系 化学工程教研室,化工原理 蒸馏,6/93,6-1 两组分溶

4、液的汽液平衡,拉乌尔定律示意图,理想气体：,对理想溶液，E=,3.泡点方程,纯组分：,材料与化学工程系 化学工程教研室,化工原理 蒸馏,7/93,6-1 两组分溶液的汽液平衡,4.露点方程,描述了一定总压下理想体系中汽液平衡时气相组成与纯组分饱和蒸汽压(露点温度)之间的关系，称为露点方程,由相组成计算露点（泡点）温度试差计算。,泡点方程,材料与化学工程系 化学工程教研室,化工原理 蒸馏,8/93,6-1 两组分溶液的汽液平衡,5.相平衡常数,6.相对挥发度,挥发度,材料与化学工程系 化学工程教研室,化工原理 蒸馏,9/93,6-1 两组分溶液的汽液平衡,理想体系：,pA0=f(t)、pB0=f

5、(t) ，但随t的变化较小，可视为常数，可取操作温度范围内的平均值。,对于双组分溶液，当总压不高时：,的意义：描述了该二元物系进行蒸馏分离的难易程度。,相平衡方程,材料与化学工程系 化学工程教研室,化工原理 蒸馏,10/93,6-1 两组分溶液的汽液平衡,三.两组分理想溶液的气液平衡相图,P=pA0x+(1-x)pB0 y=pA0x/(pA0x+(1-x)pB0) 单相区：气相区、液相区 两相共存区,1.Px(y)图等温图,材料与化学工程系 化学工程教研室,化工原理 蒸馏,11/93,6-1 两组分溶液的汽液平衡,t-x-y图和x-y图,2.等压图, t-x-y图,杠杆规则 部分汽化：xyF

6、分布分离,t-x-y图可通过实验测定。,对二元理想物系：,系统总压影响气液,材料与化学工程系 化学工程教研室,化工原理 蒸馏,12/93,6-1 两组分溶液的汽液平衡, x-y图,txy 图中的数据 xy 图。,x-y线与对角线偏离越远，表示越易分离。若x-y线与对角线重合，则不能用精馏方法分离。,精馏过程接近等压。x-y图常用于两组分混合物精馏过程的计算。压强对x-y曲线的影响不大，但压强明显改变时，必须考虑压强的影响。,材料与化学工程系 化学工程教研室,化工原理 蒸馏,13/93,6-1 两组分溶液的汽液平衡, 6-1-2 两组分非理想物系的汽液平衡,几种情况：1）气相为理想气体，液相为非

7、理想溶液；2）液相为理想溶液，气相为非理想气体；3）液相为非理想溶液，气相为非理想气体。 相液平衡，任一组分在气相中的化学等于液相中的化学位：,材料与化学工程系 化学工程教研室,化工原理 蒸馏,14/93,6-1 两组分溶液的汽液平衡,实际物系分为三类：具有一般正负偏差、具有最大正偏差、具有最大负偏差。,在Px(y)图中，PB0PPA0、液相线不是直线。tx(y)图、x-y图与理想体系的的接近。,Px(y)图，PmaxPA0，PB0max；tx(y)图出现最低点，最底恒沸点；xy图中，平衡曲线与对角线相交。,Px(y)图，PminPA0，PB0min，tx(y)图出现最高点，最高恒沸点，xy图

8、，平衡曲线与对角线相交。,一、具有一般正负偏差的实际物系,二、具有最大正偏差的实际物系,三、具有最小正偏差的实际物系,材料与化学工程系 化学工程教研室,化工原理 蒸馏,15/93,6-1 两组分溶液的汽液平衡,最大正偏差溶液：,t-x,t-y,材料与化学工程系 化学工程教研室,化工原理 蒸馏,16/93,6-1 两组分溶液的汽液平衡,材料与化学工程系 化学工程教研室,化工原理 蒸馏,17/93,6-2 平衡蒸馏和简单蒸馏,一、流程,6-2-1平衡蒸馏,特点：连续稳定、分离程度不高。,计算内容：通常给定F、xF和分离要求（xD、xW)或(W、xW)确定D、W或xD 确定 P 操作温度te 换热器

9、热负荷。 约束方程：物、热衡算、平衡关系。,范围 基准 轻组分：FxF=DxD+WxW 总物料：F=D+W 液化率：q=W/F,二.物料衡算,材料与化学工程系 化学工程教研室,化工原理 蒸馏,18/93,6-2 平衡蒸馏和简单蒸馏,对换热器： Q：热负荷，kJ/h or KW； F：原料液，kmol/h； Cp：原料液的平均比热，KJ/mol. ； tf：原料液的温度， ； T：通过加热器后原料液的温度， ,三.热量衡算,三.汽液平衡关系,材料与化学工程系 化学工程教研室,化工原理 蒸馏,19/93,6-2 平衡蒸馏和简单蒸馏,1.由P确定平衡曲线xy线及tex线； 2.由分离要求或物料衡算计

10、算q， 3.作q线，并xy线相交； 4.由交点的x坐标确定te。,五.步骤,对闪蒸罐： r：汽化潜热，KJ/mol； te：平衡温度， 。,材料与化学工程系 化学工程教研室,化工原理 蒸馏,20/93,6-2 平衡蒸馏和简单蒸馏, 6-3-2 简单蒸馏,一.流程与装置,二.简单蒸馏的原理,液相组成：,汽相组成：,釜液量：,釜液量全部汽化 最终釜液量W=0，无分离作用。只有部分汽化（冷凝），才可得到易挥发组分较高的馏出液。 当料液组成为x1时，所得馏出液最高组成为y1。,材料与化学工程系 化学工程教研室,化工原理 蒸馏,21/93,6-2 平衡蒸馏和简单蒸馏,三.过程计算,总：dD+L+dL+L

11、dD = -dL,物料衡算：任一瞬间，yx满足平相衡。范围 基准：dt,轻组分：,图解积分或数值积分,材料与化学工程系 化学工程教研室,化工原理 蒸馏,22/93,6-2 平衡蒸馏和简单蒸馏,轻组分的物料衡算：,总物料衡算：,比较：对相同的物系，在相同液化率时，简单蒸馏的效果更好。,按一个操作周期的物料衡算：,材料与化学工程系 化学工程教研室,化工原理 蒸馏,23/93,6-3 精馏原理和流程,6-4-1 精馏过程原理和条件,一次部分汽化（冷凝） 结果：部分分离 多次部分冷凝（汽化） 结果：较大程度的分离 缺点：中间产物多，能耗高，产量小，设备庞大。,材料与化学工程系 化学工程教研室,化工原理

12、 蒸馏,24/93,6-3 精馏原理和流程,料液, xF Feed,塔顶产品, xD Overhead product,液相回流 Liquid reflux,汽相回流 Vapor reflux,精馏段 Rectifying section,提馏段 Stripping section,再沸器 Reboiler,冷凝器condenser,改进：回流使不处于平衡状态的两相接触热、质传递部分冷凝和部分汽化同时发生。,精馏原理：在塔内，对气、液两相同时进行多次部分冷凝和部分汽化。,精馏条件：塔顶的液体回流和塔釜的产生的蒸汽回流。,材料与化学工程系 化学工程教研室,化工原理 蒸馏,25/93,6-3 精馏

13、原理和流程,第n-1板溢流：Ln-1，xn-1 ，tn-1； 第n+1板上升：Vn+1，yn+1，tn+1； 第n板溢流：Ln，xn，tn； 第n板上升：Vn，yn，tn。,进入第n板的汽液两相是不平衡的。组成为x n-1的液体及组成为y n+1的蒸汽同时进入第n板，存在温度差和浓度差，汽液两相在第n板上密切接触进行传质和传热，使离开该板的汽液两相趋近相平衡（理论板：离开的汽液两相达到相平衡）， 结果：（从宏观看）重组分：汽液；轻组分：液汽。,材料与化学工程系 化学工程教研室,化工原理 蒸馏,26/93,6-3 精馏原理和流程, 6-3-2精馏流程,连续精馏流程,间歇精馏流程,精馏段上升蒸汽中

14、轻组分的精制 提馏段下降液相中重组分的提浓 回流实现精馏操作的必要条件,材料与化学工程系 化学工程教研室,化工原理 蒸馏,27/93,6-4 两组分连续精馏的计算,两组分连续精馏的工艺设计及计算主要内容:,1）确定产品的流量和组成； 2）确定精馏塔的类型，根据塔型，计算理论板层数或填料层高度； 3）确定塔高和塔径； 4）对板式塔，进行塔板结构尺寸的计算和塔板的流体力学验算； 5）对填料塔，确定填料的类型和尺寸，并计算填料塔的流动阻力； 6）计算冷凝器和再沸器的热负荷，并确定两者的类型和尺寸，以及冷却剂和加热剂的用量。,材料与化学工程系 化学工程教研室,化工原理 蒸馏,28/93,6-4 两组分

15、连续精馏的计算, 6-4-1 理论板与恒摩尔流假设,理论板衡量实际板分离效率的依据和标准。,一、理论板,二、恒摩尔流假设,热量衡算：,物料衡算：,材料与化学工程系 化学工程教研室,化工原理 蒸馏,29/93,6-4 两组分连续精馏的计算,精馏段：,提馏段：,服从恒摩尔流假定的精馏过程，塔板上汽液两相接触时，有多少摩尔的蒸汽冷凝，相应就有多少摩尔的液体汽化。因此该精馏过程属等摩尔反向扩散传质过程。,范围 基准 xF、xD、xW：进料、馏出液、釜残液的组成（摩尔分率）； F、D、W：进料、馏出液、釜残液的流量（kmol/h）。, 6-4-2 物料衡算与操作线,一、全塔物料衡算,材料与化学工程系 化

16、学工程教研室,化工原理 蒸馏,30/93,6-4 两组分连续精馏的计算,总物料：,轻组分：,塔顶轻组分回收率：,塔底重组分回收率：,注意：,规定分离要求：应满足DxDFxf 或(D/F)(Xd/Xw)。,材料与化学工程系 化学工程教研室,化工原理 蒸馏,31/93,6-4 两组分连续精馏的计算,二、精馏段操作线方程,回流比,满足恒摩尔流，则V=(R+1)L。,精馏段操作线,特点：直线；过点（xD,xD)和点（0，xD/(R+1),材料与化学工程系 化学工程教研室,化工原理 蒸馏,32/93,6-4 两组分连续精馏的计算,三.提馏段操作线方程,范围 基准,提馏段操作线方程,特点：直线， 过(xW

17、, xW）点。,材料与化学工程系 化学工程教研室,化工原理 蒸馏,33/93,6-4 两组分连续精馏的计算,提馏操作线： c点：y =x= xW 斜率：L/V 截距：-WxW /V,精馏操作线： a点：y =x= xD 斜率：R/(R+1) 截距：xD /(R+1),x,y,0,1.0,1.0,xD,a,b,xW,c,d,e,材料与化学工程系 化学工程教研室,化工原理 蒸馏,34/93,6-4 两组分连续精馏的计算,6-4-3 进料热状况的影响,第 m 块板加料板 范围 基准,总物料衡算：,轻组分物料衡算：,热量衡算：,材料与化学工程系 化学工程教研室,化工原理 蒸馏,35/93,6-4 两组

18、分连续精馏的计算,饱和蒸汽间的显热可不计 饱和液体间的显热可不计,加料热状态参数,精馏段与提馏段的两相流量关系：,提馏段操作线方程：,材料与化学工程系 化学工程教研室,化工原理 蒸馏,36/93,6-4 两组分连续精馏的计算,（1）温度低于泡点的冷液体 tF1;,（2）泡点下的饱和液体tF=tB ， IF=IL； q=1 ;,（3）汽液混合物tBtFtD，ILIFIV ；0q1; q=汽液混合中液相分率,（4）露点下的饱和蒸汽tF=tD， IF=IV ；q=0;,（5）过热蒸汽tFtD，IFIV ; q1。,实际生产中，精馏塔的进料可能有五种不同的热状态, 对于两段之间的物料平衡会有不同影响：

19、,材料与化学工程系 化学工程教研室,化工原理 蒸馏,37/93,6-4 两组分连续精馏的计算,(1) 冷液体 q1, LL+F, VV,(2) 饱和液体 q=1, L=L+F, V=V,(3) 汽液混合物 0L, VV,(4) 饱和蒸汽 q=0, L=L, V=F+V,(5) 过热蒸汽 qF+V,上述各进料热状态下的 q 值，以及受此影响的汽、液摩尔流率分别为,进料线方程精馏段操作线与提馏段操作线的交点轨迹方程，也被称为q线方程。,精馏段操作线方程：,提馏段操作线方程：,材料与化学工程系 化学工程教研室,化工原理 蒸馏,38/93,6-4 两组分连续精馏的计算,进料方程或q线方程,特点：加料热

20、状态一定时，q 线方程式为一直线方程；且必定会过点（xF,xF)。 不同加料热状态对应不同的 q 值，也就对应着不同的 q 线。 当饱和液体进料，q=1,q 线方程为x=xF； 当饱和蒸汽进料，q=0，q 线方程为y=xF 。,材料与化学工程系 化学工程教研室,化工原理 蒸馏,39/93,6-4 两组分连续精馏的计算,q 线的作法： e点(xF,xF)，斜率=q/(q-1),进料焓值(温度)增加，q 值减小， 则 q 线与精馏操作线的交点(相应加料热状态下两操作线的交点)沿着精馏操作线向 x、y 减小的方向移动。从塔设备的角度，这意味着加料板位置下移。,q 线与精馏段操作线的交点即为两操作线的

21、交点，仅需将此点与对角线上的 x=xW，y=xW 点联结，即得提馏段操作线。 实际应用中，常用此法作提馏段操作线。,材料与化学工程系 化学工程教研室,化工原理 蒸馏,40/93,6-4 两组分连续精馏的计算,6-4-4 理论板层数的求法,对符合恒摩尔流假设的双组分精馏过程，NT 操作线方程和相平衡关系。,一.逐板计算法,依据：,材料与化学工程系 化学工程教研室,化工原理 蒸馏,41/93,6-4 两组分连续精馏的计算,步 骤：,x1,y2,x2,第n层理论板是进料板，精馏段所需理论板层数为（n-1）,此后，可改用提段操作线方程进行类似计算，直至xm xW，m为提馏段理论板数（含再沸器）。,若塔

22、顶为全凝器, y1=xD,y3,材料与化学工程系 化学工程教研室,化工原理 蒸馏,42/93,6-4 两组分连续精馏的计算,例.二元混合液中轻组分的摩尔分率xF=0.25，采用精馏操作进行分离，要求xD不小于0.98、xW不大于0.0885。操作条件下的相对挥发度为2.47，操作条件为回流比为5、泡点回流、泡点进料，求所需理论板层数。,材料与化学工程系 化学工程教研室,化工原理 蒸馏,43/93,6-4 两组分连续精馏的计算,泡点回流，则y1=xD=0.98平衡方程x1 操作线y2 ,第八块板为进料板，共需要10块理论板（含塔釜再沸器）,材料与化学工程系 化学工程教研室,化工原理 蒸馏,44/

23、93,6-4 两组分连续精馏的计算,二、图解法,梯级图解法以平衡关系与操作关系为依据，将两者绘在图上，便可图解得出达到指定分离任务所须的理论塔板数及加料板位置。,依据：R、q，进料及产品组成。 步 骤： 1. 作平衡线及对角线； 2. 作精馏段操作线； 3. 作q线； 4. 点(xq，yq)和(xW，xW)作提馏段操作线； 5.从a点平衡线与精馏段操作线之间作直角梯级； 6. 恰好跨越交点（d点）时，则在平衡线与提馏操作线之间作梯级，直至某梯级的垂直线达到小于xW为止；,材料与化学工程系 化学工程教研室,化工原理 蒸馏,45/93,6-4 两组分连续精馏的计算,7 .每个梯级代表一块理论板。梯

24、级总数即为所需理论板数。,材料与化学工程系 化学工程教研室,化工原理 蒸馏,46/93,6-4 两组分连续精馏的计算,进料位置对理论板数的影响：,图a最佳进料位置所需的理论板数为最少。 图b，c：加料板位置偏离进料组成，两种安排所需的理论板数均有所增加。原因是操作线在局部与平衡线距离很近，传质推动力小（增浓程度小）。,材料与化学工程系 化学工程教研室,化工原理 蒸馏,47/93,6-4 两组分连续精馏的计算, 6-4-5 几种特殊情况时理论板层数的求法,一.直接蒸气加热,适用：重组分为水的体系。,易挥发组分衡算：,总物料衡算:,若恒摩尔流假设仍成立，则:,精馏段操作线：,提馏段操作线,如何求解

25、NT？,材料与化学工程系 化学工程教研室,化工原理 蒸馏,48/93,6-4 两组分连续精馏的计算,二.多侧线塔,多股股进料 特点多q线,原因：1）多股进料，2）多股采出 特点：多塔段、各塔段的两相流量改变。,第1段：,第2段：,材料与化学工程系 化学工程教研室,化工原理 蒸馏,49/93,6-4 两组分连续精馏的计算,第3段,(xD,xD)、(0,xD/(R+1) ， (xq1,yq1)和第2塔段操作线的截距作； (xq2,yq2)和(xW,xW) 。,材料与化学工程系 化学工程教研室,化工原理 蒸馏,50/93,6-4 两组分连续精馏的计算,侧线出料：饱和液体出料、饱和蒸汽出料分成多段,三

26、.提馏塔,特点：无精馏段,材料与化学工程系 化学工程教研室,化工原理 蒸馏,51/93,6-4 两组分连续精馏的计算,以原料液作液相流时：,提馏段操作线方程为 ：,q 线方程联立求解可得提馏段操作线与 q 线交点坐标,理论板数图解： y=xD 与 q 线的交点即为提馏段操作线的起点，联结点 d 与点 b（xW , xW）得提馏段操作线，由点 d 开始在两线间作梯级至 b 点得所需理论板数。,材料与化学工程系 化学工程教研室,化工原理 蒸馏,52/93,6-4 两组分连续精馏的计算,当泡点进料时 q=1，交点为 xq= xF , yq=xD,提馏段操作线方程为 ：,欲提高馏出液组成，必须减少蒸发

27、量，增大操作线斜率F/D，所需理论板数将增加。 当操作线上端移至 e 点，与成平衡的汽相组成为xD,max,材料与化学工程系 化学工程教研室,化工原理 蒸馏,53/93,6-4 两组分连续精馏的计算,四.塔顶设分凝器的精馏,材料与化学工程系 化学工程教研室,化工原理 蒸馏,54/93,6-4 两组分连续精馏的计算,精馏塔采用冷液回流，回流液温度为T ，控制回流比R=L0/D，第一块下降液体量L，实际回流比R=L/D。（IVIV) 1）试证明：R=R(1+cp(TB-T)/r)； 2）精馏段操作线。,五.塔顶设分凝器的精馏,材料与化学工程系 化学工程教研室,化工原理 蒸馏,55/93,6-4 两

28、组分连续精馏的计算,材料与化学工程系 化学工程教研室,化工原理 蒸馏,56/93,6-4 两组分连续精馏的计算, 6-4-6 回流比的影响及其选择,材料与化学工程系 化学工程教研室,化工原理 蒸馏,57/93,6-4 两组分连续精馏的计算,材料与化学工程系 化学工程教研室,化工原理 蒸馏,58/93,6-4 两组分连续精馏的计算,三.最小回流比,R NT R=Rmin NT= RRmin 无法完成分离任务 最小回流比xD、xW、xF、q、 NT= Rmin,最小回流比的求法,理想物系、具有一般正负偏差的实际体系:,材料与化学工程系 化学工程教研室,化工原理 蒸馏,59/93,6-4 两组分连续

29、精馏的计算,以表示平衡关系：,饱和液体进料，q=1,xq=xF：,饱和蒸汽进料，q=0,yq=xF：,材料与化学工程系 化学工程教研室,化工原理 蒸馏,60/93,6-4 两组分连续精馏的计算,特殊的平衡曲线下的Rmin,材料与化学工程系 化学工程教研室,化工原理 蒸馏,61/93,6-4 两组分连续精馏的计算,RRmin，R操作费用和设备费用。,四.适宜回流比的选择,操作费用：加热介质的量、冷冷却介质的量。,F、q、D 一定时，R 增大，操作费用相应增加。,设备费用：塔高、塔径,材料与化学工程系 化学工程教研室,化工原理 蒸馏,62/93,6-4 两组分连续精馏的计算,操作费,最适宜的回流比

30、总费用最低时的回流比。,根据实验和生产数据统计:,例.xF=0.5、q=1、=2、D/F=0.6、NT=。 求：1)R=0.8，xD=? xW=? 2)R=1.5，xD=? xW=?,材料与化学工程系 化学工程教研室,化工原理 蒸馏,63/93,6-4 两组分连续精馏的计算,解：,1） NT=，R=Rmin=(xD-yq) / (yq-xq) q=1xq=xF=0.5 夹紧为x=xF与平衡曲线的交点。,代入最小回流比计算式,xD=0.8,物料衡算,2)设仍存在夹紧点，且位于q线与平衡曲线的交点，则：,材料与化学工程系 化学工程教研室,化工原理 蒸馏,64/93,6-4 两组分连续精馏的计算,物

31、料衡算：,说明达到了最大分离程度。取F=1mol/h基准，D=0.6mol/hFxF，表明塔釜残液为纯态的重组分。因此：,精馏段操作线：,提馏段操作线：,用8个物系，由逐板计算得出的结果绘制而成。,吉利兰 (Gilliland) 关联图, 6-4-7简捷法求理论板层数,材料与化学工程系 化学工程教研室,化工原理 蒸馏,65/93,6-4 两组分连续精馏的计算,应用条件：组分数目=211；进料热状态包括冷液至过热蒸汽的五种情况； Rmin =0.537.0；=1.264.05；理论板数=2.443.1。,注意：使用该图计算时，条件应尽量与上述条件相近。,步骤： (1) 求 Rmin，并选择R；(

32、2) 求Nmin；(3) (R-Rmin)/(R+1)，查 (NT-Nmin)/(NT+1) ，得所需 NT；(4) 确定加料位置。,注意：上述计算中，与实际回流比 R 对应的 NT 和与全回流对应的 Nmin，均指包括再沸器的全塔理论板数。,材料与化学工程系 化学工程教研室,化工原理 蒸馏,66/93,6-4 两组分连续精馏的计算, 6-4-8 塔高和塔径的计算,一、板效率与塔高,理论板 实际板 校正,1.单板效率,物理意义: 分子代 表汽相或液相经过一块板后实际的组成变化，分母则为理论板的组成变化。整块板的平均效率点效率,材料与化学工程系 化学工程教研室,化工原理 蒸馏,67/93,6-4

33、 两组分连续精馏的计算,2.全塔板效率,反映塔中各层塔板的平均效率,3.塔高,二.塔径计算,选择操作流速u,操作状态下上升蒸汽的体积流量Vs,按塔设备的的标准圆整,校核操作流速,分别计算精馏段和提馏段塔径，若相差较大，应采用异径塔。,材料与化学工程系 化学工程教研室,化工原理 蒸馏,68/93,6-4 两组分连续精馏的计算, 6-4-9 连续精馏装置的热量衡算,冷凝器：塔顶冷凝得到回流液和产品； 再沸器：塔底供热产生回流蒸汽。,一.冷凝器的热量衡算,对全凝器作热量衡算，若忽略热损失,冷却介质消耗量则为,Qc：热负荷，kJ/s；IV, IL ：塔顶上升蒸汽和馏出液的焓，kJ/kmol；Wc ：冷

34、却介质消耗量，kg/s； Cpc：冷却介质的比热，kJ/(kg)；t1、t2 ：冷却介质在冷凝器进、出口处的温度。,材料与化学工程系 化学工程教研室,化工原理 蒸馏,69/93,6-4 两组分连续精馏的计算,二.再沸器,加热介质消耗量：,材料与化学工程系 化学工程教研室,化工原理 蒸馏,70/93,6-4 两组分连续精馏的计算,一.灵敏板,温度分布 原因,温度反映各板组成,灵敏板：温度改变最显著的塔板。, 6-4-10 精馏塔的操作和调节,材料与化学工程系 化学工程教研室,化工原理 蒸馏,71/93,6-4 两组分连续精馏的计算,二.精馏塔的操作与调节,xF的影响：可 R 或 D/F 的调节方

35、法。,(1) R，L/V ；L/V，两操作线与平衡线距离，塔板分离能力 。若 xF 下降不大，可在 D/F 不变的情况下维持 xD 不变，但塔顶冷凝器和塔釜再沸器的负荷增加，能耗增加。 (2) V 不变，减少 D/F，精馏段L/V ，精馏段塔板的分离能力变大，故 xF 下降不大时，适当减少采出量 D/F 也可维持 xD 不变。 注意：R ，使xD 提高，受塔板数限制，提高程度有限。,材料与化学工程系 化学工程教研室,化工原理 蒸馏,72/93,6-4 两组分连续精馏的计算, q的影响：R 相同，q，进料带入热量，相同分离程度(xD-xW)所需理论板数。1) R 相同:为保持冷凝负荷 V 不变，

36、进料热，塔底供热，塔釜上升蒸汽量，提操线斜率并向平衡线移动，提馏段每一塔板的分离能力 ；2)若V不变，进料带入的热量(q)，精馏段上升汽量 V ，冷凝负荷，R。 注意： q 变化时，应根据冷凝器和再沸器的负荷能力来调节塔顶的回流液量与塔釜的汽化量，以满足分离的要求。,若 xF 变化较大而要维持 xD 不变，应适当下调进料位置，并同时加大 R 或减少 D/F 的调节。,材料与化学工程系 化学工程教研室,化工原理 蒸馏,73/93,6-4 两组分连续精馏的计算, R的影响：回流比是精馏塔分离效果的主要因素，生产中常用改变回流比来调节、控制产品质量。 在D/F一定时，通过增大R提高xD会受到下列因素

37、的限制： 1.再沸器和冷凝器的传热能力； 2.精馏塔所具有的理论板数，即使R增大到无穷大，（全回流），xD有一最大值极限； 3.全塔物料平衡的极限，即：,塔体散热：当塔体的热量损失QL=0，1） QL0，热量从塔环境，从上到下的L或L依次增大，与增大R的效果相同；2） QL0,与减小R的效果相同。,材料与化学工程系 化学工程教研室,化工原理 蒸馏,74/93,6-4 两组分连续精馏的计算, 6-5-11精馏塔的计算类型,一.设计型计算,设计条件：混合物系、组成、处理量,任务：1）选择操作条件；2）选择塔型；3）计算塔的工艺尺寸（塔径、塔高、板间距、塔板布置、流体力学性能验算等）；4）选择加热剂

38、、冷凝剂、再沸器、冷凝器、泵；5）主体设备和附属部件选择，包括塔体壁厚与公称直径、接管尺寸、接管阀栏、群坐、人孔、手孔、等。,二、操作型,设备一定，且忽略操作条件变化对ET的影响。 1.通过改变操作条件，定量计算分离效果的变化，或定性分析xD、xW的变化趋势。,材料与化学工程系 化学工程教研室,化工原理 蒸馏,75/93,6-4 两组分连续精馏的计算,2.校核：对一定的设备在指定操作条件下操作，判断能否达到分离要求。,二元精馏的基本方程,分离结果的变化受物料衡算和各板分离能力的约束。,方法：试差法或反证法。,材料与化学工程系 化学工程教研室,化工原理 蒸馏,76/93,6-4 两组分连续精馏的

39、计算,例.某精馏塔具有5块理论板（含塔釜再沸器），含苯50%（摩尔分率）的苯甲苯混合掖预热至泡点后在塔的第三块理论板（从上往下）上进入塔内，泡点回流，回流比为3，塔顶的馏出率为0.44，体系的相对挥发度为2.47。试计算馏出液和釜残液的组成。,材料与化学工程系 化学工程教研室,化工原理 蒸馏,77/93,6-4 两组分连续精馏的计算,y1= 0.8890、 x1= 0.7642；y2= 0.7955 、x2= 0.6117 ；y3= 0.6810 、 x3= 0.4637 ；y4= 0.5494 、x4= 0.3305； y5= 0.3739 、 x5= 0.1946假设值。,所以：xD=0.

40、8890；xW=0.1946。,材料与化学工程系 化学工程教研室,化工原理 蒸馏,78/93,6-5 间歇精馏,特点：非稳态过程；只有精馏段。,操作方式：馏出液组成恒定；回流比恒定,流程：,6-5-1 回流比恒定的间歇精馏塔计算,已知F、xF、要求的最终xWe 和馏出液平均组成，确定适宜的回流比和所需的理论板数。,材料与化学工程系 化学工程教研室,化工原理 蒸馏,79/93,6-5 间歇精馏,R 恒定的间歇精馏，xD 与 xW 均随过程的进行而变。 N 一定，任意时刻的 xD 与 xW 相互制约。 操作线随过程平行下移，即操作 线的起点和截距均在变。,假设xD始 xD始 xF Rmin,一.特

41、征,二.确定回流比和理论板数,Rmin R NT,材料与化学工程系 化学工程教研室,化工原理 蒸馏,80/93,6-5 间歇精馏,任取 xD xW,三.残液量, ： W，xW，xD +d ：W+dW，xW+dxW,材料与化学工程系 化学工程教研室,化工原理 蒸馏,81/93,6-5 间歇精馏,得出的 与任务给定的 比较，若相等或稍大即为所求，否则应另设 xD始，重新进行上述各步计算。,总汽化量：,根据总汽化量和操作所需时间可确定单位时间的汽化量，并由此确定精馏塔的塔径与蒸馏釜的传热面积。,F、xF 和 xWe 由分离任务给定,材料与化学工程系 化学工程教研室,化工原理 蒸馏,82/93,6-5

42、 间歇精馏,-5-馏出液组成保持恒定的间歇精馏,已知F、xF、xD、xW 或 ，确定回流比的变化范围和所需的理论板数。,一.馏出液量和釜残液量的确定,二.理论板数的确定,xD 恒定，过程终了时 xW 最低， 则(xD-xW) 最高，NT 最大。 设终了时刻釜液组成为 xWe，可用图解法求理论板数。,D, xD,W, xW,Q,V,L,F,材料与化学工程系 化学工程教研室,化工原理 蒸馏,83/93,6-5 间歇精馏,最小回流比,R终=(1.12)Rmin NT,R终 为 xD 恒定的间歇操作终了时的最大回流比，初期可采用较小的 R。 xW 与 R 有对应关系：R 的 xW 瞬间对应值图解,材料

43、与化学工程系 化学工程教研室,化工原理 蒸馏,84/93,6-5 间歇精馏,汽化量=f( 蒸汽用量, 传热面积 ),设： d 内，汽化量： dV ，馏出液量： dD,对开始至任一时刻作物料衡算,汽化量：,回流比：,汽化量：,材料与化学工程系 化学工程教研室,化工原理 蒸馏,85/93,6-5 间歇精馏,若已知蒸馏釜的汽化能力 (kmol/s)，则精馏一釜料液所需时间为：,材料与化学工程系 化学工程教研室,化工原理 蒸馏,86/93,6-6 特殊精馏,恒沸物或接近于1的物系,普通精馏,特殊精馏 萃取 吸附 膜分离,萃取精馏 恒沸精馏 加盐精馏 反应精馏 水蒸气蒸馏,加入第三种物质，改变原来体系的

44、气液平衡关系。 因需要回收第三组分，故采用多塔联合操作。,偶合技术,降低高沸点或热敏性物系操作温度。,材料与化学工程系 化学工程教研室,化工原理 蒸馏,87/93,6-6 特殊精馏, 6-6-1 恒沸精馏,形成新恒沸物，改变组分间的 ，再用一般精馏方法分离。 最低恒沸物的体系：恒沸物为塔顶产品，塔底得纯组分； 最高恒沸物的体系：恒沸物为塔底产品，塔顶得纯组分。 恒沸精馏流程取决于挟带剂与原组分形成的恒沸液的性质。,一.挟带剂的选用,形成的恒沸物易于分离，以便回收挟带剂，且挟带剂的含量越少越好，这样可节省操作费用；,热稳定性、腐蚀性、毒性、价格等因素。,与原溶液的组分形成恒沸物的恒沸点要与该溶液

45、中纯组分的沸点有相当的差值，一般不小于10；,材料与化学工程系 化学工程教研室,化工原理 蒸馏,88/93,6-6 特殊精馏,二.实例制无水乙醇,乙醇-水二元恒沸物（恒沸点78.15，乙醇摩尔分率0.894）,苯、乙醇、水三元非均相恒沸物： 苯：0.539；乙醇：0.228 水：0.233 沸点：64.85,上层苯相 苯：0.745 乙醇：0.217 少量水 下层水相 苯：0.0428 乙醇：0.35 其余为水,材料与化学工程系 化学工程教研室,化工原理 蒸馏,89/93,6-6 特殊精馏,6-7-2萃取精馏,第三组分萃取剂(溶剂)一般沸点较高、不与原溶液中任一组分形成恒沸物，仅改变原组分的

46、从而实现精馏分离。 塔顶可得一个纯组分，萃取剂与另一组分从塔底排出。 因不要求添加的溶剂与原溶液中的组分形成恒沸物，所以萃取剂的选择范围较宽，萃取精馏应用也更广。,一.萃取剂的选择,选择性能好，即加入少量萃取剂后能使溶液的相对挥发度发生显著提高；,挥发性小且不与原组分起化学反应，不形成恒沸物，以便于分离回收，减少损失。,安全，无毒，无腐蚀性，热稳定性好以及价格便宜等。,材料与化学工程系 化学工程教研室,化工原理 蒸馏,90/93,6-6 特殊精馏,二.实例苯-环己烷溶液的萃取分离,苯 80.1，环己烷 80.73， 为 0.98,若在该溶液中加入沸点较高的糠醛（沸点161.7），则溶液的相对挥

47、发度发 生显著的变化。,材料与化学工程系 化学工程教研室,化工原理 蒸馏,91/93,复习,一.基本概念,理想溶液、理想气体，两组分物系的汽液平衡关系的表示、相律，t-x-y图、x-y图，拉乌尔定律，泡点与露点，泡点方程与露点方程，挥发度与相对挥发度及其影响因素；精馏原理；双组分连续精馏塔的物料衡算，恒摩尔流假设，理论板的概念，操作线方程，进料热状况，q的意义及计算，全回流与最少理论板层数、最小回流比的概念及确定，回流比对精馏过程的影响，理论板数的确定（图解法，逐板计算法及简捷法）；点效率、板效率和塔效率的概念，实际塔板数的确定；精馏装置的热衡算；平衡蒸馏、简单蒸馏的特点及计算；特殊精馏的分类及特点，精馏塔全塔效率及点效率的测定方法。,材料与化学工程系 化学工程教研室,化工原理 蒸馏,92/93,复习,二.基本公式,理想物系的汽液平衡：,物料衡算：,操作线 ：,材料与化学工程系 化学工程教研室,化工原理 蒸馏,93/93,复习,最少理论板数：,回流比 ：,单板效率：,全塔效率：,利用图解法、捷算法、逐板计算法计算理论板。提馏塔、多侧线塔、蒸汽直接加热、冷液回流、分凝气、简单蒸馏与平衡蒸馏等的特点与计算。,