《化工原理》第十章蒸餾定義和過程

1、化工原理第十章 蒸 餾定義和過程概述（Introduction） 蒸餾分離操作：利用液體混合物中各組分（component）揮發(fā)性（volatility）的差異，以熱能為媒介使其部分汽化，從而在汽相富集輕組分，液相富集重組分，使液體混合物得以分離的方法。 閃蒸罐塔頂產(chǎn)品yAxA加熱器原料液 塔底產(chǎn)品 Q減壓閥概述（Introduction） 蒸餾分離操作實(shí)例：石油煉制中使用的 250 萬噸常減壓裝置蒸餾操作的用途：許多生產(chǎn)工藝常常涉及到互溶液體混合物的分離問題，如石油煉制品的切割，有機(jī)合成產(chǎn)品的提純，溶劑回收和廢液排放前的達(dá)標(biāo)處理等等。分離的方法有多種，工業(yè)上最常用的是蒸餾或精餾。 概述（In

2、troduction） 簡(jiǎn)單蒸餾或平衡蒸餾：一般用在混合物各組分揮發(fā)性相差大，對(duì)組分分離程度要求又不高的情況下。精餾：在混合物組分分離純度要求很高時(shí)采用。特殊精餾：混合物中各組分揮發(fā)性相差很小，或形成恒沸液（azeotrope），難以或不能用普通精餾加以分離時(shí)，借助某些特殊手段進(jìn)行的精餾。間歇精餾：多用于小批量生產(chǎn)或某些有特殊要求的場(chǎng)合。連續(xù)精餾：多用于大批量工業(yè)生產(chǎn)中。概述（Introduction） 常壓蒸餾：蒸餾在常壓下進(jìn)行。減壓蒸餾：用于常壓下物系沸點(diǎn)較高，使用高溫加熱介質(zhì)不經(jīng)濟(jì)或熱敏性物質(zhì)不能承受的情況。減壓可降低操作溫度。加壓蒸餾：對(duì)常壓沸點(diǎn)很低的物系，蒸汽相的冷凝不能采用常溫水和

3、空氣等廉價(jià)冷卻劑，或?qū)Τ爻合聻闅怏w的物系（如空氣）進(jìn)行精餾分離，可采用加壓以提高混合物的沸點(diǎn)。多組分精餾：例如原油的分離。雙組分精餾：例如乙純-水體系的分離。本章著重討論常壓下雙組分連續(xù)精餾。其原理和計(jì)算方法可推廣應(yīng)用到多組分體系。 氣液兩相的接觸方式連續(xù)接觸（微分接觸）：氣、液兩相的濃度呈連續(xù)變化。如填料塔。級(jí)式接觸：氣、液兩相逐級(jí)接觸傳質(zhì)，兩相的組成呈階躍變化。 如板式塔。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 DJ 塔盤 新型塔板、填料雙組分溶液的氣液相平衡關(guān)系Vapor-liquid equilibria in binary systems 理想溶液的汽液平衡拉烏爾（Ra

4、oult）定律 蒸餾分離的物系由加熱至沸騰的液相和產(chǎn)生的蒸汽相構(gòu)成。相平衡關(guān)系既是組分在兩相中分配的依據(jù)，也為確定傳質(zhì)推動(dòng)力所必需，是蒸餾過程分析和設(shè)計(jì)計(jì)算的重要基礎(chǔ)。 汽、液兩相物系分為理想物系與非理想物系兩大類。理想物系：液相為理想溶液、汽相為理想氣體的物系。實(shí)驗(yàn)表明，理想溶液服從拉烏爾（Raoult）定律，理想氣體服從理想氣體定律或道爾頓分壓定律。理想溶液的汽液平衡拉烏爾（Raoult）定律溶液沸騰時(shí)，溶液上方的總壓應(yīng)等于各組分的分壓之和，即 根據(jù)拉烏爾定律，兩組分物系理想溶液上方的平衡蒸汽壓為 式中：pA、pB 液相上方A、B兩組分的蒸汽壓，Pa； xA、xB 液相中A、B兩組分的摩爾

5、分?jǐn)?shù)； poA、poB 在溶液溫度 t 下純組分A、B的飽和蒸汽壓，為溫度的函數(shù)，Pa。 泡點(diǎn)方程（bubble-point equation）在組分A、B組成的理想溶液中，則有： 理想溶液的汽液平衡拉烏爾（Raoult）定律A、B、C 為安托因常數(shù)，可由相關(guān)的手冊(cè)查到。 因 poA、poB 取決于溶液沸騰時(shí)的（泡點(diǎn)）溫度，所以上式實(shí)際表達(dá)的是一定總壓下液相組成與溶液泡點(diǎn)溫度關(guān)系。已知溶液的泡點(diǎn)可由上式計(jì)算液相組成；反之，已知組成也可由上式算出溶液的泡點(diǎn)，但一般需試差。式中純組分 A、B 的飽和蒸汽壓與溫度的關(guān)系，通常用安托因（Antoine）方程表示： 理想溶液的汽液平衡拉烏爾（Raoult

6、）定律當(dāng)汽相為理想氣體時(shí)上式為一定總壓下汽相組成與溫度的關(guān)系式。對(duì)一定組成的汽相而言該溫度又稱為露點(diǎn)(dew-point)，故上式又稱為露點(diǎn)方程。嚴(yán)格地說沒有完全理想的物系。對(duì)性質(zhì)相近、分子結(jié)構(gòu)相似的組分所組成的溶液，如苯-甲苯，甲醇-乙醇，烴內(nèi)同系物等，可視為理想溶液；若汽相壓力不高，可視為理想氣體，則物系可視為理想物系。 對(duì)非理想物系不能簡(jiǎn)單地使用上述定律。汽液相平衡數(shù)據(jù)可以通過分子模擬計(jì)算，但更多地依靠實(shí)驗(yàn)測(cè)定。 汽液相平衡圖（equilibrium diagram）根據(jù)相律(phase rule)，雙組分兩相物系自由度(degrees of freedom)為 2，即相平衡時(shí)，在溫度、

7、壓強(qiáng)和汽、液兩相組成四個(gè)變量中，只有兩個(gè)獨(dú)立變量。若物系的溫度、壓強(qiáng)一定，汽、液兩相的組成就一定；若壓強(qiáng)和任一相的組成一定，則物系的溫度和另一相組成將被唯一確定。無論是否理想物系，雙組分汽、液相平衡關(guān)系總可由任一變量與另外兩個(gè)獨(dú)立變量(若固定其中的一個(gè)，則只有一個(gè)獨(dú)立變量)的函數(shù)關(guān)系來表達(dá)。汽液相平衡圖（equilibrium diagram）對(duì)于雙組分汽、液兩相，當(dāng)固定一個(gè)獨(dú)立變量時(shí)，可用二維坐標(biāo)中的曲線圖來表示兩相的平衡關(guān)系，稱為相平衡圖或簡(jiǎn)稱相圖。若用y、x分別表示雙組分汽液相中易揮發(fā)組分的摩爾分?jǐn)?shù)，則相圖有壓強(qiáng)一定的溫度-組成圖（T-x(y)圖）、液相組成和汽相組成圖（x-y圖），以及

8、溫度一定的壓強(qiáng)-組成圖（p-x 圖）。汽液相平衡圖（equilibrium diagram）p-x 圖 p-x 圖中的曲線代表在溫度一定的條件下，兩相平衡時(shí)，組分在氣相中的蒸汽壓與其在液相中的摩爾分?jǐn)?shù)的關(guān)系。理想溶液：組分分壓和系統(tǒng)總壓與液相組成的關(guān)系符合拉烏爾定律。例如：苯-甲苯體系，曲線、均為直線。非理想溶液：(1) 正偏差溶液：組分在汽相中的分壓比拉烏爾定律預(yù)計(jì)值大。例如乙醇-水體系（虛線為拉烏爾定律預(yù)計(jì)值）。(2) 負(fù)偏差溶液：組分在汽相中的分壓比拉烏爾定律預(yù)計(jì)值小。例如硝酸-水體系。 汽液相平衡圖（equilibrium diagram）T-x(y) 圖T-x(y) 圖代表的是在總壓

9、 P 一定的條件下，相平衡時(shí)汽（液）相組成與溫度的關(guān)系（泡點(diǎn)線和露點(diǎn)線） 。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(diǎn) TA，產(chǎn)生第一個(gè)氣泡的組成為 yA。繼續(xù)加熱升高溫度，物系變?yōu)榛コ善胶獾钠?、液兩相，兩相溫度相同組成分別為 yA 和 xA 。t/Cx(y)0露點(diǎn)線泡點(diǎn)線露點(diǎn)泡點(diǎn)xAyAxf氣相區(qū)液相區(qū)兩相區(qū)當(dāng)溫度達(dá)到該溶液的露點(diǎn)，溶液全部汽化成為組成為 yA= xf 的氣相，最后一滴液相的組成為 xA。Dew PointT-x(y) 圖乙醇-水溶液物系的泡點(diǎn)線和露點(diǎn)線在 M 點(diǎn)重合，該點(diǎn)溶液的泡點(diǎn)比兩純組分的沸點(diǎn)都低，這是因?yàn)樵撊芤簽榫哂休^大正偏差的溶液，組成在 M 點(diǎn)時(shí)

10、兩組分的蒸汽壓之和出現(xiàn)最大值。M 點(diǎn)稱為恒沸點(diǎn)，具有這一特征的溶液稱為具有最低恒沸點(diǎn)的溶液。常壓下，乙醇-水物系恒沸組成摩爾分?jǐn)?shù)為0.894，相應(yīng)溫度為78.15(純乙醇為78.3)。與之相反，硝酸-水溶液為負(fù)偏差較大的溶液，在硝酸摩爾分?jǐn)?shù)為0.383時(shí)，兩組分的蒸汽壓之和最低，T-x(y) 圖上對(duì)應(yīng)出現(xiàn)一最高恒沸點(diǎn)（M點(diǎn)），其沸點(diǎn)為121.9。此溶液稱為具有最高恒沸點(diǎn)的溶液。在恒沸點(diǎn)時(shí)汽液兩相組成相同，因此用一般的蒸餾方法不能實(shí)現(xiàn)該組成下混合溶液的分離。 y-xx-y 圖中曲線代表在總壓一定下，液相組成和與之成平衡的汽相組成的關(guān)系。x-y 圖可通過 T-x(y) 圖作出，圖中對(duì)角線 (y=x

11、) 為一參考線 對(duì)于大多數(shù)溶液，兩相平衡時(shí)，y 總是大于 x，故平衡線位于對(duì)角線上方。平衡線偏離對(duì)角線越遠(yuǎn)，表示該溶液越易分離。 恒沸點(diǎn)時(shí)，x-y 線與對(duì)角線相交，該點(diǎn)處汽液相組成相等。溶液中各組分的揮發(fā)性由揮發(fā)度來量衡，其定義為組分在汽相中的平衡蒸汽壓與在液相中的摩爾分?jǐn)?shù)的比值。A、B 溶液中 A、B 兩組分的揮發(fā)度。對(duì)純組分液體，其揮發(fā)度就等于該溫度下液體的飽和蒸汽壓。 溶液中兩組分揮發(fā)度之比稱為相對(duì)揮發(fā)度，用 表示 是相平衡時(shí)兩個(gè)組分在汽相中的摩爾分?jǐn)?shù)比與液相中摩爾分?jǐn)?shù)比的比值，由其大小可以判斷該混合液能否用蒸餾方法加以分離以及分離的難易程度。對(duì)雙組分物系 汽液平衡關(guān)系式的表示方法相對(duì)揮

12、發(fā)度（Relative volatility）對(duì)雙組分物系有 yB=1-yA，xB=1-xA，代入并略去下標(biāo) A 可得 相平衡方程 1，表示組分 A 較 B 易揮發(fā)； 值越大，兩個(gè)組分在兩相中相對(duì)含量的差別越大，越容易用蒸餾方法將兩組分分離；若 =1， yA=xA，此時(shí)不能用普通蒸餾方法分離該混合物。若已知兩組分的相對(duì)揮發(fā)度，則可由上式確定平衡時(shí)汽液兩相的組成。 相對(duì)揮發(fā)度（Relative volatility）對(duì)理想溶液，組分的揮發(fā)度 = po ，所以 盡管組分的飽和蒸汽壓隨溫度變化較大，但 值隨溫度變化相對(duì)較小，因此在一定的溫度范圍內(nèi)，對(duì)理想溶液常取 的平均值用于相平衡的計(jì)算。非理想溶液

13、的 值隨溫度有顯著變化。相對(duì)揮發(fā)度是雙組分物系相平衡計(jì)算中最常采用的方法。 簡(jiǎn)單蒸餾簡(jiǎn)單蒸餾也稱微分蒸餾，為間歇非穩(wěn)態(tài)操作（unsteady batch operation）。加入蒸餾釜的原料液持續(xù)吸熱沸騰汽化，產(chǎn)生的蒸汽由釜頂連續(xù)引入冷凝器得餾出液產(chǎn)品。特點(diǎn)：釜內(nèi)任一時(shí)刻的汽、液兩相組成互成平衡。蒸餾過程中系統(tǒng)的溫度和汽、液相組成均隨時(shí)間改變。 y原料液x蒸氣xD1xD2xD3冷凝器簡(jiǎn)單蒸餾任一時(shí)刻，易揮發(fā)組分在蒸汽中的含量 y 始終大于剩余在釜內(nèi)的液相中的含量 x，釜內(nèi)組分含量 x 由原料的初始組成 xF 沿泡點(diǎn)線不斷下降直至終止蒸餾時(shí)組成 xE，釜內(nèi)溶液的沸點(diǎn)溫度不斷升高，蒸汽相組成 y

14、 也隨之沿露點(diǎn)線不斷降低。簡(jiǎn)單蒸餾的分離效果很有限，工業(yè)生產(chǎn)中一般用于混合液的初步分離或除去混合液中不揮發(fā)的雜質(zhì)。 簡(jiǎn)單蒸餾的過程特征：任一瞬時(shí)釜內(nèi)的汽、液相互成平衡。以物料衡算式、熱量衡算式以及相平衡關(guān)系作為計(jì)算的基本依據(jù)。操作為非穩(wěn)態(tài)，需在一微元時(shí)間段 d 內(nèi)進(jìn)行衡算。 t/Cx(y)0露點(diǎn)線泡點(diǎn)線xAyAxf簡(jiǎn)單蒸餾設(shè) d 時(shí)間內(nèi)塔頂引出的蒸汽量為 dV ，釜液變化量為 dW ； 時(shí)刻釜內(nèi)液體量為 W ，汽、液相組成為 y、x； +d 時(shí)刻釜內(nèi)液體量及組成為 W-dW 及 x-dx 。在 d 時(shí)間內(nèi)由物料衡算可得 整理上兩式，并略去高階微分 dx、dW 項(xiàng)，得 在操作初始的 W1、x1

15、至終止時(shí)刻的 W2、x2 間積分得 式中 y 與 x 互成平衡，只要有汽、液兩相的平衡關(guān)系，就可積分得到任意時(shí)刻釜液量與組成的關(guān)系式。 簡(jiǎn)單蒸餾釜液由 W1 減少 W2 ，釜內(nèi)蒸餾出的液量 D（kmol）及平均組成 可根據(jù)整個(gè)過程的物料衡算求得。 總物料衡算 易揮發(fā)組分的衡算 如果在 x1 到 x2 的操作范圍內(nèi)，相對(duì)揮發(fā)度 可視為常數(shù)，即相平衡關(guān)系為積分可得：兩式聯(lián)解即可求得 D 和 。 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。汽液相平衡數(shù)據(jù)的測(cè)定和生產(chǎn)工藝中溶液的閃蒸分離是平衡蒸餾的典型應(yīng)用。 閃蒸操作流程：一定組成的液體物料被加熱后經(jīng)節(jié)流閥減壓進(jìn)入閃蒸室。液體因沸點(diǎn)下

16、降變?yōu)檫^熱而驟然汽化，汽化耗熱使得液體溫度下降，汽、液兩相溫度趨于一致，兩相組成趨于平衡。由閃蒸室塔頂和塔底引出的汽、液兩相即為閃蒸產(chǎn)品。 閃蒸罐塔頂產(chǎn)品yAxA加熱器原料液 塔底產(chǎn)品 Q減壓閥平衡蒸餾平衡蒸餾對(duì)閃蒸過程可通過物料衡算、熱量衡算以及相平衡數(shù)據(jù)建立起相關(guān)量之間的關(guān)系，從而求解所需參數(shù)。下面以兩組分混合液連續(xù)穩(wěn)定閃蒸過程為例給予說明。 物料衡算 總物料衡算 式中：F、D、W 分別為進(jìn)料流率和出塔汽、液相產(chǎn)物的流率，kmol/s； xF、yD、xW 分別為進(jìn)料料液組成以及出塔汽、液相產(chǎn)物的摩爾分?jǐn)?shù)。 易揮發(fā)組分的物料衡算 兩式聯(lián)立可得 閃蒸罐D(zhuǎn), yD, teyD加熱器F, xF,

17、tF W, xW, teQ減壓閥xWt0平衡蒸餾物料衡算 設(shè)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 液化率與汽、液相組成的關(guān)系 平衡蒸餾過程可認(rèn)為經(jīng)部分汽化或部分冷凝后所得的汽、液兩相呈平衡，即 yDxW 符合平衡關(guān)系。若用相對(duì)揮發(fā)度來表示，則 平衡關(guān)系 若已知進(jìn)料組成 xF 和生產(chǎn)任務(wù)所要求的汽化率 (1-q)，結(jié)合物料衡算式可求得汽、液相組成 yD、xW。 圖10-7平衡蒸餾式中：Cpm 混合液的平均摩爾比熱，kJ/(kmolK)； 平均摩爾汽化熱，kJ/kmol。料液由進(jìn)料溫度 tF 升至 t0 需供給的熱量 Q 為 閃蒸后，料液溫

18、度由 t0 降至平衡溫度 te，若不計(jì)熱損失，則料液放出的顯熱全部用于料液的部分汽化，即 熱量衡算 若 q 為已知，由物料衡算求得汽、液兩相組成 yD、xW 后，可由平衡關(guān)系（如溫度-組成相圖）求得 te，進(jìn)而求得 t0。汽化量大，閃蒸前料液溫度需加熱至更高的 t0 值。 由上式可得 思考： 在操作壓力、原料相同的條件下(x1=xF )，若平衡蒸餾的操作溫度與簡(jiǎn)單蒸餾的最終溫度相同，則簡(jiǎn)單蒸餾與平衡蒸餾相比： 分離效果如何？產(chǎn)品量孰大？思考： 在操作壓力、原料相同的條件下(x1=xF )，若平衡蒸餾的操作溫度與簡(jiǎn)單蒸餾的最終溫度相同，則簡(jiǎn)單蒸餾與平衡蒸餾相比： 分離效果如何？產(chǎn)品量孰大？答：簡(jiǎn)

19、單蒸餾分離效果好，但產(chǎn)量小。簡(jiǎn)：平：精餾 平衡蒸餾以及簡(jiǎn)單蒸餾只能使混合液得到部分分離。簡(jiǎn)單蒸餾操作是對(duì)液體的連續(xù)部分汽化，釜液組成沿 t-x(y) 相圖的泡點(diǎn)線變化，其結(jié)果可得難揮發(fā)組分（重組分）含量很高而易揮發(fā)組分（輕組分）摩爾分?jǐn)?shù) x 很低的釜液。在一定壓力下，將混合蒸汽進(jìn)行連續(xù)部分冷凝，蒸汽相的組成沿 t-x(y) 相圖的露點(diǎn)線變化，結(jié)果可得到難揮發(fā)組分（重組分）含量很低而易揮發(fā)組分（輕組分）摩爾分?jǐn)?shù) y 很高的蒸汽。精餾是多次部分汽化與多次部分冷凝的聯(lián)合操作.精餾原理 塔板提供了汽液分離的場(chǎng)所。每一塊塔板是一個(gè)混合分離器足夠多的板數(shù)可使各組分較完全分離塔板的作用 精餾與簡(jiǎn)單蒸餾的區(qū)別

20、：汽相和液相的部分回流。也是精餾操作的基本條件。提餾段：下降液體（包括回流液和料液中的液體部分）中的輕組分向汽相（回流）傳遞，而汽相中的重組分向液相傳遞，從而完成下降液體重組分的提濃。精餾原理精餾原理 精餾段：汽相中的重組分向液相（回流液）傳遞，而液相中的輕組分向汽相傳遞，從而完成上升蒸氣的精制。料液, xF Feed塔頂產(chǎn)品, xDOverhead product塔底產(chǎn)品, xWBottoms product液相回流Liquid reflux汽相回流Vapor reflux精餾段Rectifying section提餾段Stripping section再沸器Reboiler冷凝器conde

21、nser精餾原理 由塔釜上升的蒸汽與塔頂下流的回流液（包括塔中部的進(jìn)料）構(gòu)成了沿塔高逆流接觸的汽、液兩相。只要相互接觸的汽、液兩相未達(dá)平衡，傳質(zhì)必然發(fā)生。在一定壓力下操作的精餾塔，若入塔回流液中輕組分含量為塔內(nèi)液相的最高值，而由塔釜上升蒸汽中輕組分含量為塔內(nèi)蒸汽相的最低值，與之對(duì)應(yīng)，塔頂溫度最低，塔底則最高，即汽、液兩相溫度由塔頂至塔底遞增。在微分接觸式的塔（如填料塔和降膜塔）的任一截面上或分級(jí)接觸式（如板式塔）的任一塔板上的汽、液兩相不呈平衡，從而發(fā)生傳熱傳質(zhì)。 精餾原理 例：多級(jí)逆流接觸板式塔 板式塔內(nèi)相鄰幾塊板的溫度、組成的關(guān)系為 離開各板的汽、液兩相的濃度取決于板上汽、液兩相接觸傳質(zhì)速

22、率。由于板上的鼓泡傳質(zhì)過程非常復(fù)雜，故難以用數(shù)學(xué)模型進(jìn)行描述。n-1 tn-1ntnn+1tn+1yn+2yn+1ynyn-1xn-2xn-1xnxn+1精餾原理 如在塔頂進(jìn)料則只有塔底的重組分產(chǎn)品可達(dá)高純度，塔頂引出的蒸汽因沒有經(jīng)過精餾段的精制，純度一般不會(huì)高。如在塔底進(jìn)料則只有塔頂?shù)妮p組分產(chǎn)品可達(dá)高純度，塔底的液體因未經(jīng)提餾段提濃，純度一般也不會(huì)高。只有包括了精餾段和提餾段的精餾塔才可能由塔頂和塔底連續(xù)地分別得到高純度的輕、重組分產(chǎn)品。 氣、液傳質(zhì)設(shè)備對(duì)吸收和蒸餾過程是通用的。在吸收一章中對(duì)微分接觸的氣、液相間傳質(zhì)過程作了詳細(xì)介紹，其過程的描述及填料層高度的計(jì)算方法同樣適用于汽-液相間傳質(zhì)

23、的精餾過程。本章將以分級(jí)接觸的板式塔為重點(diǎn)進(jìn)行討論，其分析和計(jì)算方法同樣也可用于吸收過程。 (1) 汽、液兩相在板上充分接觸混合，塔板上不存在溫度差和濃度差；(2) 離開塔板的汽、液兩相達(dá)平衡，即離開理論板的兩相溫度相等，組成互成平衡。實(shí)際塔板上氣液兩相難以達(dá)到平衡，且傳遞過程與物系的性質(zhì)、操作條件以及塔板結(jié)構(gòu)和安裝狀況等因素有關(guān)，很難用簡(jiǎn)單地確定離開實(shí)際塔板的汽、液兩相溫度和組成關(guān)系。設(shè)計(jì)中，為了避免尋求這種難以確定的關(guān)系，一般是首先根據(jù)分離任務(wù)計(jì)算出所需的理論板數(shù)，然后再根據(jù)所選塔板類型以塔板效率進(jìn)行修正，從而確定出所需的實(shí)際塔板數(shù)。 表達(dá)理論板上傳遞過程特征的溫度和汽、液組成可直接由相平

24、衡關(guān)系描述，如 t-x(y) 相圖、泡點(diǎn)方程或露點(diǎn)方程。 理論板的概念（Concept of ideal plate）板式塔精餾過程的基本計(jì)算式 物料衡算式、熱量衡式以及過程特征方程，對(duì)理論板為相平衡方程。總物料衡算式 易揮發(fā)組分衡算式 熱量衡算式（忽略熱損失） 相平衡關(guān)系式（對(duì)理論板成立） Vn+1, yn+1, IV,n+1Vn, yn, IV,nLn-1, xn-1, IL,n-1Ln, xn, IL,nn對(duì)一定的生產(chǎn)任務(wù)和分離要求，當(dāng)塔頂回流量 L0 和塔頂蒸汽組成 y1 確定后，則可利用上述四個(gè)方程，從 n=1 開始逐板計(jì)算各板上的汽、液相組成，從而確定出以加料板分界的精餾段和提餾段

25、所需的理論板數(shù)。恒摩爾流假定（Constant molal overflow hypothesis）若Vn 和 Ln 為精餾段離開第 n 板的汽、液相摩爾流率，因飽和蒸汽焓 IV 為飽和液體焓 IL 與汽化潛熱 之和，對(duì)精餾段有 若忽略組成與溫度改變引起的飽和液體焓的差別和兩組分汽化潛熱差別，即假設(shè) 則可簡(jiǎn)化為 恒摩爾流假定（Constant molal overflow hypothesis） 如果上述推導(dǎo)對(duì)精餾段每塊板均成立，且整個(gè)精餾段顯熱與汽化潛熱相比均可忽略不計(jì)，則 精餾段恒摩爾流假定（m為進(jìn)料板序號(hào)）：每層板上升的蒸汽摩爾流率和下降的液體摩爾流率相等。 同理，當(dāng)提餾段滿足上述推導(dǎo)條

26、件時(shí)，可得 提餾段的恒摩爾流假定。V 和 L 分別表示提餾段內(nèi)的汽、液相摩爾流率，N為塔板的總數(shù)。服從恒摩爾流假定的精餾過程，塔板上汽液兩相接觸時(shí)，有多少摩爾的蒸汽冷凝，相應(yīng)就有多少摩爾的液體汽化。因此該精餾過程屬等摩爾反向擴(kuò)散傳質(zhì)過程。 恒摩爾流假定（Constant molal overflow hypothesis） 由上述推導(dǎo)過程可知，恒摩爾流假設(shè)只適用于被分離組分的沸點(diǎn)和汽化潛熱相差不大的情況。因顯熱與潛熱相比其影響一般要小很多，通常只要被分離組分的汽化潛熱接近，就可認(rèn)為恒摩爾流假定成立。 恒摩爾流假定的引入，使得連續(xù)精餾過程基本計(jì)算式中的變量減少，所需方程數(shù)也隨之減少，過程的計(jì)算大

27、大簡(jiǎn)化。對(duì)雙組分連續(xù)精餾過程的計(jì)算，僅需易揮發(fā)組分物料衡算式與相平衡關(guān)系式兩個(gè)方程。雙組分連續(xù)精餾塔的計(jì)算 精餾塔計(jì)算可分為設(shè)計(jì)型與操作型，其計(jì)算原則在各單元操作中是共同的。板式精餾塔的設(shè)計(jì)型計(jì)算主要包括以下內(nèi)容： 塔頂（或塔底）產(chǎn)量和濃度塔內(nèi)物流量回流量塔板數(shù)或填料層高度進(jìn)料位置 塔徑物料衡算與操作線方程 全塔物料衡算 （Overall material balance）對(duì)穩(wěn)定操作連續(xù)精餾塔，無論塔頂?shù)幕亓饕毫颗c塔釜的再沸蒸汽量多大，料液加入量必等于塔頂和塔釜所得產(chǎn)品量之和。產(chǎn)品流量、組成和進(jìn)料流量、組成之間的關(guān)系可通過全塔物料衡算求得。總物料衡算 易揮發(fā)組分物料衡算 全塔物料衡算 （Ove

28、rall material balance）當(dāng)進(jìn)料流率 F 和組成 xF 以及釜液組成 xW 一定時(shí)，要求塔頂餾出液中輕組分含量 xD 值越大，餾出液的流率 D 值就越小。塔釜產(chǎn)品的流率和組成之間也存在類似關(guān)系。對(duì)進(jìn)料濃度一定的精餾過程，提高產(chǎn)品品質(zhì)是以降低產(chǎn)品產(chǎn)率為代價(jià)的。 操作線方程（Operating line） 1 2 3 n n+1 V, y1D, xDL, xDV, yn+1L, xn 精餾段操作線方程 全凝器，泡點(diǎn)回流 提餾段操作線方程 操作線方程 （Operating line） V, yWW, xWL, xWn n+1 L, xnV, yn+1直線 過點(diǎn)b（xW、xW）、斜率

29、提餾操作線：c點(diǎn)：y =x= xW斜率：L/V截距：-WxW /V操作線方程的在圖上的畫法 精餾操作線：a點(diǎn)：y =x= xD斜率：R/(R+1)截距：xD /(R+1) x y 0 1.0 1.0 xD abxW cde因有物料自塔外引入，故進(jìn)、出加料板的汽液兩相摩爾流率一般不相等。變量增多使得該板計(jì)算所需相關(guān)方程數(shù)增加，其基本計(jì)算式仍由三個(gè)衡算式和相平衡關(guān)系式組成。 進(jìn)料狀態(tài)的影響 加料板的基本計(jì)算式 設(shè)第 m 塊板為加料板，進(jìn)、出該板各股的摩爾流率、組成與熱焓可由物料衡算與熱量衡算得出 F, xF, IFV, ym+1, IVV, ym, IVL, xm-1, ILL, xm, IL第m

30、板加料板的基本計(jì)算式F, xF, IFV, ym+1, IVV, ym, IVL, xm-1, ILL, xm, IL第m板總物料衡算：輕組分物料衡算：熱量衡算：液汽呈飽和狀態(tài)，且相鄰板的溫度及組成相差不大 精餾塔內(nèi)的汽、液相摩爾流率不僅取決于塔頂?shù)幕亓鞅群退自俜衅鞯钠浚遗c加料的熱狀態(tài)（即入塔原料的熱狀態(tài)）直接相關(guān)。加料熱狀態(tài)影響的大小通常用加料熱狀態(tài)參數(shù)來表征。 加料熱狀態(tài)對(duì)塔內(nèi)摩爾流率的影響 若定義 可得： 加料熱狀態(tài)參數(shù)加料熱狀態(tài)參數(shù)的大小與進(jìn)料熱的焓值 IF 直接相關(guān)。 加料熱狀態(tài)對(duì)塔內(nèi)摩爾流率的影響 (1) 飽和液體 q=1, L=L+F, V=V(2) 冷液體 q1, L

31、L+F, VV(3) 飽和蒸汽 q=0, L=L, V=F+V(4) 過熱蒸汽 q0, LF+V(5) 汽液混合物 0qL, VV 實(shí)際生產(chǎn)中，入塔原料可有五種不同的熱狀態(tài)：(1) 泡點(diǎn)下的飽和液體，IF=IL；(2) 溫度低于泡點(diǎn)的冷液體，IFIV；(5) 溫度介于泡點(diǎn)和露點(diǎn)之間的汽液兩相混合物，ILIF1LLFVV（1）飽和液體，q=1LLFVV（5）汽液混合物，0q1LLFVV（3）飽和蒸氣，q=0LLFVV（4）過熱蒸氣，q0加料熱狀態(tài)對(duì)操作線交點(diǎn)的影響提餾段操作線與加料熱狀態(tài)有關(guān)，兩操作線交點(diǎn)的坐標(biāo)也與加料熱狀態(tài)（q值）有關(guān)。應(yīng)用兩操作線方程可導(dǎo)出以 q 值為參變量的交點(diǎn)軌跡方程。由

32、兩操作線方程，有 q 線方程或進(jìn)料方程 代入相應(yīng)關(guān)系式 加料熱狀態(tài)一定時(shí)，q 線方程式為一直線方程。不同加料熱狀態(tài)對(duì)應(yīng)不同的 q 值，也就對(duì)應(yīng)著不同的 q 線。 兩式相減 加料熱狀態(tài)對(duì)操作線交點(diǎn)的影響q 線的作法：(1)在對(duì)角線上作 e 點(diǎn) (y=x=xF)；(2)過e點(diǎn)作斜率 q/(q-1) 的直線。 進(jìn)料焓值(溫度)增加，q 值減小， 則 q 線與精餾操作線的交點(diǎn)(相應(yīng)加料熱狀態(tài)下兩操作線的交點(diǎn))沿著精餾操作線朝 x、y 減小的方向移動(dòng)。從塔設(shè)備的角度，這意味著加料板位置下移。 q 線與精餾段操作線的交點(diǎn)即為兩操作線的交點(diǎn)，僅需將此點(diǎn)與對(duì)角線上的 x=xW，y=xW 點(diǎn)聯(lián)結(jié)，即得提餾段操作

33、線。實(shí)際應(yīng)用中，常用此法作提餾段操作線。 eacbdq0q=00q101.0 xWxy1.0 xDxF不同加料熱狀態(tài)下的 q 線對(duì)符合恒摩爾流假設(shè)的雙組分精餾過程，N 的計(jì)算只需應(yīng)用由易揮發(fā)組分衡算得出的操作線方程和相平衡關(guān)系。 理論板數(shù)的求法 逐板計(jì)算法y1y1x1x2y212yN-2xN-2xN-1yNN-1NmN-2W, xWF, xFD, xDQ對(duì)符合恒摩爾流假設(shè)的雙組分精餾過程，N 的計(jì)算只需應(yīng)用由易揮發(fā)組分衡算得出的操作線方程和相平衡關(guān)系。 理論板數(shù)的求法 圖解法 y1y1x1x2y212yN-2xN-2xN-1yNN-1NmN-2W, xWF, xFD, xDQyy1xW1234

34、5678910axq 線de01.01.0y2y3y6yqxqxFx2x1xD圖解法求理論板數(shù)時(shí)，操作線的更換以某梯級(jí)跨過兩操作線交點(diǎn)來判斷。將跨過交點(diǎn)的梯級(jí)定為加料板，板上汽、液組成與進(jìn)料組成最為相近，對(duì)一定分離任務(wù)，作圖所得的梯級(jí)最少。最適宜的加料位置是板上汽、液組成與進(jìn)料組成最接近處。 最宜的加料位置（Feed-plate location）適宜的加料位置123567812346781234567adccdacda0001.01.01.01.01.01.0yxyxxygf回流比是精餾過程計(jì)算不可缺的重要參數(shù)，塔所需的理論板數(shù)，塔頂冷凝器和塔釜再沸器的熱負(fù)荷均與回流比有關(guān)。精餾過程的投資費(fèi)

35、用和操作費(fèi)用都取決于回流比的值?；亓鞅鹊倪x擇 (Determination of reflux ratio)全回流與最少理論板數(shù)Total reflux and minimum number of plate全回流時(shí)：R D=0 W=0 F=0精餾段操作線：全回流時(shí)操作線和平衡線的距離為最遠(yuǎn)，達(dá)到相同的分離程度所需的理論板數(shù)最少，以 Nmin 表示。 提餾段操作線：對(duì)角線全回流時(shí)的理論板數(shù) Nmin 可用逐板計(jì)算法或圖解法求得。對(duì)理想溶液，可由芬斯克（Fenske）方程直接計(jì)算得。最少理論板數(shù) (Minimum number of plate)第 n 板汽液相平衡關(guān)系：塔頂為全凝器時(shí)，y1 =

36、 xD全回流操作線： 離開第 1 塊板的汽液平衡為： 芬斯克 (Fenske) 方程如此類推，可得第 N 塊板（塔釜）上升蒸汽組成為 芬斯克 (Fenske) 方程即塔釜的液體組成 對(duì)雙組分溶液可略去下標(biāo)A、B式中的塔板數(shù) N 即為全回流時(shí)所需的最少理論板數(shù) Nmin。若取平均相對(duì)揮發(fā)度 芬斯克方程 對(duì)于一定的進(jìn)料和分離要求：R，精餾段操作線截距增大，操作線向平衡線移動(dòng)；進(jìn)料不變則 q 線不變。操作線交點(diǎn) d 將向平衡線靠近。 R，提餾段操作線也向平衡線移動(dòng)。結(jié)論： R，達(dá)到指定分離程度所需理論板數(shù)將增多。最小回流比 (Minimum reflux ratio)最小回流比(Rmin)：R，兩操

37、作線交點(diǎn) d 落在平衡線上，所需的理論板數(shù)為無窮多。d 點(diǎn)稱為挾點(diǎn)，其附近稱為恒濃區(qū)或挾緊區(qū)。 qadydxWxdxFxD1.001.0最小回流比 (Minimum reflux ratio)一般情況下，xd 與 yd 互成平衡（交點(diǎn) d 在平衡線上）。平衡線有下凹部分時(shí)， R，交點(diǎn) d 未落到平衡線上之前，操作線已與平衡線相切（e點(diǎn)）。此時(shí)恒濃區(qū)出現(xiàn)在 e 點(diǎn)附近，對(duì)應(yīng)的回流比為最小回流比。Rmin 公式計(jì)算同前，但式中 xd 與 yd 不是一對(duì)平衡數(shù)據(jù)，需由圖上讀出。 yeqdea01.01.0ydxWxdxFxexDqdea01.01.0yeydxWxdxFxexD實(shí)際操作的回流比應(yīng)介于

38、全回流與最小回流比兩者之間。適宜的回流比根據(jù)經(jīng)濟(jì)核算來確定，即應(yīng)在操作費(fèi)用和設(shè)備費(fèi)用之間作出權(quán)衡。 適宜回流比的選擇（Optimum reflux ratio）操作費(fèi)用：精餾的操作費(fèi)用主要決定于再沸器中產(chǎn)生上升蒸汽 V 所消耗加熱介質(zhì)的量和冷凝器中冷凝塔頂蒸汽 V 所消耗的冷卻介質(zhì)的量。而塔內(nèi)蒸汽量與回流比有關(guān)，即 可見，當(dāng) F、q、D 一定時(shí)，R 增大，塔內(nèi)上升蒸汽量增加，加熱和冷卻介質(zhì)的消耗量亦隨之增多，操作費(fèi)用相應(yīng)增加。 總費(fèi)用設(shè)備費(fèi)操作費(fèi)費(fèi)用回流比 RRopt適宜回流比的選擇（Optimum reflux ratio）設(shè)備費(fèi)用：R=Rmin 時(shí)，需無窮多塊塔板數(shù)，故設(shè)備費(fèi)用為無窮大。只

39、要 R 稍大于Rmin，所需理論板數(shù)急劇減少，設(shè)備費(fèi)用隨之劇減。隨 R 的增大，理論板數(shù)減小的趨勢(shì)漸緩。最適宜的回流比：精餾過程總費(fèi)用（操作費(fèi)用與設(shè)備費(fèi)用之和）最低時(shí)的回流比。 根據(jù)實(shí)驗(yàn)和生產(chǎn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)R 進(jìn)一步增大，上升蒸汽 V 和 V 增大，塔徑、塔板面積、再沸器及冷凝器換熱面積增大，設(shè)備費(fèi)用又開始上升。 理論板數(shù) NRmin回流比 RNmin精餾條件：(1) 組分?jǐn)?shù)目=211；(2) 進(jìn)料熱狀態(tài)包括冷液至過熱蒸汽的五種情況；(3) Rmin =0.537.0；(4) 組分間相對(duì)揮發(fā)度=1.264.05；(5) 理論板數(shù)=2.443.1。用8個(gè)物系，由逐板計(jì)算得出的結(jié)果繪制而成。吉利蘭 (G

40、illiland) 關(guān)聯(lián)圖理論板數(shù)的簡(jiǎn)捷求法 吉利蘭圖在精餾塔設(shè)計(jì)中，常借助于最小回流比 Rmin 以及全回流時(shí)對(duì)應(yīng)的最少理論板數(shù) Nmin 的概念初步估算所需的理論塔板數(shù)。注意：使用該圖計(jì)算時(shí)，條件應(yīng)盡量與上述條件相近。 理論板數(shù)的簡(jiǎn)捷求法 (1) 根據(jù)物系性質(zhì)及分離要求，求出 Rmin，并選擇適宜的 R；(2) 求出全回流下的 Nmin，對(duì)于接近理想物系的溶液，可用Fenske方程計(jì)算；(3) 計(jì)算出 (R-Rmin)/(R+1)，查吉利蘭圖得 (N-Nmin)/(N+1) ，即可求得所需的 N；(4) 確定加料位置。將該圖用于雙組分和多組分精餾的計(jì)算，其大致步驟是：注意：上述計(jì)算中，與實(shí)

41、際回流比 R 對(duì)應(yīng)的 N 和與全回流對(duì)應(yīng)的 Nmin，均指包括再沸器的全塔理論板數(shù)。 吉利蘭圖塔板效率（板效率）表征的是實(shí)際塔板的分離效果接近理論板的程度。單板效率與全塔板效率是常用的兩種表示方法。 單板效率 Em 又稱默弗里（Murphree）板效率，可用氣相單板效率 EmV 或液相單板效率 EmL 表示，其定義分別為 xn, yn 離開第 n 板的液相與汽相的實(shí)際組成；yn*, xn* 與離開第 n 板的液(汽)相組成 xn (yn)成平衡的汽(液)相組成；分子代表經(jīng)過一塊板后組成的實(shí)際變化，分母則為將該板視為理論板時(shí)的組成變化。單板效率通常由實(shí)驗(yàn)測(cè)定。注意：?jiǎn)伟逍适且粔K板的平均效率，板

42、上各點(diǎn)的傳質(zhì)差異可進(jìn)一步由點(diǎn)效率（Local efficiency）來表達(dá)。板效率（Plate efficiency）全塔板效率 ET （總板效率）為完成一定分離任務(wù)所需的理論塔板數(shù) N 和實(shí)際塔板數(shù) NT 之比ET 代表了全塔各層塔板的平均效率，其值恒小于1.0。一般由實(shí)驗(yàn)確定或用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算。對(duì)一定結(jié)構(gòu)形式的板式塔，由分離任務(wù)和工藝條件確定出理論板數(shù)后，若已知一定操作條件下的全塔效率，便可求得實(shí)際板數(shù)。 全塔板效率 （Overall efficiency精餾塔的調(diào)節(jié)與操作型計(jì)算 進(jìn)料濃度的影響：當(dāng) xF 降至 xF ，若 R 和 D/F 不變，精操線斜率不變。但xF下降使塔板上 y, x

43、均減小，xD 和 xW 也隨之下降，精餾段操作線將平行下移。要維持原 xD 不變，可采取增大 R 或減少 D/F 的調(diào)節(jié)方法。 (1) R，精操線斜率L/V ；而提操線斜率L/V，兩操作線與平衡線距離，傳質(zhì)推動(dòng)力，塔板分離能力 。若 xF 下降不大，可在 D/F 不變的情況下維持 xD 不變，但塔頂冷凝器和塔釜再沸器的負(fù)荷增加，即能耗增加。(2) 若冷凝器負(fù)荷量 V 不變，減少 D/F，精餾段L/V （等同于 R 增加），精餾段塔板的分離能力變大，故 xF 下降不大時(shí)，適當(dāng)減少采出量 D/F 也可維持 xD 不變。 注意：加大 R，xD 雖可有所提高，但受塔板數(shù)的限制，提高程度一般很有限。精餾

44、塔操作的調(diào)節(jié) 當(dāng) xF 變化較大而要維持 xD 不變時(shí)，應(yīng)適當(dāng)下調(diào)進(jìn)料位置，使精餾段的板數(shù)增加，并同時(shí)輔以加大 R 或減少 D/F 的調(diào)節(jié)手段。一般精餾塔常設(shè)有幾個(gè)進(jìn)料位置，以保證進(jìn)料狀態(tài)變化時(shí)仍能在適宜位置進(jìn)料。進(jìn)料熱狀態(tài)的影響： R 相同，q，進(jìn)料帶入的熱量，相同分離程度(xD-xW)所需理論板數(shù)。因 R 相同，為保持冷凝負(fù)荷 V 不變，進(jìn)料熱，塔底供熱，塔釜上升蒸汽量，提操線斜率并向平衡線移動(dòng)，提餾段每一塔板的分離能力 。若V不變，進(jìn)料帶入的熱量(q)，精餾段上升汽量 V ，冷凝負(fù)荷，R，對(duì)一定的 xD 所需N，或?qū)σ欢∟，xD 。注意： N或 xD都是以增加能耗為代價(jià)的。 q 變化時(shí)，

45、應(yīng)根據(jù)冷凝器和再沸器的負(fù)荷能力來調(diào)節(jié)塔頂?shù)幕亓饕毫颗c塔釜的汽化量，以滿足分離的要求。小結(jié)習(xí)題a. xF , 其它不變， D, W不變。結(jié)論： xD , xW xF 對(duì)xD, xW 的影響b. 加料板位置上移結(jié)論：xD , xW 加料板位置對(duì)xD, xW 的影響c. R結(jié)論：xD , xW q , R 不變， D不變， V 結(jié)論：xD , xW R 對(duì)xD, xW 的影響q 對(duì)xD, xW 的影響汽相液相塔頂設(shè)有分凝器yD與xL滿足相平衡關(guān)系，故分凝器相當(dāng)于一塊理論板。全凝器分凝器自塔頂加入的料液與塔釜上升的蒸汽進(jìn)行兩相逆流傳質(zhì)，塔頂蒸汽冷凝后全部作為產(chǎn)品。塔釜可得高純度的難揮發(fā)組分產(chǎn)品。其它類

46、型精餾塔亦稱回收塔，是只有提餾段的精餾塔。一般用于回收稀溶液中的輕組分而對(duì)餾出液濃度要求不高，或不用精餾段亦可滿足餾出液要求的情況。從稀氨水中回收氨即為一例。提餾塔（Stripping tower） F, xFD, xDW, xWQ特點(diǎn)：從第一塊板加料，無精餾段，無回流，下降的液體由進(jìn)料提供。提餾塔（Stripping towe)以進(jìn)料液作液相流時(shí)操作線方程為 edxWxFxDbxD,maxyq1.001.0泡點(diǎn)進(jìn)料時(shí) q=1，交點(diǎn)為 xq= xF , yq=xD； xb= xw , yb=xw欲提高餾出液組成，必須減少蒸發(fā)量，增大操作線斜率F/D，所需理論板數(shù)將增加。當(dāng)操作線上端移至 e 點(diǎn)

47、，與成平衡的汽相組成為xD,max提餾塔（Stripping tower） 理論板數(shù)圖解：y=xD 與 q 線的交點(diǎn)即為提餾段操作線的起點(diǎn)，聯(lián)結(jié)點(diǎn) d 與點(diǎn) b（xW , xW）得提餾段操作線，由點(diǎn) d 開始在兩線間作梯級(jí)至 b 點(diǎn)得所需理論板數(shù)。 xWqyq1.001.0dbxDxF方程聯(lián)立求解可得提餾段操作線與 q 線交點(diǎn)坐標(biāo)V0 為加熱蒸汽量，kmol/s。 易揮發(fā)組分衡算 總物料衡算 直接蒸汽加熱的精餾塔 分離水為重組分的物料時(shí)可將加熱蒸汽直接通入塔釜加熱。直接蒸汽加熱不影響精餾操作線。由于塔底多了一股直接蒸汽，使提餾段的操作線與間接蒸汽加熱精餾過程略有差異。 F, xFD, xDW,

48、 xW加熱蒸氣 V0VLVL若恒摩爾流假設(shè)仍成立，則V = V0 ， L = W，上式可改寫為 提餾段操作線直接蒸汽加熱的精餾塔 兩操作線的交點(diǎn)仍由精餾段操作線與 q 線交點(diǎn)確定；因 xn=xW 時(shí) yn+1=0，提餾段操作線的終點(diǎn)在 x 軸上 g 點(diǎn)(xW ,0)處。xWyxgd01.0a1.0 xD由圖中 a 點(diǎn)出發(fā)繪梯級(jí)至 g 點(diǎn)可得所需的理論板數(shù)。直接加熱精餾所需的理論板數(shù)較間接精餾稍有增加。這是因?yàn)橹苯蛹訜嵴羝南♂屪饔?，使得塔?nèi)物料分離任務(wù)增加，當(dāng)達(dá)到相同的餾出液組成及回收率時(shí)就需更多的塔板。 以有兩股進(jìn)料的精餾塔為例：精餾塔以兩進(jìn)料板為界分為上、中、下三段，各段內(nèi)上升與下降的汽、

49、液相摩爾流率互不相同，相應(yīng)有三條操作線，兩條 q 線。多股加料的精餾塔 對(duì)不同濃度的料液要在同一塔內(nèi)同時(shí)進(jìn)行分離的情況，一般不將料液混為一股后加入塔內(nèi)，而是按各股料液的濃度及熱狀態(tài)分別確定相應(yīng)的加料位置。原因：任何混合后的再分離都將引入不必要的能量消耗。 12W, xWF1, q1, xF1D, xD3F2, q2, xF2多股加料的精餾塔 各操作線仍由相關(guān)塔段對(duì)易揮發(fā)組分的物料衡算導(dǎo)出，q 線則根據(jù)加料的熱狀態(tài)確定。y123q2xWx01.01.0 xF2xF1xDq1第一段：第二段：第三段：Rmin 根據(jù)操作線與平衡線的挾點(diǎn)來確定，只是該挾點(diǎn)可能為平衡線與 1-2 兩條操作線，或與 2-3

50、 兩條操作線的交點(diǎn).平衡線有拐點(diǎn)時(shí)，挾點(diǎn)可為某一段操作線與平衡線的切點(diǎn).側(cè)線出料的精餾塔 當(dāng)需要獲得不同組成的兩種或多種產(chǎn)品時(shí)，可在塔內(nèi)相應(yīng)組成的塔板上安裝側(cè)線以抽出產(chǎn)品。側(cè)線出料的產(chǎn)品可為板上的飽和液體或板間的飽和蒸汽。 以有一個(gè)側(cè)線出料的精餾塔為例：精餾塔分為三段，各段操作線可通過相應(yīng)的物料衡算導(dǎo)出。上圖所示分別為飽和液體和飽和蒸汽出料的情況。圖解理論板數(shù)的原則與前述相同。 12W, xWD, xD (yD)3F, xFD, xDq123yDxD1.001.0 xy飽和蒸汽側(cè)線出料xWxF飽和液體側(cè)線出料q123xD1.001.0 xyxDxWxF例題間歇精餾 料液一次加入蒸餾釜中。加熱產(chǎn)

51、生的蒸汽經(jīng)冷凝器冷凝，部分作為塔頂產(chǎn)品，部分作為回流。特點(diǎn)：（1）過程非定態(tài)（2）塔底加料，無提餾段（3） 獲得 xD, xW一定的產(chǎn)品，能耗大于連續(xù)精餾非定態(tài)過程：W、x，T 。若保持 R 不變，xD 將隨 xW 的下降而下降；若要維持 xD 不變，則需不斷加大 R。兩種操作：(1) 恒回流比R=常數(shù), 定xW (2) 恒餾出液組成, 定xD只有精餾段：為了獲得同樣的xD、xW產(chǎn)品，能耗比連續(xù)精餾更大。因 xW ，為維持xD 不變，需更大的回流比。塔內(nèi)的存液量（持液量）對(duì)產(chǎn)品的產(chǎn)量和質(zhì)量均有影響：例如精餾結(jié)束時(shí)，塔釜?dú)堃褐休p組分組成 xW 已降到很低的程度，但整個(gè)塔中存留的液體流入釜中后不僅

52、殘液量將增加，xW 也將上升，從而降低了分離效果。為了減少塔中的存液量，間歇精餾往往采用填料塔。 R 恒定的間歇精餾，xD 與 xW 均隨過程的進(jìn)行而變。N 一定，任意時(shí)刻的 xD 與 xW 相互制約。操作線隨過程平行下移，即操作線的起點(diǎn)和截距均在變。(1) 恒回流比R=常數(shù), 定xW(2) 恒餾出液組成, 定xD恒沸精餾與萃取精餾 具有恒沸點(diǎn)或 接近1的物系，受相平衡的限制或經(jīng)濟(jì)合理性的制約，不能或不宜采用普通精餾方法進(jìn)行分離。解決方法一：采用萃取、吸附以及膜分離等其它分離方法。解決方法二：采用特殊精餾。向精餾系統(tǒng)添加第三組分，通過它對(duì)原溶液中各組分間的不同作用，提高原溶液各組分間的 ，使原

53、來難以用精餾分離的物系變得易于分離。第三組分使物系組分?jǐn)?shù)增加，操作流程更復(fù)雜，一般不再是單塔操作。為了達(dá)到原溶液兩組分的完全分離并回收加入的第三組分，通常采用特殊精餾與普通精餾或液-液萃取聯(lián)合流程。 恒沸精餾第三組分(恒沸劑或挾帶劑)與原溶液中一或兩個(gè)組分形成恒沸物，使原有組分間的 增大，再用一般精餾方法分離。最低恒沸物的體系：恒沸物為塔頂產(chǎn)品，塔底得純組分；最高恒沸物的體系：恒沸物為塔底產(chǎn)品，塔頂?shù)眉兘M分。恒沸精餾流程取決于挾帶劑與原組分形成的恒沸液的性質(zhì)。 挾帶劑的選用(1) 與原溶液的組分形成恒沸物的恒沸點(diǎn)要與該溶液中純組分的沸點(diǎn)有相當(dāng)?shù)牟钪担话悴恍∮?0；(2) 形成的恒沸物易于分離

54、，以便回收挾帶劑，且挾帶劑的含量越少越好，這樣可節(jié)省操作費(fèi)用；(3) 熱穩(wěn)定性、腐蝕性、毒性、價(jià)格等因素。 恒沸精餾舉例工業(yè)酒精恒沸精餾（用苯作恒沸劑）制取無水酒精乙醇-水二元恒沸物（恒沸點(diǎn)78.15，乙醇摩爾分率） 苯、乙醇、水三元非均相恒沸物：苯：乙醇：水：沸點(diǎn)：64.85上層苯相苯：乙醇：少量水下層水相苯：乙醇：其余為水無水酒精水恒沸精餾塔分層器乙醇回收塔苯回收塔冷凝器冷凝器三元非均相恒沸物三元非均相恒沸物稀乙醇水溶液二元恒沸物二元恒沸物乙醇水恒沸物萃取精餾 第三組分萃取劑(溶劑)一般沸點(diǎn)較高、不與原溶液中任一組分形成恒沸物，僅改變?cè)M分的 從而實(shí)現(xiàn)精餾分離。塔頂可得一個(gè)純組分，萃取劑與

55、另一組分從塔底排出。因不要求添加的溶劑與原溶液中的組分形成恒沸物，所以萃取劑的選擇范圍較寬，萃取精餾應(yīng)用也更廣。(1) 選擇性能好，即加入少量萃取劑后能使溶液的相對(duì)揮發(fā)度發(fā)生顯著提高；(2) 揮發(fā)性小且不與原組分起化學(xué)反應(yīng)，不形成恒沸物，以便于分離回收，減少損失。(3) 安全，無毒，無腐蝕性，熱穩(wěn)定性好以及價(jià)格便宜等。 萃取劑的選擇萃取精餾舉例苯-環(huán)己烷溶液的萃取分離常壓下苯的沸點(diǎn)為 80.1，環(huán)己烷的沸點(diǎn)為 80.73， 為 ，難于用普通精餾方法分離。若在該溶液中加入沸點(diǎn)較高的糠醛（沸點(diǎn)161.7），則溶液的相對(duì)揮發(fā)度發(fā)生顯著的變化。 循環(huán)糠醛補(bǔ)充糠醛脫溶劑頂部產(chǎn)品脫溶劑底部產(chǎn)品苯+環(huán)己烷（

56、原料）萃取劑回收段溶劑分離塔萃取精餾塔冷凝器冷凝器環(huán)己烷糠醛-苯混合液苯x糠醛0.00.980.21.380.41.860.52.070.62.360.72.7多組分精餾（Multi-component system） 多組分精餾的原理：與雙組分物系相同。過程計(jì)算：與雙組分精餾無本質(zhì)差異。但組分?jǐn)?shù)目增多，故影響因素也增多，計(jì)算過程也就更加復(fù)雜。多組分精餾流程方案的選擇 用精餾塔分離有 n 個(gè)組分的溶液，由于只在塔頂和塔底出料，若需得到 n 個(gè)高純度的組分，則需要 (n-1) 個(gè)塔。除了最后一個(gè)塔為雙組分精餾，可由塔頂和塔底同時(shí)得兩個(gè)高純度組分外，其余的塔均為多組分精餾，只能得到一個(gè)高純度組分。

57、在 (n-1) 個(gè)塔中分離 n 個(gè)組分，組分分離的順序排列 (分離流程的安排) 對(duì)整個(gè)過程的經(jīng)濟(jì)性有影響。 三元精餾的兩種流程方案C(a)1A、B、CB CA2BCB(b)1A、B、CA B2A注意以下幾個(gè)方面：（1）各組分在流程中的汽化、冷凝次數(shù)應(yīng)盡可能少，以降低設(shè)備的負(fù)荷和能耗。（2）若存在一對(duì)較難分離的相鄰組分，宜置于最后分離。因?yàn)榫s該混合物需要很多塔板，放在最后需要的塔徑最小。（3）對(duì)純度要求較高的組分，最好從塔頂蒸出，因?yàn)樗壮：猩倭侩y揮發(fā)性的雜質(zhì)。（4）對(duì)熱敏性組分，為減少被加熱的次數(shù)，應(yīng)優(yōu)先分離；對(duì)有強(qiáng)腐蝕性的組分，為避免多個(gè)設(shè)備的腐蝕，也應(yīng)優(yōu)先分離。 當(dāng)物料的處理量較大，而

58、產(chǎn)品的純度要求不高時(shí)，可采用帶有側(cè)線出料的復(fù)雜塔流程代替多塔流程。 一般側(cè)線產(chǎn)品的純度不高相平衡常數(shù) （distribution coefficient）拉烏爾定律是理想溶液汽液平衡關(guān)系的一種表達(dá)式。對(duì)一般的汽液兩相物系平衡組成常用相平衡常數(shù) K 或相對(duì)揮發(fā)度（relative volatility） 的關(guān)系式來表達(dá)。精餾計(jì)算中，通常用 Ki 示 i 組分的相平衡常數(shù)，其定義為式中： yi 和 xi 分別表示 i 組分在互為平衡的汽、液兩相中的摩爾分?jǐn)?shù)。 對(duì)于易揮發(fā)組分，Ki 1，即 yi xi。Ki 值越大，組分在汽、液兩相中的摩爾分?jǐn)?shù)相差越大，分離也越容易。 汽液平衡關(guān)系式的表示方法多組分

59、物系的汽液相平衡 多組分系統(tǒng)相平衡關(guān)系常用相平衡常數(shù)或相對(duì)揮發(fā)度表示非理想物系 Ki 與物系的 P、T 及組成有關(guān)，可由組分的氣相逸度系數(shù)和液相活度系數(shù)計(jì)算。理想物系 Ki 僅與系統(tǒng)的 P、T 有關(guān)。對(duì)烷烴、烯烴混合物系， P、T 一定時(shí)，可由 P-T-K 列線圖直接查取。P-T-K 列線圖所列物系的 K 值來自于實(shí)驗(yàn)測(cè)定和理論推測(cè)等，用此圖求取 K 值快捷方便。P-T-K 列線圖僅考慮 了P、T 對(duì) K 的影響，而忽略了組分之間的相互影響，故與實(shí)際值有一定的偏差。 精餾計(jì)算中多采用相平衡常數(shù)多組分物系的汽液相平衡 用 ij 表示平衡關(guān)系時(shí)，常用較難揮發(fā)的組分作為基準(zhǔn)組分由汽相歸一方程 若已知

60、相對(duì)揮發(fā)度則由液相組成計(jì)算平衡的氣相組成。由定義由液相歸一方程 泡點(diǎn)溫度及平衡汽相組成的計(jì)算 由相律知 n 組分物系汽、液兩相平衡時(shí)的自由度數(shù)為 n。兩相平衡時(shí)，若總壓和液相組成一定，則液體的泡點(diǎn)溫度和汽相組成也就隨之確定，可由相平衡關(guān)系求得。計(jì)算方法：以汽相歸一方程為判據(jù)，通過試差法求解。(1) 設(shè)一泡點(diǎn)溫度 (總壓強(qiáng)已知)，由 P-T-K 圖查取或算出該泡點(diǎn)溫度下各組分的 Ki 值；(2) 算出各液相組成 xi 所對(duì)應(yīng)的汽相平衡組成 yi；(3) 用汽相歸一方程檢驗(yàn)。若 yi 之和等于1，所設(shè)泡點(diǎn)和各 yi 計(jì)算值即為所求；否則重新設(shè)泡點(diǎn)溫度，并重復(fù)上述各步計(jì)算，直至 yi 之和等于1為止