化工原理蒸餾課件4

7.4雙組分液體連續(xù)精餾多次簡(jiǎn)單精餾簡(jiǎn)單蒸餾連續(xù)精餾發(fā)酵粗酒液50°的燒酒60~65°的燒酒一.精餾過(guò)程1.平衡蒸餾和簡(jiǎn)單蒸餾的缺點(diǎn)

只能使混合液得到部分分離，它們得到的汽相產(chǎn)物（餾出液，產(chǎn)品）中含有較多的難揮發(fā)組分，液相產(chǎn)物（釜?dú)堃海┲泻休^多的易揮發(fā)組分。因此，應(yīng)用平衡蒸餾和簡(jiǎn)單（微分）蒸餾都不可能使兩組分混合物完全分離，不可能得到純的易（或難）揮發(fā)組分這兩種產(chǎn)品。2.原理：為了把兩組分混合液完全分離，必須引入另外的相——回流液與上升蒸汽，形成兩相系統(tǒng)，進(jìn)行多次部分汽化與多次部分冷凝，應(yīng)用逆流接觸的操作方式。⑴多次簡(jiǎn)單精餾

A:加熱不到露點(diǎn),B:冷卻不到泡點(diǎn)。實(shí)施設(shè)備（2）矛盾及解決途徑存在問(wèn)題：a)分離過(guò)程中得到許多中間餾分，因此最后純產(chǎn)品的收率就很低；b）設(shè)備龐雜，能量消耗大。解決途徑：采用精餾，精餾是將由揮發(fā)度不同的組分所組成的混合液，在精餾塔中同時(shí)多次地進(jìn)行部分汽化和部分冷凝，使其分離成幾乎純態(tài)組分的過(guò)程。3相圖說(shuō)明過(guò)程的變化如右圖：yw和xN接觸，和xN成平衡的汽相濃度yN*=yN;和yW成平衡的液相濃度xW*=xW過(guò)程推動(dòng)力：△y=yN*－yW=yN－yW△x=xN－xW*=xN－xW結(jié)果：輕組分在汽相富集重組分在液相富集。4塔板上的操作xf，F(xiàn)xD，DXw，W回流xn-1,tn-1yn+1,Tn+1yn,Tn提餾段xn,tntn-1<tn(=Tn)<

Tn+1yn=f(xn)理論板條件xn-1>xn,yn>yn＋1精餾段進(jìn)料板屬于提餾段5.回流的作用

基本條件：采用(1)回流液與(2)上升蒸氣是用精餾方法使混合物分離的基本條件。

同時(shí)應(yīng)用條件(1)、(2)可以得到兩個(gè)產(chǎn)品。若只有(1)，無(wú)(2)，即只有精餾段，目的使汽相中的yA逐漸升高，可得純A和混合物(濃度接近xF)；若只有(2)，無(wú)(1)，即只有提餾段，目的使下降的液體中輕組分被提出而xA逐漸下降，可得純B和混合物(濃度接近xF)1.操作方法種類

精餾過(guò)程中回流液與上升蒸氣形成的汽液兩相為逆流接觸，有兩種操作方法：

連續(xù)逆流

多級(jí)逆流二.精餾操作的方法與此相應(yīng)，采用兩種分析過(guò)程的方法、兩類典型設(shè)備及設(shè)備的計(jì)算方法。2.連續(xù)逆流

（1）示意圖

易揮發(fā)組分從液相到汽相傳遞的總傳質(zhì)速率為：

NA=Ky（y*－y）或

NA=Kx（x－x*）

NB:這與吸收過(guò)程相反，與解吸類似。二.精餾操作的方法(2)分離效果：兩組分分離(3)典型設(shè)備：填料塔(4)計(jì)算原則：與吸收塔類似3.多級(jí)逆流

（1）示意圖

全凝器y1＝xD，D為餾出液

n=1平衡時(shí)汽相組成分別為y1和液相x1，

n平衡時(shí)汽相組成分別為yn和液相xn，W釜?dú)堃憾?精餾操作的方法(2)分離效果：兩組分分離(3)典型設(shè)備：板式塔(4)計(jì)算原則：本章重點(diǎn)討論多級(jí)逆流的原理與計(jì)算三.雙組分連續(xù)精餾的計(jì)算〇）精餾過(guò)程計(jì)算的類型

設(shè)計(jì)型操作型現(xiàn)按設(shè)計(jì)型計(jì)算，結(jié)合多級(jí)逆流操作討論。一）設(shè)計(jì)型計(jì)算的內(nèi)容1.已知條件：待分離的物系，進(jìn)料量F；與組成xF；指定的分離要求：塔頂產(chǎn)品的濃度xD和塔釜產(chǎn)品的濃度xW。2.設(shè)計(jì)任務(wù)（1）根據(jù)指定的分離要求，計(jì)算進(jìn)出塔諸物料的量（或組成），如：D、W。

三.雙組分連續(xù)精餾的計(jì)算2.設(shè)計(jì)任務(wù)（2）選擇合適的操作條件，包括：①操作壓強(qiáng)P---結(jié)合物系查取汽、液平衡數(shù)據(jù)——查得(t，x，y)i數(shù)據(jù)，作“y－x”圖。最常見(jiàn)的是常壓精餾。②回流比R值(回流液量和餾出液量的比值），與R相關(guān)的量：L、V、L’、V’。③加料熱狀態(tài)q參數(shù)（五種）。

三.雙組分連續(xù)精餾的計(jì)算2.設(shè)計(jì)任務(wù)：（3）確定精餾段、提餾段的理論板數(shù)及最佳加料板位置。

逐板計(jì)算法-----最基本的方法作圖法（McCabe-Thiele麥開(kāi)勃－蒂勒）－－逐板計(jì)算法的近似過(guò)程。（4）選擇精餾塔的類型（板式塔、填料塔）確定塔高、塔徑、其他塔的結(jié)構(gòu)和操作參數(shù)。（5）進(jìn)行冷凝器和再沸器的設(shè)計(jì)計(jì)算。

三.雙組分連續(xù)精餾的計(jì)算針對(duì)設(shè)計(jì)任務(wù)，首先討論（1）、（3）兩項(xiàng)；物料衡算、N、NF（逐板計(jì)算法）。然后討論（2）；考察R和q對(duì)精餾過(guò)程N(yùn)的影響。本章不討論（5）－－冷凝器和再沸器的設(shè)計(jì)。塔設(shè)備中重點(diǎn)討論（4）－－選擇精餾塔的類型（板式塔、填料塔）確定塔高、塔徑、其他塔的結(jié)構(gòu)和操作參數(shù)。

二)精餾塔的物料衡算1.兩個(gè)方程易揮發(fā)組分的物料衡算:總物料衡算:

只有2個(gè)方程，在進(jìn)料量F與組成xF已知的情況下，四個(gè)未知量（D、W、xD和xW）中必須給定2個(gè)，才有唯一解。

一般情況給定xD和xW

。3.分離要求的不同形式

(1)規(guī)定xD和xW；(2)餾出液組成xD和采出率D/F；(3)餾出液組成xD和易揮發(fā)組分回收率η。2.補(bǔ)充說(shuō)明理論板數(shù)的計(jì)算方法逐板計(jì)算法作圖法簡(jiǎn)捷計(jì)算法三)理論板數(shù)的計(jì)算0理論板的假定

(定義)xn-1,tn-1yn+1,Tn+1yn,Tnxn,tn濃度xn和yn互成平衡熱量交換達(dá)到平衡，離開(kāi)第n塊板的汽相露點(diǎn)溫度和液相泡點(diǎn)溫度相等，即：

Tn＝tn

三)理論板數(shù)的計(jì)算1.逐板計(jì)算法(1)計(jì)算依據(jù)從塔頂開(kāi)始逐板往下計(jì)算。所應(yīng)用的關(guān)系式為：物料衡算(總、輕組分)汽液平衡關(guān)系熱量衡算三)理論板數(shù)的計(jì)算(2)計(jì)算關(guān)系的推導(dǎo)假設(shè)：設(shè)冷凝器為全凝器，進(jìn)入冷凝器的蒸汽全部冷凝成飽和液體，部分液體作回流，其流量為L(zhǎng)(kmol/s)，部分液體作為餾出液D，即L或者R=L/D選定。設(shè)進(jìn)料狀態(tài)為飽和液體，即泡點(diǎn)進(jìn)料；操作壓強(qiáng)選定－－汽液平衡關(guān)系y－x確定。

三)理論板數(shù)的計(jì)算(2)計(jì)算關(guān)系的推導(dǎo)過(guò)程以冷凝器為系統(tǒng)作物衡：

y1＝xD(＝x0)

V1=L+D以下從塔頂進(jìn)行逐板計(jì)算。第一塊板（N1)

總物衡:V2+L=V1+L1

輕組分:V2y2+LxD=V1y1+L1x1

汽液平衡關(guān)系:y1＝f(x1)

熱衡:V2I2+LiD=V1I1+L1i1

已知L、V1

、y1和xD，I＝f(t，y)，i＝f(t，x)對(duì)二元物系，P一定，組成一定，則t一定?？梢郧蟪觯篤2、L1、y2和x1三)理論板數(shù)的計(jì)算過(guò)程第二塊板（N2)可以求出：V3、L2、y3和x2第n塊板總物衡:Vn+1+Ln-1=Vn+Ln

輕組分:Vn+1yn+1+Ln-1xn-1=Vnyn

+Lnxn

汽液平衡關(guān)系:

yn＝f(xn)

熱衡:Vn+1In+1+Ln-1in-1=VnIn

+Lnin可求出：進(jìn)入第n塊板的蒸汽量Vn+1與組成yn+1－－進(jìn)的汽；流出第n塊板的液體量Ln與組成xn－－出的液；三)理論板數(shù)的計(jì)算過(guò)程第m塊板(Nm)如果xm≤xF

，料液從第m塊板加入。如果第N塊板出來(lái)的液體經(jīng)過(guò)再沸器中部分汽化而得到的釜?dú)堃航M成為xW

，則N為精餾塔所需的理論板數(shù)。其中精餾段m塊，提餾段N-m塊。

小結(jié)：上述逐板計(jì)算過(guò)程十分繁雜，實(shí)際上常常采用以下的簡(jiǎn)化方法(恒摩爾流)，使得理論板數(shù)的計(jì)算大為簡(jiǎn)化，同時(shí)對(duì)精餾過(guò)程的了解也可以更加清晰。2恒摩爾流假設(shè)

（1）.對(duì)熱量衡算進(jìn)行簡(jiǎn)化∵飽和蒸汽的焓I＝飽和液體的焓i＋汽化潛熱r∴熱衡:Vn+1In+1+Ln-1in-1=VnIn+Lnin改寫為：

Vn+1(in+1+rn+1)+Ln-1in-1=Vn(in+rn)

+Lnin

(*)如果忽略組成x與溫度t所引起的飽和液體焓i和兩組分汽化潛熱r的差別，即假設(shè)：

in－1＝

in＝

in＋1

＝i

rn－1＝rn＝

rn＋1＝r代入(*)式，得：

Vn+1(i+r)+Ln-1i=Vn(i+r)

+Lni(Vn+1

－Vn)r=

(Ln＋Vn－Vn+1－Ln-1)

i總物衡為：

Ln＋Vn＝Vn+1＋Ln-12恒摩爾流假設(shè)（3）推廣：精餾段：提餾段：得到：Vn+1

＝Vn，Ln＝Ln-1（2）含義：在沒(méi)有另外加料和出料的條件下，進(jìn)入每一塊板的蒸汽和液體的mol流率分別與離開(kāi)該板的蒸汽和液體的mol流率相同。2恒摩爾流假設(shè)（4）適用范圍：（有些體系符合恒質(zhì)量流）嚴(yán)格：兩組分的沸點(diǎn)和汽化潛熱相差較小的情況。一般：相差不大，即可采用乙醇：r1＝3.93×104kJ/mol水：r2＝4.07×104kJ/mol乙醇(70%wt)-水：rM＝4.01×104kJ/mol

（5）意義：使得逐板計(jì)算的過(guò)程大為簡(jiǎn)化，只需應(yīng)用：易揮發(fā)組分的物料衡算和汽液平衡關(guān)系式－兩式即可。不必使用每一塊板的物料衡算式，可使用一個(gè)包括多塊板的一整段塔的物料衡算式。(精、提餾段)(1)方程形式

3.精餾段的操作線方程

(2)含義：表示了精餾段中任意兩板間相遇的汽液相的組成之間的關(guān)系。(3)

Nn的計(jì)算步驟

3.精餾段的操作線方程

4.提餾段操作線方程(1)方程形式

(2)含義：表示了提餾段中任意兩板間相遇的汽液相的組成之間的關(guān)系。(3)Nm(=N-n)的計(jì)算步驟

4.提餾段的操作線方程

課后作業(yè):P3047-9總的理論板數(shù)＝N＋(xN-xw)/(xN-xN+1)總理論板數(shù)可以不是整數(shù)(1)逐板計(jì)算法的圖形演示

過(guò)程。

McCabe-Thiele麥開(kāi)勃－蒂勒

(2)特殊點(diǎn)：

精餾段操作線：（xD，xD)

斜率：R/(R+1)

提餾段操作線：（xW，xW)

(3)說(shuō)明：再沸器相當(dāng)于一塊理論板

(4)理論板可以是非整數(shù)。5.圖解法求理論板數(shù)逐板計(jì)算法、圖解法y1x1y2x2y3x3y4x4y5x5………………....yn-1xn-1ynxnyn+1xn+1………….ymxm①②①②②②①①①①②③③③①①①6芬斯克(Fenske)方程求Nmin7-10）某二元混合物含易揮發(fā)組分0.24，以熱狀態(tài)參數(shù)q=0.45的汽、液混合物狀態(tài)進(jìn)入連續(xù)精餾塔進(jìn)行分離。進(jìn)料量為14.5kmol/h，塔頂產(chǎn)品濃度xD=0.95，塔底產(chǎn)品濃度xw=0.03。若回流比R=2.8，泡點(diǎn)回流，提餾段L’/V’為多少？試計(jì)算塔頂全凝器的蒸汽冷凝量及蒸餾釜的蒸發(fā)量。以上濃度皆指易揮發(fā)組分的摩爾分率。7-12）已知某精餾塔操作以飽和蒸汽進(jìn)料，操作線方程分別如下：精餾線y=0.714x+0.2714提餾線y=1.25x-0.01試求該塔操作的回流比、進(jìn)料組