化工原理蒸餾

1.4精餾原理與流程SchoolofChemistryandChemicalEngineering,SCUT,YangdongjieOneflash-vaporizationstage

y1>x11.4.1精餾原理多次部分汽化和多次部分冷凝xFy1x1y2x2y3x3y3y2213x1’y1x2’x3’x3y1<y2<y3…..<xD;x’1>x’2>x’3>…>xWPureAandPureBTheamountofAandBisfew,

yieldislower缺點(diǎn)：1.收率低；(大量的中間產(chǎn)品)2.設(shè)備重復(fù)量大，設(shè)備投資大；3.能耗大，過(guò)程有相變。多次部分汽化和多次部分冷凝是精餾分離的必要條件問(wèn)題：工業(yè)上如何實(shí)現(xiàn)？x3<y1MasstransferT3<T1heattramsferxFx1y2x2y3x3y1321y2213x1y1xDx2x3y3

有回流的多次部分汽化和多次部分冷凝缺點(diǎn):設(shè)備復(fù)雜y'3x'3y'4y2213x'2x'4x1y1xDx2x3y3引入回流最上層冷凝器－提供下降液流最下層加熱器－提供上升蒸汽SchoolofChemistryandChemicalEngineering,SCUT,Yangdongjie

Inadistillationcolumnthestages(referredtoassieveplatesortrays)inadistillationtowerarearrangedvertically,SchoolofChemistryandChemicalEngineering,SCUT,Yangdongjie塔板的作用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。SchoolofChemistryandChemicalEngineering,SCUT,Yangdongjie精餾與簡(jiǎn)單蒸餾的區(qū)別：汽相和液相的部分回流。也是精餾操作的基本條件。精餾原理

料液,xFFeed塔頂產(chǎn)品,xDOverheadproduct塔底產(chǎn)品,xWBottomsproduct液相回流Liquidreflux汽相回流Vaporreflux精餾段Rectifyingsection提餾段Strippingsection再沸器Reboiler冷凝器condenser進(jìn)料板以上稱(chēng)為精餾段

精制汽相中的易揮發(fā)組分。進(jìn)料板以下（包括進(jìn)料板）稱(chēng)為提餾段提濃液相中難揮發(fā)組分。塔頂產(chǎn)品稱(chēng)為餾出液——富含易揮發(fā)組分。塔底產(chǎn)品稱(chēng)為釜液——富含難揮發(fā)組分。SchoolofChemistryandChemicalEngineering,SCUT,Yangdongjieynxnyn-1yn+1nn+1n-1xn+1xn-1xmymxDF,xFcondenserreboilerxn-1<xn,

yn>yn+1.BottomTopTBottom>TTopPBottom>PTopxD>xW板式塔內(nèi)相鄰幾塊板的溫度、組成的關(guān)系為n-1tn-1ntnn+1tn+1yn+2yn+1ynyn-1xn-2xn-1xnxn+1塔頂回流液回流液：在任意塔板上，上一塊塔板下來(lái)的液體，輕組分含量高，溫度低。塔釜汽相回流回流汽：任意塔板上，下一塊塔板上來(lái)的汽體，重組分含量高，溫度高；濃度變化xn+1yn-1yn+1xn-1傳質(zhì)推動(dòng)力熱量傳遞過(guò)程液體汽化所需熱量由蒸汽冷凝提供。易揮發(fā)組分：液相→汽相難揮發(fā)組分：汽相→液相。傳質(zhì)方向易揮發(fā)組分沿塔高方向增加，而溫度沿塔高方向降低。過(guò)程控制精餾過(guò)程速率由傳質(zhì)過(guò)程控制。傳質(zhì)設(shè)備

板式塔—逐級(jí)接觸式設(shè)備；填料塔—微分接觸式設(shè)備。板式塔填料塔SchoolofChemistryandChemicalEngineering,SCUT,Yangdongjie1)回流的作用是什么？2)塔底再沸器和塔頂冷凝器能否省去？1）根據(jù)分離任務(wù)，確定產(chǎn)品流量D，W；2）選擇操作條件R、進(jìn)料狀態(tài)；3）確定塔板數(shù)及加料位置；4）選擇塔型，確定塔徑，塔內(nèi)結(jié)構(gòu)尺寸，流體力學(xué)驗(yàn)算；5）冷凝器及再沸器熱負(fù)荷及設(shè)計(jì)計(jì)算。1.5兩組分連續(xù)精餾塔的計(jì)算1.5.1理論板的概念和恒摩爾流的假設(shè)汽、液兩相在其上進(jìn)行接觸傳質(zhì)時(shí)，離開(kāi)該塔板的兩相在傳質(zhì)、傳熱方面都達(dá)到了平衡。1.理論板的概念理論板具有最大的分離能力，是塔分離的極限能力tn=Tn

，yn=f(xn)VnynVn+1yn+1Ln-1

xn-1Ln

xnntnn-1n+1xnynxn+1xn-1yn+1yn-1實(shí)際中，塔板上氣液兩相間的接觸時(shí)間和接觸表面積是有限的；理論板的提出，便于衡量實(shí)際板分離的效果。通常在設(shè)計(jì)過(guò)程中先求出理論板數(shù)，經(jīng)修正得實(shí)際板。同一板上氣液濃度服從平衡關(guān)系隔板之間氣液濃度服從操作關(guān)系（物料衡算）2.恒摩爾流的假設(shè)前提條件(1)各板上混合物的摩爾汽化潛熱近似相等rA=rB(2)汽液接觸時(shí)因溫度不同交換的顯熱忽略Cp△t≈0(3)塔設(shè)備保溫良好，熱損失可以忽略QL=0精餾：V1=V2=Vn=V;L1=L2=Ln=L;提餾段V’1=V’2=Vn’=V’;L’1=L’2=Ln’=L’

恒摩爾汽、液流：L’L’L’V’V’V’B,xB精餾與提餾段兩相流量

L=L’;V=V’(?)與什么有關(guān)？？

物料衡算全塔物料衡算F,xFD,xDW,xW總物料衡算F=W+DFxF=WxW+DxD難揮發(fā)組分回收率：易揮發(fā)組分回收率：公式記憶：符合杠桿定律

餾出液的采出率:釜液采出率:a非進(jìn)料板物料衡算

塔板上物料衡算

任意n非進(jìn)料板物料衡算則有：Ln-1xn-1VnynLnxnVn+1yn+1第n塊板一類(lèi)是非進(jìn)料塔板一類(lèi)是進(jìn)料塔板

b.進(jìn)料塔板的物料衡算設(shè)進(jìn)料板為第m板，第m塊加料板F,xFLm-1xm-1VmymLmxmVm+1ym+1

Operatinglinesequation

yn+1~xn相鄰兩板汽液組成的關(guān)系Twosectionstwooperatinglines

操作線方程

xn-1

yn

xn

yn+1第n塊板1精餾段操作線方程V=L+DVyn+1=Lxn+DxD回流比refluxratio：R=L/DWhencondensateisliquidatitsbubblepoint,

L=Lc＝L1＝L2＝…….,V=V1＝V2=……D,xDL,xDV,y1123nL,xnV,yn+1L=RDV=(R+1)DTop---Totalcondenser：y1=xD.討論：

當(dāng)F（進(jìn)料量）確定，同時(shí)規(guī)定了塔頂及塔底的產(chǎn)品組成，增加回流比是否意味著D減少？

并不意味著D減少，而是意味著上升蒸汽量增加；增大回流比的措施是增大塔底的加熱速率和塔頂?shù)睦淠浚?/p>

增大回流比的代價(jià)是能耗的增大。精餾段操作線:當(dāng)R,D,xD為一定值時(shí),該操作線為一直線.斜率:截距:yxxD操作線為過(guò)點(diǎn)（xD，xD

）2提餾段操作線方程L'=V'+WL'xm=V'ym+1+WxW

W,xWm+1m+2m+3NL',xmV',ym+1xW過(guò)點(diǎn)（xW，xW

）斜率：截距:yxxDabq提餾段操作線提餾操作線：y

=x=xWL’/V’-WxW/V’操作線方程的在圖上的畫(huà)法精餾操作線：y

=x=xDR/(R+1)xD/(R+1)

xy01.01.0xD

abxW

cdeStrippingsectionVm+1=Vm

=……..=V’

Lm=Lm+1

=……….=L’

V=V’

?

L’=L’？Rectifyingsection

Vn+1=Vn=……….=V

Ln=Ln-1=…………=L進(jìn)料熱狀況a:冷液b:飽和液體，泡點(diǎn)c:氣液混合物d:飽和蒸氣，露點(diǎn)e:過(guò)熱蒸氣1進(jìn)料熱狀況cTx(y)abde進(jìn)料熱狀況參數(shù)加料板FF,IFLILVIVL'IL'V'IV'IV=IV'IL=IL'3進(jìn)料熱狀態(tài)對(duì)塔內(nèi)氣、液流量的影響

氣液混合物進(jìn)料(0<q<1)過(guò)熱蒸氣進(jìn)料(q<0)冷液進(jìn)料(q>1)飽和液體進(jìn)料(q=1)飽和蒸氣進(jìn)料(q=0)V'進(jìn)料熱狀態(tài)對(duì)塔內(nèi)氣、液流量的影響cPL－－specificheatsofliquidTF=temperatureoffeedTb=bubblepointoffeed,r=heatofvaporizationForcoldfeedq>1;Forpartiallyvaporfeed,0<q<1molesofliquidofcolumnpermoleoffeedForsuperheatedvaporfeedcPv－－specificheatsofvapor,TF=temperatureoffeedTd=dewpointoffeed,r=heatofvaporizationMaterialbalanceoffeedplate=fractionoffeedthatisvaporized原料汽化分率q=fractionoffeedthatisfluidified原料液化分率L'=L+qFV=V'-(q-1)FV'=V+(q-1)F

q=2/3，表明總量為3，含液體量2，汽體量為1

則進(jìn)料液中汽：液=1：2，液體量：總量=2/3，

FeedlineFeedline----Lineofintersectionsofthetwooperatinglines.xW進(jìn)料方程－－q線方程兩操作線交點(diǎn)軌跡即q線Vy=Lx+DxDV'y=L'x-WxW

(V'–V)y=(L'–L)x-(DxD+WxW)(q-1)Fy=qFx-FxF經(jīng)過(guò)點(diǎn)（xF,xF)的直線斜率：q/(q-1)

截距：-xF/(q-1)V'=V+(q-1)F

L'=L+qF

進(jìn)料熱狀況對(duì)操作線的影響精餾段操作線斜率不變，長(zhǎng)度增長(zhǎng)提餾段操作線斜率增大，操作線更靠近平衡曲線，提餾段分離能力不斷下降cxWyxxDxFDFWabdeq>1q=10<q<1q=0q<0當(dāng)R和分離要求不變時(shí)，隨著進(jìn)料溫度的升高，q值減小L與L'(1)冷液q>1(2)飽和液體

q＝1(3)氣液混合0<q<1(4)飽和蒸汽

q＝0

(5)過(guò)熱蒸汽q<0進(jìn)料狀況q值q線位置V與V'

【例】在由一層理論板和塔釜組成的精餾塔中，每小時(shí)向塔釜加入苯－甲苯混合液100kmol，含苯量為50%（摩爾％，下同），泡點(diǎn)進(jìn)料，要求塔頂餾出液中含苯量為80%，塔頂采用全凝器，回流液為飽和液體，回流比為3，相對(duì)揮發(fā)度為2.5，求每小時(shí)獲得的塔頂餾出液量D，塔釜排出液量W及濃度xw。已知條件：F＝100kmol/hxF=0.5xD=0.8R=3α=2.5y1=xD物料衡算F=D+WFxF=DxD+WxW平衡線精餾線y1=xDx1

y2(yW)x2(xW)解:平衡線

y1=xD=0.8得x1=0.615得D=17.0kmol/hW=83.0kmol/h精餾操作線得y2=0.6615再由平衡線得x2=xW=0.4385由物料衡算F=D+WFxF=DxD+WxW

【例】將含0.24（摩爾分?jǐn)?shù)，下同）易揮發(fā)組分的某液體混合物送入一連續(xù)精餾塔中。要求餾出液含0.95易揮發(fā)組分，釜液含0.03易揮發(fā)組分。送入冷凝器的蒸汽量為850kmol/h，流入精餾塔的回流液為670kmol/h，試求：

1.每小時(shí)能獲得餾出液和釜液的量？

2.回流比R為多少？

3.寫(xiě)出精餾段操作線方程。此題復(fù)習(xí)的知識(shí)點(diǎn)：（1）塔頂回流V=L+D（2）物料衡算F=D+WFxF=WxW+DxD（3）回流比R=L/D（4）精餾段操作線問(wèn)題1、精餾塔中從上至下的第n-1，n，n+1理論板，比較

yn+1

yn；xn+1

xn

；yn

xnTn

tn-1

；Tn

tn;yn

xn-12、為什么說(shuō)分凝器相當(dāng)于一塊理論板？為什么說(shuō)再沸器也相當(dāng)于一塊理論板？3、其他條件不變，精餾塔頂?shù)娜鞲臑榉帜鳌Ｋ敭a(chǎn)品的濃度a)不變b)變小c)變大d)說(shuō)不定1、欲高純度分離為什么必須采用回流2、精餾過(guò)程的實(shí)現(xiàn)3、為什么回流有產(chǎn)品

4.用什么樣設(shè)備、采用怎樣的技術(shù)工藝才能同時(shí)實(shí)現(xiàn)多次部分汽化，部分冷凝呢？

塔內(nèi)上半部分回流液自上而下與上升蒸汽交換熱量，回流液中輕組分首先汽化進(jìn)入汽相；而上升蒸汽受冷卻，則其中重組分必先冷凝進(jìn)入回流液。

●精餾與蒸餾的區(qū)別在于精餾有“回流”輕、重組分交換原因：蒸餾無(wú)回流則不能實(shí)現(xiàn)輕、重組分的再分配用有回流的精餾技術(shù)才能得到高純度產(chǎn)品●只有回流才有輕、重組分的交換液相回流：塔頂冷凝液部分回流汽相回流：塔內(nèi)上升蒸汽冷卻后部分回流進(jìn)料口

塔下半部分2、精餾過(guò)程的實(shí)現(xiàn)

工業(yè)上是在連續(xù)精餾塔中對(duì)液體混合物實(shí)現(xiàn)多次汽化和多次冷凝而達(dá)到高純度分離的目的設(shè)備：連續(xù)精餾塔（3）塔底再沸器（蒸餾釜）加熱液體產(chǎn)生上升蒸汽(稱(chēng)為汽相回流)，與下降液體逆流接觸，塔底連續(xù)排出部分液體，作為塔底產(chǎn)品。（1）料液自塔中部適當(dāng)位置進(jìn)入塔內(nèi)（2）塔頂冷凝器使蒸汽冷凝為液體，部分回流，其余作為塔頂產(chǎn)品連續(xù)排出過(guò)程分析

（1）加料口位置以上

傳質(zhì)過(guò)