液體精餾過程

液體精餾過程第1頁，共67頁，2023年，2月20日，星期六4/22/20231ProcessSystemPrinciple教學(xué)內(nèi)容精餾過程原理蒸餾過程概述精餾過程計算第2頁，共67頁，2023年，2月20日，星期六4/22/20232ProcessSystemPrinciple

蒸餾過程概述蒸餾過程基本概念蒸餾及精餾是液體混合物的分離的一種單元操作。（1）蒸餾原理：式中：yA、yB——氣相中A、B兩組分的摩爾分數(shù)；xA、xB——液相中A、B兩組分的摩爾分數(shù)。液體具有揮發(fā)而成為蒸汽的能力，稱液體的揮發(fā)度（揮發(fā)能力）。蒸餾及精餾是根據(jù)各種液體揮發(fā)能力不同而進行液體混合物的分離的一種單元操作。液體混合物部分氣化所生成的氣相組成與液相組成是有差別，即：第3頁，共67頁，2023年，2月20日，星期六4/22/20233ProcessSystemPrinciple圖6-1平衡蒸餾1---加熱爐；2---節(jié)流閥；3---分離器；4---冷凝器

蒸餾過程概述蒸餾過程基本概念（2）工業(yè)蒸餾過程：第4頁，共67頁，2023年，2月20日，星期六4/22/20234ProcessSystemPrinciple

蒸餾過程概述蒸餾過程基本概念圖6-2簡單蒸餾1---蒸餾釜；2--冷凝器；3，4，5---產(chǎn)品受液槽第5頁，共67頁，2023年，2月20日，星期六4/22/20235ProcessSystemPrinciple

蒸餾過程概述混合液的氣液相平衡一般而言，蒸餾過程是在恒壓下進行。在氣液相物系中存在以下兩個關(guān)系：■液相（或氣相）組成與溫度間的一一對應(yīng)關(guān)系；■氣、液相組成之間的一一對應(yīng)關(guān)系；理想物系：■液相為理想溶液，服從拉烏爾（Raoult）定律；■氣相為理想氣體，服從道爾頓分壓定律。第6頁，共67頁，2023年，2月20日，星期六4/22/20236ProcessSystemPrinciple

蒸餾過程概述混合液的氣液相平衡式中：PA、PB---液相上方A、B兩組分的蒸汽壓；xA、xB---液相中A、B兩組分的摩爾分數(shù)；---在溶液溫度t下純組分A、B的飽和蒸汽壓；根據(jù)拉烏爾（Raoult）定律：（1）雙組分的液相組成---溫度(泡點)關(guān)系式：液相上方的平衡蒸汽壓為：第7頁，共67頁，2023年，2月20日，星期六4/22/20237ProcessSystemPrinciple蒸餾過程概述混合液的氣液相平衡道爾頓分壓定理：（2）雙組分的氣液兩相組成間的關(guān)系：混合液的沸騰條件是各組分的蒸汽壓之和等于外壓，即：P0與溫度的關(guān)系符合安托因（Antoine)方程：A、B、C的值可查閱相關(guān)手冊。第8頁，共67頁，2023年，2月20日，星期六4/22/20238ProcessSystemPrinciple

蒸餾過程概述混合液的氣液相平衡拉烏爾定律：則：式中：也可以寫成則：（3）雙組分的氣相組成---溫度(露點)關(guān)系式：第9頁，共67頁，2023年，2月20日，星期六4/22/20239ProcessSystemPrinciple

蒸餾過程概述混合液的氣液相平衡（4）t—x(y)和y--x關(guān)系圖：圖6-3雙組分溶液的溫度－組成圖圖6-4相平衡曲線第10頁，共67頁，2023年，2月20日，星期六4/22/202310ProcessSystemPrinciple

蒸餾過程概述混合液的氣液相平衡（5）y-x的近似表達式與相對揮發(fā)度α：設(shè)溶液中組分A、B的揮發(fā)度定義為：則兩個組分之間的相對揮發(fā)度定義為：所以，相平衡方程寫為：對于理想溶液：第11頁，共67頁，2023年，2月20日，星期六4/22/202311ProcessSystemPrinciple圖6-5平衡蒸餾的物料衡算與熱量衡算

蒸餾過程概述平衡蒸餾（1）過程的數(shù)學(xué)描述：第12頁，共67頁，2023年，2月20日，星期六4/22/202312ProcessSystemPrinciple

蒸餾過程概述平衡蒸餾物料衡算：對于連續(xù)定態(tài)過程做物料衡算可得：總物料衡算：易揮發(fā)組分的物料衡算：兩式聯(lián)立可得：式中：F、xF---加料流率，kmol/s及料液組成摩爾分數(shù)；D、y---氣相產(chǎn)物流率，kmol/s及組成摩爾分數(shù)；W、x---液相產(chǎn)物流率，kmol/s及組成摩爾分數(shù)。第13頁，共67頁，2023年，2月20日，星期六4/22/202313ProcessSystemPrinciple

蒸餾過程概述平衡蒸餾設(shè)液相產(chǎn)物占總加料量F的分率為q，氣化率為D/F＝(1-q)，代人上式整理可得：該方程稱為q線方程。

熱量衡算：加熱爐的熱流量Q為：節(jié)流減壓，釋放顯熱---自身部分汽化，所以：所以料液加熱溫度為：第14頁，共67頁，2023年，2月20日，星期六4/22/202314ProcessSystemPrinciple蒸餾過程概述平衡蒸餾式中tF、T---分別為料液溫度與加熱后的液體溫度，K；te---閃蒸后氣、液兩相的平衡溫度，K；Cm,p---混合液的平均摩爾熱容，kJ/(kmol·K)；r---平均摩爾氣化熱，kJ/kmol。例題：將含苯摩爾分數(shù)為0.7、甲苯摩爾分數(shù)為0.3的溶液加熱氣化，氣化率為1/3。已知物系的相對揮發(fā)度為2.47，試計算平衡蒸餾時的氣相與液相組成。解：第15頁，共67頁，2023年，2月20日，星期六4/22/202315ProcessSystemPrinciple蒸餾過程概述平衡蒸餾物料衡算式：相平衡方程：兩式聯(lián)立求得：第16頁，共67頁，2023年，2月20日，星期六4/22/202316ProcessSystemPrinciple精餾過程原理精餾原理圖6-6連續(xù)精餾過程（1）精餾塔的組成一個完整的精餾塔的分為精餾段和提餾段。精餾段完成上升蒸汽的精制，提餾段完成下降液體的增濃。主要特點：■塔頂液相回流；■塔底氣相回流；第17頁，共67頁，2023年，2月20日，星期六4/22/202317ProcessSystemPrinciple精餾過程原理精餾原理（2）全塔的物料衡算假設(shè)系統(tǒng)為定態(tài)過程?！隹偟奈锪虾馑阌缮鲜鰞墒娇傻茫簣D6-7全塔物料衡算■輕組分的物料衡算：第18頁，共67頁，2023年，2月20日，星期六4/22/202318ProcessSystemPrinciple精餾過程原理精餾原理①當(dāng)塔頂、塔底產(chǎn)品組成xD、xW即產(chǎn)品質(zhì)量巳規(guī)定，產(chǎn)品的采出率D/F和W/F亦隨之確定而不能再自由選擇；②當(dāng)規(guī)定塔頂產(chǎn)品的產(chǎn)率和質(zhì)量xD，則塔底產(chǎn)品的質(zhì)量xW及產(chǎn)率亦隨之確定而不能自由選擇（也可以規(guī)定塔底產(chǎn)品的產(chǎn)率和質(zhì)量）。在規(guī)定分離要求時，應(yīng)使DxD≤FxF或D/F≤xF/xD。如果塔頂產(chǎn)出率D/F取得過大，即使精餾塔有足夠的分離能力，塔頂仍不可能獲得高純度的產(chǎn)品，因其組成必須滿足：討論：第19頁，共67頁，2023年，2月20日，星期六4/22/202319ProcessSystemPrinciple精餾過程原理精餾原理（3）回流比：R↑，輕組分純度↑，利于精餾；R↑，能耗↑，蒸汽加熱量↑，冷凝量↑。第20頁，共67頁，2023年，2月20日，星期六4/22/202320ProcessSystemPrinciple精餾過程原理精餾過程的數(shù)學(xué)描述（1）逆流多級傳質(zhì)操作：圖6-8板式精餾塔精餾塔由若干塊塔板組成，每塊塔板為一個氣液接觸單元。精餾過程的數(shù)學(xué)描述方法：■物料衡算；■熱量衡算；■過程特方程征。第21頁，共67頁，2023年，2月20日，星期六4/22/202321ProcessSystemPrinciple精餾過程原理精餾過程的數(shù)學(xué)描述（2）塔板上過程的數(shù)學(xué)描述：圖6-9塔板的熱量衡算和物料衡算第22頁，共67頁，2023年，2月20日，星期六4/22/202322ProcessSystemPrinciple精餾過程原理精餾過程的數(shù)學(xué)描述

物料衡算：

熱量衡算：飽和蒸汽的焓I為泡點液體的焓i與氣化潛熱r之和，所以：對第n塊塔板作熱量衡算（不計熱量損失）：對第n塊塔板作物料衡算可得：總物料衡算式：輕組分衡算式：第23頁，共67頁，2023年，2月20日，星期六4/22/202323ProcessSystemPrinciple精餾過程原理精餾過程的數(shù)學(xué)描述忽略組成與溫度所引起的飽和液體焓i及氣化潛熱r的差別，則假設(shè)：將物料衡算式代入上式，得：則：

結(jié)論：在精餾塔內(nèi)沒有加科和出料的任一塊塔板中，各板上升的蒸汽量均相等，各板下降的液體量也均相等。第24頁，共67頁，2023年，2月20日，星期六4/22/202324ProcessSystemPrinciple精餾過程原理精餾過程的數(shù)學(xué)描述適用：被分離組分沸點相差較小，氣化潛熱相近。（3）理論板和板效率①不同液體的摩爾氣化潛熱相近，V和L取摩爾流量，上述簡化稱為恒摩爾流假定；②不同液體的質(zhì)量氣化潛熱相近，V和L取質(zhì)量流量，上述簡化稱為恒質(zhì)量流假定。理論板：氣、液兩相充分混合而且傳質(zhì)與傳熱過程的阻力皆為零的理想化塔板。即兩相溫度相同，組成互成平衡。第25頁，共67頁，2023年，2月20日，星期六4/22/202325ProcessSystemPrinciple精餾過程原理精餾過程的數(shù)學(xué)描述則特征方程為：板效率：實際塔板不同于一個理論板。泡點方程相平衡方程板效率的定義如下：式中：－－與離開第n板液相xn成平衡的氣相組成；－－氣相的默弗里板效率。第26頁，共67頁，2023年，2月20日，星期六4/22/202326ProcessSystemPrinciple精餾過程原理精餾過程的數(shù)學(xué)描述引入理論板和恒摩爾流假定后：相平衡方程：

適用范圍：適用于精餾段、提餾段每一塊塔板；不適用于有物料加入或引出的塔板。物料衡算式：（4）加料板的過程分析圖6-10加料板的物料和熱量衡算進料狀態(tài)：液相進料，氣相進料、氣液相混合進料。第27頁，共67頁，2023年，2月20日，星期六4/22/202327ProcessSystemPrinciple精餾過程原理精餾過程的數(shù)學(xué)描述

理論進料板：兩相溫度相同，組成互成平衡。精餾段與提餾段兩相流量的關(guān)系：聯(lián)立求解，得：物料衡算和熱量衡算：物料衡算式相平衡方程設(shè)第m塊板為加料板：第28頁，共67頁，2023年，2月20日，星期六4/22/202328ProcessSystemPrinciple精餾過程原理精餾過程的數(shù)學(xué)描述若定義：則可得：q---加料熱狀態(tài)參數(shù)，其數(shù)值大小等于每加入1kmol的原料使提餾段液體所增加的摩爾數(shù)。q＝0：為飽和蒸汽加料；0<q<1：為氣液混合物加料；q＝1：為泡點加料；第29頁，共67頁，2023年，2月20日，星期六4/22/202329ProcessSystemPrinciple精餾過程原理精餾過程的數(shù)學(xué)描述q>1：為冷料加料。此時進料液體的溫度低于泡點，入塔后由提餾段上升蒸汽部分冷凝所放出的冷凝熱將其加熱至泡點，因此q值大于1；q<0：為過熱蒸汽加料。入塔后將放出顯熱成為飽和蒸汽，使加料板上的液體部分氣化，因此q值小于0；（5）精餾塔內(nèi)的摩爾流率：設(shè)精餾塔頂?shù)睦淠鳛槿鳎涸谂蔹c溫度下部分地回流入塔(泡點回流)。精餾段：提餾段：第30頁，共67頁，2023年，2月20日，星期六4/22/202330ProcessSystemPrinciple精餾過程原理精餾過程的數(shù)學(xué)描述塔頂冷凝器的熱負荷：塔釜的熱負荷：式中：rc---組成為xD的混合液的平均氣化熱；rb---組成為xW的混合液的平均氣化熱。第31頁，共67頁，2023年，2月20日，星期六4/22/202331ProcessSystemPrinciple精餾過程原理精餾過程的兩種解法（1）方程聯(lián)立求解：設(shè)某精餾塔共有N塊理論板，其中第m塊板為加料板，最未一塊是蒸餾釜，可視為一塊理論板。對N塊理論板可寫出N個物料衡算式。設(shè)回流液體組成為x0，則N個物料衡算式可依次列出如下：第1塊板第2塊板┆加料板（第m板)第32頁，共67頁，2023年，2月20日，星期六4/22/202332ProcessSystemPrinciple精餾過程原理精餾過程的兩種解法圖6-11塔釜的物料衡算最后一塊板（第N板）：且：已知條件：全凝器：上述方程聯(lián)立，可求得共2N個未知數(shù)。解法實用范圍：N板數(shù)已知。提餾段任一塊板（第n板）：第33頁，共67頁，2023年，2月20日，星期六4/22/202333ProcessSystemPrinciple精餾過程原理精餾過程的兩種解法（2）逐板計算法：該法適用與板數(shù)N未知的情況。冷凝器：由：求出：x1第一塊板：精餾段任意一塊塔板（加料板以上）：提餾段任意一塊塔板（加料板以下）：交替使用上述方程，計算到為止，停止計算。XN的下標N便是所需要的理論板數(shù)量。第34頁，共67頁，2023年，2月20日，星期六4/22/202334ProcessSystemPrinciple精餾過程原理精餾塔的操作方程（1）精餾段操作方程：圖6-12精餾段的物料衡算變換：又：所以：第35頁，共67頁，2023年，2月20日，星期六4/22/202335ProcessSystemPrinciple精餾過程原理精餾塔的操作方程（2）提餾段操作方程：變換：又：所以：圖6-13提餾段的物料衡算第36頁，共67頁，2023年，2月20日，星期六4/22/202336ProcessSystemPrinciple精餾過程原理精餾塔的操作方程因為：所以：（3）操作方程的圖示：圖6-14精餾段和提餾段操作線精餾段端點坐標（a點）：第37頁，共67頁，2023年，2月20日，星期六4/22/202337ProcessSystemPrinciple精餾過程原理精餾塔的操作方程提餾段端點坐標（c點）：斜率：或截距：斜率：兩操作線方程的交點坐標：第38頁，共67頁，2023年，2月20日，星期六4/22/202338ProcessSystemPrinciple精餾計算設(shè)計型計算1.理論板數(shù)的計算（1）設(shè)計命題選擇條件：操作壓強P，回流比R，進料狀態(tài)q。（2）逐板計算法根據(jù)規(guī)定的分離要求，選擇精餾的操作條件，計算所需的理論板數(shù)。關(guān)于分離要求：輕組分的回收率η：計算公式：操作線方程，相平衡方程。圖6-15為一連續(xù)精餾塔，塔頂設(shè)全凝器，泡點回流。第39頁，共67頁，2023年，2月20日，星期六4/22/202339ProcessSystemPrinciple精餾計算設(shè)計型計算圖6-15逐板計算的圖示第40頁，共67頁，2023年，2月20日，星期六4/22/202340ProcessSystemPrinciple精餾計算設(shè)計型計算從塔頂開始計算：step1：第一塊板，；

注意：在精餾段使用精餾段操作線方程；在提餾段使用提餾段操作線方程；交替點在兩個操作線方程的交點處。step3：根據(jù)操作線方程，求出y2。step4：交替使用相平衡方程和操作線方程，直到達到規(guī)定的xW為止，從而得到所需的理論板數(shù)。step2：根據(jù)相平衡，求出x1。第41頁，共67頁，2023年，2月20日，星期六4/22/202341ProcessSystemPrinciple精餾計算設(shè)計型計算（3）最優(yōu)加料位置的確定：圖6-16加料位置選擇不當(dāng)（a）第8塊板進料（12塊理論板）；（b）第4塊板進料（12塊理論板）

；圖6－15第五塊板進料（10塊理論板）。第42頁，共67頁，2023年，2月20日，星期六4/22/202342ProcessSystemPrinciple精餾計算設(shè)計型計算最優(yōu)加料位置的確定，應(yīng)該選擇該板的液相組成x等于或略低于xq。（4）操作線的實際做法圖6-17操作線的實際作法由：得：上式稱為q線方程。第43頁，共67頁，2023年，2月20日，星期六4/22/202343ProcessSystemPrinciple精餾計算設(shè)計型計算例：逐板計算法求理論板數(shù)在常壓下將含苯摩爾分數(shù)為0.25的苯－甲苯混合液連續(xù)精餾，要求餾出液中含苯摩爾分數(shù)為0.98，釜液中含苯摩爾分數(shù)為0.085。操作時所用回流比為5，泡點加料，泡點回流，塔頂為全凝器，求所需理論板數(shù)。常壓下苯－甲苯混合物可視為理想物系，相對揮發(fā)度為2.47。解：或相平衡方程：第44頁，共67頁，2023年，2月20日，星期六4/22/202344ProcessSystemPrinciple精餾計算設(shè)計型計算精餾段操作線提餾段操作線（因q＝1）式中第45頁，共67頁，2023年，2月20日，星期六4/22/202345ProcessSystemPrinciple精餾計算設(shè)計型計算代入可得泡點進料第一塊塔板上升的蒸汽組成從第一塊板下降的液體組成由式（a）求取從第二塊板上升的氣相組成由式（b）求取第46頁，共67頁，2023年，2月20日，星期六4/22/202346ProcessSystemPrinciple精餾計算設(shè)計型計算第二塊板下降的液體組成第三塊板上升的氣相組成第三塊板下降的液體組成如此反復(fù)計算得第47頁，共67頁，2023年，2月20日，星期六4/22/202347ProcessSystemPrinciple精餾計算設(shè)計型計算因為x8<xq，第9塊板上升的氣相組成由提餾段操作線方程（c）計算第9塊板下降的液體組成所需總理論板數(shù)為10塊，第8塊加料，精餾段需7塊板。第48頁，共67頁，2023年，2月20日，星期六4/22/202348ProcessSystemPrinciple精餾計算設(shè)計型計算2、回流比的選擇：精餾段增大；回流比R增大：提餾段增大；對精餾過程有利。y-x線移向?qū)蔷€，則理論板數(shù)減少。但回流比R增大：全凝器負荷增大；再沸器負荷增大；無回流；全回流；實際：（1）全回流和最少理論板數(shù)：全回流：不加料也不出料，此時的理論板數(shù)為最少：第49頁，共67頁，2023年，2月20日，星期六4/22/202349ProcessSystemPrinciple精餾計算設(shè)計型計算圖6-18全回流時的理論板數(shù)第50頁，共67頁，2023年，2月20日，星期六4/22/202350ProcessSystemPrinciple精餾計算設(shè)計型計算芬斯克(Fenske)方程：對雙組分溶液，則：全回流是操作回流比的極限，只是在設(shè)備開工、調(diào)試及實驗研究時采用。（2）最小回流比Rmin：R↓，操作線移向平衡線，理論板數(shù)N↑，兩線相交，Rmin。第51頁，共67頁，2023年，2月20日，星期六4/22/202351ProcessSystemPrinciple精餾計算設(shè)計型計算圖6-19最小回流比第52頁，共67頁，2023年，2月20日，星期六4/22/202352ProcessSystemPrinciple精餾計算設(shè)計型計算（3）最適宜回流比的選擇

：圖6-20回流比與理論板數(shù)的關(guān)系圖6-21最適宜回流比的選擇第53頁，共67頁，2023年，2月20日，星期六4/22/202353ProcessSystemPrinciple精餾計算設(shè)計型計算（4）理論板數(shù)的捷算法

：當(dāng)需對指定的分離任務(wù)所需要的理論板數(shù)作出大致的估計，或簡略地找出塔板數(shù)與回流比之關(guān)系，以供經(jīng)濟分析的需要，可用如下的經(jīng)驗方法求取理論板數(shù)：step1：求出最小回流比Rmin；step2：求出全回流條件下的最少理論板數(shù)Nmin；step3：利用經(jīng)驗關(guān)聯(lián)求出指定回流比下的理論板數(shù)。常用的經(jīng)驗關(guān)聯(lián)是吉利蘭(Gilliland)圖，關(guān)聯(lián)Rmin、Nmin、N、R幾個數(shù)據(jù)。范圍內(nèi)可用下式代替：第54頁，共67頁，2023年，2月20日，星期六4/22/202354ProcessSystemPrinciple精餾計算設(shè)計型計算圖6-22吉利蘭(Gilliland)關(guān)聯(lián)圖第55頁，共67頁，2023年，2月20日，星期六4/22/202355ProcessSystemPrinciple精餾計算設(shè)計型計算例：捷算法計算前例的理論板數(shù)N。已知：xF=0.25，xD=0.98，xW=0.085，R=5，q=1，α=2.47解：苯－甲苯為理想溶液，在最小回流比時，精餾段操作線的斜率為：最小回流比：第56頁，共67頁，2023年，2月20日，星期六4/22/202356ProcessSystemPrinciple精餾計算設(shè)計型計算

與前例所得結(jié)果10塊相近。全回流下的最少理論板數(shù)：當(dāng)采用回流比R＝5時，查吉利蘭圖可得：解出：第57頁，共67頁，2023年，2月20日，星期六4/22/202357ProcessSystemPrinciple精餾計算操作型計算1.計算命題在設(shè)備（精餾段板數(shù)及全塔理論板數(shù)）已定條件下，由指定的操作條件預(yù)計精餾操作的結(jié)果。已知條件：總理論板數(shù)N；加料板位置m；y=f（x）平衡線或相對揮發(fā)度α；xF（原料）；熱狀態(tài)q；回流比R；采出率D/F。操作型計算的特點：待求量：產(chǎn)品xD、xW，逐板的組成分布。（1）由于眾多變量之間的非線性關(guān)系．使操作型計算一般均須通過試差（迭代），即先假設(shè)一個塔頂（或塔底）組成，再用物料衡算及逐板計算予以校核的方法采解決。第58頁，共67頁，2023年，2月20日，星期六4/22/202358ProcessSystemPrinciple精餾計算操作型計算（2）加料板位置（或其它操作條件）一般不滿足最優(yōu)化條件。2、回流比增加對精餾結(jié)果的影響（分析）圖6-23增加回流比對精餾結(jié)果的影響第59頁，共67頁，2023年，2月20日，星期六4/22/202359ProcessSystemPrinciple精餾計算操作型計算計算方法：step3：xm加料板后，提餾段交替使用：step1：假設(shè)：xW=value；step2：自xD起，在精餾段交替使用：則：第60頁，共67頁，2023年，2月20日，星期六4/22/202360ProcessSystemPrinciple精餾計算操作型計算step4：算出xn，與xw相比較：結(jié)果相近，計算有效；結(jié)果相差，重新試差。例：改變回流比求全塔組成分布。某精餾塔具有10塊理論板，加料位置在第8塊塔板，分離原料組成為摩爾分數(shù)0.25的苯－甲苯混合液，物系相對揮發(fā)度為2.47。已知在R＝5，泡點進料時x’D=0.98