化工第四章-精餾課件

可以根據(jù)液體揮發(fā)度差異精餾液體混合物如何分離？

概念

1.易揮發(fā)組分：輕組分，A

液相中A摩爾分數(shù)：xA

蒸氣中A摩爾分數(shù)：yA 2.難揮發(fā)組分：重組分，B 3.泡點：混合液開始沸騰的溫度

4.露點：混合蒸氣開始凝結(jié)的溫度

可以根據(jù)液體揮發(fā)度差異精餾液體混合物如何分離？概本章線索1.精餾原理 雙組分溶液氣液相平衡：t-x-y圖，x-y圖 理想物系非理想物系 精餾原理

4.板式塔2.簡單蒸餾計算平衡蒸餾3.連續(xù)精餾計算實際塔板數(shù)理論塔板數(shù)塔效率操作線方程物料衡算氣液平衡本章線索4.板式塔2.簡單蒸餾計算平衡蒸餾實際塔板數(shù)1.精餾原理1.1理想雙組份互溶體系氣液相平衡

（1）液相為理想溶液，服從拉烏爾定律：

精餾需知雙組分的氣液平衡關(guān)系，可根據(jù)純液體飽和蒸氣壓求得雙組分理想體系有兩個含義：pApBxAxB

溶液沸騰時，各組分蒸氣壓之和等于外壓p：1.精餾原理（1）液相為理想溶液，服從拉烏爾定律：（2）氣相為理想氣體，符合道爾頓分壓定律：

根據(jù)不同溫度下各組分的飽和蒸汽壓PA*、PB*，可求出各溫度下的氣、液相濃度xA、yA

例4.1-1

已知苯和甲苯的飽和蒸氣壓，作出常壓下的t-x-y圖（2）氣相為理想氣體，符合道爾頓分壓定律：根

t/C苯

kPa

甲苯

kPa80.1101.339.384.0113.644.488.0127.650.692.0143.757.696.0160.565.7100.0179.274.5104.0199.383.3108.0221.293.9110.8233.0101.300.20.40.60.81.0110100

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60101.32KPat

xA或yA液相區(qū)氣相區(qū)氣液共存區(qū)t-xt-y得到表2，直觀表示為t/C苯甲苯80.1101.339.3t-x-y圖 兩點：純易揮發(fā)A組分(x=1)，純難揮發(fā)B組分（x=0）。

三區(qū):t-x線以下為液相區(qū)；t-y線以上為氣相區(qū)；t-x與t-y線之間為氣液共存區(qū)。

兩線：t-x線為泡點線；t-y線為露點線。 xA=0.50，泡點時蒸氣組成yA=0.713。00.20.40.60.81.0110100

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60101.32KPat

xA或yA液相區(qū)氣相區(qū)氣液共存區(qū)t-xt-yt-x-y圖 三區(qū):t-x線以下為液相區(qū)；t-y線以y-x圖

從每個點可讀出平衡時氣、液相組成，對應一個溫度

t-x-y圖上的泡點線和露點線，在x-y圖上合并為一條平衡線。

xA=0.50，蒸氣組成yA=0.713平衡線1.001.0yAxA0.7130.5y-x圖 從每個點可讀出平衡時氣、液相組成，對應一個相對揮發(fā)度

所以，比較溶液中各組分揮發(fā)度，不能只比較蒸氣分壓，應為組分的平衡蒸氣分壓與其液相摩爾分數(shù)之比，即揮發(fā)度：

蒸餾：根據(jù)液體揮發(fā)度差異進行分離

純液體的揮發(fā)度，以純液體的飽和蒸氣壓表示。 溶液中各組分的蒸氣壓比純液體時低，與液相摩爾分數(shù)等有關(guān)。對于理想溶液,相對揮發(fā)度 所以，比較溶液中各組分揮發(fā)度，不能只比較蒸氣分壓體系服從拉烏爾定律時：體系服從道爾頓定律時：相對揮發(fā)度：即：氣相中兩組分摩爾分數(shù)之比/液相中摩爾分數(shù)比體系服從拉烏爾定律時：體系服從道爾頓定律時：相對揮發(fā)度：即：

α值越大，同一液相組成xA對應的yA值越大，分離越易。α可作為蒸餾分離某物系難易程度的標志。

給出一個xA值，求出相應的yA值。

例4.1-2

已知α值，求氣液平衡數(shù)據(jù)。α值越大，同一液相組成xA對應的yA值越大，分離越1.2非理想物系的氣液相平衡（1）非理想溶液溶液的非理想性，源于異種分子間作用力不同于同種分子間作用力，或因締合、解離等原因引起混合前后分子數(shù)目的改變，導致溶液中各組分產(chǎn)生的分壓偏離拉烏爾定律。

正偏差：異種分子間的排斥力大于同種分子間排斥力，溶液組分的平衡分壓比拉烏爾定律預計的高1.00總壓

pxA正偏差負偏差理想最低恒沸點最高恒沸點

正偏差嚴重時，形成具有最低恒沸點的溶液

1.2非理想物系的氣液相平衡（1）非理想溶液

苯-乙醇溶液，其最低恒沸點為tm＝68.3℃，xm＝0.552。 乙醇-水溶液，tm＝78.15℃，xm＝0.894。 制備無水酒精，需用特殊精餾。

苯-乙醇溶液，其最低恒沸點為tm＝68.3℃，x

負偏差：異分子間的吸引力大于同分子間吸引力，溶液兩個組分的平衡分壓比拉烏爾定律預計的低。 1.00總壓

pxA正偏差負偏差理想最低恒沸點最高恒沸點

負偏差嚴重時，形成具有最高恒沸點的溶液。氯仿-丙酮溶液，tm＝64.5℃，xm＝0.65。負偏差：異分子間的吸引力大于同分子間吸引力，溶液兩（2）壓力對氣液平衡的影響

通常，壓力降低，泡點變小，相對揮發(fā)度α增大，分離容易。

氮-氧體系，體系壓強提高到3.5MPa以上時，體系出現(xiàn)恒沸點，恒沸點組成隨壓強改變而變化

1.001.0yAxA1MPa3.5MPa4.5MPa壓力對氮氧體系平衡的影響（2）壓力對氣液平衡的影響氮-氧體系，體系壓強提1.3.1簡單蒸餾

將組成為x=0.50的苯-甲苯溶液加熱至B點，產(chǎn)生第1個氣泡，對應的溫度為泡點t1，氣泡組成為y1（苯）=0.71。1.3精餾原理

y2y1x2xt2

t1

導出蒸氣（微量）冷凝，餾出液x

（苯）=0.71。餾殘液中苯含量降低，加熱到t2才沸騰，氣泡組成y21.3.1簡單蒸餾1.3精餾原理 y2y1

間歇操作,非定態(tài)（時變過程）應用：不精密的分離，如蒸餾發(fā)酵液得到飲用酒，煤焦油的粗分。

簡單蒸餾所得溶液純度不高，如何提高純度？間歇操作,非定態(tài)（時變過程）

多次部分氣化

將組成為x0的苯-甲苯溶液加熱至兩相區(qū)。分出蒸氣，再將餾殘液部分氣化和分出蒸氣，如此反復，最終所余液體接近純的難揮發(fā)組分1.3.2精餾

多次部分氣化1.3.2精餾

多次部分氣化和多次部分冷凝，可得到純易揮發(fā)組分和純的難揮發(fā)組分。多次部分冷凝 反之，將組成為y0的蒸氣部分冷凝，液相組成x1，氣相組成y1。再將蒸氣部分冷凝，如此反復，最終所余蒸氣接近純易揮發(fā)組分部多次部分氣化和多次部分冷凝，可得到純易揮發(fā)組3連續(xù)精餾3.1連續(xù)精餾的實現(xiàn)

由t-x-y圖知，相同組成蒸氣的露點高于同組成溶液的泡點。

蒸氣V1（組成y1）與組成相近的溶液L1（組成x1）接觸，熱量由蒸氣向溶液傳遞，造成蒸氣部分冷凝、溶液部分氣化，同時發(fā)生傳質(zhì)，得到蒸氣V2（組成y2）和液體L2（組成x2）。y2>y1,x2<x1,即蒸氣富集了輕組分，溶液富集了重組分00.20.40.60.81.0110100

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60t

xA或yAL1,x1V1,y1L2,x2V2,y23連續(xù)精餾由t-x-y圖知，相同組成蒸氣的露點

精餾塔中，上層塔板流下的液體Ln-1與下層塔板上升的蒸氣Vn+1在第n塊板接觸，兩者組成接近，蒸氣露點高于溶液泡點，將引起蒸氣部分冷凝和溶液部分氣化。

傳熱傳質(zhì)的結(jié)果，兩者溫度趨于一致，新生蒸氣Vn比下層上升蒸氣Vn+1富含輕組分，新生溶液Ln比上層流下液體Ln-1富含重組分。nn-1n+1VnynVn+1yn+1LnxnLn-1xn-1yn>yn+1,xn<xn-1塔板數(shù)從上往下數(shù)精餾塔中，上層塔板流下的液體Ln-1與下層塔板

往塔頂方向，蒸氣中輕組分越來越富集，往塔底方向溶液重組分越富集。

（1）將塔頂蒸氣的冷凝液回流一部分，稱為回流液。

（2）塔底應提供蒸氣，所以，在塔底安裝加熱器（稱再沸器），使釜殘液部分氣化。

塔板數(shù)由上向下數(shù)1234往塔頂方向，蒸氣中輕組分越來越富集，往塔底方

（3）進料組成介于餾出液和釜殘液之間，進料不應在塔頂或塔底，應在液相組成與進料接近的塔板上，稱為進料板。

進料板以上各層塔板，輕組分含量均比進料中高，稱為精餾段。

進料板以下（包括進料板）各層塔板，重組分含量比進料中高，稱為提餾段。

1234（3）進料組成介于餾出液和釜殘液之間，進料不

只有精餾段的塔，只能將進料分割為純的輕組分和粗的釜殘液。如將粗苯分割成精苯和動力苯

只有提餾段的塔，只能將進料分割為粗的餾出液和純的重組分。如稀硫酸的濃縮只有精餾段的塔，只能將進料分割為純的輕組分

塔頂蒸氣（V）經(jīng)冷凝后，部分作為回流L，其他作為餾出液D。回流比R為：回流比 L，D，V：回流液體、餾出液、上升蒸氣的摩爾流量

1234VLD塔頂蒸氣（V）經(jīng)冷凝后，部分作為回流L，其

連續(xù)精餾中，連續(xù)進料，餾出液和釜殘液連續(xù)引出，系統(tǒng)各點操作條件和物相組成不隨時間變化。

釜殘液經(jīng)換熱器冷卻回收熱量后，作為產(chǎn)品。連續(xù)精餾流程

再沸器：釜殘液部分氣化

塔頂全凝器：蒸氣全部冷凝塔頂分凝器：蒸氣部分冷凝連續(xù)精餾中，連續(xù)進料，餾出液和釜殘液連續(xù)引3.2理論塔板數(shù)的計算

進入塔板的氣液，在塔板上充分混合、接觸、傳質(zhì)，離開該板的氣液兩相達到傳熱、傳質(zhì)平衡，即兩相溫度相等，組成互成平衡，稱為理論板。

再沸器內(nèi)，釜殘液部分氣化，氣液接近平衡，可視為一塊理論板。

塔頂分凝器：蒸氣部分冷凝，氣液接近平衡，可視為一塊理論板。3.2理論塔板數(shù)的計算進入塔板的氣液，在塔板上充3.2.1全塔物料衡算總物料衡算:易揮發(fā)組分的物料衡算聯(lián)立以上兩式可得:

1234FWD3.2.1全塔物料衡算總物料衡算:易揮發(fā)組分的物料衡算聯(lián)立

進料濃度XF一般給定，規(guī)定塔頂、塔底產(chǎn)品組成,產(chǎn)品的采出率不能自由選擇餾出液采出率釜液采出率從兩公式得出什么結(jié)論？

1234FWD進料濃度XF一般給定，規(guī)定塔頂、塔底基本假設(shè)3.2.2操作線方程

（1）進料液預熱到泡點，溫度與進料板上液體溫度接近，即飽和液體進料（2）塔身絕熱，無熱損失

1234

（3）回流由塔頂全凝器供給，回流組成與產(chǎn)品相同，回流溫度為溶液泡點基本假設(shè)3.2.2操作線方程（1）進料液預nn-1n+1VnynVn+1yn+1LnxnLn-1xn-1yn>yn+1,xn<xn-1Vn=Vn+1,Ln=Ln-1

（4）輕、重組分摩爾氣化熱相等。各層塔板上每氣化1mol液體，必然有1mol蒸氣冷凝。

全塔上升蒸氣量(V)相等，精餾段回流量(L)相等；提餾段回流量(L

)相等,且L

=L+Fnn-1n+1VnynVn+1yn+1LnxnLn-3.2.2.1精餾段操作線方程

在第n板與第n+1板之間的塔截面到塔頂全凝器之間進行物料衡算：3.2.2.1精餾段操作線方程在第n板與第n

兩相鄰塔板之間上升蒸汽和下降液體中輕組分摩爾分率yn+1和xn之間的關(guān)系，稱為操作關(guān)系，其方程式稱為操作線方程

直線斜率為R/(R+1)，在y軸截距是xd/(R+1)。xdxdxw

令xn=xd,則yn+1=xd，即操作線過點（xd，xd）兩相鄰塔板之間上升蒸汽和下降液體中輕組分摩爾分率3.2.2.2提餾段操作線方程

從第m板與第m+1板之間的塔截面到塔底再沸器之間進行物料衡算：f=F/DVF+LW對于輕組分：3.2.2.2提餾段操作線方程從第m

直線斜率為(f+R)/(R+1)，因為f>1，所以，斜率大于1。在y軸截距是-(f-1)xw/(R+1)xdxdxwxwxf

令xm=xw,則ym+1=xw，即過點（xw，xw）直線斜率為(f+R)/(R+1)，因為f

從點(xd,xd)出發(fā)，以xd/(R+1)為截距，作出精餾段操作線;

精餾段操作線與x=xf相交，連接交點與（xw,xw），得到提餾段操作線。

交點橫坐標為xf

將精餾段、提餾段操作線方程聯(lián)立，求交點xdxdxwxwxf從點(xd,xd)出發(fā)，以x3.2.3圖解法計算理論塔板數(shù)

通常從塔頂開始進行計算。塔頂回流液由全凝器提供，回流至第一塊塔板的回流液組成xd，等于該塊塔板產(chǎn)生的蒸氣組成y1：

1234y1=xd

各塔板為理論板，離開第一塊塔板的液體（x1）必與該塊塔板產(chǎn)生的蒸氣（y1）平衡，即（x1,y1）必在平衡線上。3.2.3圖解法計算理論塔板數(shù)通常從

由點(xd,xd)作水平線，與平衡線交點為（x1,y1），求得x1

離開第一塊塔板的液體（x1）與第二塊板上升的蒸氣（y2）服從精餾段操作線方程

即（x1,y2）在操作線上，由（x1,y1）作垂線與操作線相交于（x1,y2），得到y(tǒng)2

。(x1,y1)(x1,y2)由點(xd,xd)作水平線，與平衡

離開第n塊板的氣相組成yn與液相組成xn滿足相平衡關(guān)系，代表該板的點B（xn，yn）在平衡線上；

第n+1塊板上升蒸氣yn+1與第n塊板下降液體xn滿足操作線方程，C（xn，yn+1）在操作線上。離開第n塊板的氣相組成yn與液相組成x

依次繪水平線與垂直線，每繪出一個直角梯級就代表一塊理論板，總梯級數(shù)目為理論板數(shù)。

(x1,y1)(x1,y2)圖解方法

最佳進料板位置，應使全塔所需總理論板數(shù)最少。

確定條件：離開該板的液相組成x等于或略小于xf。某梯級跨兩操作線交點時，應更換操作線，該梯級為進料板，屬提餾段依次繪水平線與垂直線，每繪出一個直角梯級就代表

例

苯-甲苯混合物泡點進料，xf=0.50,xd=0.95,xw=0.05，R=2，求理論塔板數(shù)(x1,y1)(x1,y2)

圖解法對理想溶液和非理想溶液均適用。例苯-甲苯混合物泡點進料，xf=0

（1）作操作線：（xd，xd），y軸截距xd/(R+1),得精餾段操作線；x=xf線與精餾段線交點，(xw,xw)，得提餾段操作線

（2）畫梯級x5<xf,在第五塊板加料；x11<xw

，故理論塔板數(shù)為11，再沸器相當于1塊塔板，故理論塔板數(shù)為10（不含再沸器），其中精餾段4塊，提餾段6塊(x1,y1)(x1,y2)（1）作操作線：(x1,y1)(x1,y3.2.4逐板計算法

例

苯-甲苯混合物泡點進料，相對揮發(fā)度為2.45，塔頂全凝器，xf=0.50,xd=0.95,xw=0.05，R=2，求理論塔板數(shù)

1234

回流至第一塊塔板的回流液組成xd，等于該塊塔板產(chǎn)生的蒸氣組成y1：y1=xd=0.95

對理想溶液，根據(jù)氣液平衡關(guān)系，由y1求得x1x1=0.8863.2.4逐板計算法例苯-甲苯混

1234

根據(jù)精餾段操作線，由x1

求得y2=0.908求得x5=0.506，又因為xf=0.50，應在第5塊板加料1根據(jù)精餾段操作線，由x1求得y2

根據(jù)物料恒算：

求得f=F/D=2,得到提餾段操作線方程

求得x11=0.044≤xw

，得到塔板數(shù)為11

該法適于理想體系根據(jù)物料恒算：3.2.5回流比的影響3.2.5.1全回流

塔頂冷凝液全部作為回流，稱為全回流，不加料，也不出料F=0,D=0,W=0,R=L/D=∞

重要特點：兩操作線合二為一,yn+1=xn，與對角線y=x重合。

兩板之間任一截面上，上升蒸氣組成yn+1與下降液體xn組成相等。3.2.5回流比的影響塔頂冷凝液全

操作線和平衡線的距離最遠，達到指定分離程度所需的理論板數(shù)最少。

全回流時，得不到產(chǎn)品，在工業(yè)上不采用。在精餾塔的開工調(diào)試階段常采用。 操作線和平衡線的距離最遠，達到指定分離程度所需的全回流下最小理論塔板數(shù)NMin體系為理想體系時，根據(jù)相對揮發(fā)度定義，離開每塊板的氣液平衡，滿足關(guān)系：對于第一塊板：對于第二塊板：全回流下操作線方程為：yn+1=xn所以：yA2=xA1yB2=1-yA2=1-xA1=xB1全回流下最小理論塔板數(shù)NMin體系為理想體系時，根據(jù)相對揮發(fā)將yA2=xA1yB2=xB1

代入同理得：將塔頂yA1=xd塔釜

xAN=xW

代入芬斯克方程（Fenske，含塔釜）將yA2=xA1yB2=xB1代入同理3.2.5.2最小回流比

回流比減小，精餾段操作線斜率變小，提餾段操作線斜率增大，到達某一極限時，兩操作線與平衡線交于(xf,yf)，精餾需要無窮多塔板

將(xf,yf)代入精餾段操作線方程xfyf3.2.5.2最小回流比回流比減小，精餾段xfyf

對某些體系，當R減小到與平衡線相切時，精餾也無法達到預期效果

xfyf對某些體系，當R減小到與平衡線相切時，精餾也回流比的選擇

應使精餾總成本最低回流比為Rmin,塔為無窮高，投資費用無窮大。

R適當提高，投資費用下降。回流比繼續(xù)增大，能耗隨之增大，操作費用迅速增大建議R=1.1～2.0Rmin回流比的選擇

應使精餾總成本最低

將許多不同精餾塔的回流比R、最小回流比Rmin、理論板數(shù)N、最小理論板數(shù)Nmin四個參數(shù)進行定量的關(guān)聯(lián)，稱為吉利蘭圖（Gillilad）圖，3.2.6理論塔板數(shù)的捷算法將許多不同精餾塔的回流比R、最小回流比Rmi

該法簡便，但僅適用于泡點進料的理想體系。

（1）計算最小回流比Rmin

,確定回流比R

（3）查吉利蘭圖，計算理論塔板數(shù)N（含再沸器）

（2）計算全回流下最小理論塔板數(shù)Nmin該法簡便，但僅適用于泡點進料的理想體系。塔板型式

（1）錯流塔板：有降液管，應用最廣（2）逆流塔板：穿流塔板錯流式塔板

3.8板式塔

在總體上，兩相呈逆流流動，而在每一塊塔板上，兩相呈錯流接觸。

在重力作用下，液體自上而下橫向流過各層塔板，由塔底排出；

在壓差推動下，氣體由下而上穿過塔板開孔、通過板上液層，兩相進行接觸傳質(zhì)，最后由塔頂排出。塔板型式錯流式塔板3.8板式塔在總體上，兩相呈

結(jié)構(gòu)簡單，板面利用率也高，但需要較高氣速才能維持板上液層，操作范圍較小，分離效率也低，工業(yè)上應用較少。穿流式塔板

不設(shè)降液管，氣液同時由板上孔道逆向穿流而過。結(jié)構(gòu)簡單，板面利用率也高，但需要較高氣速才能維持1）篩孔塔板

1832年開始用于工業(yè)生產(chǎn)。塔板上開有許多均勻的小孔，孔徑一般為3～8mm。通過篩孔上升的氣流，應能阻止液體經(jīng)篩孔向下泄漏。

結(jié)構(gòu)簡單、造價低，氣體壓降低，生產(chǎn)能力大，傳質(zhì)效率高。篩孔易堵塞，不宜處理易結(jié)焦、粘度大的物料。應用日趨廣泛。錯流式塔板

1）篩孔塔板結(jié)構(gòu)簡單、造價低，氣體壓降低，生產(chǎn)2）泡罩塔板

1813年Cellier提出，工業(yè)應用最早，由升氣管及泡罩構(gòu)成。泡罩下部周邊開有很多齒縫。上升氣體通過齒縫進入液層，被分散成細小的氣泡或流股，在板上形成鼓泡層。

操作彈性較大，塔板不易堵塞；結(jié)構(gòu)復雜、造價高，板上液層厚，塔板壓降大，板效率較低，逐漸被篩板、浮閥塔板所取代。2）泡罩塔板操作彈性較大，塔板不易堵