制藥化工原理：第八章 蒸餾

1第八章蒸餾

（Chapter8Distillation）2內(nèi)容綱要（一）概述兩組分溶液的氣液平衡相率拉烏爾定律溫度-組成圖

y-x圖非理想溶液揮發(fā)度與相對揮發(fā)度蒸餾與精餾原理單級分離3精餾原理連續(xù)精餾間歇精餾雙組分連續(xù)精餾的計算理論板與恒摩爾流假設(shè)全塔物料衡算精餾段操作線方程提餾段操作線方程進料方程理論板數(shù)的計算內(nèi)容綱要（二）4回流比吉利蘭圖塔高和塔徑精餾塔塔設(shè)備板式塔作業(yè)參考答案內(nèi)容綱要（三）6第一節(jié)概述一、傳質(zhì)過程：物質(zhì)在相內(nèi)或相間轉(zhuǎn)移7第一節(jié)概述8第一節(jié)概述9二、蒸餾目的：分離液體混合物三、分離依據(jù)：各組分的揮發(fā)度不同A——揮發(fā)度大——沸點低——輕組分B——揮發(fā)度小——沸點高——重組分第一節(jié)概述10四、分類簡單蒸餾特殊精餾精餾按操作流程連續(xù)精餾間歇精餾平衡蒸餾(閃蒸)按操作壓強常壓精餾減壓精餾按組分?jǐn)?shù)目兩組分精餾多組分精餾加壓精餾第一節(jié)概述11第二節(jié)雙組分溶液的氣液平衡一、相率：常壓下：雙組分氣液平衡：12第二節(jié)雙組分溶液的氣液平衡1.飽和蒸汽壓2.道爾頓分壓定律:(理想氣體)二、拉烏爾定律：13第二節(jié)雙組分溶液的氣液平衡3.拉烏爾定律：①理想溶液：同溫度下純A的飽和蒸汽壓,Pa同樣：②若氣液均為理想14第二節(jié)雙組分溶液的氣液平衡(平衡時)15第二節(jié)雙組分溶液的氣液平衡例1.苯(A)和甲苯(B)的飽和蒸汽壓和溫度的關(guān)系數(shù)據(jù)如表。利用拉烏爾定律計算苯－甲苯混合液在P＝101.33kPa下氣液平衡數(shù)據(jù)?？梢暈槔硐肴芤?。溫度℃80.1859095100105110.6,kPa101.3116.9135.5155.7179.2204.2240,kPa40.046.054.063.374.386.0101.316第二節(jié)雙組分溶液的氣液平衡解：以t=85℃為例t℃80.1859095100105110.6x1.0000.7800.5810.4120.2580.1300y1.0000.9000.7770.6330.4560.262017第二節(jié)雙組分溶液的氣液平衡三、溫度-組成圖：飽和液體線飽和蒸氣線液相區(qū)氣液共存區(qū)過熱蒸氣區(qū)AB（泡點線）CE（露點線）D18說明：沸點(泡點)不為定值沸點(泡點)與露點不等區(qū)別于純液體第二節(jié)雙組分溶液的氣液平衡19四、圖：說明：平衡線多數(shù)在對角線的上方()；平衡線偏離對角線越遠(yuǎn)，越易精餾。第二節(jié)雙組分溶液的氣液平衡20五、非理想溶液：——不符合拉烏爾定律第二節(jié)雙組分溶液的氣液平衡正偏差1.正、負(fù)偏差溶液：負(fù)偏差21第二節(jié)雙組分溶液的氣液平衡222.恒沸液：第二節(jié)雙組分溶液的氣液平衡23恒沸液說明：恒沸液普通精餾時,產(chǎn)品濃度最高為恒沸組成。恒沸點處的氣、液組成一致;第二節(jié)雙組分溶液的氣液平衡24第二節(jié)雙組分溶液的氣液平衡酒精/％(重量)水/％(重量)苯/％(重量)共沸點/℃酒精與水95.574.4378.15苯與水8.8391.1769.25酒精與苯32.467.668.25酒精、苯與水18.57.474.164.853.特殊精餾：①共(恒)沸精餾——加入第三組分，形成新的更低沸點共沸物摩爾分率：0.2280.2330.539原料液+苯苯+乙醇+水0.539+0.228+0.223恒沸精餾塔全凝器苯+乙醇+水0.745+0.217+0.038苯相(20℃時)苯+乙醇+水0.043+0.35+0.607水相(20℃時)苯回收塔苯+乙醇+水(恒沸)乙醇+水(稀溶液)乙醇回收塔水(恒沸)乙醇+水(恒沸)全凝器無水酒精工業(yè)酒精分層器26第二節(jié)雙組分溶液的氣液平衡②萃取精餾無康醛存在時不同康醛濃度時的相對揮發(fā)度20％40％50％60％70％相對揮發(fā)度(苯/環(huán)己烷)0.951.381.862.072.362.70——加入第三組分，改變相對揮發(fā)度271.揮發(fā)度()：平衡時2.相對揮發(fā)度()：若為理想溶液,則第二節(jié)雙組分溶液的氣液平衡六、揮發(fā)度與相對揮發(fā)度：28氣液平衡方程說明：若越大于1,越易精餾；若(恒沸液)時，則不能采用普通精餾。理想溶液

隨溫度變化不大。第二節(jié)雙組分溶液的氣液平衡作業(yè)：P236中習(xí)題(2)。29第三節(jié)蒸餾與精餾原理一、單級分離：301.簡單(微分)蒸餾：——氣液平衡組成不斷變化(非穩(wěn)態(tài)過程)第三節(jié)蒸餾與精餾原理31第三節(jié)蒸餾與精餾原理32第三節(jié)蒸餾與精餾原理2.平衡蒸餾(閃蒸)：——氣液發(fā)生一次平衡33第三節(jié)蒸餾與精餾原理閃蒸罐塔頂產(chǎn)品yAxA加熱器原料液

塔底產(chǎn)品

Q減壓閥34第三節(jié)蒸餾與精餾原理35二、精餾原理：缺點：收率低、能耗高第三節(jié)蒸餾與精餾原理36必要條件：塔頂液體回流;塔釜液體部分氣化。第三節(jié)蒸餾與精餾原理溫度依次降低濃度依次升高37第三節(jié)蒸餾與精餾原理38第三節(jié)蒸餾與精餾原理39第三節(jié)蒸餾與精餾原理40第三節(jié)蒸餾與精餾原理41第三節(jié)蒸餾與精餾原理42第三節(jié)蒸餾與精餾原理43三、連續(xù)精餾：加料板以上——精餾段加料板及其以下——提餾段第三節(jié)蒸餾與精餾原理加料位置——與原料液組成相近的板上進料44第三節(jié)蒸餾與精餾原理45第三節(jié)蒸餾與精餾原理46四、間歇精餾：——只有精餾段，沒有提餾段第三節(jié)蒸餾與精餾原理47第四節(jié)雙組分連續(xù)精餾的計算一、理論板與恒摩爾流假設(shè)：理論板——1.理論板：48離開理論板時,氣相的露點等于液相的泡點第四節(jié)雙組分連續(xù)精餾的計算49第四節(jié)雙組分連續(xù)精餾的計算502.恒摩爾流假設(shè)：①

②

第四節(jié)雙組分連續(xù)精餾的計算注：V不一定等于V′，L不一定等于L′

51二、全塔物料衡算：總物料：輕組分：回收率(重)：回收率(輕)：第四節(jié)雙組分連續(xù)精餾的計算52第四節(jié)雙組分連續(xù)精餾的計算濃度表示法

摩爾分率質(zhì)量分率

摩爾濃度質(zhì)量濃度

摩爾比質(zhì)量比53第四節(jié)雙組分連續(xù)精餾的計算算例：

以1kgB為基準(zhǔn)：

以1kmol(A+B)為基準(zhǔn)：54例:將15000kg/h含苯40%（質(zhì)量分率）和甲苯60%的溶液，在連續(xù)精餾塔中進行分離，要求釜殘液中含苯不高于2%，塔頂餾出液中苯的回收率為97.1%。試求餾出液和釜殘液的流量及組成，以摩爾流量和摩爾分率表示。解：進料組成：釜殘液組成：平均分子量：第四節(jié)雙組分連續(xù)精餾的計算55原料液流量：已知：全塔物衡：即：作業(yè)：P237中習(xí)題3和補充習(xí)題。第四節(jié)雙組分連續(xù)精餾的計算56補充習(xí)題：一精餾塔用于分離乙苯(C8H10)-苯乙烯(C8H8)-混合物，進料量為，其中乙苯的質(zhì)量分率為0.6，塔頂乙苯的回收率為79.2%，塔底苯乙烯的回收率為93.7%。試求塔頂、底產(chǎn)品的摩爾流量。()第四節(jié)雙組分連續(xù)精餾的計算57三、精餾段操作線方程：總物料：輕組分：令：——回流比第四節(jié)雙組分連續(xù)精餾的計算58第四節(jié)雙組分連續(xù)精餾的計算59第四節(jié)雙組分連續(xù)精餾的計算例：在一兩組份連續(xù)精餾塔中，進入精餾塔中第n層理論板的氣相組成為0.75，從該板流出的液相組成為0.65(均為摩爾分?jǐn)?shù))，塔內(nèi)氣液比V/L＝2，物系的相對揮發(fā)度為α＝2.5，求(1)從該板上升的蒸汽組成；(2)流入該板的液相組成；(3)回流比R。解:(1)已知和成平衡60第四節(jié)雙組分連續(xù)精餾的計算(2)求：和滿足精餾段操作線關(guān)系。∵但和滿足精餾段操作線關(guān)系。61第四節(jié)雙組分連續(xù)精餾的計算方法二：由第n板的物料衡算可得：(3)∵62四、提餾段操作線方程：總物料：輕組分：第四節(jié)雙組分連續(xù)精餾的計算63第四節(jié)雙組分連續(xù)精餾的計算64五、進料方程：第四節(jié)雙組分連續(xù)精餾的計算1.五種熱狀況：65第四節(jié)雙組分連續(xù)精餾的計算①

②

③

66第四節(jié)雙組分連續(xù)精餾的計算④

⑤

672.定量描述：由于：第四節(jié)雙組分連續(xù)精餾的計算68令：和泡點進料露點進料第四節(jié)雙組分連續(xù)精餾的計算例題69第四節(jié)雙組分連續(xù)精餾的計算例：20℃的苯-甲苯原料液,x苯=0.44,求q.已知苯的汽化潛熱為389kJ/kg,甲苯的汽化潛熱為360kJ/kg.解：原料液20℃93℃飽和蒸汽液體93℃顯熱潛熱(1)

潛熱rm:由苯-甲苯的t-x-y圖查得，該條件下tD=93℃70第四節(jié)雙組分連續(xù)精餾的計算(2)

顯熱r′:在平均溫度

下：返回71例：在常壓操作的連續(xù)精餾塔中分離含甲醇0.4與水0.6（摩爾分率）的溶液，進料的熱狀況參數(shù)為1.1，原料液流量為100kmol/h，要求塔頂易揮發(fā)組分的回收率不低于0.94，釜液組成為0.04（以上均為易揮發(fā)組分的摩爾分率），回流比為2.5，試求產(chǎn)品的流量、精餾段和提餾段的操作線方程及提餾段上升的蒸汽流量。假設(shè)氣液相均為恒摩流動。解:(1)第四節(jié)雙組分連續(xù)精餾的計算72(2)精餾段操作線方程:

(3)提餾段操作線方程:

第四節(jié)雙組分連續(xù)精餾的計算73(4)另第四節(jié)雙組分連續(xù)精餾的計算743.q線方程：第四節(jié)雙組分連續(xù)精餾的計算75第四節(jié)雙組分連續(xù)精餾的計算764.q線對操作線的影響：第四節(jié)雙組分連續(xù)精餾的計算77第四節(jié)雙組分連續(xù)精餾的計算78作業(yè)：P237中習(xí)題5(改q線方程為y=0.5x+0.15)。例:某連續(xù)精餾操作中，已知操作線方程為：精餾段y=0.723x+0.263；提餾段y=1.25x－0.0187；若原料液于露點溫度下進入精餾塔中，試求原料液、餾出液和釜液的組成及回流比。解:①②③第四節(jié)雙組分連續(xù)精餾的計算79六、理論板數(shù)的計算：①精餾段：若塔頂為全凝器第四節(jié)雙組分連續(xù)精餾的計算1.逐板計算法：已知80第四節(jié)雙組分連續(xù)精餾的計算81第四節(jié)雙組分連續(xù)精餾的計算*當(dāng)時則第n層為加料板，即*若非泡點進料,則?。ㄅ蔹c進料）操作線交點處的液相組成加料板算在提餾段82第四節(jié)雙組分連續(xù)精餾的計算

若塔頂為分凝器，則分凝器也相當(dāng)于一塊理論板。平衡關(guān)系操作關(guān)系83第四節(jié)雙組分連續(xù)精餾的計算②提餾段：已知84③總板數(shù)：當(dāng)時，結(jié)束，則(包括加料板)(再沸器)第四節(jié)雙組分連續(xù)精餾的計算作業(yè)：P237中習(xí)題6。852.梯級圖解法86第四節(jié)雙組分連續(xù)精餾的計算①步驟：當(dāng)時，在平衡線與精餾段操線間作梯級;當(dāng)時，在平衡線與提餾段操線間作梯級;當(dāng)時，停止作圖。②

873.進料位置確定：①原則：使所需的理論板層數(shù)最少

選擇與進料組成與溫度相近的塔板作為加料板②方法：平衡線與操作線間的垂直(水平)距離越大，說明該塔板的增濃能力越大。③說明：第四節(jié)雙組分連續(xù)精餾的計算884.分析：①當(dāng)時，——只有精餾段操作線；②當(dāng)時，存在兩條操作線；③當(dāng)時，——只有提餾段操作線；*當(dāng)時，平衡線與精餾段操作線間距離大*當(dāng)時，平衡線與提餾段操作線間距離大第四節(jié)雙組分連續(xù)精餾的計算89第四節(jié)雙組分連續(xù)精餾的計算90第四節(jié)雙組分連續(xù)精餾的計算例：某苯與甲苯的混合原料，苯的摩爾分率為0.4。擬采用精餾塔分離，原料液處理量為100kmol/h。要求塔頂產(chǎn)品含量為0.9，苯的回收率不低于90％，原料預(yù)熱至泡點加入塔內(nèi)。塔頂采用全凝器冷凝，回流比為1.875。已知在操作條件下，物系的相對揮發(fā)度為2.47。求為完成分離任務(wù)所需要的理論板數(shù)及加料位置。解:(1)求D，W

①逐板計算法：91第四節(jié)雙組分連續(xù)精餾的計算(2)求精餾段操作線方程92第四節(jié)雙組分連續(xù)精餾的計算(3)求提餾段操作線方程(4)求相平衡方程由得：93第四節(jié)雙組分連續(xù)精餾的計算(5)計算精餾段理論板數(shù)由故第5塊板為加料板94第四節(jié)雙組分連續(xù)精餾的計算(6)求提餾段理論板數(shù)95②梯級圖解法96

七、回流比：若D=0(通常也有F=0,W=0)操作線：

(即L=V)1.全回流：第四節(jié)雙組分連續(xù)精餾的計算任一塔截面上升蒸汽和下降液體的流量和組成均相等97①求平衡方程：第四節(jié)雙組分連續(xù)精餾的計算98操作線方程：若塔頂為全凝器，則故第四節(jié)雙組分連續(xù)精餾的計算99氣液平衡方程操作線方程第1板第2板第3板第四節(jié)雙組分連續(xù)精餾的計算100第板第板(再沸器)第四節(jié)雙組分連續(xù)精餾的計算101若令第四節(jié)雙組分連續(xù)精餾的計算102——芬斯克方程——全塔平均相對揮發(fā)度——當(dāng)變化不大時，②全回流說明：為回流比的上限；

對應(yīng)著最少理論板數(shù)。

第四節(jié)雙組分連續(xù)精餾的計算1032.最小回流比：①分析:(平衡線與操作線越近)當(dāng)四條線交于一點時交點附近板上無增濃作用即恒濃區(qū)(挾緊區(qū))挾緊點第四節(jié)雙組分連續(xù)精餾的計算104②

的求?。浩渲校旱谒墓?jié)雙組分連續(xù)精餾的計算105第四節(jié)雙組分連續(xù)精餾的計算106③非正常平衡曲線的：第四節(jié)雙組分連續(xù)精餾的計算1073.回流比的選擇：②設(shè)計時R的選擇：①選擇依據(jù)：總費用=操作費用+設(shè)備折舊費費用最低第四節(jié)雙組分連續(xù)精餾的計算108分析：難分離物系：第四節(jié)雙組分連續(xù)精餾的計算109第四節(jié)雙組分連續(xù)精餾的計算110③操作時R的調(diào)節(jié)：第四節(jié)雙組分連續(xù)精餾的計算111例：某混合物在一常壓連續(xù)精餾塔進行分離。進料中輕組分A含量為0.4(摩爾分率),流量為。要求塔頂餾出液中含A為0.9,A的回收率不低于0.9。泡點進料，取回流比為最小回流比的1.5倍,塔釜間接蒸汽加熱.且知系統(tǒng)的相對揮發(fā)度為α=2.5。試求(1)塔頂產(chǎn)品流量D,塔底產(chǎn)品流量W及組成;(2)最小回流比;(3)精餾段和提餾段操作線方程;(4)從塔底數(shù)起的第二塊理論板上(塔底可視為第一塊理論板)流下的液體組成;(5)操作時,若第一塊板下降的液體中含苯0.8,求該板的氣相默弗里板效率。第四節(jié)雙組分連續(xù)精餾的計算112解：（1）第四節(jié)雙組分連續(xù)精餾的計算113（2）∵泡點進料第四節(jié)雙組分連續(xù)精餾的計算114（3）精操線：提操線：第四節(jié)雙組分連續(xù)精餾的計算115或第四節(jié)雙組分連續(xù)精餾的計算116（4）又第四節(jié)雙組分連續(xù)精餾的計算117（5）作業(yè)：P237中習(xí)題8。第四節(jié)雙組分連續(xù)精餾的計算118補充習(xí)題：在常壓連續(xù)精餾塔中,分離某理想溶液。原料液組成為0.4,塔頂餾出液組成0.95(以易揮發(fā)組分的摩爾分率計)?；亓鞅葹樽钚』亓鞅鹊?.5倍。每kmol原料液變成飽和蒸汽所需的熱量等于原料液的kmol汽化潛熱的1.2倍。操作條件下溶液的平均相對揮發(fā)度為2.0,塔頂采用全凝器。試計算由第二塊理論板上升的氣相組成(序號自塔頂往下編寫)。第四節(jié)雙組分連續(xù)精餾的計算119第四節(jié)雙組分連續(xù)精餾的計算八、吉利蘭圖：生產(chǎn)任務(wù)確定原料確定（不含再沸器）1201.塔板效率：第四節(jié)雙組分連續(xù)精餾的計算九、塔高和塔徑：①*AIChE估算法；

*奧康乃爾關(guān)聯(lián)法:121第四節(jié)雙組分連續(xù)精餾的計算122第四節(jié)雙組分連續(xù)精餾的計算123②單板效率EM：第四節(jié)雙組分連續(xù)精餾的計算（莫弗里效率）氣相：液相：124第四節(jié)雙組分連續(xù)精餾的計算③說明：*不同板的通常不相等；

*同一板的且。？？*總板效率，但；

圖示125第四節(jié)雙組分連續(xù)精餾的計算返回126理論板當(dāng)量高度（等板高度）含義:一個等板高度的填料層，它的傳質(zhì)作用相當(dāng)于一層理論塔板的傳質(zhì)作用。

第四節(jié)雙組分連續(xù)精餾的計算2.塔高計算：①板式塔：②填料塔：HETP:1273.塔徑計算：——空塔氣速，——塔內(nèi)上升蒸汽的體積流量，第四節(jié)雙組分連續(xù)精餾的計算128第五節(jié)精餾塔一、塔設(shè)備：逐級接觸式微分接觸式(連續(xù))——板式塔——填料塔1.分類2.性能評價：*生產(chǎn)能力；*分離效率；*操作彈性；*氣流阻力。塔器129第五節(jié)精餾塔返回130二、板式塔：第五節(jié)精餾塔131第五節(jié)精餾塔①錯流式：②逆流