液體精餾過程(化一)

化工原理第七章蒸餾主講人：楊定蘭1/17/20241ProcessSystemPrinciple教學(xué)內(nèi)容精餾過程原理蒸餾過程概述板式塔1/17/20242ProcessSystemPrinciple

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——?dú)庀嘀蠥、B兩組分的摩爾分?jǐn)?shù)；

xA、xB——液相中A、B兩組分的摩爾分?jǐn)?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(jìn)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：1/17/20243ProcessSystemPrinciple蒸餾過程概述名詞解釋?輕組分:沸點(diǎn)低的組分(易揮發(fā)組分)?重組分:沸點(diǎn)高的組分(難揮發(fā)組分)?餾出液:塔頂產(chǎn)品?釜?dú)堃?塔底產(chǎn)品1/17/20244ProcessSystemPrinciple

蒸餾過程概述蒸餾過程分類工業(yè)蒸餾過程安混合液中的組分?jǐn)?shù)目分類：有雙組分蒸餾，多組分蒸餾。按蒸餾方法分類：簡(jiǎn)單蒸餾、平衡蒸餾、一般精餾和特殊精餾。按操作壓力分類：常壓蒸餾、減壓蒸餾和加壓蒸餾。按操作方式分類：連續(xù)蒸餾、間歇蒸餾。

1/17/20245ProcessSystemPrinciple

蒸餾過程概述蒸餾過程分類yx蒸氣xD1xD2xD3冷凝器簡(jiǎn)單蒸餾1/17/20246ProcessSystemPrinciple

蒸餾過程概述蒸餾過程分類（2）工業(yè)蒸餾過程：閃蒸罐塔頂產(chǎn)品yAxA加熱器原料液塔底產(chǎn)品Q減壓閥平衡蒸餾1/17/20247ProcessSystemPrinciple連續(xù)精餾過程蒸餾過程概述蒸餾過程分類1/17/20248ProcessSystemPrinciple

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(jìn)行。在氣液相物系中存在以下兩個(gè)關(guān)系：

■液相（或氣相）組成與溫度間的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系；

■氣、液相組成之間的一一對(duì)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。1/17/20249ProcessSystemPrinciple

蒸餾過程概述拉烏爾定律相平衡：液體混合物中各組分間均具有揮發(fā)性能的差異，在一定溫度下，液相各組分將有一部分從液相逸出變?yōu)槠?，同時(shí)汽相中各組分也會(huì)因分子運(yùn)動(dòng)而返回液相而凝結(jié)，當(dāng)逸出速度與凝結(jié)速度相等時(shí)，液相與氣相間達(dá)到了動(dòng)平衡。相平衡關(guān)系就是在一定的壓力和溫度下，汽液兩相達(dá)到平衡時(shí)各組分在其兩相內(nèi)的組成關(guān)系。理想溶液：兩組分能以任何比例混合，混合時(shí)沒有熱效應(yīng)和體積效應(yīng)，在任何濃度范圍內(nèi)，都遵循拉烏爾定律。1/17/202410ProcessSystemPrinciple

蒸餾過程概述拉烏爾定律在一定溫度下，對(duì)理想溶液，當(dāng)汽液兩相達(dá)到平衡時(shí)，溶液上方組分i的分壓pi等于該組分在同溫度下飽和蒸汽壓pi0與其在溶液中的摩爾分?jǐn)?shù)xi的乘積。即對(duì)于雙組分溶液A，B：1/17/202411ProcessSystemPrinciple

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?jǐn)?shù)；

pa0，pb0---在溶液溫度t下純組分A、B的飽和蒸汽壓；若氣體為理想氣體，分壓服從道爾頓分壓定律，則：1/17/202412ProcessSystemPrinciple

蒸餾過程概述混合液的氣液相平衡上面xA，yA的表達(dá)式就是理想溶液的汽液相平衡關(guān)系。即當(dāng)操作壓強(qiáng)、溫度一定時(shí)，汽液兩相的組成也就確定了。只有當(dāng)兩者之一發(fā)生了改變，兩相組成才會(huì)發(fā)生變化。1/17/202413ProcessSystemPrinciple

蒸餾過程概述相對(duì)揮發(fā)度揮發(fā)度：表示某種液體容易揮發(fā)的程度。純液態(tài)物質(zhì)用其液面上方蒸汽壓的大小來反映其蒸發(fā)性能。但在混合物中因組分之間的相互影響，其揮發(fā)度的大小和它的液相組成是有關(guān)系的，揮發(fā)度的定義式為：對(duì)于理想溶液的混合液體，則：

P-組分在平衡氣相中的分壓X-組分在平衡液相中的摩爾分率對(duì)于理想液體，組分的揮發(fā)度就等于同溫度下該純組分的飽和蒸汽壓。由于飽和蒸汽壓隨溫度變化，所以揮發(fā)度也是溫度的函數(shù)。1/17/202414ProcessSystemPrinciple

蒸餾過程概述相對(duì)揮發(fā)度相對(duì)揮發(fā)度：在一定溫度下，易揮發(fā)組分與難揮發(fā)組分的揮發(fā)度之比稱為相對(duì)揮發(fā)度，定義式為：對(duì)于理想物系，有：對(duì)于雙組分物系，有：1/17/202415ProcessSystemPrinciple

蒸餾過程概述相對(duì)揮發(fā)度代入相對(duì)揮發(fā)度的定義式，整理后可得：去掉下標(biāo)后得到：整理后可得：相平衡方程式，表示汽液兩相平衡時(shí)，易揮發(fā)組分在兩相中的摩爾分?jǐn)?shù)與相對(duì)揮發(fā)度間的關(guān)系，是相平衡關(guān)系的又一表達(dá)形式。1/17/202416ProcessSystemPrinciple

蒸餾過程概述相對(duì)揮發(fā)度當(dāng)α=1，兩組分間的揮發(fā)度相同，汽液兩相的組成相同，這種液體混合物不能用普通的蒸餾方式進(jìn)行分離。當(dāng)α>1，且愈大，說明溶液中兩組分間的相對(duì)揮發(fā)度愈大，愈容易分離。由于相對(duì)揮發(fā)度是某個(gè)溫度下的值，因此，上式只可以計(jì)算某個(gè)溫度下的汽液平衡關(guān)系。用α的大小來判斷混合液分離的難易程度。1/17/202417ProcessSystemPrinciple

蒸餾過程概述相平衡圖雙組汽液兩相，當(dāng)固定一個(gè)獨(dú)立變量，可用二維坐標(biāo)中的曲線圖來表示兩相的平衡關(guān)系，稱為相圖。根據(jù)相圖所用的坐標(biāo)系的不同，相圖又分為t-x-y圖和x-y圖兩種。t-x-y圖表達(dá)平衡時(shí)溫度與汽液兩相組成之間的關(guān)系；x-y圖表示平衡時(shí)汽液兩相組成間的關(guān)系。若物系的溫度和壓強(qiáng)一定，汽液兩相的組成就一定；若壓強(qiáng)和某相的組成一定，則物系的溫度和另一相組成將被唯一確定1/17/202418ProcessSystemPrinciple

蒸餾過程概述相平衡圖（1）t—x(y)：在一定壓力下，混合液沸騰的溫度稱為泡點(diǎn)。混合物泡點(diǎn)的高底取決于其組成。將不同組成下兩組分混合物的泡點(diǎn)連接而形成的線稱為泡點(diǎn)線，左圖中的紅色線。在一定外壓條件下，混合物蒸汽冷凝的溫度稱為露點(diǎn)，其值的大小也取決于混合物的組成。將不同組成下兩組分汽相混合物的露點(diǎn)連接形成露點(diǎn)線，圖中綠線。

雙組分溶液的溫度－組成圖0露點(diǎn)線泡點(diǎn)線露點(diǎn)泡點(diǎn)xAyAxf氣相區(qū)液相區(qū)兩相區(qū)t/

C1/17/202419ProcessSystemPrinciple

蒸餾過程概述相平衡圖露點(diǎn)曲線以上的區(qū)域?yàn)闅庀鄥^(qū)，當(dāng)混合物的溫度與組成確定的點(diǎn)處于這個(gè)區(qū)域時(shí)，混合物一定是氣相。泡點(diǎn)線以下是液相區(qū)，當(dāng)混合物的溫度與組成確定的點(diǎn)處于這個(gè)區(qū)域時(shí)，混合物一定是液相。露點(diǎn)線與泡點(diǎn)線之間的是兩相共存區(qū)，此時(shí)兩相都處于飽和狀態(tài)，且互相平衡，各自的組成可以從圖中的兩條線上分別讀出。蒸餾操作時(shí)應(yīng)控制在這個(gè)區(qū)域內(nèi)，即將混合物部分冷凝或汽化，才能使混合物得到分離。1/17/202420ProcessSystemPrinciple0露點(diǎn)線泡點(diǎn)線露點(diǎn)泡點(diǎn)xAyAxf氣相區(qū)液相區(qū)兩相區(qū)t/

C在總壓一定的條件下，將組成為xf

的溶液加熱至該溶液的泡點(diǎn)tA，產(chǎn)生第一個(gè)氣泡的組成為yA’。繼續(xù)加熱，隨溫度升高，物系變?yōu)榛コ善胶獾钠簝上啵瑑上鄿囟认嗤M成分別為yA

和xA

。當(dāng)溫度達(dá)到該溶液的露點(diǎn)，溶液全部汽化成為組成為yA=xf

的氣相，最后一滴液相的組成為xA‘。蒸餾過程概述相平衡圖yA‘xA‘T-x-y相圖1/17/202421ProcessSystemPrinciple

蒸餾過程概述相平衡圖（2）y--x關(guān)系圖：

y-x相圖在一定壓力下，將各點(diǎn)溫度下所對(duì)應(yīng)的汽液平衡組成x和y,標(biāo)繪在以y為縱坐標(biāo)，x為橫坐標(biāo)的坐標(biāo)系中，將各點(diǎn)連接成順滑的曲線，稱為x-y關(guān)系曲線。因?yàn)樵谙嗤瑴囟群蛪毫ο?，汽相中易揮發(fā)組分的濃度總是比液相中的大，所以該線總是位于對(duì)角線的上方。1/17/202422ProcessSystemPrinciple

蒸餾原理簡(jiǎn)單蒸餾原理簡(jiǎn)單蒸餾的裝置如左圖所示。將每批原料液一次性的加入蒸餾釜中，加熱，使原料液部分汽化，將汽化所產(chǎn)生的蒸汽不斷的從蒸餾釜中引出，冷凝所得液體按不同的濃度范圍收集。當(dāng)釜內(nèi)的液體濃度達(dá)到一定規(guī)定時(shí)，停止加熱，放出殘液。簡(jiǎn)單蒸餾裝置簡(jiǎn)單蒸餾只能使混合液得到部分分離。y原料液x蒸氣xD1xD2xD3冷凝器1/17/202423ProcessSystemPrinciple

以苯-甲苯混合液為例，左圖為其裝置和流程簡(jiǎn)圖，其t-x-y相圖如右圖所示。將組成為xF、溫度為t1的混合液加熱到t3，使其部分氣化，并將氣相與液相分開，則所得的氣相組成為y3,液相組成為x3?？梢钥闯觯瑈3>xF>x3

。蒸餾原理簡(jiǎn)單蒸餾原理1/17/202424ProcessSystemPrinciple從相圖可以看出，用一次部分氣化得到的氣相產(chǎn)品的組成不會(huì)大于yD，而yD

是加熱原料液xF時(shí)產(chǎn)生的第一個(gè)氣泡的平衡氣相組成。同時(shí)，液相產(chǎn)品的組成不會(huì)低于xW，而xW是將原料也全部氣化時(shí)剩下最后一滴液體的平衡液相組成。組成為xW的液體量及組成為yD的氣體量是極少的。至于將xF的原料液加熱到t3時(shí)，液相量和氣相量之間的關(guān)系，可由杠桿規(guī)則來確定。蒸餾原理簡(jiǎn)單蒸餾原理1/17/202425ProcessSystemPrinciple由此可知，簡(jiǎn)單蒸餾，即將液體混合物進(jìn)行一次部分氣化(單級(jí))的過程，只能起到部分分離的作用，只適用于要求粗分或初步加工的場(chǎng)合。而要使混合物中的組分得到高純度（幾乎完全）的分離，只有進(jìn)行精餾。蒸餾原理簡(jiǎn)單蒸餾原理1/17/202426ProcessSystemPrinciple如果將前面的簡(jiǎn)單蒸餾加以組合，變成如圖所示的多級(jí)分離流程（以3級(jí)為例）。若將第1級(jí)溶液部分氣化所得氣相產(chǎn)品在冷凝器中加以冷凝，然后再將冷凝液在第2級(jí)中部分氣化，此時(shí)所得氣相組成為y2，y2＞y1，這種部分氣化的次數(shù)（級(jí)數(shù)）愈多，所得到的蒸汽濃度也愈高，最后幾乎可得到純態(tài)的易揮發(fā)組分。同理，若將從各分離器所得到的液相產(chǎn)品分別進(jìn)行多次部分氣化和分離，那么這種級(jí)數(shù)愈多，得到的液相濃度也愈低，最后可得到幾乎純態(tài)的難揮發(fā)組分。多次部分氣化的分離示意圖蒸餾原理精餾原理1/17/202427ProcessSystemPrinciple上述的氣－液相濃度變化情況可以從圖中清晰地看到。因此，同時(shí)多次地進(jìn)行部分氣化是使混合物得以完全分離地必要條件。不難看出，上圖所示的流程在工業(yè)上是不能采用的，因其存在以下兩個(gè)問題：蒸餾原理精餾原理圖

多次部分氣化的t-x-y圖（1）分離過程得到許多中間餾分，如圖中的組成為x1、x2

等液相產(chǎn)品，因此最后純產(chǎn)品的收率就很低；（2）設(shè)備龐雜，能量消耗大。1/17/202428ProcessSystemPrinciple無中間產(chǎn)品的多次部分氣化的分離示意圖蒸餾原理精餾原理1/17/202429ProcessSystemPrinciple蒸餾原理精餾原理若將第3級(jí)中產(chǎn)生的中間產(chǎn)品x3與第1級(jí)的料液y1相混,，其結(jié)果不但消除了中間產(chǎn)品，且提高了最后產(chǎn)品的收率。－－－傳質(zhì)當(dāng)?shù)?級(jí)所產(chǎn)生的蒸氣y1與第3級(jí)下降的液體x3直接混合時(shí)，由于液相溫度t3低于氣相溫度t1，因此高溫的蒸氣y1（潛熱）將加熱低溫的液體x3，而使液體部分氣化，蒸氣自身則被部分冷凝。－－－傳熱由此可見，不同溫度且互不平衡的氣液兩相接觸時(shí)，必然會(huì)同時(shí)產(chǎn)生傳熱和傳質(zhì)的雙重作用，所以使上一級(jí)的液相回流（如液相x3）與下一級(jí)的氣相（如氣相y1)直接接觸，就可以將圖上面多次汽化流程演變?yōu)橄聢D所示的分離流程，從而省去了逐級(jí)使用的中間加熱器和冷凝器。1/17/202430ProcessSystemPrinciple從上圖可知，將每一級(jí)中間產(chǎn)品返回到下一級(jí)中，不僅可以提高產(chǎn)品的收率，而且是過程進(jìn)行的必不可少條件。例如，對(duì)第2級(jí)而言，如沒有液體x3回流到y(tǒng)1中(無中間加熱器和冷凝器)，就不會(huì)有溶液的部分氣化和蒸氣的部分冷凝，第2級(jí)也就沒有分離作用了。因此每級(jí)都需有回流液。2.實(shí)現(xiàn)精餾操作的條件蒸餾原理精餾原理對(duì)于最上一級(jí)（圖中第3級(jí)）而言，將y3冷凝后不是全部作為產(chǎn)品，而把其中一部分返回與y2相混合是最簡(jiǎn)單的回流方法。通常，將部分產(chǎn)品引回設(shè)備的操作稱為回流?；亓魇潜ＷC精餾過程連續(xù)穩(wěn)定操作的必要條件之一。1/17/202431ProcessSystemPrinciple對(duì)增濃難揮發(fā)組分來說，道理是完全相同的。進(jìn)入最低一級(jí)的難揮發(fā)組分(最高濃度)的蒸氣只能由最低一級(jí)下降的液體部分氣化而得到，此時(shí)氣化的熱量由加熱器（稱為再沸器）供給。在再沸器中，溶液的部分氣化而產(chǎn)生上升蒸氣(又稱：氣相回流)，如同塔頂回流一樣，是精餾連續(xù)穩(wěn)定操作的另一個(gè)必要條件?；旌弦后w連續(xù)或多次部分汽化，釜液組成沿t-x(y)相圖的泡點(diǎn)線變化，可得難揮發(fā)組分含量很高而易揮發(fā)組分含量很低的釜液?；旌险羝B續(xù)或多次部分冷凝，蒸汽組成沿t-x(y)相圖的露點(diǎn)線變化，可得到易揮發(fā)組分含量很高而難揮發(fā)組分含量很低的蒸汽。精餾過程正是這二者的有機(jī)結(jié)合。蒸餾原理精餾原理1/17/202432ProcessSystemPrinciple左圖所示的為精餾塔的模型，目前工業(yè)上使用的精餾塔是它的體現(xiàn)。塔中各級(jí)的易揮發(fā)組分濃度由上至下逐級(jí)降低，而溫度逐步增高。當(dāng)某級(jí)的濃度與原料液的濃度相同或相近時(shí)，原料液就由此級(jí)進(jìn)入。圖6-6精餾塔模型蒸餾原理精餾原理1/17/202433ProcessSystemPrinciple精餾：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)多次進(jìn)行部分氣化和部分冷凝，使其分離成幾乎純態(tài)組分的過程。右圖是以篩板塔為例，由精餾塔模型轉(zhuǎn)變?yōu)閷?shí)際精餾塔的一段。

精餾塔的一段3.定義蒸餾原理精餾原理1/17/202434ProcessSystemPrinciple

1)氣相部分冷凝，使其中難揮發(fā)組分轉(zhuǎn)入到液相中；

2)氣相冷凝放出潛熱傳給液相，使其部分氣化，其中的部分易揮發(fā)組分轉(zhuǎn)入到氣相，結(jié)果：xn<xn-1,yn>yn+1。

4、

理論板：氣、液兩相在塔板上充分接觸、混合，進(jìn)行傳質(zhì)、傳熱后，兩相組成均勻且離開塔板的氣、液兩相呈相平衡關(guān)系。顯然，在相同條件下，理論板具有最大的分離能力，是塔分離的極限。蒸餾原理精餾原理1/17/202435ProcessSystemPrinciple精餾過程原理精餾原理5、精餾塔的組成一個(gè)完整的精餾塔的分為精餾段和提餾段。塔頂設(shè)有冷凝器，將塔頂?shù)娘柡驼羝淠秊轱柡鸵后w，一部分做為產(chǎn)品冷卻后引出，另一部分則從塔頂回到塔內(nèi)，向下流動(dòng)，稱為液相回流。圖6-9連續(xù)精餾流程1/17/202436ProcessSystemPrinciple精餾過程原理精餾原理塔底設(shè)有再沸器供熱，將流入釜內(nèi)的液體汽化，所產(chǎn)生的飽和蒸汽從塔底返回，沿塔逐步上升，合塔內(nèi)液體保持沸騰狀態(tài)，稱為氣相回流，剩余液體作為塔底產(chǎn)品，從塔釜排出。沿塔向下的液相回流與向上的氣相回流相不斷接觸，在接觸過程中進(jìn)行傳熱與傳質(zhì)，使上升蒸汽中易揮發(fā)組分的濃度越來越大，下降液體中的重組分越來越多，如果汽液兩相的接觸足夠多，最終可以使混合液分離為純物質(zhì)。因此，以混合液中各組分的揮發(fā)性差異為分離依據(jù)，采用多次部分汽化和多次部分冷凝為分離手段是精餾操作的理論基礎(chǔ)；而塔頂液相回流與塔底汽相回流則是精餾能穩(wěn)定連續(xù)進(jìn)行的基礎(chǔ)。1/17/202437ProcessSystemPrinciple精餾過程計(jì)算全塔物料衡算假設(shè)系統(tǒng)為定態(tài)過程。

■總的物料衡算由上述兩式可得：圖6-7全塔物料衡算

■輕組分的物料衡算：1/17/202438ProcessSystemPrinciple精餾過程計(jì)算全塔物料衡算回流比：R↑，輕組分純度↑，利于精餾；R↑，能耗↑，蒸汽加熱量↑，冷凝量↑。采出率：分別被稱為餾出液的采出率、殘液的采出率回收率：分別被稱為易揮發(fā)組分的回收率、難揮發(fā)組分的回收率出率。1/17/202439ProcessSystemPrinciple精餾過程計(jì)算全塔物料衡算

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(shí)，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：1/17/202440ProcessSystemPrinciple精餾過程計(jì)算精餾過程的數(shù)學(xué)描述恒摩爾流假定：對(duì)整個(gè)精餾塔，每層板上升蒸汽摩爾流率相等，每層板下降液體摩爾流率相等，即由于精餾過程是涉及傳熱和傳質(zhì)的過程，相互影響的因素較多，引入恒摩爾流假定，使得連續(xù)精餾過程計(jì)算大大簡(jiǎn)化。精餾塔以加料板為界分為精餾段和提留段。但兩段上升的蒸汽的摩爾流量及下降的液體的摩爾流量不一定相等。V不一定等于V

’

L不一定等于L’操作線方程1/17/202441ProcessSystemPrinciple精餾過程計(jì)算操作線方程

對(duì)于一個(gè)理論板,離開該板的氣液兩相組成（yn與xn）的確定可通過相平衡關(guān)系。如果再能確定下降液體的組成xn及下一層板上升蒸氣組成yn+1之間的關(guān)系，那么整個(gè)塔內(nèi)個(gè)各板的組成可逐板算出，板數(shù)即為指定分離要求下的理論板層數(shù)。

操作關(guān)系：yn+1

與xn之間的關(guān)系，由精餾條件來確定，是精餾的特征方程。塔板的熱量衡算和物料衡算1/17/202442ProcessSystemPrinciple精餾過程計(jì)算精餾塔的操作線方程（1）精餾段操作方程：精餾段的物料衡算變換：又：所以：精餾段操作線方程的物理意義：在一定的操作條件下，精餾段內(nèi)自任意第n層塔板下降的液相組成xn與其相鄰的下一層塔板上升的蒸汽組成yn+1之間的關(guān)系。1/17/202443ProcessSystemPrinciple精餾過程原理精餾塔的操作方程（2）提餾段操作方程：提餾段操作線方程的物理意義：在一定的操作條件下，提餾段內(nèi)自任意第m板下降的液相組成與其相鄰的下一層塔板上升的蒸汽組成之間的關(guān)系。應(yīng)該指出，提餾段內(nèi)液體摩爾流量不僅與L的大小有關(guān)，而且還受進(jìn)料量F及其進(jìn)料熱狀況的影響。

提餾段的物料衡逄1/17/202444ProcessSystemPrinciple精餾過程原理操作線方程在x-y圖上的畫法（3）操作方程的圖示：精餾段端點(diǎn)坐標(biāo)（a點(diǎn)）：01.01.0xD

abxW

cde精餾段操作線方程提餾段操作線方程1/17/202445ProcessSystemPrinciple精餾過程原理提餾段端點(diǎn)坐標(biāo)（c點(diǎn)）：斜率：或截距：斜率：操作線方程在x-y圖上的畫法1/17/202446ProcessSystemPrinciple精餾過程計(jì)算進(jìn)料熱狀況和q線方程

q---進(jìn)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(diǎn)加料；

q>1：為冷料加料。此時(shí)進(jìn)料液體的溫度低于泡點(diǎn)，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(diǎn)，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。1/17/202447ProcessSystemPrinciple進(jìn)料熱狀況不同，q值就不同,因此直接影響精餾塔內(nèi)兩段上升蒸汽和下降液體量之間的關(guān)系，如圖所示。精餾過程計(jì)算進(jìn)料熱狀況和q線方程1/17/202448ProcessSystemPrinciple在進(jìn)料板上，同時(shí)滿足精餾段和提餾段的物料衡算，故兩操作線的交點(diǎn)落在進(jìn)料板上。當(dāng)q為定值，改變塔操作為回流比時(shí)，兩操作線交點(diǎn)軌跡即q線。聯(lián)立兩操作線方程式兩式相減代入DxD+WxW=FxF

,L’-L=qF;V’-V=(q-1)F.得q線方程精餾過程計(jì)算進(jìn)料熱狀況和q線方程1/17/202449ProcessSystemPrinciple因q為一常數(shù)，故一定狀態(tài)進(jìn)料時(shí)q線為直線。

不同的加料熱狀態(tài)對(duì)應(yīng)著不同的q值，也就對(duì)應(yīng)著不同的q線。eacbdq<0q=00<q<1q=1q>101.0xWxy1.0xDzF不同加料熱狀態(tài)下的q線精餾過程計(jì)算進(jìn)料熱狀況和q線方程當(dāng)進(jìn)料為飽和液體時(shí)，xq=xf，yq的值可由平衡線上讀得。當(dāng)體系用相對(duì)揮發(fā)度表示時(shí)，則1/17/202450ProcessSystemPrinciple3.q線的圖形表示(1)在對(duì)角線上作e點(diǎn)(y=x=xF)；(2)過e點(diǎn)作斜率q/(q-1)為的直線。隨進(jìn)料焓值增加(溫度高)，q值減小，則q線與精餾操作線的交點(diǎn)沿著精餾操作線朝x、y減小的方向移動(dòng)。這意味著加料板位置下移(塔從上往下，溫度逐步升高)。精餾過程計(jì)算進(jìn)料熱狀況和q線方程1/17/202451ProcessSystemPrinciple圖解法---McCabe-Thiele,M-T法

圖解法求理論板層數(shù)的基本原理與逐板計(jì)算法的完全相同，只不過是用平衡曲線和操作線分別代替平衡方程和操作線方程，用簡(jiǎn)便的圖解法代替繁雜的計(jì)算而已，圖解法中以直角梯級(jí)圖解法最為常用。雖然圖解的準(zhǔn)確性較差，但因其簡(jiǎn)便，目前在兩組分精餾中仍被廣泛采用。精餾過程計(jì)算塔板數(shù)的計(jì)算1)操作線的作法首先根據(jù)相平衡數(shù)據(jù)，在直角坐標(biāo)上繪出待分離混合物的x-y平衡曲線，并作出對(duì)角線。如圖所示。1/17/202452ProcessSystemPrinciple在x=xD

處作鉛垂線，與對(duì)角線交于點(diǎn)a，再由精餾段操作線的截距xD

/(R+1)值，在y

軸上定出點(diǎn)b，聯(lián)ab、ab為精餾段操作線。

在x=xF處作鉛垂線，與對(duì)角線交于點(diǎn)e，從點(diǎn)e作斜率為q

/(q-1)的q線ef，該線與ab交于點(diǎn)d.。

在x=xW處作鉛垂線，與對(duì)角線交于點(diǎn)c，聯(lián)cd、cd為提留段操作線。精餾過程計(jì)算塔板數(shù)的計(jì)算1/17/202453ProcessSystemPrinciple2)求N的步驟自對(duì)角線上a點(diǎn)始，在平衡線與精餾段操作線間繪出水平線及鉛垂線組成的梯級(jí)。如圖所示。

當(dāng)梯級(jí)跨過兩操作線交點(diǎn)d時(shí)，則改在平衡線與提餾操作線間作梯級(jí)，直至某梯級(jí)的垂直線達(dá)到或小于xW為止。

每一個(gè)梯級(jí)代表一層理論板，梯級(jí)總數(shù)即為所需理論板數(shù)。精餾過程計(jì)算塔板數(shù)的計(jì)算1/17/202454ProcessSystemPrinciple

如前所述，圖解過程中當(dāng)某梯級(jí)跨過兩操作線交點(diǎn)時(shí)，應(yīng)更換操作線?？邕^交點(diǎn)的梯級(jí)即代表適宜的加料板(逐板計(jì)算時(shí)也相同)，這是因?yàn)閷?duì)一定的分離任務(wù)而言，如此作圖所需的理論板層數(shù)為最少。3）適宜的進(jìn)料位置

如圖所示。

若梯級(jí)已跨過兩操作線的交點(diǎn)e，而仍在精餾段操作線和平衡線之間繪梯級(jí)，由于交點(diǎn)d以后精餾段操作線與平衡線的距離較提餾段操作線與平衡線之間的距離來得近，故所需理論板層數(shù)較多。反之，如還沒有跨過交點(diǎn)，而過早的更換操作線，也同樣會(huì)使理論板層數(shù)增加。由此可見，當(dāng)梯級(jí)跨過兩操作線交點(diǎn)后便更換操作線作圖，所定出的加料板位置為適宜的位置。

精餾過程計(jì)算塔板數(shù)的計(jì)算1/17/202455ProcessSystemPrinciple精餾過程計(jì)算塔板數(shù)的計(jì)算1/17/202456ProcessSystemPrinciple精餾過程計(jì)算回流比的選擇全回流：在一定的分離要求下，將塔頂上升的蒸汽冷凝后全部作為駕流液，稱為全回流。此時(shí)D為0，回流比為無窮大。其操作線方程為：

yn+1=xn

與對(duì)角線重合，此時(shí)操作線離平衡線最遠(yuǎn)，所需理論板數(shù)最少。1.01.01/17/202457ProcessSystemPrinciple精餾過程計(jì)算回流比的選擇若將回流比減小，操作線向平衡線靠近，為達(dá)到分離要求，理論板數(shù)必然會(huì)增大。當(dāng)回流比減少到一定值時(shí)，兩操作線的交點(diǎn)會(huì)落在平衡線上。即使理論塔板數(shù)無窮多，板上的液體組成也不能跨過該點(diǎn)，此時(shí)的回流比為指定分離要求下的最小回流比，Rmin。xqyqxqq1/17/202458ProcessSystemPrinciple精餾過程計(jì)算回流比的選擇因此，實(shí)際回流比應(yīng)在最小回流比與無窮之間選取。一般應(yīng)根據(jù)生產(chǎn)中經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，取適宜回流比為最小回流比的1.2到2.0倍，即

R=(1.2～2.0）Rmin1/17/202459ProcessSystemPrinciple氣液傳質(zhì)設(shè)備概述氣液傳質(zhì)設(shè)備的功能板式塔：在圓柱形殼體內(nèi)按一定間距水平設(shè)置若干層塔板，液體靠重力作用自上而下流經(jīng)各層板后從塔底排出，各層塔板上保持有一定厚度的流動(dòng)液層；氣體則在壓強(qiáng)差的推動(dòng)下，自塔底向上依次穿過各塔板上的液層上升至塔頂排出。氣、液在塔內(nèi)逐板接觸進(jìn)行質(zhì)、熱交換，故兩相的組成沿塔高呈階躍式變化。溶劑氣體圖7－4板式塔示意圖1/17/202460ProcessSystemPrinciple板式塔塔板類型塔板是板式塔的基本構(gòu)件，決定塔的性能。溢流塔板(錯(cuò)流式塔板)：液相降液管堰氣相圖7－7溢流塔板(錯(cuò)流式塔板)：塔板間有專供液體溢流的降液管(溢流管)，橫向流過塔板的流體與由下而上穿過塔板的氣體呈錯(cuò)流或逆流流動(dòng)。板上液體的流徑與液層的高度可通過適當(dāng)安排降液管的位置及堰的高度給予控制，從而可獲得較高的板效率，但降液管將占去塔板的傳質(zhì)有效面積，影響塔的生產(chǎn)能力。1/17/202461ProcessSystemPrinciple板式塔塔板類型溢流式塔板應(yīng)用很廣，按塔板的具體結(jié)構(gòu)形式可分為：泡罩塔板、篩孔塔板、浮閥塔板、網(wǎng)孔塔板、舌形塔板等。塔板間沒有降液管，氣、液兩相同時(shí)由塔板上的孔道或縫隙逆向穿流而過，板上液層高度靠氣體速度維持。逆流塔板（穿流式塔板）：液相氣相圖7－8逆流塔板(穿流式塔板)：優(yōu)點(diǎn)：塔板結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，板上無液面差，板面充分利用，生產(chǎn)能力較大；缺點(diǎn)：板效率及操作彈性不及溢流塔板。1/17/202462ProcessSystemPrinciple板式塔塔板類型與溢流式塔板相比，逆流式塔板應(yīng)用范圍小得多，常見的板型有篩孔式、柵板式、波紋板式等。

1、泡罩塔板（Bubble-capTray）圖7－9泡罩塔板在工業(yè)上最早（1813年）應(yīng)用的一種塔板，其主要元件由升氣管和泡罩構(gòu)成，泡罩安裝在升氣管頂部，泡罩底緣開有若干齒縫浸入在板上液層中，升氣管頂部應(yīng)高于泡罩齒縫的上沿，以防止液體從中漏下。1/17/202463ProcessSystemPrinciple板式塔塔板類型液體橫向通過塔板經(jīng)溢流堰流入降液管，氣體沿升氣管上升折流經(jīng)泡罩齒縫分散進(jìn)入液層，形成兩相混合的鼓泡區(qū)。優(yōu)點(diǎn)：操作穩(wěn)定，升氣管使泡罩塔板低氣速下也不致產(chǎn)生嚴(yán)重的漏液現(xiàn)象，故彈性大。缺點(diǎn)：結(jié)構(gòu)復(fù)雜，造價(jià)高，塔板壓降大，生產(chǎn)強(qiáng)度低。

2、篩孔塔板（SieveTray）篩孔塔板即篩板出現(xiàn)也較早（1830年），是結(jié)構(gòu)最簡(jiǎn)單的一種板型。但由于早期對(duì)其性能認(rèn)識(shí)不足，為易漏液、操作彈性小、難以穩(wěn)定操作等問題所困，使用受到極大限制。1/17/202464ProcessSystemPrinciple板式塔塔板類型

1950年后開始對(duì)篩孔塔板進(jìn)行較系統(tǒng)全面的研究，從理論和實(shí)踐上較好地解決了有關(guān)篩板效率，流體力學(xué)性能以及塔板漏液等問題，獲得了成熟的使用經(jīng)驗(yàn)和設(shè)計(jì)方法，使之逐漸成為應(yīng)用最廣的塔板類型之一。圖7－10篩孔塔板

3、浮閥塔板（ValveTray）自1950年代問世后，很快在石油、化工行業(yè)得到推廣，至今仍為應(yīng)用最廣的一種塔板。1/17/202465ProcessSystemPrinciple板式塔塔板類型圖7－11幾種浮閥塔板型式1/17/202466ProcessSystemPrinciple板式塔塔板類型

結(jié)構(gòu)：以泡罩塔板和篩孔塔板為基礎(chǔ)基礎(chǔ)。有多種浮閥形式，但基本結(jié)構(gòu)特點(diǎn)相似，即在塔板上按一定的排列開若干孔，孔的上方安置可以在孔軸線方向上下浮動(dòng)的閥片。閥片可隨上升氣量的變化而自動(dòng)調(diào)節(jié)開啟度。在低氣量時(shí)，開度?。粴饬看髸r(shí)，閥片自動(dòng)上升，開度增大。因此，氣量變化時(shí)，通過閥片周邊流道進(jìn)入液體層的氣速較穩(wěn)定。同時(shí)，氣體水平進(jìn)入液層也強(qiáng)化了氣液接觸傳質(zhì)。

優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，生產(chǎn)能力和操作彈性大，板效率高。綜合性能較優(yōu)異。1/17/202467ProcessSystemPrinciple板式塔塔板類型

F1型浮閥結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于制造，應(yīng)用最普遍，為定型產(chǎn)品。閥片帶有三條腿，插入閥孔后將各腿底腳外翻90°，用以限制操作時(shí)閥片在板上升起的最大高度；閥片周邊有三塊略向下彎的定距片，以保證閥片的最小開啟高度。

F1型浮閥分輕閥和重閥。輕閥塔板漏液稍嚴(yán)重，除真空操作時(shí)選用外，一般均采用重閥。

4、JCV浮閥塔板（雙流噴射浮閥塔板JetCo-flowValveTray）

結(jié)構(gòu)：閥籠與塔板固定，閥片在閥籠內(nèi)上下浮動(dòng)。將單一鼓泡傳質(zhì)，變?yōu)殡p流傳質(zhì)，一部分為鼓泡、另一部分為噴射湍動(dòng)傳質(zhì)，使塔的分離效率和生產(chǎn)能力都大大提高。1/17/202468Pro