化工原理-上下冊-修訂版-(夏清-陳常貴-著)-天津大學出版社-第六章-蒸餾

第六章蒸餾§6.1概述§6.2

雙組分溶液的汽液平衡§6.3平衡蒸餾與簡單蒸餾§6.4精餾原理§6.5兩組分連續(xù)精餾的計算§6.6間歇精餾§6.7恒沸精餾與萃取精餾四川理工學院材化系1蒸餾教學要求：重點：兩組分的相平衡關系；兩組分聯(lián)系精餾的計算；影響精餾過程的主要因素。覆蓋內容：兩組分物系的汽液平衡關系，t-x-y圖,x-y圖，拉烏爾定律，泡點方程、露點方程、相對揮發(fā)度及其影響因素；精餾原理；雙組分連續(xù)精餾塔的物料衡算，恒摩爾流假設，理論板的概念，操作線方程，進料熱狀況，q的意義及計算，最小回流比的概念及確定，回流比對精餾過程的影響，理論板數(shù)的確定；（圖解法，逐板計算法及簡捷法）；點效率、板效率和塔效率的概念，實際塔板數(shù)的確定；精餾裝置的熱衡算；平衡蒸餾、簡單蒸餾的特點及計算，間歇精餾的特點及計算步驟；恒沸精餾、萃取精餾的概念；精餾塔全塔效率及點效率的測定方法。四川理工學院材化系2蒸餾6.1

概述混合物均相物系非均相物系非均相物系的分離主要依靠質點運動與流體流動原理實現(xiàn)分離均相物系的分離條件是必須造成一個兩相物系，然后依據(jù)物系中不同組分間某種物性的差異，使其中某個組分或某些組分從一相向另一相轉移，以達到分離的目地傳質過程——物質以擴散的方式，從一相轉移到另一相的相界面的轉移過程，稱為物質的傳遞過程，簡稱傳質過程。四川理工學院材化系3蒸餾6.1

概述

蒸餾——通過加熱造成氣液兩相物系，利用物系中各組分的揮發(fā)度不同的特性以實現(xiàn)分離的目的。易揮發(fā)組分：沸點低的組分難揮發(fā)組分：沸點高的組分蒸餾分離的特點：（1）通過蒸餾操作，可以直接獲得所需要的組分（產品），因此一般蒸餾操作流程較為簡單。（2）蒸餾分離應用較廣泛，歷史悠久。它不僅可分離液體混合物，而且可分離氣體混合物。（3）在蒸餾過程中，由于要產生大量的氣相或液相，因此要消耗大量的能量。能耗的高低是決定是否能采用蒸餾分離的主要因素。四川理工學院材化系4蒸餾6.1

概述間歇蒸餾連續(xù)蒸餾按操作壓強常壓蒸餾減壓蒸餾加壓蒸餾按蒸餾方式簡單蒸餾平衡蒸餾精餾特殊精餾按待分離混合物中組分的數(shù)目雙組分精餾多組分精餾按操作流程本章重點討論常壓下雙組分連續(xù)精餾的原理和計算返回四川理工學院材化系5蒸餾6.2

雙組分溶液的汽液平衡

溶液的氣液平衡關是蒸餾過程的熱力學基礎，是它的依據(jù)，因此了解混合物的氣液平衡關系是理解掌握過程的最基本條件。1.2.1

兩組分理想物系的氣液平衡一、理想物系與拉烏爾定律所謂理想物系是指液相和氣相應符合以下條件：（1）液相為理想溶液，遵循拉烏爾定律。（2）氣相為理想氣體，遵循道爾頓分壓定律。四川理工學院材化系6蒸餾拉烏爾定律--在一定的溫度下，溶液上方任意組分的蒸汽分壓，等于該純組分在同溫度下的蒸汽壓與該組分在溶液中的摩爾分率之乘積。拉烏爾定律示意圖

在溶液溫度下純A組分的飽和蒸汽壓在溶液溫度下純B組分的飽和蒸汽壓四川理工學院材化系7蒸餾二、相律

相律是研究相平衡的基本規(guī)律。相律表示平衡物系中的自由度數(shù)、相數(shù)及獨立組分數(shù)間的關系。式中Ｆ－自由度數(shù)Ｃ－獨立組分數(shù)

φ－相數(shù)１、對于雙組分系統(tǒng)，F(xiàn)＝２平衡物系涉及的參數(shù)有溫度、壓強與氣、液兩相的組成。對雙組分物系，當一相中某一組分的濃度確定后，另一組分的濃度隨之確定，故液相或氣相的組成均可用單參數(shù)表示，因此，只要溫度、壓強和氣、液兩相組成這四個變量中任意規(guī)定兩個，則平衡物系的狀態(tài)將被唯一地確定，余下的參數(shù)不能任意選擇。２、恒壓操作：Ｐ恒定，則該平衡物系只剩一個自由度，因此，在恒壓下的雙組分氣液平衡物系必存在如下關系：液相（或氣相）組成與溫度的一一對應關系；氣液相間的一一對應關系。1.2.1兩組分理想物系的氣液平衡四川理工學院材化系8蒸餾三、兩組分理想物系的氣液平衡函數(shù)關系1.液相組成與溫度(泡點)的關系--泡點方程

由于純組分A、Ｂ的飽和蒸氣壓均是溫度的函數(shù)混合物的沸騰條件是各組分的液面分壓之和等于外壓，即：飽和蒸汽壓與溫度的關系可用安托因（Antoine）方程表示A、B、C為安托因常數(shù)，可由相關的手冊查到。一定總壓下液相組成與純組分飽和蒸汽壓(泡點溫度)關系，稱為泡點方程

1.2.1兩組分理想物系的氣液平衡四川理工學院材化系9蒸餾三、兩組分理想物系的氣液平衡函數(shù)關系2.氣相組成與溫度(露點)的關系--露點方程當汽相為理想氣體時，有：一定總壓下氣相組成與純組分飽和蒸汽壓(露點溫度)之間的關系，稱為露點方程1.2.1兩組分理想物系的氣液平衡四川理工學院材化系10蒸餾三、兩組分理想物系的氣液平衡函數(shù)關系3.用相平衡常數(shù)表示1.2.1兩組分理想物系的氣液平衡若引入相平衡常數(shù)Ｋ，則四川理工學院材化系11蒸餾三、兩組分理想物系的氣液平衡函數(shù)關系4.

用相對揮發(fā)度表示1.2.1兩組分理想物系的氣液平衡溶液中各組分的揮發(fā)度ν可用它在蒸氣中的分壓和與之平衡的液相中的摩爾分率之比表示。對雙組分物系（1）揮發(fā)度純液體的揮發(fā)度是指該液體在一定溫度下的飽和蒸氣壓對理想溶液（2）相對揮發(fā)度溶液中易揮發(fā)組分的揮發(fā)度與難揮發(fā)組分的揮發(fā)度之比稱為相對揮發(fā)度，用

表示四川理工學院材化系12蒸餾1.2.1兩組分理想物系的氣液平衡當操作壓強低，氣相服從道爾頓分壓定律時，上式可改寫為：對理想溶液：由于pA0和pB0均隨溫度沿相同方向變化，因而兩者的比值變化不大，故一般可將α視為常數(shù)，計算時可取操作溫度范圍內的平均值。對于雙組分溶液，當總壓不高時：由α>1，表示組分A較B易揮發(fā)；α值越大，兩組分在兩相中相對含量的差別越大，用蒸餾方法越容易將其分離。

相平衡方程四川理工學院材化系13蒸餾四、兩組分理想溶液的氣液平衡相圖（1）等溫圖在溫度一定的條件下，氣、液兩相平衡時，壓力與組分的關系用壓力-組成圖（p-x圖）表示。1.2.1兩組分理想物系的氣液平衡T為常數(shù)四川理工學院材化系14蒸餾四、兩組分理想溶液的氣液平衡相圖在一定外壓條件下，沸點與汽液相組成的關系，繪在圖上即是t-x-y圖

(2)等壓圖A、t-x-y圖1.2.1兩組分理想物系的氣液平衡四川理工學院材化系15蒸餾兩線：t~x線為泡點線，泡點與組成有關；t~y線為露點線，露點與組成y有關。3區(qū):t~x線以下為過冷液體區(qū)；t~y線以上為過熱蒸汽區(qū)；在t~x與t~y線之間的區(qū)域為氣液共存區(qū)，在此區(qū)域內氣液組成y與x是成平衡關系，氣液兩相的量符合杠桿定律。只有設法使體系落在汽液共存區(qū)這才能實現(xiàn)一定程度的分離。例如將組成為的過冷溶液加熱至C點，產生第1滴氣泡，故C點所對應的溫度稱為泡點，氣泡組成為y1，維持加熱升溫至G點，溶液部分汽化，氣相組成為y(F點)，液相組成為x(E點)，y>xF，x<xF，故原料液得到部分分離，x與y成平衡關系，G點所對應的溫度為氣液相的平衡濃度；反之將組成為yF的過熱混合氣體冷卻至D點，第1滴冷凝液出現(xiàn)，D點所對應的溫度為露點，繼續(xù)冷卻至G點氣相部分冷凝，液相組成為x，氣相組成為y，x<yF，y>yF，故部分冷凝亦可實現(xiàn)一定程度的分離。要實現(xiàn)高純度分離必須采用多次部分汽化和多次部分冷凝，這個過程在工業(yè)生產上是如何實現(xiàn)的呢？兩端點A與B.端點A代表純易揮發(fā)A組分(x=1)，端點B代表純難揮發(fā)B組分（x=0）。對于一定組成的溶液加熱到與相交的點，即出現(xiàn)第一個氣泡，所以線亦稱泡點線。對于組成為的蒸汽，冷卻至與線相交，出現(xiàn)第一個露珠，所以稱線為露點線。1.2.1兩組分理想物系的氣液平衡四川理工學院材化系16蒸餾四、兩組分理想溶液的氣液平衡相圖t-x-y圖可通過實驗測定。若為二元理想溶液，t-x-y圖可利用計算方法求得：

…………式說明，只要知道某溫度下的（飽和蒸汽壓數(shù)據(jù)），就可以計算得到x與y，就可以作出在指定外壓下的圖。上式還說明，總壓對t-x-y圖是有影響的。

1.2.1兩組分理想物系的氣液平衡四川理工學院材化系17蒸餾四、兩組分理想溶液的氣液平衡相圖Bx-y圖取圖中的數(shù)據(jù)，以x為橫坐標，y為縱坐標，繪成的圖為圖。x-y圖對于易揮發(fā)組分，因為，所以x-y線均在對角線上方。X-y線與對角線偏離越遠，表示越易分離。若x-y線與對角線重合，則不能用精餾方法分離。對于二元理想溶液，x-y圖可由t-x-y圖得到。1.2.1兩組分理想物系的氣液平衡通常，精餾過程是在接近等壓的條件下進行，所以等壓圖是精餾過程中常用的，尤其是x-y圖，常用它來說明兩組分混合物精餾過程的計算。返回四川理工學院材化系18蒸餾6.3.1

平衡蒸餾一、平衡蒸餾過程

將一定組成的液體加熱至泡點以上使其部分汽化，或一定組成的蒸氣冷卻至露點以下使其部分冷凝，形成氣、液兩相，兩相達到平衡，然后，將氣、液兩相分離，此過程的結果是易揮發(fā)組分在氣相富集，難揮發(fā)組分在液相富集，這種過程稱為平衡蒸餾。四川理工學院材化系19蒸餾6.3.1平衡蒸餾二、過程的數(shù)學描述衡蒸餾過平程的主要關系式有：物料衡算式熱量衡算式氣液平衡關系物料衡算以兩組分混合液的閃蒸為例進行說明以整個裝置為系統(tǒng)進行衡算兩式聯(lián)立得：

總物料衡算：易揮發(fā)組分的物料算：設液相產物占總加料量的分率為q，氣化率為:四川理工學院材化系20蒸餾6.3.1平衡蒸餾對加熱器作熱量衡算，忽略熱損失，則節(jié)流減壓后，物料放出的顯熱即供自身的部分氣化，故由此式可求得原料液離開加熱器的溫為2、熱量衡算四川理工學院材化系21蒸餾6.3.1平衡蒸餾平衡蒸餾中，氣、液兩相處于平衡狀態(tài)，即兩相溫度相同，組成互為平衡。因此，y與x應滿足相平衡方程式若為理想溶液應滿足平衡溫度te與組成x應滿足泡點方程即3、氣液平衡關系四川理工學院材化系22蒸餾6.3.2

簡單蒸餾簡單精餾裝置圖

在實驗室或工業(yè)生產中，采用如圖所示的裝置，實質也是一個汽化器，一個冷凝器。

一、簡單蒸餾的裝置

四川理工學院材化系23蒸餾6.3.2

簡單蒸餾蒸餾原理示意圖

釜液量若全部汽化，又全部冷凝，即最終釜液量W=0，則達不到分離的目的。只有部分汽化，部分冷凝，才可得到易揮發(fā)組分較高的餾出液。由圖看出，當料液組成為x1時，所得餾出液最高組成為y1。所以用簡單蒸餾的方法，得不到純度高的產品。在簡單蒸餾的過程中：液相組成由汽相組成（餾出液組成）由釜液量由二、簡單蒸餾的原理四川理工學院材化系24蒸餾6.3.2

簡單蒸餾描述簡單蒸餾過程的物料衡算、熱量衡算方程與平衡蒸餾并無本質區(qū)別，但簡單蒸餾是個時變過程，而平衡蒸餾為定態(tài)過程。因此，對簡單蒸餾必須選取一個時間微元dt

，對該時間微元的始末作物料衡算。L——某瞬間釜中的液體量，它隨時而變，由初態(tài)W1變至終態(tài)W2；

x——某瞬間釜中液體的組成，它由初態(tài)x1降至終態(tài)x2；

y——瞬間由釜中蒸出的氣相組成，隨時間而變。

三、簡單蒸餾過程的計算：總物料：易揮發(fā)組分：忽略高階無窮?。核拇ɡ砉W院材化系25蒸餾6.3.2

簡單蒸餾若最初釜液量F為，此時釜液組成x1為，最終釜液量為W

，此時釜液組成為x2，積分上式：(1)若x-y平衡關系用曲線或表格表示時，則可應用圖解積分法或數(shù)值積分。(3)若在操作范圍內，x-y平衡關系為直線，即y=mx+b，則若y=mx，則(2)若平衡關系可用相對揮發(fā)度表示四川理工學院材化系26蒸餾6.3.2

簡單蒸餾

原料量F及原料組成x1一般已知，當給定x2即可聯(lián)立上式求出殘液量W。由于釜液組成x隨時變化，每一瞬間的氣相組成y也相應變化。若將全過程的氣相產物冷凝后匯集一起，則餾出液的平均組成及數(shù)量可對全過程的始末作物料衡算而求出。易揮發(fā)組分的物料衡算：總物料衡算：返回四川理工學院材化系27蒸餾6.4精餾原理和流程6-4-1精餾過程原理和條件簡單蒸餾及平衡蒸餾只能使液體混合物得到有限的的分離，遠遠不能滿足工業(yè)的要求。如何利用兩組分揮發(fā)度的差異實現(xiàn)連續(xù)的高純度的分離，是我們在本節(jié)要討論的基本內容。四川理工學院材化系28蒸餾6.4精餾原理和流程現(xiàn)取第n板為例來分析精餾過程和原理：塔板的形式有多種，最簡單的一種是板上有許多小孔（稱篩板塔），每層板上都裝有溢流管，由下一層（n+1層）的蒸汽通過板上的小孔上升，而上一層（n-1層）來的液體通過溢流管流到第n板上，在第n板上汽液兩相密切接觸，進行熱和質的交換。進、出第n板的物流有四種：a．由第n-1板溢流下來的液體量為Ln-1，其組成為xn-1

，溫度為tn-1；b．由第n板上升的蒸汽量為Vn，組成為yn，溫度為tn；c．從第n板溢流下去的液體量為Ln，組成為xn，溫度為tn； d．由第n+1板上升的蒸汽量為Vn+1，組成為yn+1，溫度為tn+1。

開始時進入第n板的汽液兩相是不平衡的。因此，當組成為xn-1的液體及組成為yn+1

的蒸汽同時進入第n板，由于存在溫度差tn=1>tn-1和濃度差xn-1>xn+1*，汽液兩相在第n板上密切接觸進行傳質和傳熱，即組成為yn+1的蒸汽部分冷凝,使其中部分難揮發(fā)組分轉入液相中；冷凝放出的潛熱傳給液相，組成為xn-1的液體部分氣化，其中易揮發(fā)組分轉入氣相中。因而離開第n板的氣相組成yn＞yn+1，液相組成xn＜xn-1，若汽液兩相在板上的接觸時間足夠長，接觸比較充分，那么離開該板的汽液兩相相互平衡，通常稱這種板為理論板（xn，yn成平衡）。精餾塔中每層板上都進行著與上述相似的過程，其結果是上升蒸汽中易揮發(fā)組分濃度逐漸增高，而下降的液體中難揮發(fā)組分越來越濃，只要塔內有足夠多的塔板數(shù)，就可使混合物達到所要求的分離純度。四川理工學院材化系29蒸餾6.4精餾原理和流程加料板把精餾塔分為二段，加料板以上的塔，即塔上半部完成了上升蒸汽的精制，即除去其中的難揮發(fā)組分，因而稱為精餾段。加料板以下（包括加料板）的塔的下半部完成了下降液體中難揮發(fā)組分的提濃，即除去了易揮發(fā)組分，因而稱為提餾段。一個完整的精餾塔應包括精餾段和提餾段。6-4-2精餾操作流程四川理工學院材化系30蒸餾6.4精餾原理和流程從上面所討論的精餾操作不難看出，精餾之所以區(qū)別于蒸餾就在于精餾有“回流”，而蒸餾沒有“回流”。回流包括塔頂?shù)囊合嗷亓髋c塔釜部分汽化造成的氣相回流?；亓魇菢嫵善?、液兩相接觸傳質使精餾過程得以連續(xù)進行的必要條件。若塔頂沒有液相回流，或是塔底沒有再沸器產生蒸汽回流，則塔板上的氣液傳質就缺少了相互作用的一方，也就失去了塔板的分離作用。因此，回流液的逐板下降和蒸汽的逐板上升是實現(xiàn)精餾的必要條件。返回四川理工學院材化系31蒸餾第五節(jié)兩組分連續(xù)精餾的計算兩組分連續(xù)精餾的工藝設計及計算主要內容:確定產品的流量和組成確定精餾塔的類型，根據(jù)塔型，求理論板層數(shù)或填料層高度確定塔高和塔徑對板式塔，進行塔板結構尺寸的計算及塔板流體力學驗算對填料塔，確定填料的類型及尺寸，并計算填料塔的流動阻力計算冷凝器和再沸器的熱負荷，并確定兩者的類型和尺寸四川理工學院材化系32蒸餾6.5.1理論板的概念與恒摩爾流假定一、理論板

所謂理論板是指離開這種板的氣液兩相互成平衡，而且塔板上的液相組成也可視為均勻的。理論板示意圖理論板是一個理想化的塔板，即不論進入塔板的汽液組成如何，在塔板上充分混合和接觸的最終結果表現(xiàn)為離開該板的汽液兩相在傳熱、傳質兩方面都達到平衡狀態(tài)，兩相的溫度相等，組成互成平衡。理論板在實際上是不存在的，這是由于要想使板上的汽液兩相達到平衡，汽液兩相的接觸時間必須為無限長，這顯然是不可能的。但理論板的概念之所以重要，是由于它可以作為衡量實際塔板分離效果的一個重要依據(jù)和標準。在設計計算時，先求出理論板數(shù)以后，然后用塔板效率予以校正就可以得出實際塔板數(shù)。四川理工學院材化系33蒸餾6.5.1理論板的概念與恒摩爾流假定二、恒摩爾流假設（1）恒摩爾汽化：精餾段內每層塔板上升蒸汽的摩爾流量相等，即V1=V2=…=Vn=V；同理，在提餾段內，V1′=V2′=…=Vm′=V′。一般情況下，V?V′。（2）恒摩爾溢流：精餾段內每層塔板下降液體的摩爾流量相等，即L1=L2=…=Ln=L；同理，在提餾段內，L1′=L2′=…=Lm′=L′。一般情況下，L?L′。假設：各組分的摩爾汽化潛熱近似相等汽、液接觸時因溫度不同而交換的顯熱可以忽略塔設備保溫良好，熱損失可以忽略

四川理工學院材化系34蒸餾6.5.2物料衡算和操作線方程一、全塔物料衡算精餾塔的物料衡算以單位時間為衡算基準：總物料易揮發(fā)組分聯(lián)立以上兩式可得:塔頂易揮發(fā)組分回收率塔底難揮發(fā)組分回收率2.在規(guī)定分離要求時應使DxD≤FxF

或(D/F)≤(XD/XF)。如果塔頂產品采出率取得過大，即使精餾塔有足夠的理論板層數(shù)也達不到分離要求。注意：1.回收率的定義四川理工學院材化系35蒸餾6.5.2物料衡算和操作線方程二、精餾段操作線方程以單位時間為衡算基準：總物料易揮發(fā)組分在一定的操作條件下，該式在x-y直角坐標圖上為直線，其斜率為R/（R+1），截距為xD

/(1+R)。

精餾段操作線方程回流比設塔頂采用全凝器，泡點回流：四川理工學院材化系36蒸餾6.5.2物料衡算和操作線方程三、提餾段操作線方程以單位時間為衡算基準：總物料易揮發(fā)組分在提餾段內,V’=L’–W,代入上式提餾段操作線方程在一定的操作條件下，該式在x-y直角坐標圖上為直線，過(XW,XW）點。四川理工學院材化系37蒸餾6.5.3進料熱狀況的影響由于不同進料熱狀況的影響，使從進料板上升蒸氣量及下降液體量發(fā)生變化，對于冷液進料的情況，提餾段內回流液體流量包括三部分：精餾段的回流液體量L原料液流量F為將原料液加熱到板上溫度，一部分上升蒸氣冷凝而成的液體冷液進料總物料衡算熱量衡算假設：精餾塔中液體和蒸汽均呈飽和狀態(tài)。加料板與相鄰的上、下板的溫度及汽、液相組成均相差不大則焓值有：熱量衡算式可近似寫成：四川理工學院材化系38蒸餾6.5.3進料熱狀況的影響加料熱狀態(tài)參數(shù)q的定義：q的物理意義可以是進料液與飽和液的汽化熱之比，也可以是每摩爾進料為提餾段帶入液體的千摩爾數(shù)。則提餾段操作線方程可寫為：四川理工學院材化系39蒸餾6.5.3進料熱狀況的影響實際生產中，精餾塔的進料可能有五種不同的熱狀態(tài),對于兩段之間的物料平衡會有不同影響：Ａ狀況——低于泡點的過冷液進料Ｂ狀況——泡點液體進料Ｃ狀況——汽-液混合物進料Ｄ狀況——露點蒸汽進料Ｅ狀況——高于露點的過熱蒸汽進料（1）低于泡點的冷液體，IF<IL；

q>1,L’>L+F,V<V’（2）泡點下的飽和液體，IF=IL；

q=1,L’=L+F,V=V’（3）汽液混合物，IL<IF<IV；

0<q<1,L’>L,V>V’（4）露點下的飽和蒸汽，IF=IV；

q=0,L’=L,V=V’+F（5）過熱蒸汽，IF>IV;q<1,L’<L,V>V’+F四川理工學院材化系40蒸餾6.5.3進料熱狀況的影響進料線方程——精餾段操作線與提餾段操作線的交點軌跡方程。在交點處兩式中的變量相同，可略去下標——進料線方程

*不同的q值對應著不同的q線，進料組成一定時各加料熱狀態(tài)下的q線如圖所示。*q線的作法：由q線方程，當x=xF時,y=xF，可得圖中對角線上的e點；過e點作以q/(q-1)為斜率的直線即得q線。四川理工學院材化系41蒸餾6.5.4理論板層數(shù)的求法常用方法:逐板計算法,適合機算,準確,費時圖解法,適合手算,快速,粗略簡捷(吉利蘭圖)法,用于估算理論依據(jù):操作線方程相平衡關系(平衡線方程)四川理工學院材化系42蒸餾6.5.4理論板層數(shù)的求法一、逐板計算法依據(jù)：步驟：若塔頂為全凝器,y1=xDx1y2x2……xn≤xF（僅指飽和液體進料）第n層理論板是進料板，精餾段所需理論板層數(shù)為（n-1）此后，可改用提段操作線方程進行類似計算，直至x′m<xW，m為提餾段理論板數(shù)（含再沸器）。四川理工學院材化系43蒸餾6.5.4理論板層數(shù)的求法二、圖解法通常采用直角梯級圖解法，其實質仍然是以平衡關系與操作關系為依據(jù)，將兩者繪在圖上，便可圖解得出達到指定分離任務所須的理論塔板數(shù)及加料板位置。依據(jù)：R，q，進料及產品組成步驟1在y-x圖上作出對角線、平衡線、精餾段操作線、q線及提餾段操作線2從a點開始，在平衡線與精餾段操作線之間作直角梯級。3當梯級跨過兩操作線交點（d點）時，則改在平衡線與提餾操作線之間作梯級，直至某梯級的垂直線達到小于xW為止。4每個梯級代表一塊理論板。梯級總數(shù)即為所需理論板數(shù)。四川理工學院材化系44蒸餾6.5.4理論板層數(shù)的求法最適宜的加料位置圖a：加料板位置在汽、液相組成與進料組成相同或相近的板上。此時所需的理論板數(shù)為最少。因此，它代表了適宜的加料位置。圖b，c：加料板位置偏離進料組成，兩種安排所需的理論板數(shù)均有所增加。原因是操作線在局部與平衡線距離很近，傳質推動力小。

四川理工學院材化系45蒸餾6-5-5幾種特殊情況時理論板層數(shù)的求法在精餾過程中，常常有加熱、進料方式不同，根據(jù)要求，其采出方式也有所區(qū)別，對此，分別討論如下：（1）直接蒸氣加熱一般精餾是間接加熱，主要是為避免對物料污染。如果物料含有水，精餾過程中允許水存在，于是，可將加熱蒸氣直接通入塔釜內，直接加熱。這樣加熱蒸氣將熱量、質量均帶入塔內，同時參與塔的熱量、質量的傳遞。該過程提高了傳熱效率，可使用溫度相對低的加熱蒸氣，同時，又省一臺再沸器。如圖所示，由物料衡算可知精餾段物料衡算與常規(guī)塔完全一致，僅提餾段有所不同，即：按恒摩爾流假設處理，設近似有S=V′

，則L′=W

，因y0=0，故提餾段操作方程:四川理工學院材化系46蒸餾（1）直接蒸氣加熱為直接蒸氣加熱精餾的提餾段操作方程。采用圖解法可求理論板數(shù)。與間接加熱比較，當和相同時，直接加熱所需理論板數(shù)、回收率、采出量D均有所降低。若要維持相同產品質量及回收率，則應適當增加理論塔板數(shù)以降低釜液組成。

直接蒸氣加熱的精餾四川理工學院材化系47蒸餾（2）具有側線采出的精餾過程目標：側線采出的意義及對分離的影響當需要獲取濃度不同的兩種或多種產品，或某組分在塔某幾板上存在富集現(xiàn)象。為獲得該組分產品或消出該組分對塔兩端產品的影響，應采取側線出料的方法，在適宜塔板上將其及時采出，如圖所示。側線抽出的產品可為塔板上泡點液體或板上的飽和蒸氣。

圖6.4.18帶側線采出的精餾

如果在精餾段設一側線采出，則塔被分為三段。塔兩端分別同精餾段和提餾段操作線方程，而塔下段（III）操作線同提餾段操作線方程。而中段則由物料衡算獲得其操作線方程。無論抽出液相還是氣相產品，其段操作線的斜率均小于第I段塔的操作線的斜率。且使最小回流比Rmin增大，減小了回流比的調節(jié)范圍，顯然，不利于節(jié)能。

四川理工學院材化系48蒸餾（3）多股進料精餾當兩股組分相同，組成各異的原料在同一塔中分離，為避免混合增加分離的能耗，則分別在適宜位置加入。如圖6.4.19所示。兩進料將塔分為三段，各段有相應操作線方程，各進料也有相應的q線方程。圖6.4.19多股進料精餾由于進料的加入，使進料下方塔段的操作線斜率大于上方塔段的操作線的斜率。如圖6.4.19所示。若混合進料，將使進料處操作線更接近平衡曲線，使所需理論塔板數(shù)增多。

四川理工學院材化系49蒸餾（4）塔頂進料蒸餾塔

目標：蒸出塔理論級數(shù)原料從塔頂加入，則塔只有提餾段沒有精餾段，該塔稱之為回收塔或蒸出塔、氣體塔，如圖6.4.19（a）所示。原料應在泡點或接近泡點溫度進入塔頂，無回流。而熱量則以間接或直接蒸氣加熱塔底。當該塔為間接加熱時，由物料衡算可得：L=V+W根據(jù)恒摩爾流假設，L=F、V=D，上式（6.4.15）可改寫為

蒸出塔四川理工學院材化系50蒸餾式（6.4.16）為該塔操作線方程，亦為一直線，該直線通過點，斜率為F/D。而q線與操作線交點為。由此，可采用圖解方法求解理論板數(shù)。當進料為泡點進料時，如圖6.4.19（b）所示。若維持加入塔底熱流量不變，則冷進料時，其操作線斜率增大，向平衡線靠近。如圖6.4.19（c）所示，要求塔底達到相同分離要求，勢必提高塔釜加熱量或增加塔理論板數(shù)。

該塔多用于輕、重組分的初步分離，或主要考慮獲得較純的重組分的分離，或回收稀溶液中易揮發(fā)組分。

泡點進料蒸出塔冷進料蒸出塔蒸出塔及圖解理論板數(shù)四川理工學院材化系51蒸餾（5）塔頂設分凝器的精餾

在一般情況下塔頂蒸氣應全部冷凝，并保持一定過冷度，以免蒸氣未凝而積累，引起塔壓升高，如果塔頂蒸氣中含少量或一定量較輕的組分，一般冷劑難以將其冷凝，提高冷劑品位又不經濟。為此，塔頂則設部分冷凝器，將未凝的部分輕組分氣體采出，然后，再用高品位冷劑將其冷凝作產品送出。對于量少和無利用價值的不凝氣，則直接排入火炬或放空，以節(jié)省高品位冷劑的用量。

再沸器中存在釜液的部分汽化，相當一個理論板。而在分凝中存在蒸氣的部分冷凝，也相當一平衡級，故也相當一個理論板。如圖6.4.20流程。求解理論板方法與常規(guī)塔相同，只是第一理論板相當分凝器，而最下一理論板則相當再沸器。當求得塔內總理論板數(shù)則等于（N－2）塊理論板。

四川理工學院材化系52蒸餾帶分冷凝器的精餾

帶分冷凝器的精餾四川理工學院材化系53蒸餾6-5-6回流比的影響及其選擇回流是精餾塔內汽、液相間傳質過程得以連續(xù)穩(wěn)定進行的必要條件，選擇適宜的回流比十分重要。兩個極限值：全回流R

最小回流比R=Rmin，實際回流比介于兩個極限值之間一、全回流與最少理論板數(shù)塔頂上升蒸汽經冷凝器冷凝后，全部引回塔頂作為回流，稱為全回流。此時，D=0，W

=0，F(xiàn)=？全回流時的回流比精餾段操作線斜率在y軸上的截距故全回流時的操作線方程為即在x-y圖上，操作線與對角線重合。此時操作線和平衡線的距離為最遠，傳質推動力最大,所需的理論板數(shù)最少，以Nmin表示四川理工學院材化系54蒸餾6-5-6回流比的影響及其選擇Nmin的求取方法：圖解法計算法1、圖解法在x-y圖上的平衡線與對角線間直接圖解求得2、計算法對雙組分溶液：——芬斯克方程四川理工學院材化系55蒸餾6-5-6回流比的影響及其選擇二、最小回流比對于一定的條件，減少R,精餾段操作線截距增大，該操作線向平衡線移動，精餾段操作線與q線的交點d（即兩操作線交點）向平衡線靠近。這意味著，隨回流比減小，提餾段也向平衡線移動。因此，達到指定分離程度所需理論板數(shù)增多。當回流比減至某一數(shù)值時，交點d落在平衡線上，如圖，這時不論畫多少梯級都不能跨越d點，即所需的理論板數(shù)為無窮多。稱為最小回流比，用Rmin

示之。d點稱為挾點，其附近稱為恒濃區(qū)或挾緊區(qū)。四川理工學院材化系56蒸餾1-5-6回流比的影響及其選擇最小回流比的求法設兩操作線與平衡線交點的坐標為（xq,yq），此時精餾段操作線的斜率為:xq與yq是平衡線與進料線之交點。最小回流比是指對于一定分離要求的最小回流比，分離要求變動了（例如xD變了），對應的Rmin亦要改變。

四川理工學院材化系57蒸餾6-5-6回流比的影響及其選擇對平衡線有下凹部分的特殊情況減小回流比時，在兩操作線的交點還未落到平衡線上之前，操作線已與平衡線相切，如圖a、b中g點所示。此時恒濃區(qū)出現(xiàn)在g點附近，對應的回流比為最小回流比。Rmin

仍可采用式計算，但式中xq與yq不是一對平衡數(shù)據(jù)，需由圖上讀出。四川理工學院材化系58蒸餾6-5-6回流比的影響及其選擇三、適宜回流比的選擇適宜回流比根據(jù)經濟核算確定，即應在操作費用和設備費用之間作出權衡。精餾的操作費用:加熱介質(水蒸汽)量+冷卻介質(水)量.當F、q、D一定時，R增大，加熱和冷卻介質的消耗量亦隨之增多，操作費用相應增加，如圖中曲線1所示。設備費用隨回流比變化的趨勢，如圖中曲線2所示。R主要通過影響N和V,V’來影響設備費用。因此，最合理的回流比的選擇應使精餾過程總費用（操作費用與設備費用之和）最低，此回流比也稱為最適宜的回流比，如圖所示。根據(jù)實驗和生產數(shù)據(jù)統(tǒng)計，一般最適宜回流比的范圍為:四川理工學院材化系59蒸餾6-5-7簡捷法求理論板數(shù)一、吉利蘭圖

四川理工學院材化系60蒸餾6-5-7簡捷法求理論板數(shù)二、求理論板層數(shù)的步驟1、求最小回流比Rmin，并選擇R

2、求全回流時的理論板數(shù)Nmin

3、計算（R-Rmin)/(R+1)之值，由吉利蘭圖查得（N-Nmin

)/(N+2)之值，算出理論板層數(shù)N四川理工學院材化系61蒸餾6-5-8塔高和塔徑的計算一、塔高的計算1、板效率和實際板數(shù)理論板定義：1汽、液兩相在板上充分接觸混合。

2離開塔板的兩相流體達到相平衡。理論板用途：可以用汽液平衡關系式描述實際上，平衡態(tài)是不可能進行傳質的，故實際塔板用板效率的概念加以校正。單板（Murphree）效率Em物理意義:式中分子代表汽相或液相經過一塊板后實際的組成變化，分母則為理論組成變化。獲得：由實驗測定xn,yn

等，再與計算的理論組成比較。全塔板（總板）效率四川理工學院材化系62蒸餾6-5-8塔高和塔徑的計算2、理論板當量高度和填料層高度用于填料塔計算定義:相當于一塊理論板分離能力的填料高度。物理意義:表示填料的優(yōu)劣,即越小填料性能越好。應用：完成任務所需的填料高度

H=N

HETP二、塔徑的計算四川理工學院材化系63蒸餾6-5-9

連續(xù)精餾裝置的熱量衡算一、冷凝器對連續(xù)精餾裝置進行熱量衡算，可以求得冷凝器和再沸器的熱負荷以及冷卻介質和加熱介質的消耗量，并為設計這些換熱設備提供基本數(shù)據(jù)。對圖中所示的全凝器做熱量衡算，以單位時間為基準，并忽略熱損失：冷卻介質消耗量：四川理工學院材化系64蒸餾6-5-9

連續(xù)精餾裝置的熱量衡算二、再沸器對圖中所示的再沸器做熱量衡算，以單位時間為基準：加熱介質消耗量：返回四川理工學院材化系65蒸餾6-6間歇精餾間歇精餾過程的特點：①間歇精餾為非定態(tài)過程。

②間歇精餾時全塔均為精餾段，沒有提餾段

間歇精餾過程的操作方式：①餾出液組成恒定的間歇精餾操作

②回流比恒定的間歇精餾操作

在時間內，對組分i作物料衡算，則塔釜組分i的減少量等于塔產品的采出量

因D<<W，相當高階無窮小，故可忽略，式（6.5.2）整理可得：式中：、－為初始、最終釜液量，kmol；

、－為初始、最終釜液組成，摩爾分數(shù)；

、－釜液、產品組成瞬時值，摩爾分數(shù)。

與簡單蒸餾不同的是，與之間為全塔物料恒算關系，非平衡關系。

四川理工學院材化系66蒸餾6-6間歇精餾一、回流比恒定時的間歇精餾計算1、確定理論板層數(shù)計算可以操作初態(tài)為基準，假設一最初的餾出液組成xD1，根據(jù)設定的xD1，與釜液組成xW求出所需的最小回流比。然后，選擇適宜的回流比R，計算理論板數(shù)N。根據(jù)Rmin確定適宜操作回流比R，圖解理論板數(shù)N，N是否合理，必須通過校核，確認初值是否正確，否則重新給初值，迭代計算。

四川理工學院材化系67蒸餾6-6間歇精餾2、對具有一定理論板層數(shù)的精餾塔，確定操作過程中各瞬間的xD

和xW的關系在間歇精餾過程中，如果恒定回流操作，采出量不變條件下，塔內氣、液流量將恒定，操作線斜率為常數(shù)，由于塔釜中輕組分不斷的下降，導致餾出液組成不斷下降，使得操作線沿對角線平行下移，如圖所示。

四川理工學院材化系68蒸餾6-6間歇精餾二、餾出液組成恒定時的間歇精餾計算在一定理論板數(shù)的間歇精餾中，維持餾出液組成恒定，勢必連續(xù)加大回流比。

（1）理論板數(shù)確定

為了保證釜液組成達到最終組成時，塔頂產品仍保持不變。必須由和確定最小回流比Rmin。根據(jù)Rmin選定適宜回流比R，確定操作線，從D點出發(fā)作梯級，圖解理論板數(shù)N。圖6.5.4中所得理論板數(shù)N=6。四川理工學院材化系69蒸餾6-6間歇精餾（2）操作型計算當給定塔的理論板數(shù)N，回流比R調節(jié)的范圍以及分離要求及最終的釜液組成，則不同工況下的操作線即可確定?；亓鞅葟男〉酱笳{節(jié)，每改變一次回流比，即可由逐板計算法求得經過N個理論級分離結果后，釜液的組成為（k=1,2…m），獲得參數(shù)為：

餾出液產品恒定為：

每改變一次回流比：

相應釜液組成：(k=1,2…m)

當R增至最大，時，應結束蒸餾。但是，如果適當減少采出量D，還可使進一步下降，提高產量。＊操作時間

通過建立時間內的物料衡算方程，導得操作時間計算式式中V－塔頂產品采出量，kmol/h。

由以上逐板計算結果，采用上式由數(shù)值積分方法求得操作時間。返回四川理工學院材化系70蒸餾6-7

恒沸精餾與萃取精餾

前述普通精餾方式是以溶液中各個組分的揮發(fā)度不同作為分離的依據(jù)，若各組分的揮發(fā)度差異越大（即相對揮發(fā)度α越大），越易分離。但工業(yè)生產中需要分離的溶液，也有不少其揮發(fā)度很接近或具有恒沸點（最高或最低恒沸點），對于這類溶液的分離，用前訴的普通精餾方式就難以實現(xiàn)。例如：乙醇—水溶液在總壓為1atm時有最低恒沸點78.1℃，恒沸物組成摩爾分率0.894(重量百分率為95.6%），用前述普通精餾方法，最多只能分離得到接近恒沸組成的酒精，這就是工業(yè)酒精中含乙醇只能達到95%（重量百分率）的原因。那么，要得到無水酒精怎么辦？理論上可采用降低總壓的方法，當總壓為0.125atm時，恒沸物組成摩爾分率為0.99，恒沸點為34℃，塔頂上升蒸汽在冷凝器中不能用水將之冷凝下來，必須使用人工制冷，能耗大，一般不用。若兩組分