蒸馏(液体精馏)授课ppt课件

单击此处编辑母版标题样式,Edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,#,蒸馏,（液体精馏,）授课课件,蒸馏（液体精馏）授课课件,1,分离物系：,液,-,液均相,不能用机械方法达到分离的目的,。,分离方式：,热分离,部分汽化、部分冷凝、汽,-,液相间的传质。,与蒸发区别：,蒸发中溶质不挥发,蒸馏中溶质溶剂均为液体，均具挥发性，但有较大差别。,蒸馏操作分类,:,A,按流程,间歇,小规模,连续,大规模,B,按操作方法,简单蒸馏,平衡蒸馏（闪蒸）,精馏,特殊精馏,萃取精馏,恒沸精馏,C,按操作压强,减压：高沸组分、热敏组分,常压,加压：用于特殊精馏，改变平衡性质,AB,D,按组分,双组分,重点讨论,多组分,简要介绍,分离物系：液-液均相,不能用机械方法达到分离的目的。A,2,第一节 双组分溶液的汽,-,液平衡,1-1,相律及拉乌尔定律,（,Raoults law,）,1.,相律：,对于平衡体系，若影响该体系状态的外界条件有,n,个变量，则体系自由度,f,n,影响体系状态的外界条件个数,c,体系中组分数,体系中相数,特殊地：,对大多数体系，影响体系的外界条件主要是温度和压力二因素，故,n=2,对于二元组分的气,-,液平衡体系：,c=2,=2,故,f=n=2,即体系的状态只受温度和压力二外部条件的影响,对于常压蒸馏操作，则,f=1,（温度）,即在常压下，双组分汽,-,液平衡体系的状态（组成、分压）只受温度的影响。由此得到,t-x,、,t-y,或,x-y,图,第一节 双组分溶液的汽-液平衡1-1 相律及拉乌尔定,3,对于简单蒸馏：在常压下,f=1,，这说明只有温度会改变体系的组,成情况，事实亦如此。,a.,随着时间的进行 液相中,x,轻,x,重,t,液,即：,t,釜液,=f,（时间）,b.,随着时间的进行 汽相中,y,轻,y,重,t,冷凝,即：,t,冷凝,=f,（时间）,推断：,对于某瞬间，若,x,变化不明显，故增、减加热速度不能明显改变液相温度，而只能增、减汽化速率。,对于简单蒸馏：在常压下 f=1，这说明只有温度会改变体,4,2.,拉乌尔定律,（,Raoults law,）,描述理想溶液上方蒸汽压与其组成,x,A,及同温度下饱和蒸汽压的关系。,对于双组分体系，当其汽液达到平衡时，某组分,A,在汽相中的分压,P,A,与该组分在液相中的摩尔百分浓度成正比，,P,A,x,A,，其比值,P,A,/x,A,与平衡体系所处的温度有关，即：,对于理想溶液形成的汽,-,液相：,液相：服从拉乌尔定律,汽相：理论气体及道尔顿分压定律,于是：,且,纯物质的饱和蒸汽压,（混合物沸腾条件）,2.拉乌尔定律（Raoults law）对于理想溶液形成,5,A.,液相组成与温度的关系（,泡点方程,）,或,式中：,t,泡点温度。即大量液相中出现第一个气泡所对应的温度。,B.,纯组分饱和蒸汽压,P,0,与温度的关系,安托因（,Antoine,）经验公式,A,、,B,、,C,为常数，可由“汽液性质”手册查阅,C.,汽相组成与温度的关系（,露点方程,）,露点：大量蒸汽中出现第一个液滴时所对应的汽相温度。,A.液相组成与温度的关系（泡点方程）或式中：t 泡点,6,或,式中：,t,汽相中出现第一滴组成为,x,A,的液滴时,所对应地温度，即露点,t,露,因此：,若已知,t,露,、,x,A,则可求出,y,A,（直接计算）,若已知,x,A,、,y,A,则可求,t,露,（试差）,若令：,可得,式中：,K=f,（,t,）非直线关系,图,或式中：t 汽相中出现第一滴组成为xA的液滴时因此：,7,1-2,挥发度与相对挥发度,1.,定义,挥发度,(volatility),溶液中某组分的挥发度等于其汽相中分压,P,A,与平衡时液相中摩尔分率,x,之比。即：,=P/x,于是：,对于理想溶液：,对非理想溶液：,r,A,活度系数,，由,马居里公式,求算。,附马居里公式：,1-2 挥发度与相对挥发度于是：对于理想溶液：,8,式中：,过剩自由焓的偏摩尔量,i,组分实际的偏摩尔体积,i,组分在标准状态的摩尔体积,式中：过剩自由焓的偏摩尔量 i组分实,9,2.,相对挥发度,溶液中同温度下二组分的挥发度之比,即：,于是：对于,A,、,B,双组分溶液：,又：,故：,平衡线方程（即平衡时双组分溶液汽、液组成关系）,理论上：,实际上：,AB,随,t,变化不大，可近似为常数或取定性温度下的平均值,对于理想溶液形成的汽,-,液两相：,对非理想溶液：,2.相对挥发度 溶液中同温度下二组分的挥发度之比即,10,AB,1,，,则,A,B,或,P,A,0,P,B,0,即,A,物质较,B,物质易挥发，,A,、,B,易于分离。,AB,1,，,则,A,B,或,P,A,0,1，则A B或PA0 P,11,1-3,双组分理想溶液的汽,-,液平衡相图,1.t-x-y,图,:,依据,:,t-x,A,t-y,A,t-x,A,-y,A,1-3 双组分理想溶液的汽-液平衡相图依据:t-xAt-y,12,:,由于,0 x,A,y,A,1,于是,:,对应某一温度,t,由图查得相应的,x,A,由图查得相应的,y,A,或由图同时查,x,A,、,y,A,。将所查,x,A,、,y,A,在,x,A,-y,A,坐标作图，即得,x,A,-y,A,亦可由,直接作图（当,AB,已知时）。,2.x,A,-y,A,图,:亦可由直接作图（当AB已知时）。2.xA-yA 图,13,1-4.,双组分非理想溶液汽,-,液平衡相图,对于偏离理想程度较大的非理想溶液体系，有二种情况：,正偏差溶液体系：,特点：超额自由能（过剩自由能）,混合后，,A,与,A,，,B,与,B,分子间力被削弱，,A-B,间分子力增强（氢键），形成最低恒沸物，处于该点组成时,AB,=1,。,t-x-y,及,x-y,图：,常见体系（二元）：酒精,-,水、正丙醇,-,水等,1-4.双组分非理想溶液汽-液平衡相图t-x-y及x-y,14,负偏差溶液体系：,特点：相反于正偏差体系。,常见体系：硝酸,-,水、氯仿,-,丙酮等。,t-x-y,及,x-y,图：,负偏差溶液体系：t-x-y及x-y图：,15,恒沸溶液分离的可能性：,a.,改变操作压强,P,外,（常用真空法），但要结合经济性及操作可能性决定。,b.,特殊方法精馏,萃取精馏,恒沸精馏（新恒沸点）,恒沸溶液分离的可能性：b.特殊方法精馏萃取精馏,16,恒沸精馏原理：,即：改变原恒沸点的位置，通过加入第三组分使之形成新恒沸物，而该恒沸物的组成比较接近,x,A,=0,或,x,A,=1,的一端。,对于 接近,x,A,=0,的一端时，,t,新沸,t,原沸,即由最高恒沸物转变为最低恒沸物（如硝酸,-,水等负偏差体系）,对于 接近,x,A,=1,的一端时，,t,新沸,x,2-2 简单蒸馏3.间歇蒸馏特点：随着过程的进行，汽,21,4.,简单蒸馏的计算（间歇）,设在时刻,，,釜内液体量为,L,（,kmol,）,釜内液体组成为,x,经时刻,d,后，蒸出气相量为,dD,蒸出气相组成为,y*,（与,时刻的液体组成,x,成平衡关系）,于是：对组分有：,y,*,dD=-d,（,Lx,）,=-,（,L,dx+x,dL,）,对入釜料：,-dL=dD ,于是：,y,*,dL=L,dx+x,dL,积分：,t=0,时，,L=F,x=x,0,（始初浓度）,t=,时，,L=W,x=x,W,（残液浓度）,于是有：,或：,4.简单蒸馏的计算（间歇）于是：对组分有：y*dD,22,5.,关于简单蒸馏的计算方法讨论,当,y*=f(x),是用曲线或表格数据表示时，可采用图解积分,或数值积分法。,于,x,w,x,0,之间选一系列,x,i,由曲线或表中查取相应的,y,i,*,作 图,计算,计算,x,i,=x,w,至,x,i,=x,0,之间的曲线下包括面积,当溶液为理想系统 时,代入积分得：,5.关于简单蒸馏的计算方法讨论 于xw,x0之间选一系列,23,当,y*=mx+b,时,特殊的，当,b=0,时，上式简化为,馏出液平均组成 的计算,q,线方程,y,w,与,x,w,满足平衡线方程关系,当 y*=mx+b 时特殊的，当 b=0时，,24,当,F,，,x,f,，塔釜终温,t,，压强,p,相同时，则：,由于一定,t,、,p,下，,tx,关系唯一，故,终点相同时二者釜底,x,w,相等。,液化率,W/F,（或,q,）的比较（当,F,一定时），即釜中残液量,W,比较,a.,对于简单蒸馏：,b.,对于平衡蒸馏：,即：,关于平衡蒸馏与简单蒸馏的比较,当F，xf，塔釜终温t，压强p相同时，则：a.对于简单蒸馏,25,不难计算出在相同的,、,时，,qq,。即：,终点状态相同时残液,量简单蒸馏较平衡蒸馏多，,W,简,W,平,。,由结论可知：,对塔顶馏出液量，则平衡蒸馏较简单蒸馏多，,D,简,x,w,意义：,x,w,相当于使全部进料汽化至剩下最后一滴液体时，该液体的组成。或全部汽相冷凝时出现第一滴液体时的液相组成（,露点组成,）,对于汽相：,y 1,V,（,L+F,）,饱和液体进料,q=1,V=V,L=L+F,泡,-,露点间进料,0 q V,L,（,L+F,）,饱和蒸汽进料,q=0,L=L,V=V+F,过饱和蒸汽进料,q V+F,L 1饱和液体进料,q=1泡-露点间进料,0,38,由于进料板上汽相（进入与离开）,V,和,V,其组成较接近，故,I,V,I,V,。,同理：对于液相（进入与离开）,L,和,L,其组成亦较接近，故,I,L,I,L,。,于是得：,即：,于是：,将该式代入提馏方程：,得：,3.,进料板物、热量衡算,物料：,进料：,热量：,式中：,I,饱和液体,/,蒸汽的摩尔焓值（,kJ/kmol,）,由于进料板上汽相（进入与离开）V和V其组成较接近，故IV,39,泡,-,露点之间进料：此时,I,L,I,F,I,V,，,0 q I,V,，,q 0,故,q,值既可为正，亦可为负或零,思考题：设进料时,q=1.1,，,0.5,和,q=-0.3,，问进料中液体,/,进料量,=?,注意：此节,q,（,q,值参数）与前叙液化率,q=W/F,的联系与区别：,联系：均反映液化率问题,区别：在精馏中还反映了原料的进料状态,在精馏中,q,取值在（,-,，,+,）间，而在平衡或简单蒸馏中,0 q 1,4.q,值参数讨论：,泡点（饱和液体）进料：此时,I,F,=I,L,，,q=1,露点（饱和蒸汽）进料：此时,I,F,=I,V,，,q=0,冷态进料：此时,I,F,1,试证明：冷态进料时,泡-露点之间进料：此时IL IF IV,40,4-4,理论板数的求法：,1.,逐板计算法,：,（全冷凝）,即：,（第,n,块为进料板）,（规定值）,精馏段（,n-1,）,提馏段（,m-1,）,加料板,1,（,m+n-1,）,=,总理论塔板数,N,T,优点：精确。每一块板组成、温度分布可求。,4-4 理论板数的求法：（全冷凝）即：（第n块为进料板）（,41,2.,图解法,作,y,n,=f,（,x,n,）及,y=x,（对角线）于图中；,作精馏线：,由方程可见：当,x=x,D,时,y=x,D,该点,A,（,x,D,，,x,D,=y,）处在对角线上,再以 为斜率（或 为截距）作过,A,点直线,作提馏线：,同理：当,x=x,w,时,y=x,w,该点（,x,w,y=x,w,）落在对角线,B,处,以 为斜率或 为截距作过点,B,的直线,q,线方程法：,由于提馏线与精馏线相交于,C,点（,y,q,，,x,q,），则,2.图解法 以 为斜,42,解得交点,q,：,即有：,或由：,（,进料板方程，,q,线方程,）,（,1,）,（,2,）,（,1,）（,2,）式表明：随着,q,的不同，（,x,q,，,y,q,）点位置在变化。,由（,3,）式可知：当,x,q,=x,f,时,y,q,=x,f,即此点处于对角线上,D,（,x,f,，,x,f,）,（,3,）,解得交点 q：即有：或由：（进料板方程，q线方程）（1）（,43,于是提馏线的作法为：,a.,过,D,（,x,f,，,x,f,）点作 为斜率的,q,线交精馏线于,C,（,x,q,，,y,q,）,b.,连,C,（,x,q,，,y,q,），,B,（,x,w,，,x,w,）即为提馏线。,作梯级,从,A,点（或,B,点）开始在精馏（提馏）线与平衡线之间作梯级。当梯级跨越,C,点后改用在提馏线（精馏线）与平衡线之间继续作至,x,超过或刚好等于,x,w,（,x,D,）为止。,作图法道理和理论依据：逐板计算法的直观表示。,数梯级（理论板,N,T,）,精馏段：从塔顶至对应交点,C,梯级之前的级数,提馏段：从交点,C,对应梯级的以后梯级,加料板：交点,C,对应的梯级,实际板：,E,总塔（板）效率,注意：理论板可精确读到,0.1,块。,优点：直观、简便。,于是提馏线的作法为：作梯级注意：理论板可精确读到0.1块,44,3.,进料状态（,q,值参数）讨论及进料板位置的确定,进料状态（,q,值）讨论：,如图：随着,q,值不同，,q,线斜率发生变化。,可见，当分离要求,x,D,、,x,W,、,R,一定时，,q,值越大，达到相同分离要求时所需的理论板数越少。,进料板位置的确定,原因：过交点改用操作线作梯级时，所需理论板最少，故交点上方的梯形即为进料板位置。否则理论板增加。,结论,：,进料尽量采用非过热态流体，加热由釜底完成。,3.进料状态（q值参数）讨论及进料板位置的确定 进料板位,45,4.,关于再沸器与冷凝器的理论板问题：,冷凝器：,对于全冷凝器：因,y,1,=x,D,故全冷凝器,无增浓作用，,精馏段的理论板即,为塔内精馏段理论板数。,对于分凝器：因,分凝器起部分冷凝作用故相,当于一块理论板。,故用图解法求得的理论板数中已包括了再沸器这一块板。,再沸器,一次汽,-,液平衡作用。即为,一块理论板,。,4.关于再沸器与冷凝器的理论板问题：冷凝器：故,46,iii,对于分凝器：,当平衡线为直线,y=kx,操作线为,y=ax+b,时，,N,T,的理论解析计算,iii 对于分凝器：当平衡线为直线y=kx,操作线为,47,4-5,特殊情况下理论板数的求法：,1.,直接蒸汽加热：,特点：精馏线不变,q,线不变（因进料状态与之无关）,提馏线发生改变,目的：省去再沸器，设备投资下降，占地减少。,应用场所：水溶液系统,水为难挥发组分,提馏段方程：,即：,4-5 特殊情况下理论板数的求法：提馏段方程：即：,48,当分离要求,x,D,、,x,w,及进料情况,F,、,x,f,不变时，间接法和直接法的比较,（,2,）馏出量，残液和回收率的比较,直接法,由比较可得：,因此可见：,塔顶馏出液量减少,塔底残液量增多,塔的回收率 下降，残液中组分流失量,W,1,、,x,W,增大,反过来说：当要求达到相同的,D,、,x,D,、,时，直接蒸馏法所要求的理论板增多，此时将要求,x,w,比原,x,w,更低（由物料衡算方程得）,对于水蒸汽直接加热 当,x=x,w,时,y=0,对于常规蒸汽加热 当,x=x,w,时,y=x,w,间接法,（,1,）图形的比较,当分离要求xD、xw及进料情况F、xf不变时，间接法和直接,49,结论,：由于直接蒸汽的稀释作用，故在,x,F,、,q,、,R,不变时，欲得到相同的,x,D,、,D,，其理论板多于间接加热时所需的理论板数（因为此时要求,x,w,x,w,才能保证回收率不变）（图,A,）,对于一定的塔（理论板一定时），采用直接法蒸馏得到相同要求的,x,D,、,D,，由于理论板数需要增加，故实际效率下降（回收率也下降）图（,B,）,蒸汽用量,V,0,=f,（塔顶产品量,D,），当,q,、,D,一定时，,R,越大，则所需,V,0,越大，即：,V,0,=f,（,R,）,此点对间、直接蒸馏均相同。,结论：由于直接蒸汽的稀释作用，故在xF、q、R不变时，欲,50,2.,侧线塔,二种类型：抽出型：为了获得不同规格产品，根据塔中浓度分布情况，在某一块,板塔侧位置抽出产品。,输入型：为了对不同组成原料进行有效分离。,塔的分段：若塔身有,i,个侧线，全塔则分为（,i+1,）段。,A.,输入型计算：,上部精馏线方程（,黑框内,）,包含第一进料口在内的上段方程（,红框内,）,计算原则：列各段物料衡算关系,得操作线方程,与常规塔一样采用理论计算或图解法求理论塔板数,2.侧线塔A.输入型计算：包含第一进料口在内的上段方,51,F,1,进料状态：（,q,1,）,若为饱和蒸汽：,若为饱和液体：,一般地,故,（侧线方程）,F1进料状态：（q1）若为饱和蒸汽：若为饱和液体：一般,52,全塔物料衡算,q,1,线方程,q,2,线方程,下段提馏方程,作图：,作平衡线、对角线；,精馏线：由（,x,D,，,x,D,）点及斜率 确定；,q,1,线：由（,x,f1,，,x,f1,）点及斜率 确定得与精馏线交点,Q1,侧线由,q1,线与精馏线交点,Q1,及斜率 确定,作侧线方程,y,s+1,=f,（,x,s,）（亦可由截距 确定）,q,2,线：同前。得,q,2,线与侧线方程交于,Q,2,由点（,x,W,，,x,W,）和点,Q,2,作直线即为下部提馏线方程,作理论板数梯级，确定加料位置,全塔物料衡算 q1线方程q2线方程下段提馏方程,53,B.,抽出型计算,上部精馏线方程,红框中操作线方程,a.,若抽出产品为液体：则,由式得,于是,B.抽出型计算 红框中操作线方程a.若抽出产品为,54,令：,（侧塔抽出比）,则：,b.,若抽出产品为汽态：则,同理有,全塔物料衡算,q,线：,提馏线：,令：（侧塔抽出比）则：b.若抽出产品为汽态：则同理有 全,55,作图,平衡线、对角线,上部精馏线：由点,A,（,x,D,，,x,D,）和斜率 确定,q,线：由点,C,（,x,f,，,x,f,）和斜率 确定,提馏线：由点,B,（,x,w,，,x,w,）和斜率 确定,交,q,线于,D,侧线：点,D,及侧线斜率或侧线截距作出,画梯级：确定进料、侧线出料位置及全塔塔板数,3,回收塔：（提馏塔，汽提塔）,特点：只有提馏段，一般没有精馏段,回流：可有可无（如冷料进塔则相当于有回流，泡点进料则相当于无回流）,应用：回收稀溶液中轻组分，且对馏出液浓度要求不高时,稀溶液下相对挥发度很大，不需要精馏就能达到要求,C.,侧线塔讨论,：,I.,侧线的存在对推动力的影响；,II.,可能产生挟点，对理论板数的影响；,III.,注意侧线进出料，侧线形式的不同形式,作图3 回收塔：（提馏塔，汽提塔）C.侧线塔讨论：,56,实例：稀氨水回收,蒸氨操作,计算与图解：,无回流时：与精馏塔中提馏线完全相同,有回流时：过,q,点后仍按提馏线延长于,y=x,D,处,当,R=0,q=1,时，则有：,L=F,V=D,F=W+D,故,对于直接法：,无回流时,有回流时,一般流程,实例：稀氨水回收蒸氨操作当 R=0,q=1 时,57,提高,x,D,的方法增大操作线斜率,式中,特殊地，对于泡点进料：,q=1,措施即：增大回流比,R,减少采出量,D,实际中：需加大汽化冷凝量，减少采出量，增大回流比,带回流的回收塔经济合理性,若要求,x,D,较高，则提馏段延伸越长，理论板数增加，不如直接采用精馏操作合理（达到同样要求时，理论板较少）因提馏线延伸后与平衡线更靠近。,关于回收塔的讨论：,提高xD的方法增大操作线斜率式中特殊地，对于泡点进料：,58,4.,精馏段操作,当混合液中轻组分浓度较高时采用精馏段即可。,讨论略。,无回流下极限分离程度,x,D max,出现,挟点即恒浓度区,能否蒸汽状况进料进行提馏操作？,（不能，,q0,时，,x,D,x,f,）,4.精馏段操作 无回流下极限分离程度xD max 能,59,4-6,回流比的影响及其选择,回流的作用,：稳定连续操作的必要条件,回流比的影响,：关系到操作费用及设备投资费,1.,最大回流（全回流）比及最少理论板数,根据定义,故当,D=0,时,R=,此时即为全回流，在,R=,情况时的精馏线：,即,此时精馏线与对角线重合，,平衡线与操作线相距最大。此时所需的理论梯级最少,N,min,根据：,可得：,最少理论,梯级,N,min,Fenske,计算公式推导方法一,4-6 回流比的影响及其选择1.最大回流（全回流）比及最少,60,令：,几何平均值,则：,对于双组分：,故：,式中：,N,min,不包括再沸器在内的全回流情况下,最少理论板数（塔内,N,min,数）；,1,再沸器相当于一块平衡板（理论板）,令：几何平均值则：对于双组分：故：式中：Nmin ,61,因为,故：,故：,最少理论,梯级,N,min,Fenske,计算,公式推导方法二,又：,同理：,及：,于是：,因为故：故：最少理论梯级Nmin Fenske计算公式,62,讨论：,若将式中,x,W,换为,x,F,，,m,改为精馏段平均值，则可用来计算,精馏段的理论板数,。,式中：,1,再沸器,N,min,精馏段板数,全回流,R=,是回流比上限（经济指标），对实际操作无意义。主要用于开工（使系统稳定）和实验研究。,讨论：,R,越大，达到同样分离要求时,N,T,越少,R,越大，在,N,T,一定时，,x,D,、,x,W,R,越大，塔顶、底冷却,/,加热量增大，能耗增加，加热和冷凝设备负荷增大，设备费增加。,讨论：若将式中xW换为xF，m改为精馏段平均值，则可,63,2.,最小回流比,挟紧点及恒浓区,随着,R,的减少，理论板数增多。当,R,线、,q,线及平衡线同交于一点时，理论板无穷多。在此点附近无明显增浓作用，而出现恒浓度区域。该点称挟紧点。,挟紧点时的回流比是精馏操作的下限,R,min,，若,RN,T,定义,全塔效率,E,一般不能由理论公式计算而由经验数据或实测确定。,b.,由于平衡过程主要发生在板上，故对每一块板而言，可定义其气,-,液接触后组分的实际变化与达到平衡状态变化的比值为,单板效率（,E,mV,/E,mL,默弗里效率,Murphree),或,4-9 塔总体尺寸计算（高直径）a.由于实际板数N实与,73,c.,等板高度,HETP,对于填料塔，其间汽,-,液达到一次平衡所流过的塔段高度即为,HETP,2.,塔径计算：,u,空塔气速,b.,在提馏段 由于,VV,（当,q 1,时）,问 题：提、精馏段塔径计算结果不相同。,解决方法：取两段中塔径较大者并归整为规格尺寸,差别很大时，各塔段可以不等而各自计算,尽量使,q=1,，,V=V,a.,在精馏段,M,m,精馏段上升气体平均分子量（,kg/kmol,）,v,精馏段气相密度（,kg/m,3,）,D,馏出量（,kmol/h,）,c.等板高度HETP2.塔径计算：u 空塔气速b.,74,4-10,连续精馏的热量衡算：,内容：计算塔顶冷凝器和塔底再沸器的热负荷,加热、冷却介质消耗量，为设计换热设备提供参数,1.,冷凝器,泡点回流时,故：,式中：,I,V,蒸汽焓值；,I,D,馏出液焓值,又：,故：,W,C,冷却剂用量,4-10 连续精馏的热量衡算：1.冷凝器泡点回流时故：,75,2.,再沸器,于是：,又加热剂用量：,故：,若采用饱和蒸汽加热，且冷凝液在饱和温度下排出，则,3.,节能措施：泡点进料、泡点回流，平稳操作,余热利用：馏出液、残液余热用于预热进料,塔底、塔顶蒸汽热泵回收塔中内部再沸、冷凝，减少回流比,2.再沸器于是：又加热剂用量：故：若采用饱和蒸汽加热，且冷,76,第五节 间歇精馏,间歇精馏,分批精馏：原料一次加入，塔顶不断馏出，塔底一次排出,特点：,非稳态过程：釜中、板上浓度随时间变化，温度也在改变,操作只有精馏段,操作方式：,恒回流比,R,恒馏出液组成,x,D,联合操作：先恒,x,D,后恒,R,5-1.,恒回流比时间歇精馏的计算内容,1.,确定理论板数,N,T,计算,R,min,，选择,R,若已知：,x,F0,（入塔初始浓度）,x,D1,（起始塔顶浓度，人为规定）,（,平衡关系,）,第五节 间歇精馏间歇精馏分批精馏：原料一次加入，塔,77,则：,即：,由图解法求理论板,则：即：由图解法求理论板,78,2.,当,N,T,一定时，确定某瞬间,x,D,、,x,W,方法：已知（,x,Di,，,x,Di,）点及斜率 作精馏线，作梯级（,N,T,已知）使之等于已知条件，得,x,W2,，使,x,W,达到规定值即完全精馏操作。,3.,当,N,T,一定时，确定,x,D,（,x,W,）与,W,、,D,的关系,任一时刻：,又：,故：,t=0,，,L=F,，,x=xf,t=t,终,，,L=W,，,x=x,W,终,即：,塔顶平均浓度,蒸发量,2.当NT一定时，确定某瞬间xD、xW 3.当NT一定,79,5-2.,恒馏出液组成的问题精馏计算内容,1.,理论板数,N,T,按馏出液组成,x,D,及最终残液组成,x,D,终,求,R,min,选择,由,x,D,、,x,W,终,、,R,终,求解,N,T,。,2.N,T,一定时，确定,x,W,与,R,的关系,当已知某一时刻的,R,时，,过（,x,D,，,x,D,）点作斜率为 （或截距为 ）的直线,从（,x,D,，,x,D,）点开始作梯级使之等于已知数,N,T,。,最下层梯级所对应的,x,W,即为该时刻的,x,W,当已知某一时刻时，采用试差作图，直至试差所得理论梯级等于已知数,N,T,时为止。,5-2.恒馏出液组成的问题精馏计算内容 选择 由xD,80,3.,一批操作的汽化量计算：,任一时刻,t,：,在,0t,时间中的馏出量,残液量,对式,x,W,微分 即：,式代入式积分,：,式中,Rx,W,关系可由图解法得出，故上式可用数值或图解积分法求解。,3.一批操作的汽化量计算：任一时刻t：在0t时间中的馏出,81,第六节 特殊精馏,问题：分离的难易程度（可行性）,1,（,t,沸,较小,）,恒沸物,=1,方法：特殊精馏,恒沸精馏,萃取精馏,直接水蒸汽精馏,已述,原理：于待分离体系中加入第三组分，以提高各组分相对挥发度的差别，使之有效分离。,应用：特殊精馏多用于非理想物系的分离。,6-1.,恒沸精馏,用于分离有共沸点的二元溶液,1.,第三组分,挟带剂：,作用：与原料中一个或二个组分形成新的恒沸液。,特点：新恒沸点低于原恒沸点。,例：对 乙醇,水 二元体积,在,P=1 atm,，,t=78.15,时，形成均相共低恒沸物（二元）,第六节 特殊精馏问题：分离的难易程度（可行性）,82,加入第三组分,苯后，在,P=1 atm,，,t=78.15,时，形成新的非均相共低恒沸物（三元），此时：,故加入适量苯，可使水全部转移到三元非均相恒沸液中去，乙醇与水得以完全分离。,注意：,加入第三组分后，由于,新的恒沸物沸点（三元）比原二元共沸物低,，则依据精馏温差原理，新共沸物从塔顶馏出而纯组分从塔底排出。,2.,对第三组分的一般要求,：,能与原料形成新的共沸物（三元），且其沸点比原二元共沸物低。两者温差,t 10,原因：若形成高沸点恒沸物，此时其将留在塔底，塔顶则为原二元恒沸物（因其沸点低，,首先沸腾汽化）而未被分离。,新恒沸组成中,x,第三,越小越好：减少挟带剂用量；减少塔釜汽化能耗；减少塔顶冷凝能耗,新恒沸物最好为非均相体系,可用机械或简单物理法分离回收,无毒、无腐蚀，对热稳定，不分解、变质,来源广、价格低,加入第三组分苯后，在 P=1 atm，t=78.,83,6-2.,萃取精馏,用于分离,1,或,t,沸,较小的二元溶液（但,1,）,1.,第三组分：,萃取剂、溶剂,作用：使,值增大,特点：萃取剂沸点高于原料中轻组分沸点。,（为什么？）,a,减小汽化量,;,b,减小萃取剂损失,;,c,若比双组分中任一个的沸点均低，则不能起分离,不与组分形成恒沸物,例：,P=1 atm,时，,t,苯沸,=80.1,、,t,环沸,=80.73,、,=0.98,加入糠醛后，,=f,（,x,糠醛,），,x,糠醛,=0.7,时,=2.7,异辛烷,甲苯分离，苯酚作萃取剂,2.,萃取剂的选择：,显著改变原二组分的,值,本身沸点比原二组分离得多，且不形成恒沸物,无毒无腐蚀、热稳定,来源广、价格低,6-2.萃取精馏 用于分离 1或t沸较小的,84,3.,恒沸物精馏与萃取精馏的比较,萃取剂比挟带剂易选择,萃取精馏能耗少（萃取剂不汽化）,萃取剂,x,萃,变动范围大，故操作灵活、易控制,萃取精馏多为连续，恒沸精馏可连续也可间歇,萃取精馏操作温度一般较恒沸精馏高，故恒沸精馏特别适于热敏溶液分离。,（注：对于热敏溶液，常采用减压精馏方法）,3.恒沸物精馏与萃取精馏的比较,85,第七节 多组分精馏,7-1.,流程方案选择,1.,精馏塔个数,原则上，对于分离,n,个组分的溶液体系，需要（,n-1,）个精馏塔,2.,流程选择,原则：工艺上可行，技术指标先进,经济上合理（能耗、投资、运行费较低）,操作管理方便,7-2.,多组分物系的汽,-,液平衡,1.,理想物系,:,一定温度及压力下：气液二相达到平衡时，组分,i,满足：,K,i,平衡常数,由于是理想体系：,故：,第七节 多组分精馏7-1.流程方案选择7-2.,86,i,，,j,两组分相对挥发度,故：,2,.,对于非理想体系：,当气相为非理想，液相为理想时：,气相引入逸度代替压强进行计算,气相为理想，液相非理想,液相采用活度（活度系数）代替摩尔百分浓度进行计算,气,-,液均为非理想,同时校正，有图、表可查,i，j两组分相对挥发度故：2.对于非理想体系：,87,3.,相平衡常数的应用：,泡点和平衡气相的计算：,即：,方法,-,试差：,设泡点温度,t,泡,=t,0,根据,P,外,、,t,0,查,K,i,计算 是否,=1,是。假设正确,否。重设,t,0,露点计算：,即：,方法,-,试差。步骤同上,多组分部分汽化计算：,原则：,令：,汽化率,原料中,i,组分的进料浓度,故：,3.相平衡常数的应用：即：方法-试差：设泡点温度,88,7-3.,关键组分及各组分在塔顶、底产品中的预分配,1.,关键组分：（二个）,指,n,个组分中，某二个需要在塔顶和塔底产品中进行浓度或回收率（损失率）控制的组分。,轻关键组分：,二个关键组分中挥发度（平衡常数）较大的组分,重关键组分：,二个关键组分中挥发度（平衡常数）较小的组分,注：轻重关键组分既可相邻，亦可不相邻。,关系如图,K,i,组分,A,B,C,D,E,F,轻关键,重关键,塔顶：全部,A,、,B,限量,C,微量,D,塔底：全部,E,、,F,限量,D,微量,C,7-3.关键组分及各组分在塔顶、底产品中的预分配注：轻重,89,2.,组分在塔顶、底中的预分配,清晰分割法,分配：,规定：,比轻关键组分更轻的组分馏于塔顶,比重关键组分更重的组分排于塔釜,轻、重关键组分相邻,计算方法：物料衡算,非清晰分割法,分配：,情况,轻、重关键组分不相邻，还有中间组分。此时中间组分将在塔顶、底同时分配。,情况,轻关键组分与更轻组分的平衡常数较接近或重关键组分与更重组分的平衡常数,较近，则塔顶、底中同时含有轻、重组分，只是含量相应有所偏重。,3.,预分配计算,对清晰分割法，其计算与二元精馏完全相同。此时的组分只需考虑轻、重关键组分。,2.组分在塔顶、底中的预分配3.预分配计算,90,非清晰分割法：,假定：,组分在塔顶、底的分配情况不受回流比大小限制而与全回流状态相同。,非关键组分在塔顶、底产品中的分配情况与关键组分相同。,则按,Fenske,公式：对轻,l,，重,h,关键组分有：,（不计塔釜再沸器）,又：,Hengstebeck,公式,计算法,图解法,故：,非清晰分割法：则按Fenske公式：对轻l，重h关键组分,91,7-4.,最小回流比,1.,恒浓区：由于挟紧点原故产生。,对于二元系统：恒浓区出现在,进料板附近,区域,对于多元系统：出现上、下塔段二个恒浓区,特殊地,：若所有组分均进入塔顶产品中，则上恒浓区接近进料板,若所有组分均进入塔底产品中，则下恒浓区接近进料板,若所有组分同时进入塔顶、底中，则进料板附近为恒浓区,2.,最小回流比估算,Underwood,法,及,R,选择,式中：,ij,i,组分对,j,组分（常为重关键或重组分）的相对挥发度,方程根,hj,lj,7-4.最小回流比2.最小回流比估算 Under,92,讨论：若轻、重关键组分相邻，则,只有一个值,（因,hj,lj,）此时,R,min,唯一确定,若轻、重关键组分之间有,k,个中间组分，则方程有（,k+1,）个根,1,2,k+1,此时：,Underwood,公式运用条件：,气液相恒摩尔流动,ij,为常数,R,的选择：,R=,（,1.12.0,）,R,min,讨论：若轻、重关键组分相邻，则只有一个值此时：Un,93,7-5.,简捷法求,N,T,.,原则：多组分简化为轻、重关键双组分精馏,步骤：确定关键组分,根据,x,Fi,及分离要求进行物料衡算，初估各组分在塔顶、底产品中的组成。,计算各组分相对挥发度,ij,（,i,选重关键或重组分）,用,Fenske,方程求,N,min,用,Underwood,方程求,R,min,，选择,R,用,Gilliland,图求,N,T,确定加料板位置（用,Fenske,方程求,N,min,精,，用,Gilliland,图求,N,T,精,）,特殊地：对于泡点进料,q=1,7-5.简捷法求NT.,94,