07 第六节 蒸馏.ppt

第1页：第六章蒸馏

第六章蒸馏

第2页：第一节概述

第一节概述

一、蒸馏基本概念均相物系的分离——吸收、蒸馏、萃取等操作，共同特点是存在传质过程。1、蒸馏：是分离液体混合物的典型单元操作。将液体部分汽化，利用各组分挥发度的不同从而使混合物达到一定的分离

第3页：蒸馏操作的分类按操作方式分

、蒸馏操作的分类按操作方式分：简单蒸馏、平衡蒸馏、精馏、特殊蒸馏按原料中的组分分：双组分蒸馏及多组分蒸馏按操作压力分：常压蒸馏、加压蒸馏、减压（真空）蒸馏按操作流程分：连续蒸馏和间歇蒸馏

第4页：二、学习内容和目的本章主要学习常压下

二、学习内容和目的本章主要学习常压下

• 双组分溶液的连续精馏过程
• 1、掌握双组分溶液的汽液相平衡及相图；
• 2、掌握双组分连续精馏塔的物料计算；
• 3、掌握平衡级数的确定及回流比的选择；
• 4、了解蒸馏装置及蒸馏方法

第5页：

第6页：第二节传质导论

第二节传质导论

• 一、相组成的表示方法
• 1、混合物的质量分率和摩尔分率：
• (1) 质量分率：m——混合混合物的总质量，mA、mB、mC——A、B、C组分的质量对于双组分混合物，组分A的质量分率可表示为a，组分B的质量分率则表示为（1-a）

第7页：第二节传质导论（续）

(2)摩尔分率：对于双组分混合物液相部分，表示为x对于双组分混合物汽相部分，则A的摩尔分率表示为y，B的摩尔分率表示为（1-y）。

第8页：混合物的质量比与摩尔比

、混合物的质量比与摩尔比（1）质量比（2）摩尔比

第9页：混合物的质量浓度与摩尔浓度

、混合物的质量浓度与摩尔浓度（1）质量浓度：（2）摩尔浓度：C——混合物的总摩尔浓度

第10页：二、双组分溶液的汽液相平衡

二、双组分溶液的汽液相平衡

1、理想溶液的汽液相平衡（1）溶液的饱和蒸汽压某一纯液体A，在一定温度、一定压力下，液相中分子逸出液面，形成蒸汽，同时，蒸汽中分子也返回液面，经过一段时间，当逸出的分子与返回的分子相当时，称这时A的状态为汽液平衡状态（即饱和状态）。此时，液面上A的蒸汽压力称为该温度下A的饱和蒸汽压，简称蒸汽压，表示为PA0

第11页：二、双组分溶液的汽液相平衡（续）

（2）拉乌尔定律对于由A和B组成的混合溶液，在一定温度、一定压力下，存在下式：各组分在全部范围内都符合拉乌尔定律的溶液，称为理想溶液，对于非理想溶液的汽液平衡关系，由实验测定。

第12页：双组分溶液的温度-组成图

、双组分溶液的温度-组成图（t-x-y图）反映一定压力下，汽液两相平衡时温度与两相组成的关系。（1）t-x-y图参量的确定当总压不太高，汽液平衡时，存在如下关系：

第13页：双组分溶液的温度-组成图（续）

（2）t-x-y图的绘制对于一定总压P，不同的温度t对应不同的饱和蒸汽压PA0、PB0，从而可求得不同的汽液相组成y、x，将其变化用曲线表示出来，即为t-x-y图。如图，纵坐标为温度t ，横坐标为组成x，y。

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第15页：双组分溶液的温度-组成图（续）

• （2）t-x-y图的分析设B组分难挥发，即沸点高；A组分易挥发，沸点低。
• ①左端点：x=0，y=0；即汽液相中A组分含量都为0，只有B组分，而且此时的t为B的沸点。
• ②右端点：对应的t为组分A的沸点。
• ③t-x线和t-y线将整个图形分为三个区，t-y线以上为汽相区，t-x线以下为液项区，中间为汽液共存区。
• ④t-x线又称作泡点线，t-y线又称作露点线。
• ⑤二元理想溶液的沸点不是一个定值，而有一定范围，其沸点随溶液中A组分减少而增加。
• ⑥同样的组成下，开始沸腾温度（泡点）与蒸汽冷凝温度（露点）并不相等。
• ⑦溶液处于t-y线以上全部为汽相，t-x线以下全部为液相，无法分离，只有汽液共存区，可达到一定的分离。

第16页：汽液相平衡图

、汽液相平衡图（x-y图）如图，以汽相组成y为纵坐标，以液相组成x为横坐标x01y1

第17页：x-y图的分析当总压P变化时

x-y图的分析当总压P变化时

因t随P变化大，t-x-y图形状变化较大。但x，y随总压P变化不大，所以x-y图使用较为方便；平衡时，一般汽相中A组分（易挥发组分）分率总是大于液相中A组分分率，所以x-y图向上突出，且平衡线越突出，表示汽相中A组分越多，分离效果越好；对角线作为参考，表示汽液相中A组分含量相等，两个端点中，x=0（y=0）表示只有组分B，x=1（y=1）表示只有组分A

第18页：非理想溶液的汽液相平衡

、非理想溶液的汽液相平衡（1）对拉乌尔定律产生正偏差：溶液两组分A、B之间作用力比纯A、纯B间分子力还小，使溶液更易挥发，平衡时，汽相中的蒸汽压比理想溶液还高，如乙醇-水溶液。其特点为在一定组成时，具有最低恒沸点。（2）对拉乌尔定律产生负偏差：溶液两组分A、B之间作用力较纯溶剂状态大，难于挥发，平衡时，汽相中的蒸汽压比理想溶液还小，如硝酸-水溶液。其特点是在一定组成时，具有最高恒沸点。

第19页：非理想溶液的汽液相平衡（续）

（3）具有恒沸组成的溶液在t-x-y图上，t-x线将与t-y线相切于一点，此点的温度称为恒沸点。常压下蒸馏时，当溶液达到恒沸组成时，就不能再进行分离了，要想继续得到更纯的组分，需加压或减压。

第20页：挥发度和相对挥发度

、挥发度和相对挥发度（1）溶液中组分的挥发度纯液体的挥发度则为该液体在一定温度下的饱和蒸气压。

第21页：挥发度和相对挥发度（续）

（2）相对挥发度—平衡时，A组分与B组分挥发度之比对于双组分溶液α的意义：可用于判断混合溶液能否用蒸馏方法加以分离以及分离的难易程度。α值越大，越易分离。

第22页：第三节蒸馏的方法及原理

第三节蒸馏的方法及原理

一、简单蒸馏将料液加热使之汽化，产生的蒸汽进入冷凝器，冷凝成馏出液；随着过程的进行，釜中液相中A含量不断下降，使得与之相平衡的气相组成（馏出液组成）亦随时降低，而釜内液体的沸点逐渐升高；当馏出液的平均组成或釜残液组成降至某规定值后，即可停止蒸馏操作；在同一批操作中，馏出液分批收集，可得到不同组成的馏出液

第23页：蒸汽原料液冷却水冷凝器蒸馏釜馏出产品

蒸汽原料液冷却水冷凝器蒸馏釜馏出产品

第24页：二、平衡蒸馏将一定组分的液体加热至泡

二、平衡蒸馏将一定组分的液体加热至泡

点以上，使其部分气化，或者将一定组分的蒸汽冷却至露点以下，使其部分冷凝，两相达到平衡，然后将两相分离。此过程的结果是易挥发组分在气相中富集，难挥发组分在液相中富集

第25页：原料底部产品塔顶产品冷凝器加热器节流阀

原料底部产品塔顶产品冷凝器加热器节流阀

第26页：三、精馏原理精馏是将由挥发度不同的组

三、精馏原理精馏是将由挥发度不同的组

分所组成的混合液，在精馏塔中同时多次地进行部分汽化和多次部分冷凝，使其分离成较纯态组分的过程。1、多次部分汽化、部分冷凝平衡时，液相和汽相组成：液相部分经汽化后，再次达到平衡，组成为：汽相部分经冷凝后，再次达到平衡，组成为：由图中可知，经过多次部分汽化和多次部分冷凝，汽相中A组分含量变得很高，液相中B组分含量也很高

第27页：

第28页：多次部分汽化和多次部分冷凝在t-x-y图

多次部分汽化和多次部分冷凝在t-x-y图

上的变化t01x（y）xFtFy2/y1/y0y1y2x2/x1/x0x1x2

第29页：精馏操作原则上讲经过多次简单蒸馏

、精馏操作原则上讲经过多次简单蒸馏，在多次部分汽化和多次部分冷凝，可以得到纯度较高的产品。但是，需要多个加热器和多个冷凝器，要消耗大量蒸气和冷却水；最终产品的产量小；操作是间歇的。利用蒸气冷凝时放出的冷凝潜热，来加热汽化的液体，就可以省去许多加热器和冷凝器，进而节省了大量的蒸气与冷却水。

第30页：精馏就是让由蒸汽冷凝得到的液体自上而下流

精馏就是让由蒸汽冷凝得到的液体自上而下流

动，让液体汽化得到的蒸汽自下而上流动，使汽液两相充分接触，由于液相中A组分（x1’x2）含量多，汽相中A组分（y1’,y2’）含量少，经过接触，A组分由液相向汽相传递，B组分由汽相向液相传递，最终达成平衡，称为一个平衡级。之后，汽相继续上升，又与上面的液体接触，重新达成平衡，液相继续下降，与下面的汽相达成新的平衡。这样，最上面的汽相中A组分含量最大，可以分离得到纯度非常高的A组分

第31页：精馏操作在精馏塔内进行

精馏操作在精馏塔内进行

结构如下：包括精馏塔、塔底再沸器、塔顶冷凝器、原料预热器、回流液泵等。精馏塔中，当某块塔板上的浓度与原料液的浓度相近或相等时,料液由此加入，该板称为加料板。加料板以上的部分称为精馏段，加料板以下的部分（包括加料板）称为提馏段

第32页：精馏塔冷凝器馏出液再沸器加料板精馏段提馏

精馏塔冷凝器馏出液再沸器加料板精馏段提馏

段精馏塔示意图

第33页：第四节双组分连续精馏塔的计算计算内容

第四节双组分连续精馏塔的计算计算内容

• 已知：原料的进料组成xF，进料量F（Kmol/h），馏出液的组成xD，釜液（塔底液）组成xw求：
• ①馏出液量D及釜液量W；
• ②完成分离操作所需要的塔板数量；
• ③加料板的位置；
• ④塔高与塔径的确定等

第34页：一、全塔物料衡设

一、全塔物料衡设

进料量为F（Kmol/h），组成xF ；馏出液量D（Kmol/h），组成xD；釜液量W（Kmol/h），组成xwF,xFDy,xDW,xW

第35页：一、全塔物料衡设（续）

产品的回收率：

第36页：二、理论板概念与恒摩尔流的假定

二、理论板概念与恒摩尔流的假定

1、理论板的概念：是指离开该塔板的蒸汽和液体呈平衡状态的塔板。理论板实际不存在，计算后，可经过校正，得到实际板。2、恒摩尔流假设：假设在精馏塔内，从每层塔板上升的蒸汽的摩尔流量和从每层塔板下降的液体的摩尔流量相等。无法显示该图片

第37页：三、精馏塔的有关操作计算

三、精馏塔的有关操作计算

1、精馏段的操作线方程D,XDL,XDV,y1F,xFx1x2xnyn+1yny212nn+1如图，设第一块板上的蒸汽全部冷凝，有：对图中精馏段范围作物料衡算

第38页：三、精馏塔的有关操作计算（续）

对第一块板进行衡算：

第39页：提馏段的操作线方程

、提馏段的操作线方程W xWF,xFxNxmyNym+1mNm+1对第m+1块板进行衡算：

第40页：进料状态对精馏的影响进料共有五种可能的热

• 、进料状态对精馏的影响进料共有五种可能的热状况：
• ①过冷液体（温度低于泡点）
• ②饱和液体
• ③饱和的汽液混合物
• ④饱和蒸汽
• ⑤过热蒸汽以第三种情况为例，令进料中液相摩尔分率为q，则汽相摩尔分率为（1-q），对加料板作物料衡算：

第41页：q的大小由热量衡算决定

q的大小由热量衡算决定

HF——原料液的焓，kJ/kmol；HV——饱和蒸汽的焓，kJ/kmol；HL——饱和液体的焓，kJ/kmol；VLV΄L΄F

第42页：q的大小由热量衡算决定（续）

对于过冷液体：对于饱和液体：对于饱和的汽液混合物：对于饱和蒸汽：对于过热蒸汽：将q值代入提馏段操作线方程中，得：这样，将全塔物料计算相互联系起来

第43页：q线方程即进料方程

、q线方程即进料方程，是精馏段操作线方程与提馏段操作线方程交点的轨迹方程将精馏段操作线方程与提馏段操作线方程联立，

第44页：例6-1 某精馏操作在露点进料

例6-1 某精馏操作在露点进料

进料组成xF=0.45，馏出液组成xD=0.90，釜液组成xW=0.10，若区回流比R=1.7，求提馏段操作线的斜率。解：露点进料，q=0，则q线方程为精馏段操作线为ad，其斜率yxwxFxDX

第45页：提馏段操作线过点

提馏段操作线过点

(xw , xw)和(xd ,yd)，其斜率为

第46页：四、理论板数的确定

四、理论板数的确定

1、逐板计算法

第47页：图解法将相平衡关系与操作线方程绘于x-

• 、图解法将相平衡关系与操作线方程绘于x-y图上，在图上作出平衡过程。步骤如下：
• ①在坐标上绘出双组分混合液的y-x平衡曲线，并作出对角线，对角线为y = x。
• ②在坐标上作精馏段操作线，此操作线过点（xD，xD）和点（0，xD/（R+1）），连接此两点，即得到精馏段操作线。
• ③再作出q线，由进料热状况求出q值，q线过点（xF，xF），斜率为q/（q-1）。

第48页：图解法将相平衡关系与操作线方程绘于（续）

• ④也可过点（xF，0）和点（xF，xF）作出q线。
• ⑤在坐标轴上作提馏段操作线，提馏段操作线过q线与精馏段操作线的交点，且通过点（xW，xW）。
• ⑥从点（xD，xD）开始在精馏段操作线与平衡线之间作直角阶梯，跨过两操作线的交点后，再在提馏段操作线与平衡线之间作直角阶梯，直至作后一个阶梯的垂线达到xW或略小于xW为止。
• ⑦阶梯的数目即为理论板数（包括再沸器），同时，加料板的位置也可以确定出来，该板为跨过两操作线的交点的阶梯。

第49页：五、回流比的选择及影响由精馏段及提馏

五、回流比的选择及影响由精馏段及提馏

段操作线方程可知，当R↑则xD/（R+1）↓，精馏段操作线靠近平衡线，所需理论板数N减少，可减少塔的投资费用；同时，使得全凝器流出液变少，增加操作费用。生产中，需要选择合适的回流比。1、最大回流情况——全回流

第50页：此时精馏段操作线与平衡线重合

此时精馏段操作线与平衡线重合

需理论板数最少，表示为Nmin。此情况无产品，一般在开工、调试或产品低于要求的纯度时采取。2、最小回流比的情况当两操作线的交点位于平衡线上时，则所作阶梯无穷多。相应的回流比称为最小回流比。以Rmin表示。对于一定的分离要求，Rmin是回流比的最小值

第51页：此时精馏段操作线与平衡线重合（续）

最小回流比的确定

：xDxqyqda如图：精馏段操作线与平衡线交于d点

则其斜率为

：3、适宜回流比θ

第52页：六、实际塔板数与塔板效率在实际操作种

六、实际塔板数与塔板效率在实际操作种

去，每块板上不可能实现完全的汽液平衡，通常实际板数量要比理论板多。一般用塔板效率来表示实际板上接近汽液平衡的程度。全塔效率（总板效率）理论塔板数NT与实际塔板数NR之比称为塔板效率，用ET表示

第53页：六、塔的高度和塔直径的确定

六、塔的高度和塔直径的确定

1、板式塔塔高的确定2、填料塔塔高的确定

第54页：塔直径的确定

、塔直径的确定

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