第06章 液体精馏过程.ppt

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,Process System Principle,*,过 程 系 统 原 理,第六章 液体精馏,主讲人：程 明,南京工业大学本科系列课程,教学内容,精馏过程原理,蒸馏过程概述,精馏过程计算,5/22/2026,2,Process System Principle,蒸馏过程概述,蒸馏过程基本概念,蒸馏及精馏是液体混合物的分离的一种单元操作。,（,1,）蒸馏原理：,式中：,y,A,、,y,B,气相中,A,、,B,两组分的摩尔分数；,x,A,、,x,B,液相中,A,、,B,两组分的摩尔分数。,液体具有挥发而成为蒸汽的能力，称液体的挥发度（挥发能力）。,蒸馏及精馏是根据各种液体挥发能力不同而进行液体混合物的分离的一种单元操作。,液体混合物部分气化所生成的气相组成与液相组成是有差别，即：,5/22/2026,3,Process System Principle,图,6-1,平衡蒸馏,1-,加热炉；,2-,节流阀；,3-,分离器；,4-,冷凝器,蒸馏过程概述,蒸馏过程基本概念,（,2,）工业蒸馏过程：,5/22/2026,4,Process System Principle,蒸馏过程概述,蒸馏过程基本概念,图,6-2,简单蒸馏,1-,蒸馏釜；,2-,冷凝器；,3,，,4,，,5-,产品受液槽,5/22/2026,5,Process System Principle,蒸馏过程概述,混合液的气液相平衡,一般而言，蒸馏过程是在恒压下进行。,在气液相物系中存在以下两个关系：,液相（或气相）组成与温度间的一一对应关系；,气、液相组成之间的一一对应关系；,理想物系：,液相为理想溶液，服从拉乌尔（,Raoult,）定律；,气相为理想气体，服从道尔顿分压定律。,5/22/2026,6,Process System Principle,蒸馏过程概述,混合液的气液相平衡,式中：,P,A,、,P,B,-,液相上方,A,、,B,两组分的蒸汽压；,x,A,、,x,B,-,液相中,A,、,B,两组分的摩尔分数；,-,在溶液温度,t,下纯组分,A,、,B,的,饱和蒸汽压；,根据拉乌尔（,Raoult,）,定律：,（,1,）双组分的液相组成,-,温度,(,泡点,),关系式：,液相上方的平衡蒸汽压为：,5/22/2026,7,Process System Principle,蒸馏过程概述,混合液的气液相平衡,道尔顿分压定理：,（,2,）双组分的气液两相组成间的关系：,混合液的沸腾条件是各组分的蒸汽压之和等于外压，即：,P,0,与温度的关系符合安托因（,Antoine),方程：,A,、,B,、,C,的值可查阅相关手册。,5/22/2026,8,Process System Principle,蒸馏过程概述,混合液的气液相平衡,拉乌尔定律：,则：,式中：,也可以写成则：,（,3,）双组分的气相组成,-,温度,(,露点,),关系式：,5/22/2026,9,Process System Principle,蒸馏过程概述,混合液的气液相平衡,（,4,）,t,x(y,),和,y-x,关系图：,图,6-3,双组分溶液的温度组成图,图,6-4,相平衡曲线,5/22/2026,10,Process System Principle,蒸馏过程概述,混合液的气液相平衡,（,5,）,y-x,的近似表达式与相对挥发度,：,设溶液中组分,A,、,B,的挥发度定义为：,则两个组分之间的相对挥发度定义为：,所以，相平衡方程写为：,对于理想溶液：,5/22/2026,11,Process System Principle,图,6-5,平衡蒸馏的物料衡算与热量衡算,蒸馏过程概述,平衡蒸馏,（,1,）过程的数学描述：,5/22/2026,12,Process System Principle,蒸馏过程概述,平衡蒸馏,物料衡算：,对于连续定态过程做物料衡算可得：,总物料衡算：,易挥发组分的物料衡算：,两式联立可得：,式中：,F,、,x,F,-,加料流率，,kmol/s,及料液组成摩尔分数；,D,、,y-,气相产物流率，,kmol/s,及组成摩尔分数；,W,、,x-,液相产物流率，,kmol/s,及组成摩尔分数。,5/22/2026,13,Process System Principle,蒸馏过程概述,平衡蒸馏,设液相产物占总加料量,F,的分率为,q,，,气化率为,D/F,(1-q),，,代人上,式整理可得：该方程称为,q,线方程。,热量衡算：,加热炉的热流量,Q,为：,节流减压，释放显热,-,自身部分汽化，所以：,所以料液加热温度为：,5/22/2026,14,Process System Principle,蒸馏过程概述,平衡蒸馏,式中,t,F,、,T-,分别为料液温度与加热后的液体温度，,K,；,t,e,-,闪蒸后气、液两相的平衡温度，,K,；,Cm,p,-,混合液的平均摩尔热容，,kJ/(,kmol,K,),；,r-,平均摩尔气化热，,kJ/,kmol,。,例题：将含苯摩尔分数为,0.7,、甲苯摩尔分数为,0.3,的溶液加热气化，气化率为,1/3,。已知物系的相对挥发度为,2.47,，试计算平衡蒸馏时的气相与液相组成。,解：,5/22/2026,15,Process System Principle,蒸馏过程概述,平衡蒸馏,物料衡算式：,相平衡方程：,两式联立求得：,5/22/2026,16,Process System Principle,精,馏过程原理,精馏原理,图,6-6,连续精馏过程,（,1,）精馏塔的组成,一个完整的精馏塔的分为精馏段和提馏段。,精馏段完成上升蒸汽的精制，提馏段完成下降液体的增浓。,主要特点：,塔顶液相回流；,塔底气相回流；,5/22/2026,17,Process System Principle,精,馏过程原理,精馏原理,（,2,）全塔的物料衡算,假设系统为定态过程。,总的物料衡算,由上述两式可得：,图,6-7,全塔物料衡算,轻组分的物料衡算：,5/22/2026,18,Process System Principle,精,馏过程原理,精馏原理,当塔顶、塔底产品组成,x,D,、,x,W,即产品质量巳规定，产品的采出率,D/F,和,W/F,亦随之确定而不能再自由选择；,当规定塔顶产品的产率和质量,x,D,，,则塔底产品的质量,x,W,及产率亦随之确定而不能自由选择（也可以规定塔底产品的产率和质量）。,在规定分离要求时，应使,Dx,D,Fx,F,或,D/,Fx,F,/x,D,。,如果塔顶产出率,D/F,取得过大，即使精馏塔有足够的分离能力，塔顶仍不可能获得高纯度的产品，因其组成必须满足：,讨论：,5/22/2026,19,Process System Principle,精,馏过程原理,精馏原理,（,3,）回流比：,R,，,轻组分纯度,，,利于精馏；,R,，,能耗,，,蒸汽加热量,，,冷凝量,。,5/22/2026,20,Process System Principle,精,馏过程原理,精馏过程的数学描述,（,1,）逆流多级传质操作：,图,6-8,板式精馏塔,精馏塔由若干块塔板组成，每块塔板为一个气液接触单元。,精馏过程的数学描述方法：,物料衡算；,热量衡算；,过程特方程征。,5/22/2026,21,Process System Principle,精,馏过程原理,精馏过程的数学描述,（,2,）塔板上过程的数学描述：,图,6-9,塔板的热量衡算和物料衡算,5/22/2026,22,Process System Principle,精,馏过程原理,精馏过程的数学描述,物料衡算：,热量衡算：,饱和蒸汽的焓,I,为泡点液体的焓,i,与气化潜热,r,之和，所以：,对第,n,块塔板作热量衡算,（不计热量损失）：,对第,n,块塔板作物料衡算可得：,总物料衡算式：,轻组分衡算式：,5/22/2026,23,Process System Principle,精,馏过程原理,精馏过程的数学描述,忽略组成与温度所引起的饱和液体焓,i,及气化潜热,r,的差别，则假设：,将物料衡算式代入上式，得：,则：,结论：在精馏塔内没有加科和出料的任一块塔板中，各板上升的蒸汽量均相等，各板下降的液体量也均相等。,5/22/2026,24,Process System Principle,精,馏过程原理,精馏过程的数学描述,适用：被分离组分沸点相差较小，气化潜热相近。,（,3,）理论板和板效率,不同液体的摩尔气化潜热相近，,V,和,L,取摩尔流量，上述简化称为恒摩尔流假定；,不同液体的质量气化潜热相近，,V,和,L,取质量流量，上述简化称为恒质量流假定。,理论板：,气、液两相充分混合而且传质与传热过程的阻力皆为零的理想化塔板。即两相温度相同，组成互成平衡。,5/22/2026,25,Process System Principle,精,馏过程原理,精馏过程的数学描述,则特征方程为：,板效率：,实际塔板不同于一个理论板。,泡点方程,相平衡方程,板效率的定义如下：,式中：,与离开第,n,板液相,x,n,成平衡的气相组成；,气相的默弗里板效率。,5/22/2026,26,Process System Principle,精,馏过程原理,精馏过程的数学描述,引入理论板和恒摩尔流假定后：,相平衡方程：,适用范围：,适用于精馏段、提馏段每一块塔板；,不适用于有物料加入或引出的塔板。,物料衡算式：,（,4,）加料板的过程分析,图,6-10,加料板的物料和热量衡算,进料状态：,液相进料，气相进料、,气液相混合进料。,5/22/2026,27,Process System Principle,精,馏过程原理,精馏过程的数学描述,理论进料板,：两相温度相同，组成互成平衡。,精馏段与提馏段两相流量的关系,：,联立求解，得：,物料衡算和热量衡算：,物料衡算式,相平衡方程,设第,m,块板为加料板：,5/22/2026,28,Process System Principle,精,馏过程原理,精馏过程的数学描述,若定义：,则可得：,q-,加料热状态参数，其数值大小等于每加入,1kmol,的,原料使提馏段液体所增加的摩尔数。,q,0,：为饱和蒸汽加料；,0q1,：为冷料加料。此时进料液体的温度低于泡点，入塔后由提馏段上升蒸汽部分冷凝所放出的冷凝热将其加热至泡点，因此,q,值大于,1,；,q0,：为过热蒸汽加料。入塔后将放出显热成为饱和蒸汽，使加料板上的液体部分气化，因此,q,值小于,0,；,（,5,）精馏塔内的摩尔流率：,设精馏塔顶的冷凝器为全凝器，凝液在泡点温度下部分地回流入塔,(,泡点回流,),。,精馏段：,提馏段：,5/22/2026,30,Process System Principle,精,馏过程原理,精馏过程的数学描述,塔顶冷凝器的热负荷：,塔釜的热负荷：,式中：,r,c,-,组成为,x,D,的混合液的平均气化热；,r,b,-,组成为,x,W,的混合液的平均气化热。,5/22/2026,31,Process System Principle,精,馏过程原理,精馏过程的两种解法,（,1,）方程联立求解：,设某精馏塔共有,N,块理论板，其中第,m,块板为加料板，最未一块是蒸,馏釜，可视为一块理论板。,对,N,块理论板可写出,N,个物料衡算式。设回流液体组成为,x,0,，则,N,个物料衡算式可依次列出如下：,第,1,块板,第,2,块板,加料板（第,m,板,),5/22/2026,32,Process System Principle,精,馏过程原理,精馏过程的两种解法,图,6-11,塔釜的物料衡算,最后一块板（第,N,板）：,且：,已知条件：,全凝器：,上述方程联立，可求得,共,2N,个未知数。,解法实用范围：,N,板数已知。,提馏段任一块板（第,n,板）：,5/22/2026,33,Process System Principle,精,馏过程原理,精馏过程的两种解法,（,2,）逐板计算法：,该法适用与板数,N,未知的情况。,冷凝器：,由：,求出：,x,1,第一块板：,精馏段任意一块塔板（加料板以上）：,提馏段任意一块塔板（加料板以下）：,交替使用上述方程，计算到 为止，停止计算。,X,N,的下标,N,便是所需要的理论板数量。,5/22/2026,34,Process System Principle,精,馏过程原理,精馏塔的操作方程,（,1,）精馏段操作方程：,图,6-12,精馏段的物料衡算,变换：,又：,所以：,5/22/2026,35,Process System Principle,精,馏过程原理,精馏塔的操作方程,（,2,）提馏段操作方程：,变换：,又：,所以：,图,6-13,提馏段的物料衡算,5/22/2026,36,Process System Principle,精,馏过程原理,精馏塔的操作方程,因为：,所以：,（,3,）操作方程的图示：,图,6-14,精馏段和提馏段操作线,精馏段端点坐标（,a,点）：,5/22/2026,37,Process System Principle,精,馏过程原理,精馏塔的操作方程,提馏段端点坐标（,c,点）：,斜率：或,截距：,斜率：,两操作线方程的交点坐标：,5/22/2026,38,Process System Principle,精,馏计算,设计型计算,1.,理论板数的计算,（,1,）设计命题,选择条件：操作压强,P,，,回流比,R,，,进料状态,q,。,（,2,）逐板计算法,根据规定的分离要求，选择精馏的操作条件，计算所需的理论板数。,关于分离要求：,轻组分的回收率,：,计算公式：操作线方程，相平衡方程。,图,6-15,为一连续精馏塔，塔顶设全凝器，泡点回流。,5/22/2026,39,Process System Principle,精,馏计算,设计型计算,图,6-15,逐板计算的图示,5/22/2026,40,Process System Principle,精,馏计算,设计型计算,从塔顶开始计算：,step1,：,第一块板，；,注意：在精馏段使用精馏段操作线方程；,在提馏段使用提馏段操作线方程；,交替点在两个操作线方程的交点处。,step3,：根据操作线方程,，求出,y,2,。,step4,：,交替使用相平衡方程和操作线方程，直到达到规定的,x,W,为止，从而得到所需的理论板数。,step2,：,根据相平衡 ，求出,x,1,。,5/22/2026,41,Process System Principle,精,馏计算,设计型计算,（,3,）最优加料位置的确定：,图,6-16,加料位置选择不当,（,a,）第,8,块板进料（,12,块理论板）；（,b,）第,4,块板进料,（,12,块理论板）,；图,6,15,第五块板进料（,10,块理论板）。,5/22/2026,42,Process System Principle,精,馏计算,设计型计算,最优加料位置的确定，应该选择该板的液相组成,x,等于或略低于,x,q,。,（,4,）操作线的实际做法,图,6-17,操作线的实际作法,由：,得：,上式称为,q,线方程。,5/22/2026,43,Process System Principle,精,馏计算,设计型计算,例：逐板计算法求理论板数,在常压下将含苯摩尔分数为,0.25,的苯甲苯混合液连续精馏，要求馏出液中含苯摩尔分数为,0.98,，釜液中含苯摩尔分数为,0.085,。操作时所用回流比为,5,，泡点加料，泡点回流，塔顶为全凝器，求所需理论板数。,常压下苯甲苯混合物可视为理想物系，相对挥发度为,2.47,。,解：,或,相平衡方程：,5/22/2026,44,Process System Principle,精,馏计算,设计型计算,精馏段操作线,提馏段操作线,（因,q,1,）,式中,5/22/2026,45,Process System Principle,精,馏计算,设计型计算,代入可得,泡点进料,第一块塔板上升的蒸汽组成,从第一块板下降的液体组成由式（,a,）求取,从第二块板上升的气相组成由式（,b,）求取,5/22/2026,46,Process System Principle,精,馏计算,设计型计算,第二块板下降的液体组成,第三块板上升的气相组成,第三块板下降的液体组成,如此反复计算得,5/22/2026,47,Process System Principle,精,馏计算,设计型计算,因为,x,8,x,q,，第,9,块板上升的气相组成由提馏段操作线方程（,c,）计算,第,9,块板下降的液体组成,所需总理论板数为,10,块，第,8,块加料，精馏段需,7,块板。,5/22/2026,48,Process System Principle,精,馏计算,设计型计算,2,、回流比的选择：,精馏段 增大；,回流比,R,增大：,提馏段 增大；,对精馏过程有利。,y-x,线移向对角线，则理论板数减少。,但回流比,R,增大：,全凝器负荷增大；,再沸器负荷增大；,无回流；,全回流；,实际：,（,1,）全回流和最少理论板数：,全回流：不加料也不出料，此时的理论板数为最少：,5/22/2026,49,Process System Principle,精,馏计算,设计型计算,图,6-18,全回流时的理论板数,5/22/2026,50,Process System Principle,精,馏计算,设计型计算,芬斯克,(,Fenske,),方程：,对双组分溶液，则：,全回流是操作回流比的极限，只是在设备开工、调试及实验研究时采用。,（,2,）最小回流比,R,min,：,R,，,操作线移向平衡线，,理论板数,N,，,两线相交，,R,min,。,5/22/2026,51,Process System Principle,精,馏计算,设计型计算,图,6-19,最小回流比,5/22/2026,52,Process System Principle,精,馏计算,设计型计算,（,3,）最适宜回流比的选择,：,图,6-20,回流比与理论板数的关系,图,6-21,最适宜回流比的选择,5/22/2026,53,Process System Principle,精,馏计算,设计型计算,（,4,）理论板数的捷算法,：,当需对指定的分离任务所需要的理论板数作出大致的估计，或简略地找出塔板数与回流比之关系，以供经济分析的需要，可用如下的经验方法求取理论板数：,step1,：,求出最小回流比,R,min,；,step2,：,求出全回流条件下的最少理论板数,N,min,；,step3,：,利用经验关联求出指定回流比下的理论板数。常用的经验 关联是吉利兰,(Gilliland),图，关联,R,min,、,N,min,、,N,、,R,几个数据。,范围内可用下式代替：,5/22/2026,54,Process System Principle,精,馏计算,设计型计算,图,6-22,吉利兰,(Gilliland),关联图,5/22/2026,55,Process System Principle,精,馏计算,设计型计算,例：捷算法计算前例的理论板数,N,。,已知：,x,F,=0.25,，,x,D,=0.98,，,x,W,=0.085,，,R=5,，,q=1,，,=2.47,解：,苯甲苯为理想溶液，在最小回流比时，精馏段操作线的斜率为：,最小回流比：,5/22/2026,56,Process System Principle,精,馏计算,设计型计算,与前例所得结果,10,块相近。,全回流下的最少理论板数：,当采用回流比,R,5,时，,查吉利兰图可得：,解出：,5/22/2026,57,Process System Principle,精,馏计算,操作型计算,1.,计算命题,在设备（精馏段板数及全塔理论板数）已定条件下，由指定的操作条件预计精馏操作的结果。,已知条件：总理论板数,N,；,加料板位置,m,；,y=f,（,x,）,平衡线或相对挥发度,；,x,F,（,原料）；热状态,q,；,回流比,R,；,采出率,D/F,。,操作型计算的特点：,待求量：产品,x,D,、,x,W,，,逐板的组成分布。,（,1,）由于众多变量之间的非线性关系使操作型计算一般均须通过试差（迭代），即先假设一个塔顶（或塔底）组成，再用物料衡算及逐板计算予以校核的方法采解决。,5/22/2026,58,Process System Principle,精,馏计算,操作型计算,（,2,）加料板位置（或其它操作条件）一般不满足最优化条件。,2,、回流比增加对精馏结果的影响（分析）,图,6-23,增加回流比对精馏结果的影响,5/22/2026,59,Process System Principle,精,馏计算,操作型计算,计算方法：,step3,：,x,m,加料板后，提馏段交替使用：,step1,：,假设：,x,W,=value,；,step2,：,自,x,D,起，在精馏段交替使用：,则：,5/22/2026,60,Process System Principle,精,馏计算,操作型计算,step4,：,算出,x,n,，与,x,w,相比较：,结果相近，计算有效；结果相差，重新试差。,例：改变回流比求全塔组成分布。,某精馏塔具有,10,块理论板，加料位置在第,8,块塔板，分离原料组成为摩尔分数,0.25,的苯甲苯混合液，物系相对挥发度为,2.47,。已知在,R,5,，泡点进料时,x,D,=0.98,，,x,W,=0.085,。今改用回流比,8,，塔顶采出率,D/F,及物料热状态均不变，求塔顶、塔底产品组成有何变化？并同时求出塔内各板的两相组成。,5/22/2026,61,Process System Principle,精,馏计算,操作型计算,解：原工况（,R,5,）时,新工况（,R,8,）时，假定初值,x,W,=0.0821,，由物料衡算式得：,精馏段操作线方程为：,5/22/2026,62,Process System Principle,精,馏计算,操作型计算,提馏段操作线方程为：,相平衡方程为：,由,x,D,0.9928,开始，用精馏段操作线方程求出,y1,0.9928,将,y1,代入相平衡方程，求出,x1,0.9825,；,将,x1,代入精馏段操作线方程，求出,y2,0.9836,；,将,y2,代入相平衡方程，求出,x2,0.9605,；,如此反复计算，用精馏段操作线方程共,8,次，求出,y1,y8,，用相平衡方程,8,次，求出,x1,x8,。,5/22/2026,63,Process System Principle,精,馏计算,操作型计算,x,w,设,=0.0821 x,10,=0.0825,，,计算有效。,结论：,R,增大，,x,D,增大，,x,w,降低。,5/22/2026,64,Process System Principle,精,馏计算,操作型计算,3,、进料组成变动的影响,结论：,图,6-24,进料组成下降对精馏结果的影响,（,1,）,R=Const.,时：,x,F,降低，则,x,D,降低，,x,w,降低。,（,2,）若想,x,D,=Const.,：,x,F,降低，则,R,必须增加或,D/F,降低。,5/22/2026,65,Process System Principle,精,馏计算,操作型计算,4,、精馏塔的温度分布和灵敏板,（,1,）塔内的温度分布,图,6,25,精馏塔的温度分布,溶液的泡点与总压和组成有关，各塔板上的组成不同，则自塔顶到塔底形成的温度分布如右图所示。,5/22/2026,66,Process System Principle,精,馏计算,操作型计算,（,2,）灵敏板,精馏塔受外界干扰（,R,、,x,F,变化），各塔板的,y,n,和,x,n,变动，,t,e,变动。,图,6-26,高纯度分离时全塔的温度分布,在高纯度分离时，在塔顶（塔底）相当高的一个塔段中温度变化极小，如右图所示。,某些塔板，温度变化显著，称该塔板为灵敏板。一般灵敏板比较靠近进料口。,5/22/2026,67,Process System Principle,