第9章-蒸馏.ppt

1目录 第九章第九章 蒸馏蒸馏 第一节双组分溶液的气、液相平衡第一节双组分溶液的气、液相平衡一、相律和拉乌尔定律一、相律和拉乌尔定律 二、理想溶液的汽、液相平衡二、理想溶液的汽、液相平衡三、非理想溶液的汽、液相平衡三、非理想溶液的汽、液相平衡四、挥发度与相对挥发度四、挥发度与相对挥发度第二节第二节 简单蒸馏简单蒸馏第三节第三节 精馏原理和流程精馏原理和流程 一、精馏原理 二、精馏塔和精馏流程 2目录 第四节第四节 双组分双组分连续精馏的计算连续精馏的计算一、理论板概念及恒摩尔流假定二、物料衡算与操作线方程三、进料热状态的影响四、理论塔板数的求解五、塔板效率与实际塔板数六、回流比的影响及选择七、简捷法求理论塔板数八、精馏塔操作型问题讨论第五节 其它蒸馏方式一、水蒸汽蒸馏二、间歇蒸馏3目录第六节第六节 气、液传质设备气、液传质设备 一、板式塔一、板式塔 二、填料塔二、填料塔 三、塔设备的比较和选用三、塔设备的比较和选用4/143第九章第九章 蒸馏蒸馏第一节第一节概述概述一、什么是蒸馏？一、什么是蒸馏？二、蒸馏在工业生产中的应用二、蒸馏在工业生产中的应用v获得高纯度产品；获得高纯度产品；v获得粗馏分。获得粗馏分。例如：例如：在酿酒业中生产高纯度饮料酒；在酿酒业中生产高纯度饮料酒；在在石石油油炼炼制制工工业业中中，原原油油经经蒸蒸馏馏后制取汽油、煤油、柴油等产品；后制取汽油、煤油、柴油等产品；利利用用各各组组分分挥挥发发度度的的差差异异将将液液体体混混合合物物加以分离的单元操作称为加以分离的单元操作称为蒸馏蒸馏。5/143第一节第一节概述概述三、蒸馏的分类三、蒸馏的分类说明：画圈的就是本说明：画圈的就是本章要着重介绍的。章要着重介绍的。返回目录返回目录6/143第二节第二节 简单蒸馏简单蒸馏一、流程及特点一、流程及特点u间隙、不稳定间隙、不稳定 u分离程度不高分离程度不高 特点：特点：7/143第二节、简单蒸馏第二节、简单蒸馏二、简单蒸馏的计算二、简单蒸馏的计算(1)(1)宏观物料衡算：宏观物料衡算：杠杆杠杆-杠杆原则杠杆原则杠杆原则本质杠杆原则本质上就是物料衡上就是物料衡算关系。算关系。还需一个方程！还需一个方程！8/143一、简单蒸馏一、简单蒸馏 经经微微分分时时间间段段d 后后，蒸蒸出出的的釜釜液液量为量为dW。对对易易挥挥发发组组分分在在d 时时间间内内作作物物料料衡衡算，有：算，有：（2）微分物料衡算式：）微分物料衡算式：设某一时刻釜液量为设某一时刻釜液量为W，kmol，组，组成为成为x，与之平衡的汽相组成为，与之平衡的汽相组成为y。9/143第二节、简单蒸馏第二节、简单蒸馏作业：作业：10/143第三节第三节 精馏原理和流程精馏原理和流程离开时，离开时，汽液两相达到了平衡汽液两相达到了平衡，一、溶液一次部分汽化与冷凝一、溶液一次部分汽化与冷凝使使不平衡不平衡的汽液两相（汽相温度的汽液两相（汽相温度高、液相温度低）接触高、液相温度低）接触经过经过足够长时间足够长时间充分接触，充分接触，11/143第三节第三节 精馏原理和流程精馏原理和流程二、溶液多次部分气化与冷凝二、溶液多次部分气化与冷凝12/143第三节第三节 精馏原理和流程精馏原理和流程二、溶液多次部分气化与冷凝为保持连续精馏塔产品组成稳定不变必须部分回流为节约冷凝器改用各级直接蒸汽加热13/143二、精馏塔和精馏操作流程二、精馏塔和精馏操作流程11-1-精馏塔精馏塔;2-;2-再沸器再沸器;3-;3-冷凝器冷凝器;4-;4-予热器予热器14/143第四节第四节 双组分连续精馏的计算双组分连续精馏的计算一、理论板概念及恒摩尔流假定一、理论板概念及恒摩尔流假定上上升蒸汽与下降液体达到相平衡15/143一、理论板概念及恒摩尔流假一、理论板概念及恒摩尔流假定定16/143一、理论板概念及恒摩尔流假一、理论板概念及恒摩尔流假定定17/143二、物料衡算与操作线方程二、物料衡算与操作线方程（一）全塔物料衡算（一）全塔物料衡算D,xDW,xWF,xF可解出两个变量。可解出两个变量。18/143D,xDW,xWF,xF-若组分若组分A、B的摩的摩尔（或质量）汽化潜热尔（或质量）汽化潜热接近，则接近，则NA=NB。于是，。于是，精馏段（或提馏段）汽精馏段（或提馏段）汽（或液）流率沿塔不变。（或液）流率沿塔不变。这样精馏段（或提馏这样精馏段（或提馏段）就可列出一个通用段）就可列出一个通用的物料衡算式。的物料衡算式。（二）精馏段物料衡算（二）精馏段物料衡算计算前提：计算前提：恒摩尔（或质量）流假定恒摩尔（或质量）流假定二、物料衡算与操作线方程二、物料衡算与操作线方程19/143（二）精馏段操作线方程（二）精馏段操作线方程D,xDF,xFn1LxDVVy1泡点回流泡点回流y1全凝器冷凝全凝器冷凝xD20/143（二）精馏段操作线方程（二）精馏段操作线方程 操作线斜率大，意味着操作线斜率大，意味着经过一块理论板后，汽相经过一块理论板后，汽相的增浓程度变大，液相的的增浓程度变大，液相的减浓程度变大。故减浓程度变大。故操作线操作线斜率大对精馏段的分离是斜率大对精馏段的分离是有利的有利的。汽相汽相增浓增浓程度程度液相减浓液相减浓浓程度浓程度21/143二、物料衡算与操作线方程二、物料衡算与操作线方程（三）提馏段操作线方程三）提馏段操作线方程物料衡算得：物料衡算得：-提馏段的操作线方程提馏段的操作线方程 22/143（三）提馏段操作线方程（三）提馏段操作线方程再沸器再沸器yWxM23/143（三）提馏段操作线方程（三）提馏段操作线方程与精馏段类似，斜率与精馏段类似，斜率小，远离平衡线，塔小，远离平衡线，塔板的分离能力高，对板的分离能力高，对精馏有利。精馏有利。-提馏段的操作线方程提馏段的操作线方程 过点过点b（xW、xW）、斜率）、斜率1的直线的直线 24/143三、进料热状态的影响及加料线方程三、进料热状态的影响及加料线方程 25/143三、进料热状况的影响及加料线方程三、进料热状况的影响及加料线方程对加料板作总对加料板作总物料衡算物料衡算和和热量衡算热量衡算：26/143三、进料热状况的影响及加料线方程三、进料热状况的影响及加料线方程-进料热状况参数进料热状况参数 问题问题1：L、V 如何计算？如何计算？问题问题2：与精馏段与精馏段L、V有何关系？有何关系？27/143五种进料情况：五种进料情况：28/143三、进料热状况的影响及加料线方程三、进料热状况的影响及加料线方程加料线方程加料线方程-q线方程线方程前面推导已得：前面推导已得：-q线方程线方程过点过点f（xF、xF）的直线）的直线d5d4d3d2d1q0q=00q129/143三、进料热状况的影响及加料线方程三、进料热状况的影响及加料线方程u影响到再沸器的热负荷影响到再沸器的热负荷进料热状况的影响：进料热状况的影响：u影响到提馏段传质推动力影响到提馏段传质推动力q越小，提馏段操作线越靠近平衡线。q越小，V越小。30/143四、理论塔板数四、理论塔板数N的求解的求解理论板数的求取方法：理论板数的求取方法：31/143四、理论塔板数四、理论塔板数N的求解的求解 (一一)逐板法逐板法xDyN从第一块板开始，从第一块板开始，精馏段计算结束精馏段计算结束N1N1+1N1+2再沸器再沸器N-2N-132/143三、理论塔板数三、理论塔板数N的求解的求解（1）作作出出精精、提提操操作作线、线、q线；线；(二二)图解法图解法-麦卡勃麦卡勃-蒂列（蒂列（Mccabe-Thiele）法，简称）法，简称M-T法法（2）从从点点a开开始始在在平平衡衡线线和和精精馏馏段段操操作作线线之之间间画阶梯；画阶梯；当梯级跨过点当梯级跨过点d时，时，就改在就改在平衡线和提馏段平衡线和提馏段操作线操作线之间画阶梯，直之间画阶梯，直至梯级跨过点至梯级跨过点b为止。为止。33/143三、理论塔板数三、理论塔板数N的求解的求解注：注：u理论板数可以是非整数。理论板数可以是非整数。u要扣除再沸器。要扣除再沸器。（3）所所画画的的总总梯梯级级数数1(再再沸沸器器)理论塔板数；理论塔板数；跨跨过过点点d的的那那块块板板就就是是加加料料板板，其其上上的的梯梯级级数数为为精精馏馏段的理论塔板数。段的理论塔板数。理论板理论板11.8块块其中精馏段其中精馏段5.7块，块，提馏段板数提馏段板数=11.8-5.7=6.1块，块，加料板在第加料板在第6块。块。梯级数共计梯级数共计12.8个个34/143为什么一个梯级代表一块理论板？为什么一个梯级代表一块理论板？xDM-T法与逐板法本质上是相同的。法与逐板法本质上是相同的。35/143D,xDW,xWF,xF最佳位置进料最佳位置进料M-T法：当梯级跨过点法：当梯级跨过点d时，就改在时，就改在平衡线和提馏段操作线平衡线和提馏段操作线之间画阶梯之间画阶梯精馏段计算结束精馏段计算结束逐板法：逐板法：回忆：回忆：Why?36/143五、塔板效率与实际塔板数五、塔板效率与实际塔板数nxn-1yn+1ynxn 实际塔板上，由于汽液接触时间不可能无限长，因此，离实际塔板上，由于汽液接触时间不可能无限长，因此，离开的汽液两相浓度不可能达到相平衡。一般用板效率表示实开的汽液两相浓度不可能达到相平衡。一般用板效率表示实际板与理论板的接近程度。际板与理论板的接近程度。37/143五、塔板效率与实际塔板数五、塔板效率与实际塔板数nxn-1yn+1ynxn(一一)单板效率单板效率EmV、EmL 也称默弗里（也称默弗里（Murphree）板效。其定义为：）板效。其定义为：-汽相默弗里板效汽相默弗里板效 -液相默弗里板效液相默弗里板效 38/143五、塔板效率与实际塔板数五、塔板效率与实际塔板数(二二)全塔效率全塔效率E0 又称总板效率，其定义为：又称总板效率，其定义为：其值一定小于其值一定小于1，多数在，多数在0.50.7之间。之间。D,xDW,xWF,xF39/143五、塔板效率与实际塔板数五、塔板效率与实际塔板数D,xDW,xWF,xFvE0与与Em数值上相等吗？数值上相等吗？_vE0大，则大，则Em一定大吗？一定大吗？v但反过来，但反过来，Em大，则大，则E0一定大吗？一定大吗？不一定相等；不一定相等；一定一定 这是因为，板和板之间传质会相互影响，可这是因为，板和板之间传质会相互影响，可能存在着各种不利的操作现象，如漏液、雾沫能存在着各种不利的操作现象，如漏液、雾沫夹带、液泛等（详见第十一章）。夹带、液泛等（详见第十一章）。这是因为，全塔效率不仅和单板效率有关，这是因为，全塔效率不仅和单板效率有关，还和板间相互影响有关。还和板间相互影响有关。nxn-1yn+1ynxn不一定不一定思考：思考：从下面几方面思考单板效率从下面几方面思考单板效率Em与全塔效与全塔效率率E0有何关系？有何关系？40/143五、塔板效率与实际塔板数五、塔板效率与实际塔板数思考：思考：影响塔板效率的因素？影响塔板效率的因素？u流动状况：汽、液相的流速流动状况：汽、液相的流速u物物性性参参数数：主主要要为为汽汽液液两两相相的的物物性性如如密密度度、黏黏度度、表表面面张张力力、相相对对挥挥发度、扩散系数等；发度、扩散系数等；u塔塔板板结结构构参参数数：主主要要为为塔塔板板的的结结构构，如如塔塔板板型型式式、板板间间距距、板板上上开开孔孔和和排列情况等；排列情况等；u操作参数：温度、压力等。操作参数：温度、压力等。nxn-1yn+1ynxn与影响与影响HOG的因素相同的因素相同作业：作业：41/143六、回流比的影响及选用六、回流比的影响及选用为什么要讨论这个问题呢？为什么要讨论这个问题呢？在前面介绍的计算中，是以已知回流比R为前提的。因此，需要知道如何获取R。vR=L/D，若，若R值取大些，意味着塔顶产量值取大些，意味着塔顶产量D小，从小，从经济上是不合算的。因此，希望经济上是不合算的。因此，希望R要小。但是，要小。但是，R最小是否有限制呢？最小是否有限制呢？42/143六、回流比的影响及选用六、回流比的影响及选用理想物系理想物系D一定时，若一定时，若R，L，V ，V N 能源费能源费总费用总费用Ropt 冷却剂、加热剂用量冷却剂、加热剂用量，设备费，设备费，能源费，能源费 总费用总费用不不一定小一定小 反之，反之，若若R，N，设备费，设备费，但是，但是，V，V，冷却剂、加热冷却剂、加热剂用量剂用量，能源费能源费，总费用也总费用也不一定小。不一定小。因此，应有一个最适宜的因此，应有一个最适宜的Ropt，使，使总费用最总费用最小。小。43/143六、回流比的影响及选用六、回流比的影响及选用能源费能源费总费用总费用Ropt 1、如何确定、如何确定Ropt？一般根据生产经验，取一般根据生产经验，取2、什么是、什么是Rmin？44/143六、回流比的影响及选用六、回流比的影响及选用 为为完完成成某某一一分分离离任任务务，所所需需的的理理论论塔塔板板数数为为无无穷穷多多时时的的回回流流比比称称为为最小回流比最小回流比。理想物系理想物系2、什么是、什么是Rmin？理想物系：理想物系：如图，四线交于如图，四线交于一点一点e（称为恒浓点（称为恒浓点或夹紧点）。即恒浓或夹紧点）。即恒浓点在进料板处。点在进料板处。恒浓区恒浓区恒浓点恒浓点45/143六、回流比的影响及选用六、回流比的影响及选用理想物系理想物系 最小回流比只对设计型有意义。最小回流比只对设计型有意义。思考：思考：当操作中选用的回流比当操作中选用的回流比比设计时的最小回流比还要小比设计时的最小回流比还要小时，塔能否操作？将出现什么时，塔能否操作？将出现什么现象？现象？塔能操作，只不过此时达不到塔能操作，只不过此时达不到指定的分离要求。指定的分离要求。46/143六、回流比的影响及选用六、回流比的影响及选用理想物系理想物系如何求取如何求取Rmin？理想物系：如图理想物系：如图47/143六、回流比的影响及选用六、回流比的影响及选用如何求取如何求取Rmin？非理想物系：如图非理想物系：如图yxeyxe恒浓区在恒浓区在精馏段精馏段 恒浓区在恒浓区在提馏段提馏段 非理想物系非理想物系非理想物系非理想物系dd恒浓点恒浓点恒浓点恒浓点48/143六、回流比的影响及选用六、回流比的影响及选用L=V3、全回流和最少理论板数全回流和最少理论板数NminFWRmin是是R的下限，那么的下限，那么R的上限呢？的上限呢？特点：特点：操作线与对角线重合，操作线与对角线重合，精、提操作线均为：精、提操作线均为：，Nmin-全回流全回流理论板数最少理论板数最少L=V =L49/143六、回流比的影响及选用六、回流比的影响及选用Nmin的求取方法：的求取方法：同同N的求解方法的求解方法-逐板法、图解法逐板法、图解法（包括塔釜（包括塔釜）特别地，对理想物系，逐板计算可得：特别地，对理想物系，逐板计算可得：-芬斯克（芬斯克（Fenske）方程）方程 精馏段所需的最少理论板数精馏段所需的最少理论板数 50/143七、理论板数的捷算法七、理论板数的捷算法（N、Nmin均包括再沸器在内）均包括再沸器在内）当当R=Rmin时，时，N=当当R=时，时，N=Nmin似乎，似乎，R与与N之间存在一一对应关系。之间存在一一对应关系。吉利来关联图吉利来关联图 其中其中利利用用吉吉利利兰兰图图（或或公公式式）求求N的的捷捷算算法法有有一一定定误误差差，主主要要用用于于N的粗估。的粗估。该式的适用范围为该式的适用范围为X=0.080.651/143八、精馏塔操作型问题讨论八、精馏塔操作型问题讨论进料进料釜液釜液馏出液馏出液t全凝器全凝器再沸器再沸器（间接蒸汽加热）（间接蒸汽加热）1回流比的影响回流比的影响2进料温度的影响进料温度的影响3进料流量的影响进料流量的影响4、进料浓度的影响、进料浓度的影响5、塔顶设分凝器的影响、塔顶设分凝器的影响6、改变进料位置的影响、改变进料位置的影响7、直接蒸汽加热、直接蒸汽加热操作中的塔其塔板数是恒定的操作中的塔其塔板数是恒定的 52/1431、改变、改变R的影响的影响若增大R将使需要的理论板数减少，故塔顶组成提高而塔底组成下降，但必须相应变更进料位置53/1435、塔顶设有分凝器、塔顶设有分凝器汽相汽相液液相相分分凝凝器器全全凝凝器器yDxLy1分分凝凝器器分分凝凝器器相相当当于于一块理论板。一块理论板。54/1435塔顶设有分凝器塔顶设有分凝器优点：优点：u多一块理论板；多一块理论板；缺点：缺点：u调节回流比不方便、准确。调节回流比不方便、准确。思考：思考：与全凝器流程相比，分凝器流程有何优缺点？与全凝器流程相比，分凝器流程有何优缺点？工业上较少使用。工业上较少使用。55/1436、进料位置的影响、进料位置的影响进料位置上移或下移都将降低全塔效率56/143第五节第五节 其他精馏方式其他精馏方式一水蒸汽蒸馏一水蒸汽蒸馏定义定义：将水蒸汽直接通入：将水蒸汽直接通入不溶于水的物系不溶于水的物系进行蒸馏。进行蒸馏。例例1：常压下，：常压下，水的沸点：水的沸点：100 苯的沸点：苯的沸点：80.1 水水苯混合物的沸点：苯混合物的沸点：69.5不溶不溶于水于水的溶的溶液液水蒸汽水蒸汽水和正丁醇非均相混合物相图水和正丁醇非均相混合物相图 P一一定定时时，为为什什么么不不互互溶溶物物系系的的沸沸点点比比其其中中任任一一纯纯组分的沸点均低？组分的沸点均低？57/143一水蒸汽蒸馏一水蒸汽蒸馏P一定时，为什么不互溶物系的沸点比其中任一纯组分的沸点均低？一定时，为什么不互溶物系的沸点比其中任一纯组分的沸点均低？总压总压P下，下，纯纯A的沸点为的沸点为t1水的沸点为水的沸点为t2液体上方液体上方A A、水、水的蒸汽压就是在的蒸汽压就是在沸点沸点t t下的饱和下的饱和蒸汽压。蒸汽压。加热加热如何确定水蒸汽蒸馏时的沸点呢？如何确定水蒸汽蒸馏时的沸点呢？找曲线找曲线和曲线和曲线的交点的交点58/143一水蒸汽蒸馏一水蒸汽蒸馏u降低了溶液的沸点（比其中任一纯组分的沸降低了溶液的沸点（比其中任一纯组分的沸点均低）；点均低）；u经冷凝、分层，除去水分从而得到产品；经冷凝、分层，除去水分从而得到产品；u水蒸汽既作加热剂，又作夹带剂。水蒸汽既作加热剂，又作夹带剂。特点：特点：沸点较高或高温下易分解，且不溶于水的物系沸点较高或高温下易分解，且不溶于水的物系适用场合：适用场合：59/143一水蒸汽蒸馏一水蒸汽蒸馏二者本质区别：二者本质区别：v适用场合不同：适用场合不同：直直接接蒸蒸汽汽加加热热的的精精馏馏过过程程用用于于互互溶溶的的水水溶溶液液，水蒸汽蒸馏过程用于与水不互溶的溶液。水蒸汽蒸馏过程用于与水不互溶的溶液。v通入的蒸汽作用不同：通入的蒸汽作用不同：前前者者中中的的水水蒸蒸汽汽主主要要为为加加热热剂剂，而而后后者者既既是是加加热热剂、又是夹带剂。剂、又是夹带剂。水蒸汽水蒸汽思考：思考：直接蒸汽加热直接蒸汽加热的精馏过程与的精馏过程与水蒸汽蒸馏水蒸汽蒸馏过程有何本过程有何本质区别？通入的蒸汽作用相同否？质区别？通入的蒸汽作用相同否？60/143二间歇精馏二间歇精馏 间间歇歇精精馏馏通通常常有有恒恒回回流流比比、恒恒馏馏出出液液组成组成这两种操作方式。这两种操作方式。第五节第五节 其他精馏方式其他精馏方式特点：特点：不稳定；不稳定；只有精馏段，没有提馏段只有精馏段，没有提馏段思考：思考：间歇精馏与简单蒸馏有何相同和不同之处？间歇精馏与简单蒸馏有何相同和不同之处？适用场合：适用场合：原料每批浓度、量不定；原料每批浓度、量不定；61/143二间歇精馏二间歇精馏回回流流比比不不断断变变大大，塔塔板板数数不不变变。虽虽然然塔塔底底浓浓度度不不断断降降低低，但但塔塔顶顶浓浓度不变。度不变。这这种种方方式式不不好好操操作作控控制制，但但能能得得到到较较高高浓浓度度的的产产品。品。2恒馏出液组成操作恒馏出液组成操作62/143二间歇精馏二间歇精馏回回流流比比不不断断变变大大，塔塔板板数数不不变变。虽虽然然塔塔底底浓浓度度不不断断降降低低，但但塔塔顶顶浓浓度不变。度不变。这这种种方方式式不不好好操操作作控控制制，但但能能得得到到较较高高浓浓度度的的产产品。品。2恒馏出液组成操作恒馏出液组成操作63/143二间歇精馏二间歇精馏3恒回流比操作恒回流比操作恒馏出液组成操作恒馏出液组成操作 在恒回流比下精馏一段时间，当塔顶浓度有较明显下在恒回流比下精馏一段时间，当塔顶浓度有较明显下降后，调大回流比，使塔顶浓度基本恢复原来的水平。降后，调大回流比，使塔顶浓度基本恢复原来的水平。这种方式既好操作控制，又能得到较高浓度的产品。这种方式既好操作控制，又能得到较高浓度的产品。