化工原理 第九章 蒸餾

1、1,第九章 蒸餾,9.1 概述9.2 二元物系的氣液相平衡9.3 蒸餾方式9.4 二元連續(xù)精餾的分析和計(jì)算9.5 其他精餾方式9.6 多元精餾,2,9.1概述,蒸餾過(guò)程通常以如下方法進(jìn)行分類：１、根據(jù)被蒸餾的混合物的組分?jǐn)?shù)，可分為二元蒸餾和多元蒸餾。２、根據(jù)操作過(guò)程是否連續(xù)，可分為間歇蒸餾和連續(xù)蒸餾。３、根據(jù)操作壓力，可分為常壓蒸餾、加壓蒸餾和減壓蒸餾。４、根據(jù)操作方式，可分為簡(jiǎn)單蒸餾、平衡蒸餾和精餾。根據(jù)被分離物系

2、的一些特殊要求，精餾還包括水蒸氣精餾、間歇精餾、恒沸精餾、萃取精餾、反應(yīng)精餾等等。,3,若氣液平衡時(shí)總壓Ｐ不是很高（ ），則氣相克永道爾頓分壓定律來(lái)描述：,一、理想物系的氣液平衡對(duì)較易揮發(fā)組分A與較難揮發(fā)組分B形成的A、B溶液來(lái)說(shuō)，它們之間滿足：,9.2二元物系的氣液相平衡,根據(jù)相律，用于描述相平衡物系的自由度數(shù) 應(yīng)該滿足一下關(guān)系式：,對(duì)于二元理想物系，組成中可略去下標(biāo)Ａ，有,4,對(duì)二元溶液若氣相符合道爾

3、頓分壓定律，則有或,對(duì)二元溶液，有，　顯然對(duì)理想溶液，根據(jù)拉烏爾定律就有,二、揮發(fā)度和相對(duì)揮發(fā)度,若混合物是理想溶液，則有,5,根據(jù)溶液的蒸汽壓偏離拉烏爾定律的方向，一般可將非理想溶液分成兩大類：１、正偏差溶液當(dāng)異分子間吸引力 小于同分子間吸引力 和 時(shí)，溶液中組分的平衡分壓比拉烏爾定律預(yù)計(jì)的高，即 ， 。屬于該類的物系較多，有甲醇－水、乙醇－水、苯－

4、乙醇等。２、負(fù)偏差溶液當(dāng)異分子間吸引力 大于同分子間吸引力 和 時(shí)，溶液中組分的平衡分壓比拉烏爾定律預(yù)計(jì)的低，即 ， 。屬于該類的有硝酸－水、氯仿－丙酮等物系。,三、非理想物系的氣液平衡,6,9.3蒸餾方式,9.3.1簡(jiǎn)單蒸餾 簡(jiǎn)單蒸餾的基本流程如圖所示。一定量的原料液投入蒸餾釜中，在恒定壓力下加熱氣化，陸續(xù)產(chǎn)生的蒸汽進(jìn)入冷凝器，經(jīng)

5、冷凝后的液體（又稱餾出液）根據(jù)不同要求放入不同的產(chǎn)品罐中。因上述流程很簡(jiǎn)單，故稱其為簡(jiǎn)單蒸餾，它是較早的一種蒸餾方式。,7,上式可變成 此式形式簡(jiǎn)單，且對(duì)多元理想物系也適用。,根據(jù)物系的相平衡情況，可分為以下三種情況來(lái)計(jì)算：（１）理想物系， 為常數(shù)。,簡(jiǎn)單蒸餾的計(jì)算要借助物料恒算關(guān)系和相平衡關(guān)系。,有：整理得,8,３）若平衡關(guān)系不能用簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)公式表示，則采用數(shù)值積分或圖解積分求取。利用上述關(guān)系確定 或

6、 后，某段時(shí)間內(nèi)餾出液的總量 和平均組成 就可以根據(jù)以下的物料恒算關(guān)系確定：,２）若在操作范圍內(nèi)，相平衡關(guān)系可近似用直線 表示，則對(duì)稀溶液，相平衡關(guān)系通?？捎猛ㄟ^(guò)原點(diǎn)的直線來(lái)表示；若蒸餾濃度變化區(qū)域不大，則可用直線近似代替曲線。,9,9.3.2平衡蒸餾平衡蒸餾又稱閃蒸，其基本流程如圖所示。原料液經(jīng)泵加壓后連續(xù)地進(jìn)入加熱器，在加熱至一定溫度后（高于分離器內(nèi)壓力下的泡點(diǎn)）流經(jīng)一節(jié)流閥減壓

7、至預(yù)定壓力。由于壓力的突然降低，液體處于過(guò)熱狀態(tài)，高于泡點(diǎn)的顯然隨即轉(zhuǎn)化為潛熱－使部分液體氣化。氣、液混合物在分離器中分開(kāi)：頂部為氣相產(chǎn)品，其中的易揮發(fā)組分得到提濃，經(jīng)冷凝后收集；底部為液相產(chǎn)品，其中的難揮發(fā)組分得到提濃。,10,由于ｙ，ｘ間達(dá)到氣液平衡，它們之間滿足相平衡關(guān)系。因此對(duì) 為常數(shù)的理想物系，可聯(lián)立上面兩式求解ｙ和ｘ。,平衡蒸餾的計(jì)算也要借助物料恒算關(guān)系和相平衡關(guān)系。通常已知原料液的流量Ｆ，組成 以及閃蒸后的氣

8、相流量Ｖ（或液相流量Ｌ），根據(jù)物料恒算有： 若令１kmol料液經(jīng)平衡蒸餾后產(chǎn)生的液相量為ｑ kmol，則氣相量為（１－ｑ）kmol，上式變?yōu)?11,一、平衡級(jí)蒸餾平衡級(jí)蒸餾的流程如圖９－７所示，即讓流量為Ｖ和Ｌ（摩爾流率）、組成為 和 的蒸氣和液體在某一設(shè)備中進(jìn)行接觸。一個(gè)較為常用的氣液兩相接觸設(shè)備時(shí)如圖９－８所示的塔板。若兩股流體接觸足夠充分，離開(kāi)時(shí)氣液兩相達(dá)到相平衡，責(zé)成這種設(shè)備為一個(gè)平衡接觸級(jí)，簡(jiǎn)稱平衡級(jí)

9、。,9.3.3精餾,12,經(jīng)過(guò)該接觸級(jí)后，離開(kāi)的氣液組成ｙ，ｘ滿足： ， ，也就是說(shuō)氣相和液相都得到了提濃。,若兩組分的摩爾氣化潛熱近似相等，且組成改變時(shí)顯熱變化、混合熱以及熱損失可忽略不計(jì)或相互抵消，則有 ， 。一個(gè)平衡級(jí)蒸餾可能達(dá)到的分離程度同樣由物料恒算關(guān)系和相平衡關(guān)系所決定。對(duì)易揮發(fā)組分做物料恒算有,雖然平衡級(jí)蒸餾與平衡蒸餾在計(jì)算方

10、法上基本相同，但這兩個(gè)過(guò)程的實(shí)質(zhì)有著重要的區(qū)別：平衡蒸餾是傳熱過(guò)程，過(guò)程速率受傳熱速率控制；而平衡級(jí)蒸餾為伴有傳熱傳質(zhì)過(guò)程，過(guò)程受傳質(zhì)控制，而且它與外界無(wú)需進(jìn)行直接的熱量交換。因此有可能也有必要將多個(gè)接觸級(jí)蒸餾傳接起來(lái)，以實(shí)現(xiàn)混合液的高純度分離，這就是精餾的基本思路。,13,二、精餾原理圖９－９時(shí)一個(gè)典型的板式連續(xù)精餾塔。塔內(nèi)有若干層塔板，每一層就是一個(gè)接觸級(jí)，它為氣液兩相提供傳質(zhì)場(chǎng)所。總體來(lái)看，全塔自塔底向上氣相中易揮發(fā)組分濃度逐級(jí)

11、增加；自塔頂向下液相中難揮發(fā)組分濃度主機(jī)增加。因此只要有足夠多的塔板數(shù)，就能在塔頂?shù)玫礁呒兌鹊囊讚]發(fā)組分Ａ，塔底得到高純度的難揮發(fā)組分Ｂ。,14,9.4.1全塔物料恒算從整體來(lái)看，無(wú)論塔內(nèi)的操作狀況如何，連續(xù)精餾過(guò)程的加料、餾出液、釜液的流率和組成受到全塔物料恒算關(guān)系的約束。對(duì)圖９－９所示的二元連續(xù)精餾塔作物料恒算，有總物料恒算 易揮發(fā)組分物料恒算,餾出液產(chǎn)率,揮發(fā)組分： 難揮發(fā)組分：,9.4 二元連續(xù)精餾的分

12、析和計(jì)算,15,9.4.2操作線方程,為簡(jiǎn)化精餾計(jì)算，并了解過(guò)程的實(shí)質(zhì)，通常引入以下兩個(gè)基本假定：（1）理論板假定　 對(duì)板式塔，一層塔板就是一個(gè)接觸級(jí)，通常把能夠起一個(gè)平衡蒸餾級(jí)作用的塔板稱為一層理論板。在理論板上，不管進(jìn)入該板的組成如何，離開(kāi)該板時(shí)氣液兩相一定達(dá)到相平衡?；谶@個(gè)假定，精餾計(jì)算中可略去傳質(zhì)速率方程。（2）恒摩爾流假定　 認(rèn)為易揮發(fā)組分與難揮發(fā)組分的摩爾氣化潛熱相等，其他熱效應(yīng)則可忽略不計(jì)或相

13、互抵消，這樣液體氣化和氣體冷凝所需的熱量剛好相互補(bǔ)償，使得流經(jīng)每一塊塔板的氣液兩相摩爾流率保持不變。,16,對(duì)圖９－１０種虛線所劃定的區(qū)域作物料恒算得 從而有,一、精餾段操作線方程精餾段的操作情況的分析如圖９－１０所示。,令回流比 ，則有 ； ，代入上式得,17,從圖可以看出，上式右邊中的分子表示經(jīng)過(guò)第ｎ塊塔板氣相的提濃程度，分母表示經(jīng)過(guò)第ｎ塊塔

14、板液相的提濃程度。所以當(dāng)物系和操作壓力確定時(shí)，精餾段的斜率決定了精餾段的分離能力。若回流比增大，則斜率增大，操作線便會(huì)向靠近對(duì)角線的方向移動(dòng)，使得精餾段內(nèi)塔板的分離能力提高。所以說(shuō)提高精餾段訥的液氣比對(duì)精餾段的分離有利。,將下標(biāo)ｎ去掉寫(xiě)成方程的形式為　表示了精餾段內(nèi)任意位置處下降液流和上升氣流組成之間的關(guān)系，叫做精餾段操作線方程，若對(duì)精餾段內(nèi)任一塔板（第ｎ層）列物料恒算式，可得,18,對(duì)圖９－１２中虛線所劃定的區(qū)域作物料恒算得

15、 從而有將 ，帶入上式得,二、提餾段操作線方程提餾段操作情況的分析如圖９－１２所示，其理論塔板數(shù)接著精餾段繼續(xù)往下數(shù)。再沸器將塔釜出來(lái)的液體部分氣化，其液體作為塔底產(chǎn)品連續(xù)排出，而氣體則回流入塔，這種再沸器的效果相當(dāng)于一塊理論塔板，所以整個(gè)精餾塔的理論塔板數(shù)應(yīng)當(dāng)包含再沸器這一塊。,即提餾段的操作線方程,19,若對(duì)提餾段任一塔板（第m層）列物料恒算式，可得 從圖９－１３看出，式（９－３８

16、）中右邊的分子表示經(jīng)過(guò)第m塊塔板氣相的提濃程度，分母表示經(jīng)過(guò)第m塊塔板液相的提濃程度，且其提濃程度（或該板的分離能力）也可用途中平衡線與操作線之間的梯級(jí)（三角形）的跨度大小形象地表示。,20,9.4.3加料線方程一、進(jìn)料熱狀況參數(shù)q當(dāng)進(jìn)料流量和組成一定時(shí)，其溫度狀況將會(huì)直接影響到提餾段內(nèi)氣液相流量與精餾段內(nèi)氣液相流量之間的關(guān)系，從而會(huì)影響到塔的分離能力。進(jìn)料狀況通常用一個(gè)叫做進(jìn)料熱狀況參數(shù)q來(lái)描述。 圖９－１４表示了加料

17、板及其上面一塊塔板至今的物流關(guān)系。,21,對(duì)虛線所劃定的區(qū)域作物料恒算和熱量恒算?？偽锪虾闼恪?總熱量恒算,可得 　 令 則從上式中得,22,二、五種進(jìn)料狀況下ｑ的計(jì)算 精餾塔的進(jìn)料通常有五種情況，分別為：１、過(guò)冷液體；２、飽和液體；３、氣液混合物；４、飽和蒸氣；５、過(guò)熱蒸氣。它們對(duì)精餾塔內(nèi)的氣液相流量將產(chǎn)生不同的影響，現(xiàn)結(jié)合圖９－１５進(jìn)行分析。,23,廣義的說(shuō)，進(jìn)料熱狀況參數(shù)都可看作是進(jìn)料中飽和

18、液體的摩爾分率。飽和液體進(jìn)料， ；飽和蒸氣進(jìn)料， ；氣液混合物進(jìn)料， ；這三種情況下進(jìn)料熱狀況參數(shù)很容易確定。而對(duì)冷液進(jìn)料和過(guò)熱蒸氣進(jìn)料，ｑ可采用以下方法進(jìn)行計(jì)算。過(guò)冷液體：　過(guò)熱蒸氣：,24,上式是精餾段和提餾段交點(diǎn)ｄ的軌跡方程，它是一條過(guò)點(diǎn) 、斜率為 的直線。該直線僅與 、 有關(guān)，所以常稱之為加料線方 程，簡(jiǎn)稱

19、為ｑ線方程。,精餾段、提餾段操作線方程式可分別寫(xiě)成如下形式：　得 將式整理得,三、ｑ線方程,25,一、理論塔板數(shù)的計(jì)算精餾塔內(nèi)的操作壓力將直接影響到氣液相平衡關(guān)系，一般它根據(jù)物系的性質(zhì)及分離要求來(lái)確定，在以后的計(jì)算中都假設(shè)操作壓力已經(jīng)選定。物系和操作壓力一定時(shí)，相平衡關(guān)系一定，若此時(shí) 、 、 、 和ｑ已知，則精餾段和提餾段的操作線方程也就隨之確定，從而決定了沿塔的逐板組

20、成的變化情況，據(jù)此可確定精餾塔所需的理論塔板數(shù)。,9.4.4精餾塔的設(shè)計(jì)型計(jì)算,26,（１）根據(jù)給定條件寫(xiě)出各理論塔板上的相平衡方程和操作線方程，并求出兩操作線的交點(diǎn)ｄ的坐標(biāo) 。相平衡方程改寫(xiě)成：精餾段操作線方程：提餾段操作線方程：?。ǎ玻乃敚ㄒ部蓮乃祝╅_(kāi)始進(jìn)行逐板計(jì)算，具體步驟為 從 開(kāi)始交替運(yùn)用相平衡方程和操作線方程，可求出各板上氣液兩相的組成。,二元連續(xù)精餾塔理論塔板數(shù)的求取通常采用

21、逐板計(jì)算法和圖解法。１、逐板計(jì)算法,27,２、圖解法圖解法又稱麥卡勃－蒂列（McCabe-Thiele）法，簡(jiǎn)稱M－T法，其原理與主板計(jì)算法完全相同，只是將逐板計(jì)算過(guò)程在ｙ－ｘ圖上直觀地表示出來(lái)，其主要步驟為：(1)根據(jù)物系和操作壓力在ｙ－ｘ圖上作出相平衡曲線（１），并畫(huà)出對(duì)角線（２）作為輔助線；(2)在ｘ軸上定出 、 、 三點(diǎn)，一次通過(guò)這三點(diǎn)作垂線分別交對(duì)角線于點(diǎn)ａ、ｆ、ｂ；(3)在ｙ

22、軸上定出的點(diǎn)ｃ，連接ａ、ｃ作出精餾段操作線（３）；,28,(4)由進(jìn)料熱狀況求出ｑ線的斜率，過(guò)點(diǎn)ｆ作出ｑ線（４）交精餾段操作線于點(diǎn)ｄ；(5)連接點(diǎn)ｄ、ｂ作出提餾段操作線（５）；(6)從點(diǎn)ａ開(kāi)始在平衡線（１）和精餾段操作線（３）之間畫(huà)階梯，當(dāng)梯級(jí)跨過(guò)點(diǎn)ｄ時(shí)，就改在平衡線（１）和提餾段操作線（５）之間畫(huà)階梯，直至梯級(jí)跨過(guò)點(diǎn)ｂ為止；(7)所畫(huà)的總階梯數(shù)就是全塔所需的理論塔板數(shù)（包含再沸器），跨過(guò)點(diǎn)ｄ的那塊板就是加料板，其上的階梯數(shù)

23、為精餾段的理論塔板數(shù),29,例9－7 欲用一常壓連續(xù)精餾塔分離含苯44%、甲苯56%（摩爾百分率，下同）的混合液，要求塔頂餾出液含苯97%，釜液含苯2%。已知泡點(diǎn)回流，且回流比取3。試求泡點(diǎn)進(jìn)料時(shí)全塔需要的理論塔板數(shù)和第二塊下降液體的組成。 解 ：首先作出常壓下苯－甲苯體系的相圖，據(jù)xD=0.97，xF=0.44，xW=0.02定出點(diǎn)a、f、b，然后由xD=0.97,R=3在y軸上定出yc=xD/(R+1)=0.243的點(diǎn)c，

24、并作出精餾段操作線。,圖9－18 例９－７泡點(diǎn)進(jìn)料時(shí)理論板數(shù)的圖解,30,根據(jù)題意有：相平衡方程：精餾段操作線方程：逐板計(jì)算過(guò)程：,31,二、最佳加料位置的確定在上述求全塔所需的理論板數(shù)時(shí)，將跨過(guò)點(diǎn)ｄ的梯級(jí)定位加料板。,由,通常稱跨越點(diǎn)d的加料板為最佳加料板，任何偏離該位置的加料都會(huì)使全塔理論板數(shù)增多，偏離程度越遠(yuǎn)，料液濃度與塔內(nèi)濃度的差異越大，混合效應(yīng)也越大，需要的理論塔板數(shù)也就越多。,32,三、回流比的選取和理論板數(shù)的捷

25、算法,1 全回流和最少理論板數(shù) 回流比的上限是全回流 ，這時(shí)子塔頂上升的蒸氣經(jīng)冷凝后全部回 流入塔，不采出餾出液。因D=0，由全塔物料恒算得， ， ，故進(jìn)料和出料已顯得無(wú)意義，事實(shí)上全回流時(shí)無(wú)進(jìn)料和出料，因而無(wú)精餾段和提餾段之分，如圖９－２０所示。,33,若逐板計(jì)算至進(jìn)料位置，令 ，可得到精餾段所需的最少理論板數(shù)：,在任意一塊理論板n上，存在如下關(guān)系：（1）相平衡方

26、程，有（2）操作線方程，可寫(xiě)成，從塔頂開(kāi)始交替應(yīng)用平衡線和操作線方程進(jìn)行逐板計(jì)算，求得最少理論板數(shù),34,2、  最小回流比,最小回流比 可用作圖法或解析法求得。,35,圖9－22 特殊理想體系的最小回流比,（1）作圖法作出最小回流比時(shí)的操作線，如圖９－２１和９－２２所示。再利用下式計(jì)算：或者,36,2）解析法對(duì)于理想體系，最小回流比時(shí)靜六段的操作線通過(guò)平衡線與ｑ線的交點(diǎn)ｅ。當(dāng)泡點(diǎn)進(jìn)料（q＝１）時(shí)，

27、q線方程為 ，點(diǎn)ｅ的坐標(biāo)為 。求得的最小回流比為同樣，露點(diǎn)進(jìn)料（q＝０）時(shí)，ｑ線方程為 ，點(diǎn)ｅ的坐標(biāo)為， 求得的最小回流比為,37,吉利蘭關(guān)聯(lián)圖近似用如下的數(shù)學(xué)式表示：　　研究表明，精餾段和全塔的理論板數(shù)之比 近似滿足：　利用吉利蘭關(guān)聯(lián)圖及上式可進(jìn)行精餾塔理論塔板數(shù)的簡(jiǎn)捷計(jì)算，簡(jiǎn)稱理論板數(shù)的捷算法。

28、,3、  適宜回流比的選取和理論板數(shù)的捷算法全回流和最小回流比十精餾塔設(shè)計(jì)中的最大值和最小值，實(shí)際選用的回流比應(yīng)該介于兩者之間。,38,四、進(jìn)料熱狀況的選取精餾操作的進(jìn)料可采用冷液到過(guò)熱蒸汽等五種方式，對(duì)應(yīng)的進(jìn)料熱狀況參數(shù)ｑ值從大至小變化。進(jìn)料預(yù)熱程度愈高，對(duì)精餾分離愈不利。 從分離角度來(lái)看，應(yīng)盡可能降低進(jìn)料的溫度。但另一方面，進(jìn)料余熱程度愈高，需要再沸器提供的上升蒸氣量愈小，從而再沸器負(fù)荷也愈小。通常料液預(yù)熱至泡點(diǎn)附

29、近最為常見(jiàn)，除綜合考慮了上述因素外，泡點(diǎn)進(jìn)料還有一個(gè)好處：可以避免季節(jié)變化引起料液溫度變化而影響精餾塔操作的穩(wěn)定性。 當(dāng)然若精餾塔的進(jìn)料受前段工序的影響本身就是氣相，那么為減少能耗，一般不再將它冷卻而直接采用氣相加料。,39,五、實(shí)際塔板數(shù)的計(jì)算,理論板假定是一種極限情況，操作中的實(shí)際塔板因氣液相接觸界面有限，接觸的時(shí)間也不可能無(wú)窮大，故離開(kāi)塔板的氣液兩相通常大不到相平衡，即實(shí)際塔板的分離效果常常不如理論板。一般用單板效率也稱默弗里

30、（Murphree）板效來(lái)描述實(shí)際塔板的分離能力．板的氣相單板效率為,若一液相濃度的變化 來(lái)定義，則第ｎ塊塔板的液相默弗里板效為,40,除單板效率外，工程中還常用全塔效率 或稱總板效率來(lái)描述塔板上傳質(zhì)的完善程度。,影響塔板效率的因素很多，可概括為以下三大類：（1）物性參數(shù)，主要為氣液兩相的物性如密度、黏度、表面張力、相對(duì)揮發(fā)度、擴(kuò)散系數(shù)等；（2）結(jié)構(gòu)參數(shù)，主要為塔板的結(jié)構(gòu)如塔板型式、板間距、板上開(kāi)孔和排列

31、情況等；（3）操作參數(shù)，主要為氣液相的流速、回流比、溫度、壓力等。,41,9.4.5精餾塔的操作型分析和計(jì)算,精餾操作型問(wèn)題中塔板數(shù)和進(jìn)料位置確定，餾出液和釜液組成則通常未知，故塔內(nèi)的操作線方程難以直接確定，且加料不一定在最佳位置。因此求解該類問(wèn)題是常常需要試差。精餾操作型問(wèn)題包括定性分析和定量計(jì)算兩部分。在精餾操作型問(wèn)題的定性分析中應(yīng)首先判斷精餾段、提餾段斜率的變化，然后再M(fèi)－T圖上畫(huà)出操作線（或者直接判斷精餾段、提餾段分離能力

32、的變化），最終確定餾出液和釜液濃度的變化，采用逐板計(jì)算或M－T圖解得出另一個(gè)，最后用全塔物料恒算關(guān)系來(lái)校驗(yàn)。,42,9.4.6二元連續(xù)精餾的其他流程一、直接蒸汽加熱流程,直接蒸氣加熱流程如圖９－２７（a）所示。,43,根據(jù)全塔物料衡算　將上式與間接蒸汽加熱的全塔物料衡算式比較得,現(xiàn)再分析直接蒸氣加熱時(shí)的操作線。 物料衡算方程得即另一方面，根據(jù)恒摩爾流假定， ， ，故,44,二、分凝塔和

33、冷回流流程生產(chǎn)上有時(shí)采用圖９－２８所示的冷凝流程：從塔頂上升的蒸氣先經(jīng)過(guò)一個(gè)分凝器部分冷凝，冷凝液作為回流進(jìn)入塔內(nèi)，為冷凝的氣體進(jìn)入后續(xù)的全凝器繼續(xù)冷凝并冷卻作為產(chǎn)品采用。該流程實(shí)際是將蒸汽逐級(jí)冷凝，可避免冷凝器過(guò)大，同時(shí)易實(shí)現(xiàn)跑電回流操作。若離開(kāi)分凝器的兩相達(dá)到氣液相平衡，則分凝器可看成是一塊理論板，此時(shí)的徑流相當(dāng)于全塔多了一塊理論板。,45,由于精流操作線是以塔內(nèi)氣液相負(fù)荷計(jì)算的，所以在精餾段操作線方程中回流比R（內(nèi)回流比）與外回

34、流比 （即通常說(shuō)的回流比）之間存在如下關(guān)系：,為便于控制回流液量，生產(chǎn)中也常將塔頂上升蒸汽經(jīng)全凝器直接冷凝、冷卻至泡點(diǎn)以下，其中的一部分在回流入塔，這就是冷回流流程，如圖９－２９所示，此時(shí)回流入塔的液體量 （稱外回流）與塔內(nèi)下降的液體量L（稱內(nèi)回流）不再相等，同時(shí)Ｖ也不等于 。設(shè)回流液溫度為 ，塔內(nèi)第一塊板的溫度為 。由于冷回流類似于冷液加料，有,,46,生產(chǎn)上有時(shí)需要將不同濃度的幾股原料同時(shí)在一個(gè)塔內(nèi)進(jìn)行精

35、餾，就是多股加料流程，通常它較很和加料效果好。圖９－３０（a）是一個(gè)具有兩股加料的精餾塔,圖９－３０（b）給出了該流程的操作線示意圖。,三、多股加料和側(cè)線出料流程,47,對(duì)該塔的操作線分析應(yīng)根據(jù)塔內(nèi)氣液相符合分為三段來(lái)進(jìn)行， 其中 Ⅰ、Ⅲ段就是普通精餾塔的精餾段和提餾段，而第Ⅱ段的操作線可通過(guò)虛線范圍內(nèi)的物料衡算，得　塔內(nèi)各段氣液相負(fù)荷之間滿足：　通常三段操作線方程的斜率存在如下關(guān)系：,,48,當(dāng)同時(shí)需要組成不同的兩種或多種

36、產(chǎn)品時(shí)，可在塔內(nèi)相應(yīng)塔板上側(cè)線抽出，這就是側(cè)線出料流程，通常側(cè)線抽取的是飽和液體或飽和蒸氣。圖９－３１是一個(gè)具有單側(cè)線出料的精餾塔，該塔的操作線也應(yīng)根據(jù)塔內(nèi)氣液相負(fù)荷分為三段，其中Ⅰ、Ⅲ段的為普通操作線方程，而第Ⅱ段的操作線也可通過(guò)虛線范圍內(nèi)的物料恒算，得　 塔內(nèi)各段氣液相負(fù)荷之間則滿足：,49,四、回收塔流程,只有提餾段沒(méi)有精餾段的精餾塔稱為回收塔。回收塔操作的主要目的在于回收稀溶液中的輕組分，對(duì)流出液濃度的要求不高，通常

37、它適用于物系在低濃度范圍內(nèi)相對(duì)揮發(fā)度較大的場(chǎng)合。若加料為泡點(diǎn)狀況，則塔內(nèi)的氣液相負(fù)荷滿足：所以提餾段操作線方程可寫(xiě)成如下形式,圖９－３２（b）給出了該流程的Ｍ－Ｔ圖解示意。,50,9.5.1水蒸氣蒸餾 對(duì)沸點(diǎn)較高或高溫下易分解，且不溶于水的物系，蒸餾時(shí)可直接往釜內(nèi)通入水蒸氣。此操作過(guò)程中水蒸氣一方面作為蒸餾的加熱劑，另一方面作為夾帶劑將易揮發(fā)組分從塔頂帶出，經(jīng)冷凝分層后除去其中的水分從而得到產(chǎn)品。上述蒸餾方法稱為水蒸氣

38、蒸餾。 水蒸氣蒸餾的優(yōu)點(diǎn)是可以降低系統(tǒng)的沸點(diǎn)，從而降低蒸餾的操作溫度。它不僅適用于簡(jiǎn)單蒸餾，也適用于連續(xù)精餾。如在原油煉制的常、減壓蒸餾塔中，常采用從塔底通入水蒸氣的方法來(lái)降低蒸餾的操作溫度，并回收塔底重油中的輕組分。 水蒸氣蒸餾降低沸點(diǎn)的原理是：互不相容的液體混合物的蒸氣壓等于各純組分的飽和蒸氣壓之和。,9.5 其他精餾方式,51,用一飽和系數(shù) 對(duì)此情況作出修正： 值一般在0.6~0

39、.8之間，考慮到影響后作為帶出劑的水汽用量為,若帶出的A組分量為GA（質(zhì)量），則水蒸氣用量GW（質(zhì)量）可按分壓定律從沸點(diǎn)時(shí)的蒸氣壓數(shù)據(jù)計(jì)算，得 即,如圖9—33所示，設(shè)某容器內(nèi)裝有溫度為t的純水W，然后往里面滴加少量的苯A?；旌衔锲胶獾臍庀嗫倝毫χ图唇Y(jié)合蒸氣壓方程式，可得操作壓力P下水汽蒸餾的溫度（即混合液的沸點(diǎn)）。,52,,9.5.2間歇精餾當(dāng)混合液的分離要求較高而處理量不大或料液的品種和組成經(jīng)常變化時(shí)，可采用如圖9－34

40、所示的間歇精餾流程。間歇精餾實(shí)際上是在簡(jiǎn)單蒸餾釜的上方加有一段較高的精餾段，因?yàn)樗姆蛛x作用，間歇精餾能夠達(dá)到較高的分離要求。間歇精餾又稱分批精餾，其過(guò)程特點(diǎn)是：（1）它是一個(gè)不穩(wěn)定的操作過(guò)程。原料液在精餾開(kāi)始之前一次性投入精餾釜，隨后由于,精餾過(guò)程中餾出液的不斷蒸出，釜液總量和所含的易揮發(fā)性含量逐漸減少，所以當(dāng)釜液組成降至規(guī)定值后可一次性排料，然后開(kāi)始下一批操作。（2）于普通精餾相比，間歇精餾只有精餾段，沒(méi)有提留段，因此為獲得同樣組成

41、的產(chǎn)品，間歇精餾的能耗較連續(xù)精餾大。,53,一、恒回流比操作間歇精餾的恒回流比操作是在精餾過(guò)程中一直保持回流比R不變，此時(shí)塔頂餾出液組成xD隨釜液組成xW的下降而不斷降低，其塔內(nèi)的操作線和逐板組成變化關(guān)系如圖9—35所示。對(duì)于理想物系有當(dāng)回流比R選定后，可畫(huà)出操作線，再?gòu)狞c(diǎn)至點(diǎn)，在操作線和平衡線之間畫(huà)階梯，就能確定全塔需要理論板數(shù)N。,54,根據(jù)物料衡算，可得從 時(shí)釜液量和組成之間滿足如下關(guān)系： 該段

42、時(shí)間內(nèi)餾出液的平均組成為 再利用上式求出 ，并將 與規(guī)定要求的 比較，若 ，則計(jì)算有效，否則需要重新設(shè)定 從頭計(jì)算。確定R后，可求得恒回流比間歇精餾時(shí)所需的總氣化量 為 若塔釜的汽化速率為V，則每批物料的蒸餾時(shí)間 為,一旦R、N確定后，最后還需檢驗(yàn)所選擇 是否合適，即能否滿足餾出液平均組成 的要求。具體方法見(jiàn)下：,55,二、

43、恒餾出液組成操作,設(shè)計(jì)恒餾出液組成的間歇精餾時(shí)，其操作回流比R和理論塔板數(shù)N的確定較為簡(jiǎn)單。因釜液組成不斷下降，而餾出液組成不變，故精餾終態(tài)時(shí)刻對(duì)塔的分離要求最高，回流比和理論板數(shù)的求取都要以該狀態(tài)為基準(zhǔn)。N確定后，各時(shí)刻的回流比R與釜液組成之間的函數(shù)關(guān)系由圖9—36確定。若仍保持塔釜的氣化速率V一定，則因恒餾出液組成操作時(shí)R不斷變化，各瞬時(shí)的餾出液量液隨之變化。每批物料的蒸餾時(shí)間和塔釜總氣化量可通過(guò)以下方法求取。,56,假設(shè)每批投料的

44、量和組成為 ,某時(shí)刻 之前得到的總餾出液量為 ，則根據(jù)全塔物料衡算有將上式對(duì)x微分得 在 時(shí)間段內(nèi)，塔釜的汽化量應(yīng)等于塔頂?shù)恼魵饬?，?積分后得到處理每批物料的蒸餾時(shí)間 塔釜總氣化量 為,57,9.5.3恒沸精餾和萃取精餾,一、恒沸精餾在被分離的二元混合液中加入第三組分，該組分能與原溶液中的一個(gè)或者兩個(gè)組分形成最低恒沸物，從而形成了“恒沸物—純組分”的精餾

45、體系，恒沸物從塔頂 蒸出，純組分從塔底排出，這種形式的精餾稱為恒沸精餾，其中所添加的第三個(gè)組分稱為恒沸劑或者夾帶劑。決定恒沸精餾可行性和經(jīng)濟(jì)性的關(guān)鍵是恒沸劑的選擇，對(duì)恒沸劑的要求主要有：（1）與被分離組分之一（或之三）形成最低恒沸物，其沸點(diǎn)與另一半從塔底排出的組分要有足夠大的差別，一般要求大于100C。（2）希望能與料液中含量較少的那個(gè)組分形成恒沸物，而且?jiàn)A帶組分的量要盡可能高，這樣夾帶劑用量較少，能耗較低。（3）新形成的恒沸物要易于

46、分離，以回收其中的夾帶劑。如乙醇—水恒沸精餾中靜置分層的辦法。（4）滿足一般工業(yè)的要求，如熱穩(wěn)定、無(wú)毒、不腐蝕、來(lái)源容易、價(jià)格低廉等。,58,圖9—37是以苯作為夾帶劑恒沸精餾制取無(wú)水酒精的工業(yè)流程。,59,二、萃取精餾 在被分離的二元混合液中加入第三組分，若該組分與原溶液中A、B兩組分的分子作用力不同，能有選擇性地改變A、B的蒸氣壓，從而增大它們的相對(duì)揮發(fā)度，或打破原恒沸體系，使精餾得以進(jìn)行，這種形式的精餾稱為萃取精餾。

47、其中所添加的第三組分稱為萃取劑，它不與其他組分形成恒沸物，且沸點(diǎn)很高，精餾時(shí)從塔底排出。 決定萃取精餾可行性和經(jīng)濟(jì)型的關(guān)鍵是萃取劑的選擇，對(duì)萃取劑的要求主要有：（1）選擇性高，加入少量萃取劑就能使原組分間的相對(duì)揮發(fā)度顯著增大。（2）溶液度大，能和任何濃度的原溶液互溶，以避免分層，否則難以充分發(fā)揮萃取精餾的作用。（3）揮發(fā)性小，其沸點(diǎn)比混合液的其他組分高得多，以保證塔頂產(chǎn)品的質(zhì)量，也易于另一組分分離，但沸點(diǎn)也不能太高，否則會(huì)造

48、成回收困難。（4）滿足熱穩(wěn)定、無(wú)毒、部腐蝕、來(lái)源容易、價(jià)格低廉等一般工業(yè)要求。,60,一個(gè)較為典型的萃取精餾實(shí)例是以苯酚作為萃取劑分離異辛烷和甲烷的混合液。,61,三、橫沸精餾與萃取精餾的比較 一些物系的分離既可以用恒沸精餾，也可用萃取精餾，究竟選擇何種操作方式，需要作以下考慮。恒沸精餾和萃取精餾都是在被分離的混合液中加入第三組分，以提高組分間的相對(duì)揮發(fā)度，這是兩者的共同點(diǎn)，但它們之間也存在差異：1)恒沸劑要與被分離組分形成

49、恒沸物，而萃取劑無(wú)此要求，因此萃取劑選擇的范圍較恒沸劑廣。2）恒沸劑從恒沸精餾塔的塔頂蒸出，而萃取劑從萃取精餾塔的塔底排出，因此一般說(shuō)來(lái)恒沸精餾的熱量消耗較萃取精餾塔，只有恒沸劑夾帶含量較少的組分時(shí)，這一差別才會(huì)縮小。3）一定總壓下恒沸物的組成、溫度是恒定的，因此恒沸劑的選擇的使用量有特定要求；而萃取劑的用量可在一定范圍內(nèi)變化，較為靈活。4）萃取劑必須從塔的上部不斷加入，因此萃取精餾不適宜間歇精餾；恒沸劑既可從塔頂加入，也可于料液一起加

50、入塔釜，因此恒沸精餾能用于大規(guī)模的連續(xù)生產(chǎn)和試驗(yàn)室的間歇精餾。5）恒沸精餾的操作溫度通常比萃取精餾低，故當(dāng)有熱敏性組分存在時(shí)，采用恒沸精餾更合適。,62,9.5.4反應(yīng)精餾 工業(yè)中多數(shù)情況下反應(yīng)和分離這兩個(gè)單元在不同的設(shè)備中單獨(dú)進(jìn)行，即在反應(yīng)器中進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，在分離設(shè)備中實(shí)現(xiàn)組分間的分離。但是隨著科技的發(fā)展，發(fā)應(yīng)和分離結(jié)合在一個(gè)設(shè)備中的單元——伴有化學(xué)反應(yīng)的分離過(guò)程已日益引起人們的重視，這些過(guò)程由于反應(yīng)和分離的耦合作用，

51、使反應(yīng)和分離效果都得以加強(qiáng)，從而使產(chǎn)品的質(zhì)量和收率都得到了提高，除此之外它們還具有設(shè)備投資少，能耗低等一系列優(yōu)點(diǎn)。這里講述反應(yīng)和精餾耦合在一氣的單元操作，稱之為反應(yīng)精餾。 反應(yīng)精餾過(guò)程在一個(gè)反應(yīng)精餾塔中完成，該塔除了實(shí)現(xiàn)組分間的分離外，還同時(shí)伴隨著化學(xué)反應(yīng)。 反應(yīng)精餾能夠用于醚化、酯化、水解、烷基化等多種過(guò)程，但由于反應(yīng)精餾塔內(nèi)包含反應(yīng)和多組分分離等復(fù)雜的相互影響，加上過(guò)程實(shí)施時(shí)還存在著一些難點(diǎn)，所以目前對(duì)某

52、些反應(yīng)精餾過(guò)程的開(kāi)發(fā)尚處于研究階段。,63,圖9—39是工業(yè)上一個(gè)典型的催化精餾過(guò)程，甲醇和異丁烯在強(qiáng)酸性離子交換樹(shù)脂上催化反應(yīng)生成甲基叔丁基醚（簡(jiǎn)寫(xiě)為MTBE）。,64,9.6.1多元精餾的特點(diǎn) 多元連續(xù)精餾裝置通常由多個(gè)精餾塔組成，除了最后一個(gè)塔分離二元組分外，其余各個(gè)塔只能分離出一個(gè)高純組分，因此若要實(shí)現(xiàn)C個(gè)組分的高純度分離，需要C-1個(gè)精餾塔。 若組分?jǐn)?shù)愈多，供選擇的流程方案也愈多。究竟選用何種流

53、程，應(yīng)該注意以下幾個(gè)因素：（1）對(duì)熱敏性組分，為減少被加熱的次數(shù)，應(yīng)優(yōu)先分離；對(duì)有強(qiáng)腐蝕 性的組分，為避免多個(gè)設(shè)備的腐蝕，也應(yīng)優(yōu)先分離。（2）對(duì)純度要求較高的組分，最好從塔頂蒸出。（3）若存在一對(duì)較難分離的相鄰組分，宜置于最后分離。（4）各組分在流程中的氣化、冷凝次數(shù)應(yīng)盡可能少，以降低設(shè)備的負(fù) 荷和能耗。,9.6 多元精餾,65,如對(duì)三元物系（設(shè)按揮發(fā)度從大到小以此為A、B、C，以

54、下同）的雙塔精餾流程，可安排圖9—40（a）、（b）兩種方案（也稱塔序）。,66,當(dāng)物料的處理量較大，而產(chǎn)品的純度要求不高時(shí)，可采用帶有側(cè)線出料的復(fù)雜塔流程。一般側(cè)線產(chǎn)品的純度不高，但使用側(cè)線出料流程可以大大減少精餾塔的個(gè)數(shù)。如在煉油工業(yè)中，原油經(jīng)精餾后按沸程從低到高依次為汽油、煤油、柴油、潤(rùn)滑油和重油，這些產(chǎn)品都是具有一定沸點(diǎn)范圍的混合餾分，可以從側(cè)線采得。原油加工的常壓蒸餾塔如圖9—41所示，它由一個(gè)主塔和一個(gè)側(cè)塔組成。側(cè)塔包含三個(gè)

55、重疊的氣提塔，它們的作用是逐出側(cè)線餾分中的低沸點(diǎn)組分。,67,多元精餾除流程較復(fù)雜外，多元物系的氣液相平衡關(guān)系也很復(fù)雜，通常引入相平衡常數(shù)K來(lái)描述。對(duì)組分 ，有 這樣多元物系的氣液相平衡關(guān)系就歸結(jié)為各個(gè)組分相平衡常數(shù) 的求法，多元體系中組分 相對(duì)于組分 的相對(duì)揮發(fā)度 為 對(duì)理想物系，有,68,9.6.2多元連續(xù)精餾的計(jì)算簡(jiǎn)介一、全塔物料衡算 在多元

56、精餾塔中，通常吧對(duì)分離程度起決定作用而必須這種控制的組分稱為關(guān)鍵組分，其中揮發(fā)度較大的稱為輕關(guān)鍵組分，揮發(fā)度較小的稱為重關(guān)鍵組分。 組分的濃度不能任意規(guī)定，它們受到精餾塔分離能力的制約。多元連續(xù)精餾塔重單憑全塔物料衡算還不能確定塔頂、底的量和組成。以精餾A、B、C三元物系的精餾塔為例，全塔物料衡算關(guān)系為,四個(gè)未知數(shù)——餾出液量D、釜液量W、組成 和 不能直接計(jì)算，尚缺一個(gè)方程。為此通常采用一些假定給予補(bǔ)足。,69

57、,根據(jù)補(bǔ)足方程的不同形式，全塔物料衡算可分為清洗分割和非清晰分割兩種。1、  清晰分割 若選取的輕、重關(guān)鍵組分式相鄰組分，且這兩個(gè)關(guān)鍵組分間的相對(duì)揮發(fā)度較大，其分離要求也較高，即輕、重關(guān)鍵組分分別在塔底、塔頂產(chǎn)品中的濃度較低。此時(shí)可認(rèn)為比輕關(guān)鍵組分更輕的組分全部從塔頂餾出，而不在塔頂出現(xiàn)。即認(rèn)為除了關(guān)鍵組分之外的其他組分要么完全從塔頂餾出，要么完全從塔底排出，不會(huì)在餾出液和釜液中同時(shí)出現(xiàn)，該方法稱為清晰分割。

58、采用該假定后能夠補(bǔ)足全塔物料衡算中所需的方程數(shù)。2、  非清晰分割 若各組分間得相對(duì)揮發(fā)度不大或者選取得輕、中關(guān)鍵組分之間還夾有其他組分，分離要求也不是很高，那么各個(gè)組分都會(huì)在塔頂、塔底產(chǎn)品中出現(xiàn)，此時(shí)不能用清晰分割法進(jìn)行計(jì)算。,70,全回流操作時(shí)，餾出液和釜液得組成與最小理論板數(shù)之間得關(guān)系可近似用式得芬斯克（Fenske）方程來(lái)描述，對(duì)輕、重關(guān)鍵組分而言，有或?qū)懗?

59、 由于同一混合物中組分的摩爾分率之比等于摩爾數(shù)之比，所以又可表示為 同理，對(duì)任意組分，,71,由上面兩式得 由上式描述了全回流下各組分在餾出液和釜液中的分配情況。根據(jù)非清晰分割假定，任意回流比下也有上述分配關(guān)系，即后面一個(gè)等號(hào)也成立： 此式就是非清晰分割法描述得任意情況下各組分在餾出液和釜液中分配的基本關(guān)系，通常稱之為哼斯特別克（Hengsterbeck）法。,72,多元精餾得最小回流比很

60、難嚴(yán)格計(jì)算，常采用一些簡(jiǎn)化的公式進(jìn)行估算。最常用得時(shí)恩德伍德（Underwood）方程，這是針對(duì)理想物系和基于恒摩爾流假定德基礎(chǔ)上得到的，共包括以下兩個(gè)方程： （9—94） （9—95）式中，為基準(zhǔn)組分（常取重關(guān)鍵組分）； 為進(jìn)料液的液相分率。求解時(shí)，首先根據(jù)式（9—94）求方程的根 有C個(gè)，所以若輕、重關(guān)鍵組分是相鄰組分，則應(yīng)選擇滿足下式的 值 若輕、重關(guān)鍵組分不是相鄰組分，則先算出各個(gè) 下對(duì)應(yīng)

61、的 ，然后取這些數(shù)的算術(shù)平均值作為最小回流比。,二、捷算法求理論板數(shù),73,六、填料層高度的計(jì)算精餾除了在板式塔內(nèi)進(jìn)行外，也常使用填料塔。填料精餾塔與板式精餾塔的不同之處在與塔內(nèi)氣液相濃度前者呈連續(xù)變化，后者則呈逐級(jí)變化。設(shè)計(jì)填料精餾塔的關(guān)鍵之一是確定全塔所需要的填料層高度。通常以理論板數(shù)乘以等板高度（用ＨＥＴＰ表示，Height Equivalent of a Theoretical Plate）求填料層高度，即