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1、1.4 精馏原理精馏原理与与流程流程SchoolofChemistryandChemicalEngineering,SCUT,YangdongjieOneflash-vaporizationstagey1x1 精馏原理精馏原理YDJ,School of Chemical and Chemistry Engineering,SCUT多次部分汽化和多次部分冷凝多次部分汽化和多次部分冷凝 xFy1x1y2x2y3x3y3y2213 x1 y1 x2 x3x3YDJ,School of Chemical and Chemistry Engineering,SCUTy1y2y3.x2x3xWPure A
2、 and Pure BThe amount of A and B is few,yield is loweyield is lower r缺点：缺点：1.1.收率低；收率低；(大量的中间产品大量的中间产品)2.2.设备重复量大，设备投资大；设备重复量大，设备投资大；3.3.能耗大，过程有相变。能耗大，过程有相变。多次部分汽化和多次部分冷凝多次部分汽化和多次部分冷凝 是精馏分离的必要条件是精馏分离的必要条件YDJ,School of Chemical and Chemistry Engineering,SCUT问题：工业上如何实现？问题：工业上如何实现？uux x3 3 y y1 1 Mass
3、transfer Mass transferuu T T3 3TT1 1 heat tramsfer heat tramsferxFx1y2x2y3x3y1321y2213 x1y1xDx2x3y3YDJ,School of Chemical and Chemistry Engineering,SCUT缺点缺点:设备复杂设备复杂 有回流有回流的多次部分汽化和多次部分冷凝的多次部分汽化和多次部分冷凝 y3x3y4y2213x2x4 x1y1xDx2x3y3引入回流引入回流最上层冷凝器最上层冷凝器 提供下降液流提供下降液流最下层加热器最下层加热器 提供上升蒸汽提供上升蒸汽SchoolofChemi
4、stryandChemicalEngineering,SCUT,Yangdongjie uInadistillationcolumnthestages(referredtoassieve platesortrays)inadistillationtowerarearrangedvertically,SchoolofChemistryandChemicalEngineering,SCUT,YangdongjieYDJ,School of Chemical and Chemistry Engineering,SCUT 塔板的作用塔板的作用 塔板提供了塔板提供了汽液分离汽液分离的场所；的场所；每一块
5、塔板是一个每一块塔板是一个混混合分离器；合分离器；足够多的板数足够多的板数可使各可使各组分组分较完全分离较完全分离。SchoolofChemistryandChemicalEngineering,SCUT,YangdongjieYDJ,School of Chemical and Chemistry Engineering,SCUT精精馏馏与与简简单单蒸蒸馏馏的的区区别别：汽汽相相和和液液相相的的部部分分回回流流。也也是是精精馏馏操作的基本条件。操作的基本条件。精馏原理 料液料液,x xF F FeedFeed塔塔顶顶产产品品,x xD DOverhead Overhead productpr
6、oduct塔塔底底产产品品,x xWWBottoms Bottoms productproduct液相回流液相回流Liquid Liquid refluxreflux汽相回流汽相回流Vapor Vapor refluxreflux精馏段精馏段Rectifying Rectifying sectionsection提馏段提馏段Stripping Stripping sectionsection再沸器再沸器ReboilReboilerer冷凝器冷凝器condensercondenser进料板以上称为进料板以上称为精馏段精馏段精制汽相中的易挥发组分。精制汽相中的易挥发组分。进料板以下（包括进料板）称
7、为进料板以下（包括进料板）称为提提馏段馏段提浓液相中难挥发组分提浓液相中难挥发组分。塔顶产品称为塔顶产品称为馏出液馏出液 富含易挥富含易挥发组分。发组分。塔底产品称为塔底产品称为釜液釜液 富含难挥发富含难挥发组分组分。SchoolofChemistryandChemicalEngineering,SCUT,Yangdongjieynxnyn-1yn+1nn+1n-1xn+1xn-1 xmymxDF,xFcondenserreboilerlxn-1 yn+1.BottomTopTBottomTTopPBottomPTopxDxWYDJ,School of Chemical and Chemist
8、ry Engineering,SCUT板式塔内相板式塔内相邻邻几几块块板的温度、板的温度、组组成的关系成的关系为为n-1tn-1ntnn+1tn+1yn+2yn+1ynyn-1xn-2xn-1xnxn+1YDJ,School of Chemical and Chemistry Engineering,SCUT塔顶回流液塔顶回流液回流液：回流液：在任意塔板上，上一块塔板下来的液在任意塔板上，上一块塔板下来的液体，轻组分含量高，温度低。体，轻组分含量高，温度低。YDJ,School of Chemical and Chemistry Engineering,SCUT塔釜汽相回流塔釜汽相回流回流汽：
9、回流汽：任意塔板上，下一块塔板上来的汽任意塔板上，下一块塔板上来的汽体，重组分含量高，温度高；体，重组分含量高，温度高；YDJ,School of Chemical and Chemistry Engineering,SCUT浓度变化浓度变化xn+1yn-1yn+1xn-1传质推动力传质推动力热量传递过程热量传递过程液体汽化所需热量由蒸汽冷凝提供。液体汽化所需热量由蒸汽冷凝提供。易挥发组分：液相易挥发组分：液相汽相汽相难挥发组分：汽相难挥发组分：汽相液相。液相。传质方向传质方向易挥发组分沿塔高方向增加，而温度沿塔高方向易挥发组分沿塔高方向增加，而温度沿塔高方向降低。降低。过程控制过程控制精馏过
10、程速率由传质过程控制。精馏过程速率由传质过程控制。传质设备传质设备板式塔板式塔逐级接触式设备；逐级接触式设备；填料塔填料塔微分接触式设备。微分接触式设备。板式塔板式塔填料塔填料塔SchoolofChemistryandChemicalEngineering,SCUT,Yangdongjie1)1)回流的作用是什么？回流的作用是什么？回流的作用是什么？回流的作用是什么？2)2)塔底再沸器和塔顶冷凝器能否省去？塔底再沸器和塔顶冷凝器能否省去？塔底再沸器和塔顶冷凝器能否省去？塔底再沸器和塔顶冷凝器能否省去？YDJ,School of Chemical and Chemistry Engineerin
11、g,SCUT1）根据分离任务，确定产品流量）根据分离任务，确定产品流量D，W；2）选择操作条件）选择操作条件R、进料状态；、进料状态；3 3）确定塔板数及加料位置；）确定塔板数及加料位置；4 4）选择塔型，确定塔径，塔内结构尺寸，）选择塔型，确定塔径，塔内结构尺寸，流体力学验算；流体力学验算；5 5）冷凝器及再沸器热负荷及设计计算。）冷凝器及再沸器热负荷及设计计算。1.5 两组分连续精馏塔的计算两组分连续精馏塔的计算YDJ,School of Chemical and Chemistry Engineering,SCUT理论板的概念和恒摩尔流的假设理论板的概念和恒摩尔流的假设汽、液两相在其上进
12、行接触传质时，离开该塔板的汽、液两相在其上进行接触传质时，离开该塔板的两相在两相在传质、传热方面传质、传热方面都达到了平衡。都达到了平衡。1.理论板的概念理论板的概念理论板具有最大的分理论板具有最大的分离能力，离能力，是塔分离的极限能力是塔分离的极限能力tn=Tn，yn=f(xn)Vn ynVn+1 yn+1Ln-1xn-1Lnxnntnn-1n+1xnynxn+1xn-1yn+1yn-1YDJ,School of Chemical and Chemistry Engineering,SCUT实际中，塔板上气液两相间的接触时间和接触表实际中，塔板上气液两相间的接触时间和接触表面积是有限的；面积
13、是有限的；理论板的提出，便于衡量实际板分离的效果。通理论板的提出，便于衡量实际板分离的效果。通常在设计过程中先求出常在设计过程中先求出理论板数理论板数，经，经修正修正得实际板。得实际板。同一板上气液浓度服从平衡关系同一板上气液浓度服从平衡关系 隔板之间气液浓度服从操作关系（物料衡算）隔板之间气液浓度服从操作关系（物料衡算）YDJ,School of Chemical and Chemistry Engineering,SCUT2.恒摩尔流的假设恒摩尔流的假设前提条件前提条件(1)各板上混合物的摩尔汽化潜热近似相等各板上混合物的摩尔汽化潜热近似相等rA=rB(2)汽液接触时因温度不同交换的显热忽
14、略汽液接触时因温度不同交换的显热忽略Cpt0(3)塔设备保温良好，热损失可以忽略塔设备保温良好，热损失可以忽略QL=0YDJ,School of Chemical and Chemistry Engineering,SCUT精精馏馏：V1=V2=Vn=V;L1=L2=Ln=L;提提馏馏段段V1=V2=Vn=V;L1=L2=Ln=L 恒摩尔汽、液流恒摩尔汽、液流：LLLVVVB,xB精精馏馏与提与提馏馏段两相流量段两相流量 L=L;V=V(?)与什么有关？与什么有关？YDJ,School of Chemical and Chemistry Engineering,SCUT物料衡算物料衡算全塔物料
15、衡算全塔物料衡算F,xFD,xDW,xW总物料衡算总物料衡算F=W+DFxF=WxW+DxD难挥发组分回收率：难挥发组分回收率：易挥发组分回收率：易挥发组分回收率：YDJ,School of Chemical and Chemistry Engineering,SCUT公式记忆：符合公式记忆：符合杠杆定律杠杆定律 馏出液的采出率馏出液的采出率:釜液采出率釜液采出率:YDJ,School of Chemical and Chemistry Engineering,SCUTa非进料板物料衡算非进料板物料衡算塔板上物料衡算塔板上物料衡算任意任意n非进料板物料衡算则有：非进料板物料衡算则有：Ln-1
16、xn-1Vn ynLn xnVn+1 yn+1第第n块板块板一类是非进料塔板一类是非进料塔板一类是进料塔板一类是进料塔板YDJ,School of Chemical and Chemistry Engineering,SCUTb.进料塔板的物料衡算进料塔板的物料衡算设进料板为第设进料板为第m板，板，第第m块加料板块加料板F,xFLm-1 xm-1Vm ymLm xmVm+1 ym+1YDJ,School of Chemical and Chemistry Engineering,SCUT Operating lines equation y yn+1n+1xxn n 相邻两板汽液组成的关系相邻
17、两板汽液组成的关系相邻两板汽液组成的关系相邻两板汽液组成的关系Two sections two operating lines操作线方程操作线方程 xn-1 yn xn yn+1第第n块板块板YDJ,School of Chemical and Chemistry Engineering,SCUT1精馏段操作线方程精馏段操作线方程V=L+DVyn+1=Lxn+DxD回流比回流比reflux ratio：R=L/DWhencondensateisliquidatitsWhencondensateisliquidatitsbubblepointbubblepoint,L=LcL=LcL L1 1L
18、 L2 2.,V=V.,V=V1 1V V2 2=D,xDL,xDV,y1123nL,xnV,yn+1L=RD V=(R+1)DTop-Totalcondenser：y1=xD.YDJ,School of Chemical and Chemistry Engineering,SCUT讨论讨论：当当F（进进料量）确定，同料量）确定，同时规时规定了塔定了塔顶顶及塔底及塔底的的产产品品组组成，增加回流比是否意味着成，增加回流比是否意味着D减少？减少？并不意味着并不意味着D减少，而是意味着上升蒸汽量增加；减少，而是意味着上升蒸汽量增加；增大回流比的措施是增大塔底的加增大回流比的措施是增大塔底的加热热速
19、率和塔速率和塔顶顶的的冷凝量；冷凝量；增大回流比的代价是能耗的增大。增大回流比的代价是能耗的增大。YDJ,School of Chemical and Chemistry Engineering,SCUT精馏段操作线精馏段操作线:当当R,D,xD为一定值时为一定值时,该操作线为一直线该操作线为一直线.斜率斜率:截距截距:yxxD操作线为过点（操作线为过点（xD，xD）YDJ,School of Chemical and Chemistry Engineering,SCUT2提馏段操作线方程提馏段操作线方程L=V+WLxm=Vym+1+WxW W,xWm+1m+2m+3NL,xmV,ym+1YD
20、J,School of Chemical and Chemistry Engineering,SCUTxW过点（过点（xW，xW）斜率：斜率：截距截距:yxxDabq提馏段操作线提馏段操作线YDJ,School of Chemical and Chemistry Engineering,SCUT提提馏馏操作操作线线：y=x=xWL/V-WxW/V操作线方程的在图上的画法 精精馏馏操作操作线线：y=x=xDR/(R+1)xD/(R+1)x y 0 1.0 1.0 xD abxW cdeStripping section Vm+1=Vm=.=VLm=Lm+1=.=LV=V?L=L？Rectifyi
21、ng sectionVn+1=Vn=.=VLn=Ln-1=LYDJ,School of Chemical and Chemistry Engineering,SCUT进料热状况进料热状况a:a:冷液冷液 b:b:饱和液体，泡点饱和液体，泡点 c:c:气液混合物气液混合物 d:d:饱和蒸气，露点饱和蒸气，露点 e:e:过热蒸气过热蒸气1进料热状况进料热状况cTx(y)abdeYDJ,School of Chemical and Chemistry Engineering,SCUT进料热状况参数进料热状况参数加料板加料板FF,IFL ILV IVL ILV IVIV=IV IL=ILYDJ,Sch
22、ool of Chemical and Chemistry Engineering,SCUT3 进料热状态对塔内气、液流量的影响进料热状态对塔内气、液流量的影响气液混合物进料气液混合物进料(0q1)过热蒸气进料过热蒸气进料(q1)饱和液体进料饱和液体进料(q=1)饱和蒸气进料饱和蒸气进料(q=0)V进料热状态对塔内气、液流量的影响YDJ,School of Chemical and Chemistry Engineering,SCUTc cPLPLspecificheatsofliquidspecificheatsofliquidT TF F=temperatureoffeed=tempera
23、tureoffeedT Tb b=bubblepointoffeed,=bubblepointoffeed,r r=heatofvaporization=heatofvaporizationForcoldfeedq1;Forcoldfeedq1;Forpartiallyvaporfeed,0q1Forpartiallyvaporfeed,0q1q=10q1q=0q1(2)饱和液体饱和液体q1(3)气液混合气液混合0q1(4)饱和蒸汽饱和蒸汽q0(5)过热蒸汽过热蒸汽q0进料状况进料状况q值值q线位置线位置V与与VYDJ,School of Chemical and Chemistry Engi
24、neering,SCUT【例】在由一层理论板和塔釜组成的精馏塔中，每小【例】在由一层理论板和塔釜组成的精馏塔中，每小时向塔釜加入苯甲苯混合液时向塔釜加入苯甲苯混合液100kmol，含苯量为，含苯量为50%（摩尔，下同），泡点进料，要求塔顶馏出液（摩尔，下同），泡点进料，要求塔顶馏出液中含苯量为中含苯量为80%，塔顶采用全凝器，回流液为饱和液，塔顶采用全凝器，回流液为饱和液体，回流比为体，回流比为3，相对挥发度为，相对挥发度为2.5，求每小时获得的，求每小时获得的塔顶馏出液量塔顶馏出液量D，塔釜排出液量，塔釜排出液量W及浓度及浓度xw。已知条件：已知条件：F100kmol/hxF=0.5xD=0
25、.8R=3=2.5 y1=xD物料衡算物料衡算F=D+WFxF=DxD+WxW平衡线平衡线 精馏线精馏线 y1=xDx1y2(yW)x2(xW)YDJ,School of Chemical and Chemistry Engineering,SCUT解解:平衡线平衡线 y1=xD=0.8得得 x1=0.615得得D=17.0kmol/hW=83.0kmol/h精馏操作线精馏操作线得得 y2=0.6615再由平衡线再由平衡线 得得 x2=xW=0.4385由物料衡算由物料衡算F=D+WFxF=DxD+WxWYDJ,School of Chemical and Chemistry Engineer
26、ing,SCUT【例】将含【例】将含0.24（摩尔分数，下同）易挥发组分的某（摩尔分数，下同）易挥发组分的某液体混合物送入一连续精馏塔中。要求馏出液含液体混合物送入一连续精馏塔中。要求馏出液含0.95易挥发组分，釜液含易挥发组分，釜液含0.03易挥发组分。送入冷凝器的易挥发组分。送入冷凝器的蒸汽量为蒸汽量为850kmol/h，流入精馏塔的回流液为，流入精馏塔的回流液为670kmol/h，试求：，试求：1.每小时能获得馏出液和釜液的量？每小时能获得馏出液和釜液的量？2.回流比回流比R为多少？为多少？3.写出精馏段操作线方程。写出精馏段操作线方程。此题复习的知识点：此题复习的知识点：（1）塔顶回流
27、）塔顶回流V=L+D（2）物料衡算）物料衡算F=D+WFxF=WxW+DxD（3）回流比）回流比R=L/D（4）精馏段操作线）精馏段操作线YDJ,School of Chemical and Chemistry Engineering,SCUT问题问题1、精馏塔中从上至下的第、精馏塔中从上至下的第n-1，n，n+1理理论板，比较论板，比较 yn+1yn；xn+1xn；ynxn Tntn-1；Tntn;ynxn-12、为什么说分凝器相当于一块理论板？为为什么说分凝器相当于一块理论板？为什么说再沸器也相当于一块理论板？什么说再沸器也相当于一块理论板？3、其他条件不变，精馏塔顶的全凝器改、其他条件不
28、变，精馏塔顶的全凝器改为分凝器。塔顶产品的浓度为分凝器。塔顶产品的浓度a)不变不变b)变小变小c)变大变大d)说不定说不定YDJ,School of Chemical and Chemistry Engineering,SCUT1 1、欲高纯度分离为什么必须采用回流、欲高纯度分离为什么必须采用回流2 2、精馏过程的实现、精馏过程的实现3 3、为什么回流有产品、为什么回流有产品4.用什么样设备、采用怎样的技术工艺才能同时实现用什么样设备、采用怎样的技术工艺才能同时实现多次部分汽化，部分冷凝呢？多次部分汽化，部分冷凝呢？塔内上半部分回流液自上而塔内上半部分回流液自上而下与上升蒸汽交换热量，回流下与
29、上升蒸汽交换热量，回流液中轻组分首先汽化进入汽相；液中轻组分首先汽化进入汽相；而上升蒸汽受冷却，则其中而上升蒸汽受冷却，则其中重组分必先冷凝进入回流液。重组分必先冷凝进入回流液。精馏与蒸馏的区别在于精馏与蒸馏的区别在于精馏有精馏有“回流回流”轻、重组分交换原因：轻、重组分交换原因：蒸馏蒸馏无回流无回流则不能实现轻、重组分的再分配则不能实现轻、重组分的再分配用用有回流的有回流的精馏技术才能得到高纯度产品精馏技术才能得到高纯度产品 只有只有回流回流才有轻、重组分的交换才有轻、重组分的交换液相回流液相回流：塔顶冷凝液部分回流塔顶冷凝液部分回流汽相回流汽相回流：塔内上升蒸汽冷却后部分回流塔内上升蒸汽冷
30、却后部分回流进料口进料口 塔下半部分塔下半部分2 2、精馏过程的实现、精馏过程的实现 工业上是在工业上是在连续精馏塔连续精馏塔中对液体混合物实现中对液体混合物实现 多次汽化和多次冷凝而达到高纯度分离的目的多次汽化和多次冷凝而达到高纯度分离的目的设备：设备：连续精馏塔连续精馏塔 （3）塔底）塔底再沸器（蒸馏釜）再沸器（蒸馏釜）加热液体产生上升蒸汽加热液体产生上升蒸汽(称为称为汽汽相回流相回流)，与下降液体逆流接触，塔底连续排出部分液体，作，与下降液体逆流接触，塔底连续排出部分液体，作为塔底产品。为塔底产品。（1）料液自塔中部适当位置进入塔内）料液自塔中部适当位置进入塔内（2）塔顶）塔顶冷凝器冷凝
31、器使蒸汽冷凝为液体，部分使蒸汽冷凝为液体，部分回流回流，其余作为，其余作为 塔顶产品连续排出塔顶产品连续排出YDJ,School of Chemical and Chemistry Engineering,SCUT过程分析过程分析 （1 1）加料口位置以上）加料口位置以上 传质传质过程过程结果：除去上升蒸汽中重组分，轻组分浓度增大结果：除去上升蒸汽中重组分，轻组分浓度增大加料口以上位置称为加料口以上位置称为精馏段精馏段（2）加料口位置以下）加料口位置以下 传质过程传质过程 加料口位置以下称加料口位置以下称为为提提馏馏段段回流回流是构成汽、液两相接触的必要条件；是构成汽、液两相接触的必要条件；没
32、有回流没有回流就没有精就没有精馏馏；精精馏过馏过程的基程的基础础仍然是仍然是组组分分挥发挥发度的差异。度的差异。小结：小结：重组分得到提浓重组分得到提浓3、讨论：回流为什么有产品？、讨论：回流为什么有产品？设设上升蒸汽量上升蒸汽量V，回流量，回流量L，产产品品D，组组成分成分别为别为y、x、xD（均（均为轻组为轻组分）分）塔上半部塔上半部：事：事实结论实结论V=L+DD=VL，假假设这设这一一结论结论是成立的。是成立的。可见可见部分回流，部分回流，产品有质（产品有质（x xD D）有量（）有量（D D）有实用价值）有实用价值结论推导结论推导塔下半部：塔下半部：（推导）（推导）【例例】在常压操作
33、的连续精馏塔中分离含苯在常压操作的连续精馏塔中分离含苯0.46（易挥发组分摩尔（易挥发组分摩尔分率）的苯分率）的苯甲苯二元混合物。已知原料液的泡点为甲苯二元混合物。已知原料液的泡点为92.5，苯的，苯的汽化潜热为汽化潜热为390kJ/kg，甲苯的汽化潜热为，甲苯的汽化潜热为361kJ/kg。试求以下各种。试求以下各种进料热状况下的进料热状况下的q值。值。（1）进料温度为）进料温度为20；（2）饱和液体进料；）饱和液体进料；（3）饱和蒸汽进料。）饱和蒸汽进料。已知物料平均温度下苯的比热容为已知物料平均温度下苯的比热容为1.81kJ/(kg)，甲苯的比热容为，甲苯的比热容为1.82kJ/(kg)。解：解：(1)进料温度为进料温度为20IV-IF相当于将相当于将1kmol的原料液由的原料液由20变成变成92.5的饱和蒸气的饱和蒸气所需要的热量。所需要的热量。IV IF=(92.5-20)CPm+rmCPm为混合液体的平均比热；为混合液体的平均比热；rm为混合液体的平均潜热为混合液体的平均潜热rm=r1 x1+r2 x2CPm=CP1 x1+CP2 x2（2）饱和液体进料）饱和液体进料q=1（3）饱和蒸汽进料）饱和蒸汽进料q=0rm=0.4630420+0.5433212=31927.68kJ/kgCPm=0.46141.18+0.54167.44=155.4 kJ/(kg)