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1、第一章 精馏精馏过程的热量衡算、节能和操作分析精馏过程的热量衡算、节能和操作分析2通过本节的学习，应熟悉冷凝器、再沸器的热量衡算，加热介质、冷却介质的消耗量，了解节能措施，并能掌握精馏过程的操作分析。学习目的与学习目的与要求要求32.2.单板效率单板效率Single tray efficiencySingle tray efficiency，默弗里（，默弗里（MurphreeMurphree）效率）效率*xxxxEy*yyyEnnnnmLnnnnmV=+1111经过理论板的浓度变化经过实际板的浓度变化=Em4物性参数物性参数：主要为汽液两相的物：主要为汽液两相的物性如密度、粘度、表面张力、相对
2、性如密度、粘度、表面张力、相对挥发度、扩散系数等；挥发度、扩散系数等；塔板结构参数塔板结构参数：主要为塔板的结：主要为塔板的结构如塔板型式、板间距、板上开孔构如塔板型式、板间距、板上开孔和排列情况等；和排列情况等；操作参数操作参数：汽、液相的流速、温：汽、液相的流速、温度、压力等。度、压力等。3.3.影响塔板效率的主要因素影响塔板效率的主要因素54.4.塔高的计算塔高的计算5.5.塔径的计算塔径的计算=板间距注意：注意：上式是指精馏塔主体的有效高度，而不包括塔底蒸馏釜和上式是指精馏塔主体的有效高度，而不包括塔底蒸馏釜和塔顶空间等高度在内。塔顶空间等高度在内。式中，式中，D为精馏塔的内径，为精馏
3、塔的内径，m;u为空塔速度为空塔速度，m.s-1;Vs为塔内上为塔内上升蒸气的体积流量，升蒸气的体积流量，m3.s-1。6再沸器热流量再沸器热流量Q QB B1.5.10 1.5.10 精馏过程的热量衡算精馏过程的热量衡算QB()21hWBBBLLWVWBLLWLWVWBIIQQIIVQQI LWIIVQW LV+=+=加热介质的消耗量()()()LDVDCLDLDVDCIIDRQ)DILI(VIQDRDLV+=+=+=+=11()12CWttcQpcC冷却介质的消耗量全塔进行热量衡算全塔进行热量衡算WDCBFWIDIQQFI+=+冷凝器的热流量冷凝器的热流量Q QC C7精馏所必需的汽相流的
4、产生需要大量热量由塔底加入；所必精馏所必需的汽相流的产生需要大量热量由塔底加入；所必需的液相流的产生必须在塔顶移走大量热量。精馏需的液相流的产生必须在塔顶移走大量热量。精馏过程是一过程是一个能耗高的过程。个能耗高的过程。一、节能的措施：一、节能的措施：1.1.回流比优化回流比优化-reflux ratio optimizationreflux ratio optimization1.5.11 1.5.11 精馏过程的节能分析精馏过程的节能分析回流比是决定塔内汽、液相流量大小的重要参数。回流比是决定塔内汽、液相流量大小的重要参数。82.2.适宜进料位置适宜进料位置 suitable feedin
5、g positionsuitable feeding position3.3.回收和充分利用精馏装置的余热回收和充分利用精馏装置的余热在适宜进料位置条件下操作，可以避免本来提纯的物流与在适宜进料位置条件下操作，可以避免本来提纯的物流与浓度不同的进料混合，即返混合，使塔具有更高的分离能浓度不同的进料混合，即返混合，使塔具有更高的分离能力，可在完成相同的分离任务时，能耗最低。力，可在完成相同的分离任务时，能耗最低。将余热用于预热原料、供热等。将余热用于预热原料、供热等。4.4.对蒸馏过程进行分析、优化控制对蒸馏过程进行分析、优化控制,选择合适的保选择合适的保温材料进行保温温材料进行保温9再沸器采用
6、多孔表面或热管元件；再沸器采用多孔表面或热管元件；冷凝器采用翅片管。冷凝器采用翅片管。5 5 塔釜再沸器和塔顶冷凝器采用高效传热元件塔釜再沸器和塔顶冷凝器采用高效传热元件二、工业化的节能精馏二、工业化的节能精馏热泵蒸馏；热泵蒸馏；多效精馏；多效精馏；设置中间再沸器和中间冷凝器。设置中间再沸器和中间冷凝器。101.5.12.1 1.5.12.1 精馏塔操作分析精馏塔操作分析增大回流比可增大回流比可减少分离所需的理论板减少分离所需的理论板数数。但回流比增大，必要求但回流比增大，必要求塔釜产生的蒸塔釜产生的蒸气量相应增加气量相应增加。（1 1）回流比的影响回流比的影响（2 2）进料位置的影响）进料位
7、置的影响在在适宜进料位置条件适宜进料位置条件下操作，可以下操作，可以避免避免本来提纯的物流与浓本来提纯的物流与浓度不同的进料混合，即度不同的进料混合，即返混合返混合，使，使塔具有更高的分离能力塔具有更高的分离能力。跨过两操作线交点的板为跨过两操作线交点的板为最佳进料板最佳进料板。11（3 3）进料热状况的影响）进料热状况的影响R R不变时，精馏段不变，冷凝器热负荷不变，不变时，精馏段不变，冷凝器热负荷不变，进料温度升高，进料温度升高，q q减小减小，再沸器热负荷下降再沸器热负荷下降q q减小，所需的减小，所需的理论塔板数增大理论塔板数增大1.5.12.2 1.5.12.2 精馏产品质量控制精馏
8、产品质量控制温度控制温度控制灵敏板灵敏板中间部分的精馏段或提馏段的某些塔中间部分的精馏段或提馏段的某些塔板温度变化最显著，称为板温度变化最显著，称为灵敏板灵敏板。121.6 1.6 双组份间歇精馏双组份间歇精馏原料每批浓度、量不定。原料每批浓度、量不定。（1 1）适用场合适用场合（2 2）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，没有提馏段间歇精馏通常有间歇精馏通常有恒回流比、恒馏出液组恒回流比、恒馏出液组成成这两种操作方式。这两种操作方式。思考：间歇精馏与简单蒸馏有何相同和不同之处？间歇精馏流程简图 D,xD 加热蒸汽 F,xF 131.6 1.6 双组份间歇精馏双组份间歇
9、精馏（3 3）恒回流比操作）恒回流比操作xyc2c3c1回流比不变回流比不变，塔板塔板数不变数不变。但但随着塔随着塔底浓度的降低底浓度的降低，塔塔顶浓度不断降低顶浓度不断降低。这种方式操作较这种方式操作较为方便为方便，但但得不到得不到较高浓度的产品较高浓度的产品。141.6 1.6 双组份间歇精馏双组份间歇精馏（4 4）恒馏出液组成操作）恒馏出液组成操作xyac2c3c1回流比不断变回流比不断变大大，塔板数不塔板数不变变。虽然虽然塔底塔底浓度不断降低浓度不断降低，但塔顶浓度不但塔顶浓度不变变。这种方式不这种方式不好操作控制好操作控制，但能但能得到较高得到较高浓度的产品浓度的产品。间歇精馏流程简
10、图 D 加热蒸汽 F,xF 151.6 1.6 双组份间歇精馏双组份间歇精馏XDXD恒定时的理论塔板数恒定时的理论塔板数N NT T确定最小回流比确定最小回流比确定操作回流比确定操作回流比R=1.1R=1.12.0R2.0Rminmin图解法确定塔板数图解法确定塔板数161.6 1.6 双组份间歇精馏双组份间歇精馏回流比恒定时的理论塔板数回流比恒定时的理论塔板数N NT T试差法试差法假定初始的假定初始的x xD D初始初始，确定最小回流比和，确定最小回流比和实际操作的回流比，实际操作的回流比，校核初始的校核初始的x xD D初始初始，使馏出液的平均组，使馏出液的平均组成高于设计的馏出液平均组
11、成。成高于设计的馏出液平均组成。171.8 1.8 特殊蒸馏特殊蒸馏 special distillationspecial distillation适用场合：适用场合：对于多种物质混合在一起的多组分均相混合物，其分离过程则对于多种物质混合在一起的多组分均相混合物，其分离过程则需要采用需要采用多组分精馏分离多组分精馏分离的方法的方法。在被分离的混合液中加入在被分离的混合液中加入第三组分第三组分，以改变原混合物组分间的，以改变原混合物组分间的相对挥发度，从而用精馏将它们分离。相对挥发度，从而用精馏将它们分离。用于用于1的混合液的混合液 或或1=的混合液的混合液 萃取精馏恒沸精馏特殊精馏萃取精馏恒
12、沸精馏特殊精馏18恒沸蒸馏及萃取精馏恒沸蒸馏及萃取精馏azeotropic distillation,Extractive distillation有两类混合物在精馏过程中无法对组分进行分离或有两类混合物在精馏过程中无法对组分进行分离或能分离但分离十分困难。能分离但分离十分困难。另一类混合物是另一类混合物是相对挥发度极小，要分离它，需要高相对挥发度极小，要分离它，需要高的回流比及高的热交换量，而且需要许多塔板的回流比及高的热交换量，而且需要许多塔板。如乙醇水混合物，当达到如乙醇水混合物，当达到9696质量分率时，即达到质量分率时，即达到恒沸点，此时精馏不再发生增浓作用。在恒沸点，此时精馏不再发
13、生增浓作用。在x yx y曲线上曲线上平衡线与对角线相交。现在已发现有大量平衡线与对角线相交。现在已发现有大量恒沸混合物恒沸混合物。加入的第三组分与原溶液中的一个或者两个组分形成加入的第三组分与原溶液中的一个或者两个组分形成最低恒沸物最低恒沸物，从而形成了“恒沸物纯组分”的精馏体系，从而形成了“恒沸物纯组分”的精馏体系，恒沸物从塔顶蒸出，纯组分从塔底蒸出，这种形式的精馏称恒沸物从塔顶蒸出，纯组分从塔底蒸出，这种形式的精馏称为恒沸精馏，其中所添加的第三组分称为为恒沸精馏，其中所添加的第三组分称为恒沸剂恒沸剂或者夹带或者夹带剂。剂。1 1.8 8.1 1 恒沸精馏恒沸精馏例例1：乙醇：乙醇-水体系
14、水体系乙醇乙醇水水苯苯乙醇乙醇-水恒沸物水恒沸物苯苯-乙醇乙醇-水恒沸物水恒沸物78.310080.178.1564.6乙醇乙醇-水恒沸物组成水恒沸物组成乙醇乙醇0.895 水水0.105苯苯-乙醇乙醇-水恒沸物组成水恒沸物组成乙醇乙醇0.230 水水0.226 苯苯0.554常压下沸点常压下沸点加入恒沸剂苯后加入恒沸剂苯后，水被苯水被苯从塔顶带出从塔顶带出，塔底基本上塔底基本上是无水乙醇是无水乙醇。20YungYung约在约在19021902年发现将苯加入乙醇水混合物中形成三组年发现将苯加入乙醇水混合物中形成三组分恒沸混合物，其摩尔组成为苯分恒沸混合物，其摩尔组成为苯53.9%53.9%，乙
15、醇，乙醇22.8%22.8%，水，水23.3%23.3%，恒沸点为，恒沸点为64.8564.85o oC C。而原双组分恒沸物的沸点为。而原双组分恒沸物的沸点为7878o oC C（乙醇的摩尔含量为（乙醇的摩尔含量为8989）。）。这种方法大大这种方法大大改变了恒沸点改变了恒沸点。分离的流程见左图。分离的流程见左图。21恒沸精馏对加入第三组分的要求恒沸精馏对加入第三组分的要求1 1、能与被分离组分形成新的恒沸物、能与被分离组分形成新的恒沸物AzeotropeAzeotrope，其，其恒沸点要比纯组分的沸点低；恒沸点要比纯组分的沸点低；2 2、新恒沸物中第三组分的含量越少越好；、新恒沸物中第三组
16、分的含量越少越好；3 3、新恒沸物最好是非均相混合物，以便于分层分离；、新恒沸物最好是非均相混合物，以便于分层分离；4 4、无毒，热稳定性好。、无毒，热稳定性好。221.8.2 1.8.2 萃取精馏萃取精馏Extractive distillationExtractive distillation萃取精馏用于分离相对挥发度很小的混合物，如甲基环己烷萃取精馏用于分离相对挥发度很小的混合物，如甲基环己烷和正庚烷，相对挥发度只有和正庚烷，相对挥发度只有1.081.08。与恒沸精馏相似，加入第三组分以改变原有组分之间的相对与恒沸精馏相似，加入第三组分以改变原有组分之间的相对挥发度。不同的是：挥发度。不
17、同的是：要求第三组分的沸点较原混合物中任一要求第三组分的沸点较原混合物中任一组分沸点要高得多，而且不与原组分形成恒沸物组分沸点要高得多，而且不与原组分形成恒沸物。在被分离的二元混合液中加入第三组分，在被分离的二元混合液中加入第三组分，沸点很高，沸点很高，且该组分不且该组分不与其它组分形成恒沸物，但与原溶液中与其它组分形成恒沸物，但与原溶液中 A A、B B 两组分的分子作用力不两组分的分子作用力不同，从而增大它们的相对挥发度，或打破原恒沸体系，使精馏得以进同，从而增大它们的相对挥发度，或打破原恒沸体系，使精馏得以进行，这种形式的精馏称为行，这种形式的精馏称为萃取精馏萃取精馏。其中所添加的第三组
18、分称为萃取。其中所添加的第三组分称为萃取剂，精馏时剂，精馏时从塔底排出。从塔底排出。例例 1 常压下沸点常压下沸点 环己烷环己烷 苯苯 糠醛糠醛 苯酚苯酚 80.8 80.1 161.7 180 1 1.8 8.2 2 萃取精馏萃取精馏糠醛能显著降低苯的饱和蒸汽压，而对环己烷影响不明显，使苯糠醛能显著降低苯的饱和蒸汽压，而对环己烷影响不明显，使苯从易挥发组分变为难挥发组分，而且使环己烷从易挥发组分变为难挥发组分，而且使环己烷-苯的苯的 增大至增大至2 2以上以上。环己烷环己烷-苯恒沸物苯恒沸物7724当在苯环己烷溶液中加入第三组分糠醛后当在苯环己烷溶液中加入第三组分糠醛后，其相对挥发度其相对挥
19、发度改变改变。不同的加入量不同的加入量，溶液相对挥发度的改变值见下表溶液相对挥发度的改变值见下表.溶液中糠醛溶液中糠醛的的mol%mol%0 00.20.20.40.40.50.50.60.60.70.7相对挥发度相对挥发度0.980.981.381.381.861.862.072.072.362.362.72.7表明，表明，第三组分加入量的多少对相对挥发度影响很大第三组分加入量的多少对相对挥发度影响很大。25萃取精馏对加入第三组分的要求萃取精馏对加入第三组分的要求1 1、选择性高，加入萃取剂后各组分相对挥发度发生、选择性高，加入萃取剂后各组分相对挥发度发生显著变化；显著变化；2 2、挥发性小
20、，不和原组分形成恒沸物；、挥发性小，不和原组分形成恒沸物；3 3、来源方便，价格便宜；、来源方便，价格便宜；4 4、无毒，热稳定性好。、无毒，热稳定性好。恒沸精馏与萃取精馏比较恒沸精馏与萃取精馏比较环己烷环己烷苯苯丙酮丙酮环己烷环己烷-苯恒沸物苯恒沸物环己烷环己烷-丙酮恒沸物丙酮恒沸物80.880.156.27753恒沸精馏恒沸精馏 萃取精馏萃取精馏 环己烷环己烷 苯苯 糠醛糠醛 80.8 80.1 161.7 同一个体系即可用恒沸精馏，又可用萃取精馏。两者有何区同一个体系即可用恒沸精馏，又可用萃取精馏。两者有何区别呢？别呢？恒沸精馏操作温度低，萃取精馏操作温度高；恒沸精馏操作温度低，萃取精馏
21、操作温度高；萃取剂更易找到；萃取剂更易找到；萃取剂必须由塔顶加入，而恒沸剂无此要求。萃取剂必须由塔顶加入，而恒沸剂无此要求。操作条件包括：操作条件包括：进料状况进料状况（F F、x xF F、q q）R R操作压力操作压力P P操作温度操作温度T T冷凝器热负荷冷凝器热负荷V V再沸器热负荷再沸器热负荷V V D D、W WD,xDW,xWF,xF习题课习题课操作型设计型操作型设计型操作型问题操作型问题:定性分析定性分析定量计算定量计算塔顶塔顶操作型定性分析举例操作型定性分析举例【例例1 1】一操作中的常压连续精馏塔分离某混合液一操作中的常压连续精馏塔分离某混合液。现保持回现保持回流液量和进料
22、状况流液量和进料状况（F F、x xF F、q q）不变不变，而而减小塔釜加热蒸汽减小塔釜加热蒸汽量量，试分析试分析x xD D、x xW W如何变化如何变化？快速分析法快速分析法作图作图+排除法排除法建议：建议：首先推荐使用“快速分析法”；如果此法不行，再使用“首先推荐使用“快速分析法”；如果此法不行，再使用“作图排除法”。作图排除法”。VLVLFqVV)1(+=+=，F、q不变不变 qFLL+=+=，F、q、L 不变，不变，L 不变，而不变，而 V 解法一：快速分析解法一：快速分析xD变大变大xW变大变大而而L不变不变V【例例1 1】一操作中的常压连续精馏塔分离某混合液一操作中的常压连续精
23、馏塔分离某混合液。现保持回现保持回流液量和进料状况流液量和进料状况（F F、x xF F、q q）不变不变，而而减小塔釜加热蒸汽量减小塔釜加热蒸汽量，试分析试分析x xD D、x xW W如何变化如何变化？此法的依据是：此法的依据是：L L/V V 越小，越靠近平衡线，对精馏分离越不利，会导致越小，越靠近平衡线，对精馏分离越不利，会导致x xD D变小；变小；L L/V V 越大，越靠近平衡线，对精馏分离越不利，会导致越大，越靠近平衡线，对精馏分离越不利，会导致x xW W变大。变大。L L/V V 或或L L/V V 不变时，每块塔板分离效果不变。再结合板数为定值进行分析。不变时，每块塔板分
24、离效果不变。再结合板数为定值进行分析。x y x y 作图作图，得得N N，与与N N不变这个前不变这个前提相矛盾提相矛盾。故假设不成立故假设不成立。解法二：作图解法二：作图+排除法排除法假设假设x xD D不变不变、假设、假设x xD D变小变小故故x xD D只能变大只能变大VLVL解法二：作图解法二：作图+排除法排除法VLVL x y 至于至于x xW W，也用作图排除法推也用作图排除法推知知，只能变大只能变大。R 不变，不变，1+=+=RRVL不变不变 D、R、q 和和 F 不变，不变，FqDRqFRDVL)1()1(+=+=不变，不变，【练习练习】一操作中的常压连续精馏塔分离某混合液
25、一操作中的常压连续精馏塔分离某混合液。现保持塔现保持塔顶馏出液量顶馏出液量D D、回流比回流比R R、进料状况进料状况（F F、x xF F、q q）不变不变，而而减小减小操作压力操作压力，试分析试分析x xD D、x xW W如何变化如何变化？【解解】快速分析法：快速分析法：精馏段分离能力不变，板数精馏段分离能力不变，板数也未变，但因操作压力变小也未变，但因操作压力变小，导致相对挥发度变大，导致相对挥发度变大xD变大变大提馏段分离能力不变，板提馏段分离能力不变，板数也未变，但因操作压力数也未变，但因操作压力变小，导致相对挥发度变变小，导致相对挥发度变大大xW变小变小操作型定性分析举例操作型定性分析举例快速分析法快速分析法作图作图+排除法排除法VL不变，不变，VL不变不变 P【解解】作图作图+排除法：排除法：x x y y 假设假设xD不变不变、假设、假设xD变小变小作图作图，得得N，与与N不变这个前不变这个前提相矛盾提相矛盾。故假设不成立故假设不成立。故故xD只能变大，只能变大，xW变小。变小。+=+=+=+=WDFWxDxFxWDF