化工基礎(chǔ)精餾

1、第六章 精 餾第一節(jié) 精餾原理第二節(jié) 簡單蒸餾第三節(jié) 連續(xù)精餾第四節(jié) 連續(xù)精餾理論塔板數(shù)的計算第五節(jié) 板式塔2022/9/1822.壓力： 常壓、真空、加壓。3.組分：雙組分、多組分。4.連續(xù)性：間歇、連續(xù)。一.精餾操作在化工生產(chǎn)中的應(yīng)用用于均相液體混合物的分離,達到提純或回收組分的目的。二.精餾分離的依據(jù)利用液體混合物中各組分揮發(fā)能力的差異。三.精餾操作的分類1.操作方式:蒸餾方式可分為簡單蒸餾、 平衡蒸餾、精餾、恒沸精餾、萃取精餾、水蒸氣精餾等。2022/9/183第一節(jié) 精餾原理一、溶液的蒸汽壓 根據(jù)溶液中同分子間的與異分子間的作用力的差異，可將溶液分為理想溶液和非理想溶液兩種。 溶液的

2、蒸汽壓與純組分時不同1. 氣液相平衡：單位時間從液相進入氣相的分子數(shù)與從氣相進入液相的分子數(shù)相等。摩爾分率：混合物中某組分的摩爾數(shù)與混合物總摩爾數(shù)的比值，以x表示2022/9/1842、基本概念易揮發(fā)組分：通常將沸點低的組分稱為易揮發(fā)組分。難揮發(fā)組分：通常將沸點高的組分稱為難揮發(fā)組分。 表示液相中易揮發(fā)組分的摩爾分率，（1-）表示難揮發(fā)組分的摩爾分率；表示氣相中易揮發(fā)組分的摩爾分率，（1-）表示難揮發(fā)組分的摩爾分率。理想溶液：在這種溶液內(nèi)，組分A、B分子間作用力 FAB與純組分A的分子間作用力FAA或純組 分B的分子間作用力FBB相等。2022/9/185二、理想的二組分互溶體系在一定溫度下,

3、氣相中任一組分的分壓等于此純組分在該溫度下的飽和蒸汽壓與它在溶液中的摩爾分率的乘積。pA=pA* x A 嚴格地說，理想溶液是不存在的。 由性質(zhì)極相近、分子結(jié)構(gòu)極相似的組分所組成的溶液，例如苯-甲苯，甲醇-乙醇，烴類同系物等都可視為理想溶液。 對于非理想溶液的氣液平衡關(guān)系可用修正的拉烏爾定律或?qū)嶒灁?shù)據(jù)來表示。1、拉烏爾定律2022/9/186由這些公式，可求出各溫度下的x、y值；由求出的各溫度下的x、y值，可以做出t-x-y相圖；2022/9/187t/苯 甲苯kPa mmHg kPa mmHg80.1 101.3 760 39.3 29584.0 113.6 852 44.4 33388.0

4、 127.6 957 50.6 379.592.0 143.7 1078 57.6 43296.0 160.5 1204 65.7 492.5100.0 179.2 1344 74.5 559104.0 199.3 1495 83.3 625108.0 221.2 1659 93.9 704.5110.8 233.0 1748 101.3 760苯-甲苯在不同溫度下的蒸汽壓t/ x y 80.1 1.00 1.00 2.58 84.0 0.823 0.923 2.56 88.0 0.659 0.830 2.5292.0 0.508 0.721 2.5096.0 0.376 0.596 2.45

5、100.0 0.256 0.453 2.40104.0 0.155 0.304 2.39108.0 0.058 0.128 2.36110.8 0.00 0.00 2.30苯-甲苯的汽液平衡數(shù)據(jù)2022/9/1882、（t-x-y）相圖t1t2t3t4t5tx(y)液相線（泡點線）氣相線（露點線）三區(qū)：液相區(qū)、 汽液共存區(qū) 汽相區(qū)兩線：泡點曲線、 露點曲線五點：A、B、C、D、E一原理：扛桿原理L(x-x)=V(y-x)2022/9/1893 、氣液相平衡圖（x-y圖）沸點-組成（t-x-y)圖 txy 圖x-y圖t1t2x1x2y1y2y1y2x1x22022/9/1810 對角線為 x=y

6、 的直線，作查圖時參考用。 平衡線一般都位于對角線上方。 平衡線偏離對角線愈遠，表示該溶液愈易分離。 在總壓變化不大時，外壓的影響可忽略。2022/9/1811三、揮發(fā)度及相對揮發(fā)度1、揮發(fā)度：若為純液體時， A =p*A。A = pA / xA B = pB / xB2、相對揮發(fā)度溶液中兩組分揮發(fā)度之比。在一定溫度下，某組分在蒸氣中的分壓和與之平衡的液相中該組分的 摩爾分率之比。2022/9/1812 對近似理想的體系，AB隨溫度變化小，2022/9/18133、用相對揮發(fā)度表示的氣液相平衡方程 =1，yA=xA，不可分離； 1 ，可以分離； =f(T,p),可采用幾何平均值：2022/9/

7、18142022/9/1815 最大誤差只有2%左右。x y(表6-2來 y(從計算來) 1.00 1.00 1.00 2.580.823 0.923 0.919 2.560.659 0.830 0.826 2.520.508 0.720 0.717 2.500.376 0.596 0.596 2.450.256 0.453 0.455 2.400.155 0.304 0.310 2.390.058 0.128 0.131 2.360.00 0.00 0.00 2.30 用平均相對揮發(fā)度計算的苯-甲苯氣液平衡數(shù)據(jù)2022/9/1816四、 雙組分非理想溶液1、具有正偏差的體系乙醇-水在這種溶液

8、內(nèi)，組分A、B分子間作用力FAB比純組分A的分子間作用力FAA或純組分B的分子間作用力FBB小。蒸汽壓偏高。汽相線下移。一定條件下具有最低恒沸點。不能得到某一組分的純物質(zhì)。乙醇-苯，乙醇-乙酸乙酯，丙醇-水，水-丁醇，戊醇-乙酸戊酯，水-丙酸等2022/9/18172022/9/1818硝酸-水（負偏差）2、具有負偏差的體系在這種溶液內(nèi)，組分A、B分子間作用力FAB比純組分A的分子間作用力FAA或純組分B的分子間作用力FBB大。蒸汽壓偏低。液相線上移。一定條件下具有最高恒沸點。不能得到某一組分的純物質(zhì)。水-硫酸，氯化氫-水，溴化氫-水，水-過氯酸，丙酮-氯仿等體系。2022/9/1819202

9、2/9/18202022/9/18211、壓力變化不大時 對泡點有明顯影響，對t-x-y相圖影響較大； 對相對揮發(fā)度影響小，對x-y相圖影響小。2、壓力有顯著變化時(1) 壓力顯著增加 相對揮發(fā)度減小，x-y相圖上平衡線下移。 壓力過度增加，平衡線與對角相交，形成恒沸點。 恒沸點組成隨壓力的增加程度而變化。五、壓力對汽液平衡的影響2022/9/1822壓力對于N2-O2體系平衡的影響2022/9/1823(2) 壓力顯著減小 相對揮發(fā)度增加，x-y相圖上平衡線上移。 恒沸點組成發(fā)生變化。 壓力降低到一定程度，原來的恒沸點消失。 組分的相對分子質(zhì)量越大，沸點降低的趨勢越大。乙醇-水體系的恒沸組成

10、隨系統(tǒng)壓力的變化系統(tǒng)壓力/kPa 193.4 101.3 26.4 12.7 9.3恒沸組成x水 0.113 0.106 0.067 0.013 0.02022/9/18242022/9/1825作業(yè)：P243- 1，82022/9/1826第二節(jié) 簡單蒸餾一、簡單蒸餾使混合液在蒸餾釜中逐漸受熱氣化，并不斷將生成的蒸氣引入冷凝器，以達到混合液中各組分得以分離的方法，稱為簡單蒸餾或微分蒸餾。1、原理x1y12022/9/18272、簡單蒸餾特點： 只能得到不同沸程段的餾出液。 一次加料，釜內(nèi)及餾出液的含量不斷變化。 產(chǎn)物組成與殘液間只存在物料衡算關(guān)系，無平衡關(guān)系。 沸點差較大的混合液； 分離含量

11、要求不高的情況； 粗加工過程。3、應(yīng)用：2022/9/1828二、平衡蒸餾（閃蒸）將混合液加熱到泡點以上，保持汽液共存進入閃發(fā)塔，閃發(fā)分離出蒸汽和殘液的蒸餾。1、原理tx(y)2022/9/18292、特點： 也只能得到混合物而不 能得到純凈物。 較低溫度下獲得較多氣 體餾分。 產(chǎn)物組成與殘液間存在 相平衡關(guān)系。 高溫易分解的物料分離； 石油精餾前的預(yù)處理； 粗加工過程。3、應(yīng)用：2022/9/1830第三節(jié) 連續(xù)精餾連續(xù)精餾的概念連續(xù)精餾操作就是在同一設(shè)備內(nèi)多次而且同時運用部分氣化和冷凝的方法，以得到接近于純的易揮發(fā)組分和接近于純的難揮發(fā)組分的操作。2022/9/1831一、 精餾原理1、部

12、分氣化部分冷凝液相進行多次的部分氣化可以得到純的難揮發(fā)組分。汽相進行多次的部分冷凝可以得到純的易揮發(fā)組分。2022/9/18322022/9/18332、汽液兩相有溫差組成相近的體系，其露點高于泡點，有溫差，能自動進行熱量傳遞，同時就使蒸汽部分冷凝，液體部分汽化。3、組分的摩爾相變熱相近可以使部分冷凝的部分汽化的量接近，汽液相的總量變化不大。t1t2x(y)2022/9/1834二、精餾塔中物相組成的變化x1 x2 x3 x4t4 t3 t2 t1 y1 y2 y3 y41、組成變化2022/9/18352、操作情況(1)、每層塔板都同時進行部分汽化和部分冷凝；(2)、汽相向上富集易揮發(fā)組分，

13、液相向下富集難揮發(fā)組分(3)、塔頂必須有一定的回流，塔底必須生成一定的蒸汽。(4)、進料在與其組成相近的那塊塔板上。3、精餾塔的分段(1)、精餾段：進料口以上的部分。(2)、提餾段：進料口以下的部分。 各塔板上的液相中易揮發(fā)組分濃度高于進料組成 各塔板上的液相中難揮發(fā)組分濃度高于進料組成2022/9/1836三、回流比R1、定義塔頂蒸汽冷凝后，返回到精餾塔頂?shù)牧縇與餾出液D之比值。R=L/D 蒸汽的總量為：V=L+D=RD+D=D（R+1）2、回流比的意義 回流比越大，分離效率越高。 回流是連續(xù)精餾的基本條件之一。2022/9/1837四、精餾塔的精餾過程餾出液回餾液全凝器再沸器加料板精餾段提

14、餾段 2022/9/1838、精餾塔組成：塔體、塔板、填料、再沸器、冷凝器。塔底溫度最高，越往上溫度越低，塔頂溫度最低。越往上易揮發(fā)組分含量越高，越往下難揮發(fā)組分含量越高。離開塔板的汽液兩相達到平衡狀態(tài)時，該塔板稱為理論塔板。、溫度分布規(guī)律：、氣液組成的變化規(guī)律：、理論塔板：2022/9/1839第四節(jié) 連續(xù)精餾理論塔板數(shù)的計算一、計算的條件1、理論塔板假設(shè)離開塔板的汽液兩相達到相平衡狀態(tài)的塔板。2022/9/18402、恒摩爾流假設(shè)(1)、恒摩爾氣化V1= V2= V3 = = VV1= V2= V3 = = V(2)、恒摩爾溢流L1 = L2= L3 = = LL1 = L2 = L3=

15、=L每層塔板的上升氣流量都是分段相等；每層塔板的下降液體流量都是分段相等；2022/9/1841 各組分的摩爾潛熱相同； 因溫度不同，氣液接觸交 換的顯熱可忽略； 保溫良好。(3)、恒摩爾流假設(shè)的條件2022/9/18423、塔頂全凝回流，塔底再沸器產(chǎn)生蒸汽全凝回流使回流液組成與第一塊塔板上的汽相組成相同。塔底產(chǎn)生蒸汽是部分汽化，相當于一個塔板。4、泡點進料V1= V2= V3 = = V1= V2= V3 = = VL1 = L2= L3 = = LL1 = L2 = L3= =L+F43/143五種進料情況：2022/9/1844二、精餾段操作線方程總物料衡算：V = L+D輕組分物料衡算

16、：R=L/DV yn+1=Lxn + D xd2022/9/1845精餾段操作線方程 表明相鄰兩塔板間的汽液組成的關(guān)系 適合于整個精餾段 在x-y相圖上為一直線 R、xd由工藝條件決定 x=xd時，y =xd與對角線交于x=xd x=0時，y =xd/(R+1)，即操作線在y軸上的截距。2022/9/1846三、提餾段操作線方程L+F= V + W( L+F)xm = V ym+1 + WxWV = L+D，W=F-D，泡點進料時，提餾段的液相回流量為L+F：2022/9/1847提餾段操作線方程 表示相鄰塔板的汽液相組成關(guān)系。 由操作條件確定R、f、xw。 f=F/D，單位量餾出液所需進料量

17、， 提餾段操作線在x-y相圖上也是一條直線。 當x=xw時，y=xw,與對角線交于xw處。 與精餾段操作線交于xf處:Lx+Dxd=(L+F)x-WxwFx=Dxd+Wxw=Fxfx= Fxf /F=xf2022/9/18482022/9/1849例：常壓連續(xù)精餾時，料液于泡點送入塔中。已知操 作線方程為： 精餾段 y=0.60 x+0.38 提餾段 y=1.40 x-0.02 求回流比、進料、餾出液、餾殘液的組成。解：根據(jù)精餾段的操作線方程：得：則：R=1.5，xd=0.95根據(jù)提餾段的操作線方程：2022/9/1850得：則：f=2.0，xw=0.05泡點進料，兩段操作線相交于xf處，則解

18、方程組：y=0.60 xf+0.38y =1.40 xf-0.02得：xf=0.50所以該精餾操作的回流比為1.5，進料組成為0.50，餾出液組成為0.95、餾殘液組成為0.05.。2022/9/1851理論板數(shù)的確定 在分析精餾原理時曾提及理論板的概念。所謂理論板是指離開這種板的氣液兩相互成平衡，而且塔板上的液相組成也可視為均勻一致的。實際上，由于塔板上氣液間接觸面積和接觸時間是有限的，因此在任何型式的塔板上氣液兩相都難以達到平衡狀態(tài)，也就是說理論板是不存在的。理論板僅是作為衡量實際板分離效率的依據(jù)和標準，它是一種理想板。2022/9/1852N = n + m - 1四、逐板計算法求理論板

19、數(shù)2022/9/1853逐板計算法xD = y1 由氣液平衡x1由操作線方程y2依此類推至xn xF按提留段操作線方程由xF = x1y2由氣液平衡x2xn xW依此類推至2022/9/18542022/9/1855例：進料為苯-甲苯混合物，其中xf=0.5，要求餾出液中xd=0.95，餾殘液中xw 0.05，選用回流比為2，設(shè)苯-甲苯體系在常壓下的相對揮發(fā)度為2.45，試用逐板計算法求所需的理論塔板數(shù)。解：已知 xd=0.95，xw=0. 05，xf=0.50，R=2，=2.45則精餾段操作線方程：提餾段操作線方程：平衡關(guān)系：2022/9/1856第一塊板：第二塊板：板數(shù)12345y0.95

20、0.9080.8510.7840.715x0.8860.8010.7000.5940.506進料組成xf=0.5，因此進料在第五塊板，x5取0.503。2022/9/1857從第六塊板按提餾段操作線計算，且x5=0.503第六塊板：板數(shù)67891011y0.6540.5650.4460.3130.1950.102x0.4360.3470.2470.1570.0890.044 得到理論塔板數(shù)11個，減去塔釜一個，為10個。 適用理想或接于理想的體系。2022/9/1858五、圖解法求理論板數(shù)2022/9/1859圖解法的步驟：在直角坐標系上繪出待分離混合液的x-y相平衡曲線及對角線y=x；在x軸

21、上作垂線x=xD與對角線相交于a，再按精餾段操作線的截距xD /（R+1），在y軸上 定出點b。連接ab，得精餾段操作線。在x軸上作垂線x=xf與精餾段操作線ab交于點d。再在x軸上作垂線x=xw與對角線相交于c，再將點c與點d相連得提留段操作線cd。從點a開始，在操作線與平衡線之間繪出水平線與垂線組成的階梯。每一個階梯，代表一層理論板，梯級總數(shù)即為理論板總層數(shù)。2022/9/1860六、回流比的影響與選擇1、全回流全回流：R= D = 0 V=L全回流時操作線為對角線。全回流時所需理論塔板數(shù)最少。2022/9/1861求最小回流比的方法:2、最小回流比RM最小回流比是在特定的xd、xw下的；

22、 實際回流比 R=1.55 RM， 常用 R=1.52.5 RM 2022/9/1862對于偏差較大的體系，y-x線下凹的體系：OB2022/9/18633、適宜回流比選擇2022/9/1864七、捷算法求理論塔板數(shù)芬斯克-吉利蘭特（Fenske-Gilliand)估算法1、求全回流下的理論塔板數(shù)NM對于理想體系：則：全回流時操作線：則：2022/9/1865其中：代入：兩邊取對數(shù)：對于精餾段： 取塔兩端的平均值。2022/9/18662、求最小回流比RM對理想體系：其中：3、求理論塔板數(shù)N吉利蘭特圖與曲線2022/9/1867計算NmRm R 橫坐標作垂線交點水平線交縱坐N2022/9/18

23、68例：苯-甲苯體系的平均揮發(fā)度為2.45 ，若xf=0.5，xd=0.95， xw = 0.05，R=2，試用捷算法求理論塔板數(shù)。解：先求最小回流比：則：查圖得：其中2022/9/1869若只計算精餾段： 捷算法的結(jié)果與前面逐板計算的基本一致。 捷算法適合泡點進料的理想或接近理想的體系。 捷算法有一定誤差，可作預(yù)算或概算用。計算結(jié)果：總的理論塔板12塊，在第六塊進料。2022/9/18701、單板效率(莫弗里板效率)(1) 氣相莫弗里板效率(EMG)(2) 液相莫弗里板效率(EML)八、實際塔板數(shù)和板效率2022/9/1871實際塔板數(shù)：因為實際塔板上不能達到平衡狀態(tài)，故 實際所需塔板數(shù)總是

24、大于理論塔板數(shù)。2、全塔板效率 全塔效率通常在(0.20.8); 雙組分混合液多在(0.50.7)2022/9/1872作業(yè):9，13，18，19，20，21，222022/9/1873第五節(jié) 板式塔板式塔泡罩塔、傘帽塔浮閥塔篩板塔舌形塔浮舌塔浮動噴塔斜孔塔篩孔塔柵板塔鼓泡塔噴射塔穿流塔有降液管無降液管2022/9/1874一、泡罩塔1、結(jié)構(gòu)塔板、溢流堰、降液管升氣管、泡罩2、特點優(yōu)點：操作穩(wěn)定，升氣管使泡罩塔板低氣速下也不致產(chǎn)生嚴重的漏液現(xiàn)象，故彈性大。缺點：結(jié)構(gòu)復(fù)雜，造價高，塔板壓降大，生產(chǎn)強度低。2022/9/1875泡罩塔2022/9/1876泡罩直徑：801001502022/9/1

25、8772022/9/1878泡罩塔操作液量過小氣體直接排開液體上升液量過大液體從泡罩升氣管流下（傾流）氣量過小脈沖鼓泡氣量過大霧沫夾帶氣、液量均很大液泛2022/9/18791、操作彈性大，在氣、液負荷波動較大時仍能保持較恒定的塔板效率。2、對物料適應(yīng)性強，塔板不易堵塞。泡罩塔優(yōu)點1、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，金屬耗量大，造價高，安裝和維修不方便。2、氣體壓力降大，霧沫夾帶較嚴重，因此限制了氣速的提高，生產(chǎn)能力不大。泡罩塔缺點2022/9/1880二、浮閥塔浮閥結(jié)構(gòu)（F1）三閥腳：導(dǎo)向、保持位置 控制最大開度。三定距片：控制靜開度。無升氣管。園形、直徑48mm重閥33克，輕閥25克特點生產(chǎn)能力大：比泡罩塔提高2030%操作彈性大：79（泡罩塔45，篩板塔23）液面差小，氣體分布均勻，阻力小，可用于減壓精餾。結(jié)構(gòu)簡單，易安裝檢修，造價低。2022/9/1881浮閥塔輕閥=1.5mm，重約25g。重閥=2.0mm，重約33g。2022/9/1882minmax定距片銳邊閥腳2022/9