化工原理----精馏课件

xD
吸收
32
6.3 双组分连续精馏塔的计算
图解法（续）
实际图解过程
1 2 3
4
5
xW
xF
xD
吸收
33
6.3 双组分连续精馏塔的计算
说明：
1 ） NT是指精馏塔所需的理论塔板数，其数值 必须指明是否包括塔釜在内（塔釜也相当于一块理论 塔板）。
2）由教材P270 例 7－7可知，进料热状况不同，
所需 NT及进料板位置均不同。
吸收
4
6.1 理想溶液的气液相平衡
蒸馏是气液两相间的传热和传质过程 气液相平衡关系是指溶液与其上方蒸汽达到相平
衡时，汽液相间组成、温度和压强的关系。 气液相平衡关系是分析蒸馏原理和进行设备计算
的理论基础，过程以两相达到平衡为极限 气液相平衡关系可用 p（分压）— x 或
t — x（或 y ）或 x — y 的函数关系或相图来表 示。
L’
吸收
15
馏出液 L D , xD , ID
V’ 釜残液 W , xW , IW
16
6.3 双组分连续精馏塔的计算
6.3.2 恒摩尔流的假设
塔顶采用全凝器，塔釜间接加热 离开每块塔板的气液相达到平衡 每段各板上的气液摩尔流量各自恒定（不一定相等） 满足恒摩尔流的 条件
➢ 各组分的摩尔汽化潜热相等； ➢ 气液接触时因温度不同而交换的显热可以忽略； ➢ 塔设备保温好，无热损失。
∴ （V’－V） IV ＝（L’－L） IL －F IF
即 q L' L IV I F r C p (tb t F )
F
IV I L
r
1k mol进 料 变 为 饱 和 蒸 气 所 需的 热 量 原 料 液 的 千 摩 尔 气 化 潜热
吸收
24
6.3 双组分连续精馏塔的计算
q值重要的物理意义
大多数溶液，平衡线位于对 角线上方，且偏离对角线愈远， 此溶液愈易分离（传质推动力 越大）。
总压变化不大时外压影响可 忽略，但温度的变化对 y—x 平衡线的影响较大。
吸收
8
6.1 理想溶液的气液相平衡
6.1.2 相平衡——相平衡方程
纯液体的挥发度：该液体在一定温度下的饱和蒸气压。
溶液中各组分的挥发度：该组分在蒸气中的分压和与之 相平衡的液相中的摩尔分率之比。
则交点轨迹：（V’－V）y＝（L’－L）x－（DxD＋WxW）… C
由全塔物料衡算： F xF=D xD+W xw ，（C）式为
L' L
F
y V 'V
x V 'V
xF
吸收
6.3 双组分连续精馏塔的计算
对加料板作物料衡算
V’－V＝L’－L－F 令 q L' L
F
则有：
FV
IF
IV
y q x xF q1 q1
3）随着进料的 q值逐渐减小，精馏塔所需的 NT是逐渐增加的。
4）直接蒸气加热与间接蒸气加热的区别主要体
Leabharlann Baidu
现在提馏段操作线上，它们分别经过（ （ xW，yW）点，具体详见教材 P271 例
x7W－，80）和
吸收
34
6.3 双组分连续精馏塔的计算
6.3.6 Rmin和NT，min的确定
Rmin
要求：从图解法掌握求取 Rmin的方法 当两操作线的交点位于平衡线上时，则需要
B
纯B组分在系统温度下的饱和蒸汽压
吸收
6
6.1 理想溶液的气液相平衡
6.1.2 相平衡——相图
t — x （或 y） 图（温度—组成图）
t4
B
t3
H
t2
t1 J
A
气相区（过热蒸汽）
露点线 气液共存区 泡点线 液相区（冷液）
x1(y1)
吸收
7
6.1 理想溶液的气液相平衡
y — x 图（气液组成关系图）
30
6.3 双组分连续精馏塔的计算
第n块:（xn，yn）
yn
1
(
xn 1)xn
R
1
yn R 1 xn1 R 1 xD
当xn< xF时，下降液体流到了加料板上，此时该板属于提
馏段。由精馏段操作线与 q线方程求交点（ xq，yq ），由
（ xq，yq与（ xW，yW ）两点确定提馏段操作线方程。
L’ V’
气液混合物进料
V L F
L’ V’
饱和蒸气进料
吸收
L’ V’
过热蒸气进料
26
6.3 双组分连续精馏塔的计算
不同 q值对应的 q线方程
f q=1 q>1 0 < q <1
q=0
e
q<0
进料状况 冷液体
饱和液体 气液混合物
饱和蒸汽 过热蒸汽
进料的焓 IF IF<IL IF=IL
IL<IF<IV IF=IV IF>IV
蒸馏 按操作流程分：连续蒸馏和间歇蒸馏
吸收
3
6.1 理想溶液的气液相平衡
精馏与吸收的对比
操作过程中相态的变化：精馏时两相同时产生，而吸收 是操作前已经是两相；
操作结果的不同：精馏能得到较为纯净的分离产物，而 吸收则必须通过后续的进一步处理才能得到较纯净的物 质；
传质的方向不同：精馏过程中既有气相传质，也有液相 传质，而吸收一般只有气相中溶质分子进入吸收剂中， 属于单向传质。
吸收
6.2 精馏原理
6.2.2 精馏原理
一次部分气化和部分冷
凝
t
y1>xF>x1
y1——加热原料液时产 生的第一个 气泡的组成。
x1——经过一次气化后 原料剩下的液体的组成。
11
P=定值
D C B
A
xw x1 xF y1 yF
吸收
6.2 精馏原理
多次的部分气化和部分冷凝
t
y3
冷凝器
y1
xF
A
pA xA
，
B
pB xB
相对挥发度：是指溶液中两组分挥发度之比，常以易挥 发组分的挥发度为分子。
A pA B xA
p 道尔顿分压定律 B
xB pA P y
yA
yB
xA xB
吸收
9
6.1 理想溶液的气液相平衡
相平衡方程
yA xA
yB xB
yB 1 yA xB 1 xA
2
6. 概述
蒸馏：利用液体混合物各组分挥发度的不同，使 其部分气化，从而达到分离的单元操作
易挥发组分：沸点低的组分，又称为轻组分 难挥发组分：沸点高的组分，又称为重组分
蒸馏的分类
按操作方式分：简单蒸馏、平衡蒸馏、精馏、特殊精 馏
按组分数目分：双组分蒸馏及多组分蒸馏 按操作压力分：常压蒸馏、加压蒸馏、减压（真空）
吸收
5
6.1 理想溶液的气液相平衡
6.1.1 相平衡——拉乌尔定律
条件：
pA
p
0 A
x
A
双组分理想溶液 pB pB0 xB pB0 (1 xA )
双组分理想溶液的气液相平衡关系式：
xA
P pB0 pA0 pB0
yA
p
0 A
P
xA
P：系统的总压强
p
0：
A
纯A组分在系统温度下的饱和蒸汽压
p
0：
无穷多的阶梯 。相应的回流比称为 最小回流比 ， 以Rmin表示。对于一定的分离要求， Rmin是回流比 的最小值。
吸收
35
6.3 双组分连续精馏塔的计算
d yq
a
f
a
yq d
e
e
c
xW xq xF
xD
理想溶液
Rmin
理想溶液 xD yq
Rmin 1
xD xq
吸收
c
xW xq xF
xD
非理想溶液
1)以1kmol/h进料为基准时，提馏段中的液 体流量较精馏段中液体流量增大的 kmol/h数；
2）对于饱和液体、气液混合物及饱和蒸气 三种进料，q值与进料中的液相分率相等。
吸收
25
6.3 双组分连续精馏塔的计算
q值对进料的影响
LV F
LV F
LV F
L’ V’
冷液进料
F
LV
L’ V’
饱和液体进料
L
D
yn1 L D xn L D xD
令
R
L (回流比） D
yn1
R R 1 xn
1 R 1 xD
a
精馏段操作线方程：
➢表示xn与yn+1之间的关系
➢是直线关系，斜率为
R/(R+1)，截距为 xD/(R+1)
xD
R1 b
xD
吸收
6.3 双组分连续精馏塔的计算
提馏段操作线方程 对提馏段物料衡算
1
6. 精馏
本章重点及难点内容
掌握双组分理想溶液气液相平衡的各种表达形式； 掌握进料的不同热状况及其对精馏操作的影响； 掌握两组分连续精馏塔理论塔板数的的图解法； 掌握回流比对精馏过程的影响； 了解简捷法求理论板层数的方法； 了解各种类型的塔板的特点及性能，掌握筛板塔的流
体力学性能。
吸收
热方式）
操作线的应用举例详见
教材P265 例 7－2、例 7－3
d
c xW
20
xD
吸收
21
6.3 双组分连续精馏塔的计算
6.3.4 进料热状况——q 线方程
提馏段操作线不易确定，但可以通过两条操作线的交点 （轨迹）来确定（两点一线）
精馏段操作线：V yn+1=L xn+ D xD…………………………A 提馏段操作线： L’ xn =V’ ym+1+ W xw……………………B
Rmin
xD yq yq xq
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6.3 双组分连续精馏塔的计算
NT，min
当操作线远离平衡线 NT减少，与对角线重 合时达到 NT，min，一般由图解法求取。若体系为 双组分理想溶液，则可通过解析法计算 （Fenske 方程）：
V’ I’V
q 线方程，精馏段操作线和提
馏段操作线的交点，但经
过 （xF， xF ） 点。
吸收
22
L IL
加料板 L’ I’L
23
6.3 双组分连续精馏塔的计算
对加料板作热量衡算
F IF+V’IV ’ +LIL=VIV+L’IL’ ∵IV≈IV ’ ， IL≈IL ’（条件：恒摩尔流，加料板上）
吸收
29
6.3 双组分连续精馏塔的计算
NT计算的方法——逐板计算法、图解法和捷算法 重点掌握逐板计算法和图解法，二者实质是一
样的。
逐板法
精馏段
第1块:（x1，y1）
y1
1
(
x1 1)x1
y1 xD
第2块:（x2，y2）
y2
1
(
x2 1)x2
R
1
y2 R 1 x1 R 1 xD
吸收
yA 1 xA
1 yA
xA
相对挥发度表示的 相平衡方程
y x 1 ( 1)x
吸收
10
6.2 精馏原理
6.2.1 精馏工艺
精馏流程 （熟悉相关的概念）
➢ 原料液（进料）、 馏出液（产品）、 回流液和釜液；
➢ 冷凝器（分凝器、 全凝器）、再沸器 （塔釜加热）；
➢ 加料板、精馏段和 提馏段
提馏段
第1块:（x1，y1）
y1
1 (
x1 1)x1
L'
W
y1 L'W xn L'W xW
第m块:（xm，ym）ym
1
(
xm 1)xm
当xm< xW时，逐板计算完毕
吸收
L'
W
ym L'W xm1 L'W xW
31
6.3 双组分连续精馏塔的计算
图解法
逐板法原理
1 2
3 4
5
xW
xF
分离 器
x1
y2 x3
加热器
x2
xm
吸收
12
P=定值
B
A
xF
(y)
yn
13
6.2 精馏原理
有回流的多次部分汽化、冷凝
xD xF
✓具有不同挥发度的组分
所组成的混合液，经多次 进行部分气化和部分冷凝， 使其分离成几乎纯态组分 的过程。
✓实现的 条件：
回流； 塔釜产生的蒸汽
xw
吸收
14
6.3 双组分连续精馏塔的计算
q=1 e
27
q>1
xW
xF
xD
吸收
28
6.3 双组分连续精馏塔的计算
6.3.5 NT及加料板位置的确定
NT：理论塔板数，即在一定的操作条件下，为实
现分离工艺的要求，所需的气液平衡级数（每经 过一次气液相平衡，气相浓度增加）。
理论加料板位置：当进料组成与塔内某处的气液
组成相同，且在该处气液两相恰好处于平衡状态 时，该处既对应着一块理论塔板，同时也是加料 的恰当位置（实际上这样的位置尽管存在，但却 很难确定，一般只能选择在相邻的两块塔板之 间）。
涉及的主要问题：
全塔物料衡算、恒摩尔流假设、操作线方 程 、q线方程、（最小）回流比 、适宜回流比 、 （最少）理论塔板数、全塔效率、实际塔板数
吸收
6.3 双组分连续精馏塔的计算
6.3.1 全塔物料衡算
V
总物料：
F=D+W 易挥发组分：
F xF=D xD+W xw
原料液
F , xF , IF
应用见P263例7－1
q值 q>1 q=1 0 < q <1 q=0 q<0
吸收
xF
q线斜率 q/q-1 +
无穷大
–
0 +
6.3 双组分连续精馏塔的计算
不同q值对操
作线的影响
f
0 < q <1
q值不同改变的
是提馏段的操作线
q=0
方程。当进料组成、q < 0 回流比及分离要求
一定时，q值的减少
使提馏段操作线越
来越靠近平衡线。
吸收
6.3 双组分连续精馏塔的计算
6.6.3 操作线方程
研究相邻两块塔板 气 液组成之间的关系
精馏段——操作方程
1
对精馏段作物料衡算 2
V=L+D
V yn+1=L xn+ D xD
n
吸收
V
y1 VL
L
y2 x1
L
x2
L
V xn yn+1
17
馏出液 D , xD , ID
18
6.3 双组分连续精馏塔的计算
L’=V’+W
L’
V’ x
ym+1
m
m+1
L’ xn =V’ ym+1+ W xw
ym1
L' L'W
xm
W L'W
xW
吸收
19
W , xw , Iw 釜液
6.3 双组分连续精馏塔的计算
由于提馏段下降液体 量L’不易确定，所以提馏段 操作线的实际应用价值不大。 但提馏段操作线一定通过C
点（xW，xW）（间接蒸汽加