2 间歇精馏和反应精馏

V Vh
馏出液组成恒定时的间歇精馏
1.确定理论塔板层数
由于操作终了时釜液组成xwe最低，所要求的分离程度 最高，故需要的理论板层数应按精馏最终阶段进行计算。
（1）计算最小回流比Rmin和确定适宜回流比R
Rmin xD yWe yWe xWe
R (1.1 ~ 2) Rmin xD — 馏出液组成； xWe — 釜残液组成； yWe — 与xWe 呈平衡的汽相组成，摩 尔分数.
二元组分恒回流比操作的计算

在回流比恒定的间歇精馏过程中，釜液组
成xw和馏出组成xd同时降低，因此操作初
期的馏出液组成必须高出平均组成，以保
证馏出液的平均组分符合质量要求。通常， 当釜液组成达到规定值后，即停止精馏操 作。
1.确定理论塔板层数
已知 原料组成xF、馏出液平均组成xDm或最终釜液组成 xwe，选择适宜的回流比后，即可确定理论板层数。 （1）计算最小回流比Rmin和确定适宜回流比R 恒回流比间歇精馏时馏出液组成和釜液具有对 应的关系，计算以操作初态为基准，此时釜液组成 为xF,最初的馏出液组成为xD1（此值高于馏出液平均组成，由
两种基本方式：精馏式（常用），提馏式
产 品
过 渡 馏 分
Hale Waihona Puke Baidu产 品
精馏式
完整的间歇精馏操作过程：加 料，升温和平衡（全回流）、 产品采出、釜残液排放等.
1
2
提馏式
产 品
中 间 馏 分
产 品
1
2

提馏式间歇精馏：
被分离物料存于与塔顶相连的贮罐中，塔顶冷凝液直接
流入贮料罐，罐中液体由泵输送从塔顶以回流方式进入 塔内，产品从塔底采出。各组分的产品从高到低的顺序 逐一馏出。
操作参数

上升蒸汽流率
稳定的上升蒸汽流率，才会有稳定的理论塔板数;
在保证精馏塔具有足够理论塔板数的前提下，上升蒸汽
流率愈大，则相同回流比下产品馏出速率愈大，过程操
作时间愈短。
间歇精馏计算

一般包括：
产品量 产品浓度
操作时间
产品收率
特点：（1）动态过程，状态参数随时间持续变化； （2）物料衡算必须用微分方程组，较复杂。 方法：（1）简化算法（设备参数和操作参数的粗略估算时用） （2）严格算法（核算或过程模拟研究时用）
2.确定有关操作参数

每批精馏所需的时间 设在 d 时间内，溶液的汽化量为dV,馏出液量为dD，瞬间的回流 比为R，根据恒摩尔流则有：
dV R 1dD
一批操作中任一瞬间前馏出液量D可由物料衡算得到（忽略塔 内持液量），即：
x F xw DF x D xw dV F ( xF xD )
xD D e x0 B0
B0为初始投料量，D为产品量，x0 为初始投料含量，xD为产品平均含 量 总收率
当间歇精馏塔经过若干批操作， 每批返回塔釜”重蒸”的过渡馏分趋于 恒定的前提，投入物料仅计入新鲜加料， 成品是计入了返回塔釜“重蒸”的过渡 馏分量的总产出量。综合考虑了塔设备 的分离能力，更接近于实际情况，其值 一般为85~95%
xwW e e(1 ) x0 B0
'
W—过渡馏分量，kmol; xw—过渡馏分摩尔分率。
间歇精馏过程的模拟
略
特殊间歇精馏过程

间歇共沸精馏
原理
对于A+B体系
是将足够量的共沸剂（也称夹带剂） 随带分离原料一次性加入塔釜，在 精馏过程中与待分离共沸物中的一 个组分形成新的 一般是最低共沸点 共沸物。并且首先从塔顶蒸出，直 到塔釜内只剩下待分离共沸物中的 另一组分（一般为目标产品组分）。 与夹带剂形成的新共沸物必须采用 适当的措施分离，以便重新使用。
i
L
yi i fi 0 Ki V xi p i
设备参数
（1）理论塔板数
具有足够的理论塔板数是精馏塔能够实现分离的基本条件
测定精馏塔理论塔板数的规范方法 国内外惯用二元物系正庚 烷+甲基环己烷或苯+四氯化碳. 在规定的压力和上升蒸汽 流率下全回流，稳定运行足够 长的时间，当塔顶浓度稳定不 变，即全塔达到平衡状态时， 同时测定塔顶和塔底浓度，代 入芬斯克公式计算。
间歇精馏和特殊精馏
郑州大学化工学院周彩荣
意 义

蒸馏技术 在化学工业应用十分广泛
用于间歇精馏（包括间歇共沸精馏和间歇萃取精馏） 的应用涵盖了精细化工产品的分离和溶剂回收；

中药生产中植物挥发油的提取和精制主要采用水蒸 气蒸馏
水蒸气蒸馏能在远低于沸点的温度下实现分离，被 广泛地用于高沸点、热敏性药物和生物活性物质的 提取和分离。
操作参数

回流比
重要参数，直接决定产品纯度、收率、操作时间及过渡馏分
量。
（1）恒定回流比操作
对于每一种产品馏分，只要回流比选择适当，则采出过程中前期得
到的馏出物浓度比规定值高，后期得到的馏出物浓度比规定值高， 后期得到的馏出物浓度比规定值低。
（2）恒塔顶浓度变回流比操作
回流比始终处于变化中，操作难以准确控制。
若A-B间吸引力小于相同分子间A-A和B-B间吸引力时，产生正偏差，
γ i>1,偏差愈大，可能产生共沸点（最低T）
若A-B间吸引力与相同分子间A-A和B-B间吸引力相同时，符合拉乌定律，
γ i=1。
若A-B间吸引力大于相同分子间A-A和B-B间吸引力时，产生负偏差，
γ i<1,偏差愈大，可能产生共沸点（最高T）
xc 1 xB ln 1 x x c B N ln
N — 塔的总理论板数； xB — 平衡时塔釜含量； xc — 平衡时塔顶含量；
— 相对挥发度。
（2）持液量

当间歇精馏塔工作时，除了塔釜内存在被分离物料外， 塔板上（或填料层内）、塔顶冷凝器内以及回流系统 均存在一定量的持液。 间歇精馏是动态过程 ，各点组成随时间持续变化，各 部分持液对组成变化具有阻滞和延缓作用。（这点与 连续精馏不同）
适用范围
化学合成药物、天然 药物的分离提纯；非 共沸物溶剂的回收
应用举例
间歇精馏
间歇共沸精馏 间歇萃取精馏 水蒸气蒸馏
抗肿瘤药榄香烯 的分离提纯
乙醇、丁醇、乙 酸乙酯等溶剂的 回收 植物药丁香酚的 提取 天然维生素E的 提取
共沸物溶剂回收
植物挥发油的提取或 挥发油组分间的分离 高沸点、热敏性药物 和生物活性物质的提 取和分离
ij 1
ij
V i
i,j两组分不能用精馏分离，
与1差距愈大，两组分用精馏分离愈容易，反之就愈难
气液平衡
f f
L i
f y p
f i xi fi
或
L i 0L
V i
V i i
y p x f 0 i i i i i
yi i Ki V xi
设计者假定）
Rmin
xD1 y F y F xF
R (1.1 ~ 2) Rmin
1.确定理论塔板层数
(2) 图解法求理论板层数 在x-y图上，由xD1、xF、R即可图解得出。
2. 确定操作参数

确定操作过程中各瞬间的xD和xw的关系
2. 确定操作参数

确定操作过程中xD或xw与釜液量、馏出液量D间 的关系
操作压力
选择不同的操作压力可将精馏塔的操作温度控制在适宜
的范围。 蒸汽锅炉供热的最高温度160-180℃； 导热油锅炉供热的最高温度可达260-280 ℃； 电加热或直接煤加热的最高温度300-400 ℃ 。 选择压力原则： 装置供热条件； 待分离物系的沸点范围，常压（低沸点或沸点适中物 料），真空（高沸点，易分解物料）； 热敏温度。
适用于难挥发组分为目标产品或难挥发组分为热敏性物
质的情况。
影响分离的主要因素
设备性能，如塔分离效率的高低
操作过程中的控制调节
主要因素：
物性参数（相对挥发度） 设备参数（理论塔板数、持液量） 操作参数（回流比、塔压、蒸发速率）
物性参数

相对挥发度：反映混合物分离的难易程度的物理参数。 Ki yi / xi 对多组分混合物 ij K j yj / xj

常用蒸馏技术的概况
技术 基本原理及特征
靠液体混合物组分间饱 和蒸汽压的差别（相对 挥发度）实现分离 在普通间歇精馏塔中加 入夹带剂与目标组分形 成新的共沸物使原共沸 物得到分离 各平衡级伴有溶剂以增 大组分间相对挥发度 在分离与水不互溶的高 沸点物料的塔中加入过 热水蒸气或液态水，以 降低蒸馏温度 依靠分子运动平均自由 程的差别实现分离
P1 , x
p1
(1) D
P2 , x D
W1 p2
( 2)
F, xF
W1 , x
（1）物料衡算 对二元体系
(1) w

F P P2 1 (1) (2) FxF 1 P x D1 P2 x D1 1
FxF2 P x 1
(1) D2
F , xF 1 , xF 2 — 投料量和投料浓度； Pi , x Di，x Di
V
xF xD dD F dxw 2 ( x D xw ) R 1 dxw 2 ( x D xw )
xF
积分上式得到对应釜液组成xw时的汽化总量为：
V dV F ( xD xF )
0
x we
R 1 dxw 2 ( x D xw )
产品收率的计算

间歇精馏过程存在过渡馏分，这部分馏分需要在下一 批加料时返回塔釜“重蒸”。
共沸点：
1
xA y A
xB y B

间歇共沸精馏
1.便于回收重复使用 ； 乙醇-水（E-W）混合物和足够量的共沸剂（B）一次性加入塔釜，在精 2.共沸剂用量要小，节约能耗； 选择共沸剂 原则 馏前期，首先从塔顶馏出三元共沸物（B-E-W）、二元共沸物（B-E） 3.应易于回收，廉价，低毒，热稳 定性好，腐蚀性小等 和二元共沸物（B-W）的混合物，三种共沸物的比例与塔的分离效率和 回流比有关，在分层器里分相，上层液富含苯回流进塔，下层液富含水 1.共沸精馏阶段； 1.蒸出共沸物 则吸入水接罐。当塔内水蒸净时，塔顶开始馏出无水乙醇，通过阀门切 2.共沸剂回收阶段。 2.蒸出共沸剂 换收入乙醇产品接收罐。当乙醇产品蒸净后，则进行共沸剂回收操作， 3.蒸出产品 即将水接收罐中的苯、乙醇、水混合返回釜中，从塔顶蒸出苯和乙醇的 以苯为共沸剂分离乙醇-水混合物为例 混合物（B-E）并收入苯罐备用。塔釜内最终剩下水，排走后则过程结 束。 苯层（富含苯） 水层（富含水）
xF dxW F ln xwe x x We D w
式中
We—与釜液组成xwe相对应的釜液量，kmol。
2. 确定操作参数

馏出液平均组成xDm的核算
xD1假设是否合适，应以整个精馏过程所得的xDm是
否满足分离要求为准。当按一批操作物料衡算求得 xDm等于或稍大于规定值时，则上述正确。 与精馏计算相似
由于塔内持液，使得沿塔身建立浓度梯度的过程需要一定时间。持

液量越大，开工时间越长。
分离难度加大。（因开始馏出时，塔顶、塔身持液占有浓缩的易挥
发组分，使釜液浓度比无持液情况降低，获得同样纯度产品所需浓 缩倍数增加）
产生“非轮效应”。使过渡馏分分段操作时间加长，过渡馏分量增
加。
操作参数

(1) ( 2)
— 产品i的产品量和产品浓度。
P2 x
(2) D2
W，xw——返回塔釜“重蒸”的过度馏分 的总产量和浓度
产品收率的计算

（2）产品收率

一次收率
反映塔设备的分离能力， 不考虑过渡馏分的“重蒸”，称一次收率； 其值随被分离物系相对 挥发度的不同而异，一 考虑过渡馏分的“重蒸”，总收率。 般可达60~80%
分子蒸馏
2.1 间歇精馏

定义及特点 间歇精馏是将待分离混合物一次性投料后精 馏获得各纯组分产品的过程。 特点：
（1）可采用单塔分离多组分混合物，获得各纯组分的 产品； （2）一塔多用； （3）适用于特殊场合，如真空、高凝固点、高纯度、 热敏性等； （4）设备简单，操作灵活，投资少。
流程和操作
总物料衡算 易挥发组分衡算 联立二式
D F W DxD FxF Wx W xDm FxF Wx W F W
2. 确定操作参数

每批精馏所需时间
因回流比恒定，故一批操作的汽化量V可按下式计算
V ( R 1) D
每批精馏所需操作时间
式中：Vh — 汽化速率，kmol / h; 通过塔釜的传热速率及混合液的潜热计算
(2) 图解法求理论板层数 在x-y图上，由xD、xwe、Re即可图解得出。
2.确定有关操作参数

确定xw和R的关系
因操作开始时，釜液组成
为原料液组成，易挥发组 分含量较高，故操作初期 可采用较小的回流比。 若已知精馏过程某一时刻 下釜液组成xw1，对应的R 可采用视察作图的方法求 得。即先假设一R，然后在 x-y图上图解求理论板层数。 若梯级数与给定的理论板 层数相等，则R即为所求， 否则重设R值，直到满足要 求为止。