第六章 精馏

P pi
pi pi* xi
④ Dalton分压定律:
pi pi* x yi p p
pA ⑤ 挥发度: A xA
B
pB xB
⑥ 相对挥发度:
p A xB pA / xA A p B / xB pB x A B
理想的二组分互溶体系
① 理想溶液：溶剂、溶质都服从Raoult定律。 ② 组成计算：
第六章
精馏
概述 简单蒸馏 精馏 连续精馏理论塔板数的计算 间歇精馏 气液传质设备
§1 概述
1 传质过程 1） 传质过程的类型 流体相间传质： 气相-液相（包括气体吸收、液体蒸馏、气体增湿 等） 液相-液相（通常所说的萃取） 流-固相间传质： 气相-固相（包括固体干燥、气体吸附等） 液相-固相（包括液体结晶、固体浸取或固-液萃 取、液体吸附、离子交换等）
代入上式，整理，得：
xf q y x q 1 q 1
与对角线的交点是x=xf
进料热状况对q线斜率、位置的影响 进料热状态 进料的焓HF 冷液体 饱和液体 气液混合物 饱和蒸气 过热蒸气 HF<HL HF=HL HL<HF<HV HF=HV HF>HV q值 斜率q/（q-1） >1 1 0-1 0 <0 + ∞ 0-∞ 0 + 第三象限 第二象限 q线位置 第一象限
以相图表示蒸馏过程
封闭体系：溶液完全蒸发 时，蒸气组成等于溶液初 始组成。 敞开体系：两相组成沿着 液相线和气相线变化，导 出的蒸气中轻组分含量大 于液相。 多次部分气化、部分冷凝： 经多次部分气化可得几乎 纯的重组分，经多次部分 冷凝，可得几乎纯的轻组 分。
§2 简单蒸馏
1 简单蒸馏
定义：混合液在蒸馏釜中逐渐受热气化，生成的蒸气引入冷 凝器内冷凝，达到混合液中各组分部分分离的方法。 特点：蒸气从蒸馏釜引出的瞬间，气液间存在平衡关系；过 程中气液组成及温度随时间而变；馏出液的平均组成与原始溶 液和馏残液间无相平衡关系，仅有物料衡算关系。 应用：相对挥发度大的混合液的分离；要求不高的分离。 操作流程： 原理：
' qn )qn,F ,V qn,V (q 1
q线方程： 精馏段操作线与提馏段操作线的交点处，y,x值相同，则 精馏段操作线方程式改写成： qn,V y qn, L x qn, D xD 提馏段操作线方程式改写成： ' ' qn y q ,V n, L x qn,W xW 上两式相减得：
③ 相对挥发度:
A p A xB p* p* A x A xB A * * B pB x A pB xB x A pB
y A p A p* x A xA * A y B pB pB xB xB
yA xA (1 y A ) (1 x A ) x y 1 ( 1) x
2） 传质过程的共性 传质方式：单相物系内为扩散（包括分子扩散和 涡流扩散），滞流时为分子扩散，湍流时为对流 扩散（包括分子扩散和涡流扩散） 传质历程（必须为两相物系）：物质从A相主体扩 散到两相界面A相一侧；通过相界面进入B相；从 两相界面B相一侧扩散到B相主体。 3）传质过程的方向 处于非平衡状态的两相体系内，组分会自发进 行趋于平衡态的传递。自由度（独立变量数）服 从相律。
t
X或(y)
简单蒸馏的计算 任一瞬间的物料衡算式： 轻组分总量＝馏出液中轻组分的量+馏残液中轻组分的量
qn x ydqn qn dqn x dx
展开，得： qn x ydqn qn x qndx xdqn dqndx 略去二阶无穷小量，上式可写为： dqn dx qn yx
4 回流比 塔顶的蒸气流量： 回流比：
qn,V qn, L qn, D
R qn, L / qn, D
qn,V qn, L qn, D Rqn, D qn, D (R 1)qn, D
§4 连续精馏理论塔板数的计算
1 概念
理论塔板：气液接触、换热、传质达到平衡状态的塔板， 即达到理想传质条件的塔板。 分离过程：使上升蒸气变到与其在同一截面的回流液呈 气液相平衡的过程，叫一个理论塔板的分离过程，同样， 使回流液变到与其在同一截面的上升蒸气呈气液相平衡 的过程，也是一个理论塔板的分离过程。 理论塔板数：为达到分离要求须经过这种由不平衡到平 衡的分离过程的次数，叫理论塔板数
' qn , L qn, L q qn, F
' '
得：
代入进料板物料衡算式( qn, F qn,V qn, L qn,V qn, L ) ' qn,F qn ,V qn, L qn,V qn, L q qn, F
' qn,F qn ,V qn,V q qn, F
' ' 对轻组分： qn y q ,V m1 n, L xm qn,W xw
' qn ,L
m Xm
m+1
ym+1 qnV/ qnW qnL/ xW
ym1
q
' n ,V
xm
' qn ,L
qn,W q
' n ,V
xw qn ,W
' qn , L qn ,W
' qn , L qn ,W
3 精馏塔中物相组成变化 每层塔板相当于一次平衡蒸馏； 越接近塔顶，蒸气中轻组分含量越高，越接近 塔底，溶液中重组分含量越高，每层塔板上相接 触的气、液流的组成接近； 最上层塔板的蒸气与组成相近馏出液的液体相 接触，可由塔顶引出蒸气的冷凝液引回，称为回 流； 塔底提供与塔底馏残液组成相近的蒸气，可由 加热馏残液使其部分气化来提供； 进料组成介于馏残液、馏出液之间，在液体组 成与进料组成接近的塔板上进料，进料口以上为 精馏段，以下为提馏段。
4）传质过程的极限 平衡状态
5）传质过程推动力
组分在两相分配，偏离平衡的程度。如压强 差、浓度差等
6）传质速率
传质速率=传质推动力/传质阻力 =传质系数×传质推动力
2 蒸馏依据 原理：将液体混合物部分气化，利用混合 物中各组分的挥发度不同使各组分得以分离。 其中： 沸点低的组分为易挥发组分（轻组分） 沸点高的组分为难挥发组分（重组分） 蒸出冷凝液–––馏出液。 蒸出后剩余的混合液–––釜残液。
§3 精馏
1 精馏原理
多次部分冷凝：将组成为 XF ， 温度为 TA 的混合液加热到气液 共存区，使其部分气化，气相 组成为Y1，液相组成为X1，部分 分离。将产生的组成为 Y1 的饱 和蒸汽部分冷凝到 T1 出现新的 气液平衡，气相组成为 Y2 ，再 将温度为T1组成为Y2的饱和蒸汽 冷凝到 T2 出现新平衡，气相组 成为 Y3 ，如此类推，最终可得 易挥发组分接近于纯组分的气 相。
（恒物质的量流）
3 物料衡算
全塔物料衡算 通过全塔的物料衡算,可以求出精馏 塔顶,塔底产品的流量qn,L，qn,D组成 xd,xw和进料量qn,F，组成xf之间的关 系。 qn, F qn, D qn,W 对轻组分：qn,F x f qn,D xD qn,W xw
qn, D qn, F
qn,W qn, F
qn,F xF qnW xW
qnD xD

xF xw xD - xw
qn, D qn, F xD xF xD xw
1
例5-7：
精馏段物料衡算
qnV qnD qnL
n n+1
对n+1层板以上至塔顶作为物料衡 算的区域进行物料衡算：
qn,V qn, L qn, D
1 qn ,1 dx 将此式积分，得： ln qn , 2 x 2 y x
x
与相平衡方程联立，得：
qn,1 1 x1 1 x2 ln ln ln qn, 2 1 x2 1 x1
2 平衡蒸馏
使混合物气液两相共存，达到平衡后，再将两相分开， 以得到一定程度的分离称为平衡蒸馏。
* * * * * * * p pA pB p* A x A pB (1 x A ) p A xA pB pB x A pB ( p A pB ) x A
* P pB xA * * p A pB pA p* A xA y 由Dalton分压定律： A p p p* ( p* p* ) x A B B A B
' ' (qn q ) y ( q ,V n,V n, L qn, L ) x (qn, D xD qn,W xW )
将： qn, D xD qn,W xW qn, F xF
' qn )qn,F ,V qn,V (q 1
' qn , L qn, L qqn, F
xm
xw
Xd R 1
与对角线的交点是x=xW
xw
xd
进料板物料衡算与热量衡算
L V
几种可能的进料热状况
L F V
F
气液混合物
冷液体
L’ L V V’ F
L’ L V
V’
F
饱和气体 饱和液体
L’ L V’ L’ V V’
过热蒸汽
F
L’
V’
进料板的物料衡算：
qn, F q
' n,V
qn, L qn,V q
xD
xn
yn+1
对轻组分：
qn,V yn1 qn,L xn qn,D xD
精馏段操作线方程:
R 1 yn 1 xn xD R 1 R 1
XD R 1
xd
与对角线的交点是x=xD
提馏段物料衡算 对m层板以下至塔底作为物料衡 算的区域进行物料衡算（进料口 以下）：