第八章 蒸馏

图8-6 塔内流体流动示意图
2. 塔内塔板结构示意图
2
3
1
1-降液区 2-开孔区 3-承液区 图8-7 塔内塔板结构示意图
板式精馏塔内部是由多块塔板组成，每一块塔
板主要分三个区即承液区、开孔区、降液区。
3. 板式精馏塔原理 每一块塔板相当于与一次平衡蒸馏，轻组分浓 度提高汽相进入上一块板，成为上一块板的的原料，
一、理论板的概念及恒摩尔流假定
理论板：不论进入理论板的汽、液两相组成如何，离开该板时汽、液两相达到平衡状态， 即两相温度相等，组成互成平衡。 恒摩尔流：精馏塔内不同板上虽然组成、温度不断改变，在无物料进出的情况下，不 同板上的汽、液相摩尔流率相等 。
二、物料衡算与热量衡算 1. 全塔物料衡算 示意图：
0 pA 1083 0 2.42 pB 450
第二节蒸馏与精馏原理
一、平衡蒸馏
流程图
F, xF, t0 T D,yD, tb 3 W,xW, tb
4
1
2
1-加热器；2-节流阀；3-分离器；4-冷凝器 图8-3 平衡蒸馏图
物料衡算
对总物料 对轻组分
F=D+W FxF=DyD+WxW
yD f 1 x xW F f f
平衡体系汽相组成：由道尔顿分压定律得
0 pA pA y x p p
二、两组分理想溶液的气液平衡相图
三、相对挥发度与相平衡方程式
1. 相对挥发度
挥发度定义：纯物质的挥发度是用一定温度下蒸汽压的大小来表示的。
混合溶液中的挥发度是汽相中的分压p与其平衡的液相中 的摩尔分数x之比来表示。 pA v A 即： xA
yD F W xF xW D D
yD
f 1 x xW F f f
f=1/3 则 yD=3xF-2xW=1.65-2xW· · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · (a) yD与xw满足相平衡方程 即
第一节 双组分溶液的汽液相平衡
一、拉乌尔定律 (Raoult’s law)
理想溶液定义：双组分溶液中若异种分子之间的作用力与同种分子之间 的作用力相等，即分子间相互吸引力不因混合而有所变化，形成的混合 溶液无容积效应，也无热效应，这种溶液称为理想溶液。否则就是非理 想溶液。 拉乌尔定律 ：在一定温度下，对理想溶液或无线稀释溶液汽液传质平衡 时，汽相中任一组分的分压等于此纯组分在该温度下的饱和蒸汽压乘以 它在溶液中的摩尔分数。 公式 ：
V′=V
V′<V V′=V-F V′<V-F
三、 操作线方程
1. 精馏段操作线方程式
1 V,y1 L xD D xD
yn+1与xn的关系?
示意图虚线划定的范围进行衡算
2 n-1 n yn xn-1 V L yn+1 xn
总物料衡算 ：
V=L+D
D
图8-11 精馏段物料衡算
L D y x x 轻组分的物料衡算 ： V V
yn-1
A
B
yn
A
使得离开的汽相轻组分浓度更高；而进入下一块板
的浓度降低的液相，在离开下一块板时，液相浓度 更低。 经过多次平衡蒸馏后，在塔顶能得到纯度较高 的轻组分，而塔底能得到纯度较高的重组分，最终 实现体系高纯度分离效果。
yn+1
xn-1
n B
xn
A
B
xn+1 图8-8 第n块板物流简图图
精馏塔的进料板以上部分称为精馏段(Rectifying section)，它起着精制汽相中易挥 发组分的作用。 进料板及其以下部分称为提馏段(Stripping section)，它起着提浓液相中难挥发组分 的作用。 精馏和普通蒸馏的主要区别就在于回流，它是两相不断进行物质传递从而实现高纯 度分离的充分必要条件，分离依据则仍然是各组分挥发度的不同。代价是消耗热量 。
2. 提馏段操作线方程 ym+1与xm的关系？
示意图虚线划定的范围进行衡算
m L′V′ xm m+1
ym+1
W xW
总物料衡算 ： 轻组分的物料衡算 ：
V L W
图8-12 提馏段物料衡算
V ym1 Lxm Wx w
y m1 L W xm xw V V
ym 1
D=F-W2
DxD FxF W2 x2
注意：塔顶馏出冷凝液浓度是瞬时变化的，故为平均值。
【例8-2】在常压下将某原料液组成为0.55(易挥发组分的摩尔分率)的两组分溶 液分别进行简单蒸馏和平衡蒸馏，若汽化率为l/3，试求两种情况下的釜液和馏出 液组成。假设在操作范围内体系的相对挥发度α为2。 解： ①对平衡蒸馏
pA pA xA
pB pB xB pB (1 xA )
式中： pA、pB——溶液上方组分A和组分B的分压 pAo、pBo－－分别为纯组分A和B的饱和蒸汽压 xA、 xB——分别为溶液中组分A和B的摩尔分数 p pB 平衡体系液相组成 ：p pA pB pA x pB (1 x) x p A pB
F ,iF
V',H
L',h
虚线划定的范围进行衡算
图8-10 进料板的物流示意图
物料衡算 ：
F+ V′+L=V+L′ V′=F-( L′-L) · · · · · · · · · · · · · (a)
加料板的热量衡算 ：
FiF+V′H+Lh=VH+L′h (V- V′)H=FiF-( L′-L)h
· · · · · · · · · · · · · (b)
过程特点：蒸汽的不断引出使釜中溶液轻组分的浓度不断降低，塔顶馏
出冷凝液的浓度是不断降低的。温度不断升高。属于非稳态 操作。 平衡特点：瞬间形成的蒸汽与釜液液相呈平衡。
xD
计算内容：馏出液 D 、残液的浓度x2、残液量W2
计算公式：
ln F 1 xF 1 x2 ln ln W2 1 x2 1 xF
结论：在馏出率相等的条件下，简单蒸馏所得到的馏出物的浓度高于平衡蒸馏。
三、精馏原理 1. 工业精馏过程
2
蒸汽
3
1
冷却水
5 4
进料板
6 液体 n n-1
水蒸气 冷凝水
7
进料
塔底产品
n+1 蒸气
1-精馏塔 2-全凝器 3-贮槽 4-冷却器 5-回流液泵 6-再沸器 7-原料液预热器
图8-5 连续精馏操作流程
对于二元溶液，xB＝l-xA，yB＝1-yA，略去下标
y x 1 y 1 x
x 1 ( 1) x
y
若α＞l，即yA＞xA，α愈大，y比x大得愈多，分离效果越好; 若α=1，则由上式可以看出yA=xA ，即汽相的组成与液相的组成相同， 不能用普通蒸馏方法分离。
α是温度、压强和浓度的函数。一般α随温度的升高而略有减小。 当压强增大时，沸点也随之增高，故α也有减小。在蒸ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ计算中， 相对挥发度常取浓度变化范围内相对挥发度的几何平均值。
第三节 双组分连续精馏塔的计算
确定内容：
①根据指定的分离要求，计算进、出精馏装置诸物料的量与组成； ②选择合适的操作条件：包括回流比(回流液量与馏出液量的比值) 、加料状态 和操作压强等；
③确定精馏塔所需的理论板数和加料位置；
④ 确定精馏塔塔径、塔高。 规定：塔板序号按从塔顶到塔釜依次排列即1，2，3,…,n，而不同块板上的汽液相组成、 温度等物理量则以离开的相应板的序号为下标加以区别。
F,xF
D,xD
W,xW
图8-9 全塔物料衡算
全塔物料衡算 ： 易挥发组分的物料衡算 ： 易挥发组分采出率 ： 易挥发组分的回收率 ：
F=D+W
FxF DxD Wx W
D xF xW F xD xW

DxD 100% FxF
2. 进料板及进料热状态参数
V,H L,h
示意图：
表8-1 进料热状态及精馏段、提馏段的液汽流量关系
进料热状态 过冷液体 iF范围 iF<h q值范 围 >1 精馏段、提馏段的汽液 流量关系 L′>L+F V′>V
饱和液体
气液混合物 饱和蒸汽 过热蒸汽
iF=h
H>iF>h iF=H iF>H
1
0~1 0 ＜0
L′= L +F
L′>L L′=L L′<L
Vy n1 Lxn DxD
L D x n xD V V
y
R x x D R 1 R 1
yn 1
隐去下标
令
R
L D
yn 1
R x xn D R 1 R 1
L RD
V L D ( R 1) D
R称为回流比(Reflux ratio)
得到yn+1与xn的关系
解精馏塔的操作与调节手段
• •
蒸馏：借液体混合物中各组分挥发性的差异而进行分离的一种操作。 精馏：多次进行部分汽化和部分冷凝以后，最终可以在汽相中得到较纯的易挥 发组分，而在液相中得到较纯的难挥发组分,从而实现混合物的高纯度分离。
• • • •
分类：按操作方式分 简单蒸馏、平衡蒸馏、精馏及特殊精馏流； 按操作压力分 常压蒸馏、加压及减压(真空)蒸馏； 按操作是否连续分 连续精馏、间歇精馏； 按原料中所含组分数目可分 双组分(二元)蒸馏、多组分(多元)蒸馏。
【例8-1 】在常压（大气压为760mmHg）下，理想物系A-B混合液气液平衡时， 体系温度为92℃，液相中A的摩尔分率为0.49。查得A的饱和蒸汽压的安托因公式 为：
0 lg pA 6.906
1211 t 220 .8
pA°：mmHg；t：℃
试求B的饱和蒸汽压及A相对于B的相对挥发度α
而对理想溶液： vA pA
相对挥发度定义：溶液中两组分挥发度之比。以α表示。

vA pA / xA pyA xB yA xB vB pB / xB pyB xA yB xA
而对理想溶液：
pA pB
三、相对挥发度与相平衡方程式
2. 相平衡方程式 由

vA pA / xA pyA xB yA xB vB pB / xB pyB xA yB xA
yD=0.662
F 1 xF 1 x2 ln ln W2 1 x2 1 xF
即
x2=0.483
ln
1 x2 3 1 0.55 2 ln ln 2 2 1 x2 1 0.55
xD
F W xF x2 3 0.55 2 0.4833 0.683 D D
式(a)代入式(b)可得 ：
H iF L L H h F
热状态参数q
q 每千摩尔进料变为饱和 蒸汽所需热量 H iF 进料的千摩尔汽化潜热 r r
L L F
L′=L+qF V′=V-(1-q)F= V+(q-1)F 五种不同进料热状态时的q值范围，以及两段流率之间的关系
第八章 蒸馏
第八章 蒸馏
本章重点和难点
掌握理想双组分溶液的气液平衡关系，相平衡方程的应用与计算 重点掌握板式精馏塔的物料衡算、理论板数的确定、进料状态的表达 与选择、回流比的影响与选择 熟练掌握双组分常压连续精馏常见情况的分析与计算 了解蒸馏的常用方法、工业化精馏流程，塔高与塔径的计算方法，了
yD 2 xw 1 xw
yD
xw 1 ( 1) xw
· · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · (b)
xw=0.494，
ln
(a)、(b)联解得： ②对简单蒸馏
解：
0 lg p A 6.906
1211 3.035mmHg 92 220.8
pA°=1083 mmHg
pA= pA°· xA=1083×0.49=530.5 mmHg
pB=P-pA=760-530.7=229.6 mmHg pB= pB°· (1-xA) pB°= pB/ (1-xA)=229.6/0.51=450 mmHg
定义： 热量衡算
汽化率f=D/F
Q=F·cp· (T-t0) ＝f·F·r
T tb f r cp
w
汽液相平衡关系 yD 1 ( 1) x
xw
二、简单蒸馏
流程图
冷凝器
加热蒸汽
1
2
3
贮槽 蒸馏釜
图8-4 简单蒸馏示意图
过程描述：原料液一次加入蒸馏釜中，釜底加热沸腾后，溶液部分汽 化，蒸汽引入冷凝器中冷凝。由于蒸汽中含较多的易挥发性 组分，达到一定的分离效果。