讲义-化工分离工程-第二章

第二章精馏

Chapter 2 Distillation

主要内容及要求：

1.相平衡常数计算：状态方程法，活度系数法

2.泡点、露点计算

（1）泡点计算：在一定P(或T)下，已知x i，确定T b(或P b)和y i

（2）露点计算: 在一定P(或T)下，已知y i，确定T b(或P b)和x i

3.等温闪蒸计算：给定物料的量与组成，计算在一定P和T下闪蒸得

到的汽相量与组成，以及剩余的液相量与组成。

4.掌握多组分精馏过程的基本原理、流程以及简捷计算方法；

5.掌握萃取精馏和共沸精馏的原理、流程及其简捷计算法。

授课主要内容：

2.1 概述

2.2 汽液相平衡

2.3 精馏计算

2.4 特殊精馏

2.5 板效率

2.1 概述

精馏原理:

精馏是分离液体混合物的单元操作，是利用混合物中各组分挥发度的差异及回流的工程手段，实现组分的分离。

不适宜用普通精馏进行分离的物系：

1. 1→AB α

2. 1=AB α

3. 热敏性物料

4. 难挥发组分的稀溶液

2.1.1 理论板、板效率以及填料的理论板当量高度（HETP ）

1. 理论板

理论板= f(相平衡,分离要求,操作参数)

⏹ 所谓理论塔板，如右图所示，即气、液两相在塔板上充分接触，混合进行传质、传热后，两相组成均匀且离开塔板的气、液两相呈相平衡关系。 显然，在相同条件下，理论板具有最大的分离能力，是塔分离的极限能力。该状态可由热力学方法求解确定，离开塔板的气、液两相存在的相平衡关系由以下关系式表达： ⏹ 相平衡关系：y i =k i ·x i

相平衡关系是传质过程趋向的目标，或所达到的热力学极限状态。

理论板是一个理想化了的两相间接触传质场所，也称为平衡级。理论板符合以下

三条假设：

1）进入该板的不平衡物流在其间充分接触传质，使离开该板的汽液两相物流间达到了相平衡；

2）在该板上发生接触的汽液两相各自完全均匀，板上各点汽相浓度和液相浓度各自都相同；

3）该板上充分接触后的汽液两相实现了完全机械分离，不存在夹带、泄漏。

2.板效率

理论板是理想化了的平衡级，而实际操作的板达不到理想化水平，为比较理论板和实际板的差异，引入板效率来描述。

效率=f (传质速率,返混,相平衡,设备等因素)

1

*1++--=

j j

j j MV y y y y E

其含义是：实际进出板的汽相浓度差(y j -y j+1)与达到平衡时的汽相浓度差(y j *-y j+1)之比。

3. 理论板当量高度（HETP ）

对于填料型精馏塔，则使用理论板当量高度来描述填料的传质效率。所谓理论板当量高度，就是相当于一块理论板作用的填料层高度（HETP ）。

理论板→实际板(E 0)→塔 高

若已经知道需要N 块理论板才能达到要求的分离程度，则可根据理论板当量高度计算出所需填料层的高度Z ：

Z = N × HETP

2.1.2 精馏操作开发的内容和步骤

1. 精馏操作的开发目的

将A+B 混合物→分离成A 、B 两股物料，要求： 确定适宜的操作条件和参数

P ，R ，NT ，q… 工艺参数 确定适宜的设备结构和尺寸

D ，H ，结构… 设备参数

2. 开发内容

① 精馏塔分离序列的安排； ② 精馏塔类型的选择； ③ 单座精馏塔的设计计算， 包括：

1）确定塔的直径和高度； 2）确定适宜的操作条件和参数； 3）进行再沸器和冷凝器的设计计算;

4）进行塔的结构的设计计算。

3. 开发步骤

1）单座精馏塔的设计计算 ① 确定操作压力；P

i i b b x ,P(T)y ,T (P )

→已知： ② 确定相平衡关系；PTXY ③ 建立精馏操作的数学模型；

④ 解数学模型，求出操作参数(R 、q)、和设备参数(N T 、N F )； ⑤ 板式塔：确定板效率,将理论板数转化为实际板数； 填料塔：选定填料型式和尺寸后，求取理论板当量高度， 从而算得填料层高度；

⑥ 板式塔：确定塔板型式，求算塔径、塔高以及塔板的结 构尺寸；

填料塔：计算塔径，进行液体和汽体分布器的设计。 2）精馏操作的开发步骤：

2.2 汽液相平衡

相平衡计算的三类问题:

泡点计算

露点计算

等温闪蒸计算

2.2.1 相平衡关系的表达式

（1）相图

主要用来表示二元组分体系的相平衡关系，包括恒压下的t-x 图和y-x 图，以及

恒温下的p-x 图。

（2）相平衡常数

（3）相对挥发度

d i i d y ,P(T)x ,T (P )

→已知： i i i z ,P,T,F x ,y ,L,V

→已知：i

i

i x y K =

j

j i i j i ij x y x y K K ==

α

2.2.2 相平衡常数K 求取途径

逸度f 相关概念

逸度f ：在系统状态下分子逃逸的趋势，也就是物质迁移时的推动力或逸散能力，单位与压力单位相同。

i f ˆ ——混合物中i 组分的逸度，i f ——纯组分i 的逸度， 0ˆf ——i 组分的标准态逸度（通常取纯组分i 液体在系统温度和压力下的逸度）。

逸度系数φ ：是某组分逸度与系统压力的比值。p

f i

i =

ϕ 活度系数γ：活度系数是真实溶液偏离理想溶液的程度的量度，与体系温度、压力、组成等有关，是状态函数。

通常汽相中组分i 的逸度V i f ˆ表示为：p y f i V i V i φˆˆ= 偶尔也表示为：V i

i V i V i f y f γ=ˆ 液相中组分i 的逸度常用下列两式表示为：

p x f i

L i L i φˆˆ= O i i i L i f x f γ= 根据汽液相平衡关系 V i

L i f f ˆˆ=，得出两种常用的汽液相平衡关系表达式： p x p y i L i i V i φφˆˆ= O i

i i i V i f x p y γφ=ˆ 根据相平衡常数的定义，我们得出两种求取K 的途径——状态方程法和活

度逸数法。

一、根据逸度系数计算K ——状态方程法

汽相：P y f i V i V i φˆˆ= 液相：P x f i L i L i φˆˆ= 相平衡常数：V i L i i i i x y K ϕ

ϕ

ˆˆ==

注：1）式中的逸度系数可从该物质的p-V-T （状态方程）关系或实测数据计算；2）此法适用于中压下，液相非理想性不是很强的烃类系统。

二、根据汽相逸度系数和液相活度系数计算K ——活度系数法

p f x y K V i o i i i i i ϕ

γˆ==

注：1）此法对压力不高，液相非理想性强的系统更为合适；2）式中的汽相逸度系数