蒸馏Word文档格式.docx

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表示平衡体系中的自由度数、相数及独立组分数的关系

F=C－Φ+2

双组分的气液平衡涉及的参数有：

温度t、压强p及组分A在液相和气相的组成xA和yA（另一组分的组成不独立），因此在t、p、xA和yA四个变量中，任意规定其中二个变量，该平衡物系的状态就被唯一确定。

双组分物系在恒压条件下进行操作时，自由度只有一个，即t、xA（yA）两参数确定一个，另一个即被确定。

2、气液相平衡的函数关系

根据拉乌尔定律，得到泡点方程式

根据道尔顿分压定律，得到露点方程式

露点方程和泡点方程主要用于计算平衡物系中气液两相组成。

3、气液相平衡相图

1、温度-组成（t-x-y）图

用于表示总压一定时的混合液在不同温度下的气-液相平衡组成（均以易挥发组分表示）。

图中以温度为纵坐标，气-液相组成为横坐标，图中两条线分别为饱和液体线和饱和蒸气线。

两条线将图分为三个区：

饱和液体线以下的区域为液相区；

饱和蒸气线上方的区域为过热蒸气区；

二曲线包围的区域为气液共存区。

2、气-液相组成（y-x）图

当总压一定时以x为横坐标，y为纵坐标，以液相组成和与之相平衡的气相组成的曲线和对角线（y=x）组成的相图。

平衡线距对角线越远，则与x相平衡的y值越大，说明该混合液越易分离。

二、非理想物系的气液相平衡

实际生产中遇到的大多数物系为非理想物系。

1、气液相平衡函数关系

非理想物系可能有以下三种情况：

1）液相为非理想溶液，气相为理想气体；

2）液相为理想溶液，气相为非理想气体；

3）液相为非理想溶液，气相为非理想气体。

非理想溶液的根源在于不同种类分子之间的作用力与同种分子间的作用力不同，其表现为溶液中各组分的平衡分压与用拉乌尔定律计算的平衡分压发生偏差，

修正的泡点方程式

修正的露点方程式

2、气液相平衡相图

1）温度-组成（t-x-y）图

当非理想溶液为正偏差溶液时，在t-x-y相图上会出现泡点的最小值（这种溶液称为具有最低恒沸点）；

当非理想溶液为负偏差溶液时，在t-x-y相图上就会出现泡点的最大值（这种溶液称为具有最高恒沸点）。

2）气-液组成（y-x）图

由于非理想溶液在某一组成时具有最低（高）恒沸点，在y-x图中平衡线与对角线有一交点，交点处，说明该混合液用普通的蒸馏方法不能得到较完全的分离。

三、挥发度及相对挥发度

1、挥发度

挥发度可用蒸气分压和与之平衡的液相中的摩尔分数之比来表示，A组分的挥发度为

对于理想溶液

2、相对挥发度

相对挥发度可用易挥发组分的挥发度与难挥发组分的挥发度之比表示，

对双组分混合液，总压不太高时，可得到相平衡方程式

利用相对挥发度的大小，可判断某混合液是否能用普通蒸馏方法分离以及分离的难易程度，

若

＞1可用普通蒸馏方法分离；

=1不能用普通蒸馏方法分离。

在精馏计算中，如果操作温度范围内物系的相对挥发度变化不大，可取其平均值，通常用算术平均值。

第三节简单蒸馏和平衡蒸馏

一、简单蒸馏

1、简单蒸馏流程特点

简单蒸馏是将原料液一次加入蒸馏釜中，在恒压下加热使之部分汽化，产生的蒸气进入冷凝器中冷凝，随着过程的进行，釜液中易挥发组分含量不断降低，当釜液组成达到规定值时，即停止蒸馏操作，釜液一次排出。

2、简单蒸馏的计算

物料衡算若原料液量为F，釜液量为W，其组成分别为x1、x2

若为理想物系

若在操作范围内，平衡关系为直线

馏出液的平均组成

（或xD，m）

二、平衡蒸馏

1、平衡蒸馏流程特点

平衡蒸馏又称闪蒸，是将原料液预热至要求温度，经减压阀减压至规定压力进入分离器。

在分离器内，部分料液汽化并引入塔顶冷凝，未汽化的液体为底部产品。

2、平衡蒸馏计算

1）物料衡算

总物料衡算F=D+W

易挥发组分衡算FxF=Dy+Wx

分离器内汽化率D/F=1－q

两相组成满足

2）热量衡算

加热物料所需热量Q=Fcp（t－tF）

料液被加热的温度

3）气液平衡关系

在分离器中，气液两相处于平衡状态，因此符合相平衡方程式。

平衡温度te与组成x应满足te=f（x）

第四节精馏

一、精馏原理

精馏是按照均相液体混合物各组分挥发度不同，进行气相多次部分冷凝过程和液相多次部分汽化而将混合液加以分离的。

分离后可获得纯度高的易挥发组分和难挥发组分，工业生产中用精馏塔并采用回流这种工程手段来实现这一分离过程。

因此，塔底蒸气回流和塔顶液体回流是精馏过程连续进行的必要条件，回流也是精馏与普通蒸馏的本质区别。

二、精馏操作流程

连续精馏通常在精馏塔中操作完成，还要有塔底再沸器和塔顶冷凝器、冷却器以保证必要的回流。

有时还要配备原料预热器等附属设备。

原料液从塔中间适当位置进入塔内。

进料板以上称为精馏段，进料板以下（包括进料板）

第五节双组分连续精馏的计算

一、理论板的概念与恒摩尔流的假设

1、理论板的概念

精馏过程中气液离开塔板时气液两相互为平衡，这块板称为理论板。

理论板实际上是不存在的，仅作为衡量实际板分离效率的依据和标准

2、恒摩尔流假设

1）恒摩尔气流

V1=V2=…=Vn=V

V1，=V2，=…=Vm，=V，

但V和V，不一定相等。

2）恒摩尔液流

L1=L2=…=Ln=L

L1，=L2，=…=Lm，=L，

但L和L，不一定相等。

二、全塔物料衡算

易挥发组分的物料衡算FxF=DxD+WxW

常用回收率的表示：

塔顶易挥发组分的回收率

塔釜难挥发组分的回收率

进行物料衡算时，F、D、W的单位可用kmol/h，也可用kg/h。

当单位用kmol/h时，组分的组成应用摩尔分率；

当单位用kg/h时，组分的组成应用质量分数。

三、操作线方程

1、精馏段操作线方程

总物料衡算V=L+D

易挥发组分衡算Vyn+1=Lxn+DxD

操作线方程

式中

称为回流比

当D、R、xD为定值时，该方程式为一直线方程式。

2、提馏段操作线方程

总物料衡算L，=V，+W

易挥发组分衡算L，xm，=V，ym+1，+WxW

操作线方程

或

当L，、W、xW为定值时，该方程式为一直线方程式。

四、进料热状况的影响及q线方程

1、进料热状况的影响

精馏塔的进料热状况有五种：

1）冷进料；

2）泡点进料；

3）气液混合进料；

4）露点进料；

5）过热蒸气进料。

进料板物料衡算F+V'

+L=V+L'

进料板热量衡算FIF＋V'

IV'

+LIL=VIV+L'

IL'

进料热状况参数

并由此得到

L，=L+qF及V'

=V+（q－1）F

2、q线方程

q线方程又称为进料方程，是精馏段操作线与提馏段操作线交点的轨迹方程。

当q一定时，q线方程为一直线方程。

五、理论板层数的计算

1、逐板计算法

塔顶为全凝器，泡点回流，塔釜用间接蒸气加热。

因此y1=xD

根据理论板的概念，第一层板下降的液相组成x1与y1互为平衡关系，可用相平衡方程式计算x1，x1与第二层板上升蒸气组成y2可用精馏段操作线方程计算。

如此交替的利用相平衡方程及精馏段操作线方程逐板计算。

对泡点进料，当计算至xn≤xF时，改用相平衡方程式与提馏段操作线方程计算，直至xm'

≤xW为止。

精馏段所需理论板层数为（n－1），提馏段所需理论板层数为（m－1），第n层理论板为进料板。

在计算过程中，每使用一次平衡关系，表示需要一层理论板。

用逐板计算法时需已知物系的相对挥发度

。

2、图解法

与逐板计算法相同，也是交替使用相平衡方程式和操作线方程，区别只是将计算改为图解。

该方法的步骤：

1）绘出y-x相图

2）绘出精馏段操作线在x=xD、xF、xW点分别过三点引铅垂线，与对角线分别交于a、e、c三点，并根据R作出精馏段操作线。

3）绘出q线根据q作出q线。

4）绘出提馏段操作线

5）在平衡线和操作线之间绘阶梯。

阶梯数减1即为不包括再沸器的理论板层数。

六、最小回流比、回流比及其选择

回流比有全回流及最小回流比两个极限，操作回流比介于两个极限之间的某个适宜值。

1、全回流和最少理论板层数

上升至塔顶的蒸气经冷凝后全部流回塔内，这种操作方式称为全回流。

这时F=0、D=0、W=0、R=∞，在y-x相图上两条操作线合二为一，且与对角线重合。

全回流的操作线方程为yn+1=xn，理论板层数最少，以Nmin表示。

全回流时理论板层数求法主要有图解法、解析法两种。

全回流操作主要用于精馏的开工、短期停工阶段或实验研究等。

2、最小回流比

当回流比R减小至某一数值时，精馏段操作线和提馏段操作线交点正好落在平衡线上，此时理论板层数无穷多，对应的回流比为最小回流比，用Rmin表示。

最小回流比的计算

最小回流比的Rmin值还与平衡线的形状有关，对特殊形状的平衡线，操作线则与平衡线相切得到最小回流比。

3、适宜回流比的选择

操作费用和设备费用最低时的回流比为适宜回流比。

在精馏塔设计中，回流比还可根据经验选取R=（1.1~2.0）Rmin

七、理论板层数的简捷计算法

当需要对理论板层数作大致估算或大致地找出板层数与回流比的关系时，可采用吉利兰（Gilliland）图进行简捷计算。

方法如下：

1、由分离要求，求算出Rmin，并选择适宜的R；

2、求算全回流下的Nmin；

3、计算吉利兰图中横坐标值，在图中找出相应点，算出理论板层数N（不包括再沸器）。

4、按以上方法计算精馏段的理论板层数确定进料板位置。

八、精馏装置的热量衡算

1、冷凝器

冷凝器的热负荷QC＝（R+1）D（IV－IL）

冷却介质消耗量

2、再沸器

再沸器的热负荷QB＝V，（I'

V－I'

L）＋QL

加热介质消耗量

第六节间歇精馏

间歇精馏与连续精馏相比，具有以下特点：

1、间歇精馏为非定态过程。

2、间歇精馏塔只有精馏段，因此，获得同样组成的产品，间歇精馏的能耗必大于连续精馏。

一、恒回流比操作

操作回流比恒定，随着过程的进行，釜液组成及馏出液组成均下降。

物料衡算

馏出液的平均组成xDm

二、恒馏出液组成操作

馏出液组成恒定，操作回流比不断增大，釜液组成不断降低，馏出液量不断减少。

第七节恒沸精馏与萃取精馏

一、恒沸精馏

在具有恒沸点的原双组分混合液中加入第三组分（称为夹带剂），夹带剂与原混合液中的一个或两个组分形成新的恒沸物，使原混合液中两组分之间的相对挥发度增大，从而可以用一般的精馏方法来分离。

这种精馏方法称为恒沸精馏。

夹带剂的基本要求是：

夹带剂应能与被分离组分形成新的恒沸液，其恒沸点比纯组分的沸点低；

新的恒沸物中夹带剂的组成要小；

形成的新恒沸液便于分离；

无毒、无腐蚀性，热稳定性好等。

二、萃取精馏

在原混合液中加入第三组分（称为萃取剂或溶剂），以增加原混合液中两组分之间的相对挥发度，从而可用一般的精馏方法分离。

这种精馏方法称为萃取精馏。

萃取剂的要求是：

萃取剂应使原组分之间的相对挥发度发生显著的变化；

与原料液的互溶度大，不产生分层现象；

易于回收，可循环使用；

使用安全，性质稳定，价格便宜等。

第八节板式塔

一、板式塔的结构

由圆柱形壳体、塔板、溢流堰、降液管及受液盘等部件组成。

塔板是板式塔的核心部件，它提供气液接触的场所。

在有降液管的板式塔中，气液两相总体呈逆流流动，而在每块塔板上呈错流方式接触。

1、塔板的主要类型

有降液管的塔板主要有泡罩塔板、浮阀塔板、筛孔塔板（筛板）、舌形塔板等

对各种塔板性能的评价和要求主要有：

1）生产能力；

2）板效率；

3）压降；

4）操作范围；

5）结构情况等。

板式塔的流体力学性能

一、塔板上气液接触状况

当孔速较小时为鼓泡接触状态；

随着孔速增大转为泡沫接触状态；

当孔速较大时为喷射状态。

工业上常采用泡沫接触状态或喷射接触状态。

二、塔板上气液两相的非理想流动

1、返混现象

（1）液沫夹带

塔板上部分液体产生与液体主体流动方向相反的流动为液沫夹带（又称雾沫夹带）。

即液滴被上升的气体夹带到上一层塔板上。

（2）气泡夹带

塔板上部分气体产生与气体主体方向相反的流动为气泡夹带。

即气泡被下降的液体卷入下一层塔板上。

2、气体和液体的不均匀分布

（1）气体沿塔板的不均匀分布

由于液面落差Δ的存在，气体通过塔板时阻力大小不等，导致塔板上气量分布不均。

（2）液体沿塔板的不均匀分布

由于液体横向流过塔板时路径长短不一，使塔板的物质传递量减少。

三、板式塔的不正常操作

1、液泛：

在操作过程中，塔板上液体下降受阻并逐渐在塔板上积累，这种现象称为液泛（也称淹塔）。

根据引起液泛的原因不同，可以分为：

（1）降液管液泛

液体流量过大降液管内液体不能及时排出或气体流量过大使降液管液面升高，均会引起降液管液泛。

（2）夹带液泛

气速过大导致液沫夹带量过大，板上液层增厚并各板液层相连造成液泛。

2、严重漏液

当气体通过筛孔的速度较小或气体分布不均匀时，从孔道流下的液体量占液体流量的10％以上称为严重漏液。

四、塔板负荷性能图

当物系性质及塔板结构已定时，塔的操作参数即指气、液负荷。

将维持塔的正常操作所允许的气、液负荷范围用图的形式表示出来，即是负荷性能图。

负荷性能图由五条线组成：

液沫夹带线、液泛线、液相负荷上限线、漏液线和液相负荷下限线。

由五条线包围的区域为塔板的正常操作区。

负荷性能图中各条线的相对位置可以随着塔板结构、尺寸而变化。

同一个塔，各层塔板的负荷性能图也不尽相同。

操作线与负荷性能图上曲线的两个交点分别表示塔内上下操作极限，两个极限的气体流量之比称为塔板的操作弹性。

五、全塔效率与单板效率

1、全塔效率

全塔效率又称总板效率E＝

2、单板效率

或

六、塔高及塔径计算

1、塔高Z=（NP－1）HT

2、塔径

其中u指适宜的空塔气速，通常可取最大允许气速umax的0.6~0.8倍。

气体负荷因子C由下式校正

气体负荷因子C20由图6－46查得。

第九节：

精馏塔的操作与调节

一、开、停车操作

1、准备工作。

检查仪表、仪器、阀门等是否齐全、正常、灵活，做好开车前的准备。

2、预进料。

先打开放空阀，充氮置换系统中的空气，以防在进料时出现事故，当压力达到规定的指标后停止，再打开进料阀，打入指定液位高度的料液后停止。

3、再沸器投入使用。

打开塔顶冷凝器的冷却水（或其他介质），再沸器通蒸汽加热。

4、 

建立回流。

在全回流情况下继续加热，直到塔温、塔压均达到规定指标，产品质量符合要求。

5、 

进料与出产品。

打开进料阀进料，同时从塔顶和塔釜采出产品，调节到指定的回流比。

6、控制调节。

精馏塔控制与调节的实质是控制塔内汽、液相负荷的大小，以保持塔设备良好的质热传递，获得合格的产品。

但液、汽相负荷是无法直接控制的，生产中主要通过控制温度、压力、进料量和回流比来实现。

运行中，要注意各参数的变化，及时调整。

7、停车。

先停进料，再停再沸器，停产品采出（如果对产品要求高也可以先停），降温降压后再停冷却水。

二、工艺指标的调节

1、压力精馏塔的操作压力是由设计者根据工艺要求，经济效益等综合论证后确定的，生产运行中不能随意变动。

操作压力波动，将使每块塔板上的温度、汽液组成、汽液负荷发生变化，影响精馏的正常进行。

压力升高，塔顶馏出液中轻组分浓度增加，但产量减少；

釜液中轻组分浓度也增加，釜液量增加。

2、温度在一定的操作压力下汽一液平衡与温度有密切的关系。

不同的温度都对应着不同的汽一液平衡组成。

塔顶、塔釜的汽一液平衡组成就是产品的质量情况，它们所对应的平衡温度，就被确定为塔顶、塔釜的温度指标。

当操作压力恒定时，温度也要保持相对的稳定。

若温度改变，则产品的质量和产量都相应地发生变化。

如塔顶温度升高时，塔顶产品中难挥发组份含量增加，因此虽然塔顶产品产量可以增加，但质量却下降了；

塔釜温度过高，将导致塔内汽相负荷过大，造成塔温上升，雾沫夹带严重，板效率下降，塔顶馏出液浓度下降；

塔釜温度过低造成塔温下降，漏液现象严重，使残液中易挥发组分浓度上升。

3、 

回流比对于某一特定的塔，在一定负荷条件下，回流比一经确定，就应保持相对稳定。

增大回流比通常可提高精馏效果，但当塔满负荷运行时，加大回流比，蒸汽速度过高，则会造成雾沫夹带或液泛，使分离效果变差。

若减小回流比，将导致精馏塔各段温度上升组成发生变化，同样分离不好。

加大还是减小回流比，主要应考虑塔板数及塔板效率。

4、进料组成如果进料组成中轻组分减少，精馏段塔板数显得不够，塔顶馏分中重组分含量将增加，顶温上升。

解决的办法是：

加大冷剂量，降低回流温度，加大回流比，进料口下移，保证分离效果。

如果进料组成组成中轻组分增加，提馏段塔板将显得不够，使釜液中轻组分含量增大。

加大加热蒸汽量，减小回流比，进料口上移，从而保证分离效果。

5、物料平衡当规定了精馏塔原料量及组成，塔顶、塔釜的分离要求，则产品量应符合物料衡算要求，不能随意改变。

否则将破坏物料平衡，导致塔内组成变化，操作不能达到预期的分离要求。

第十节过程的强化与展望

蒸馏操作是耗能量较大的过程，节能降耗，加快传质速率以及提高分离效率是蒸馏过程强化的主要议题。

一、蒸馏过程的节能技术

主要有蒸馏过程中热能的充分利用和回收、减小回流比、.减小再沸器与冷凝器的温差、采用多股进料、多效精馏、热泵精馏等方法节能降耗。

二、新蒸馏过程的开发

结合反应（包括均相和非均相）、吸附等其它化工单元操作的优势来完成蒸馏操作。

在蒸馏过程中引入某些添加剂实现高效和节能的分离目的。

引入第二能量（如磁场、电场和激光）以促进传质过程的进行。