1、第四章第四章 液体的精馏液体的精馏掌握掌握: 1、二组分理想溶液的汽液平衡关系及相图表达、二组分理想溶液的汽液平衡关系及相图表达 2、精馏原理与精馏过程分析、精馏原理与精馏过程分析 3、二组分连续精馏塔的物料衡算、操作线方程、二组分连续精馏塔的物料衡算、操作线方程 4、理论塔板数的确定、最小回流比的计算、理论塔板数的确定、最小回流比的计算了解：了解： 1、非理想溶液的汽液相平衡关系、非理想溶液的汽液相平衡关系 2、q线方程、进料热状况参数线方程、进料热状况参数q对理论塔板数的影响对理论塔板数的影响 3、回流比的选择及其对精馏的影响、回流比的选择及其对精馏的影响 4、间歇精馏、特殊蒸馏的特点、间
2、歇精馏、特殊蒸馏的特点 5、板式塔主要类型的结构与特点、板式塔主要类型的结构与特点学习要求学习要求典型的化工生产装置包括：典型的化工生产装置包括：反应器；原料、中间产物和产品的分离设备；泵、换热器；反应器；原料、中间产物和产品的分离设备；泵、换热器； 分离贯穿化工过程，占有十分重要的地位。分离贯穿化工过程，占有十分重要的地位。 分离过程的费用占总投资的分离过程的费用占总投资的5090。 第一节第一节 概述概述一、分离过程一、分离过程 1. 机械分离机械分离 被分离物为非均相混合物（两相或三相）被分离物为非均相混合物（两相或三相） 可用机械来进行分离，如过滤、离心等。可用机械来进行分离，如过滤、
3、离心等。 2. 传质分离传质分离 被分离物为均相混合物，设法将均相变为非均相，被分离物为均相混合物，设法将均相变为非均相，利用物系中不同组分间某种物性的差异来分离，利用物系中不同组分间某种物性的差异来分离，如如蒸馏、吸收蒸馏、吸收等。等。 3. 速控分离速控分离 对均相混和物，通过控制各组分的传递速率来分对均相混和物，通过控制各组分的传递速率来分离，如膜分离等。离，如膜分离等。二、传质分离二、传质分离n传质过程传质过程物质以扩散的方式，从一相转移物质以扩散的方式，从一相转移到另一相的相界面的转移过程，称为物质的传到另一相的相界面的转移过程，称为物质的传递过程，简称传质过程。递过程，简称传质过程
4、。n吸收吸收：利用混合气体中各组分在液体中溶解度利用混合气体中各组分在液体中溶解度差异差异，从而实现混合气体的分离。，从而实现混合气体的分离。n蒸馏：利用液体混合物中蒸馏：利用液体混合物中各组分挥发性的不同各组分挥发性的不同，把液体混合物中各组分达到某种程度分离的单把液体混合物中各组分达到某种程度分离的单元操作。元操作。 三、蒸馏依据三、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。使各组分得以分离。 其中沸点低的组分为易挥发组分（其中沸点低的组分为易挥发组分（轻轻组分）组分） 沸点高的组分为难挥
5、发组分（沸点高的组分为难挥发组分（重重组分）组分） 蒸出冷凝液蒸出冷凝液馏出液（馏出液（D） 蒸出后剩余的混合液蒸出后剩余的混合液釜残液（釜残液（W)W) 四、蒸馏分类 1 1、按操作方法分：、按操作方法分： 2 2、按蒸馏方法分：、按蒸馏方法分：简单蒸馏（分离要求不高）简单蒸馏（分离要求不高）平衡蒸馏（闪蒸）平衡蒸馏（闪蒸）精馏精馏特殊精馏特殊精馏3、按组分数分：、按组分数分：双组分蒸馏双组分蒸馏多组分蒸馏多组分蒸馏复杂系蒸馏复杂系蒸馏4、按操作压力分：、按操作压力分：常压常压减压（热敏性物料）减压（热敏性物料）加压加压连续蒸馏连续蒸馏间歇蒸馏间歇蒸馏本章主要讨论常常压下双组分连续压下双组分
6、连续精馏精馏制酒制酒作坊装置作坊装置 AyAy水的摩尔数乙醇的摩尔数乙醇的摩尔数Ax蒸汽中乙醇所占的摩尔分率蒸汽中乙醇所占的摩尔分率液相中乙醇所占的摩尔分率液相中乙醇所占的摩尔分率AAxy第二节第二节 双组分溶液的气液双组分溶液的气液相相平衡平衡一、理想溶液的概念一、理想溶液的概念 根据溶液中根据溶液中同分子间的同分子间的与与异分子间的异分子间的作用力的作用力的差异，可将溶液分为理想溶液和非理想溶液两差异，可将溶液分为理想溶液和非理想溶液两种。种。n理想溶液：在这种溶液内，组分理想溶液：在这种溶液内，组分A、B分子间分子间作用力作用力aAB与纯组分与纯组分A的分子间作用力的分子间作用力aAA或
7、纯或纯组分组分B的分子间作用力的分子间作用力aBB相等。相等。二、气液相平衡二、气液相平衡单位时间从液相进入气相的分子数与从气相进入单位时间从液相进入气相的分子数与从气相进入液相的分子数相等。液相的分子数相等。 轻组分轻组分(A)与重组分与重组分(B) 挥发性：液相中物质的分子可从液相进入气相，挥发性：液相中物质的分子可从液相进入气相， 这这特性称为挥发性。特性称为挥发性。 在外压不变（一般为常压）时，设双组分在外压不变（一般为常压）时，设双组分(A， B)溶溶液中：液中： A : 沸点低，易挥发，称为轻组分；沸点低，易挥发，称为轻组分； B ：沸点高，：沸点高， 难挥发，称为重组分；难挥发，
8、称为重组分； xA, xB ： 分别为液相中分别为液相中A，B 的摩尔分率；的摩尔分率； yA, yB ： 分别为气相中分别为气相中A，B 的摩尔分率；的摩尔分率；BApp ,： 分别为纯分别为纯A，B的饱和蒸气压；的饱和蒸气压；BApp,： 分别为平衡分压。分别为平衡分压。三、拉乌尔定律三、拉乌尔定律 (Raoults Law)实验表明，理想溶液的气液平衡关系遵循拉乌尔定律，实验表明，理想溶液的气液平衡关系遵循拉乌尔定律，即即: : 在一定温度下，气相中任一组分的分压等于此在一定温度下，气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与它在溶液中的摩纯组分在该温度下的饱和蒸汽压与它在溶
9、液中的摩尔分率的乘积。尔分率的乘积。AAAxpp0ABBBxpxpp100BAAPyp 道尔顿分压定律道尔顿分压定律习惯上以 表示液相中易挥发组分的摩尔分率，以（1-）表示难挥发组分的摩尔分率；以表示气相中易挥发组分的摩尔分率，以（1-）表示难挥发组分的摩尔分率。1、泡点方程-总压一定时液相组成与温度（泡点）的关系式 pA =pA0 xA pB = pB0 xB p = pA+ pB =pA0 xA+ pB0 xB = PA0 xA+PB0(1-xA) 用途：(1)已知泡点，计算液相组成。 (2）已知液相组成求泡点。 X=f（pt） 000BAAPPppxB四、泡点方程与露点方程四、泡点方程与
10、露点方程泡点：一定组成的液体，在恒压下加热的过程中，泡点：一定组成的液体，在恒压下加热的过程中，出现第一个气泡时的温度出现第一个气泡时的温度 n露点：在压力一定的情况下，开始从气相中分离出第露点：在压力一定的情况下，开始从气相中分离出第一滴液滴的温度一滴液滴的温度 确定露点温度确定露点温度或气相组成或气相组成00000BABAAAAApppPPpPxpPpy2、露点方程、露点方程-总压一定时汽相组成与温度（露点）的关系式总压一定时汽相组成与温度（露点）的关系式 五、汽液平衡相图五、汽液平衡相图分析温度分析温度组成图组成图二条线：泡点线、露点线。二条线：泡点线、露点线。三个相区：液相区、气相区、
11、气液两相区。三个相区：液相区、气相区、气液两相区。两个温度：泡点温度、露点温度两个温度：泡点温度、露点温度1 1、温度、温度组成图组成图 在总压一定的条件下，将在总压一定的条件下，将T Tx x、T Ty y 关系标绘在同关系标绘在同一直角坐标系中，即得到一直角坐标系中，即得到T Tx xy y图，图，T T为纵坐标，以液相为纵坐标，以液相组成或气相组成为横坐标。组成或气相组成为横坐标。2. 气液相平衡图（气液相平衡图（yx图）图）txy 图图 y x 图图t1t2x1x2y1y2y1y2x1x2n对于大多数溶液，达到平衡时，气相轻组分的浓度总大于液对于大多数溶液，达到平衡时，气相轻组分的浓度
12、总大于液相浓度，故平衡线位于对角线上方。平衡线偏离对角线愈远，相浓度，故平衡线位于对角线上方。平衡线偏离对角线愈远，该溶液愈易分离。该溶液愈易分离。六、六、 挥发度及相对挥发度挥发度及相对挥发度1. 挥发度挥发度： 表示某种溶液易挥发的程度。表示某种溶液易挥发的程度。若为纯液体时，通常用其当时若为纯液体时，通常用其当时温度下饱和蒸气压来表示，如温度下饱和蒸气压来表示，如PA0。若为溶液时，。若为溶液时，各组分的挥发各组分的挥发度，则用它在一定温度下蒸气中的分压和与之平衡的液相中该组度，则用它在一定温度下蒸气中的分压和与之平衡的液相中该组分的分的 摩尔分率之比来表示摩尔分率之比来表示， A =
13、pA / xA B = pB / xB A 、B 组分组分A、B 的挥发度的挥发度。 对理想溶液，符合拉乌尔定律对理想溶液，符合拉乌尔定律 A = pA / xA = pA0 xA / xA = pA0 B = pB0 * 理想溶液中理想溶液中, 各组分的挥发度等于其饱和蒸汽压各组分的挥发度等于其饱和蒸汽压.2. 相对挥发度相对挥发度相对挥发度定义：相对挥发度定义：溶液中两组分挥发度之比。溶液中两组分挥发度之比。 3. 气液相平衡方程气液相平衡方程（用相对挥发度表示）：可求得 x-y 关系的方程，称为气液平衡方程。 BA BBAAxpxp/ 压压力力不不太太高高时时BBAAxypxyp/ BA
14、BAxxyy 00/BApp 理想溶液理想溶液AAyy 1xxy)1(1 AAxx 1 精馏塔各截面的精馏塔各截面的 变化不大可视为常数，计变化不大可视为常数，计算可算可取平均值取平均值当当=1时，时，y=x ，不能用普通精馏方法分，不能用普通精馏方法分离该混合物。离该混合物。当当1时，时，yx ,能用普通精馏方法分离该能用普通精馏方法分离该混合物混合物, 越大，越易分离。越大，越易分离。【例例4-1】已知正戊烷（已知正戊烷（A）及正己烷（）及正己烷（B）在不同温）在不同温度下的饱和蒸汽压，求平均相对挥发度。正戊烷及正度下的饱和蒸汽压，求平均相对挥发度。正戊烷及正己烷的沸点分别为己烷的沸点分别
15、为36.1 和和68.7 。（。（50：pA0 =159.16 kPa pB0=54.04 kPa； 55： pA0 = 185.18 kPa pB0 = 64.44 kPa ）解：理想溶液的平均相对挥发度可用平均温度下解：理想溶液的平均相对挥发度可用平均温度下的饱和蒸汽压求取，的饱和蒸汽压求取，平均温度平均温度 t = ( 36.1+ 68.7) / 2 =52.4 50 pA0 =159.16 pB0=54.04 1 = pA0 / pB0=159.16 / 54.04 =2.9555 pA0 = 185.18 pB0 = 64.44 2 = pA0 / pB0 =185.18 / 64.
16、44 = 2.87内插法内插法求求52.4 时的相对挥发度时的相对挥发度t1 =50 1 = 2.95t2 = 55 2 = 2.87 )(1121ttt )504 .52(595. 287. 295. 2 9084. 2t = 52.4xxxxy9084. 119084. 2) 1(1相平衡方程相平衡方程 Kt kPapoA 正庚烷kPapoB 正辛烷oBoAoBApppPxPxpyAoBAoBoApp157. 26949.126【例4-2】总压为总压为101.3kPa时正庚烷和正辛烷的饱和蒸汽压时正庚烷和正辛烷的饱和蒸汽压和温度的关系数据如下表所示。试求出该体系的平均相对和温度的关系数据如
17、下表所示。试求出该体系的平均相对挥发度。挥发度。371.4378383388393398.6101.3125.3140.0160.0180.0205.044.455.664.574.886.6101.31.00.6560.4870.3110.15701.00.8110.6730.4910.27902.2822.2542.1712.1392.0792.024第三节第三节 蒸馏与精馏原理蒸馏与精馏原理 蒸馏方式蒸馏方式: :简单蒸馏、平衡蒸馏、精馏、恒沸精馏、萃取精馏、水蒸汽蒸简单蒸馏、平衡蒸馏、精馏、恒沸精馏、萃取精馏、水蒸汽蒸馏馏 。一、一、 简单蒸馏简单蒸馏定义：使混合液在蒸馏釜中逐渐受热气
18、化，并不断将生成的蒸气引入冷凝定义：使混合液在蒸馏釜中逐渐受热气化，并不断将生成的蒸气引入冷凝器内冷凝，以达混合液中各组分得以部分分离的方法。器内冷凝，以达混合液中各组分得以部分分离的方法。操作流程：操作流程： 原理：原理： 简单蒸馏的方法，得不到纯度高的产品简单蒸馏的方法，得不到纯度高的产品 适用于：适用于：1. 沸点差较大的混合液；沸点差较大的混合液； 2. 分离含量要求不高的情况；分离含量要求不高的情况；3. 粗加工过程粗加工过程二、平衡蒸馏二、平衡蒸馏- -又称为闪蒸，又称为闪蒸，适用于原料液的初步分离适用于原料液的初步分离 DyD,顶部产品WxW,底部产品FxF,原料tAWxFxDy
19、FWxyxxFDWxDxFxWDFWDWFWDF1全系统物料衡算： 三、三、 精馏精馏1、多次简单蒸馏、多次简单蒸馏无回流多次简单蒸馏 消耗大量蒸汽和冷却水；消耗大量蒸汽和冷却水；最终产品的产量小；最终产品的产量小；操作是间歇的操作是间歇的 1iiVV 11iiiiyVyV由总物料流衡算得由总物料流衡算得： (a) 由易挥发组分衡算由易挥发组分衡算： ( b)a和b式不能同时成立 该流程是不稳定操作 2、有回流的多次简单蒸馏、有回流的多次简单蒸馏 .11iiiiLVLV)(c 1111iiiiiiiixLyVxLyV总物料流衡算：总物料流衡算： (c)易挥发组分衡算：易挥发组分衡算： (d)
20、c、d两式可以同时满足两式可以同时满足，称为稳定操作，称为稳定操作 3、精馏塔与提馏塔、精馏塔与提馏塔 4、中间进料现代化精馏塔、中间进料现代化精馏塔 精精馏馏段段提提馏馏段段进料进料F塔板塔板12全凝器全凝器馏出液馏出液D回馏液回馏液L进料板进料板蒸气蒸气V馏残液馏残液WF,D,V,L,W均为摩尔流量均为摩尔流量mol/s精馏流程图精馏流程图：精馏塔精馏塔再沸器再沸器FeedDistillateWasterVmol/h精馏设备由精馏塔、冷却器和再沸器等构成；加料板；精馏段；提馏段冷却器冷却器精馏塔精馏塔再沸器再沸器精馏段精馏段提馏段提馏段精馏是多次而且同时运用部分气精馏是多次而且同时运用部分
21、气化和部分冷凝的方法，使混合液化和部分冷凝的方法，使混合液较完全分离，获得接近纯组分的较完全分离，获得接近纯组分的单元操作。单元操作。回流作用回流作用：塔顶液体回流和塔底塔顶液体回流和塔底汽相回流为塔板上汽液两相进行汽相回流为塔板上汽液两相进行部分冷凝和部分汽化提供需要的部分冷凝和部分汽化提供需要的热量和冷量，是保证精馏操作的热量和冷量，是保证精馏操作的必要条件必要条件 连续精馏操作特点连续精馏操作特点n优点优点：操作条件稳定不变，便于控制，产品质：操作条件稳定不变，便于控制，产品质量稳定，容易实现自动化；可以节省辅助时间，量稳定，容易实现自动化；可以节省辅助时间，设备利用率高，生产能力大；利
22、用换热设备可设备利用率高，生产能力大；利用换热设备可以回收塔顶和塔底带出的热量，节约能量减少以回收塔顶和塔底带出的热量，节约能量减少损耗。损耗。n缺点缺点：设备庞大，只适合大规模生产。：设备庞大，只适合大规模生产。精馏塔精馏塔1 1、分类：、分类： 板式塔：泡罩塔、浮阀塔、筛板塔。板式塔：泡罩塔、浮阀塔、筛板塔。 填料塔：塔内充填一定高度的填料。填料塔：塔内充填一定高度的填料。2 2、塔板的作用：气液两相传质，传、塔板的作用：气液两相传质，传热的场所。热的场所。板式塔、组成：塔体、塔板（填料）、再沸器、冷凝器。塔底温度最高，越往上温度越低，塔顶温度最低。越往上易挥发组分含量越高，越往下难挥发组
23、分含量越高。、温度分布规律：、气液组成的变化规律；鞍环填料阶梯环填料鲍尔环填料 1 1、理论板：离开这块板的气液两相互成平衡，而且塔板上、理论板：离开这块板的气液两相互成平衡，而且塔板上的液相组成也可视为均匀一致。的液相组成也可视为均匀一致。 一、理论板的概念及恒摩尔流假定一、理论板的概念及恒摩尔流假定nnxfy 第四节第四节 双组分连续精馏的分析和计算双组分连续精馏的分析和计算2 2、恒摩尔流假定、恒摩尔流假定（1）恒摩尔汽化恒摩尔汽化：在精馏塔的精馏段内每层塔板的上升蒸汽摩尔流量都是相等的，提馏段亦然。但两段的上升蒸汽摩尔流量不一定相等。V1=V2=V3=Vn=V V1=V2=V3=Vn=
24、V （2）恒摩尔溢流恒摩尔溢流：在塔的精馏段内，每层塔板下降的液体摩尔流量都是相等的，提馏段亦然。但两段的液体摩尔流量不一定相等。L1 =L2 =Ln=L L1=L2=L3=Ln=L 3、恒摩尔流假定成立的条件：（1） 各组分的摩尔气化潜热相等。（2） 气液接触因温差交换的显热可以忽略。（3） 塔设备保温良好，热损失可以忽略。 1、物料衡算式物料衡算式：总物料衡算 F=D+W 易挥发组分衡算2、塔顶、塔底产品量塔顶、塔底产品量3、采出率和回收率采出率和回收率馏出液采出率釜残液采出率WxxxxFDDWF)(WDFDxxxxFW)(%100FDDFxDx%100)1 ()1 (FWWxFxWWDF
25、WxDxFxWxxxxFDDWF)(WDFDxxxxFW)(塔顶易挥发组分的回收率塔底难挥发组分的回收率二、全塔物料衡算二、全塔物料衡算【例例4-3】每小时将每小时将1500kg含苯含苯40%和甲苯和甲苯60%的溶液，在连续精馏塔中进行分离，要的溶液，在连续精馏塔中进行分离，要求釜残液中含苯不高于求釜残液中含苯不高于2%（以上均为质量百（以上均为质量百分效），塔顶馏出液的回收率为分效），塔顶馏出液的回收率为97.1%。操。操作压强为作压强为1atm。试求馏出液和釜残液的流量。试求馏出液和釜残液的流量及组成，以及组成，以kmol/h表示。表示。3. 精馏段物料衡算和精馏段操作线方程精馏段物料衡算
26、和精馏段操作线方程12nn+1L, xnV, yn+1D xD 总物料：总物料：V = L+D轻组分：轻组分：上式移项有：上式移项有：将总物料衡算式代入得：将总物料衡算式代入得：DnnDxLxVy1DnnxVDxVLy1DnnxDLDxDLLy1111RxxRRyDnn精馏段操精馏段操作线方程作线方程F11RxxRRyDVL回流比回流比：精馏操作中，由精馏塔塔顶：精馏操作中，由精馏塔塔顶返回塔内的回流液流量返回塔内的回流液流量L与塔顶产与塔顶产品流量品流量D的比值的比值 ， 即：即：R = L/D精馏段操作线：精馏段操作线：xy 得交点得交点 : A ( xD, xD)联解联解:A ( xD,
27、 xD) xyC10RxD，1.01.00 xy精馏段操作线精馏段操作线11RxxRRyD1 、斜率为、斜率为R/（R+1），截矩），截矩为为xD /（R+1）2 、过两点：（、过两点：（0，xD /（R+1）、（）、（xD，xD） * 精馏段操作线方程的意义：精馏段操作线方程的意义： 在一定的操作条件下，从任在一定的操作条件下，从任一塔板（一塔板（n）向下流的液体组成）向下流的液体组成xn与相邻的下一块塔板（与相邻的下一块塔板（n+1）上升蒸汽组成上升蒸汽组成y n+1之间的关系。之间的关系。【例例4-4】 氯仿和四氯化碳的混合液在连续精馏塔内氯仿和四氯化碳的混合液在连续精馏塔内分离，要求馏
28、出液氯仿浓度为分离，要求馏出液氯仿浓度为0.95(摩尔分率摩尔分率)，流量为，流量为50kg/h，顶为全凝器，平均相对挥发度为顶为全凝器，平均相对挥发度为1.6，回流比为，回流比为2。求求 (1) 由上向下数第一块塔板下降的液体组成由上向下数第一块塔板下降的液体组成; (2) 第二块塔板上升蒸气组成。第二块塔板上升蒸气组成。 (3) 精馏段各板上升蒸气量及下降的液体量精馏段各板上升蒸气量及下降的液体量;1y1x2y2xDx解：解：(1) y1 = xD= 0.95111)1(1xxy 11)16 . 1(16 . 195. 0 xx 92. 01 xDxRxRRy11112 (2)93. 01
29、295. 092. 0122 (3) M氯仿氯仿=119.35kg/kmol M四氯化碳四氯化碳 =153.8kg/kmol Mm=0.95119.35+0.05153.8=121.1kg/kmol D=50/121.1=0.413kmol/hV = (R+1) D = (2+1)0.413=1.24kmol/h L=RD =20.413=0.826kmol/h四、四、 提馏段物料衡算和提馏段操作线方程提馏段物料衡算和提馏段操作线方程FV,ym+1(L), xmmm+1WxW总物料：总物料：L = V+W轻组分：轻组分：将上式移项，恒等变形得：将上式移项，恒等变形得：提馏段操作线方程提馏段操作
30、线方程WmmWxyVxL1WmmxWLWxWLLy1WxWLWxWLLy提馏段操作线：提馏段操作线：xy 联解：联解：得交点：得交点：B（xW, xW）B ( xW, xW) xy1.01.00 xy 提馏段操作线提馏段操作线WxWLWxWLLy 1 几种可能的进料热状况几种可能的进料热状况（1）冷液体）冷液体（2）饱和液体（泡点液体）饱和液体（泡点液体）（3）气液混合物）气液混合物（4）饱和气体（露点蒸汽）饱和气体（露点蒸汽）（5）过热蒸汽）过热蒸汽五、五、 进料热状况的影响进料热状况的影响进料热状态对塔内气、液流量的影响2 定性分析进料状况对气液定性分析进料状况对气液流量的影响流量的影响
31、（1）冷液体 LL+F VV （2）饱和液体 L=L+F V=V （3）气液混合物VV LV+F L1B，泡点液体，泡点液体=1C，汽，汽-液混合物液混合物01D，露点蒸汽，露点蒸汽=0E，过热蒸汽，过热蒸汽1B，泡点液体，泡点液体=1C，汽，汽-液混合物液混合物01D，露点蒸汽，露点蒸汽=00E，过热蒸汽，过热蒸汽0【例例4-4】在连续精馏操作中，原料液于泡点进入，已在连续精馏操作中，原料液于泡点进入，已知操作线方程如下：知操作线方程如下：精馏段：精馏段：y = 0.75 x + 0.24提馏段：提馏段：y = 1.32 x - 0.016求：求：xD ,xW,xF 及及 R 。精馏段操作线
32、方程为：精馏段操作线方程为：11RxxRRyD比较对应项得：比较对应项得：75. 01RR24. 01RxD3R96. 0Dx解得：解得：解得：解得：解：解：由图解法可知，提馏段操作线与对角线的交点由图解法可知，提馏段操作线与对角线的交点B ( xW,xW) , 于是：于是：y = 1.32 x - 0.016y = x 解得：解得： xW = 0.05精馏段操作线与提馏段操作线的交点在泡点进料线精馏段操作线与提馏段操作线的交点在泡点进料线 x = xF 上，故：上，故：y = 0.75 x + 0.24y = 1.32 x - 0.016解得：解得：xF = 0.44理论塔板：离开该塔板的气
33、液两相达到相平衡；理论塔板：离开该塔板的气液两相达到相平衡；理论塔板数理论塔板数NT：完成生产任务所需要的理论塔板总数；：完成生产任务所需要的理论塔板总数；第五节第五节 理论板层数的求法理论板层数的求法求理论塔板数，求理论塔板数，计算达到指定分离要求所须的汽化计算达到指定分离要求所须的汽化-冷凝次数。冷凝次数。FxFDxDWxW精馏塔内存在两种关系：精馏塔内存在两种关系：相平衡关系和操作线关系相平衡关系和操作线关系每种关系有两种表示每种关系有两种表示:线图（相平衡线，操作线）线图（相平衡线，操作线）方程（相平衡方程，操作线方程）方程（相平衡方程，操作线方程）xnxF (两操作线交点的横坐标，仅
34、当饱和液体进料时为xF) 此时第N板为加料板，提馏段第一块板。NT精=n-1 令xn=x1 改用提段操作关系。 NT提=m(包括塔釜)wmxxyxyx3221平衡关系操作关系平衡关系操作关系nDxxyxyx操作关系平衡关系操作关系平衡关系2211 交替使用平衡关系与操作关系，从塔顶至塔釜逐板进行计算。塔顶采用全凝器。一、逐板法一、逐板法【例例-5】苯苯-甲苯混合液，含苯甲苯混合液，含苯50（mol%)，用精馏，用精馏分离。要求塔顶产品组成分离。要求塔顶产品组成xD=0.95，塔底产品组成，塔底产品组成xW=0.05,选用选用2.0，泡点进料，泡点进料，2.45, 试用逐板试用逐板法求法求T。（
35、）列出计算式（）列出计算式 ：气液平衡式、精馏段操作线方程、提馏段操作线方程：气液平衡式、精馏段操作线方程、提馏段操作线方程（）用逐板法计算理论塔板数（）用逐板法计算理论塔板数 交替使用相平衡方程和精馏段操作线方程，直至交替使用相平衡方程和精馏段操作线方程，直至xxF； 交替使用提馏段操作线方程和相平衡方程，直至交替使用提馏段操作线方程和相平衡方程，直至xxW二、二、 图解法求理论塔板数图解法求理论塔板数作图步骤如下：作图步骤如下： 1. 作气液组成图，即作气液组成图，即 x-y 相图；相图； 2. 作精馏段操作线；作精馏段操作线； 3. 作进料线；作进料线； 4. 作提馏段操作线；作提馏段操
36、作线； 5. 从从 A 点（点（xD）开始，在平衡线和操作线之）开始，在平衡线和操作线之间画梯级，当梯级跨过进料线时，应交在提馏段操间画梯级，当梯级跨过进料线时，应交在提馏段操作线上，直到梯级越过作线上，直到梯级越过 B （xW）点为止；）点为止； 6. 梯级数即为梯级数即为 NT（含再沸器）。（含再沸器）。Dx1 RxDFx1 qqWx63215478910三、三、 回流比的选择回流比的选择1、 回流比的影响回流比的影响（1）回流比R对理论板数NT的影响 TNR1正比于正比于（2）回流比对设备费与操作费的影响 DRDLV1 VR,冷却水量加热蒸汽量 -操作费 TNR,塔高下降，设备费 VR,
37、塔直径冷凝器蒸馏釜 -设备费 2、 全回流与最小回流比全回流与最小回流比全回流：塔顶上升蒸汽冷凝后全部回流至塔内。全回流：塔顶上升蒸汽冷凝后全部回流至塔内。特点：特点：（1）D=0，F=0，W=0（2）R=L/D=（3）三线合一。）三线合一。（4）此时所用的理论板层数最少。）此时所用的理论板层数最少。 N=Nmin全回流的应用：用于精馏塔的开工阶段、实验研究中或操作异常时全回流的应用：用于精馏塔的开工阶段、实验研究中或操作异常时采用全回流操作便于调节和控制。采用全回流操作便于调节和控制。最少理论板数最少理论板数Nmin的求取的求取：n图解法：在平衡线与操作线间画直角梯级，梯级数即为Nminn解
38、析法：交替使用平衡方程与操作方程可推出芬斯克方程芬斯克方程： 1lg11lgminWWDDxxxxNxW xD芬斯克公式的使用条件芬斯克公式的使用条件: : 1. 1. 全回流全回流 ；2. 2. 全凝器全凝器 ；3. 3. 理想溶液理想溶液最小回流比与适宜回流比最小回流比与适宜回流比最小回流比：要完成一定分离任务需要的回流比的最小值。 qqqDxyyxRmin适宜回流比：R=（1.1-2.0）Rminn【例例4-6】将含苯将含苯60mol%的苯的苯-甲苯混合液用精馏分甲苯混合液用精馏分离，离，xD=0.95，R=2.4Rmin，=2.52，泡点进料，泡点进料，求精馏段操作线方程。求精馏段操作
39、线方程。 32. 067. 0395. 032xxy步骤：步骤：1、求、求Rmin2、选、选R3、计算（、计算（R-Rmin)/(R+1) 4、用芬斯克方程求、用芬斯克方程求Nmin 5、查出对应的、查出对应的 (N-Nmin)/(N+1) 6、计算、计算N 例例 已知已知 xF,xD, xW, R, m求求: N解解 1、求、求Nmin 2、求、求Rmin 3、(R-Rmin)/(R+1)=b 4、(N-Nmin)/(N+1)=c 5、 得得N3、吉利兰图法求理论板数、吉利兰图法求理论板数理论塔板：离开该塔板的气液两相达到相平衡；理论塔板：离开该塔板的气液两相达到相平衡；理论塔板数理论塔板数
40、NT：完成生产任务所需要的理论塔板总数；完成生产任务所需要的理论塔板总数；实际塔板：实际生产中的塔板；实际塔板：实际生产中的塔板；实际塔板数实际塔板数NP ：实际生产中的塔板总数；：实际生产中的塔板总数；全塔效率全塔效率 ：PTNN75. 050. 0双组分：双组分：四、四、 塔板效率塔板效率单板效率单板效率 气相莫弗里板效率（气相莫弗里板效率（EMG）成平衡的气相组成。与变化一块理论板汽相浓度的变化一块实际板汽相浓度的nnnnnnMGxyyyyyE*1*1液相莫弗里板效率（液相莫弗里板效率（EML）成平衡的液相组成。与变化一块理论板液相浓度的变化一块实际板液相浓度的nnnnnnMLyxxxx
41、xE*11影响塔板效率的主要因素影响塔板效率的主要因素1.蒸气速度蒸气速度2.液体速度液体速度3.塔板上存液量塔板上存液量4.塔板上液流流程长度塔板上液流流程长度5.气液两相的物理性质气液两相的物理性质6.操作条件：温度、压强以及回流比等操作条件：温度、压强以及回流比等第六节第六节 板式塔板式塔12345678板式塔结构简图1.气体出口 2.液体入口 3.塔壳 4.塔板 5.降液管 6.出口溢流堰 7.气体入口 8.液体出口根据塔内液体的流动情况，板式塔可分为根据塔内液体的流动情况，板式塔可分为错流塔板和逆流塔板两大类。前者主要包错流塔板和逆流塔板两大类。前者主要包括：泡罩塔、筛板塔、浮阀塔和
42、喷射塔；括：泡罩塔、筛板塔、浮阀塔和喷射塔；后者主要是各种形式的穿流塔。后者主要是各种形式的穿流塔。液气液气液液气降液管(a)(b) 泡罩塔泡罩塔 浮阀塔浮阀塔 筛板塔筛板塔 穿流栅孔板塔穿流栅孔板塔一、工业上常用的板式塔有：一、工业上常用的板式塔有：n泡罩塔是工业上最早使用的板式塔。每层塔板上设有许多供蒸气通泡罩塔是工业上最早使用的板式塔。每层塔板上设有许多供蒸气通过的升气管，其上覆以钟形泡罩，升气管与泡罩之间形成环形通道。过的升气管，其上覆以钟形泡罩，升气管与泡罩之间形成环形通道。泡罩周边开有很多称为齿缝的长孔，齿缝全部浸在板上液体中形成泡罩周边开有很多称为齿缝的长孔，齿缝全部浸在板上液体
43、中形成液封液封。(a)(b)(c)几种泡罩塔型式1泡罩塔泡罩塔筛板塔是一种应用较早的塔型，它的筛板塔是一种应用较早的塔型，它的结构简单，塔板上开有大量均匀分结构简单，塔板上开有大量均匀分布的小孔，称为筛孔。筛孔的直径布的小孔，称为筛孔。筛孔的直径为为3 38mm8mm，成三角形排列。上升蒸，成三角形排列。上升蒸气通过筛孔分散成细小的流束，在气通过筛孔分散成细小的流束，在板上液层中鼓泡而出，与液体密切板上液层中鼓泡而出，与液体密切接触。塔板设置溢流堰，从而使板接触。塔板设置溢流堰，从而使板上维持一定的液层高度。在正常操上维持一定的液层高度。在正常操作范围内，通过筛孔上升的蒸气应作范围内，通过筛孔
44、上升的蒸气应能阻止液体经筛孔向下渗漏，液体能阻止液体经筛孔向下渗漏，液体通过降液管逐板流下。通过降液管逐板流下。2筛板塔浮阀塔板的结构与泡罩塔板相似，在带有降液管的塔板上开有若干直浮阀塔板的结构与泡罩塔板相似，在带有降液管的塔板上开有若干直径较大（标准孔径为径较大（标准孔径为39mm39mm）的均匀圆孔，孔上覆以可在一定范围内）的均匀圆孔，孔上覆以可在一定范围内自由活动的浮阀。由孔上升的气流，经过浮阀与塔板间的间隙与塔自由活动的浮阀。由孔上升的气流，经过浮阀与塔板间的间隙与塔板上横流的液体接触。浮阀的形式很多，图示为常用的浮阀板上横流的液体接触。浮阀的形式很多，图示为常用的浮阀2345最小开度
45、2.5mm最小开度8.5mm(a)(c)(b)几种浮阀型式3浮阀塔浮阀塔浮阀塔具有的优点：浮阀塔具有的优点： 生产能力大生产能力大 塔板效率高塔板效率高 操作弹性大操作弹性大 结构简单，安装方便。结构简单，安装方便。 n以筛板塔为例说明，气相通过筛孔时的速度（简称孔速）不同，可以筛板塔为例说明，气相通过筛孔时的速度（简称孔速）不同，可使气液两相在塔板上的接触状态不同。当孔速很低时，气相穿过孔使气液两相在塔板上的接触状态不同。当孔速很低时，气相穿过孔口以鼓泡形式通过液层，板上气液两相呈鼓泡接触状态。两相接触口以鼓泡形式通过液层，板上气液两相呈鼓泡接触状态。两相接触的传质面积为气泡表面。由于气泡数
46、量不多，气泡表面的湍动程度的传质面积为气泡表面。由于气泡数量不多，气泡表面的湍动程度较低，传质阻力较大。较低，传质阻力较大。鼓泡泡沫喷射塔板上的气液接触状态塔板上气液流动和接触状态塔板上气液流动和接触状态二、二、 板式塔的流体力学特性板式塔的流体力学特性（一）塔内气、液两相的流动（一）塔内气、液两相的流动1、设计意图、设计意图A 使气液两相在塔板上进行充分接触以增强传质效果使气液两相在塔板上进行充分接触以增强传质效果B 使气液两相在塔内保持逆流，并在塔板上使气液量相保持均匀的错流使气液两相在塔内保持逆流，并在塔板上使气液量相保持均匀的错流接触，以获得较大的传质推动力。接触，以获得较大的传质推动
47、力。2、气泡夹带：、气泡夹带： 液体在下降过程中，有一部分该层板上面的气体被带到下层板上去，液体在下降过程中，有一部分该层板上面的气体被带到下层板上去，这种现象称为气泡夹带。这种现象称为气泡夹带。3、液（雾）沫夹带：、液（雾）沫夹带： 气体离开液层时带上一些小液滴，其中一部分可能随气流进入上一层气体离开液层时带上一些小液滴，其中一部分可能随气流进入上一层塔板，这种现象称为液（雾）沫夹带。塔板，这种现象称为液（雾）沫夹带。 4、液面落差、液面落差液体从降液管流出的横跨塔板流动时，必须克服阻力，故进口一侧的液液体从降液管流出的横跨塔板流动时，必须克服阻力，故进口一侧的液面将比出口这一侧的高。此高度
48、差称为液面落差。液面落差过大，可使面将比出口这一侧的高。此高度差称为液面落差。液面落差过大，可使气体向上流动不均，板效率下降。气体向上流动不均，板效率下降。（二）气体通过塔板的压力降（二）气体通过塔板的压力降1 1、压力降的影响：、压力降的影响：A A 气体通过塔板的压力降直接影响到塔低的操作压力，故此气体通过塔板的压力降直接影响到塔低的操作压力，故此压力降数据是决定蒸馏塔塔底温度的主要依据。压力降数据是决定蒸馏塔塔底温度的主要依据。B B 压力降过大，会使塔的操作压力改变很大。压力降过大，会使塔的操作压力改变很大。C C 压力降过大，对塔内气液两相的正常流动有影响。压力降过大，对塔内气液两相
49、的正常流动有影响。2 2、压力降：、压力降：P PP PA A 塔板本身的干板阻力塔板本身的干板阻力P PC CB B 板上充气液层的静压力板上充气液层的静压力P PL LC 液体的表面张力液体的表面张力PPP=PC+PL+P1、定义：汽液量相中之一的流量增大到某一数值，上、下两层板、定义：汽液量相中之一的流量增大到某一数值，上、下两层板间的压力降便会增大到使降液管内的液体不能畅顺地下流。当降液间的压力降便会增大到使降液管内的液体不能畅顺地下流。当降液管内的液体满到上一层塔板溢流堰顶之后，便漫但上层塔板上去，管内的液体满到上一层塔板溢流堰顶之后，便漫但上层塔板上去，这种现象，称为液泛（淹塔）这
50、种现象，称为液泛（淹塔）2、引起原因：、引起原因：气速过大气速过大 ；液体流量过大；液体流量过大 （三）液泛（淹塔）（三）液泛（淹塔）（四）液沫夹带（四）液沫夹带是指板上液体被上升气流带入上一层塔板的现象。是指板上液体被上升气流带入上一层塔板的现象。为了保证板式塔能维持正常的操作效果，应使每千克上升为了保证板式塔能维持正常的操作效果，应使每千克上升气体夹带到上一层塔板的液体量不超过气体夹带到上一层塔板的液体量不超过0.1kg，即控制雾，即控制雾沫夹带量沫夹带量eV0.1kg（液）（液）/kg（气）（气）（五）泄漏（五）泄漏 一但气相负荷减少，致使上升气体通过阀孔的动压不足以阻止流体一但气相负荷
