1、北京石油化工学院化学工程基础第三章 精馏1/59幻灯片4目录北京石油化工学院化学工程基础第三章 精馏2/592 2最小回流比最小回流比R Rminmin为完成某一分离要求，所需的理论塔板数为无穷多时为完成某一分离要求，所需的理论塔板数为无穷多时的回流比称为的回流比称为最小回流比最小回流比。夹点夹点北京石油化工学院化学工程基础第三章 精馏3/59回流比与操作线的关系回流比与操作线的关系2 2最小回流比最小回流比R Rminmin 平衡线上凸，无拐点平衡线上凸，无拐点qDqDxxyxhdahRR 0minmin1qqqDxyyxR min整理得最小回流比为：整理得最小回流比为：qqqxxy)1(1
2、 x xq q和和y yq q符合相平衡方程：符合相平衡方程：北京石油化工学院化学工程基础第三章 精馏4/592 2最小回流比最小回流比R Rmin min(184(184例例3-10)3-10)平衡线上有下凹部分和拐点平衡线上有下凹部分和拐点北京石油化工学院化学工程基础第三章 精馏5/59min)21.1(RRopt 3适宜回流比适宜回流比R的选择的选择总费用总费用能源费能源费(操作费操作费)设备费设备费能源费能源费(操作费用操作费用)主要取决主要取决塔釜加热蒸汽的消耗量和塔釜加热蒸汽的消耗量和塔顶冷凝器的冷却剂用量；塔顶冷凝器的冷却剂用量；设备费设备费(设备折旧费设备折旧费)是指塔、是指塔
3、、加热釜、冷凝器等设备的加热釜、冷凝器等设备的投资乘以相应的折旧率。投资乘以相应的折旧率。总费用总费用(经济核算经济核算)：设备折：设备折旧费和操作费用总和最小旧费和操作费用总和最小V=L+D=(R+1)D北京石油化工学院化学工程基础第三章 精馏6/59首先求出首先求出Rmin，并确定，并确定R值；值；求出全回流下所需的最少求出全回流下所需的最少理论板数理论板数Nmin；应用吉利兰图，以应用吉利兰图，以(R-Rmin)/(R+1)为横坐标，查出为横坐标，查出(N-Nmin)/(N+2)，即可求出，即可求出理论板数理论板数NT。加料板的确定可以将计算加料板的确定可以将计算式中的式中的xW换为换为
4、xF，再按以，再按以上三步算出精馏段的最少上三步算出精馏段的最少理论板数。理论板数。N和和Nmin都不包括再沸器。都不包括再沸器。NT、R、Nmin、Rmin北京石油化工学院化学工程基础第三章 精馏7/591 1全塔效率全塔效率E ET T 又称总板效率，其定义为：又称总板效率，其定义为：%100 PTTNNE板数板数实际实际板数板数理论理论塔塔塔塔北京石油化工学院化学工程基础第三章 精馏8/59理理论论塔塔板板的的气气相相增增浓浓值值实实际际塔塔板板的的气气相相增增浓浓值值 mVE11nnnnyyyy2单板效率单板效率EmV、EmL 单板效率单板效率也称也称莫弗里板效率莫弗里板效率（Murp
5、hree plate efficiency）。其定义为）。其定义为：气相莫弗里板效率气相莫弗里板效率液相莫弗里板效率液相莫弗里板效率*11nnnnmLxxxxE理论塔板的液相增浓值实际塔板的液相增浓值北京石油化工学院化学工程基础第三章 精馏9/59例题：例题：一精馏塔，塔顶设全凝器，在常压下分离一精馏塔，塔顶设全凝器，在常压下分离苯甲苯物系，采用回流比苯甲苯物系，采用回流比 R3。今测得。今测得塔顶馏出液浓度塔顶馏出液浓度x0.985和第一块塔板下和第一块塔板下流液体浓度流液体浓度x0.970（均为摩尔分率）；（均为摩尔分率）；已知物系的相对挥发度已知物系的相对挥发度=2.58，试计算第，试计
6、算第一块塔板的板效率一块塔板的板效率Emv。北京石油化工学院化学工程基础第三章 精馏10/59例题：例题：R3,y,y1 1=xD0.985,x10.970（均为摩（均为摩尔分率尔分率),),=2.58，试计算第一块塔板的板，试计算第一块塔板的板效率效率Emv北京石油化工学院化学工程基础第三章 精馏11/591.1.冷凝器的热量衡算冷凝器的热量衡算 全凝器的热负荷：全凝器的热负荷：LDVDCHDLVH,DRDLV1 DHHRLDVDC,1 kmolkJHkmolkJHhkJLDVDC馏馏出出液液的的焓焓,塔塔顶顶上上升升蒸蒸汽汽的的焓焓全全凝凝器器的的热热负负荷荷:,；，；，式中：式中：北京石
7、油化工学院化学工程基础第三章 精馏12/59 12,ttCWCpCC 冷却介质消耗量：冷却介质消耗量：。器器进进、出出口口处处的的温温度度，分分别别为为冷冷却却介介质质在在冷冷凝凝介介质质冷冷却却介介质质用用量量:,:21,ttKkgkJChkgWCpC；的的平平均均质质量量定定压压热热容容，冷冷却却；，式中：式中：12,ttCWCpCC 北京石油化工学院化学工程基础第三章 精馏13/592 2再沸器的热量衡算再沸器的热量衡算对再沸器作热量衡算得：对再沸器作热量衡算得：LnLWVWBHLWHHV ,；，；，；，；，；，kmolkJHkmolkJHkmolkJHhkJhkJnLWVWLB提提馏馏
8、段段底底馏馏出出液液的的焓焓釜釜残残液液的的焓焓再再沸沸器器上上升升蒸蒸汽汽的的焓焓再再沸沸器器的的热热损损失失再再沸沸器器的的热热负负荷荷:,式中：式中：北京石油化工学院化学工程基础第三章 精馏14/59LnLWVWBHLWHHV ,21BBBhhhW 加热介质消耗量：加热介质消耗量：:,HH,Wn则取LWLV LLWVWBHHV ,；，；，kgkJhhhkgWBBh再再沸沸器器的的焓焓分分别别为为加加热热介介质质进进、出出加加热热介介质质用用量量:,:21式中：式中：北京石油化工学院化学工程基础第三章 精馏15/59分凝器：塔顶先分凝器（作为一块理论塔板），分凝器：塔顶先分凝器（作为一块理
9、论塔板），再全凝器作为塔顶产品（再全凝器作为塔顶产品（191191，图，图3-373-37）塔釜直接通入蒸汽：水和易挥发组分（图塔釜直接通入蒸汽：水和易挥发组分（图3.383.38）多股进料：组分相同，组成不同（图多股进料：组分相同，组成不同（图3.393.39）侧线采出：需要不同组成产品（图侧线采出：需要不同组成产品（图3.403.40）蒸出塔：只有提馏段，回收稀溶液中易挥发组分蒸出塔：只有提馏段，回收稀溶液中易挥发组分北京石油化工学院化学工程基础第三章 精馏16/59间歇精馏的应用场合：间歇精馏的应用场合：分批得到物料；分批得到物料；分离要求经常发生变化；分离要求经常发生变化；多组分的初步
10、分离。多组分的初步分离。间歇精馏的特点间歇精馏的特点:（1 1）只有精馏段）只有精馏段,没有提馏段。没有提馏段。（2 2）非稳态过程。）非稳态过程。（3 3）塔顶产品的浓度随操作方式）塔顶产品的浓度随操作方式不同而不同。不同而不同。两种典型的操作方式：两种典型的操作方式：(1)(1)回流比恒定。回流比恒定。(2)(2)馏出液浓度恒定。馏出液浓度恒定。北京石油化工学院化学工程基础第三章 精馏17/59 3.5.1 回流比恒定的间歇精馏回流比恒定的间歇精馏(1)操作型计算操作型计算:N、R、F、xF一定，计算一定，计算D(2)设计型计算设计型计算:设计设计回流比回流比和和理论塔板数理论塔板数 北京
11、石油化工学院化学工程基础第三章 精馏18/59(1)操作型计算操作型计算:塔板数一定，计算回流比塔板数一定，计算回流比R的的变化范围变化范围 (2)设计型计算设计型计算:设计设计回流比范围回流比范围和和理论塔板数理论塔板数3.5.2 馏出液组成恒定的间歇精馏馏出液组成恒定的间歇精馏北京石油化工学院化学工程基础第三章 精馏19/59 特点特点：设备一定：设备一定 加料位置固定，有时可以变动加料位置固定，有时可以变动计算内容计算内容：1，指定操作条件，指定操作条件(如回流比、进料位置等如回流比、进料位置等)，计算各板的组成、温度等。计算各板的组成、温度等。2，或要求一定的操作结果，或要求一定的操作
12、结果(如组成等如组成等)，确定，确定 操作条件操作条件(如回流比、进料位置等如回流比、进料位置等)。比较复杂！比较复杂！3.6.1两组分精馏的操作型计算两组分精馏的操作型计算北京石油化工学院化学工程基础第三章 精馏20/59(1)最佳进料位置最佳进料位置 在在x=xF或或x略小于略小于xF的塔板的塔板(2)保持精馏装置的物料平衡保持精馏装置的物料平衡 产品采出量的依据：产品采出量的依据：物料平衡物料平衡(3)回流比的影响回流比的影响 产品产品质量质量和操作和操作费用费用(4)进料状态的选择进料状态的选择 影响影响理论板数理论板数和和气相负荷，气相负荷，一般采用一般采用饱和液体饱和液体进料进料3
13、.6.2连续精馏操作条件的优化连续精馏操作条件的优化北京石油化工学院化学工程基础第三章 精馏21/59 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 0 0.2 0.4 0.6 0.8 x y 1 a b c d f xF xW xD 8 10 2 4 6 3 7 9 11 5 12 13 理论板数的图解理论板数的图解 14 D,xDW,xWF,xF非最佳位置进料与最佳进料的比较：非最佳位置进料与最佳进料的比较：进料口下移三块板进料口下移三块板非最佳位置进非最佳位置进料比最佳位置料比最佳位置进料所需的理进料所需的理论板数多。论板数多。进料口上移进料口上移?北京石油化工学院化学工程基础第三章 精馏22
14、/59二二.连续精馏操作条件的优化连续精馏操作条件的优化3.回流比的影响回流比的影响回流比是影响精馏过程分离效果的主要因素，所以它回流比是影响精馏过程分离效果的主要因素，所以它是生产中用来调节产品质量的主要手段。是生产中用来调节产品质量的主要手段。min)21.1(RRopt R增大，斜率，传质推动力，理论板数不变，xD提馏段：气液比增大，斜率减小，理论板数不变，xW北京石油化工学院化学工程基础第三章 精馏23/59二二.连续精馏操作条件的优化连续精馏操作条件的优化5.产品质量控制与灵敏板产品质量控制与灵敏板精馏塔内沿塔高的温度分布精馏塔内沿塔高的温度分布在一定的压强下，混合物在一定的压强下，
15、混合物的泡点和露点直接取决于的泡点和露点直接取决于混合物的组成混合物的组成 。理论上可以用温度来控制理论上可以用温度来控制混合物的组成。混合物的组成。与与塔顶塔顶馏出液组成馏出液组成x xD D对应对应的露点温度为的露点温度为t tD D，只要塔顶，只要塔顶温度低于温度低于t tD D，就能保证馏出，就能保证馏出液组成高于液组成高于x xD D。只要塔釜温度高于合格釜只要塔釜温度高于合格釜液的泡点温度，就能保证液的泡点温度，就能保证塔釜残液组成不高于塔釜残液组成不高于x xW W。北京石油化工学院化学工程基础第三章 精馏24/595.产品质量控制与灵敏板产品质量控制与灵敏板精馏塔内沿精馏塔内沿
16、塔高的温度分布塔高的温度分布u 精馏塔内的温度分布不是线性，在塔顶精馏塔内的温度分布不是线性，在塔顶和塔釜附近，气液组成变化不大，其温和塔釜附近，气液组成变化不大，其温度变化也不大。度变化也不大。u 乙苯乙苯-苯乙烯，塔顶馏出液从苯乙烯，塔顶馏出液从99.9%降低降低到到90%，温度仅降低，温度仅降低0.7。u 因此，一旦发现塔顶或塔釜产品温度发因此，一旦发现塔顶或塔釜产品温度发生可以察觉到的温度变化，产品已经不生可以察觉到的温度变化，产品已经不合格，再进行调节已经为时过晚。合格，再进行调节已经为时过晚。如何进行产品如何进行产品质量控制呢？质量控制呢？北京石油化工学院化学工程基础第三章 精馏2
17、5/595.产品质量控制与灵敏板产品质量控制与灵敏板灵敏板：灵敏板：操作条件发生变化时，温度变化较大的塔板。操作条件发生变化时，温度变化较大的塔板。精馏塔内沿塔高的温度分布精馏塔内沿塔高的温度分布在灵敏板上在灵敏板上安装测温仪安装测温仪能及时对精能及时对精馏塔进行监馏塔进行监控。控。北京石油化工学院化学工程基础第三章 精馏26/59R=5R=8温度变化温度变化t/序号序号液相组成液相组成 x泡点温度泡点温度 t/序号序号液相组成液相组成 x泡点温度泡点温度t/10.952081.0310.982580.410.6220.899482.1420.960580.851.2930.809184.13
18、30.915881.792.3440.676287.3240.831883.623.7050.527691.5450.695986.824.7260.373495.9760.521291.474.5070.267799.5870.352695.652.9380.2032101.9680.2294100.970.9990.1421104.3890.1490104.100.28100.0838106.82100.0825106.880.065.产品质量控制与灵敏板产品质量控制与灵敏板(203，185，例，例3-17）北京石油化工学院化学工程基础第三章 精馏27/59特殊精馏：特殊精馏：应用场合：应
19、用场合：共沸化合物，相对挥发度接近共沸化合物，相对挥发度接近1的的混和物。混和物。基本原理：基本原理：在双组分溶液中加入第三组分，在双组分溶液中加入第三组分，改变原溶液中各组分之间的相对挥发度，改变原溶液中各组分之间的相对挥发度，从而可以将混合物进行分离。从而可以将混合物进行分离。恒沸精馏和萃取精馏恒沸精馏和萃取精馏北京石油化工学院化学工程基础第三章 精馏28/591.1.恒沸精馏恒沸精馏加入的第三组分与原溶液中的一个或者两个组分形成加入的第三组分与原溶液中的一个或者两个组分形成最低恒最低恒沸物沸物，从而形成了，从而形成了“恒沸物纯组分恒沸物纯组分”的精馏体系，恒沸物的精馏体系，恒沸物从塔顶蒸
20、出，纯组分从塔底蒸出，这种形式的精馏称为恒沸从塔顶蒸出，纯组分从塔底蒸出，这种形式的精馏称为恒沸精馏，其中所添加的第三组分称为精馏，其中所添加的第三组分称为恒沸剂或者挟带剂恒沸剂或者挟带剂。北京石油化工学院化学工程基础第三章 精馏29/591.1.恒沸精馏恒沸精馏北京石油化工学院化学工程基础第三章 精馏30/59（1 1）希望能与料液中含量较少的那个组分形成恒沸物，）希望能与料液中含量较少的那个组分形成恒沸物，而且夹带组分的量要尽可能高，这样夹带剂用量而且夹带组分的量要尽可能高，这样夹带剂用量较少，能耗较低。较少，能耗较低。（2 2）最好能形成非均相恒沸物，以便于回收其中的夹）最好能形成非均相
21、恒沸物，以便于回收其中的夹带剂。如乙醇水带剂。如乙醇水-苯恒沸精馏中静置分层的办法苯恒沸精馏中静置分层的办法（3 3）新的最低恒沸物沸点要与另一从塔底排出的组分）新的最低恒沸物沸点要与另一从塔底排出的组分要有足够大的差别，一般要求大于要有足够大的差别，一般要求大于1010。（4 4）还应满足其它的工业要求，如具备热稳定性、无）还应满足其它的工业要求，如具备热稳定性、无毒、不腐蚀、来源容易、价格低廉等。毒、不腐蚀、来源容易、价格低廉等。恒沸剂的选择原则：恒沸剂的选择原则：1.1.恒沸精馏恒沸精馏北京石油化工学院化学工程基础第三章 精馏31/59萃萃 取取 剂剂 能能 显显 著著 改改 变变 苯苯
22、 的的 饱饱 和和 蒸蒸 汽汽压压，而而 对对 环环 己己 烷烷 影影 响响 不不 明明 显显，使使 苯苯从从 易易 挥挥 发发 组组 分分 变变 为为 难难 挥挥 发发 组组 分分。2萃取精馏萃取精馏北京石油化工学院化学工程基础第三章 精馏32/59北京石油化工学院化学工程基础第三章 精馏33/59萃取剂的选择原则（萃取剂的选择原则（207207）（1 1）选择性高）选择性高 加入少量萃取剂就能使原组分间的相对挥发度显著增大。加入少量萃取剂就能使原组分间的相对挥发度显著增大。（2 2）溶解度大溶解度大 能和任何浓度的原溶液互溶，以避免分层，否则难以充分发挥能和任何浓度的原溶液互溶，以避免分层
23、，否则难以充分发挥萃取精馏的作用。萃取精馏的作用。（3 3）挥发性小）挥发性小 其沸点比混合液的其它组分高得多，以保证塔顶产品的质量，其沸点比混合液的其它组分高得多，以保证塔顶产品的质量，也易与另一组分分离，但沸点也不能太高，否则会造成回收困也易与另一组分分离，但沸点也不能太高，否则会造成回收困难。难。（4 4）具有稳定性、无毒、不腐蚀、来源容易、价格低廉等其它）具有稳定性、无毒、不腐蚀、来源容易、价格低廉等其它工业要求。工业要求。北京石油化工学院化学工程基础第三章 精馏34/59使用特殊萃取剂使用特殊萃取剂加盐精馏以固体盐类作为萃取剂的萃取精馏，用于难分离有机加盐精馏以固体盐类作为萃取剂的萃
24、取精馏，用于难分离有机水溶液的分离，如乙醇水溶液的分离，如乙醇-水（图水（图3.513.51）、丙醇）、丙醇-水和水水和水-醋酸等。醋酸等。缺点：固体盐的输送、加料和溶解比较困难，容易发生堵塞缺点：固体盐的输送、加料和溶解比较困难，容易发生堵塞解决方法：在一般液体萃取剂中加入少量盐解决方法：在一般液体萃取剂中加入少量盐使用加盐溶剂的萃取精馏称为加盐萃取精馏使用加盐溶剂的萃取精馏称为加盐萃取精馏 北京石油化工学院化学工程基础第三章 精馏35/59从与水不互溶、沸点较高的混合物中提取其中易挥发的物质从与水不互溶、沸点较高的混合物中提取其中易挥发的物质（尤其是热敏性物质），为了降低沸点，可以用水蒸汽蒸馏（尤其是热敏性物质），为了降低沸点，可以用水蒸汽蒸馏 北京石油化工学院化学工程基础第三章 精馏36/59小结小结l相图及其曲线的涵义和对应公式相图及其曲线的涵义和对应公式l物料衡算物料衡算l精馏塔操作线方程精馏塔操作线方程lq值的涵义值的涵义l逐板法求理论塔板数逐板法求理论塔板数l回流比的影响和选择回流比的影响和选择l塔板效率塔板效率l连续精馏操作条件的优化连续精馏操作条件的优化
