宁夏大学化学化工学院 化工原理电子教案 若馏出液的平均组成y或xDm)可通过一批操作的物料衡算方程求得 总物料 D=F一W 易挥发组分 Dy=Fx,-Wx2 第三节精馏原理和流程 3.3.1精馏原理 精馏:把液体混合物进行多次部分气化,同时又把产生的蒸气多次部分冷凝,使混合物分离为 所要求组分的操作过程称为精馏 、全部气化或全部冷凝 设在1个大气压下,苯~甲苯混合液的温度为t;,组成为x1,其状况以A点表示,将此混合液 加热,当温度到达t2(J点,液体开始沸腾,所产生的蒸气组成为y1(如D点),y1与x1成平衡, 而且y1>x,当继续加热,且不从物系中取出物料,使其温度升高到t3(E点),这时物系内,汽液两 相共存,液相的组成为x2(F点),蒸气相的组成为与x2成平衡的y2(G点),且y2>x2°若再升 高温度达到t4(H点),液相终于完全消失,而在液相消失之前,其组成为x3(C点)。这时蒸气量 与最初的混合液量相等,蒸气组成为y3,并与混合液的最初组成x1相同。倘再加热到H点以上,蒸 气组成为过热蒸气,温度升高而组成不变的为y3。自J点向上至H点的前阶段,称为部分气化过程 若加热到H点或H点以上则称全部汽化过程,反之当自H点开始进行冷凝、则至J点以前的阶段称 为部分冷凝过程,至J点及J点以下称为全部冷凝过程。部分汽化和部分冷凝过程实际上是混合液 分离过程 P=latm 110.63℃ t: tI y 苯与甲苯精馏相图 部分汽化、部分冷凝
宁夏大学化学化工学院 化工原理电子教案 16/60 若馏出液的平均组成 ) D,m （或y x 可通过一批操作的物料衡算方程求得，即： 总物料 D=F－W 易挥发组分 Fx1 Wx2 Dy = − 第三节 精馏原理和流程 3.3.1 精馏原理 精馏：把液体混合物进行多次部分气化，同时又把产生的蒸气多次部分冷凝，使混合物分离为 所要求组分的操作过程称为精馏。 一、全部气化或全部冷凝 设在 1 个大气压下，苯～甲苯混合液的温度为 1 1 t ，组成为x ，其状况以 A 点表示，将此混合液 加热，当温度到达 2 t （J 点），液体开始沸腾，所产生的蒸气组成为 1 y （如 D 点）， 1 y 与 1 x 成平衡， 而且 1 y > 1 x ,当继续加热，且不从物系中取出物料，使其温度升高到 3 t （E 点），这时物系内，汽液两 相共存，液相的组成为 2 x （F 点），蒸气相的组成为与 2 x 成平衡的 2 y （G 点），且 2 y > 2 x 。若再升 高温度达到 4 t （H 点），液相终于完全消失，而在液相消失之前，其组成为 3 x （C 点）。这时蒸气量 与最初的混合液量相等，蒸气组成为 3 y ，并与混合液的最初组成 1 x 相同。倘再加热到 H 点以上，蒸 气组成为过热蒸气，温度升高而组成不变的为 3 y 。自 J 点向上至 H 点的前阶段，称为部分气化过程， 若加热到 H 点或 H 点以上则称全部汽化过程，反之当自 H 点开始进行冷凝、则至 J 点以前的阶段称 为部分冷凝过程，至 J 点及 J 点以下称为全部冷凝过程。部分汽化和部分冷凝过程实际上是混合液 分离过程。 x3 y2 t1 t2 t3 t4 x2 x1 y1 A H G D C F E J y3 110.63℃ 80.1℃ P=1atm 苯与甲苯精馏相图 二、部分汽化、部分冷凝
宁夏大学化学化工学院 化工原理电子教案 全部汽化、全部冷凝与部分汽化、部分冷凝的区别:(1)不从物系中取出物料,(2)温度范围 不同。 部分汽化:将混合液自A点加热到B点,使其在B点温度t下部分汽化,这时混合液分成汽液 两相,气相浓度为y,液相为x1(x1<x0),汽液两相分开后、再将x1饱和液体单独加热到C点 在温度12下部分气化,这时又出现新的平衡或得x2的液相及与之平衡的气相y2,最终可得易挥发 组分苯含量很低的液相,即可获得近似于纯净的甲苯 tt,2 E VI 次部分气化t-x-y图 部分冷凝:将上述y蒸气分离出来冷凝至12,即经部分冷凝至E点,可以得到浓度为y2的 汽相及x2液相,y2与x2成平衡y2>y2,依次类推、最后可得较近于纯净的气态苯 三、一部分气化、部分冷凝 将液体进行一次部分气化,部分冷凝,只能起到部分分离的作用,因此这种方法只适用于要求 粗分或初步加工的场合。显然,要使混合物中的组分得到几乎完全的分离,必须进行多次部分气化 和部分冷凝的操作过程。 (或x) 1、2、3-分离器:4-加热器:5-冷凝器 无中间产品及中间加热器与冷凝器 的多次部分气化(冷凝)分离示意图 1760
宁夏大学化学化工学院 化工原理电子教案 17/60 全部汽化、全部冷凝与部分汽化、部分冷凝的区别：（1）不从物系中取出物料，（2）温度范围 不同。 部分汽化：将混合液自 A 点加热到 B 点，使其在 B 点温度 1 t 下部分汽化，这时混合液分成汽液 两相，气相浓度为 1 y ，液相为 1 x （ 1 x < 0 x ），汽液两相分开后、再将 1 x 饱和液体单独加热到 C 点， 在温度 2 t 下部分气化，这时又出现新的平衡或得 2 x 的液相及与之平衡的气相 2 y ，最终可得易挥发 组分苯含量很低的液相，即可获得近似于纯净的甲苯。 一次部分气化t-x-y图 ' x2 x1 t2 t1 t2 y2 x0 x2' y2 y1 . A E ' B C 部分冷凝：将上述 1 y 蒸气分离出来冷凝至 ' 2 t ，即经部分冷凝至 E 点，可以得到浓度为 ' 2 y 的 汽相及 ' 2 x 液相， ' 2 y 与 ' 2 x 成平衡 ' 2 y > 2 y ，依次类推、最后可得较近于纯净的气态苯。 三、一部分气化、部分冷凝 将液体进行一次部分气化，部分冷凝，只能起到部分分离的作用，因此这种方法只适用于要求 粗分或初步加工的场合。显然，要使混合物中的组分得到几乎完全的分离，必须进行多次部分气化 和部分冷凝的操作过程。 无中间产品及中间加热器与冷凝器 4 的多次部分气化（冷凝）分离示意图 x1 y1 x2 1 y2 y3 (或xD） 2 1、2、3-分离器；4-加热器；5-冷凝器 x3 3 5 y3 xF
宁夏大学化学化工学院 化工原理电子教案 如去掉第一级和第二级冷凝器与第二级和第三级加热器则:当第一级所产生的蒸气y与第三级 下降的液体x3直接混合时,由于液相温度13低于气相温度1,因此高温的蒸气将加热低温的液体x3 而使液体部分气化,蒸气自身则被部分冷凝。由此可见,不同温度且互不平衡的汽液两相接触时 必然会同时产生传热和传质的双重作用。所以,使上一级的液相回流(如液相x3)与下一级的气相 (如气相y1),直接接触,而省去了逐级使用的中间加热器和冷凝器 (或x) 2、3-分离器:4-加热器:5-冷凝器 无中间产品及中间加热器与冷凝器 的多次部分气化(冷凝)分离示意图 (用科技史中逐渐演化法讲述从部分气化、部分冷凝到多次部分气化、多次部分冷凝的转化过程 强调冷凝器与加热器是精流塔必须的设备,回流、气化是精馏连续稳定操作必不可少的两个条件。) 当某层塔板的液相浓度与原料液的浓度相同或相近时,原料液就由此引入。这层塔板称为进料 板。 总之,精馏是将挥发度不同的组分所组成的混合液,在精馏塔中同时多次地进行部分气化和部 分冷凝,使其分离成几乎纯态组分的过程。 强调:回流和气化是精馏得以连续稳定操作的必不可少的两个条件,所以精馏塔必须包括冷凝 器与再沸器。 3.3.2精馏操作流程 为什么从再沸器中取出产品,而不是从精馏塔底直接取走产品?岂不是浪费热能? 精馏塔 填料塔 1精馏塔的类型 板式塔 18/60
宁夏大学化学化工学院 化工原理电子教案 18/60 如去掉第一级和第二级冷凝器与第二级和第三级加热器则：当第一级所产生的蒸气 1 y 与第三级 下降的液体 3 x 直接混合时，由于液相温度 3 t 低于气相温度 1 t ，因此高温的蒸气将加热低温的液体 3 x ， 而使液体部分气化，蒸气自身则被部分冷凝。由此可见，不同温度且互不平衡的汽液两相接触时， 必然会同时产生传热和传质的双重作用。所以，使上一级的液相回流（如液相 3 x ）与下一级的气相 （如气相 1 y ），直接接触，而省去了逐级使用的中间加热器和冷凝器。 无中间产品及中间加热器与冷凝器 4 的多次部分气化（冷凝）分离示意图 x1 y1 x2 1 y2 y3 (或xD） 2 1、2、3-分离器；4-加热器；5-冷凝器 x3 3 5 y3 xF （用科技史中逐渐演化法讲述从部分气化、部分冷凝到多次部分气化、多次部分冷凝的转化过程。 强调冷凝器与加热器是精流塔必须的设备，回流、气化是精馏连续稳定操作必不可少的两个条件。） 当某层塔板的液相浓度与原料液的浓度相同或相近时，原料液就由此引入。这层塔板称为进料 板。 总之，精馏是将挥发度不同的组分所组成的混合液，在精馏塔中同时多次地进行部分气化和部 分冷凝，使其分离成几乎纯态组分的过程。 强调：回流和气化是精馏得以连续稳定操作的必不可少的两个条件，所以精馏塔必须包括冷凝 器与再沸器。 3.3.2 精馏操作流程 为什么从再沸器中取出产品，而不是从精馏塔底直接取走产品？岂不是浪费热能？ 一、精馏塔 填料塔 1.精馏塔的类型： 板式塔
宁夏大学化学化工学院 化工原理电子教案 Xn-1 yn 筛板塔的操作情况 2精馏塔的作用 图1是筛板塔中任意第n层板上的操作情况。板上开有小孔,由下一层(如第nl层板)上 升的蒸气通过板上小孔上升,而上一层板(如n-1层板)上的液体通过溢流堰下降至第n层板上 在第n层板上汽液两相密切接触,进行热和质的交换。设进入第n层板上的气相的浓度和温度分别 为yn和tn1,液相的浓度和温度分别为xn和tn1,二者互相不平衡,即n1>ln1,液相中易挥 发组分的浓度xn1大于与yn+成平衡的液相浓度xn,当组成为yn的气相与xn的液相,在第n 层板上接触时,由于存在温度差和浓度差,气相要部分冷凝,使其中部分难挥发组分转入液相中 而气相冷凝时放出潜热传给液相,使液相部分气化,其中部分易挥发组分转入气相中。总的结果使 离开第n层板的液相中易挥发组分的浓度较进入该板时减低,而离开的气相中易挥发组分浓度又较 进入时的增高,即xn<xn1,yn>yn+若气、液两相在板上接触时间长,那么离开该板的气、液 两相互呈平衡,若离开塔板的气液两相达到平衡状态,通常将这种板称为理论板 、精馏操作流程 1.冷凝器:作用是获得液相产品及保证有适宜的液相回流 2.再沸器:作用是提供一定量的上升蒸气流。 3.加料板:将原料进入的那层塔板称为加料板 4.加料板以上的塔段称为精馏段,加料板以下的塔段(包括加料板)称为提馏段。 第四节两组分连续精馏的计算 3.4.1理论板的概念及恒摩尔流的假定 理论板:对任意层理论板n而言,离开该板的液相组成xn与气相组成yn互成平衡。 二、实际板:实际上,由于塔板上气液间接触面积和接触时间是有限的,因此在任何形式的塔板上 气液两相都难以达到平衡状态,也就是说,理论板是不存在的。理论板仅是作为衡量实际板分 高效果的依据和标准,它是一种理想板。通常,在设计中先求得理论板层数,然后用塔板效率 予以校正,即可求得实际塔板层数
宁夏大学化学化工学院 化工原理电子教案 19/60 筛板塔的操作情况 yn+1 xn-1 yn xn °°°°°°°°°°°°°° °°° °°°°°°°°° 2.精馏塔的作用 图 1 是筛板塔中任意第 n 层板上的操作情况。板上开有小孔，由下一层（如第 n+1 层板）上 升的蒸气通过板上小孔上升，而上一层板（如 n－1 层板）上的液体通过溢流堰下降至第 n 层板上， 在第 n 层板上汽液两相密切接触，进行热和质的交换。设进入第 n 层板上的气相的浓度和温度分别 为 n+1 n+1 y 和t ，液相的浓度和温度分别为 n−1 n−1 x 和t ，二者互相不平衡，即 n+1 n−1 t t ，液相中易挥 发组分的浓度 n−1 x 大于与 n+1 n+1 y 成平衡的液相浓度x ，当组成为 n+1 y 的气相与 n−1 x 的液相，在第 n 层板上接触时，由于存在温度差和浓度差，气相要部分冷凝，使其中部分难挥发组分转入液相中； 而气相冷凝时放出潜热传给液相，使液相部分气化，其中部分易挥发组分转入气相中。总的结果使 离开第 n 层板的液相中易挥发组分的浓度较进入该板时减低，而离开的气相中易挥发组分浓度又较 进入时的增高，即 1 1 , n n− n n+ x x y y 若气、液两相在板上接触时间长，那么离开该板的气、液 两相互呈平衡，若离开塔板的气液两相达到平衡状态，通常将这种板称为理论板。 二、精馏操作流程 1.冷凝器：作用是获得液相产品及保证有适宜的液相回流。 2.再沸器：作用是提供一定量的上升蒸气流。 3.加料板：将原料进入的那层塔板称为加料板。 4.加料板以上的塔段称为精馏段，加料板以下的塔段（包括加料板）称为提馏段。 第四节 两组分连续精馏的计算 3.4.1 理论板的概念及恒摩尔流的假定 一、理论板：对任意层理论板 n 而言，离开该板的液相组成 n x 与气相组成 n y 互成平衡。 二、实际板：实际上，由于塔板上气液间接触面积和接触时间是有限的，因此在任何形式的塔板上 气液两相都难以达到平衡状态，也就是说，理论板是不存在的。理论板仅是作为衡量实际板分 离效果的依据和标准，它是一种理想板。通常，在设计中先求得理论板层数，然后用塔板效率 予以校正，即可求得实际塔板层数
宁夏大学化学化工学院 化工原理电子教案 二项假设: (1)恒摩尔气化(气流),精馏操作时,在精馏塔的精馏段内,每层板的上升蒸气摩尔流量都 是相等的。在提馏段内也是如此,但两段的上升蒸气摩尔流量却不一定相等。即: ;=V V=v "=p 式中:V一精馏段中上升蒸气的千摩尔流量,[kmol/h] V一提馏段中上升蒸气的千摩尔流量,[kmol/h] 2)恒摩尔溢流(液流),精馏操作时,在塔的精馏段内,每层板下降的液体摩尔流量都是相 等的。在提馏段的也是如此,但两段的液体摩尔流量却不一定相等。即: L=L L L=L 式中:L一精馏段中下降液体的千摩尔流量,[kmol/h] L一提馏段中下降液体的千摩尔流量,[kmol/h] 上述两相假设常称之为恒摩尔流假设。在塔板上气液两相接触时,若有一千摩尔的蒸气冷凝、 相应就有一千摩尔的液体气化,这时恒摩尔流的假定才能成立。为此,必须满足以下条件: (1)各组分的摩尔气化潜热相等。 (2)气液接触时因温度不同而交换的显热可以忽略。 (3)塔设备保温良好,热损失可以忽略 由此可见,精馏操作时,恒摩尔流虽是假设,但有些系统能基本上符合上述条件,因此,可将 这些系统在塔内的气液两相视为恒摩尔流动 3.4.2物料衡算和操作线方程 、全塔物料衡算 对下图所示的连续精馏塔作全塔物料衡算,并以单位时间为基准,即 F=D+W 总物料 FxF=Dxp +wx 式中:F一原料液流量,[kmol/h] D一塔顶产品(馏出液)流量,[kmol/h] W一塔底产品(釜残液)流量,[kmol/h] 原料液中易挥发组分的摩尔分率 xD-馏出液中易挥发组分的摩尔分率; xm-釜残液中易挥发组分的摩尔分率 0/60
宁夏大学化学化工学院 化工原理电子教案 20/60 二项假设： （1）恒摩尔气化（气流），精馏操作时，在精馏塔的精馏段内，每层板的上升蒸气摩尔流量都 是相等的。在提馏段内也是如此，但两段的上升蒸气摩尔流量却不一定相等。即： ' ' ' ' 1 2 1 2 V V V V V V V V m n = = = = == = ＝ 式中：V－精馏段中上升蒸气的千摩尔流量，[kmol/h]; V ‘－提馏段中上升蒸气的千摩尔流量，[kmol/h] （2）恒摩尔溢流（液流），精馏操作时，在塔的精馏段内，每层板下降的液体摩尔流量都是相 等的。在提馏段的也是如此，但两段的液体摩尔流量却不一定相等。即： ' ' ' ' 1 2 1 2 L L L L L L L L m n = = = = = = ＝ ＝ 式中：L－精馏段中下降液体的千摩尔流量，[kmol/h] L ‘－提馏段中下降液体的千摩尔流量，[kmol/h] 上述两相假设常称之为恒摩尔流假设。在塔板上气液两相接触时，若有一千摩尔的蒸气冷凝、 相应就有一千摩尔的液体气化，这时恒摩尔流的假定才能成立。为此，必须满足以下条件： （1）各组分的摩尔气化潜热相等。 （2）气液接触时因温度不同而交换的显热可以忽略。 （3）塔设备保温良好，热损失可以忽略。 由此可见，精馏操作时，恒摩尔流虽是假设，但有些系统能基本上符合上述条件，因此，可将 这些系统在塔内的气液两相视为恒摩尔流动。 3.4.2 物料衡算和操作线方程 一、全塔物料衡算 对下图所示的连续精馏塔作全塔物料衡算，并以单位时间为基准，即： F=D+W ○1 总物料 FxF = DxD +Wxw ○2 式中：F－原料液流量，[kmol/h]； D－塔顶产品（馏出液）流量，[kmol/h]； W－塔底产品（釜残液）流量，[kmol/h]； F x －原料液中易挥发组分的摩尔分率； D x －馏出液中易挥发组分的摩尔分率； W x －釜残液中易挥发组分的摩尔分率