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化 工 原 理 2授课教师：温志英授课教师：温志英第一章第一章 蒸蒸 馏馏1. 学习目的掌握蒸馏基本概念和蒸馏过程基本计算方法2. 重点掌握的内容 （1）两组分理想物系的汽液平衡关系 （2）蒸馏过程的原理 （3）两组分连续精馏过程的计算3、一般掌握的内容 （1）平衡蒸馏与简单蒸馏 （2）两组分连续精馏过程的计算1.1概述w1、混合物非均相物系：机械分离原理，如沉降均相物系：必须造成一个两相物系， 然后利用物性差异实现分离2、蒸馏过程概述 •蒸馏通过加热造成气液两相平衡，利用物系中各组分挥发度不同的特性以实现分离目的 蒸馏分离的依据是，根据溶液中各组分挥发 度（或沸点）的差异，使各组分得以分离 较易挥发--易挥发组分（或轻组分）； 较难挥发的--难挥发组分（或重组分） 是分离均相液体混合 物的一种方法苯和甲苯混合液气 相液 相冷凝较高纯度的苯加热3、蒸馏过程的分类 w1、蒸馏操作方式 分为w2、蒸馏操作流程 可分为间歇蒸馏和连续蒸馏 w3、物系中组分的数目 可分为两组分精馏和多组分精 馏 w4、操作压力 可分为加压、常压和减压蒸馏 简单蒸馏平衡蒸馏（闪蒸）精馏特殊精馏4、蒸馏分离的特点w1、可直接获得产品； w2、应用广泛，历史悠久； w3、能耗较大。

1.2、两组分溶液的汽液平衡关系 一、相与相平衡的概念 二、拉乌尔定律 1、稀溶液拉乌尔定律分压与液相组成 关系2、理想溶液与拉乌尔定律所谓理想物系是指液相和 汽相应符合以下条件： (1) 液相为理想溶液，遵 循拉乌尔定律 (2) 汽相为理想气体，遵 循道尔顿分压定律当 总压不太高（一般不高 于104kPa）时汽相可视 为理想气体三、道尔顿分压定律 四、两组分理想溶液的气液平衡图溶液的平衡温度--组成图是分析精馏原 理的基础w恒压下的温度—组成图（t-x-y图）饱和蒸汽线 、露点线饱和液体线 、泡点线过热蒸汽区气液共存区液相区Ａ的沸点Ｂ的沸点五、五、x-yx-y图图表示一定外压下，液相组成与之 平衡的气相组成间的关系x-y图的作用w１、判断物系分离的难易程度 w２、计算理论板层数六、气液平衡方程w１、挥发度与相对挥发度n挥发度（ｖ）：纯液体的挥发度是指该液体在 一定温度下的饱和蒸汽压n相对挥发度（ａ）：溶液中易挥发组分对难挥 发组分之比 w２气液平衡方程n方程的作用w１、表示气液平衡w２、挥发难易程度或判断某混合物是否能用蒸馏方法 加以分离习题（二）两组分非理想物系的汽液平衡 w(1) 液相为非理想溶液，汽相为理想气体； w(2) 液相为理想溶液，汽相为非理想气体； w(3) 液相为非理想溶液，汽相为非理想气体。

1. 汽液平衡相图1-31-3 平衡蒸馏与简单蒸馏平衡蒸馏与简单蒸馏 一、平衡蒸馏w1. 平衡蒸馏装置与流程 平衡蒸馏又称闪 急蒸馏，简称闪 蒸，是一种连续 、稳态的单级蒸 馏操作 2. 平衡蒸馏过程计算 （（1 1）物料衡算）物料衡算 对图1-7所示的平衡蒸馏装置作物料衡算，得 总物料衡算： F=D+W 易挥发组分衡算：FxF=Dy+WxF、D、W——分别表示原料液、汽相和液相产品流量， kmol/h或kmol/s； xF 、y、x——分别为原料液、汽相和液相产品中易挥发 组分的摩尔分率平衡蒸馏中汽液相组成的关系 式中 q=W/F……液化率例题1在常压下将组成为0.6（易挥发组分的摩尔分率） 的某理想二元混合物分别进行平衡蒸馏，若规定 汽化率为1/3，试计算：平衡蒸馏的汽 液相组成；假设在操作范围内汽液平衡关系为： 解：平衡蒸馏 依题意，液化率为q=1-1/3=2/3由 及 y=0.46x+0.549 联立以上两式，求得平衡的汽液相组成分别 x=0.5085,y=0.7830例2（2）热量衡算w对加热器作热量衡算w原料液节流减压后进入分离器，此时物料放 出显热等于部分汽化所需潜热w原料液离开加热器的温度--简单蒸馏又称微分蒸馏，是一种间歇、单级蒸馏操作。

二、简单蒸馏1-4 精馏原理和流程 精馏可视为由多次蒸馏演变而来的一、精馏过程原理1. 多次部分汽化和冷凝 由此可见，液体混合 物经多次部分汽化和 冷凝后，便可得到几 乎完全的分离，这就 是精馏过程的基本原 理 2. 精馏塔模型 二、精馏操作流程 w1 . 连 续 精 馏 操 作 流 程精馏段提馏段加料板2. 间歇精馏操作流程 间歇精馏只有精馏 段而没有提馏段1-5 两组分连续精馏的计算（Ⅰ）物料衡算与进料热状况的影响 w精馏过程的计算可分为设计型计算和操作型计 算两类本知识点重点讨论板式精馏塔的设计 型计算问题，其主要内容包括： (1) 确定产品的流量或组成； (2) 确定精馏塔的理论板层数和适宜的加料位置 (3) 确定适宜的操作回流比；一、计算的基本假定1. 1. 理论板理论板的假定的假定w所谓理论板是指离开该板的汽液两相互成平衡 ，塔板上各处的液相组成均匀一致的理想化塔 板 2. 恒摩尔流假定 w（1）恒摩尔汽流：指在精馏塔内，从精馏段或提馏 段每层塔板上升的汽相摩尔流量各自相等，但两段上 升的汽相摩尔流量不一定相等即 w精馏段 v1=v2=…….=vn w提馏段 v1`=v2`=……vn` w式中下标表示塔板序号。

w（2）恒摩尔液流：指在精馏塔内，从精馏段或提馏 段每层塔板下降的液相摩尔流量分别相等，但两段下 降的液相摩尔流量不一定相等即 w精馏段 L1=L2=…….=Ln w提馏段 L1=L2=…….=Ln w式中下标表示塔板序号二、物料衡算与操作线方程w1. 全塔物料衡算 w总物料衡算：F=D+W w易挥发组分衡算：FxF=DxD+WxWF—原料液流量，kmol/h或kmol/s；D —塔顶馏出液流量，kmol/h或kmol/s；W —塔底釜残液流量，kmol/h或kmol/s； xF —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； xW —釜残液中易挥发组分的摩尔分率[例题]w每小时将15000kg含苯40%（质量分数， 下同）和甲苯60%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 2%，塔顶馏出液中苯的回收率为97.1% 试求馏出液和釜残液的流量和组成，以 摩尔流量和摩尔分数表示w进料组成w釜残液组成w原料液的平均摩尔流量 w原料液流量 F=15000/85.8=175.0kmol/h w依题意知 DxD/FxF=0.971 DxD=0.971*175*0.44 w全塔物料衡算 D+w=175 w联立，解得D=80.0kmol/h ,W=95.0kmol/h,xD=0.9352. 操作线方程 w(1) 精馏段操作线方程 上式表示在一定操作条件下，精馏段内自任意第n层板下 降的液相组成xn与其相邻的下一层板（n+1)上升蒸汽相组 成yn+1之间的关系，是一条斜率为R/(R+1)，截距为 xD/(R+1)的直线。

2) 提馏段操作线方程 上式表示在一定操作条件下， 提馏段内自任意第m层板下降 的液相组成xm’与其相邻的下 一层板（m+1)上升蒸汽相组成 ym+1’之间的关系三、进料热状况对操作线方程的影响 w w1.1.精馏塔的进料热状况精馏塔的进料热状况 q>1q=1q=0~1q=0q1qL V’>VL’1 w5、过热蒸汽：q1, ∞> q/(q-1)>1 w2 饱和液体:If=IL,q=1, q/(q-1)=∞ w3 汽液混合物:IL q/(q-1)>- ∞ w4 饱和汽体: If=IV, q=0, q/(q-1)=0; w5 过热汽体:If>IV,q<0, 0< q/(q-1)<1 热状态对提馏的影响1-5 两组分连续精馏的计算（Ⅱ） 理论板层数的计算与回流比的影响l给出精馏的原料F ，原料液组成xF，进料热 状况q，操作回流比和分离程度xD、xW，回 流比R；l利用（1）气液平衡关系（2）操作线方程 l求：理论板 一、理论板层数的计算逐板计算法图解法（一）逐板计算法 计算准确， 但繁琐双击关闭此窗口例6.4.1图解法步骤l1、在x-y图上作平衡线及对角线l2、作精馏段操作线abl3、作q线efl4、作提馏操作线cdl5、在精馏线提馏线与平衡线间绘梯级。

二）图解法1. 操作线的作法 2. 梯级图解法求理论板层数 注： 总板数=总梯级数-1跨过d点的梯级为加料板提馏段板数=提馏段梯级数-1二、回流比的影响及其选择w回流比有两个极限值，其上限为全回流 （即回流比为无限大）；下限为最小回 流比，操作回流比介于两个极限值之间 w回流比还是影响精馏操作费用和投资费 用的重要因素 （一）全回流和最小理论板层数w1. 全回流的概念（D=0，F=W=0）若上升至塔顶的蒸汽经全凝器冷凝后，冷凝液全部 回流到塔内，该回流方式称为全回流精馏线、提馏线与对角线重合yn+1=xn w2. 最小理论板层数 （二）最小回流比 l1. 最小回流比的概念随着回流比R的减小，使操作 线交点向平衡移动，导致过程 传质推动力减小，使得完成相 同的分离要求所需理论板数N 随之增加，使塔增高当回流比继续减小，使两操作 线交点落在平衡曲线上，此时 完成规定分离要求所需理论板 数为∞，回流比为该条件下的 最小回流比Rmin 最小回流比的求法l1、作图法lA、正常线（找交点）wB、非正常线（不找交点找切点）(2) 解析法（三）适宜回流比的选择 l选择的原则是根据经济核 算，使操作费用和设备费 用之和为最低。

操作费用 和设备费用之和最低时的 回流比称为适宜回流比 1-6 两组分连续精馏的计算（Ⅲ） l一、简捷法求理论板层数l1、吉利兰（Gilliland）图 l将许多不同精馏塔的回流比、 最小回流比、理论板数及最小 理论板数即R、Rmin、N、Nmin 四个参数进行定量的关联，称 为吉利兰图（Gillilad）图 2. 求理论板层数的步骤 l（1）先按设计条件求出最小回流比Rmin，并选择操作 回流比Rl（2）计算全回流下的最少理论板层数Nminl（3）由（R-Rmin）/（R+1）之值作铅垂钱与曲线相交 ，查出（N-Nmin）/（N+2）之值，计算全塔理论板层 数Nl（4）求精馏段理论板层数，确定适宜的进料板位置二、几种特殊情况理论板层数的计算l1. 直接蒸汽加热 （1）适用场合：待分离的 混合物为水溶液，且水为难挥 发组分，釜液近于纯水； （2）特点：无再沸器 （3）装置：如图（4）物料衡算l总物料：l易挥发组分:V0=V’ L‘=Wl求理论板步骤：l1、作精馏线；l2、作q线；l3、作提馏线；l4、绘梯级2. 提馏塔 w总物料： w易挥发：原料液中易挥发组分含量 低，且对馏出液要求不高 。

L’=F V‘=D泡点进料泡点进料 当泡点进料时，提馏线过（xF ，xD）与（Xw，Xw）两点冷液进料3. 多股进料 w该塔分为3段：第一股进料以上为精馏段；第二股进料以下为提馏段；两股之间为中间段 w中间段的操作线： 总物料：易挥发：操作线为：w由于进料的加入，使进料下方塔段的操作线 斜率大于上方塔段的操作线的斜率 4、具有侧线采出的精馏过程 • 当需要获取浓度不同的两种或 多种产品，应采取侧线出料的 方法，侧线抽出的产品可为塔 板上泡点液体或板上的饱和蒸 气• 如果在精馏段设一侧线采出， 则塔被分为三段塔两端分别 同精馏段和提馏段操作线方程 ，而中段则由物料衡算获得其 操作线方程w1、精馏线 w2、物料衡算w3、提馏线123V“=V=（R+1）D1 L”=L-D2• 无论抽出液相还是气相产品，其段操作线 的斜率均小于第I段塔的操作线的斜率 5、塔顶蒸汽部分冷凝例题• 苯、甲苯两组分混合物进行常压连续精馏， 原料直接加入釜中，组成为Xf=0.7，要求得 到组成为0.8的塔顶产品，塔顶用一分凝器 ，其中50%的蒸气冷凝并返回塔顶，出分凝 器的蒸气于冷凝液体保持平衡，进料量 100Kmol/h，相对挥发度为2.。