學習情境四精餾

精餾

蒸餾概述

雙組分溶液的氣液相平衡

平衡蒸餾與簡單蒸餾

精餾

精餾原理

物料衡算

精餾塔操作線方程5種加料熱狀態

理論板計算：計算法，階梯法精餾段提餾段任務一了解蒸餾過程及其應用一、蒸餾在化工生產中的應用二、蒸餾操作的分類三、蒸餾流程

混合物的分離是化工生產中的重要過程。混合物可分為非均相物系和均相物系。

非均相物系的分離主要依靠質點運動與液體流動原理實現分離。而化工中遇到的大多是均相混合物。

均相物質不能采用機械分離的方法

（如乙醇與水）

一、蒸餾在化工生產中的應用釀酒：很久以前祖先在釀酒業中進行蒸酒以提煉飲料酒石油煉制：原油經蒸餾后可分割為汽油、煤油、柴油等產品空氣分離：將液態空氣蒸餾可得到純態的液氧和液氮等。東營職業學院工業工程系1、精餾與蒸餾的區別（1）蒸餾：利用液體混合物中各組分揮發性的差異而將組分分離的傳質過程。為一次部分氣化分離混合物；（2）精餾：多次部分汽化，多次部分冷凝最終得到較純的輕、重組分的過程。蒸發與蒸餾的區別蒸發——A組分揮發，B組分不揮發，供熱就分離；蒸餾——A，B均揮發，存在一個平衡關系！二、蒸餾概述東營職業學院工業工程系2.實質：傳熱和傳質（由濃度差引起的物質在相際間的傳質過程）過程3.處理對象：液體均相混合物4.過程特征：

1）全部汽化、全部冷凝——不能分離

2）部分汽化、部分冷凝——能夠分離5.目的：分離液體混合物6.蒸餾分離的特點（1）通過蒸餾操作，可以直接獲得所需要的產品，而吸收和萃取還需要如其它組分；（2）蒸餾分離應用較廣泛，歷史悠久；（3）能耗大，在生產過程中產生大量的氣相或液相東營職業學院工業工程系習慣上，將混合液中揮發性高的組分稱為易揮發組分或輕組分，以A表示；把混合液中揮發性低的組分稱為難揮發組分或重組分，以B表示。純液體的揮發性可以用飽和蒸汽壓來表示，揮發性大的液體，其飽和蒸汽壓就大，而沸點較低；反之，揮發能力小的液體，其飽和蒸汽壓就小，而沸點較高。7、分類分類特點及應用按蒸餾方式分類平衡蒸餾平衡蒸餾和簡單蒸餾，只能達到有限程度的提濃而不可能滿足高純度的分離要求。常用于混合物中各組分的揮發度相差較大，對分離要求又不高的場合。簡單蒸餾精餾精餾是借助回流技術來實現高純度和高回收率的分離操作。特殊精餾特殊精餾適用于普通精餾難以分離或無法分離的物系。如恒沸蒸餾、萃取蒸餾按操作壓力分類加壓精餾常壓精餾真空精餾常壓下為氣態（如空氣）或常壓下沸點為室溫的混合物，常采用加壓蒸餾；對于常壓下沸點較高（一般高于150℃）或高溫下易發生分解，聚合等變質現象的熱敏性物料宜采用真空蒸餾，以降低操作溫度。按被分離混合物中組分的數目分類兩組分精餾多組分精餾工業生產中，絕大多數為多組分精餾，多組分精餾過程更復雜按操作流程分類間歇精餾連續精餾間歇操作是不穩定操作，主要應用于小規模、多品種或某些有特殊要求的場合，工業中以連續精餾為主。1、簡單蒸餾特點：1.初步分離，間歇操作

2.釜液中易揮發組分含量不斷降低，與之相平衡的氣相濃度液降低，溫度相應升高，只能用于有限度的分離，適用于混合物的粗分離，特別是沸點相差較大而分離要求不高的場合。將原料放在蒸餾釜中，在一定壓強下將其加熱使之沸騰汽化，再將所產生的蒸氣引入冷凝器2，冷凝后的餾出液分別裝入不同的餾出液罐3中。簡單蒸餾的任何瞬間，氣相與釜中存液處于平衡。2、平衡蒸餾特點：1.定常連續操作，離開閃蒸器的氣液兩相處于平衡狀態

2.適用于大批量生產且物料只需粗分的場合，常作為精餾的一種預措施經加壓的原料被連續的加入間接加熱器1中，加熱至指定溫度后經節流閥2急劇減壓至規定壓力后進入分離器3，在分離器內，由于壓強的突然降低，原料液瞬間成為過熱液體，沸騰并降至平衡溫度，液體發生部分汽化，料液降溫放出的顯熱提供了汽化需要的潛熱，氣液分開。三、蒸餾流程

板式塔

板式塔內流體的流動.swf東營職業學院工業工程系原料液水溶液由塔中部加入，液體在塔內處于沸騰狀態，產生的蒸氣沿塔上升，從塔頂引出進入冷凝器冷凝，冷凝液一部分作為塔頂產品，一部分回流至塔內液相回流。

液相沿塔下降至塔底引出，進入再沸器被間接加熱沸騰氣化，所產生的蒸氣由再沸器引入塔內氣相回流，沿塔上升，沒氣化的液相作為塔底產品。

由此可知，塔內所進行的精餾過程可視為一股上升的氣流與一股下降液流在塔內逆流流動，直接接觸，在兩股流體間實現了熱量、質量的傳遞。任務二認知蒸餾設備一、板式塔的結構1、汽相通道塔板上均勻的開有一定數量供汽相自下而上流動的通道。汽相通道的形式很多，對塔板性能的影響極大，各種型式的塔板主要區別就在于汽相通道的形式不同。2、溢流堰在每層塔板的出口端通常裝有溢流堰，板上的液層高度主要由溢流堰決定。3、降液管降液管是液體自上層塔板流到本層塔板的通道。板式精餾塔工作.swf圖4-2

板式塔結構1-塔體；2-塔板；3-溢流堰；4-受液盤；5-降液管二、板式塔的類型1、塔板有錯、逆流兩種2、錯流塔板

按照塔板上氣液接觸元件不同，可分為多種型式

分類結構應用泡罩塔板每層塔板上開有圓形孔，孔上焊有若干短管作為升氣管。升氣管高出液面，故板上液體不會從中漏下。近年來已很少應用。篩板在塔板上開有許多均勻分布的篩孔，其結構如圖4-7，篩孔在塔板上作正三角形排列。近年來對大孔（直徑10mm以上）篩板的研究和應用有所進展。浮閥塔板閥片可隨氣速變化而升降。閥片上裝有限位的三條腿，插入閥孔后將閥腿底腳旋轉90°，限制操作時閥片在板上升起的最大高度，使閥片不被氣體吹走。應用廣泛。分類結構特點噴射型結板舌形塔板在塔板上開出許多舌型孔，向塔板液流出口處張開，張角20°左右。舌片與板面成一定的角度，按一定規律排布，塔板出口不設溢流堰，降液管面積也比一般塔板大些優點：開孔率較大，故可采用較大空速，生產能力大；傳質效率高；塔板壓降小。缺點：操作彈性小；板上液流易將氣泡帶到下層塔板，使板效率下降。浮舌塔板將固定舌片用可上下浮動的舌片替代生產能力大，操作彈性大，壓降小。斜孔塔板在塔板上沖有一定形狀的斜孔，斜孔開口方向與液流方向垂直，相鄰兩排斜孔的開口方向相反生產能力比浮閥塔大30％左右，結構簡單，加工制造方便，是一種性能優良的塔板。網孔塔板在塔板上沖壓出許多網狀定向切口，網孔的開口方向與塔板水平夾角約為30°，有效張口高度為2～5mm。具有處理能力大、壓力降低、塔板效率高等優點，特別適用于大型化生產。圖4-9舌形塔板圖4-10浮舌塔板圖4-11網孔塔板浮舌塔板.swf浮閥塔板的結構原理圖.swf三、板式塔的流體力學性能--以篩板塔為例進行討論

1、汽液接觸狀態工業上實際使用的篩板，兩相接觸不是泡沫狀態就是噴射狀態，很少采用鼓泡接觸的。板式塔流體力學性能與操作特性.swf塔板特性2.swf2、漏液汽相通過篩孔的汽速較小時，板上部分液體就會從孔口直接落下，這種現象稱為漏液。上層板上的液體未與汽相進行傳質就落到濃度較低的下層板上，降低了傳質效果。嚴重的漏液將使塔板上不能積液而無法操作。故正常操作時漏液量一般不允許超過某一規定值。3、液沫夾帶汽相穿過板上液層時，無論是噴射型還是泡沫型操作，都會產生數量甚多、大小不一的液滴，這些液滴中的一部分被上升汽流挾帶至上層塔板，這種現象稱為液沫夾帶。濃度較低的下層板上的液體被汽流帶到上層塔板，使塔板的提濃作用變差，對傳質是一不利因素。4、液泛汽相通過塔板的壓降一方面隨汽速的增加而增大，因而降液管內的液面亦隨汽速的增加而升高；另一方面，當液體流經降液管時，降液管對液流有各種局部阻力，流量大則阻力增大，降液管內液面隨之升高。故汽液流量增加都使降液管內液面升高，嚴重時可將泡沫層升舉到降液管的頂部，使板上液體無法順利流下，導致液流阻塞，造成液泛。液泛是汽液兩相作逆向流動時的操作極限。因此，在板式塔操作中要避免發生液泛現象。塔板特性3.swf5、塔板上液體的返混液體在塔板的主流方向是自入口端橫向流至出口端，因汽相攪動，液體在塔板上會發生反向流動，這些與主流方向相反的流動即所謂返混。只有當返混極為嚴重時，板上液體才能混合均勻。假若塔板上液體完全混合，這時板上各點的液體濃度都相同，有濃度均勻的汽相與塔板上各點的液體接觸傳質，離開各點的汽相濃度也相同。四、塔板負荷性能圖影響板式塔操作狀況和分離效果的主要因素為物料性質、塔板結構及氣液負荷，對一定的分離物系，當設計選定塔板類型后，其操作狀況和分離效果只與氣液負荷有關。要維持塔板正常操作，必須將塔內的氣液負荷限制在一定的范圍內，該范圍即為塔板的負荷性能。將此范圍繪制在直角坐標系中，以液相負荷L為橫坐標，氣相負荷V為縱坐標進行，所得圖形稱為塔板的負荷性能圖.過量液沫夾帶線，它是以液沫夾帶量為0.1kg(液)/kg(干氣體)為依據確定的。漏液線，由不同液體流量的漏液點組成，由u漏液確定。液泛線，此線的位置根據液泛的條件確定。液量下限線，液量小于該下限，板上液體流動嚴重不均勻，導致塔板效率急劇下降。液量上限線，液量超過此上限，產生氣泡夾帶，嚴重時將導致液泛。四、塔板負荷性能圖負荷性能圖由以下五條線組成。

(1)漏液線圖中1線為漏液線，又稱氣相負荷下限線。當操作時氣相負荷低于此線，將發生嚴重的漏液現象，此時的漏液量大于液體流量的10％。塔板的適宜操作區應在該線以上。(2)液沫夾帶線圖中2線為液沫夾帶線，又稱氣相負荷上限線。如操作時氣液相負荷超過此線，表明液沫夾帶現象嚴重，此時液沫夾帶量大于0.1kg(液)／kg(氣)。塔板的適宜操作區應在該線以下。四、塔板負荷性能圖(3)液相負荷下限線圖中3線為液相負荷下限線。若操作時液相負荷低于此線，表明液體流量過低，板上液流不能均勻分布，氣液接觸不良，塔板效率下降。塔板的適宜操作區應在該線以右。(4)液相負荷上限線圖中4線為液相負荷上限線。若操作時液相負荷高于此線，表明液體流量過大，此時液體在降液管內停留時間過短，發生嚴重的氣泡夾帶，使塔板效率下降。塔板的適宜操作區應在該線以左。(5)液泛線圖中5線為液泛線。若操作時氣液負荷超過此線，將發生液泛現象，使塔不能正常操作。塔扳的適宜操作區在該線以下。四、塔板負荷性能圖在塔板的負荷性能圖中，五條線所包圍的區域稱為塔板的適宜操作區，在此區域內，氣液兩相負荷的變化對塔板效率影響不太大，故塔應在此范圍內進行操作。操作時的氣相負荷V與液相負荷L在負荷性能圖上的坐標點稱為操作點。在連續精餾塔中，操作的氣液比V／L為定值，因此，在負荷性能圖上氣液兩相負荷的關系為通過原點、斜率為V／L的直線，該直線稱為操作線。操作線與負荷性能圖的兩個交點分別表示塔的上下操作極限，兩極限的氣體流量之比稱為塔板的操作彈性。設計時，應使操作點盡可能位于適宜操作區的中央，若操作線緊靠某條邊界線，則負荷稍有波動，塔即出現不正常操作。一、雙組分理想物系的氣液相平衡1.理想物系

液相---是理想溶液---遵循拉烏爾定律氣相---是理想氣體---遵循理想氣體狀態方程

2.

拉烏爾定律在一定溫度下，氣液兩相達到平衡時，溶液上方氣相中任意組分所具有的分壓值，等于該組分在純態時、相同溫度下的飽和蒸汽壓與該組分在液相中的摩爾分數之乘積，即：式中：拉烏爾定律表示了理想溶液在達到平衡時氣相分壓與液相組成之間的關系。任務三獲取蒸餾知識描述的是理想氣體的特性。這一經驗定律是在1801年由約翰·道爾頓所觀察得到的。在任何容器內的氣體混合物中，如果各組分之間不發生化學反應，則每一種氣體都均勻地分布在整個容器內，它所產生的壓強和它單獨占有整個容器時所產生的壓強相同。在外壓不太高（一般不高于104KPa）時，與溶液平衡的氣相可視為理想氣體，應服從道爾頓分壓定律，在平衡時有：3.道爾頓分壓定律式中：當溫度一定時，純物質的飽和蒸汽壓pA0,pB0為確定值，則上式表示了一定溫度下，液相組成與總壓之間的一一對應關系。在一定溫度下，把壓強與組成之間的關系描繪在直角坐標內，即得壓強組成圖，即p-x圖。溫度組成圖表示在一定總壓下，溫度與氣、液組成之間得對應關系。該式稱理想溶液的氣、液相平衡方程，又稱為泡點方程。一定壓強下，液體混合物開始沸騰產生第一個氣泡的溫度，稱為泡點溫度，簡稱泡點。（1）泡點方程（2）露點方程該式稱理想溶液的氣、液相平衡方程，又稱為露點方程。一定壓強下，混合蒸汽冷凝時開始出現第一個液滴時的溫度，稱為露點溫度，簡稱露點。5.溫度組成圖（t－y－x圖）①

t-x-y圖兩端點：A點：x=1純A組分的沸點

B點：x=0純B組分的沸點兩條線：

t-x關系曲線：平衡時液相組成x與泡點溫度之間的關系；

泡點線或飽和液體線

t-y關系曲線：平衡時氣相組成y與露點溫度之間的關系；

露點線或飽和蒸氣線三個區域：

t-x線下方：過冷液體區；

t-y線上方：過熱蒸氣區；

t-x,t-y線之間：氣液兩相共存區。（3）汽液平衡相圖②識圖設有x＝0.4的苯－甲苯混合物，初始狀態為過冷液體，處于圖中的F點（tF）。現保持總壓不變，對它進行加熱，則它的狀態點從F點垂直往上走。當到達t－x線上的G點（tG）時，液體達到飽和，并將開始沸騰產生第一個氣泡，溫度用tb表示；繼續升溫氣體量增多，在到達t－y線之前都處于氣液共存區，其中的氣相和液相達到平衡，如在H點（tH）時，互為平衡的氣液兩相組成為：xC，yD；當到達t－y線上的I點（tI）時，所有的液體恰好完全氣化，蒸氣達到飽和；再繼續升溫就變為過熱蒸氣，如在J點（tJ）。若考慮采用從J點（tJ）開始冷卻過程，當到達I點（tI）時，蒸氣將開始冷凝并產生第一個液滴，溫度用td表示。設系統總物料量為F，液相量為L，氣相量為V，加熱到溫度tH后，根據物料平衡原則，總物料量等于氣液量之和，總物料中易揮發組分的量等于氣液兩相中易揮發組分量之和，即：聯立以上二式，消去F并整理，得：繼續加熱，隨著溫度的增加，HD的長度逐漸縮小，HC的長度逐漸增大，即液相量減少而氣相量增多。氣相量、液相量的計算—杠桿定律通過以上t-x-y圖討論，在過冷液體區、過熱蒸汽區，組成沒有改變；在氣液共存區，組成發生了變化；氣相中易揮發組成濃度升高，液相中難揮發組分濃度升高。二元理想物系在氣液平衡時所處的溫度介于兩純液體的沸點之間，且與純物質有不同：a)溶液在氣化過程中溫度不是定值，而是在tb→td之間變化，即有一個范圍；b)同一組成下溶液的泡點tb和蒸氣的露點td不相等，且td＞

tb。③討論例試計算壓強為99kpa，溫度為90℃苯（A）-甲苯(B)物系平衡時，苯和甲苯在液相和氣相中的組成。90℃，苯的飽和蒸汽壓為135.5kpa，甲苯的飽和蒸汽壓為54kpa。（xA=0.552，yA=0.756）6.y-x圖在平衡線上一點：氣、液互成平衡在對角線上一點：x=y，參考線以x為橫坐標，y為縱坐標作圖，得到y－x相圖。討論：該曲線也稱平衡線，表示一定總壓下氣－液相平衡時的氣相組成與液相組成之間的對應關系；平衡時氣相組成y恒大于液相組成x；相平衡曲線偏離對角線愈遠，表示達氣液相平衡時氣液兩相組成的差異越大，愈有利于分離；y-x圖可用實驗方法或露點方程求取。平衡線上任何一點對應不同溫度，右上方溫度低，左下方溫度高。（二）揮發度和相對揮發度1.揮發度——物質揮發的難易程度，用“ν”表示對混合液中的某一組分，揮發度的大小用氣相中該組分的蒸氣分壓與平衡時的該組分的液相摩爾分數之比來表示，即：理想溶液，根據拉烏爾定律，有：理想溶液中各組分的揮發度等于其飽和蒸氣壓。2.相對揮發度——混合液中兩組分揮發度之比，用α表示

若氣相符合道爾頓分壓定律，有：對雙組分混合液:所以整理得到：此式稱為相平衡方程式表示在同一總壓下互成平衡的氣液兩相組成之間的關系。當α=1時，y＝x，說明經蒸餾分離后組成與原來的一樣，表示不能用普通精餾分離；當α＞1時，氣相濃度大于液相濃度，此溶液用蒸餾方法分離；

α愈大，表明兩組分的揮發度差別愈大，愈易分離。（2）對理想溶液理想溶液的相對揮發度為同溫度下純組分A和B的飽和蒸氣壓之比（1）討論3.平均相對揮發度，當精餾塔內壓強和溫度變化都比較小時，也可用幾何平均值表示，即：例苯-甲苯的飽和蒸汽壓數據如下：t/℃80.28896104p0A/kpa101.33127.59160.52199.33p0B/kpa39.9950.665.6683.33計算出平均相對揮發度并寫出相平衡方程式。1、簡單蒸餾特點：1.初步分離，間歇操作

2.釜液中易揮發組分含量不斷降低，與之相平衡的氣相濃度液降低，溫度相應升高，只能用于有限度的分離，適用于混合物的粗分離，特別是沸點相差較大而分離要求不高的場合。將原料放在蒸餾釜中，在一定壓強下將其加熱使之沸騰汽化，再將所產生的蒸氣引入冷凝器2，冷凝后的餾出液分別裝入不同的餾出液罐3中。簡單蒸餾的任何瞬間，氣相與釜中存液處于平衡。2、平衡蒸餾特點：1.定常連續操作，離開閃蒸器的氣液兩相處于平衡狀態

2.適用于大批量生產且物料只需粗分的場合，常作為精餾的一種預措施經加壓的原料被連續的加入間接加熱器1中，加熱至指定溫度后經節流閥2急劇減壓至規定壓力后進入分離器3，在分離器內，由于壓強的突然降低，原料液瞬間成為過熱液體，沸騰并降至平衡溫度，液體發生部分汽化，料液降溫放出的顯熱提供了汽化需要的潛熱，氣液分開。(四)、精餾原理

1、液體混合物經過多次部分汽化后可變為高純度的難揮發組分

部分汽化的次數越多，得到的液相中易揮發組分就越低，最后可得到幾乎純態的難揮發組份，x1>X2>X3…>Xm,但是L1>L2>…>Lm，即最終組成xm接近零，但是所得到的液相量也越來越少。

2、氣體混和物經過多次部分泠凝后可變為高純度的易揮發組分

部分冷凝的次數越多，所得的氣相易揮發組份含量就越高，最后可得到幾乎純態的易揮發組份y1<y2<…<yn,但是V1>V2>…>Vn，即最終的組成yn接近于純態的易揮發組份，但所得到的氣相量則越來越少。3、精餾是多次部分汽化與多次部分冷凝的聯合操作每次部分汽化和部分冷凝，使氣液兩相的組成發生變化，而同時多次進行部分汽化（需要加熱）和多次冷凝（放熱），就可使混合液分離為純的或者比較純的組分。為減少能耗和物料損失，將中間產物返回前一分離器中。為得到回流的液體，上半部最上一級設置部分冷凝器，為得到上升的蒸汽，下半部最下一級需設置部分汽化器。就會使整個流程形成“精餾”流程。特點：1.單純的分離器變成了混合分離器，兩股物流進入，兩股平衡氣液物流離開。

2.充分利用物流本身的焓變交換熱量，省去了中間冷卻器與中間加熱器3.取消了中間物流的引入，物流量變化不大，可得到足夠數量的較高純度的產品

4.存在回流，是雙向相際傳質過程，而吸收屬于單向相際傳質過程，是精餾與吸收的區別連續精餾裝置流程1.進料板：原料液進入的那層板2.精餾段：進料板以上的塔段主要任務：使上升氣相中輕組分不斷增濃，以獲得高純度的塔頂產品3.提餾段：進料板以下的（包括進料板）塔段主要任務：使下降液體中輕組分不斷被提出，以獲得富含重組分的殘液塔板的作用每一塊塔板是一個混合分離器，進入塔板的氣流和液流之間同時發生傳熱和傳質過程，氣相物流發生部分冷凝，同時放出熱量使液流升溫并部分汽化，使兩相各自得到提濃。精餾過程的回流2.塔頂液相回流：保證從塔頂加入一股足夠數量并富含輕組分的液體（1）泡點回流：采用全凝器，全部冷凝成組成為xD的飽和液體（2）冷液回流：全凝器得到的組成為xD的飽和液體進一步冷卻再部分引回塔內。（3）塔頂采用分凝器產生液相回流：經過分凝器得到平衡的氣液兩相，液體作為液相回流，氣相經全凝器全部冷凝為塔頂產品。3.塔釜氣相回流：再沸器1.回流的作用

保證每塊塔板上有足夠數量和一定組成的下降液流和上升氣流。塔板上汽液兩相的操作分析若上升蒸氣與下降液體在第n塊板上接觸時間足夠長，兩者溫度將相等，都等于tn，氣液兩相組成yn與xn相互平衡，稱此塔板為理論塔板。實際上，塔板上的氣液兩相接觸時間有限，氣液兩相組成只能趨于平衡。（五）非理想溶液當溶液行為與拉烏爾定律偏離較遠時，就稱其為非理想溶液。非理想溶液對拉烏爾定律的偏差有兩種情況，一種是溶液各組分的實際分壓比由拉烏爾定律計算的數值高，即

pA>pA0xApB>pB0xB

稱為正偏差，這種情況比較常見，如乙醇-水二元物系即屬于這種情況;另一種情況與此相反，即溶液各組組分的實際分壓比由拉烏爾定律計算的數值低，稱為負偏差，如硝酸-水二元物系.式中：

F、D、W——分別表示原料、塔頂產品、塔底產品流量，kmol/h；

xF、xD、xW——分別表示原料、塔頂產品、塔底產品中易揮發組分的摩爾分數。衡算范圍：虛線框衡算基準：單位時間總物料衡算：F=D+W

易揮發組分的物料衡算:FXF=DXD+WXW

(一)全塔物料衡算二、精餾的工藝計算聯立得，餾出液采出率D/F：釜液采出率W/F：回收率：用原料中易揮發（或難揮發）組分被回收的百分率表示塔頂易揮發組分的回收率ηD：塔釜難揮發組分得回收率ηW：【例4-1】

每小時將15000kg，含苯40％和含甲苯60％的溶液，在連續精餾塔中進行分離，要求將混合液分離為含苯97％的餾出液和釜殘液中含苯不高于2％（以上均為質量百分數）。操作壓力為101.3kPa。試求餾出液及釜殘液的流量及組成，以千摩爾流量及摩爾分數表示。東營職業學院工業工程系二）恒摩爾流假設1.恒摩爾氣流在精餾塔內，各層塔板上升蒸氣摩爾流量相等，即：精餾段：V1=V2=V3=…=V=常數提餾段：V’1=V’2=V’3=…=V’=常數

兩段上升的蒸氣摩爾流量不一定相等。（二）理論板與恒摩爾流假設一）理論板離開該板的蒸氣和液體組成達到平衡的塔板，即兩相溫度相同，組成互成平衡。可作為衡量實際塔板分離效果的一個標準。東營職業學院工業工程系2.恒摩爾液流在精餾塔內，各層塔板下降的液體摩爾流量相等，即：精餾段：L1=L2=L3=…=L=常數提餾段：L’1=L’2=L’3=…=L’=常數

兩段下降的液體摩爾流量不一定相等3.恒摩爾流假設成立的條件混合物中各組分的摩爾汽化焓相等；各板上氣液接觸時因溫度不同而交換的顯熱量可忽略；塔設備保溫良好，熱損失可忽略。東營職業學院工業工程系（三）操作線方程對虛線范圍（包括精餾段中第n+1塊塔板以上的塔段和冷凝器在內）作物料衡算，以單位時間為基準，即：總物料衡算：V=L+D易揮發組分的物料衡算：Vyn+1=Lxn+DxD

式中：V、L——分別表示精餾段內每塊塔板上升的蒸氣摩爾流量和下降的液體摩爾流量，kmol/h；

1.精餾段操作線方程東營職業學院工業工程系

此式稱為精餾段操作線方程。此式表示在一定操作條件下，精餾段內任意一板（第n板）下降的液體組成xn與其相鄰的下一板（第n＋1板）上升的蒸氣組成yn+1之間的關系，即板間的物料組成關系。直線為過對角線（xD,xD）,截距為xD/（R+1）的直線。將上式等號右端各項分子分母同除以D，得：yn+1——精餾段中任意第n+1層板上升的蒸氣組成，摩爾分數xn——精餾段中任意第n層板下降的液體組成，摩爾分數。東營職業學院工業工程系2.提餾段操作線方程對虛線范圍（包括提餾段第m塊塔板以下塔段及再沸器）作物料衡算，即：

總物料衡算：L’=V’+W易揮發組分的物料衡算：L’xm=V’ym+1+Wxwym+1------提餾段第m＋1層板上升蒸氣中易揮發組分的摩爾分率；

xm-------提餾段第m+1層板下降液體中易揮發組分的摩爾分率。式中：V’、L’----分別表示提餾段內每塊塔板上升的蒸氣摩爾流量和下降的液體摩爾流量，kmol/h；東營職業學院工業工程系該方程的物理意義是表達在一定的操作條件下，提餾段內任意兩塔板間上升的蒸氣組成ym＋1與下降的液體組成xm之間的關系。此式為提餾段操作線方程注：提餾段內液體摩爾流量，受進料量及進料熱狀況的影響。泡點進料時，進料量為F，據恒摩爾流假設條件，則：L’=L+F，V’=V練習：4-1作業：4-1東營職業學院工業工程系熱量衡算：FHm,F+LHm,L+V’Hm,V’=VHm,V+L’Hm,L’

對進料板作物料衡算及熱量衡算，衡算范圍為圖中虛線區域（四）進料熱狀況的影響和q線方程一）進料熱狀況參數物料衡算：F+L+V’=V+L’（1）式中：Hm,F——進料狀況下原料的摩爾焓，kJ/kmol；

Hm,LHm,l’——

進入和離開進料板的飽和液體的摩爾焓，kJ/kmol；

Hm,VHm,V’——離開和進入進料板的飽和蒸氣的摩爾焓，kJ/kmol。東營職業學院工業工程系

忽略設備的熱損失及相鄰兩板間氣液的溫度和組成變化，則：

Hm,L≈Hm,l’

≈原料在飽和液體狀態下的摩爾焓

Hm,V

≈Hm,V’

≈原料在飽和蒸氣狀態下的摩爾焓整理上式得：

FHm,F+LHm,L+V’Hm,V=VHm,V+L’Hm,L（2）聯立（1）（2）得：東營職業學院工業工程系∴L’=L+qF

V’=V-（1-q）Fq值的大小反映了進料的熱狀況，稱為進料熱狀況參數。進料的熱狀況不同，q值不同，對塔內物料變化的影響不同。令：東營職業學院工業工程系在實際生產中，加入精餾塔中的原料液可能有以下五種不同的熱狀況：（1）冷進料：溫度低于泡點的過冷液體；（2）泡點進料：溫度為泡點的飽和液體；（3）氣液混合進料：溫度介于泡點和露點之間的氣液混合物；（4）露點進料：溫度為露點的飽和蒸氣；（5）過熱蒸氣進料：溫度高于露點的過熱蒸氣。二）各種進料熱狀況下的q值東營職業學院工業工程系1.冷進料q＞1提餾段內下降液體量包括以下三部分：①精餾段下降的液體量；②原料液量；③自提餾段上升的蒸氣在加熱原料液的過程中，一部分被冷凝進入提餾段下降液體。由于這部分蒸氣的冷凝，故上升到精餾段的蒸氣量比提餾段的要少，其差額即為冷凝的蒸氣量。L’>L+FV’>V東營職業學院工業工程系2.泡點進料q＝1進入提餾段的液體量為精餾段下降的液體量與進料量之和，兩段上升的蒸氣量相等。L’=L+FV’=V3.氣液混合進料0＜q＜1進入提餾段的液體量是精餾段下降的液體量與進料中液體量之和，進入提餾段的蒸氣量是提餾段上升的蒸氣量與進料中的蒸氣量之和。在氣液混合進料狀態下：q為原料液中液相所占的分率，（1－q）則成為進料汽化率L<L’<L+FV’<V東營職業學院工業工程系4.飽和蒸氣進料q＝0整個進料變為V的一部分，兩段的液體流量則相等L=L’V=V’+F5.過熱蒸氣進料L’<LV>V’＋F精餾段上升蒸氣流量包括以下三部分：①提餾段上升的蒸氣量；②原料蒸氣量；③為將進料溫度降到露點溫度，必然會有一部分來自精餾段的回流液體被氣化，氣化的蒸氣量也成為精餾段上升蒸氣的一部分。過熱蒸氣進料，此種情況與冷液體進料的恰好相反。東營職業學院工業工程系三）q線方程將精餾段操作線方程和提餾段操作線方程聯立，便得到提餾段操作線與提餾段操作線交點的軌跡：將式L’=L+qF，V’=V-（1-q）F，FXF=DXD+WXW

帶入上式，整理得：

此式稱為q線方程，也稱作進料方程。它是一條過點e（xF，xF）、斜率為q/(q-1)的直線。東營職業學院工業工程系5種不同進料熱狀況下的q線斜率值及其方位圖東營職業學院工業工程系結論：1、氣液混合進料時，q線方程為平衡蒸餾的物料衡算方程2、精餾段操作線、提餾段操作線及q線必相交于一點（三線共點）3、已知xD、xF、xW、R及q值，作出精餾段操作線與q線后，便可直接繪出提餾段操作線，使圖解求理論塔板數顯得更為簡捷。4、q值不同，不影響精餾段操作線斜率，但影響提餾段操作線斜率。q值越大，提餾段操作線就越遠離平衡線，塔板上得傳質推動力增大，提濃程度增加，所需理論板數就越少。【例4-2】

用某精餾塔分離丙酮—正丁醇混合液。料液含35％的丙酮，餾出液含96％的丙酮（均為摩爾百分數），加料量為14.6kmol/h，餾出液量為5.14kmol/h。進料為沸點狀態。回流比為2。求精餾段、提餾段操作線方程。

練習：4-2,4-3,4-7東營職業學院工業工程系（一）逐板計算法1.計算依據氣液平衡關系操作關系－－精餾段操作線方程、提餾段操作線方程2.計算條件塔頂采用全凝器，泡點回流；塔釜（再沸器）采用間接蒸汽加熱，再沸器相當于一層理論板；進料為泡點進料。四、理論塔板數的確定P90圖7－26東營職業學院工業工程系（3）第二塊理論板上升的蒸氣組成y2與一塊理論板下降的液體組成x1符合精餾段操作線方程，即（2）離開第一塊理論板的氣液兩相組成是互成平衡的，故可由氣液相平衡方程式求得x1。第四節雙組分連續精餾塔的計算

3.計算步驟（1）塔頂為全凝器，塔頂餾出液xD與塔頂最上一層塔板的上升蒸氣組成y1相同，即：xD＝y1東營職業學院工業工程系（4）此后，使用提餾段操作線方程和相平衡方程，繼續采用上述方法進行

逐板計算，直至計算到xm≤xW為止。

因再沸器相當一塊理論板，故提餾段所需理論板數為（m-1）。第四節雙組分連續精餾塔的計算如此重復計算，直至計算到xn≤xF（僅適用于泡點進料）時。第n層理論板是進料板，精餾段所需理論板數為（n-1）。東營職業學院工業工程系（二）圖解法步驟：1.繪相平衡曲線，并作出對角線2.繪操作線（1）畫精餾段操作線（2）畫提餾段操作線3.繪直角梯級從a點開始，在精餾段操作線與平衡線之間作直角梯級，當梯級跨過兩操作線交點d點時，則改在提餾段操作線與平衡線之間作直角梯級，直至梯級的垂線達到或跨過c點為止。注：當梯級跨過兩操作線交點d時，此梯級為進料板，即為適當的進料位置。此時對一定的分離任務而言，如此作圖所需理論板數為最少。第四節雙組分連續精餾塔的計算圖7-34理論板數圖解法示意圖3．確定最優進料位置最優的進料位置一般應在塔內液相或汽相組成與進料組成相近或相同的塔板上。當采用圖解法計算理論板層數時，適宜的進料位置應為跨越兩操作線交點所對應的階梯。【例4-3】將xF＝30％的苯－甲苯混合液送入常壓連續精餾塔，要求塔頂餾出液中xD=95％，塔釜殘液xw＝10％（均為摩爾分數），泡點進料，操作回流比為3.21。試用圖解法求理論塔板數練習：4-5,4-6,4-9作業：4-6（六）塔板效率與實際塔板數（1）全塔效率全塔效率反映塔中各層塔板的平均效率，因此它是理論板層數的一個校正系數，其值恒小于1。（2）單板效率表示汽相或液相經過一層實際塔板前后的組成變化與經過一層理論板前后的組成變化之比值2．實際塔板數練習：4-10東營職業學院工業工程系

1.R增大，精餾段操作線的斜率增大，截距減小，操作線離平衡線越遠，每一梯級的水平和垂直線段均加長，每塊板的提濃能力提高，完成相同的分離要求，所需的理論板數減少，設備費用下降，對生產有利。

2.R增大，使塔內氣液負荷量增加，導致冷凝器、再沸器負荷增大，操作費用提高，附屬設備尺寸的加大又會增加設備投資。（七）、回流比的影響及其選擇回流比有兩個極限值，一是全回流時的回流比，二是最小回流比。一）回流比R的影響東營職業學院工業工程系二）全回流與最少理論塔板數Nmin1.全回流的特點（1）F=0，D=0，W=0，精餾塔不加料也不出料，無精餾段與提餾段之分（2）R=L/D→∞，平衡線與操作線距離最遠，對應的理論板數最少（以Nmin表示）在(y－x)圖上兩條操作線合二為一，且與對角線重合。

全回流的操作線方程為：yn+1=xn，即任意板間截面上升的蒸汽組成與下降的液體組成相等。2.全回流時的操作線方程操作線斜率在y軸上的截距東營職業學院工業工程系3.全回流時理論板數的確定（1）逐板計算法（2）圖解法從（xD，xD）點開始，在對角線與平衡線之間繪直角梯級，直至xn≤xW為止。（3）芬斯克方程計算式中：Nmin——全回流所需的最少理論塔板數（不包括再沸器）；

αm——全塔平均相對揮發度，在精餾塔內，可取塔頂與塔底相對揮發度的幾何平均值，注：若將式中的xW換成進料組成xF，α取塔頂和進料處的平均值，則該式也可以用來計算精餾段的最少理論塔板數及加料板位置。東營職業學院工業工程系三）最小回流比N最小回流比Rminy

xD

a

xW

b

0

xW

xD當回流比R減至某一數值時，兩條操作線的交點d落在平衡曲線上，所需的理論板數為無窮多，這時的回流比稱為完成該預定分離要求的最小回流比。

d點前后各板上氣液兩相組成無變化，即無增濃作用，所以也稱此區為恒濃區(或稱挾緊區)，d點稱為挾緊點。顯然，最小回流比是回流比的下限。1、最小回流比的定義東營職業學院工業工程系2.最小回流比Rmin的求取——圖解法（1）平衡線為規則形狀泡點進料時，飽和蒸氣進料時，第四節雙組分連續精餾塔的計算東營職業學院工業工程系yxeyxedd（2）平衡線不規則式中，xq、yq改用q線與具有該最小回流比的操作線交點的坐標。當平衡線出現明顯下凹時，操作線與平衡線先相切一點，最小回流比仍可用下式計算：東營職業學院工業工程系可通過經濟核算來選擇（1）操作費用主要由冷凝器中冷卻劑用量和再沸器中加熱劑用量組成。F、q和D一定，R增加，V與V’增加，操作費用增加。（2）設備費用在最小回流比時，理論板數為無窮大，故設備費用亦為無窮大。R稍大于Rmin，理論板減少，設備費用下降；再增大R，設備費用下降緩慢，操作費用上升，總的設備費用隨R的增加而上升。四）適宜回流比（Rmin＜R＜全回流）估算存在一個總費用的最低點，與此對應的回流比即為適宜的回流比。

R=（1.1~2.0）Rmin

總費用費用操作費用

設備費

RminR適宜【例4-5】乙醇水系統當摩爾分數xF=0.3時，要求摩爾分數xD=0.8，泡點進料。最小回流比為多少？乙醇水系統的平衡數據列于下表，y-x圖如例5附圖所示。練習：4-4作業：4-4（八）理