1、傳 質(zhì) 分 離 過 程第三章 氣液傳質(zhì)分離過程主要內(nèi)容及要求：掌握設(shè)計(jì)變量的確定方法；深入理解多組分精餾過程，會(huì)分析；掌握多組分精餾的簡捷計(jì)算方法；掌握萃取精餾和共沸精餾的原理和過程分析；掌握吸收過程的簡捷計(jì)算方法。1第三章 氣液傳質(zhì)分離過程3.1 設(shè)計(jì)變量3.2 多組分精餾3.3 特殊精餾3.4 間歇精餾3.5 吸收與解吸23.1 設(shè)計(jì)變量Independent Design Variables物理量： 流率、濃度、溫度（物流、系統(tǒng)）、壓力、熱負(fù)荷、機(jī)械功、傳熱面積、理論板數(shù)等。 設(shè)計(jì)前需預(yù)先給定數(shù)值的變量稱為設(shè)計(jì)變量。設(shè)計(jì)變量的個(gè)數(shù)稱為設(shè)計(jì)變量數(shù)。例如：兩組分精餾，一股進(jìn)料，只有頂、釜采出

2、，則很簡單，但對于多線采出等復(fù)雜情況，則需知道確定的方法。設(shè)計(jì)前需給定數(shù)值的變量 3Total condenserReflux drum Top stage Bottom stage Feed stage Overhead vapor4Feed stream flow rateA concentration in feedFeed condition in distillationpressureA or B concentration in distillateA or B recovery ratio in bottomsReflux ratioNumber of theoretical

3、stages (feed stage location)Heat duties (total condenser & reboiler)calculationKnown variablesSpecified variables已知變量規(guī)定變量5設(shè)計(jì)變量數(shù)ND: independent design variables變量總數(shù)NV: all pertinent variables約束關(guān)系數(shù)Nc: the total number of independent equations relating the variables強(qiáng)度變量：intensive variables, such as tem

4、perature, pressure, concentration容度變量：extensive variables, such as stream flow rate, heat transfer rate設(shè)備參數(shù)：equipment parameters, such as the number of equilibrium stages6確定設(shè)計(jì)變量數(shù)遵循的一般原則： CVDNNN-=設(shè)計(jì)變量數(shù) 系統(tǒng)的總變量數(shù) 變量之間的約束關(guān)系數(shù) 7VN出入物流變量數(shù)能量交換數(shù)（熱、功） (1)物流變量數(shù) 任一物流的自由度：2+P-=Cf組分?jǐn)?shù) 相數(shù) 對于單相流股：1=P1+=Cf完全描述一個(gè)流動(dòng)流股還應(yīng)

5、加上該流股的流率。因此對于任一單相流股獨(dú)立變量數(shù)：21)1(+=+=CCNV(2)能量交換數(shù) 系統(tǒng)與環(huán)境間能量交換數(shù)的確定：有一股熱量交換，增加一個(gè)變量數(shù)。既有一股熱量交換，又有一股功交換時(shí)，應(yīng)增加兩個(gè)變量數(shù)。 系統(tǒng)的總變量數(shù)8CN依據(jù)約束關(guān)系式(1)物料衡算式 有C個(gè)組分的系統(tǒng)，能夠建立C個(gè)物料衡算式。(2)能量衡算式 (3)相平衡關(guān)系式 (4)化學(xué)反應(yīng)平衡式 (5)內(nèi)在關(guān)系式 每個(gè)系統(tǒng)只有1個(gè)能量衡算式。根據(jù)相平衡條件(逸度相等、壓力相等、溫度相等)能夠建立 C(-1)+2 個(gè)相平衡關(guān)系式。對于無化學(xué)反應(yīng)的系統(tǒng)，化學(xué)平衡關(guān)系式數(shù)為0。約定的關(guān)系，如：物料溫度、壓力相等。約束關(guān)系數(shù)93.1.

6、1 單元的設(shè)計(jì)變量3.1.2 裝置的設(shè)計(jì)變量103.1.1單元的設(shè)計(jì)變量Design variables for elements 一個(gè)化工流程由很多裝置組成，而每個(gè)裝置又可以分解為多個(gè)進(jìn)行簡單過程的單元。確定單元的設(shè)計(jì)變量遵循前述的一般原則即可：單元裝置流程eceveDNNN-=11例1. 絕熱分配器 出入物流變量數(shù)：LL1L2（C+2）3能量交換數(shù)：0+)Nv = 3C+6物料衡算式：能量衡算式：相平衡關(guān)系式：化學(xué)反應(yīng)平衡式：內(nèi)在關(guān)系式：C100L1和L2的T、P、組分濃度相等 2C-1Nc = 2C+2NDe = NveNce = C+4VNeCNe12設(shè)計(jì)變量ND可進(jìn)一步分為： 固定設(shè)

7、計(jì)變量Nx可調(diào)設(shè)計(jì)變量NaNx = 進(jìn)料物流變量數(shù)系統(tǒng)的壓力固定設(shè)計(jì)變量Nx = 進(jìn)料壓力（C+2）+1LL1L2分配器可調(diào)設(shè)計(jì)變量Na = ND-Nx=(C+4)-(C+3)=1分配比ND-Nx13例2. 產(chǎn)物為兩相的全凝器 出入物流變量數(shù)：（C+2）3能量交換數(shù)：1+)Nv = 3C+7物料衡算式：能量衡算式：相平衡關(guān)系式：化學(xué)反應(yīng)平衡式：內(nèi)在關(guān)系式：C1C(-1)+2=C+200Nc = 2C+3NDe = NveNce = C+4VL1L2QVNeCNe14固定設(shè)計(jì)變量Nx = 進(jìn)料壓力（C+2）+1可調(diào)設(shè)計(jì)變量Na = ND-Nx=(C+4)-(C+3)=1VL1L2Q 產(chǎn)物為兩相的

8、全凝器 如單元溫度或引入的冷量15例3. 絕熱操作的簡單平衡級 出入物流變量數(shù)：（C+2）4能量交換數(shù)：0+)Nv = 4C+8物料衡算式：能量衡算式：相平衡關(guān)系式：化學(xué)反應(yīng)平衡式：內(nèi)在關(guān)系式：C1C(-1)+2=C+200Nc = 2C+3NDe = NveNce = 2C+5VNeCNeV0V1L1L0+)16固定設(shè)計(jì)變量Nx = 進(jìn)料壓力2（C+2）+12C5可調(diào)設(shè)計(jì)變量Na = ND-Nx=(2C+5)-(2C+5)=0V0V1L1L0 絕熱操作的簡單平衡級 17例4. 有側(cè)線采出的平衡級 出入物流變量數(shù)：（C+2）5能量交換數(shù)：0+)Nv = 5C+10物料衡算式：能量衡算式：相平衡

9、關(guān)系式：化學(xué)反應(yīng)平衡式：內(nèi)在關(guān)系式：C1C(-1)+2=C+20C+1Nc = 3C+4NDe = NveNce = 2C+6VNeCNe+)V0V1L1L0S18固定設(shè)計(jì)變量Nx = 進(jìn)料壓力2（C+2）+12C5可調(diào)設(shè)計(jì)變量Na = Ni-Nx=(2C+6)-(2C+5)=1V0V1L1L0S有側(cè)線采出的平衡級 側(cè)采量19思考題1：混和器的設(shè)計(jì)變量數(shù)F3F1F2思考題2：再沸器的設(shè)計(jì)變量數(shù)LVLQ掌握p58-59表3-1203.1.2 設(shè)備的設(shè)計(jì)變量Design variables for units uauxuDNNN+=uxN進(jìn)料物流變量數(shù)+壓力等級數(shù) =uaN分配器數(shù)+側(cè)線采出+傳熱

10、單元+串級數(shù)21例1. 簡單精餾塔（塔內(nèi)無壓降）進(jìn)料變量數(shù)：C+2壓力等級數(shù)：1+) C+3分配器數(shù)：側(cè)線采出：傳熱單元：串級數(shù)：00123xNuaNu+)FQ22例2. 有側(cè)采的精餾塔進(jìn)料變量數(shù)：C+2壓力等級數(shù)：1+) C+3分配器數(shù)：側(cè)線采出：傳熱單元：串級數(shù)：11237xNuaNu+)FQWQC全凝器塔內(nèi)無壓降23思考題：計(jì)算以下裝置的設(shè)計(jì)變量F1QWQC全凝器塔內(nèi)無壓降F2243.1.3 流程的設(shè)計(jì)變量Design variables for processes axDNNN+=xN進(jìn)料物流變量數(shù)+壓力等級數(shù) =aN分配器數(shù)+側(cè)線采出+傳熱單元+串級數(shù)25例1. 吸收-解吸流程進(jìn)料變

11、量數(shù)：C+2+3壓力等級數(shù)：2+) C+7分配器數(shù)：側(cè)線采出：傳熱單元：串級數(shù)：00325xNaNu+)蒸汽26（C+12）個(gè)設(shè)計(jì)變量的選擇情況1：（1）吸收塔和解吸塔的操作壓力；2（2）氣體原料的流率、組成、進(jìn)料溫度和壓力；C+2（3）水蒸氣的流率、進(jìn)料溫度和壓力；3（4）吸收塔和解吸塔的塔板數(shù)；2（5）三個(gè)換熱器各自的一個(gè)出口溫度。327情況2：（1）固定設(shè)計(jì)變量的規(guī)定與“情況1”的相同；C+7（2）吸收塔出口氣中CO2 的摩爾分?jǐn)?shù)；1（3）解吸塔出口氣中CO2 的摩爾分?jǐn)?shù)；1（4）三個(gè)換熱器的換熱面積。3自學(xué)p66例3-2雙塔共沸精餾流程28例2. 雙塔共沸精餾流程進(jìn)料變量數(shù)：4+3壓力

12、等級數(shù)：1+) 8分配器數(shù)：側(cè)線采出：傳熱單元：串級數(shù)：00235xNaNu+)蒸汽原料295個(gè)可調(diào)設(shè)計(jì)變量的選擇情況（1）： 三個(gè)串級各自的級數(shù) 3； 再沸器的蒸發(fā)速率 1； 冷凝器的過冷溫度 1。情況（2）： 異丙醇塔釜液中異丙醇的摩爾分?jǐn)?shù) 1； 水塔釜液中異丙醇的摩爾分?jǐn)?shù) 1； 異丙醇塔的最適進(jìn)料位置 1； 再沸器的蒸發(fā)速率 1； 冷凝器的過冷溫度 1。30設(shè)計(jì)變量數(shù)的確定CVDNNN-=VN出入物流變量數(shù)CN物料衡算式 能量衡算式 相平衡關(guān)系式 化學(xué)反應(yīng)平衡式 內(nèi)在關(guān)系式 能量交換數(shù)（熱、功） xN進(jìn)料物流變量數(shù)壓力等級數(shù)xN分配器數(shù) 換熱單元數(shù) 側(cè)線采出數(shù) 串級數(shù) 31混合器出入物流

13、變量數(shù)：（C+2）3能量交換數(shù)：0+)3C+6物料衡算式：能量衡算式：相平衡關(guān)系式：化學(xué)反應(yīng)平衡式：內(nèi)在關(guān)系式：C1000C+1NDe = NveNce = 2C+5VNeCNe+)F3F1F2Nx = 進(jìn)料壓力 =2(C+2)+12C5Na = ND-Nx =(2C+5)-(2C+5)=032再沸器出入物流變量數(shù)：（C+2）3能量交換數(shù)：1+)3C+7物料衡算式：能量衡算式：相平衡關(guān)系式：化學(xué)反應(yīng)平衡式：內(nèi)在關(guān)系式：C1C+2002C+3NDe = NveNce = C+4VNeCNe+)Nx = 進(jìn)料壓力 =(C+2)+1C+3Na = ND-Nx =(C+4)-(C+3)=1LVLQ33

14、精餾塔（塔內(nèi)無壓降）進(jìn)料變量數(shù)：2(C+2)壓力等級數(shù)：1+) 2C+5分配器數(shù)：側(cè)線采出：傳熱單元：串級數(shù)：11248xNuaNu+)F1QWQC全凝器塔內(nèi)無壓降F2343.2 多組分精餾 Multicomponent Distillation3.2.1 多組分精餾過程分析 (Process Analysis)3.2.2 最小回流比 (Minimum Reflux Ratio)3.2.3 最少理論塔板數(shù)和組分分配 (Minimum Number of Equilibrium Stages and Component Distribution)3.2.4 實(shí)際回流比和理論板數(shù) (Actual

15、Reflux Ratio and Actual Number of Equilibrium Stages or Theoretical Stages)3.2.5 多組分精餾的簡捷計(jì)算方法 (Approximate Method for Multicomponent and Multistage Distillation)35Rectifying section精餾段Stripping section提餾段Countercurrent逆流泡沫363.2.1 多組分精餾過程分析Process Analysis for Multicomponent Distillation一、關(guān)鍵組分（Key Co

16、mponents）二、多組分精餾特性分析精餾塔內(nèi)的溫度、流率和濃度分布。37一、關(guān)鍵組分（Key Components）FNa=串級數(shù)(2)分配器(1) 側(cè)線采出(0)傳熱單元(2) = 5已被指定的可調(diào)變量：（1）進(jìn)料位置 feed stage location ；（2）回流比 reflux ratio ；（3）全凝器飽和液體回流或冷凝器的傳熱面積或餾出液溫度。heat transfer area of the condenser or condensate temperature( i.e., saturated liquid)余下的2個(gè)可調(diào)設(shè)計(jì)變量一般用來指定某個(gè)組分在餾出液和另一個(gè)組分

17、在釜液中的濃度。（不論有多少個(gè)組分）38輕關(guān)鍵組分（Light key component, LK), high relative volatility重關(guān)鍵組分（Heavy key component, HK), low relative volatility輕非關(guān)鍵組分（light nonkey component, LNK）輕組分輕關(guān)鍵組分（LK）中間組分(intermediate component, relative volatility between the two key components)重關(guān)鍵組分（HK）重非關(guān)鍵組分（heavy nonkey component, HN

18、K）重組分Concentration of one component in distillate;And concentration of another component in bottom兩個(gè)關(guān)鍵組分Two key componentsRelative volatilitylowhigh39分配組分(distributing component) simultaneously appear in bottoms and distilate非分配組分(nondistribution component)heavy component only appear in bottomslight

19、 component only appear in distilate 清晰分割(sharp split or sharp separation)： 餾出液中除了重關(guān)鍵組分外，沒有其它重組分； 釜液中除了輕關(guān)鍵組分外，沒有其它輕組分。根據(jù)組分是否在精餾塔的兩端都出現(xiàn)，可分為分配組分和非分配組分。40 兩個(gè)關(guān)鍵組分的相對揮發(fā)度相鄰且分離要求苛刻，或非關(guān)鍵組分的相對揮發(fā)度與關(guān)鍵組分相差較大時(shí)，可達(dá)到清晰分割。問題：什么情況下可達(dá)到清晰分割？41二、多組分精餾特性計(jì)算方法上： 對于二元精餾，設(shè)計(jì)變量被確定后，可從任一端出發(fā)，作逐板計(jì)算，無需試差。 對于多元精餾，由于不能指定全部組成，所以需先假設(shè)一端

20、的組成，再通過反復(fù)試差求解。二元精餾 vs 多元精餾在塔內(nèi)流率，溫度和濃度分布上也有不同。42二元精餾實(shí)例：苯甲苯benzene-toluene二組分精餾流率、溫度、濃度分布除進(jìn)料板處液體流率有突變外，各段的摩爾流率基本上為常數(shù).43三組分精餾實(shí)例：苯(LK)甲苯(HK)異丙苯 benzene(LK)-toluene(HK)-isopropyl benzene圖3-5 三元精餾流量分布圖3-6 三元精餾溫度分布液氣比L/V接近常數(shù)44四元精餾實(shí)例：苯甲苯(LK)二甲苯(HK)-異丙苯 benzene-toluene(LK)-xylene(HK)-isopropyl benzene圖3-7 四元

21、精餾液相組成分布Z1=0.125Z2=0.225Z3=0.375Z4=0.27512=2.2522=1.0032=0.3342=0.2145Summary多元精餾與二元精餾在濃度分布上的區(qū)別（1）關(guān)鍵組分含量存在極大值；（2）非關(guān)鍵組分通常是非分配的， 即重組分通常僅出現(xiàn)在釜液中， 輕組分僅出現(xiàn)在餾出液中；（3）重、輕非關(guān)鍵組分分別在進(jìn)料板下、上 形成幾乎恒濃的區(qū)域；（4）全部組分均存在于進(jìn)料板上，但進(jìn)料板 含量不等于進(jìn)料含量。各組分的濃度分布 曲線在進(jìn)料板處不連續(xù)。46精餾塔內(nèi)溫度分布和流量分布的規(guī)律：在精餾塔中，溫度分布主要反映物流的組成，而總的級間流量分布則主要反映了熱衡算的限制。精餾過

22、程的內(nèi)在規(guī)律，嚴(yán)格計(jì)算的基礎(chǔ)。47小結(jié)：一、沿塔高方向的溫度分布在精餾塔中，溫度分布主要反映物流的組成。 沿塔高方向自下而上溫度遞減48級間流率分布與熱量衡算密切相關(guān)。影響因素較多，總效應(yīng)很復(fù)雜，難以歸納出一個(gè)通用的規(guī)律。假設(shè)塔內(nèi)恒摩爾流近似成立。小結(jié)：二、沿塔高方向的汽液流率分布49對于兩組分精餾，指定餾出液中一個(gè)組分的濃度，就確定了餾出液的全部組成；指定釜液中一個(gè)組分的濃度，也就確定了釜液的全部組成。對于多組分精餾，遇到的關(guān)鍵問題是塔頂和塔底產(chǎn)品的組成和量無法全部預(yù)先確定。 小結(jié)：三、沿塔高方向的濃度分布503.2.2 最小回流比（Rm）最小回流比： 在無窮多塔板數(shù)的條件下達(dá)到關(guān)鍵組分預(yù)期

23、分離所需要的回流比。513.2.2 最小回流比（Rm）二元精餾：最小回流比下，進(jìn)料板上下出現(xiàn)恒濃區(qū)（1個(gè)）(constant-composition zone)或稱夾點(diǎn)(pinch point)。For a typical ideal or near-ideal system, pinch point at the feed stage.For a highly non-ideal system, pinch point may occur at a stage above or below the feed stage.523.2.2 最小回流比（Rm）多組分精餾： 最小回流比下，也有恒濃區(qū)

24、，但由于非關(guān)鍵組分的存在，恒濃區(qū)出現(xiàn)的部位要較二組分精餾復(fù)雜。二組分精餾： 最小回流比下，進(jìn)料板上下出現(xiàn)恒濃區(qū)或稱夾點(diǎn)。恒濃區(qū)53多組分精餾中的恒濃區(qū)（1）輕、重組分均為非分配組分：重組分恒濃區(qū)輕組分恒濃區(qū)進(jìn)料板以上必須緊接著有若干塔板使重組分的濃度降到零，這一段不可能是恒濃區(qū)，恒濃區(qū)向上推移而出現(xiàn)在精餾塔段的中部。同理，輕組分恒濃區(qū)出現(xiàn)在提餾段中部。54（2）重組分為非分配組分，輕組分為分配組分：重組分恒濃區(qū)輕組分恒濃區(qū)（3）重組分為分配組分，輕組分為非分配組分：重組分恒濃區(qū)輕組分恒濃區(qū)55（4）輕、重組分均為分配組分：重組分恒濃區(qū)輕組分恒濃區(qū)56多組分精餾中的夾點(diǎn)位置Location of

25、 pinch-point zones （1）輕、重組分均為非分配組分重組分恒濃區(qū)輕組分恒濃區(qū)重組分恒濃區(qū)輕組分恒濃區(qū)重組分恒濃區(qū)輕組分恒濃區(qū)重組分恒濃區(qū)輕組分恒濃區(qū)（4）輕、重組分均為分配組分(all components distributed)（2）重組分為非分配組分，輕組分為分配組分（3）重組分為分配組分, 輕組分非為分配組分有兩個(gè)“夾點(diǎn)”少見57最小回流比條件下會(huì)出現(xiàn)恒濃區(qū)，區(qū)內(nèi)無分離效果，需無窮多理論板（infinite stages)。如何計(jì)算最小回流比？58Underwood（恩德伍德）equation for Rm 假設(shè)： 1、各組分相對揮發(fā)度是常數(shù) relative vola

26、tility is constant 2、塔內(nèi)汽液相流率為恒摩爾流 molar overflow are constant59i 組分i 的相對揮發(fā)度；(xiD)m 最小回流比下餾出液中組分i的摩爾分?jǐn)?shù)； xiF 進(jìn)料中組分i的摩爾分?jǐn)?shù)； q 進(jìn)料熱狀態(tài)參數(shù)（進(jìn)料液相分率）； 方程的根。 以全回流下的xiD代替 取LKHK的根603.2.3 最少理論板數(shù)（Nm）和組分分配 Minimum theoretical stages （Nm）and distribution of components1、開車時(shí)，先全回流，待操作穩(wěn)定后出料。Number of minimum theoretical s

27、tages corresponds to total reflux. At total reflux, there are no further input of feed and withdrawal of distillate and bottoms 全回流對應(yīng)最少理論板數(shù)，但全回流下無產(chǎn)品采出，因此正常生產(chǎn)中不會(huì)采用全回流。什么時(shí)候采用全回流呢？2、在實(shí)驗(yàn)室設(shè)備中，研究傳質(zhì)影響因素。3、工程設(shè)計(jì)中，必須知道最少板數(shù)。61如何計(jì)算最少理論板數(shù)？62Fenske（芬斯克）equation for minimum equilibrium stages (review)前提： 1、塔頂采用全凝器

28、 （若采用分凝器，則分凝器為第1塊板） 2、所有板都是理論板從塔頂向下排序，由相對揮發(fā)度的定義有：Material balance for stage 2:At total reflux，D=063兩式相除，可得：代入：可得：andFor passing streams:64From phase equilibrium： From material balance：Combining these eq.s： Similarly： 65Defining AB: relative volatility by a geometric mean of each stage valuesFor mult

29、icomponent distillation： Fenske equationFenske equation is extremely useful66幾點(diǎn)說明 Supplements to Fenske eq.： 1. 推導(dǎo)中未作任何假設(shè)，因而是嚴(yán)格的。 Fenske eq. is rigorous, because there are no assumptions in the derivation. 67幾點(diǎn)說明 Supplements to Fenske eq.： 2. About AB （1）方程的精度取決于相對揮發(fā)度數(shù)據(jù)的可靠性。（2）AB 的近似處理：1）geometric m

30、ean of top-stage and bottom-stage values3）2）geometric mean of top-stage, feed-stage and bottom-stage兩點(diǎn)平均三點(diǎn)平均單點(diǎn)值683. Another form of Fenske equation A more convenient form of Fenske equation is obtained by replacing the product of the molar-fraction ratios by the equivalent product of mole-distributi

31、on ratio in the form of component distillate and bottoms flow rates.摩爾分率用摩爾數(shù)、體積或重量比來代替。d/b : distribution ratio分配比; d: component flow rate (molar) in distillate; b: component flow rate (molar) in bottoms幾點(diǎn)說明 Supplements to Fenske eq.： 694. Fenske方程既可用于二組分精餾，也可用于多組分精餾。 Fenske eq. can be used for calc

32、ulating distillation of either binary or multicomponent mixtures.幾點(diǎn)說明 Supplements to Fenske eq.： 705. Nm只與分離要求有關(guān)，而與進(jìn)料組成無關(guān)。 The minimum number of equilibrium stages depends on the degree of separation of the two key components and their relative volatility, but is independent of feed-phase condition.

33、幾點(diǎn)說明 Supplements to Fenske eq.： 716. Fenske方程可以用來計(jì)算進(jìn)料板位置、各段理論板數(shù)和組分分配。 Fenske equation can be used for calculating feed-stage location, number of equilibrium stages of rectifying section and stripping section, and component distributions.幾點(diǎn)說明 Supplements to Fenske eq.： feed-stage location：by replacin

34、g feed as the column top (or bottom)把進(jìn)料當(dāng)作塔頂（或塔釜）727. 分離要求的給出形式：（1）規(guī)定關(guān)鍵組分在塔頂和塔釜的摩爾分?jǐn)?shù)。（2）規(guī)定關(guān)鍵組分在塔頂和塔釜的流出量。(3-7)幾點(diǎn)說明 Supplements to Fenske eq.： (3-4)737. 分離要求的給出形式：（3）規(guī)定關(guān)鍵組分在塔頂和塔釜的回收率。（3-11）幾點(diǎn)說明 Supplements to Fenske eq.： 74p73例3-3和例3-4對于無中間組分的體系：如A(LNK)、B(LK)、C(HK)、D(HNK)組成的體系， 先假定清晰分割，計(jì)算理論板數(shù)，再校驗(yàn)是否符合清

35、晰分割的假設(shè)。清晰分割假定比較適用的情況：輕重關(guān)鍵組分的分離程度較高，輕組分的揮發(fā)度比LK的揮發(fā)度大得多，而重組分的揮發(fā)度比HK的揮發(fā)度小得多。Notes：對于有中間組分的體系：如A(LNK)、B(LK)、C(中間組分)、D(HK)、E(HNK) 組成的體系，則根據(jù)C的相對揮發(fā)度是靠近B還是靠近D來假定C在塔頂和塔釜的分配。753.2.4 實(shí)際回流比和理論板數(shù) Actual reflux ratio and theoretical stages一、實(shí)際回流比塔頂液相回流是保證精餾塔連續(xù)穩(wěn)定操作的必要條件?；亓鞅仁怯绊懢s塔設(shè)備投資和操作費(fèi)用的重要因素?；亓鞅仁蔷s過程設(shè)計(jì)計(jì)算的重要參數(shù)。76一

36、、實(shí)際回流比Rop = 1.05 1.1Rm眾多研究發(fā)現(xiàn)： 當(dāng)R Rop，總費(fèi)用隨R的減小而急劇增加 當(dāng)R Rop，總費(fèi)用隨R的增大而增加故通常取 R = 1.2 1.5 Rm 一般取 R = 1.3 RmUnderwood eq.操作費(fèi)設(shè)備費(fèi)總費(fèi)用77不同回流比下組分分配比與相對揮發(fā)度的關(guān)系（相對揮發(fā)度與組成關(guān)系不大，且不同組分塔板效率相同） 1全回流；2高回流比(5Rm)；3低回流比(1.1Rm)；4最小回流比 78The empirical method for calculating of actual theoretical stage(求實(shí)際理論板數(shù)常用的經(jīng)驗(yàn)方法):Gillila

37、nd correlation and Erbar-Maddox correlationFor the systems with slight change in relative volatility適用于相對揮發(fā)度變化不大的情況For high nonideal systems適用于非理想性較大的情況二、實(shí)際理論板數(shù) Actual Theoretical Stages79Fig. 3-9 Gilliland correlation Fig. 3-10 Erbar-Mddox將操作回流比與使用Underwood法得到的最小回流比，F(xiàn)enske法得到的最少理論板及操作回流比下的理論板數(shù)相關(guān)聯(lián)。

38、80適宜進(jìn)料板位置的確定：(1) The optimum feed stage can be located by assuming that the ratio of stage above the feed to stage below the feed is the same as the ratio determined by simply applying Fenske equation to the separate section at total reflux conditions.在操作回流比下精餾段與提餾段理論板數(shù)之比等于在全回流下用Fenske方程分別計(jì)算得到的精餾段與提

39、餾段理論板數(shù)之比。NR: the number of theoretical stages of rectifying sectionNS: the number of the theoretical stages of stripping section 81(2) Kirkbride empirical correlation適宜進(jìn)料板位置的確定：p79 例【3-5】823.2.5多組分精餾塔的簡捷計(jì)算方法 Approximate method for multicomponent distillations簡捷法應(yīng)用場合： 初步設(shè)計(jì)和經(jīng)驗(yàn)估算。操作參數(shù)尋優(yōu)（適宜操作參數(shù)的確定）。合理的分

40、離順序的確定。嚴(yán)格計(jì)算中設(shè)計(jì)變量數(shù)值和迭代變量的初值的提供。當(dāng)相平衡數(shù)據(jù)不夠充分時(shí)，未必比嚴(yán)格計(jì)算準(zhǔn)確度差。833.2.5多組分精餾塔的簡捷計(jì)算方法 Approximate method for multicomponent distillations精餾簡捷計(jì)算FUG法FenskeNmUnderwoodRmGillilandR、N84開始指定進(jìn)料條件指定兩個(gè)關(guān)鍵組分的分離程度估計(jì)非關(guān)鍵組分的分離情況決定精餾塔操作壓力和冷凝器類型在塔壓下作閃蒸計(jì)算計(jì)算最少理論板數(shù)和非關(guān)鍵組分的分離程度計(jì)算值與估計(jì)值是否接近對于指定的實(shí)際回流比（RRm）計(jì)算實(shí)際理論板數(shù)N計(jì)算最小回流比Rmyes計(jì)算進(jìn)料級位置計(jì)

41、算熱負(fù)荷結(jié)束no（bubble-point and dew-point calculation）（adiabatia flash calculation）（Underwood eq.）（R=1.11.5Rm，Gilland correlation）（Kirkbride eq.）（ethaply balance eq.）（Fenske eq.）多組分精餾的FUG法計(jì)算框圖85(b.p./d.p. calculations）(R=1.11.5Rm，Gilland圖)(energy-balance eq.)StartSpecified feedSpecify splits of two key co

42、mponentsEstimate splits of nonkey componentsDetermine column pressure and type of condenserFlash the feed at column pressureCalculate Nm and splits of nonkey componentsDifference between calculated and estimated results is small enoughCalculate actual theoretical stages for specified reflux (RRm)Cal

43、culate minimum reflux ratioyesCalculate feed stage locationCalculate condenser and reboiler dutiesExitno(Adiabatic flash procedure)(Underwood eq.)(Kirkbride eq.)(Fenske eq.)Algorithm for multicomponent distillation by FUG method86餾出液和釜液中組分分配的規(guī)定方式給定LK、HK在塔頂和塔釜的回收率，用Fenske eq.、Underwood eq.和物料衡算直接計(jì)算。給

44、定LK、HK在塔頂和塔釡的含量，且LK、HK相對揮發(fā)度相鄰，先按清晰分割進(jìn)行物料衡算，若校核合理，則得到LK和HK的回收率；若不合理，則試差計(jì)算，直至得到合理物料分配。給定LK、HK在塔頂和塔釡的含量，但LK、HK相對揮發(fā)度不相鄰，先設(shè)定LK、HK的回收率初值，用Fenske eq.試差計(jì)算，得到符合規(guī)定的LK、HK在塔頂和塔釡的含量。給定LK、HK其中之一的回收率，另一個(gè)為塔頂或塔釡的含量，先假定比LK輕的組分在塔釡為零，比HK重的組分在塔頂為零，作物料衡算并進(jìn)行校核。若假定合理，則得到LK和HK的回收率；若假定不合理，則進(jìn)行試差計(jì)算，直至物料分配合理。87已知：精餾塔進(jìn)料量=100 mol

45、/h；70(泡點(diǎn))進(jìn)料，操作壓力=405.3kPa 。進(jìn)料組成（摩爾分?jǐn)?shù)）： 正丁烷 xA=0.4；正戊烷 xB=0.25； 正己烷 xC=0.20；正庚烷 xD=0.15。分離要求： 正戊烷在餾出液中的回收率為90； 正己烷在釡液中的回收率為90。計(jì)算： (1) 餾出液和釡液的流率和組成； (2) 塔頂溫度和塔釡溫度； (3) 最少理論板數(shù)和組分分配； (4) 最小回流比和實(shí)際回流比（R=1.5Rm）； (5) 理論板數(shù)； (6) 進(jìn)料位置。88(1) 餾出液和釡液的流率和組成 假定清晰分割，根據(jù)回收率做物料衡算：89(2) 塔頂溫度和塔釡溫度塔頂溫度：餾出液露點(diǎn)溫度即塔頂溫度根據(jù)餾出液組成

46、和壓力進(jìn)行露點(diǎn)溫度計(jì)算塔釜溫度：釜液泡點(diǎn)溫度即塔釜溫度根據(jù)釜液組成和壓力進(jìn)行泡點(diǎn)溫度計(jì)算90(3) 最少理論板數(shù)（ Nm ）和組分分配Nm：組分分配：91(4) 最小回流比（Rm）和實(shí)際回流比（R=1.5Rm）Rm：Underwood eq.飽和液體進(jìn)料，q=1R=1.5Rm92(5) 理論板數(shù) NErbar-Maddox圖93(6) 進(jìn)料位置Kirkbride empirical correlation94Summary of 3.2 Multicomponent Distillation 多組分精餾過程分析（溫度、濃度變化） 最小回流比（Underwood eq.） 最少理論板數(shù)（Fens

47、ke eq.） 實(shí)際回流比（經(jīng)驗(yàn)R=11.5Rm） 理論板數(shù)（Gilliland 圖、Erbar-Maddox圖） 簡捷計(jì)算（FUG法）95普通精餾操作是分離液體混合物的最常用和有效的方法。應(yīng)用范圍：（1）待分離的兩組分的揮發(fā)性相差較大，兩組分的相對揮發(fā)度較大，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)相對揮發(fā)度最少應(yīng)大于1.05。（2）待分離的混合物不存在恒沸點(diǎn)。（3）組分間無化學(xué)反應(yīng)，組分不發(fā)生分解。（4）混合物各組分在一般（常壓，溫度不很高）條件下能夠汽化和液化。963.3 特殊精餾Enhanced DistillationWhen the relative volatility are below 1.10, the

48、distillation may be uneconomic, and if an azeotrope forms even impossible, then 當(dāng)待分離組分之間形成共沸物或相對揮發(fā)度接近1時(shí)，用普通精餾是無法實(shí)現(xiàn)分離或是經(jīng)濟(jì)上不合理的。此時(shí)，向體系中加入一種適當(dāng)?shù)男陆M分，通過與原體系中各組分的不同作用，改變組分之間的相對揮發(fā)度，使系統(tǒng)變得易于分離，這類既加入能量分離劑又加入質(zhì)量分離劑的精餾稱為特殊精餾或增強(qiáng)精餾。97特殊精餾的分類（1）萃取精餾（Extractive Distillation）*加入的質(zhì)量分離劑不與被分離系統(tǒng)中的任何組分形成共沸物，而其沸點(diǎn)又較原有的任一組分高，

49、從塔釜離開。The solvent is higher boiling (less volatility) than the components in the feed, and that does not form an azeotrope with any of them. 加入的質(zhì)量分離劑稱為溶劑(solvent)。（2）共沸精餾（Azeotropic Distillation）*加入的質(zhì)量分離劑與被分離系統(tǒng)中的一個(gè)或幾個(gè)組分形成共沸物，從塔頂蒸出。加入的質(zhì)量分離劑稱為共沸劑(entrainer)。The entrainer added to the column forms a mi

50、nimum- or maximum-boiling azeotrope with one or more feed components. The azeotrope is removed from the top or bottom.98（3）加鹽精餾（Salt Distillation）：加鹽，利用鹽效應(yīng)使原組分的溶解行為發(fā)生變化。A variation of extractive distillation in which the relative volatility of the key components is altered by dissolving a soluble, i

51、onic salt in the top reflux.（4）吸附精餾（Adsorption Distillation）：加入吸附劑。Adding adsorbent.利用多孔膜。因?yàn)檫^程需加熱，且B在另一側(cè)也汽化，所以可稱為精餾。好處：無需再生，但目前由于膜材料和制膜工藝的不成熟尚無工業(yè)應(yīng)用。（5）膜精餾（Membrane Distillation）：99加入C，使之與原體系中的A發(fā)生反應(yīng)，從而減弱A與B的結(jié)合力。A method that adds a separating regent (c) to react selectively and reversibly with one or

52、 more of the constituents of the feed. （6）反應(yīng)精餾(reactive distillation)：催化精餾(catalytic distillation)Reactive distillation also refers to the case where a chemical reaction and multistage distillation are conducted simultaneously in the same apparatus to produce other chemicals.1003.3.1 萃取精餾（Extractive

53、 Distillation）3.3.2 共沸精餾（Azeotropic Distillation）知識要點(diǎn)： 流程簡析 原理（質(zhì)量分離劑的作用） 過程分析與簡捷計(jì)算 質(zhì)量分離劑的選擇依據(jù)1013.3.1 萃取精餾（Extractive Distillation）內(nèi)容： 萃取精餾的流程 溶劑的作用原理和選擇 萃取精餾過程分析 萃取精餾塔的簡化計(jì)算加入的質(zhì)量分離劑（溶劑）不與被分離系統(tǒng)中的任何組分形成共沸物，而其沸點(diǎn)又較原有的任一組分高，從塔釜離開。102一、萃取精餾的流程Extractive Distillation Configuration圖3-13 萃取精餾流程1-Extractive D

54、istillation Column；2Solvent Recovery columnFeedSolventRaffinateExtract103萃取精餾塔萃取劑回收塔補(bǔ)充溶劑新鮮進(jìn)料循環(huán)溶劑重組分輕組分中間采出溶劑的萃取精餾流程104二、萃取精餾的原理和溶劑的選擇Extractive distillation principles and choice of solvent（1）原理-溶劑的作用增大原有組分的相對揮發(fā)度。 當(dāng)被分離系統(tǒng)的非理想性不強(qiáng)時(shí)，溶劑的作用主要是改變原有組分的相互作用； 當(dāng)被分離系統(tǒng)的非理想性較強(qiáng)時(shí)，溶劑主要起稀釋作用。105二、萃取精餾的原理和溶劑的選擇Extract

55、ive distillation principles and choice of solvent設(shè)組分1和組分2組成的混合物，加入溶劑S進(jìn)行分離。常壓下的相對揮發(fā)度：液相活度系數(shù)可由三組分Margules方程求算：組分1的脫溶劑濃度x1=x1/(x1+x2)（2）溶劑的選擇性106得有溶劑存在下組分1和2間的相對揮發(fā)度：三組分物系的泡點(diǎn)溫度無溶劑S時(shí)，xS0，則二組分體系的相對揮發(fā)度：二組分物系的泡點(diǎn)溫度107若:（p1S/p2S）與溫度關(guān)系不大，x1=x1，則：溶劑的作用：改變組分間的相互作用；稀釋作用。提高溶劑的選擇性可以：1）提高xS，即加大溶劑用量稀釋作用；2）選擇適宜溶劑，改變組分

56、相互作用，如使A1S變大 （正偏差），A2S變小（負(fù)偏差）。溶劑的選擇性與原溶液的性質(zhì)和溶劑的性質(zhì)有關(guān)108 對于一個(gè)具體的萃取精餾過程，溶劑對原溶液關(guān)鍵組分的相互作用和稀釋作用是同時(shí)存在的，對相對揮發(fā)度的提高均有貢獻(xiàn)。到底哪個(gè)作用是主要的，隨溶劑的選擇和原溶液的性質(zhì)不同而異。109改變相互作用實(shí)例環(huán)己烷-苯共沸體系： Cyclohexane b.p.：80.78； benzene b.p.：80.13。 a.p.：77.54，xCH0.4499。 物系的非理想性不大。Solvent：aniline加入苯胺后環(huán)己烷對苯的相對揮發(fā)度明顯提高，特別是在原共沸點(diǎn)處，隨溶劑濃度的增加，相對揮發(fā)度顯著增

57、大。110稀釋作用實(shí)例THF-H2O共沸體系： THF b.p.：65.97； H2O b.p.：100。 a.p.：63.43 xTHF0.8287 物系的非理想性較大。溶劑：DMF加入DMF后THF/H2O的相對揮發(fā)度在原共沸點(diǎn)處，隨溶劑濃度的增加顯著增大。111（3）溶劑的選擇（Choice of Solvent）1）沸點(diǎn)要較組分的高2）與被分離物系有較大的溶解度3）一般溶劑濃度60%，所以成本要低4）污染小，環(huán)境友好5）易與萃取組分分離Extractive distillation utilizes a solvent to enhance the separation among c

58、hemical species. This solvent must be carefully chosen so that it: has higher boiling point than the other components is miscible with the components in the mixtures is cost effective to use in a commercial operation is environmental benign compound is easily separable from the extracted components1

59、12溶劑的選擇-極性因素選擇在極性上更類似于重關(guān)鍵組分的化合物作溶劑，可有效減小重關(guān)鍵組分的揮發(fā)度。常見的有機(jī)化合物按極性增加的順序排列為： 烴醚醛酮酯醇二醇（水） 113 塔頂-丙酮 甲醇同系物（乙二醇197.2 ） 塔底-甲醇同系物 塔頂-甲醇 丙酮同系物 （甲基異丁基酮 115.9 ) 塔底-丙醇同系物 兩種方案比較知，選擇甲醇同系物有利。因?yàn)槿缬帽耐滴镒鬏腿r(shí),該萃取劑要克服原溶液中沸點(diǎn)差異,使低沸點(diǎn)物質(zhì)與萃取劑一起由塔釜排出。例: 甲醇-丙酮(甲醇沸點(diǎn)64.7，丙酮沸點(diǎn)56.4)溶液具有最低共沸點(diǎn)（55.7、x(CH3OH)=0.2）？114溶劑的選擇-氫鍵因素考慮組分間能否

60、生成氫鍵。根據(jù)液體中是否具有活性氫原子和供電子原子，液體可分成五類：-生成三維氫鍵網(wǎng)絡(luò)的液體 水、乙二醇、甘油、氨基醇、含氧酸、多酚和胺基化合物等。-含有活性氫原子和其它供電子原子的其余液體 酸、酚、醇、伯/仲胺、氨、聯(lián)氨、氟化氫、氫氰酸等。-分子中僅含供電子原子（O，N，F(xiàn)），而不含活性氫原子的液體 醚、酮、酚、酯、叔胺。-由僅含有活性氫原子，不含有供電子原子的分子組成的液體 CHC13，CH2C12，CH2ClCHCl2等。-其它液體，即不能生成氫鍵的化合物 烴類、二硫化碳、硫醇、非金屬元素等。 115溶劑的選擇-氫鍵因素 選擇某溶劑來分離相對揮發(fā)度接近1的二元物系，若溶劑能與組分2生成氫