1、第7章 分離單元模擬Part A,作者：武佳 孫蘭義,蒸餾基礎(chǔ)知識(shí),蒸餾依據(jù) 蒸餾過(guò)程利用均相液體混合物中各組分飽和蒸汽壓（或沸點(diǎn)或揮發(fā)性）的差異而使各組分得以分離,蒸餾基礎(chǔ)知識(shí),蒸餾過(guò)程的分類,按操作流程分,間歇蒸餾、連續(xù)蒸餾,按蒸餾方法分,簡(jiǎn)單蒸餾、平衡蒸餾、精餾、特殊精餾,按操作壓力分,常壓蒸餾、減壓蒸餾、加壓蒸餾,按組分?jǐn)?shù)分,二元蒸餾、多元蒸餾、復(fù)雜蒸餾,通過(guò)相對(duì)揮發(fā)度表示的汽液平衡關(guān)系,蒸餾基礎(chǔ)知識(shí),在蒸餾分離過(guò)程中，系統(tǒng)的溫度、壓力時(shí)刻在發(fā)生變化，導(dǎo)致相平衡常數(shù)K 也在不斷變化，給計(jì)算過(guò)程帶來(lái)很大不便，為了避免這個(gè)問(wèn)題，考慮能否找出另一參數(shù)來(lái)表達(dá)相平衡關(guān)系，而這一參數(shù)隨著操作條件的

2、變化并不明顯,揮發(fā)度,蒸餾基礎(chǔ)知識(shí),表示物質(zhì)揮發(fā)能力的大小,對(duì)純組分：,對(duì)混合液體：,對(duì)理想溶液：,相對(duì)揮發(fā)度,蒸餾基礎(chǔ)知識(shí),定義：,混合物中兩組分揮發(fā)度之比，用來(lái)表示揮發(fā)能力的差異 對(duì)二元物系，通常用輕組分的揮發(fā)度比上重組分的揮發(fā)度,低壓：,理想物系,高壓：,同樣適用于 低壓理想物系,相對(duì)揮發(fā)度表示的相平衡關(guān)系,蒸餾基礎(chǔ)知識(shí),二元物系：,以表示的相平衡方程,討論,蒸餾基礎(chǔ)知識(shí),是衡量組分是否易于分離的標(biāo)志,不能用蒸餾的方法分離,與1.0偏離越大，兩組分越易分離,0,1.0,1.0,x,y,=1,1,2,3,1 2 3,1時(shí)，yx，可分離,簡(jiǎn)單蒸餾,蒸餾基礎(chǔ)知識(shí)蒸餾方式,操作及流程,y,原料液

3、,x,蒸氣,冷凝器,微分蒸餾、 漸次汽化、漸次冷凝,簡(jiǎn)單蒸餾 相圖分析,蒸餾基礎(chǔ)知識(shí)蒸餾方式,t/C,x(y),0,1.0,露點(diǎn)線,泡點(diǎn)線,y,xF,蒸汽一形成就離開(kāi)系統(tǒng) （釜內(nèi)）液相x 越來(lái)越小，溫度T 越來(lái)越高 出釜?dú)庀鄖 越來(lái)越小 不穩(wěn)定過(guò)程,平衡蒸餾,閃蒸罐,塔頂產(chǎn)品,yA,xA,加熱器,原料液,塔底產(chǎn)品,Q,減壓閥,閃蒸,混合物在加熱或冷卻過(guò)程中，氣、液兩相共存，并保持平衡狀態(tài)，將氣、液兩相分開(kāi)，以使混合物得到一定程度的分離，這種分離方式稱為平衡蒸餾,操作及流程,蒸餾基礎(chǔ)知識(shí)蒸餾方式,平衡蒸餾相圖分析,蒸餾基礎(chǔ)知識(shí)蒸餾方式,t/C,x(y),0,1.0,露點(diǎn)線,泡點(diǎn)線,x,y,xF,

4、氣液兩相只有一次相平衡; 釜內(nèi)組分含量x、蒸汽相組成y 符合相平衡方程; 蒸餾后：xxFy，有分離作用，但分離程度有限，不能得到高純度組分。,平衡蒸餾是液體的一次部分汽化或蒸汽的一次部分冷凝的蒸餾操作,汽、液相組成極限能達(dá)到多少？,平衡級(jí),蒸餾基礎(chǔ)知識(shí)精餾原理,模型：,使原未達(dá)到平衡的的汽、液兩相接觸，兩相將向平衡趨近，若接觸足夠充分、氣液充分混合，離開(kāi)時(shí)汽、液兩相將達(dá)到平衡，此種設(shè)備稱為一個(gè)平衡級(jí),一次部分汽化和一次部分冷凝,蒸餾基礎(chǔ)知識(shí)精餾原理,t/C,x(y),0,1.0,yF,y,x,t/C,x(y),0,1.0,xF,y,x,tF,tF,一次部分汽化,一次部分冷凝,分析,x1xFy1

5、，一次部分汽化與一次部分冷凝皆有分離作用,全部汽化或全部冷凝無(wú)分離作用,受平衡的限制，一次部分氣化與一次部分冷凝分離作用有限，得不到較高純度產(chǎn)品,蒸餾基礎(chǔ)知識(shí)精餾原理,多次部分汽化和多次部分冷凝,流程：,xF,y1,y2,y3 （冷凝后作為產(chǎn)品yD ）,x1,x1,x2 （冷凝后作為產(chǎn)品xW）,x2,x3,y1,y2,蒸餾基礎(chǔ)知識(shí)精餾原理,分析,多次部分汽化后： xF x xx=xW ， 液相中重組分得到提濃； 多次部分冷凝后： xFyyy=yD ， 汽相中輕組分得到提濃；,t/C,x(y),0,1.0,xF,x1,x2,x3,x1,x2,y1,y2,y3,y1,y2,xW,yD,蒸餾基礎(chǔ)知識(shí)

6、精餾原理,t/C,x(y),0,1.0,xF,x1,x2,x3,x1,x2,y1,y2,y3,y1,y2,xW,yD,特點(diǎn)： 中間產(chǎn)品多 最終產(chǎn)品（xW，yD）收率低 設(shè)備復(fù)雜，能耗高，能量利用不合理,如何改善？,蒸餾基礎(chǔ)知識(shí)精餾原理,多次部分汽化和多次 部分冷凝的共同實(shí)現(xiàn),xF,y1,y2,y3,x1,x1,x2,x2,x3,y1,y2,y3,xw,xD,蒸餾基礎(chǔ)知識(shí)精餾原理,分析：,多次部分冷凝時(shí)，每一級(jí)均需要低溫高濃的液相回流 多次部分汽化時(shí)，每一級(jí)均需要高溫低濃的汽相上升,產(chǎn)品收率提高 可得到較純產(chǎn)品 能量利用合理, 缺點(diǎn)：設(shè)備仍很復(fù)雜,t/C,x(y),0,1.0,xF,x1,x2,

7、x3,x1,x2,y1,y2,y3,y1,y2,xW,xD,？,蒸餾基礎(chǔ)知識(shí)精餾原理,精餾塔,料液, xF Feed,塔頂產(chǎn)品, xD Overhead product,塔底產(chǎn)品, xW Bottoms product,液相回流 Liquid reflux,汽相回流 Vapor reflux,精餾段 Rectifying section,提餾段 Stripping section,再沸器 Reboiler,冷凝器condenser,各參數(shù)變化： 沿塔自上而下,T 逐漸升高 液相x 逐漸減小 汽相y 逐漸減小,蒸餾基礎(chǔ)知識(shí)精餾原理,蒸餾基礎(chǔ)知識(shí)精餾原理,塔板上汽、液兩相接觸良好，完全混合，接觸充

8、分，致使汽、液兩相在離開(kāi)該板時(shí)達(dá)到平衡，則稱該板為一塊理論板,理論板：,精餾段和回流的作用,蒸餾知識(shí)預(yù)備精餾原理,將上升汽相中輕組分提濃，最終在塔頂?shù)玫胶虾跻蟮妮p組分產(chǎn)品,提供低溫高濃的液相作為精餾介質(zhì)，保證精餾過(guò)程的正常進(jìn)行,精餾段作用：,回流作用：,提餾段和再沸器的作用,蒸餾知識(shí)預(yù)備精餾原理,提餾段的作用：,使下降的液相中重組分得到提濃，最終在塔底得到合乎要求的重組分產(chǎn)品,再沸器的作用：,提供高溫低濃的汽相作為精餾介質(zhì)，保證精餾的正常進(jìn)行,蒸餾基礎(chǔ)知識(shí)理論板數(shù)計(jì)算,精餾段操作線方程,V, y1,D, xD,L, xD,Vn+1 yn+1,Ln, xn,總物料衡算：,輕組分物料衡算：,恒摩

9、爾流假定成立，令回流比為,說(shuō)明：,物流量與組成均為物質(zhì)的量表示 物義：精餾段任意相鄰塔板間相遇的汽、液兩流組成之間的關(guān)系 恒定R yn+1xn 為一直線,蒸餾基礎(chǔ)知識(shí)理論板數(shù)計(jì)算,精餾段操作線方程,蒸餾基礎(chǔ)知識(shí)理論板數(shù)計(jì)算,提餾段操作線方程,L, xm,V, ym+1,總物料衡算：,輕組分物料衡算：,整理得：,W,x,y,0,1.0,1.0,xD,a,b,xW,c,d,e,精餾段操作線：,斜率：,截距：,提餾段操作線：,斜率：,截距：,過(guò)點(diǎn)（xD，xD）,過(guò)點(diǎn)（xW，xW）,操作線方程在y-x相圖上的表示,進(jìn)料熱狀況及進(jìn)料熱狀況參數(shù),1.進(jìn)料段物料衡算,物平：,熱平：,由于相鄰兩層板的溫度和濃

10、度變化不大，可認(rèn)為,蒸餾基礎(chǔ)知識(shí)理論板數(shù)計(jì)算,進(jìn)料熱狀況及進(jìn)料熱狀況參數(shù),令,進(jìn)料熱狀況參數(shù),液相分率,蒸餾基礎(chǔ)知識(shí)理論板數(shù)計(jì)算,進(jìn)料熱狀況及進(jìn)料熱狀況參數(shù),(1)飽和液體進(jìn)料,TF=Tb， HF=HL,=1,(2)飽和蒸汽進(jìn)料,TF=Td，HF=HV,=0,蒸餾基礎(chǔ)知識(shí)理論板數(shù)計(jì)算,進(jìn)料熱狀況及進(jìn)料熱狀況參數(shù),(3)氣液兩相進(jìn)料,TbTFTd 、HLHFHV,蒸餾基礎(chǔ)知識(shí)理論板數(shù)計(jì)算,蒸餾基礎(chǔ)知識(shí)理論板數(shù)計(jì)算,進(jìn)料熱狀況及進(jìn)料熱狀況參數(shù),(4)過(guò)冷液體進(jìn)料,TFTb 、HFHL,(5)過(guò)熱蒸汽進(jìn)料,TFTd 、HFHV,蒸餾基礎(chǔ)知識(shí)理論板數(shù)計(jì)算,理論塔板數(shù)Nt的計(jì)算逐板計(jì)算法,計(jì)算工具：,相

11、平衡方程：,操作線方程：,（A）,（B）,（C）,蒸餾基礎(chǔ)知識(shí)理論板數(shù)計(jì)算,計(jì)算步驟：,全凝器、泡點(diǎn)回流、飽和液相進(jìn)料（泡點(diǎn)進(jìn)料或q =1）,理論塔板數(shù)Nt的計(jì)算逐板計(jì)算法,蒸餾基礎(chǔ)知識(shí)理論板數(shù)計(jì)算,理論塔板數(shù)Nt的計(jì)算逐板計(jì)算法,則精餾段N= n-1，提餾段N2= m-1（不包括再沸器） 理論板數(shù)NT = N1+N2 = n+m-2（不包括再沸器）,若xn-1xFxn，則第n板 為進(jìn)料板(提餾段第一塊板）：x1=xn,蒸餾基礎(chǔ)知識(shí)理論板數(shù)計(jì)算,y1,xW,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,a,q 線,d,e,y2,y3,y6,xF,x2,x1,xD,b,回流量增大的極限是將塔頂汽相冷

12、凝后全部送回頂層塔板作回流，稱為全回流,R =L/D D =0, W =0, F =0 精餾段和提餾段操作線為對(duì)角線 y=x 每層塔板的分離能力最大，所需的理論塔板數(shù)最少，以Nmin表示，稱為最少理論板數(shù),蒸餾基礎(chǔ)知識(shí),蒸餾基礎(chǔ)知識(shí),d,R ，兩操作線交點(diǎn) d 落在平衡線上，所需的理論板數(shù)為無(wú)窮多，此時(shí)所對(duì)應(yīng)的回流比為最小回流比Rmin,yn+1與xn 成平衡 yn 與xn 成平衡,yn+1=yn，無(wú)分離作用，恒濃區(qū),最小回流比,精餾塔的計(jì)算,蒸餾基礎(chǔ)知識(shí),計(jì)算任務(wù)：,進(jìn)、出精餾裝置各股物料的量和組成； 主要操作條件：T、P、R 和加料熱狀態(tài)等； 精餾塔所需的理論板數(shù)NT、實(shí)際板數(shù)N 和加料位置； 塔板結(jié)