概述

1.工作原理:利用液體混合物中各組分揮發性差異，以熱能為媒介使其部分汽化從而在汽相富集輕組分液相富集重組分而使混合液分離。閃蒸罐塔頂產品yAxA加熱器原料液塔底產品Q減壓閥蒸餾2021/6/271

蒸餾操作實例：石油煉制中使用的

250萬噸常減壓裝置許多生產工藝常常涉及到互溶液體混合物的分離問題，如石油煉制品的切割，有機合成產品的提純，溶劑回收和廢液排放前的達標處理等等。分離的方法有多種，工業上最常用的是蒸餾或精餾。2.蒸餾操作的用途2021/6/272間歇精餾：多用于小批量生產或某些有特殊要求的場合。連續精餾：多用于大批量工業生產中。概述3.蒸餾的分類常壓蒸餾：蒸餾在常壓下進行。減壓蒸餾：常壓下物系沸點較高或熱敏性物質不能承受高溫的情況加壓蒸餾：常壓下為氣體的物系精餾分離，加壓提高混合物的沸點.多組分精餾：例如原油的分離。雙組分精餾：如正異構丁醛,苯-甲苯體系等。簡單蒸餾或平衡蒸餾：用在分離要求不高的情況下。精餾：分離純度要求很高時采用。特殊精餾：混合物中各組分揮發性相差很小，難以用普通精餾分離，借助某些特殊手段進行的精餾。2021/6/2731雙組分溶液的氣液相平衡關系1.1

理想物系的汽液平衡蒸餾分離的物系由加熱至沸騰的液相和產生的蒸汽相構成。相平衡關系是蒸餾過程分析的重要理論基礎。液相為理想溶液、汽相為理想氣體的物系。理想溶液服從拉烏爾（Raoult）定律，理想氣體服從道爾頓分壓定律。根據拉烏爾定律，兩組分物系理想溶液上方的平衡蒸汽壓為式中：poA、poB——溶液溫度下純組分飽和蒸汽壓。理想物系：2021/6/274溶液沸騰時，溶液上方的總壓應等于各組分分壓之和，即泡點方程（bubble-pointequation）A、B、C為安托因常數，可由相關的手冊查到。poA、poB取決于溶液沸騰溫度，上式表達一定總壓下液相組成與溶液泡點溫度關系。已知溶液的泡點可由上式計算液相組成；反之，已知溶液組成也可算出溶液泡點。純組分飽和蒸汽壓與溫度的關系，用安托因（Antoine）方程表示：

6.1雙組分溶液的氣液相平衡關系2021/6/275當汽相為理想氣體時上式為一定總壓下汽相組成與溫度的關系式。該溫度又稱為露點（dew-point），上式又稱為露點方程。嚴格地說沒有完全理想的物系。對那些性質相近、結構相似的組分所組成的溶液，如苯-甲苯，甲醇-乙醇等，可視為理想溶液；若汽相壓力不太高(<10Mpa)，可視為理想氣體，則物系可視為理想物系。

對非理想物系不能簡單地使用上述定律。汽液相平衡數據更多地依靠實驗測定。

6.1雙組分溶液的氣液相平衡關系2021/6/2761.2.1汽液平衡相圖：T-x(y)圖

T-x(y)圖代表的是在總壓P一定的條件下，相平衡時汽（液）相組成與溫度的關系。在總壓一定的條件下，將組成為xf

的溶液加熱至該溶液的泡點tA，產生第一個氣泡的組成為yA。繼續加熱，隨溫度升高，物系變為互成平衡的汽液兩相，兩相溫度相同組成分別為yA

和xA

。t/

Cx(y)01.0露點線泡點線露點泡點xAyAxf氣相區液相區兩相區當溫度達到該溶液的露點，溶液全部汽化成為組成為yA=xf

的氣相，最后一滴液相的組成為xA。1雙組分溶液的氣液相平衡關系2021/6/277平衡線位于對角線的上方，平衡線偏離對角線愈遠，表示該溶液愈易分離。1.2.2汽液平衡相圖:x-y圖

2021/6/2781.2.2汽液平衡相圖:x-y圖

x-y圖代表在總壓一定下，液相組成和與之成平衡的汽相組成的關系。x-y圖可通過T-x(y)圖作出，圖中對角線(y=x)為一參考線。大多數溶液，兩相平衡時，y總是大于x，平衡線位于對角線上方。平衡線偏離對角線越遠，該溶液越易分離。2021/6/2791.3

汽液平衡關系式的表示方法

1.3.1相平衡常數汽液兩相平衡組成常用相平衡常數K或相對揮發

的關系式來表達。Ki表示i組分的相平衡常數，其定義為式中：yi和xi分別表示i組分在互為平衡的汽、液兩相中的摩爾分數。對于易揮發組分，Ki>1，即yi>xi。Ki值越大，組分在汽、液兩相中的摩爾分數相差越大，分離也越容易。

對多組分物系汽液平衡關系的計算，應用相平衡常數比較方便。

=f（物系,T，P）2021/6/2710氣（汽）液相平衡時，兩相的溫度和壓強相等，每個組分在兩相中的逸度（fugacity）相等，即對非理想物系，氣（汽）、液相的逸度服從下列方程：

式中：pio—純組分i的飽和蒸汽壓；

io—純組分i的逸度系數；

ViL—純液體i的摩爾體積。

式中：

i—氣（汽）相i組分的逸度系數；

i—液相i組分的活度系數；

fiL—純液體i在系統溫度、壓力下的逸度，可由下式計算

2021/6/2711根據相平衡常數的定義

式中

i，

i的計算與氣（汽）相組成和液相組成有關，相平衡常數K不僅與系統溫度、壓強有關，也與組成有關。當系統壓力較低，氣相近似為理想氣體時，氣相逸度系數

i接近于1，有若液相也為理想溶液，液相的活度系數就等于1，則液相為非理想溶液，汽相為理想氣體的相平衡常數計算式此式即為拉烏爾定律表達式。對多組分物系汽液平衡關系的計算，應用相平衡常數比較方便。2021/6/2712溶液中各組分的揮發性由揮發度來量衡，定義為組分在汽相中的平衡蒸汽壓與在液相中的摩爾分數的比值。對雙組分物系

對純組分液體，其揮發度就等于該溫度下液體的飽和蒸汽壓。溶液中兩組分揮發度之比稱為相對揮發度，用

表示當操作壓強不高，氣相服從道爾頓分壓定律時，上式可改寫為1雙組分溶液的氣液相平衡關系1.3.2相對揮發度α2021/6/27131.3.2相對揮發度對雙組分物系有yB=1-yA，xB=1-xA，代入并略去下標A可得——相平衡方程對理想溶液，組分的揮發度

=

po

，所以

值隨溫度變化相對較小，在一定的溫度范圍內，常取

的平均值用于相平衡計算。

>1，表示組分A較B易揮發；

值越大，兩個組分在兩相中相對含量的差別越大，越容易用蒸餾方法將兩組分分離；若

=1，yA=xA，此時不能用普通蒸餾方法分離該混合物。若已知兩組分的相對揮發度，可由上式確定汽液平衡組成。1雙組分溶液的氣液相平衡關系2021/6/2714由知，時，組分A較B易揮發，可以用蒸餾方法分離時，揮發度差異愈大，愈有利于蒸餾操作。時，不能用普通蒸餾的方法分離混合液。

α可作為混合液能否用蒸餾方法分離以及分離難易程度的判據。2021/6/27152平衡蒸餾與簡單蒸餾2.1平衡蒸餾1.定義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。生產工藝中溶液的閃蒸分離是平衡蒸餾的典型應用(如醋酸V103)。閃蒸操作流程：一定組成的料液被加熱后經節流閥減壓進入閃蒸室，液體因沸點下降變為過熱而驟然汽化，汽化耗熱使得液體溫度下降，汽、液兩相溫度趨于一致，兩相組成趨于平衡。由閃蒸室塔頂和塔底引出的汽、液兩相即為閃蒸產品。閃蒸罐D,yD,teyD加熱器F,xF,tF

W,xW,teQ減壓閥xWt02021/6/27162平衡蒸餾與簡單蒸餾2.1平衡蒸餾2.物料衡算總物料衡算式中：F、D、W——進料流率和出塔汽.液相產物的流率，kmol/s；

xF、yD、xW——料液組成以及出塔汽、液相產物的摩爾分數。易揮發組分的物料衡算兩式聯立可得閃蒸罐D,yD,teyD加熱器F,xF,tF

W,xW,teQ減壓閥xWt02021/6/2717若設液相產物占總加料量的分率為q，即W/F=q，則汽化率為D/F=(1-q)，代入上式整理可得上式表示了汽化率與汽、液相組成的關系。平衡蒸餾過程可認為經部分汽化或部分冷凝后所得的汽液兩相呈平衡，即yD~xW符合平衡關系。3.平衡關系若已知進料組成xF和生產任務所要求的汽化率(1-q)，結合物料衡算式可求得汽液相組成yD、xW。6.2平衡蒸餾與簡單蒸餾

2021/6/2718料液由進料溫度tF升至t0需供給的熱量Q為閃蒸后，料液溫度由t0降至平衡溫度te，若不計熱損失，則料液放出的顯熱全部用于料液的部分汽化所需的潛熱，即4.熱量衡算

通過以上諸式，在q為已知的條件下，由物料衡算與相平衡關系求得yD、xW后，由溫度-組成相圖求te，進而求t0。由上式可得6.2平衡蒸餾與簡單蒸餾

2021/6/27196.2.2

簡單蒸餾簡單蒸餾也是一種單級蒸餾，間歇非穩態操作，在蒸餾過程中系統的溫度和汽液相組成均隨時間改變。分批加入蒸餾釜的原料液持續加熱沸騰汽化，產生的蒸汽由釜頂連續引入冷凝器得餾出液產品。釜內任一時刻的汽液兩相組成互成平衡。y原料液x蒸氣xD1xD2xD3冷凝器6.2平衡蒸餾與簡單蒸餾

1.定義2021/6/2720任一時刻，易揮發組分在蒸汽中的含量y始終大于剩余在釜內的液相中的含量x，釜內易揮發組分含量x由原料的初始組成xF-沿泡點線不斷下降直至終止蒸餾時組成xE，釜內溶液的沸點溫度不斷升高，蒸汽相組成y也隨之沿露點線不斷降低。t/

Cx(y)01.0露點線泡點線xAyAxf6.2平衡蒸餾與簡單蒸餾

2021/6/27213.精餾原理

上述平衡蒸餾和簡單蒸餾都是單級分離過程，即對混合液進行一次部分汽化，使混合液達到部分分離。而精餾是一種多級分離過程，即同時進行多次部分汽化和部分冷凝的過程，可使混合液得到幾乎完全的分離。精餾可視為由多次蒸餾演變而來。此外，混合液中組分間揮發度差異是精餾分離的前提和依據。2021/6/27223.1多次部分氣化和部分冷凝3.精餾原理

3.1多次部分氣化的分離示意圖過程分析

進行這樣多級分離的結果是：y3>y2>y1.因此,同時進行多次部分氣化和部分冷凝是使混合物得以完全分離地必要條件.

不難看出,上圖所示的流程在工業上是不能采用的,因其存在以下兩個問題：t/

Cx(y)0露點線泡點線泡點y1xfy2y3x3x1x22021/6/27233

精餾原理

（1）分離過程得到許多中間餾分，如圖中的組成為x1.x2

等液相產品，因此最后純產品的收率就很低；（2）設備龐雜，能量消耗大。

圖3.2多次部分氣化的t-x-y圖

今以右圖中的第1級為例xFy2`y2y1x1x2x2`如果冷凝和氣化的溫度選擇恰當，可使x2和y2`較為接近。這樣，將x2和y2`相混合,......，其結果不但消除了中間產品，且提高了最后產品的收率。傳質第2級第1級第0級2021/6/2724

同時，由圖還可以看出，x2和y2`直接混合時，由于液相溫度低于氣相溫度，因此高溫的蒸氣y2`將加熱低溫的液體x2，而使液體部分氣化，蒸氣自身則被部分冷凝。傳熱

由此可見，不同溫度且互不平衡的氣液兩相接觸時，必然會同時產生傳熱和傳質的雙重作用，所以使上一級的液相回流（如液相x2）與下一級的氣相（如氣相y2`)直接接觸，就可以將圖3.1所示的流程演變為圖3.3所示的分離流程，從而省去了逐級使用的中間加熱器和冷凝器。

圖3.3無中間產品的多次部分氣化的分離示意圖3

精餾原理

2021/6/27253.精餾原理

混合液體連續或多次部分汽化，液相組成沿t-x(y)相圖的泡點線變化，可得難揮發組分含量很高而易揮發組分含量很低的釜液。混合蒸汽連續或多次部分冷凝，蒸汽組成沿t-x(y)相圖的露點線變化，可得到易揮發組分含量很高而難揮發組分含量很低的蒸汽。精餾過程正是這二者的有機結合。

2021/6/2726

精餾：據揮發度不同，將混合液，在精餾塔中同時多次進行部分氣化和部分冷凝，使其分離成幾乎純態組分的過程。3.精餾原理

3.2定義

圖3.4所示的為工業化精餾塔的模型。塔中各級的易揮發組分濃度由上至下逐級降低，而溫度逐步增高。當某級的濃度與原料液的濃度相同或相近時，原料液就由此級進入。圖3.4精餾塔模型

圖3.5是以篩板塔為例，由精餾塔模型轉變為實際精餾塔的一段。圖3.5

精餾塔的一段2021/6/27273.3精餾塔的操作情況

精餾操作在直立圓形的精餾塔內進行.塔內裝有若干層塔板或充填一定高度的填料,g--l兩相在塔板上接觸同時進行傳質和傳熱過程.3

精餾原理

圖3.6所示的為泡罩塔中任意第n層板上的操作情況.進入第n板的氣相濃度和溫度分別為yn+1和tn+1，液相的濃度和溫度分別為xn-1和tn-1。二者互不平衡,tn+1>tn-1

xn-1大于與yn+1成平衡的液相組成xn+1*---存在溫度差和濃度差---傳質和傳熱.其結果:圖3.6泡罩塔的操作情況

1)氣相部分冷凝,使其中難揮發組分轉入到液相中；

2)氣相冷凝放出潛熱傳給液相,使其部分氣化,其中的部分易揮發組分轉入到氣相,結果:xn<xn-1,yn>yn+1。

實際操作的精餾塔，從塔底引入上升蒸汽，從塔頂引入回流液體。造成汽液兩相狀態，以保證精餾過程穩態操作。2021/6/27283

精餾原理

6.2.4精餾流程圖3.7連續精餾流程

典型的連續精餾流程如圖3.7所示.預熱到一定溫度的原料液送入精餾塔的進料板,在每層塔板上,回流液體與上升蒸氣互相接觸,進行熱和質的傳遞.

塔頂冷凝器的作用:獲得塔頂產品及保證有適宜的液相回流.再沸器的作用:提供一定量的上升蒸氣流.2021/6/2729提餾段精餾段進料板2021/6/27304.

雙組份連續精餾的計算

4.1.2恒摩爾流假設

所謂理論板，是指在其上氣液兩相都充分混合，且傳熱及傳熱過程阻力為零的理想化塔板。宏觀表現為：兩相溫度相同；離開塔板的汽液兩相成平衡。.

恒摩爾流假定:對整個精餾塔,每層板上升蒸汽摩爾流率相等，每層板下降液體摩爾流率相等。

由于精餾過程是涉及傳熱和傳質的過程,相互影響的因素較多,引入恒摩爾流假定,使得連續精餾過程計算大大簡化。4.1.1理論板假設2021/6/27314

雙組份連續精餾的計算

4.2物料衡算和操作線方程4.2.1全塔物料衡算

圖6-10所示,對穩定操作的連續精餾塔,料液加入量必等于塔頂和塔釜產品量之和.總物料衡算

易揮發組分物料衡算

2021/6/27324

雙組份連續精餾的計算

4.2.2操作線方程

對圖6-11虛線范圍（包括精餾段第n+1板和冷凝器在內）作物料衡算,以單位時間為基準：

1)精餾段操作線方程塔頂全凝：V=L+D=(R+1)D回流比：R=L/D2021/6/27334

雙組份連續精餾的計算

精餾段操作線方程的物理意義:在一定的操作條件下，精餾段內自任意第n層塔板下降的液相組成xn與其相鄰的下一層塔板上升的蒸汽組成yn+1之間的關系。2)提餾段操作線方程

對圖6-12虛線范圍（包括提餾段第m板以下塔段和塔釜在內）作物料衡算：

提餾段操作線方程的物理意義:在一定的操作條件下,提餾段內自任意第n板下降的液相組成xn與其相鄰的下一層塔板上升的蒸汽組成yn+1之間的關系.2021/6/2734提餾操作線：c點：（xW，xW）截距：-WxW/V’3)操作線方程在x-y圖上的畫法

精餾操作線：a點：(xD，xD）截距：xD/(R+1)

xy01.01.0xD

abxW

cde精餾段操作線方程提餾段操作線方程4

雙組份連續精餾的計算

2021/6/27354

雙組份連續精餾的計算

4.3進料熱狀況和進料線方程1)5種進料熱狀況①低于泡點的冷液體；②泡點下的飽和液體；③氣液混合物；④飽和蒸氣；⑤過熱蒸氣。

進料熱狀況不同,將直接影響其上.下兩段上升蒸氣和下降液體的流量.2)進料熱狀況參數

設第m塊板為加料板，對圖6-14所示的虛線范圍,進.出該板各股的摩爾流率、組成與熱焓可由物料衡算與熱量衡算,得:

4.3.1進料熱狀況的影響2021/6/27364

雙組份連續精餾的計算

總物料衡算：輕組分物料衡算：熱量衡算：定義

—

加料熱狀態參數q的意義:以1kmol/h進料為基準時,提餾段中的液體流量較精餾段增大的kmol/h數.2021/6/27374

雙組份連續精餾的計算

4.3.2.q(進料)線方程

在進料板上,同時滿足精餾段和提餾段的物料衡算,故兩操作線的交點落在進料板上。

因q為一常數,故一定狀態進料時q線為直線.

不同的加料熱狀態對應著不同的q值,也就對應著不同的q線.2021/6/27384

雙組份連續精餾的計算

4.3.3.q線的圖形表示(1)在對角線上作e點(y=x=xF)；(2)過e點作斜率為q/(q-1)的直線。

隨著進料焓值的增加

，q線與精餾操作線的交點沿著精餾操作線朝x.y減小的方向移動.這意味著加料板位置下移(塔從上往下,溫度逐步升高).

進料熱狀況不同,q值就不同,因此直接影響精餾塔內兩段上升蒸汽和下降液體量之間的關系,如圖6-15所示.①冷液體進料,q>1;②飽和液體進料,q=1;③氣液混合物進料,q=0~1;④飽和蒸汽進料,q=0;⑤過熱蒸汽進料,q<0.eacbdq<0q=00<q<1q=1q>101.0xWxy1.0xDzF不同加料熱狀態下的q線2021/6/27394

雙組份連續精餾的計算

4.4理論板層數的求法4.4.1逐板計算法理論板數由操作線方程和相平衡關系確定。提餾段操作線方程：相平衡方程式：第一板：第二板：第三板：精餾段操作線方程：……條件：塔頂全凝，泡點回流2021/6/27404

雙組份連續精餾的計算

第m+1板：第N板：

在計算過程中,每使用一次平衡關系,表示需要一層理論板.由于一般再沸器相當于一層理論板.

結果:塔內共有理論板N塊,第N板為再沸器,其中精餾段m-1塊,提餾段N-m+1塊(包括再沸器),第m板為進料板。……第m板：第m板為進料板

逐板計算法計算結果較準確,且可求得每層板上的氣液相組成.但該法比較繁瑣,尤其當理論板層數較多時更甚.現由計算程序處理,比較好.2021/6/27414.4.2.圖解法---McCabe-Thiele,M-T法

圖解法求理論板層數的基本原理與逐板計算法的完全相同,只不過是用平衡曲線和操作線分別代替平衡方程和操作線方程,用簡便的圖解法代替繁雜的計算而已,圖解法中以直角梯級圖解法最為常用.雖然圖解的準確性較差,但因其簡便,目前在兩組分精餾中仍被廣泛采用。4

雙組份連續精餾的計算

1)操作線的作法首先根據相平衡數據,在直角坐標上繪出待分離混合物的x-y平衡曲線,并作出對角線.如圖6-16所示.

在x=xD處作鉛垂線,與對角線交于點a,再由精餾段操作線的截距xD/(R+1)值,在y

軸上定出點b,聯ab.ab為精餾段操作線.

在x=xF處作鉛垂線,與對角線交于點e,從點e作斜率為q

/(q-1)的q線ef,該線與ab交于點d.

在x=xW處作鉛垂線,與對角線交于點c,聯cd.cd為提留段操作線.2021/6/27424

雙組份連續精餾的計算

2)求N的步驟自對角線上a點始,在平衡線與精餾段操作線間繪出水平線及鉛垂線組成的梯級.如圖6-17所示.

當梯級跨過兩操作線交點d時,則改在平衡線與提餾操作線間作梯級,直至某梯級的垂直線達到或小于xW為止.

每一個梯級代表一層理論板.梯級總數即為所需理論板數.梯級含義：如第一梯級由a點作水平線與平衡線交于點1(y1,

x1),相當于用平衡關系由y1求得x1；再自點1作垂線與精餾段操作線相交,交點坐標為(y2,x1),即相當于用操作線關系由x1求得y2。作圖法與逐板計算法等價。2021/6/27435

精餾的幾種操作方式5.1直接蒸汽加熱一般精餾是間接加熱，主要是為避免對物料污染。如果物料含有水，精餾過程中允許水存在，于是，可將加熱蒸氣直接通入塔釜內，直接加熱。這樣加熱蒸氣將熱量、質量均帶入塔內，同時參與塔的熱量、質量的傳遞。該過程提高了傳熱效率，可使用溫度相對低的加熱蒸氣，同時，又省一臺再沸器。2021/6/27445

精餾的幾種操作方式5.2具有側線采出的精餾過程當需要獲取濃度不同的兩種或多種產品，或某組分在塔某幾板上存在富集現象。為獲得該組分產品或消出該組分對塔兩端產品的影響，應采取側線出料的方法，在適宜塔板上將其及時采出，如圖所示。側線抽出的產品可為塔板上泡點液體或板上的飽和蒸氣。2021/6/27455

精餾的幾種操作方式5.2具有側線采出的精餾過程如果在精餾段設一側線采出，則塔被分為三段。塔兩端分別同精餾段和提餾段操作線方程，而塔下段（III）操作線同提餾段操作線方程。而中段則由物料衡算獲得其操作線方程。2021/6/27465

精餾的幾種操作方式5.3具有多股進料的精餾過程當兩股成分相同，組成各異的原料在同一塔中分離，為避免混合，增加分離的能耗，則分別在適宜位置加入。如圖所示。兩進料將塔分為三段，各段有相應操作線方程，各進料也有相應的q線方程。2021/6/27475

精餾的幾種操作方式5.4塔頂進料蒸餾塔原料從塔頂加入，則塔只有提餾段沒有精餾段，該塔稱之為回收塔或蒸出塔、氣體塔，如圖所示。原料應在泡點或接近泡點溫度進入塔頂，無回流。而熱量則以間接或直接蒸氣加熱塔底。該塔多用于輕、重組分的初步分離，或主要考慮提濃重組分，或回收稀溶液中易揮發組分。2021/6/27486精餾塔的操作和調節

1）物料平衡的影響和制約通常，對特定的精餾塔和物系，保持精餾穩定操作的條件：塔壓穩定；進出塔的物料量平衡和穩定；進料組成和熱狀況穩定；回流比恒定；再沸器和冷凝器的傳熱條件穩定；塔系統與環境間散熱穩定等。5.1影響精餾操作的主要因素簡析對于一定的原料量F，只要分離程度確定xD,xW,則D,W,R一定，不能任意增減。2）回流比的影響當回流比增大時，精餾段操作斜率變大，該段內的傳質推動力增大，xD增大；提餾段操作線斜率變小，該段內的傳質推動力增大，xW增大。增加回流比，可提高分離效果。但是分離效果的提高時有限制的，當采出率D/F一定時，xD≤FxF/D。2021/6/27496精餾塔的操作和調節

5.1影響精餾操作的主要因素簡析3）進料組成的影響當進料組成發生變化時，應適當改變進料位置。一般精餾塔常設幾個進料位置，以適應生產中進料狀況的變化，保證精餾塔在適宜位置下進料。當進料中重組分的濃度增加時，精餾段的負荷增加。對于固定了精餾段板數的塔來說，將造成重組分帶