精馏

化工基础精馏思维导图塔顶液相回流和塔底汽相回流，为偏离平衡的气液相在塔内各板上提供了接触条件，实现了气液相间的质量传递。

精馏

• 蒸馏
  • 目的和依据
    • 目的：均相液体混合物的分离 依据：利用液体混合物中各组分在一定温度下挥发能力的差异
• 溶液的气、液相平衡
  • 蒸馏的过程及极限
    • 蒸馏过程：气液两相间的传质过程； 过程的极限：气、液相平衡。
  • 气、液相平衡的自由度
    • 双组分物系气、液相平衡的自由度为2
    • 双组分物系的独立变量：汽相组成y、液相组成x、温度T 、压力P 。
    • 可见：规定其中的两个，则系统平衡状态即定。 一般蒸馏压力恒定，故仅有一个自由度。
  • 理想体系的气、液相平衡关系
    • 理想体系：气相符合道尔顿（Dalton）分压定律； 液相全部浓度范围内服从拉乌尔（Raoult）定律。
    • 泡点计算
      • 给定系统的操作压力以及混合物的组成xi时，即可求该体系在压力p下的泡点tb
      • 利用归一方程
    • 露点计算
      • 给定系统的操作压力以及气相组成yi时，即可确定该体系在压力p下的露点td
      • 利用归一方程
      • 对双组分理想体系
      • 可求得
    • 试差
      • （1）已知P、t ，求相互平衡的x、y，不必试差t→ pA0, pB0 →x, y （2）已知x，求与之平衡的y,t或已知y 求与之平衡的x , t，试差计算
    • x-y图
      • （1）平衡线距对角线越远，物系越易分离。 （2）压力增加，平衡线靠近对角线
    • 相平衡方程
      • 相对挥发度
        • 定义：任意挥发组分与基准组分挥发度的比值。
        • 对于双组分理想体系
        • α表示了物系分离的难易程度，α 远离1，物系易分离
    • 压力对相平衡的影响
      • P↑，t↑ ，相对挥发度↓，对分离不利； P↓，t↓ ，相对挥发度↑，对分离有利。
  • 非理想体系的气、液相平衡关系
    • （气相属于理想气体，而液相为非理想溶液的体系）
    • （1）正偏差溶液
      • ri>1
        • 平衡分压高于拉乌尔定律的计算值，泡点下降。
    • （2）负偏差溶液
      • ri<1
        • 平衡分压低于拉乌尔定律的计算值，泡点升高。
    • （3）具有恒沸点的溶液
      • 当正、负偏差较大时，出现恒沸点
        • 正偏差：最高蒸汽压，具有最低恒沸点； 负偏差：最低蒸汽压，具有最高恒沸点。
• 双组分连续精馏的设计计算
  • 精馏操作线方程
    • (1) 精馏段操作线方程
      • 任一塔截面汽、液两相组成之间的关系
    • (2) 提馏段操作方程
  • 进料热状态对精馏操作的影响
    • 联立求解两方程，得到其交点的轨迹方程
    • q的值不影响精馏段操作线，但对提馏段操作线有影响
    • ①q↓，提馏段操作线斜率增大。②提馏段操作线与进料量F无关
  • 理论塔板数的计算
    • (1) 逐板计算法
      • 条件：①塔顶蒸气在冷凝器中全部冷凝；②泡点回流。
      • 注意
        • ①塔底再沸器相当于一块理论板，故塔内理论板数为N－1。 应注明N＝？（包括或不包括釜）； ②N精＝NF－1；N提＝N－N精； ③应该清楚每一步计算和塔板情况的对应关系
    • （2）图解法
      • ①作平衡曲线； ②由xD、zF、xW作垂线与对角线交于D、F、W点; ③由D (xD,xD) 和b= xD/(R+1) 作精馏段操作线； ④由F (zF, zF) 点和K=q/(q-1)作q线； ⑤由交点Q (xq,yq) 和W (xW, xW) 作提馏段操作线； ⑥由D点开始, 在平衡线与操作线之间画梯级求N。
      • 进料热状态参数q的影响
        • q↑，Kq ↓，Q点右移，提馏段操作线与平衡线距离↑， 提馏段各塔板分离能力↑，N↓。
      • 影响N的因素分析
  • 进料位置和回流比的选择
    • （1）进料位置的讨论
      • （a）进料位置确定原则：两操作线交点Q所在梯级。 （b）Q点为最优进料位置的分析上移或下移均对分离不利，导致N增加。
    • (2) 回流比的选择
      • ①全回流与最少理论板数
        • 概念R=∞ ，D=0 称为全回流。此时W=D=F=0
        • 特征
          • ①操作线与对角线重合，yn+1=xn； ②塔板分离能力最大； ③完成分离任务所需N称为最少理论塔板数，Nmin；
      • ②最小回流比
      • ③适宜回流比
  • 实际塔板数及塔板效率
    • (1) 实际塔板数
      • N为塔内理论塔板数（不包括塔釜），实际板数要取整。
    • (2) 塔板效率
      • ①总板效率ET
      • ②单板效率（Murphree 效率）
• 精馏
  • 精馏原理
    • （1）精馏过程
      • 进料板以上称为精馏段——精制汽相中的易挥发组分。
      • 进料板以下（包括进料板）称为提馏段——提浓液相中难挥发组分。
      • 塔顶产品称为馏出液——富含易挥发组分。
      • 塔底产品称为釜液——富含难挥发组分。
    • （2）精馏原理
      • ①回流
        • 塔顶液相回流和塔底汽相回流，为偏离平衡的气液相在塔内各板上提供了接触条件，实现了气液相间的质量传递。
      • ②传质推动力
      • ③传质方向
        • 易挥发组分沿塔高方向增加，而温度沿塔高方向降低。
      • ④热量传递过程
        • 液体汽化所需热量由蒸汽冷凝提供。
      • ⑤过程控制
        • 精馏过程速率由传质过程控制。
    • （3）理论塔板（平衡级）的概念
      • 当汽、液两相在其上进行接触传质时，离开该塔板的两相在传质、传热方面都达到了平衡。即汽、液两相的温度相同、组成互呈平衡，常又称为平衡级。
  • 精馏过程的描述
    • 计算依据
      • ▲物料衡算；▲热量衡算；▲相平衡关系；▲归一方程。
    • (1) 精馏过程物料衡算
      • ①全塔物料衡算
        • • 总物料衡算
          • 易挥发组分物料衡算
        • 回收率定义
          • 馏出液中易挥发组分的回收率
          • 釜液中难挥发组分的回收率
      • ②塔板物料衡算
        • a）无进料和采出塔板物料衡算
        • b）进料板物料衡算
    • (2) 精馏过程热量衡算
      • ①无进料和采出塔板的热量衡算
        • • 联立以上两式
      • ②恒摩尔流假定
        • 对多数有机同系物和许多相近的理想溶液体系，若 a）热损失很小，可以忽略不计； b）混合热为零； c）各板上混合物的摩尔汽化热近似相等； d ) 各板液体焓变与摩尔汽化热相比可忽略不计
      • ③进料板的热量衡算
        • 根据恒摩尔流假定的物料衡算和热量衡算
          • q——进料的热状态参数
            • q=每摩尔进料变为饱和蒸气所需热量/进料的摩尔汽化热
            • q 值对两段气、液相流量的影响
            • 五种进料热状态
              • a）过冷液体 q>1
              • b）饱和液体 q=1
              • c）气、液混合物 0<q<1
              • d）饱和蒸气 q=0
              • e）过热蒸气 q<0
            • 注：q 值在数值上等于进料中液相所占的分率δ（广义）
      • ④全塔热量衡算
        • a）再沸器热流量
        • b）冷凝器的热流量
        • c）再沸器与冷凝器热流量的关系
• 简单蒸馏和平衡蒸馏
  • 简单蒸馏（微分蒸馏，瑞利蒸馏）
    • 特点
      • ①间歇操作过程是一动态过程； ②易挥发组分更多地传递到气相中去，釜液温度不断升高； ③产品与釜液组成随时间而改变(降低）； ④瞬时蒸气与釜中液体处于平衡状态。
  • 平衡蒸馏（闪蒸）
    • 特点
      • ①连续操作； ②组成和温度恒定不变； ③气、液两相平衡。
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