北京化工大学化工原理 第十章蒸馏
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蒸馏基本原理
二. 沸点-组成图（t-x-y图）
如汽液平衡时总压P不高（一般小于 10atm），则道尔顿分压定律适用于汽相， 即
P=pA+pB 若溶液为理想溶液，则有
(10-3)
P= pA0 xA + pB0 xB = pA0 xA + pB0 (1-xA ) (10-4)
二. 沸点-组成图（t-x-y图）
由上式得
xA
P pB0
pA0
p
0 B
又由道尔顿分压定律得
yA
pA P
xApA0 P
（10-5）
（10-6）
二. 沸点-组成图（t-x-y图）
对于二元物系，表示组分的组成的下标可 去掉。
当总压为定值时，任选取一个温度值t1，查 得该温度下的各纯组分的饱和蒸汽压pA0和pB0 （如果没有实验数据可查取时可用经验公式如 Antoine方程进行计算），然后据式（10-5）计 算 注 一相意 个应温x1和的度yx值11是值t2互，，相用又达同据成样式平的（衡方10的法-6）两求计个得算组x2和相成应值的；y再1值取，
小实验
在一个容器中放入苯40mol(3.12kg) ， 甲苯60mol(5.52kg) ，充分搅拌使之混合均 匀成为均相混合物。
然后进行加热，升温到100˚C，则混合 物处于沸腾状态，将产生的蒸汽引入冷凝 器冷凝后装入另一个容器，这样原来的混 合物被分成两部分，如图10-1所示。
xF,A=0.4 xF,B=0.6 F=100mol
C • CH D • DH
或写成
C DH D CH
（10-7a） （10-7b）
二. 沸点-组成图（t-x-y图）
当温度高于I点时，蒸汽由饱和状态变成过热 状态。
《化工原理蒸馏》课件
蒸馏的原理与流程
蒸馏原理
基于不同组分在汽化、冷凝过程中的物理性质差异，通过控制温度和压力，使 不同组分得以分离。
蒸馏流程
包括加热、汽化、冷凝、收集等步骤，通过优化流程参数，提高分离效果和效 率。
蒸馏在化工中的应用
01
02
03
石油化工
蒸馏是石油化工中常用的 分离方法，用于生产汽油 、柴油、煤油等。
02
数学模型通过建立数学方程来描述蒸馏塔内各相之间的传递和
反应过程，以便对蒸馏过程进行模拟和优化。
常见的蒸馏过程数学模型包括质量传递、动量传递和热量传递
03
模型，以及涉及化学反应的模型。
蒸馏过程的模拟软件介绍
01
蒸馏过程的模拟软件是用于模 拟和优化蒸馏过程的计算机程 序。
02
这些软件基于数学模型，通过 数值方法求解描述蒸馏过程的 偏微分方程，以预测蒸馏塔的 操作性能和优化设计。
蒸馏压力也影响蒸馏效率和产品质量。在 高压下，液体沸点升高，可分离沸点更接 近的组分。
蒸馏速率
回流比
蒸馏速率决定了蒸馏过程的效率。过快的 蒸馏速率可能导致产品质量下降，而慢速 蒸馏则可以提高产品质量和分离效果。
回流比是影响蒸馏效率和产品纯度的关键 参数。增大回流比可以提高产品纯度，但 也会增加能耗和操作成本。
新型塔板和填料的应用
采用新型塔板和填料可以提高蒸馏效率和分离效果，降低能耗和 操作成本。
强化传热传质技术
采用强化传热传质技术可以提高蒸馏效率，减小设备体积和操作成 本。
过程集成与优化
通过过程集成与优化，实现蒸馏过程的节能减排和资源高效利用。
04
蒸馏过程的模拟与计算
蒸馏过程的数学模型
01
化工原理第十章 蒸馏
理想溶液：
A
pA xA
pAo xA xA
pAo
B
pB xB
pBo xB xB
pBo
2. 相对挥发度(以α表示) (relative volatility)
定义：溶液中两组分挥发度之比。
pA
一般物系： A
B
xA pB
xB
yA
理想气体：
xA yB
xB
注：习惯上将易挥发组分的挥发度与难挥发组
第十章 蒸馏
第一节 二元物系的气液相平衡
一、双组分溶液的汽液关系 二、汽液相平衡 三、挥发度和相对挥发度 四、非理想溶液
2020/1/19
一 双组分溶液的汽液关系
ห้องสมุดไป่ตู้
组分： A、B
1、相律分析
变量 ： T、p、xA、 yA 相数：汽相、液相
相律是表示平衡物系中的自由度数、相数和独 立组分数之间的关系。
混合液中组分数
双组分 多组分
间歇 按操作方式
连续
2020/1/19
五 与吸收、萃取的比较
单元操作 分离依据
操作难易 适用性
蒸馏
挥发性的差异 操作简便，操 适于各种
作费用在于加 浓度混合
热、冷却
物的分离
吸收 萃取
溶解度的差异
需加入分离剂，仅适于低
操作费用在于 浓气体、
解吸
液体混合
物的分离
2020/1/19
pA0 p
xA
pA0 p
p pB0 pA0 pB0
fA(t) p
p fB(t) fA(t) fB(t)
化工原理第10章_蒸馏
pA p0 x A A 0 pB pB x B
t f x
t g y
？
对理想物系，汽相满足：P 0 P pB x 0 0 p A pB
0 p A pB p 0 x pB (1 x ) A
pA pA p0 x A y P P P
F xF 高温 高压
P t
L xW
26
思考：在操作压力、原料相同的条件下（F=W1，x1=xF )，若平衡蒸馏的操作温 度与简单蒸馏的最终温度相同（t＝t2）。则简单蒸馏与平衡蒸馏相比： 分离效果孰好（比较xD、 yD ）？ 产品量孰大（比较WD、 V ） ？
答：由图上的得：简单蒸馏分离效果好； 由杠杆原理作图得简单蒸馏产量小， 或如下计算也可得此结论。 简： W1 W2 W D
y f x
-----理想物系的x-y相平衡关系
pA p0 x y A P P
P p A pB
0 p 0 x pB (1 x) A
p0 x A y 0 0 0 p A x pB (1 x ) pA x (1 x ) 0 pB
p0 A 令 0 ----相对挥发度 pB
W1,x1
dW y
W x
加热
x2
W2
WD, xD
ydW d (Wx) Wdx xdW
( y x )dW Wdx
dW dx W y x
x1 dx W1 ln x2 y x W2
3个未知数
x 对理想物系 y 1 ( 1) x
22
一、简单蒸馏
原料液中易挥发组分的摩尔数
t B
W1 x1 x 2 WD x D x2
t f x
t g y
？
对理想物系，汽相满足：P 0 P pB x 0 0 p A pB
0 p A pB p 0 x pB (1 x ) A
pA pA p0 x A y P P P
F xF 高温 高压
P t
L xW
26
思考：在操作压力、原料相同的条件下（F=W1，x1=xF )，若平衡蒸馏的操作温 度与简单蒸馏的最终温度相同（t＝t2）。则简单蒸馏与平衡蒸馏相比： 分离效果孰好（比较xD、 yD ）？ 产品量孰大（比较WD、 V ） ？
答：由图上的得：简单蒸馏分离效果好； 由杠杆原理作图得简单蒸馏产量小， 或如下计算也可得此结论。 简： W1 W2 W D
y f x
-----理想物系的x-y相平衡关系
pA p0 x y A P P
P p A pB
0 p 0 x pB (1 x) A
p0 x A y 0 0 0 p A x pB (1 x ) pA x (1 x ) 0 pB
p0 A 令 0 ----相对挥发度 pB
W1,x1
dW y
W x
加热
x2
W2
WD, xD
ydW d (Wx) Wdx xdW
( y x )dW Wdx
dW dx W y x
x1 dx W1 ln x2 y x W2
3个未知数
x 对理想物系 y 1 ( 1) x
22
一、简单蒸馏
原料液中易挥发组分的摩尔数
t B
W1 x1 x 2 WD x D x2
化工原理蒸馏
化工原理蒸馏
蒸馏是一种重要的化工分离方法，利用物质的不同挥发性使其分离纯化。
蒸馏过程中，液体组分根据其挥发性差异在加热的条件下先蒸发，然后再经过冷凝回收成液体。
在蒸馏过程中，会产生不同的馏分，从而实现物质的分离和纯化。
在蒸馏中，首先将混合物加热至使其中的较易挥发组分蒸发并进入冷凝器，然后通过冷却将其转化为液体并收集。
而不易挥发的组分则在蒸馏瓶中富集，进一步提高纯度。
这样通过连续蒸发和冷凝，直到从混合物中逐渐分离出所需的纯组分。
蒸馏技术在石油、化工、制药等领域具有广泛的应用。
例如在石油炼制过程中，原油经过初次蒸馏分离得到不同沸点范围的馏分，例如天然气、汽油、柴油、液化石油气等。
而在制药过程中，蒸馏被用来纯化药物原料以去除杂质。
蒸馏的效率取决于诸多因素，包括温度、压力、液体性质和设备设计等。
不同的物质对于温度和压力的要求也不同，因此需要根据实际情况进行调整。
同时，蒸馏设备的设计也会影响蒸馏效率，例如塔板和填料的选择。
总之，蒸馏是一种重要的化工分离技术，能够实现混合物中的组分分离和纯化。
它在石油、化工、制药等领域具有广泛应用，并且可以根据具体情况进行调整以达到最佳效果。
化工原理蒸馏方式讲解
F
W
D
F
B
2个方程
F,xF
y
x
D, xD
W,XW 3个未知数
加热
A
XW
xF
xD
x或 y
二、简单蒸馏
（2）微分物料衡算式：
设某一时刻釜液量为L，kmol，组 成为x，与之平衡的汽相组成为y。
设经微分时间段d 后，蒸出的釜液 量为dL。在d 时间内对易挥发组分A 作物料衡算，（参考课本）有：
dW y
Wx
加热x
x
对理想物系 y
1 ( 1)x
ln F W
1 1
ln
x1 x2
ln
1 1
x2 x1
二、简单蒸馏
若平衡关系不符合上述公式，则； 1）若平衡曲线用曲线或表格表示时，用图解积分或数值 积分法； 2）若平衡曲线为直线y=mx+b时，则可得：
ln F 1 ln (m 1)x1 b W m 1 (m 1)x2 b
二、简单蒸馏
流程及特点：
特点： ①间歇、不稳定 ②分离程度不高
简单蒸馏 平衡蒸馏 精馏
t B
y2 WWx 21xx21
加热
WD, xD
x2
x1
x或y
A
yx2 yD1
二、简单蒸馏
2．物料衡算
(1)宏观物料衡算：
F W D
Fx F
Wx w
Dx D
杠杆原理：
t W x x D x x
饱和液相
x0 t0 L
y V t
y y0
B
t-y
T0
t t-x
t0
x
y0 x0 y
B
接触级
化工原理第10章-3
xF
1.0 a
xD R’ + 1
若已知蒸馏釜的汽化能力 υ (kmol/s)， 则精馏一釜料液所需时间为
τ=
V
xD R终+ 1 0 x We x W＇ x D 1.0
υ
回流比保持恒定的间歇精馏 已知F、 馏出液的平均组成， 已知 、xF、最终釜液组成 xWe 和馏出液的平均组成，确定适宜的回流 比和所需的理论板数。 比和所需的理论板数。 回流比与理论板数的确定 塔板数一定时， 塔板数一定时，任意时刻的 xD 与 xW 之间存在着相互制约的关系。 之间存在着相互制约的关系。 随过程的进行，操作线将平行下移， 随过程的进行，操作线将平行下移， 即操作线的起点和截距均在变。 即操作线的起点和截距均在变。 首先假设一最初的馏出液组成 xD始， 始 由设定的 xD始 与料液组成 xF 求出所需 始 的最小回流比。 的最小回流比。
V
L
D, xD
理论板数的确定
恒定 xD，终了时刻xW 最低，分离程度（xD-xW）最大，故所需理论板数应 以终了时刻为准。设终了时刻釜液组成为 xWe，可用图解法求理论板数。
理论板数的确定 根据 xD 与 xWe 按下式计算最小回流比
Rmin = xD − yWe yWe − xWe
1.0 a
y We xD Rmin + 1 0 x We x D 1.0
yn +1 = W W xn − xW V0 V0
1.0 a
因 xn=xW 时 yn+1=0，提馏段操作线 的终点在 x 轴上的 g 点（xW ,0） a 点出发绘梯级至 g 点得理论板数。 较之间接精馏，直接加热精馏所需 的理论板数稍有增加。因为直接加 热蒸汽的稀释作用，使得塔内物料 分离程度增加，当达到相同的馏出 液组成及回收率时需更多塔板。
1.0 a
xD R’ + 1
若已知蒸馏釜的汽化能力 υ (kmol/s)， 则精馏一釜料液所需时间为
τ=
V
xD R终+ 1 0 x We x W＇ x D 1.0
υ
回流比保持恒定的间歇精馏 已知F、 馏出液的平均组成， 已知 、xF、最终釜液组成 xWe 和馏出液的平均组成，确定适宜的回流 比和所需的理论板数。 比和所需的理论板数。 回流比与理论板数的确定 塔板数一定时， 塔板数一定时，任意时刻的 xD 与 xW 之间存在着相互制约的关系。 之间存在着相互制约的关系。 随过程的进行，操作线将平行下移， 随过程的进行，操作线将平行下移， 即操作线的起点和截距均在变。 即操作线的起点和截距均在变。 首先假设一最初的馏出液组成 xD始， 始 由设定的 xD始 与料液组成 xF 求出所需 始 的最小回流比。 的最小回流比。
V
L
D, xD
理论板数的确定
恒定 xD，终了时刻xW 最低，分离程度（xD-xW）最大，故所需理论板数应 以终了时刻为准。设终了时刻釜液组成为 xWe，可用图解法求理论板数。
理论板数的确定 根据 xD 与 xWe 按下式计算最小回流比
Rmin = xD − yWe yWe − xWe
1.0 a
y We xD Rmin + 1 0 x We x D 1.0
yn +1 = W W xn − xW V0 V0
1.0 a
因 xn=xW 时 yn+1=0，提馏段操作线 的终点在 x 轴上的 g 点（xW ,0） a 点出发绘梯级至 g 点得理论板数。 较之间接精馏，直接加热精馏所需 的理论板数稍有增加。因为直接加 热蒸汽的稀释作用，使得塔内物料 分离程度增加，当达到相同的馏出 液组成及回收率时需更多塔板。
化工原理第十章-蒸馏
2、泡点、露点方程：
汽相压力不高时，可视为理想气体，满足道 尔顿分压定律。
pA pA0 xA fA (t)xA ; pB pB0 xB fB (t)xB
p pA pB pA0 xA pB0 xB pA0 xA pB0 (1 xA )
xA
p pB0 pA0 pB0
p fB(t) fA(t) fB(t)
5）冷凝器及再沸器热负荷及设计计算。
2024/9/29
全塔物料衡算
F D W FxF DxD WxW
F, xF
F、D、W——kmol/h
xF、xD、xW——摩尔分率
塔顶采出率 塔底采出率
D xF xW F xD xW
W 1 D
F
F
2024/9/29
D, xD W, xW
塔顶易挥发组分回收率 塔底难挥发组分回收率
混合液中组分数
双组分 多组分
间歇 按操作方式
连续
2024/9/29
五 与吸收、萃取旳比较
单元操作 分离根据
操作难易 合用性
蒸馏
挥发性旳差别 操作简便，操 适于多种
作费用在于加 浓度混合
热、冷却
物旳分离
吸收 萃取
溶解度旳差别
需加入分离剂，仅适于低
操作费用在于 浓气体、
解吸
液体混合
物旳分离
2024/9/29
V L D Vyn1 Lxn DxD
LD
yn1
V
xn
V
xD
L
D
L D xn L D xD
令
R
L D
——回流比
yn1
R R1
xn
xD R1
——精馏段操作线方程
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N t 理论板数 Ne 实际板数
E可看作各板的平均效率 其值恒小于1
★ 实际塔板数
Nt
Ne E
塔釜再沸器既是理论板又是实际板
★ 塔内实际浓度变化示 意
xD R1
xW
xF
xD
10-14理论板数的捷算法
★ 芬斯克方程
全回流时
VL
Vyn1
L
xn
yn1
xn
yA
/
yB n1
xA
/
x
B
n
yA
yB
y
1
x
1x
or
y Kx K f t
y 1 f x xF
f
f
作过点 (xF
xF)
斜率
1 f
f
的直线
直线与平衡线交点即 (xw,yD)
• 已知闪蒸温度 t 试差计算 xW、yD、V(L)
10-7 精馏 (Distillation) 1、多次部分汽化与多次部分冷凝
(Maltip-paartly Vaporing or Condensing)
pi xi
相对挥发度(挥发性能的比较)
i j
vi vj
★ 计算
Vi
pi xi
vA vB
pA
xA pB
xB
理想溶液 v A vB
p
A
p
B
i j
vi vj
AB
p
o A
pBo
pA xA
pB xB
yA xA
yB xB
yA yB
xA xB
★ 平衡关系
yA
AB xA 1 ( AB 1 )xA
Y=
R-Rmin R+1
10-15 精馏塔塔径
塔径 d 4VS
u
式中 Vs 为上升蒸汽量m3/s
VS vM m / V
Mm 汽相平均分子量 ρV 汽相密度
u 蒸汽线速度 m/s
有关精馏的其他问题
★侧线产品和多股进料 ★精馏的特殊操作 ★精馏装置的热量衡算 ★恒沸蒸馏和萃取蒸馏 ★多组分蒸馏
★ 侧线产品
t
x
z
y
问题
热 量 配 置 产 品 量 其 他
2.工业实现
• 回流 • 塔板的作用 • 精馏塔的分离过程
液 气
筛 板
气 液
D xD
F xF W xW
F 进料 D 塔顶流率 W 塔底流率 xD 塔顶浓度 xW塔底浓度 xF 进料浓度
返回
第三节 二元连续精馏的分析和计算
★ 计算问题概述 目的 精馏塔设计 塔高
后 物料衡算 wx
(
w
dw
)(
x
dx
)
ydw
浓 度 变 化 dx
略去dwdx dw
dx
对12 态变化积分 1
w w1
x x 1
w yx
2 w w2 x x2
ln w1 x2 dx
w2
x1 y x
w — 釜液量 kmol x(y) — 液(气)摩尔分率
• 理想溶液
y
x
1 ( 1)x
B C yn yn1
★ 适宜的进料位置
最佳进料位置对 应最少理论板数
n-1
A
yn xn-1
A
n
yn+1
B
xn
B
yyn+n1
B A
C
xn xn-1
★ 塔板上气液流及其浓度关系
操作线关系 V(V’)
气相增浓
液相增浓
远离平衡 混合接触
L(L’)
平衡线关系
★ 全凝器与分凝器 全凝器
分凝器
分凝器对应一块理论塔板
xm
WxW L qF W
RD qF
R 1D 1
qF
xm
F DxW R 1D 1
qF
★ q 线(两段操作线交点)方程
yq
R R1
xq
xD R1
yq
L qF L qF W
xq
WxW L qF W
③
Rx qx
y F
D
q
④
Rq
⑤
x
q
R
1 x F
q
第十章 蒸馏(Distillation)
蒸馏简介 第一节 二元物系的汽液相平衡 第二节 蒸馏方式 第三节 二元连续精馏的分析和计算
蒸馏简介
10-1 概述 (Introduction)
目的：分离均相液体混合物
依据：组分挥发度的差异
方法：汽化—冷凝（传质设备）
分类：
蒸馏 组分 方式 压强 加料方式 双多 简平精特常加减 间连
10-12 回流比的影响与选择
R L D
设 备 投 资 费一 次 性 影响 操作费经常性
★ 回流比的影响
R 偏大
R↑ L↑ V’↑ L/V↑ V’/L’↑ 操作线靠向对角线 N↓ 操作费↑ 设备费↓
R = ∞ N = Nmin 塔无进料及产品 称为全回流 三线合一
(全回流对应最少理论板数)
R 偏小 R↓ L↓ V’↓ L/V↓ V’/L’↓ 操作线靠向平衡线 N↑ 操作费↓ 设备费↑ R=Rmin N=∞ 最小回流比 四线共点
(最小回流比对应理论板数无穷多)
适宜回流比
N
R=(1.2~2) Rmin
$
总费用
操作费
设备费
Nmin Rmin
R
Rmin Ro
R
★ 最小回流比的确定
Rmin x D ye
Rmin 1 x D xe
ye
Rmin
xD ye ye xe
xD
ye 1x1e xe
Rmin 1
xW
xe xF
塔径
方法 精馏计算 设计型
操作性
基础 对精馏过程的数学描述
• 模型塔 • 常用术语
进料 塔顶产品 塔底产品 回流 轻组分 重组分 塔板 进料板 精馏段 提馏段 塔顶冷凝器 塔釜再沸器
F xF
W xW
D xd
F 进料 D 塔顶流率 xD 塔顶浓度 W 塔底流率 xW塔底浓度 xF 进料浓度 V L 精馏段
1x D
Rq
yq
q q1
xq
xF q1
②①
xF
10-11理论塔板数的求取
·目的 确定塔高
·依据
蒸馏塔气液流 及其浓度关系
F xF
·方 法 逐板计算法 阶梯图解法
D xD W xW
★ 逐板计算法
n0
y xD
x
y
1 y
nn1
x xq
y R x xD
n
R1 R1
y
N n1
Nt NM
m 0 x xW
精馏段 操作线
xD R1
xW
xF
xD
10-10 进料与塔内两段汽液流的关系
物料衡算
F L V' L'V
hhH H
热量
FH F Lh V' H' Lh'VH
L'
V' V
Lh
L' L F
FH F V'V
H
Lh
VH
L' Lh FH F L'LH h
L' L F H FH HF
条件 组分的摩尔汽化热接近 热效应可忽略
10-8 全塔物料衡算
x x
DF F W
F
F DW xF D xD W
xW
x x
D
W
W
F
x D
x D
x F
x W
F xF
D xd
定 义 回 收率
轻
Dx D Fx F
通常
重
W 1 F 1
xW xF
W xW
需处理物料量 F 物料浓度 xF 分离要求 xD xw 确定
log
即
N min
log
1
x
D
x
D
1 xW xW
log
进料板上
N min
log
1
x
D
x
D
1 xF xF
log
★ 吉利兰关联图
1.0 0.8 0.6 0.4
0.2
X= N-Nmin N+1
0.1 0.08 0.06
0.04
0.02
0.02 0.04 0.06 0.1
0.2 0.4 0.6 0.81.0
P 系统总压
pA
p
o A
x
A
pB pBo x B
p
o B
(
1
xA
沸腾汽化
)
pA pB P
xA
P pBo
p
o A
pBo
xA
P fB(t ) fA(t ) fB(t )
f(t)
p
o A
x
A
pBo
(1
xA
)
P
yA
pA P
p
o A
P
xA
log
p
o A
A
B C
t
2、 温度组成 (t-x-y) 平衡组成 (x-y) 图 ★ 温度组成 (t-x-y) 图
ln w1 w2
1
1
ln
x1(1 x2(1
x2 x1
)
)
1 ln 1
x2 x1
采用组分摩尔
数A和B替代x
x1
A1
w1
x2 A2 w2