化工原理-电子教案-第七章-液体精馏

10.4精馏10.4.1精馏过程原理和条件一、精馏原理平衡蒸馏和简单蒸馏都只能使液体混合物得到初步的分离，为获得高纯度的产品，可以采用多次部分汽化和多次部分冷凝的方法。即将每次得到的气相再部分冷凝以得到纯度更高的气相；将每次得到的液相再部分汽化以得到易挥发组分更低，难挥发组分更高的液相。只要部分冷凝、部分汽化的次数足够多，就可以得到高纯度的的产品。在精馏操作中，塔底产生蒸气上升及塔顶液体回流是过程得以正常进行的必要条件。二、精馏流程 原料液加入的位置称加料板，加料板以上部分完成上升蒸气的精制精馏段；加料板以下部分完成下降液体的提浓（难挥发份）提馏段；一个完整的精馏过程包括精馏段和提馏段，如此，才能在塔顶得到轻组分，在塔底得到重组分，达到完全分离。三精馏塔操作分析进入第块塔板的 汽相组成： 温度： 液相组成： 温度：二者温度不平衡 ； 浓度不平衡 和呈平衡的液相浓度。进行传热、传质，使得离开第块板的汽、液组成变为、，而和呈平衡。板上：平衡关系 ，；板间：衡算关系（操作关系）10.4.2二元连续精馏的分析和计算一恒摩尔流假设1 恒摩尔流汽化：精馏段内每板上升蒸汽量相等，提馏段也是这样。 或者 提馏段：一般，不等于。2 恒摩尔溢流：精馏段各板下降液量相等，提馏段也是。 精馏段： 或 提馏段：一般，不一定等于。二物料衡算及操作线方程1全塔的物料衡算确定塔顶，塔底 2. 精馏段操作线方程 令 回流比更一般地：精馏段操作线方程（3提馏段操作线方程 一般地：提馏段操作线方程应和有关，还和加料液的状况有关，即和进料状况有关。4进料状况的影响进料状况：（1）饱和蒸汽进料（露点进料） （2）饱和液体进料（泡点进料）（3）汽液混合物 （4）过热蒸汽 （5）过冷液体 它将影响提馏段下降液量，精馏段上升蒸汽量，但是对和没有影响。设原料液中液相比例，则进料中汽相比例 或者 精馏段上升蒸汽量所以前面的式子又可以写成以下形式：的大小和进料的热状况有关，以0为基准温度，进料液的焓为，其中饱和蒸汽的焓为，饱和液体的焓，则有：（1） 饱和液体（泡点）进料（2） 饱和蒸汽进料（露点）进料（3） 汽液混合物进料 （4） 低于泡点的过冷液进料（） 即 （5） 高于露点的过热蒸汽进料（）三操作方程的图示操作线 1. 精馏段操作线方程的分析和图示斜率=，截距=，过点（，）和点（，）的直线；2. 提馏段操作线方程的分析和图示 当一定时，过点（，）的直线，斜率和有关。精馏段和提馏段操作方程均为一直线，同处于平面，而斜率又不同，因此必然相交，设其交点坐标为则有：由（1）式可得：由（2）式可得：由（4）（3）可得：线方程是两条操作线交点的轨迹，也是一条直线。其斜率为。当时，即该直线通过点。两线交点坐标为：四 q线对提馏段操作线位置的影响q0q=00q1FQ1Q2Q3Q4Q5Xy五 理论塔板及理论塔板数计算1理论板的定义理论板：指这样一块塔板，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。塔内任一截面的上升蒸气经过一个理论板的变化，正好是图上相平衡曲线和操作线间的一个“阶梯”，如图中操作线上的。2计算方法 （1）逐板计算法逐板计算法是一种最直接的设计型计算方法，通常从塔顶开始进行计算。第一块板：，由于离开每层理论板的气液两相组成是成平衡的，故可由用气液平衡方程求得，和符合精馏段操作线关系，故用精馏段操作线方程可由求得， 即。同理，和互成平衡，即可用平衡方程由 求得，再用精馏段操作线方程由求得，如此重复计算，直至计算到 (仅指饱和液体进料情况)时，说明第层理论板是加料板，因此精馏段所需理论板层数为。应予注意，在计算过程中，每使用一次平衡关系，表示需要一层理论板。此后，可改用提馏段操作线方程，继续用和上述相同的方法求提馏段的理论板层数。精馏段理论数加提馏段理论数即为总理论板数。下图为逐板计算示意图。（1） 图解法 在图中，作出平衡线、精馏段操作线、进料线，然后作出提馏段操作线，如图所示。然后在平衡线和操作线之间绘制梯级。绘制方法如下：从开始，即点开始作水平线交于相平衡曲线于点，过a点作垂线交精馏段操作线于点，再过作水平线交相平衡曲线于，再过a点作铅垂线交精馏段操作线于点，如此往复，直到为止。由此作得的梯级数目即为（包含塔釜（或再沸器），如图所示，共10块理论板（包含再沸器）。（3）捷算法当精馏塔所需理论板数较多，或进行方案比较计算时，采用图解法是非常困难的，这时可运用计算机采用逐板计算快速而准确，也可采用捷算法进行估算。捷算法和回流比密切相关，在讨论回流比后，再介绍这种方法。A回流比的影响 回流是保证精馏塔连续稳定操作的必要条件之一，且回流比是影响精馏操作费用和投资费用的重要因素，对于一定的分离任务（ 即、一定）而言，应选择适宜的回流比。回流比有两个极限值，上限为全回流时的回流比，下限为最小回流比，实际回流比为介于两极限值之间的某适宜值。 全回流时：对塔内任一块板，根据总物料衡算物料有：对轻组分有： 此时，操作线和对角线重合，操作线和平衡线的间距最大，可在图上的平衡线和对角线间直接图解求得，也可以从芬斯克（Fenske）方程式计算得到： 对二元物系有： B最小回流比下图为图中最小回流比的情况，当时，两操作线均向平衡线移动，所以达到指定分离要求所需的理论板数增多（在图上作两操作线画梯级图示说明）。设点坐标，它是线和平衡线的交点，则线的斜率： 特殊物系：水乙醇最小回流比还可用分析法求取。因在最小回流比下，操作线和线交点坐标位于平衡线上，对于相对挥发度为常量（或取平均值）的理想溶液下式表示：将上式代入最小回流比公式得： 饱和液体进料有： 饱和蒸汽进料有： C回流比的选取总费用操作费设备费费用精馏塔理论板层数除了可用前述的图解法和逐板计算法求算外，还可以采用简捷法计算。吉利兰关联图为双对数坐标图，横坐标表示，纵坐标表示 。 其中 为不包括再沸器的理论板层数及最少理论板层数。下图为吉利兰关联图的示意。右端点表示左端点表示，如定出，六、 实际塔板数和塔板效率xnyn+1Xn-1y*1单板效率 单板效率又称默弗里板效率，它是以气相（或液相）经过实际板的组成变化值和经过理论板的组成变化值之比来表示的。 对理论板，平衡，即；实际板 2 总板效率（全塔效率）七、加料热状态的选择 值愈小，即进料前经预热或部分汽化，所需要的理论板数反而愈多。为理解这一点，应该明确比较的基准。精馏的核心是回流，精馏操作的实质是塔底供热产生蒸汽回流，塔顶冷凝造成液体回流。由全塔热量衡算可以知道，塔底加热量、进料带入热量和塔顶冷凝量三者之间有一定关系。对不同值进料所作的比较以固定回流比即以固定的冷却量为基准，这样，为保持塔顶冷却量不变，进料带热愈多，塔底供热则愈少，塔釜上升蒸汽量也愈少；塔釜上升蒸汽量减少，使提馏段操作线斜率增大，其位置向平衡线移近，所需理论板必增多。当然，如果塔釜热量不变，进料带热愈多，则塔顶冷却量必然增大，回流比相应增大，所需塔板数将减少。但需注意，这是以增加热耗为代价的。所以，一般而言，在热耗不变的情况下，热量应尽可能在塔底输入，使所产生的气相回流能在全塔中发挥作用；而冷却量应尽可能施加于塔顶，使所产生的液体回流能经过全塔而发挥最大的效能。工业上有时采用热态甚至气态进料，其目的不是为了减少塔板数，而是为了减少塔釜的加热量。尤其是当塔釜温度过高、物料容易产生聚合或结焦时，这样做更为有利。八、 精馏装置的热量衡算 目的：（1）解决再沸器、冷凝器热负荷（2）加热蒸汽（冷却水）耗量基准温度：0，基准时间：h(s)，衡算基准：单位质量（kg或kgf）1 再沸器热负荷全塔热衡算 2塔顶冷凝器热负荷九、双组分精馏的其它类型加热蒸汽通入量1 直接蒸汽加热 物料衡算精馏段： 线：提馏段方程改变水蒸气摩尔流率，一般，所以一般式 和交点水蒸气由间接加热改为直接加热，精馏段操作线、线不变，精馏段完成相同分离程度所需理论板数不变，但达到同样塔底组成提馏段所需理论板减少。反之，若提馏段提供的理论板数不变的情况下，应下降。2 多股进料（两股） 两种成分相同但浓度不同的料液可以在同一塔内进行分离，两股料液应分别在适当的位置加入塔内。此时的精馏塔可以分成三段，每一段都可以按图中所示的符号用物料衡算推出其操作线方程。（1） 进料，加料板以上部分 （1）（2） 两股进料之间，可以衡算设、均为饱和液体进料 （2）（3） 提馏段操作线仍为过点及线和方程（2）交点的直线。可见，完成同样的分离程度所需理论板数下降。3 侧线出料当需要组成不同的两种或多种产品时，可以在塔内相应组成的塔板上安装侧线抽出产品。侧线抽出的产品可以为塔板上的饱和液体或板上的饱和蒸汽。侧线出料时的三条操作线方程可以用下图所示的符号，用物料衡算方程导出。若侧线产物为组成的泡点液体，各段操作线相对位置示于左图。当侧线产物为组成为蒸汽时，其操作线示于右图。但无论何种情况，第段操作线斜率必小于第段。在最小回流比时，恒浓区一般出现在线和平衡线的交点处。4 回收塔 只有提馏段而没有精馏段的塔称为回收塔。当精馏的目的仅仅只是为了回收稀溶液中的轻组分而对馏出液浓度要求不高，或物系在低浓度下的相对挥发度较大，不用精馏段就可以达到必要的馏出液浓度时，可以用回收塔进行精馏操作。 当料液预热至泡点加入，塔顶蒸汽冷凝后全部作产品，塔釜间接加热，这是回收塔最简单的情况。在设计计算时，已知原料液组成，规定釜液组成及回收率，则塔顶产品的组成及采出率可以由全塔物料衡算确定，和一般完全的精馏塔相同。此时的操作方程也和完全的精馏塔的提馏段操作方程相同。当为泡点加料时，上式可以写为 此操作线上端通过图中的点，下端通过点，斜率为。欲提高馏出液组成，必须减少蒸发量，即减少气液比，增大操作线斜率，所需要的理论板数将增加。当操作线上端移至点，和成平衡的气相组成为最大可能获得的馏出液含量。当为冷液进料时，可和完全的精馏塔一样先作出线，线和的交点为操作线上端，如图所示。10.5其它蒸馏方式一、水蒸气蒸馏（目的：降低原料液沸点）1 概念2 降低沸点的原理 1atm下，水沸点100，苯沸点50.1。水苯不溶混合物的沸点69.5。水蒸气蒸馏分离A+B混合物，A容易挥发。塔顶A+水蒸气（+少量B）本质上相当于减压精馏（）水蒸气用量称带出剂或提馏剂用量（1） 间壁加热水和原料液混合物 （2） 直接水蒸气加热 导致即 饱和系数 降低，降低，若降低至，此时即真空蒸馏。二、间歇蒸馏（分批蒸馏）1 特点 （1）只有精馏段，没有提馏段，间歇性操作不稳定2 操作方式 （1）恒回流比操作（不变）直到低于规定值为止。 （2）恒馏出液组成操作，要求不断提高回流比，可以不变，会降低。12三、恒沸精馏和萃取精馏1 恒沸精馏（共沸精馏）（1） 目的：分离有恒沸点的溶液（2） 原理：向原料液加入第三组分（夹带剂），该组成能和原料液中一个或两个组分形成新的恒沸物，可以采用精馏方法分离。（3） 举例 乙醇水溶液普通蒸馏只达89.4%（恒沸组成）加入夹带剂（苯）形成新的三元恒沸物，沸点64.6，比乙醇（78.3）和水乙醇恒沸物（78.15）均低，其组成（摩尔分率）苯：0.554，乙醇：0.230，水：0.226水和乙醇的摩尔比为0.98，比原乙醇和水恒沸物0.12要高得多。2 萃取精馏（1） 目的：分离沸点相差很小的混合液（接近1的混合液）（2） 原理：向原料液中加入第三组分萃取剂，该组分具有较高的沸点，和料液中的某组分有较强的吸引力，可以显著降低该组分蒸汽压。（3） 举例：丙酮甲醇： 恒沸点，加入（萃取剂）水的摩尔分率0.145时，恒沸点消失，当增加至0.6时，丙酮对甲醇的提高至2以上。3 恒沸精馏和萃取精馏的比较（1） 萃取剂比夹带剂容易选择 （2） 萃取剂一般不汽化，热耗比恒沸精馏低（3） 恒沸精馏温度比萃取精馏要低适宜于分离热敏性物料。（4） 萃取比恒沸灵活，但间歇精馏，恒沸方便。10.8多元精馏（介绍）一、概述1 关键组分苯、甲苯、乙苯、苯乙烯规定馏出液中乙苯的摩尔分率不应高于0.03，釜液中甲苯不应高于0.02。关键组分：在进料中选取两个组分，它们对多组分的分离起着控制作用。挥发度大的关键组分称为轻关键组分，为达到分离要求，规定它在塔底产品中的组成不能大于某给定值；挥发度小的关键组分称为重关键组分，为达到分离要求，规定它在塔顶产品中的组成不能大于某给定值；2 清晰分割法当选取的关键组分按挥发度排序是两个相邻组分，而且两者挥发度差异较大，同时分离要求也比较高，即塔顶重关键组分摩尔分数和塔底轻关键组分摩尔分数控制得都比较低时，可以认为比轻关键组分还易挥发的组分（简称轻组分）全部从