食品工程原理——蒸馏.ppt

重点 理论塔板 恒摩尔流 操作线方程 进料方程 回流比难点 操作线方程 进料方程 精馏设备 第七章蒸馏 白酒蒸馏器 三塔蒸馏流程图 精馏流程图 两塔蒸馏流程图 蒸馏 将液体部分气化 利用各组分挥发度的不同从而使混合物达到分离的单元操作 蒸馏是分离液相混合物的典型单元操作 易挥发组分 沸点低的组分 又称为轻组分 难挥发组分 沸点高的组分 又称为重组分 蒸馏操作的分类 按操作方式分 简单蒸馏 平衡蒸馏 精馏 特殊精馏 按操作压力分 常压蒸馏 加压蒸馏 减压 真空 蒸馏 按原料中所含组分数目分 双组分蒸馏及多组分蒸馏 按操作流程分 连续蒸馏和间歇蒸馏 本章主要讨论常压双组分连续精馏 蒸馏是气液两相间的传质过程 组分在两相中的浓度 组成 偏离平衡的程度来衡量传质推动力的大小 传质过程以两相达到相平衡为极限 气液相平衡是分析蒸馏原理和进行蒸馏设备计算的理论基础 第一节双组分溶液的气液平衡 相律是研究相平衡的基本规律 它表示平衡物系中自由度数 相数及独立组分数间的关系 F C 2 式中F 自由度数C 独立组分数 相数2表示外界只有温度和压强可以影响物系的平衡关系 一 相关概念及气液平衡图1相律 汽液相平衡 vapor liquidphaseequilibrium 溶液与其上方蒸汽达到平衡时汽液两相各组分组成的关系 溶液的分类 理想溶液和非理想溶液 理想溶液的气液平衡关系遵循拉乌尔定律 即 式中p 溶液上方组分的平衡分压p0 同温度下纯组分的饱和蒸气压x 溶液中组分的摩尔分率 2拉乌尔定律 根据道尔顿分压定律 溶液上方的蒸汽总压为 当总压P不高时 平衡的气相可视为理想气体 服从道尔顿分压定律 即 式 a 和 b 为两组分理想物系的气液平衡关系式 a b 纯液体的挥发度是指该液体在一定温度下的饱和蒸气压 相对挥发度 RelativeVolatility 是指溶液中两组分挥发度之比 常以易挥发组分的挥发度为分子 溶液中各组分的挥发度定义为该组分在蒸气中的分压和与之相平衡的液相中的摩尔分率之比 即 vA vB PA XA PB XB vA PA xAvB PB xB 3相对挥发度及气液平衡方程 当总压不高时 蒸气服从道尔顿分压定律 对于二元溶液xB 1 xAyB 1 yA 整理后 略去下标 相平衡方程 相对挥发度的意义 其值的大小可用于判断某混合溶液能否用蒸馏方法加以分离以及分离的难易程度 当 1时 表示组分A较B容易挥发 愈大 挥发度差异愈大 分离愈容易 当 1时 气相组成与液相组成相同 不能用普通精馏方法加以分离 上曲线 平衡时汽相组成与温度的关系 称为汽相线 露点曲线 下曲线 平衡时液相组成与温度的关系 称为液相线 泡点曲线 两曲线将图分成三个区域 液相区 过热蒸汽区 汽液共存区 4气液平衡图 GraphofG LEquilibrium 4 1温度 组成图 t x y图 T X Y T X Y图的作法 平衡线位于对角线的上方 平衡线离对角线越远 表示该溶液越易分离 注意 总压对t y x关系比对y x关系的影响大 当总压变化不大时 总压对y x关系的影响可以忽略不计蒸馏中使用y x图较t y x图更为方便 4 2汽液相平衡图 X Y图 与理想溶液发生正偏差的溶液 如乙醇 水 正丙醇 水等物系 对于乙醇 水体系 其恒沸组成为x y 0 894 恒沸点t 78 15 常压下 称为具有最低恒沸点的溶液 与理想溶液发生负偏差的溶液 如硝酸 水 氯仿 丙酮等物系 对于硝酸 水体系 其恒沸组成为x y 0 383 恒沸点t 121 9 常压下 称为具有最高恒沸点的溶液 同一种溶液的恒沸组成随压强而变 在理论上可采用改变压强的方法来分离恒沸溶液 但在实际使用时 则应该考虑经济性和操作可能性 4 3两组分非理想溶液的气液平衡相图 历史上最早应用的蒸馏方法 一种单级蒸馏操作 常以间歇方式进行 简单蒸馏多用于混合液的初步分离 第二节平衡蒸馏和简单蒸馏一 简单蒸馏 微分蒸馏 将料液加热至泡点 溶液汽化 产生的蒸汽随即进入冷凝器 冷凝成馏出液 随着过程的进行 釜中液相组成不断下降 使得与之相平衡的气相组成 馏出液组成 亦随时降低 而釜内液体的沸点逐渐升高 当馏出液的平均组成或釜残液组成降至某规定值后 即可停止蒸馏操作 在同一批操作中 馏出液分批收集 可得到不同组成的馏出液 1简单蒸馏操作原理 2简单蒸馏流程 将一定组分的液体加热至泡点以上 使其部分气化 或者将一定组分的蒸汽冷却至露点以下 使其部分冷凝 两相达到平衡 然后将两相分离 此过程的结果是易挥发组分在气相中富集 难挥发组分在液相中富集 二 平衡蒸馏 闪蒸 平衡蒸馏流程 yF xF xwyF 加热原料液时产生的第一个气泡的组成 xw 原料全部气化后剩的最后一滴液体的组成 第三节精馏原理和流程一 一次部分气化和部分冷凝 从气相得到较纯的易挥发组分 Multi partialgasificationandcondensing 从液相中则得到较纯的难挥发组分 二 多次部分气化和多次部分冷凝 多次部分气化示意图 分离过程得到的中间馏分多 纯产品的收率低 解决方法 上图所示的流程存在的问题 对任一分离器有来自下一级的蒸汽和来自上一级的液体 气液两相在本级接触 蒸汽部分冷凝 同时液体部分气化 又产生新的气液两相 蒸汽逐级上升 液体逐级下降 省却中间加热器和冷凝器 工业上采用塔板取代中间各级 流程庞杂 设备繁多 能量消耗大 有回流的多次部分气化和冷凝示意图 回流 升到塔顶的汽流组成在冷凝器中冷凝后 只放出一部份作为塔顶产品 另一部分返回塔顶作为液流 这部份液流称为回流 再沸器 提供一定量上升的蒸气流 三 精馏原理1精馏的定义精馏是将由挥发度不同的组分所组成的混合液 在精馏塔中同时多次地进行部分气化和部分冷凝 使其分离成几乎纯态组分的过程 2精馏连续稳定进行的条件 如图所示 考察筛板塔中任意第n层板的操作情况 理论塔板 Idealplate 若yn和xn满足气液平衡方程 则此层塔板称为理论塔板 注 x n 1表示与yn 1成相平衡的液相的组成 tn 1 tn 1xn 1 x n 1在任一塔板上易挥发组分由液相转移到气相 而难挥发组分从气相转移到液相 即xn 1 xnyn yn 1 精馏塔 DistillingColumn 设备 包括精馏塔 塔底再沸器 塔顶冷凝器 原料预热器 回流液泵等 加料板 当某块塔板上的浓度与原料的浓度相近或相等时 料液由此加入 该板称为加料板 精馏段 加料板以上的部分 它起着回收原料中易挥发组分增浓的作用 提馏段 加料板以下的部分 包括加料板 它起着回收原料中易挥发组分的作用 精馏操作分为连续精馏和间歇精馏 流程如下图所示 3精馏操作流程 精馏操作的不正常现象 漏液 液沫夹带液泛反混 连续精馏操作流程 间歇精馏操作流程 确定产品的流量 确定合适的操作条件 操作压强 回流比和加料状态等 确定精馏塔所需的理论塔板数和加料位置 选择精馏塔的类型 确定塔径 塔高及塔的其它参数 冷凝器和再沸器的设计计算 第四节两组分连续精馏的计算一 两组分连续精馏工艺计算的主要内容 理论板是指离开该塔板的蒸汽和液体呈平衡状态的塔板 理论板不存在的原因 气液间接触面积和接触时间是有限的 难以达到平衡状态 理论板可作为衡量实际板分离效率的依据和标准 二 理论塔板的概念 Idealplateortray 恒摩尔汽化 每层塔板上升的蒸汽的摩尔流量相等 精馏段 L1 L2 L3 Ln L 定值提馏段 L1 L2 L3 Lm L 定值但L与L 不一定相等 精馏段 V1 V2 V3 Vn V 定值提馏段 V1 V2 V3 Vm V 定值但V与V 不一定相等 恒摩尔溢流 每层塔板溢流的液体的摩尔流量相等 三 恒摩尔流的假设 恒摩尔流 满足恒摩尔流的条件 1 各组分的气化潜热相等 2 气液接触时因温度不同而交换的显热可以忽略 3 塔设备保温良好 热损失可以忽略 恒摩尔汽化和恒摩尔溢流的总称 四 全塔物料衡算 MassBalance 总物料F D W 塔顶易挥发组分回收率 DxD FxF 100 易挥发组分FxF DxD WxW 塔底难挥发组分回收率 五 精馏段操作线方程 以精馏段的第n 1层塔板以上塔段及冷凝器作为衡算范围 以单位时间为基准 则有 总物料衡算 V L D 易挥发组分 Vyn 1 Lxn DxD 式中V 精馏段每块塔板上升的蒸汽流量 kmol h L 精馏段每块塔板溢流的液体流量 kmol h D 馏出液流量 kmol h yn 1 精馏段第n 1板上升蒸汽中易挥发组分的mol分率 xn 精馏段第n板下降的液体中易挥发组分的mol分率 由上两物料恒算式得 根据恒摩尔流假设 L为定值 且在稳定操作时 D及xD为定值 故R为常量 令R L D R称为回流比 则有 上式即为精馏段操作线方程 它描述了任一板 第n层板 的液体组成与自相邻的下一塔板 第n 1层 上升的蒸汽组成之间的关系 为一线性关系 其中 斜率为R R 1 截距为xD R 1 以提馏段第m层塔板以下塔段及再沸器作为衡算范围 则有 总物料衡算 L V W 易挥发组分 L xm V ym 1 Wxw 六 提馏段操作线方程 由上两物料恒算式可得 上式称为提馏段操作线方程 此式表示在一定操作条件下 提馏段内自第m层板下降液体组成x m与其相邻的下层板 第m 1层 上升蒸气组成y m 1之间的关系 呈线性关系 L L qF 注 提馏段液体量L 不容易求 它除了与L有关外 还受进料量及进料热状况的影响 初始条件 提馏段操作线方程 精馏段操作线方程 相平衡方程 七 理论塔板数的确定利用相平衡原理和操作线方程可确定理论塔板数 其方法有逐板计算法和图解法 1逐板计算法 xd为精馏线与提馏线交点处的x 当为饱和液体进料时 计算至xn xF即可 则第n块板为加料板 精馏段有n 1层 需n 1块板 当求得xm xw时 则提馏段需塔板m 1层 块 第m层为再沸器 精馏塔共需塔板m n 1块 同理 可求得提馏段理论塔板数 在坐标上绘出双组分混合液的y x平衡曲线 并作出对角线 对角线为y x 在同一坐标上作精馏段操作线 此操作线通过位于对角线的点 x xD y xD 和y轴上的点 x 0 y xD R 1 此操作线的斜率为R R 1 截距为xD R 1 在同一坐标上作提馏段操作线 此操作线通过位于对角线的点 x xW y xW 和y轴上的点 x 0 y WxW L qF W 此操作线的斜率为 L qF L qF W 从点 x xD y xD 开始在操作线与平衡线作直角阶梯直至作后一个阶梯的垂线达到xW或略小于xW为止 注 所画的每一个阶梯代表理论塔板 跨过两操作线交点的那层塔板为加料板 最后一层塔板为再沸器 2图解法 xW xD 1 2 3 4 5 6 7 8 b a xF e c d 1 1 画坐标图 f 作平衡线和对角线线 作精馏线 ab线 作q线 ef线 作提馏线 cd线 作梯级 图解过程 如图所示 对进料板作总物料衡算和热量衡算 式中 IF 原料液的焓 kJ kmol IV IV 分别为进料板上下处饱和蒸气的的焓 kJ kmol IL IL 分别为进料板上下处饱和液体的焓 kJ kmol 物料衡算 F L V L V 热量衡算 FIF LIL V IV VIV L IL 八 进料热状况的影响 因为塔板上液相和汽相呈饱和状态 且进料板上下处的温度及气相组成各自都比较相近 所以有 IV IV IL IL 代入热量衡算式整理得 将物料衡算式代入 V V IV FIF L L IL F L L IV FIF L L IL 令 q称为进料热状况参数 将上式整理可得到 L L qFV V q 1 F q的意义 以1kmol h进料为基准时 提馏段的液体流量较精馏段液体流量增大的kmol数 对于饱和液体 气液混合物及饱和蒸气而言 q值等于进料中的液相分率 通常 进料状况有5种情况 冷液体进料 泡点进料 汽液混合物进料 饱和蒸汽进料和过热蒸汽进料 IFL FL L Fq 1 原料温度 加热板上沸腾液的温度 料温 板温 泡点 1冷液体进料 进料温度与板温相等 料温 泡点 板温 近似 IF IV V L L FL L Fq 1 2泡点进料 原料液已被汽化一部分 料温 板温 q值表示进料中液体量占总进料量的分率 IV IF IL0 q 1 3汽液混合物进料 原料加热至饱和蒸汽 料温 板温 IF IVV V FL Lq 0 4饱和蒸汽进料 原料加热至过热蒸汽 料温 板温 IF IVV V FL Lq 0 5过热蒸汽进料 即精馏线与提馏线交点的轨迹方程 此式即为q线方程或进料方程 它反映了加料板上汽液组成为一线性关系 当x xF时 y xF 从而得e点 x xF x y的交点 即q线总是过e点 Vy Lx DxD 精馏段关系式 V y L x WxW 提馏段关系式 V V q 1 F 热状态关系式 L L qF 热状态关系式 FxF DxD WxW 物料衡算关系式 九 q线方程 进料方程 第一相线 q 1 冷液体进料 垂直线 q 1 泡点进料 第二相线 0 q 1 汽液混合物进料 水平线 q 0 饱和蒸汽进料 第三相线 q 0 过热蒸汽进料 不同热状态下的q线图 表进料状况对q线的影响 例 用一常压操作的连续精馏塔分离进料组成为0 44 摩尔分率 的苯 甲苯混合物 求在下述进料状况下的边q值 1 气 液的摩尔流率各占一半 2 进料温度为20 3 进料温度为180 已知数据 操作条件下苯的气化潜热为389kJ kg 甲苯的气化潜热为360kJ kg 苯蒸气和甲苯蒸气的平均比热为1 256kJ kg 解 1 根据q为进料液相分率的定义 可直接得出q 1 2 如果按公式计算 则有 例题 2 原料液的气化潜热为 rm 0 44 389 78 0 56 360 92 31900kJ kmol 查苯 甲苯物系在常压下的温度 组成图 知组成为0 44的进料 泡点为94 露点为100 5 料液的平均温度 94 20 2 57 由附录17查的在57 下苯和甲苯的比热为1 84kJ kg 则原料的平均比热为 Cp 1 84 78 0 44 1 84 92 56 158kJ kmol 3 进料的平均分子量为 Mm 78 0 44 92 0 56 85 8 组成为0 44的进料 其露点为100 5 则将进料的过热蒸汽转化为饱和蒸汽应移走的热量为 I IF IV 85 8 1 256 180 100 5 8567 3kJ kmol 利用上方程式作提馏段的操作线方程较复杂 由于q线的引入 简化了提馏段操作线的绘制 1 过坐标为 x xF y yF 的e点作斜率为q q 1的直线即为q线 2 q线与精馏段操作线相交于一点 联结该点与e点即为提馏段操作线 十 提馏段操作线的作法 R一定 q不改变精馏线的位置 R一定 q对提馏线有较大影响 见右图 随q减小 提馏线相平衡线靠近 所需理论塔板数越多 3 进料状况对操作线的影响 在图解求理论塔板的过程中 当某阶梯跨过两操作线的交点时 应变更操作线 跨过交点的阶梯即代表适宜的加料板的位置 逐板计算也相同 这是因为对一定的分离任务而言 如此作图所需的理论塔板数最少 不改换操作线或提早更换操作线都会使理论塔板数增加 4 适宜的进料板位置 影响塔板效率的因素 传质系数 传质推动力 传质面积 接触时间 物料特性等 理论塔板的概念 分离的实际情况 由于气液两相接触时间 接触面积有限 因此在实际分离过程中不存在理论塔板 完成一定任务所需的实际塔板数比理论塔板数多 塔板效率 理论塔板数NT与实际塔板数NR之比称为塔板效率 用ET表示 式中ET称为全塔效率或总板效率 注 计算塔板数时应圆整 如7 0 6 11 7 12 九 实际塔板数与塔板效率 1 R 精馏段操作线向对角线靠近 N 但L 即冷凝器的负荷加大 2 R 精馏段远离对角线 N 当精馏操作线和q线的交点在平衡线上时 则N 此时R称为Rmin 全回流 十 回流比的影响与选择1回流比R L D的改变对精馏操作的影响 1 R q点下降 提馏段接近对角线 板数减少 再沸器负荷加大 纯度 2 R 提馏段与操作线相距越远 当与平衡线相交 q线 N 2回流比R L D的改变对提馏段操作线的影响 全回流 若塔顶上升的蒸汽冷凝后全部回流至塔内称为全回流 totalreflux D 0 F 0 W 0 无精馏段和提馏段之分 回流比R L D 是回流比的最大值 精馏操作线为yn 1 xn 所需理论塔板数最少 以Nmin表示 3全回流与最小理论塔板数 对于双组分溶液 有如下公式 芬斯克公式Fenske 在d点上下各板 进料板上下区域 气液两相组成基本不变化 即无增浓作用 点d称为夹紧点 该区域称为恒浓区 或夹紧区 yq 回流比减小 两操作线向平衡线移动 达到指定分离程度所需的理论塔板数增多 当两操作线的交点位于平