精馏.ppt

化工生产中 常需要将液体混合物分离以达到提纯和回收有用组分的目的 蒸馏 液体精馏 就是一种将液体混合物进行分离 至于比较彻底的分离 的应用广泛的方法 第六章蒸馏 液体精馏 任务 3 初步了解精馏操作及控制过程 2 掌握精馏 二元组分 的原理和理论板的求取 1 掌握蒸馏 液体精馏 涉及的基础理论和概念 1 掌握双组分理想溶液汽液相平衡的各种表达形式 2 掌握进料的不同热状况及其对精馏操作的影响 3 掌握两组分连续精馏塔理论塔板数的逐板计算法和图解法 4 掌握回流比对精馏过程的影响 本章重点及难点内容 1 分离物系 液 液均相 不能用机械方法达到分离的目的 2 分离方式 热分离 部分汽化 部分冷凝 汽 液相间的传质 概述 蒸馏是通过热量的加入 将液体混合物部分汽化 利用各组分挥发度的不同的特性以实现分离 对于均相混合物 必造成一个两相物系才能进行分离 易挥发组分 沸点低的组分 又称为轻组分 利用液体混合物各组分挥发度的不同 使其部分气化 从而达到分离的单元操作 难挥发组分 沸点高的组分 又称为重组分 注意 蒸馏 3 蒸馏操作分类 A 按流程 间歇 小规模 实验室 科研连续 大规模工业生产幻灯片6 B 按操作方法 简单蒸馏平衡蒸馏 闪蒸 精馏特殊精馏 萃取精馏恒沸精馏 C 按操作压强 减压 高沸组分 热敏组分常压 加压 用于特殊精馏 改变平衡性质 AB D 按组分 双组分 重点讨论多组分 简要介绍 较易分离 分离要求不高 蒸馏操作实例 石油炼制中使用的250万吨常减压装置幻灯片5 6 1双组分溶液的汽 液相平衡 6 1 1溶液的蒸汽压和拉乌尔定律 Raoult slaw 汽液相平衡是分析精馏原理和进行设备计算的理论基础 过程以两相达到平衡为极限 一 纯组分饱和蒸汽压 其中A B C为常数 可由 汽液性质 手册查阅 在密闭容器内 在一定温度下 纯组分液体的汽液两相达到平衡状态 称为饱和状态 其蒸汽为饱和蒸汽 其压力为饱和蒸汽压 只有物性和结构相似 且分子大小也相近的物系才符合拉乌尔定律 如苯 甲苯 甲醇 乙醇 烃类同系物组成的溶液等等 描述理想溶液上方蒸汽压 平衡分压 与其组成xA及同温度下饱和蒸汽压 的关系 2 拉乌尔定律 或 二 理想物系的汽液相平衡 拉乌尔定律 Raoult slaw 理想物系 汽相为理想气体 液相为理想溶液 1 理想溶液 在全部浓度范围内都服从拉乌尔定律的溶液称为理想溶液 杠杆原理 力 力臂 常数 即 液相量 L1 汽相量 L2 量 浓度差 露点线一定在泡点线上方 露点 泡点 6 1 2双组分理想溶液的汽 液平衡相图 一 温度组成图 t x y图 p外一定 二 汽液平衡相图 x y图 对大多数溶液 两相平衡时 y x 平衡线总位于对角线上方 对角线x y的直线 作查图参考用 平衡线偏离对角线越远 表示该溶液愈易分离 三 理想溶液的t x y关系式 1 液相组成与平衡温度 泡点 的关系式 混合物沸腾条件 泡点方程 3 汽相组成与平衡温度 露点 的关系式 露点方程 2 恒压下t y x关系式 4 两组分理想溶液t y x关系式的应用 若已知p xA或yA则可求yA或xA t泡或t露 试差计算 若已知p 一定t时 则可求出xA yA 直接计算 问题 汽液平衡时 t泡和t露及xA yA关系如何 溶液中某组分的挥发度等于平衡时其汽相中分压p与平衡时液相中摩尔分率x之比 对于A B两组分混合液 对于理想混合液 四 相对挥发度与理想溶液的y x关系式 即 1 挥发度 volatility 于是 2 相对挥发度 混合液中同温度下二组分的挥发度之比 对于A B双组分溶液 又 故 相平衡线方程 即平衡时双组分溶液汽 液组成关系 对于理想溶液形成的汽 液两相 习惯将易比难挥发组分 理论上 故 可近似为常数或取定性温度下的平均值 实际上 AB随t变化不大 AB 1 则 A B或pA0 pB0 A B能分离 AB 1 则 A B或pA0 pB0 A B能分离 AB 1 则 A B yA xA A B不能分离 讨论 用普通蒸馏 精馏方法不能分离 需用特殊方法精馏 1 AB大小可用来判断某混合液是否能用蒸馏方法加以分离及分离的难易程度 2 总压增大 泡点也增大 将减小 6 2蒸馏与精馏原理 6 2 1平衡蒸馏和简单蒸馏 平衡蒸馏是液体的一次部分汽化或蒸汽的一次部分冷凝的蒸馏操作 生产工艺中溶液的闪蒸分离是平衡蒸馏的典型应用 使混合液过热 超压 然后减压使待分离组分 及第二组分 部分汽化 经汽 液分离 冷凝即可 属单级操作 适于只需粗略分离的物料 又称闪蒸 闪蒸罐 D yD te yD 加热器 F xF tF W xW te Q 减压阀 xW t0 既可连续 又可间歇 2 特点 一 平衡蒸馏 1 闪蒸操作流程 二 简单蒸馏 y 原料液 x 蒸气 冷凝器 1 一般流程如左图 随着过程的进行 汽相平衡浓度不断下降 液相平衡浓度也下降 釜内液体沸点不断升高 2 简单蒸馏特点 亦属单级操作 常间歇操作 亦可连续 又称微分蒸馏 任一时刻 汽 液二相是平衡关系 且y x t C x y 0 1 0 露点线 泡点线 xA yA xf 6 3 2精馏原理和流程 精馏流程 熟悉相关的概念 原料液 进料 馏出液 产品 回流液和釜液冷凝器 分凝器 全凝器 再沸器 塔釜加热 加料板 精馏段和提馏段 一 精馏原理 多次部分汽化与多次部分冷凝 1 一次部分汽化或部分冷凝操作 由图可见 采用一次部分汽化对于xF tf的混合液 汽 液平衡时 液相 x xw 露点组成 汽相 y yF 泡点组成 这说明一次部分汽化操作所能达到的分离程度是有限的 结果 将初级混合物部分汽化后所得汽相在塔顶经多次部分冷凝 由图可知 最后可得汽相浓度为y3 较高 的产品组成 2 塔顶产品多次部分冷凝 t1 t2 t3 操作流程 操作在相图上的反映 结果 对初级混合液部分汽化后得到的液相在塔底经多次部分汽化最后可得液相浓度为x2 较低 的塔底产品组成 3 塔釜产品多次部分汽化 t1 t1 t2 操作流程 操作在相图上的反映 由2 3可知 欲使混合液得到有效分离 必须同时分别对塔顶汽相和塔釜液相进行多次部分泠凝和多次部分汽化 4 过程进行的必要条件及存在问题讨论 过程中间产品x2x3 x1 x2 多 最终产品少 收率低 此即为精馏操作的必要条件之一 存在问题 汽化 冷凝热量消耗大 运行成本高 设备庞大 投资高 使上一级的塔釜液相回流至下一级的进塔汽相 图1 液相回流 汽相回流 结果 通过回流 既克服了中间产品的问题 又完成了部分汽化和部分冷凝的操作 5 问题的解决方法 回流 部分回流 或 使下一级的塔顶汽相上升至上一级的入塔液相 图2 通过回流造成汽 液二相的接触与传质 同时由于二组分挥发度的差异 使过程能够进行 由前讨论可见 回流是保证精馏过程连续稳定进行的又一必要条件 回流亦是蒸馏与精馏的主要区别标志 精馏过程 塔顶 塔底均存在回流 对于上段为液相回流 对于下段为汽相回流 问题 以上有回流的流程是否可在工程上应用 解决方法 工业上采用精馏塔完成以上操作 图6 6所示的为精馏塔的模型 目前工业上使用的精馏塔是它的体现 塔中各级的易挥发组分浓度由上至下逐级降低 而温度逐步增高 当某级的浓度与原料液的浓度相同或相近时 原料液就由此级进入 图6 6精馏塔模型 图6 7是以筛板塔为例 由精馏塔模型转变为实际精馏塔的一段 塔板 多为筛板 泡罩式 舌形板式等 6 3 3精馏塔基本结构与精馏操作流程 1 精馏塔结构 间歇操作 2 精馏操作流程 连续操作 幻灯片47 主要包括降液管 挡板 筛孔等 塔内结构 板式 填料式幻灯片46 塔段 精馏段 提馏段 塔板结构 1 连续精馏操作流程 2 间歇精馏操作流程 若 即 理论 理想 板 3 精馏塔的操作情况 在相同条件下 理论板具有最大的分离能力 是塔分离的极限 即 存在温度差和浓度差 塔板上 yn 1tn 1二者互不平衡 结果 传质和传热 则 离开第n块板时的汽 液二相组成构成平衡关系 tn 1 tn 1 yn xn 板上混合足够均匀 气液两相接触时间足够长 作用 使轻组分浓度沿塔段高度上升而增浓 少量重组分被去除 起精制轻组分作用 4 精馏段 提馏段与进料位置 作用 使重组分浓度沿塔段高度下降而增浓 轻组分被逐渐被去除 起精制重组分作用 进料板 混合液入塔位置的一块板 精馏段 在进料位置xF处 不包括xF处的一块板 以上的塔段 提馏段 在进料位置xF处 不包括xF处的一块板 以下的塔段 传质 传热同时进行 但属于传质控制过程 或以传质分离为过程目的 5 过程特点 6 精馏装置各设备作用 冷却器 再沸器作用 造成塔顶 底汽 液相回流 6 4双组分连续精馏计算和分析 计算理论板数 板式塔 或塔高 工艺及设备设计 计算内容 冷凝器 再沸器热负荷计算 热量衡算 确定产品流量D W及组成xD xW 全塔物料衡算 一 全塔物料衡算 塔顶轻组分回收率 塔底重组分回收率 注意 产量与质量的辩证关系 不可求全 塔顶采出率 定义几个概念 关系 平均分子量的计算 单位 质量百分数 摩尔百分数 对混合料 对轻组分 塔底采出率 混合液中二组分的摩尔汽化潜热相等 实际上液体汽化潜热相差不大 原因 若汽化潜热不等 则同温度下 A B组分汽化量不相同 同时由于各板组成不同 将使各块板之间上升或下降汽 液相流量不同 二 恒摩尔流假定 塔设备无热损失 通过采用保温措施解决 塔板上汽 液接触时虽温度不同 显热交换可以忽略 只有潜热交换 因显热比潜热小得多 前提 若满足下列条件则有恒摩尔流假定成立 热损失的结果将造成与 相同的结果 若考虑显热交换 则各板上原温度分布将发生改变 而温度的改变将使板上液相的焓值改变 汽相的潜热也随温度会发生改变 汽相恒摩尔流动 上升 对提馏段 对精馏段 液相恒摩尔流动 下降 对提馏段 对精馏段 假定 塔板上有多少摩尔的蒸汽冷凝 就有多少摩尔的液体汽化 因此该精馏过程属等摩尔反向扩散传质过程 对于多数有机同系物和许多相近的理想体系 恒摩尔流假设均适用 意义 在进行塔板物料衡算时 汽相和液相量不会在同一段中因塔板位置变化而变化 使计算简化 注 一般V V L L 原因 与进料量F和状态有关 三 进料热状况参数q 冷态进料 泡点进料 饱和液体进料 泡 露点之间进料 露点进料 饱和蒸汽进料 过热蒸汽进料 1 原料液入塔状况 令 热状况参数 即 又 得 进料板物衡 V L F 饱和液体进料 q 1 泡 露点间进料 0 q 1 饱和蒸汽进料 q 0 过饱和蒸汽进料 q 0 五种不同进料热状况对汽液流量的影响 冷态进料 q 1 V V L L F V V L L F L L V V F V V F L L 过热蒸汽进料 此时q 0 泡 露点之间进料 此时0 q 1 泡点 饱和液体 进料 此时q 1 露点 饱和蒸汽 进料 此时q 0 冷态进料 此时q 1 2 q值参数讨论 且 物料衡算 设进料时q 1 1 0 5和q 0 3 问进料中液体量 进料量 注意 此节q q值参数 与液化率q LF F的联系与区别 思考题 在精馏中q取值在 间 而在平衡或简单蒸馏中0 q 1 1 联系 均反映液化率问题 在下列三种情况下 q等于液化率 泡点进料 饱和液体进料 泡 露点之间进料 露点进料 饱和蒸汽进料 2 区别 在精馏中还反映了原料的进料状态 设计中先求得理论板层数 然后结合塔板效率予以校正 即可求得实际板层数 操作关系 整个塔内各板的组成可逐板算出 板数即为指定分离要求下的理论板层数 yn 1与xn之间的关系 通过物料衡算来确定 与精馏条件有关 理论板 问题 为何及如何求取理论板数 1 为何求取理论板数 2 如何求取理论板数 交替计算 结果 条件 塔顶为全凝器 y1 xD 混合料 于是 四 操作线方程 研究相邻两块塔板气液组成之间的关系 精馏段操作线方程 轻组分 令 回流比 则 稳定操作时为直线关系 提馏段操作线方程 对轻组分 即 对混合料 其中 又 则有 6 39 6 40 故有 令 塔釜的气相回流比 另将 得 提馏段操作方程的另一常用表达式 代入提馏方程 或 塔釜气相回流比R 与塔顶液相回流比R及q的关系式 将 及 代入 得关系式 改写为 将全塔物衡式 及 代入上式得 2020 1 29 43 可编辑 操作线的绘制和q线方程 作过D点直线 该点 xw y xw 落在对角线W处 同理 当x xw时y xw 作提馏线 作精馏线 由方程可见 当x xD时y xD 该点D xD y xD 处在对角线上 再以为斜率 或为截距 作过W点直线 再以为斜率 或为截距 或 I 两操作线的交点q线方程 解得交点q 1 2 结合 代入上式 将 得 即有 进料板方程 q线方程 a 过D xF xF 点作为斜率的q线交精馏线于点f xf yf 于是提馏线的作法为 q线方程 b 连点f xf yf W xw xw 即为提馏线 可知 一定状态进料时 q为一常数 故q线为直线 不同的加料热状态对应着不同的q值 也就对应着不同的q线 随着q的不同 点F xf yf 位置在变化 I F xF xF xF x mol分率 y 0 1 1 D xD xD W xW xW 1 2 3 4 f xf xf q线方程 1 NT图解计算法 五 理论板数NT的计算 平衡线 操作线 2 逐板计算法 交替计算 基本思路 或 全冷凝 第n块为进料板 规定值 计算过程 六 回流比与进料热状况对精馏过程的影响 原料液q F xF QF 馏出液 D xD QD 釜残液 W xW QW L V V L 关系式 原料液q F xF QF 馏出液 D xD QD 釜残液 W xW QW L V V L 1 q一定 R对理论板的影响 2 R一定 q对理论板的影响 随q值不同 q线斜率发生变化 当分离要求xD xW R一定时 q值越大 QF 达到相同分离要求时所需的NT越少 当NT一定时 q值越大 QF 产品纯度 3 R 一定 q对理论板的影响 回流的作用 稳定连续精馏操作的必要条件 一 最大回流比 全回流 及最少理论板数Nmin 根据定义 故当D 0时R 即此时精馏线与对角线重合 平衡线与操作线相距最大 此时所需的理论梯级最少Nmin 七 塔顶液相回流比的影响及其选择 回流比是影响操作费用及设备投资费的重要因素 故对于一定的分离任务 应该选择适宜的回流比 根据相平衡关系 最少理论梯级 理论板 Nmin Fenske计算公式推导 全回流操作线方程式 操作线 第二板相平衡 操作线 第N板相平衡 a b 令 几何平均值 Nmin 包括再沸器在内的全回流情况下的最少理论板数 式中 有 Fenske公式 若将式中xW换为xF 改为精馏段平均值 则可用来计算精馏段的理论板数 式中 1 进料板Nmin 精馏段理论板数 全回流R 是回流比上限 对实际操作无意义 主要用于开工 使系统稳定 和实验研究 讨论 二 最小回流比Rmin 挟紧点和恒浓区 当两操作线的交点位于平衡线上时 则需要无穷多的阶梯 相应的回流比称为最小回流比 以Rmin表示 对于一定的分离要求 Rmin是回流比的最小值 挟紧点d和恒浓区 注意 Rmin是精馏操作的下限 若R Rmin 精馏操作无法进行 问题 R 0是不是最小回流比 答 R 0意味着不回流 即无精馏操作 由D xD xD 作直线与平衡线相切 其与纵座标的截距即为 由W xW xW 作直线与平衡线相切 并交q线于P点 连P xD xD 直线 其截距为 可由D xD xD 直接引直线过q线与平衡线交点P所得截距为 a 对于正常平衡线 b 对于上部凹形平衡线 c 对于下部凹形平衡线 作图法 或斜率 对于泡点进料 q 1 xp xF 对于饱和蒸汽进料 q 0 yp yF xF 又yp f xp 解析计算法 又 故 当 为常数时 三 最适宜回流比 因为 故 当F q D一定时 操作费 R V V 能耗 冷却 加热设备体积和尺寸 塔径 一般取R 1 1 2 0 Rmin 经济回流比 固定投资 R NT 塔体高度 1 7操作型问题计算 例4某连续操作精馏塔如图所示 已知料液摩尔组成xF 0 2 料液以饱和液体状态直接加入塔釜 塔顶设全凝器 全塔共两块理论板 包括塔釜 塔顶摩尔采出率D F 1 3 回流比R 1 泡点回流 此条件下物系的相平衡关系可表示为y 4x 试计算xW 操作型问题举例 1 y 4x 练习 由一层理论板及塔釜组成的常压连续回收塔 每小时加入甲醇水溶液100kmol 其中甲醇含量为0 3 摩尔分率 下同 要求塔顶得到甲醇含量为0 6的馏出液 塔顶采用全凝器 泡点进料 由于该塔只有一层板 且料液就在这一板上加入 故塔可以不用回流 在操作范围内 相对挥发度 5 8 试求 1 釜液组成 2 塔顶馏出液量 kmol h 解 1 釜液组成 操作型问题 1 每小时加入甲醇水溶液100kmol 其中甲醇含量为0 3 要求塔顶得到甲醇含量为0 6的馏出液 泡点进料 5 8 2 3 将式1 3代入式2得 每小时加入甲醇水溶液100kmol 其中甲醇含量为0 3 要求塔顶得到甲醇含量为0 6的馏出液 泡点进料 5 8 解之得 D 41 01kmol h 舍去 2 馏出液量 kmol h 练习1用常压精馏塔分离双组分理想混合物 泡点进料 进料量100kmol h 加料组成为50 塔顶产品组成xD 95 产量D 50kmol h 塔釜间接蒸汽加热 回流比R 2Rmin 设全部塔板均为理论板 以上组成均为摩尔分率 相对挥发度 3 求 1 最小回流比Rmin 2 精馏段和提馏段的上升蒸汽量 3 列出该情况下提馏段操作线方程 解 1 最小回流比Rmin 设计型问题举例 2 精馏段和提馏段的上升蒸汽量 3 列出该情况下提馏段操作线方程 泡点进料 进料量100kmol h 加料组成为50 塔顶产品组成xD 95 产量D 50kmol h 回流比R 2Rmin 设全部塔板均为理论板 相对挥发度 3 设计型问题举例 例2用常压连续精馏塔分离苯一甲苯混合物 原料中含苯0 40 塔顶馏出液中含苯0 9 以上为摩尔分率 进料为饱和蒸汽 苯对甲苯的相对挥发度 2 5 操作回流比为最小回流比的1 5倍 塔顶采用全凝器 试求离开塔顶第二层理论板的蒸汽组成 进料为饱和蒸汽 精馏段操作线方程为 解 设计型问题举例 例2用常压连续精馏塔分离苯一甲苯混合物 原料中含苯0 40 塔顶馏出液中含苯0 9 以上为摩尔分率 进料为饱和蒸汽 苯对甲苯的相对挥发度 2 5 操作回流比为最小回流比的1 5倍 塔顶采用全凝器 试求离开塔顶第二层理论板的蒸汽组成 xD a xW x b xF d2 e 6 3板式塔 1 空塔气速高 处理 生产 能量大 板式塔的主要特点 4 结构简单 检修清理方便 3 塔板效率稳定 2 造价低 一 塔板结构 6 3 1塔板结构 类型及特点 双流型塔板 1 按塔内气 液流动方式分类 2 逆流塔板 穿流板 全塔中均为逆流 1 错流塔板 整体上是逆流 塔板上是错流 注 由于逆流塔板需要较高的操作气速才能维持板上液层 操作弹性有限 分离效率低 故工业中应用较少 二 塔板类型 2 错流塔板的分类 泡罩塔板 筛孔塔板 浮阀塔板 喷射塔板 塔板类型 A 结构 升气管 泡罩 塔板 降液管 B 特点 上升气流分散成气泡 板上形成鼓泡层与泡沫层 传质面较大 1 不漏液 不易堵塞 适用于多种物料 板效率受L G影响较小 弹性大 操作稳定可靠 2 结构较复杂 材料消耗及造价高 3 塔板压降大 液泛气速低 故生产能力较小 雾沫夹带严重 板效率较低 C 传质及流动特点 气液在板上接触紧密 混合程度剧烈 A 结构 筛板 3 8mm 溢流堰 降液管 B 特点 1 结构简单 造价低 气体压降损失小 生产能力及板效率比泡罩塔板高 操作弹性可达2 3 2 易堵 操作弹性小 受漏液影响 C 传质及流动特征 50年代开始推广使用 已有部颁标准JB1118