化工基础第五章精馏.ppt

精馏 distillation 第五章精馏 2 教学内容 一 概述二 气液间的相平衡三 物料衡算四 理论塔板数的确定五 塔板效率六 精馏设备 板式塔 第五章精馏 教学目的 掌握精馏的气液相平衡关系和相对挥发度的计算 掌握定态连续精馏过程中的物料衡算 操作线方程 掌握理论级的概念 能够进行理想二元体系泡点进料时理论板数的求算 了解回流比与精馏优化的关系 在此基础上了解板式塔的结构和性能 第五章精馏 3 一 概述 本章讨论分离均相液体混合物最常用最重要的方法 蒸馏 1 定义1 质量传递过程 传质过程 由浓度差引起的物质转移过程 2 蒸馏 利用液体混合物中各组分挥发性的差异来分离液体混合物的传质过程 3 精馏 多次部分汽化 多次部分冷凝 4 轻组分 液体混合物中的易挥发组分A 5 重组分 液体混合物中的难挥发组分B 6 原理 溶液加热至沸腾并有部分气化 气液平衡时由于各组分的挥发度不同 液相和气相的组成不同 轻组分在气相中的浓度高于液相浓度 蒸气被冷凝时 冷凝液中重组分浓度高于气相中的浓度 进行一次部分气化和冷凝 简单蒸馏 或多次部分气化 部分冷凝 精馏 将不同组分按挥发性高低分离开 最终在气相中得到较纯的轻组分 在液相中得到较纯的重组分 8 浓度表示法及其换算 7 分离依据 利用物系在发生相变化过程中组分间挥发性的差异 将液体混合物中各组分分离的操作 第五章精馏 5 2 蒸馏分类 按分离要求分 简单蒸馏 精馏按操作方式分 间歇 连续按组分数分 双组分 多组分按操作压强分 常压 加压 减压按物系的特殊性分 恒沸 萃取 溶盐 反应简单蒸馏常压蒸馏双组分蒸馏间歇蒸馏平衡蒸馏 闪蒸 减压蒸馏多组分蒸馏连续蒸馏精馏加压蒸馏特殊精馏 恒沸精馏 萃取精馏 第五章精馏 6 酒的提纯 蒸馏操作过程 锅为汽化器 顶盖为冷凝器 如图所示 这就是一种简单蒸馏的操作过程 我还不知道 对酒当歌 源于哪个朝代的帝王将相 但可以肯定 从 对酒当歌 那个时候起 我国古代劳动人民就已经掌握了简单精馏这种操作过程 制酒作坊装置图 为什么能使乙醇增浓呢 主要因为乙醇比水的沸点低 或者说乙醇比水的挥发度高 这样蒸汽中乙醇的含量yA高于粗酒中乙醇的含量xA 即yA xA 蒸汽冷凝之后 就得到乙醇含量高的酒 1 简单蒸馏 简单蒸馏又称微分蒸馏 是一种单级蒸馏操作 常以间歇操作方式进行 在恒定压力下 将蒸馏釜中的溶液加热至沸腾 并使液体不断汽化 产生的蒸汽随即进入冷凝器中冷凝 在引出的瞬间 气 液间存在平衡关系 冷凝液用多个罐子收集 由于整个蒸馏过程中 气相的组成和液相的组成都是不断降低的 馏出液的平均组成与原始溶液和馏残液间只存在物料衡算关系 不存在直接的相平衡间的联系 所以每个罐子收集的溶液的组成是不同的 因此混合液得到了初步的分离 特点 非定态过程 过程中 气液组成及温度都随时间而变 应用 相对挥发度大的混合液的分离 要求不高的分离 2 平衡蒸馏 平衡蒸馏又称为闪蒸 是一种单级蒸馏操作 常以连续操作方式进行 原料连续进入加热器中 加热到一定温度 超过进料的泡点 后经节流阀减到规定的压力 部分液体迅速汽化 汽液两相在分离器中分开 得到了组成不同的塔顶产品和塔底产品 由于汽液两相成平衡状态 所以称为平衡蒸馏 其优点是可以在相对较低的温度下有较高的馏出率 与简单蒸馏比较 在相同的温度时可产生较多的蒸气 即相对地可使蒸馏在较低温度下进行 这对于高温易分解的物料尤为重要 第五章精馏 9 3 间歇精馏 它是在简单蒸馏釜上安装带有回流的精馏塔以改善精馏效率的 操作是间歇的 原料分批地加入 馏出液的组成随时间而改变 难于得到纯度很高的组分 但间歇精馏装置简单 操作机动性大 通用性广 因而在小批量的有机合成 制药等工业中广泛应用 特点 间歇精馏的装置是在蒸馏釜上安装只有精馏段的精馏塔 为非定态过程 第五章精馏 10 4 特殊蒸馏 略 见教材P228 P236 恒沸蒸馏 萃取蒸馏 催化精馏 石油的侧线分馏 热泵精馏等 纯组分的沸点在等压下不会变化 混合液则与之不同 开始沸腾的温度为t1 随着少量蒸气的分出 其沸腾温度会逐步提高 在工程上将混合液开始沸腾的温度t1定名为泡点 相应地将混合蒸气开始凝结的温度定名为露点 塔顶蒸气部分冷凝或全冷凝后的冷凝液 即馏出液 引回一部分注入塔顶 引回的这部分馏出液称为回流 冷凝器分为全凝器 把上升的蒸气全部冷凝 和分凝器 部分冷凝 即只是将回流液冷凝下来 目前生产上主要还是用全凝器 这是由于调节回流比时分凝器不如全凝器便利 准确 第五章精馏 11 第五章精馏 12 第五章精馏 13 第五章精馏 14 第五章精馏 15 1 相律 只受温度和压力影响的平衡物系的自由度数 等于物系的独立组分数减去相数再加上二 即F C 2式中F 自由度数 C 独立组分数 相数 2 温度 压力 对两组分的气液平衡 F 2 2 2 2若恒定压力 则自由度数为1 即该物系温度或组成中只有一个独立变量 其它变量都是它的函数 所以可以用平面相图来表示各变量间的关系 2 两组分理想物系的气液平衡关系1 理想物系 液相为理想溶液 气相为理想气体的物系 2 拉乌尔定律 理想溶液中某组分的溶液蒸汽压等于该组分同温度下的液体蒸汽压与该组分的液相摩尔分率的乘积 即pA p0AxA式中pA 组分A的溶液蒸汽压 Pa 即溶液上方组分A的平衡分压 p0A 组分A的液体蒸汽压 Pa 即纯液体的饱和蒸汽压 xA 组分A的液相摩尔分率 二 气液间的相平衡 由得由得3 相对挥发度 挥发度 某组分的溶液蒸汽压与该组分的摩尔分率之比 即 对理想溶液 溶液服从拉乌尔定律 有 相对挥发度 易挥发组分挥发度与难挥发组分挥发度之比 即 对理想溶液 有pi0随温度变化而变化 但对理想体系 两者的比值变化不大 即相对挥发度可看成常数 Antoine方程 理想溶液两组分挥发的难易也可用其沸点的高低来表示 差值越大 相对挥发度也越大 气液平衡方程 相平衡方程 若气相为理想气体 则 所以 1 即 值越大 相应地蒸气中y越高 越易分离 1时 平衡线为对角线 体系中组分不能用一般的蒸馏和精馏方法分离 对双组分溶液 有整理并略去下标 得上式表示互成平衡的气液两相组成间的关系 称为相平衡方程 如能得知 值 便可算出气液两相平衡时易挥发组分浓度以y x的对应关系 为常数时 溶液的相平衡曲线如上图所示 1时 y x 即对角线 值越大 同一液相组成x对应的y值越大 可获得的提浓程度越大 分离程度越好 因此 值的大小可作为用蒸馏分离某物系的难易程度的标志 3 两组分理想物系的气液平衡相图1 温度 组成 t x y 图 说明原理 2 x y图 简便 具有实用价值 3 以相图表示蒸馏过程 两相区平衡关系服从杠杆规则 封闭体系 溶液完全蒸发 蒸气组成等于溶液初始组成 敞开体系 两相组成沿着液相线 泡点线 和气相线 露点线 变化 导出的蒸气中轻组分含量大于液相 多次部分气化 部分冷凝 经多次部分气化可得纯重 难挥发 组分 经多次部分冷凝 可得纯轻 易挥发 组分 第五章精馏 19 第五章精馏 20 第五章精馏 21 第五章精馏 22 如x y相图所示 对于易挥发组分 因为yA xA 所以x y线均在对角线上方 只有x 0纯B 或x 1纯A 才有y x x y线与对角线偏离越远 表示越易分离 若x y线与对角线重合 则不能用一般的蒸馏和精馏方法分离 如t x y相图所示 在一定总压下 对于一定组成x1的溶液加热到与t x线相交的点 即出现第一个气泡 所以t x线亦称泡点线 对于组成为y1的蒸气 冷却至与t y线相交 出现第一滴露珠 所以称t y线为露点线 若t x线与t y线重合 则表示该溶液不能分离 若两线相距愈远 则表示愈易分离 很明显 只有在气液共存区内 才可能达成一定程度的分离 t x y相图可通过实验测定 第五章精馏 23 4 压力对气液平衡的影响 1 t x y相图和x y相图都是在指定压力下得到的 必须在相图中标明总压P 体系的压力变化不大时 气液间的平衡组成受影响不大 但溶液的泡点和蒸气的露点有明显的变化 这是x y相图比t x y相图在应用上较方便的地方 当体系的压力有显著的变化时 气液平衡关系受到很大的影响 2 压力降低 体系的相对挥发度增大 恒沸点组成逐渐变化 压力增大 体系的相对挥发度降低 应用加压蒸馏的原因 在于提高气液平衡温度后 便于利用蒸气冷凝时的热量 或可用较低品位的冷却剂使蒸气冷凝 从而减少蒸馏能量的消耗 应用减压蒸馏的原因 可提高体系的相对挥发度 甚至使原有的恒沸点消失 但主要原因是降低气液平衡温度后 可以减少降解或聚合的损失 也有利于低压水蒸气或余热利用 第五章精馏 24 第五章精馏 25 5 非理想溶液 不符合拉乌尔 Roult 定律 汽液平衡关系主要靠实验数据 1 汽相中各组分的蒸汽压较理想溶液大 为正偏差溶液 在t x y图中 特殊条件下出现最低恒沸物 例如 乙醇 水体系 正丙醇 水体系等 2 汽相中各组分的蒸汽压较理想溶液小 为负偏差溶液 在t x y图中 特殊条件下出现最高恒沸物 例如 硝酸 水体系 氯仿 丙酮体系等 3 对于有恒沸点的体系 在恒沸点时 气相和液相有相同的组成 不能用一般蒸馏方法分离出纯组分 不在恒沸点时 用蒸馏方法只能分离出一种纯组分和恒沸液 第五章精馏 26 乙醇 水体系在常压下蒸馏时生成最低恒沸液 恒沸液中x 乙醇 0 894 w 乙醇 0 96 沸点78 15 因此用一般蒸馏方法只能得到恒沸组成为乙醇 水的混合液 而不可能得到无水乙醇 分离恒沸物需要应用特殊蒸馏方法 4 非理想溶液不一定有恒沸点 但有恒沸点的是明显偏差大的非理想溶液 具有恒沸点的溶液在总压改变时 其t x y图不仅上下移动 而且形状也可能变化 即恒沸组成可能变动 故理论上可用改变总压的方法来分离恒沸物 但是否经济合理 还需作权衡 第五章精馏 28 三 物料衡算 1 精馏原理与流程一次简单蒸馏及平衡蒸馏只能使液体混合物得到有限的的分离 远远不能满足工业的要求 进行多次部分汽化 部分冷凝可以实现高纯度的分离 采用多次简单蒸馏的方法操作复杂 不经济 精馏的依据 由相图分析可知 经过多次部分气化 部分冷凝可将混合物分离成纯的或近似纯的组分 除纯组分外 同成分的蒸气的露点比溶液的泡点高 混合时 温度趋于中间 有部分蒸气冷凝 部分溶液气化 使得气相中轻组分含量升高 液相中重组分含量升高 各组分的沸点相近 汽化热相近 1mol的重组分冷凝的同时有1mol轻组分气化 蒸气和溶液的量无明显变化 热量得到充分利用 第五章精馏 29 精馏是指利用多次部分气化和部分冷凝 将挥发性的混合液分离而得到纯的组分或切割成指定泡点范围的馏分的过程 精馏是耗能大的分离过程 过程中要求尽可能地节省能量 并采用紧凑有效的设备和简便易行的操作程序 在实际生产中 精馏是在精馏塔中进行的 精馏塔可以是填料塔或是板式塔 填料塔中物相的组成随塔高而连续均衡地变化 板式塔中 物相沿塔的各层塔板呈阶梯式的变化 生产中在选用塔设备时 塔径1m以上时常选用板式塔 第五章精馏 30 1 部分汽化和部分冷凝由A点的冷液体到B点的过热蒸气的加热过程 B点的过热蒸气到A点的冷液体的冷却过程可知 部分汽化或部分冷凝可以获得浓度有显著差异的汽液两相 将该汽液两相分开 便可使液体混合物得到初步分离 2 多次部分汽化和多次部分冷凝若将该气液两相分别多次部分汽化和多次部分冷凝 则可将液体混合物几乎完全分离 多次部分汽化 冷凝的流程示意图如下 该过程原理可在t x y图上看出 而且温度是塔底高 塔顶低 多次部分汽化 多次部分冷凝虽然能获得几乎纯净的两个组分 但由于每次汽化时就只有部分液体变成蒸气 每次冷凝时就只有部分蒸气变成液体 所以最后得到的几乎纯净的组分的量很少 另外 流程复杂 能耗高 因此 这种方法 流程 实际上是行不通的 第五章精馏 32 无回流多次简单蒸馏图 第五章精馏 33 有回流多次简单蒸馏图 第五章精馏 34 存在问题 原则上讲经过多次的简单蒸馏 可以得到一种纯度高的产品 但是 需要多个加热器和多个冷凝器 要消耗大量蒸气和冷却水 最终产品的产量小 操作是间歇的 设备多 能耗大 中间馏分多 且产品产率太低 修改以上流程 1 由部分冷凝放出热量用作部分汽化所需之热量 2 气 液量互补 3 用一个塔来替代全流程 第五章精馏 35 将上图中的一系列蒸馏釜叠加成一个整体 则成为蒸馏塔 每块塔板相当于一个釜 如图所示 没有提馏段 只有精馏段 的精馏塔此塔若为间歇加料 操作为非定态 但可以从塔顶和塔底得到两种纯组分 若为连续加料 操作是定态的 却只能从塔顶获得一种纯产品 把进料分割成纯的易挥发组分和粗的馏残液 称为没有提馏段的精馏塔 若在图中 改为塔顶加料 则称为提馏塔 把进料分割成粗的馏出液和纯的难挥发组分 完整的精馏塔必须具备精馏段和提馏段 第五章精馏 37 3 初始精馏操作流程如果将部分汽化 部分冷凝分别得到的液体L2 L3 Ln 气体V2 V3 Vm 分别送回到它们的前一分离器中 则任一分离器有来自下一级的蒸气和来自上一级的液体 汽液两相在该分离器接触 同时实现部分冷凝和部分汽化 并产生新的气液两相 这样除最上和最下一级外 中间各级的冷凝器和汽化器都可省去 若用塔板取代中间各级的分离器 就得到板式精馏塔 4 精馏操作条件板式精馏塔如下图所示 精馏塔除了塔板外 在塔顶还有冷凝器 在塔底还有再沸器 因为塔顶如果没有回流液体返回精馏塔 则塔顶最上一层塔板的传质就无法进行 同样塔底如果没有上升蒸气返回精馏塔 则塔底最下一层塔板的传质也无法进行 第五章精馏 39 料液 在适当的位置加入 塔顶冷凝器 取部分冷凝液从塔顶回流 其余为塔顶产品 塔底再沸器 将塔底液体部分汽化 产生蒸气回流到塔内 塔中气液在塔板上接触换热传质精馏段 加料板上方各板 提馏段 加料板下方各板 包括加料板 精馏 蒸馏的区别 有无回流 包括液相回流和气相回流 第五章精馏 40 5 塔板的作用塔板是开有许多小孔的圆板 在精馏塔内放有许多塔板 以第n层板 塔板数由上而下计算 为例来说明塔板的作用 其上为第n 1层板 其下为第n 1层板 来自n 1层板组成为xn 1的液体与来自n 1层板组成为yn 1的蒸气在第n层板上接触 由于xn 1与yn 1不平衡 而且蒸气的温度 tn 1 比液体的温度 tn 1 高 所以 组成为yn 1的蒸气在第n层板上部分冷凝 并使xn 1的液体部分汽化 假设蒸气和液体充分接触 并在离开第n层板时达到相平衡 则yn与xn平衡 且yn yn 1 xn xn 1 这说明塔板主要起到了换热传质的作用 使蒸气中易挥发组分的浓度增加 同时也使液体中易挥发组分的浓度减少 只要有够多的塔板数 可使混合物达到分离的要求 6 精馏操作流程示意图 第五章精馏 43 精馏操作流程 精馏塔 精馏段 提馏段 塔顶冷凝器 塔釜再沸器 塔顶冷凝液 馏出液 回流液 塔釜产品 釜液 进料液 原料液 进料板 精馏段 提馏段 第五章精馏 44 b xf 0 1 0 x y t x1 y1 x2 y2 精馏原理 多次部分汽化 多次部分冷凝 o1 o2 第五章精馏 45 塔板上的换热传质 n 1 n n 1 tn 1 tn tn 1 在第n板上相遇的气液两相 气相 yn 1 yn 1tn 1 xn 1 液相 xn 1tn 1 两相互不平衡 tn 1 tn 1 平衡 平衡 xn 1 xn 1 yn 1 yn 1 第五章精馏 46 发生 A 达两相平衡 两相温度均为tn 两相组成yn xn 平衡 理论板 气液接触 换热传质能达到平衡状态的塔板 即能达到理想的传质条件的塔板 B yn yn 1 xn xn 1 结果 C tn 1 tn tn 1 yn xn 气 重组分 液 轻组分 Q 放热 吸热 塔板的作用 提供气 液换热传质的场所 第五章精馏 47 全塔换热传质结果 H塔高 t 0 浓度分布 顶 底 轻 温度分布 顶 底 低高 塔内温度分布 灵敏板 重 第五章精馏 48 回流的作用 A 每一块板需要的液相 相邻的上一板 最上一板 塔顶 B 每一块板需要的气相 相邻的下一板 最下一板 塔釜 再沸器 回流液 冷凝器 提供不平衡的气液两相 气液两相传质的必要条件 构成 第五章精馏 49 塔顶液体回流 塔底上升蒸气流 是精馏过程连续进行的必要条件 即 是精馏与普通蒸馏的本质区别 7 回流比 塔顶生成的蒸气 qn V qn L qn D qn V R 1 qn D 塔顶生成的蒸气中 经冷凝后一部分作为回流流回精馏塔 一部分作为馏出液引出 此两部分数量之比 称为回流比R R qn L qn D n L n D 第五章精馏 50 8 精馏塔中物相组成变化 每层塔板相当于一次平衡蒸馏 越接近塔顶 蒸气中轻组分含量越高 越接近塔底 溶液中重组分含量越高 每层塔板上相接触的气 液流的组成接近 最上一层塔板的蒸气必须与外界提供的与馏出液组成相近的液体相接触 否则 塔内的部分气化和部分冷凝不再发生 此液体可由塔顶引出的蒸气冷凝后的部分冷凝液引回 称为回流 塔底应提供与塔底馏残液组成相近的蒸气 这由塔底加热器 再沸器 使馏残液部分气化来提供 进料的组成介于馏残液和馏出液之间 应在塔体中液体组成与进料组成接近的塔板上进料 这层塔板称为进料板或给料版 进料板以上塔段为精馏段 物系的易挥发组分的含量都比进料中的含量为高 进料板以下 包括进料板 塔段为提馏段 物系的难挥发组分的含量都比进料中的含量为高 第五章精馏 51 连续精馏间歇精馏1精馏塔 2再沸器 3冷凝器 4视镜 5贮槽 第五章精馏 52 结论 精馏 利用 组分挥发度差异 借助 回流技术 实现 混合液高纯度的多级分离操作 同时进行多次部分汽化和多次部分冷凝 主体设备 精馏塔 第五章精馏 53 思考 在精馏塔的塔板上气液两相接触时 若有n摩尔的蒸气冷凝 相应有n摩尔的液体汽化 精馏段各板上升蒸气量之间有什么关系 各板下降液相量之间有什么关系 第五章精馏 54 2 恒摩尔流假设 气相 精 提 液相 精 提 mol s 1 但 不一定 不一定 qn V 1 qn V 2 qn V 3 qn V q n V 1 q n V 2 q n V 3 q n V qn L 1 qn L 2 qn L 3 qn L q n L 1 q n L 2 q n L 3 q n L qn V q n V qn L q n L 恒摩尔气流 精馏段和提馏段内由每层塔板上升蒸气的摩尔流量分别相等 恒摩尔液流 精馏段和提馏段内由每层塔板下降液体的摩尔流量分别相等 第五章精馏 55 1 各组分的摩尔汽化潜热相等 2 气液接触时 因两相温度不同而交 3 塔设备保温良好 热损失可以忽略 满足恒摩尔流假设的条件 换的显热可以忽略 第五章精馏 56 3 物料衡算与操作线方程 1 全塔物料衡算 应用1 确定产量及组成之间的关系 总 轻 第五章精馏 57 应用2 确定馏出液采出率 确定qn D max或xd max 或 第五章精馏 58 应用2 确定易挥发组分的回收率 确定难挥发组分的回收率 第五章精馏 59 第五章精馏 60 某一连续操作的精馏塔 已知qn F 100kmol h 1 当xf 0 5 mol 下同 要求xd 0 9 xw 0 1 若塔顶馏出液为56kmol h 1 行吗 为什么 qn D max 思考 分析 56kmol h 1 第五章精馏 61 2 操作线方程 n 1 n yn 1 xn 1 精馏段 第五章精馏 62 回流比 精馏段操作线方程 令 显然 精馏段操作线为一直线 第五章精馏 63 第五章精馏 64 操作线方程的意义 精馏段内相邻两块塔板之间 图象 直线ac 操 气 液 斜率 截距 直线过点a xd xd c 0 xd R 1 yn 1 下 xn 上 之间的关系 操作 第五章精馏 65 操作线作法 xd a c M xn yn 1 xf q d xw b f 第五章精馏 66 2 提馏段 m m 1 xm ym 1 提馏段操作线方程 显然 提馏段操作线为一直线 第五章精馏 67 第五章精馏 68 方程的意义 提馏段内相邻两块塔板之间 气 液 操 图象 直线bd 斜率 直线过点b xw xw ym 1 下 xm 上 之间的关系 操作 同时与精馏段操作线ac相交于点d处 第五章精馏 69 例已知某一连续精馏塔 泡点进料 操作线方程为 精馏段 yn 1 0 8xn 0 172提馏段 ym 1 1 3xm 0 018求xd R xw 解 第五章精馏 70 4 进料热状况的影响 1 五种进料热状况 温度低于泡点的冷液体 温度等于泡点的饱和液体 温度介于泡点和露点之间的气液混合物 温度等于露点的饱和蒸气 温度高于露点的过热蒸气 2 q 线方程与进料热状况参数q线 进料线 为经过两操作线交点d的一直线 其斜率为q q 1 交对角线于f xf xf 点 3 进料热状况对q线的影响由 得冷液体饱和液体气液混合物饱和蒸气过热蒸气当时 第五章精馏 74 第五章精馏 75 设计型计算内容 根据分离要求 xd xw 确定 确定理论塔板数N及进料位置 确定塔径 塔高 双组分连续精馏塔的计算 qn D qn w 第五章精馏 76 理论塔板 theoreticalstage n 1 n n 1 xn 1 yn 1 xn yn 两相温度相同 ts xn 两相组成xn yn 平衡 xn yn ts x y t n 特点 板上两相互成平衡 第五章精馏 77 思考 某一连续操作的精馏塔分离苯和甲苯的混合液 已知精馏段操作线方程为yn 1 0 833xn 0 1633 AB 2 47 xf 0 25 mol 下同 x2 0 8994 试分析如何求y3和x3 第五章精馏 78 n 1 n n 1 xn 1 yn 1 xn yn 操 平 操 xn 1 平 交替使用相平衡方程与操作线方程 分析 相邻塔板汽液组成之间关系 同一塔板汽液组成之间关系 逐板计算方法 第五章精馏 79 四 理论塔板数的确定 逐板计算法 路易斯Lewis Matheson理论塔板求算法 x y相图图解求算法 麦克凯勃McCabe Thiele图解求算法 常用 计算依据 物系相平衡关系 操作线方程 第五章精馏 80 设 塔顶为全凝器 泡点回流 再沸器为饱和蒸气间接加热 yw xw 平衡 y1 xd 即 再沸器相当一块理论板 xd y1 xw yw 再沸器内进行的过程是部分汽化 即xw与yw达到平衡 故相当于一次平衡蒸馏或一层理论板 所以提馏段和全塔所需的理论板数应从得出的数目减1 第五章精馏 81 概念 1 理论塔板 气液接触 换热 传质能达到平衡状态的塔板 即能达到理想传质条件的塔板 2 分离过程 使上升蒸气变到与其在同一截面的回流液呈气液相平衡的过程 叫一个理论塔板的分离过程 同样 使回流液变到与其在同一截面的上升蒸气呈气液相平衡的过程 也是一个理论塔板的分离过程 3 理论塔板数 为达到分离要求须经过这种由不平衡到平衡的分离过程的次数 叫理论塔板数 4 理论塔板数求算的依据是精馏塔中的物料衡算即操作线方程和气液相平衡关系 第五章精馏 82 基本假设 1 进料中各组分的摩尔汽化潜热相等或相近 2 进料液预热到泡点 与进料板上的温度相近 3 回流由全凝器 若塔顶采用分凝器 则分凝器起部分冷凝的作用 它也相当于一层理论板 提供 回流液组成与产品相同 温度为泡点 蒸气由再沸器 它相当于一层理论板 提供 4 各塔板的上升蒸气量相等 泡点进料时 否则精馏段 提馏段分别相等 各塔板的回流液量相等 精馏段 提馏段分别相等 泡点进料时 提馏段回流液量等于精馏段回流液量与进料量之和 5 塔身绝热 无热损失 恒摩尔流的假定 第五章精馏 83 1 逐板计算法 由塔顶开始交替使用相平衡关系和操作关系进行逐板下行计算直至塔釜组成符合要求为止 计算过程每使用一次相平衡关系 就代表需要一层理论板 逐板计算步骤 塔顶为全凝器 y1 xd xd为已知值 平衡关系计算x1 精馏段操作线方程计算y2 平衡关系计算x2 精馏段操作线方程计算yn 平衡关系计算xn 当xn xf则用提馏段操作线方程计算yn 1 平衡关系计算xn 1直至xn m xw为止 计算过程总共用了n m次平衡关系 因而全塔所需的理论板数N n m块 包括再沸器在内 若塔釜采用再沸器间接加热 再沸器内进行的过程是部分汽化 离开再沸器的气液两相组成yw xw是呈平衡 对理想溶液即yw xw 1 1 xw 所以再沸器相当于一层理论板 应当扣去 故全塔所需的理论板数N n m 1块 不包括再沸器 精馏段所需理论板数N1 n 1块 第n块是加料板 提馏段所需的理论板数N2 m块 不含再沸器 包括加料板 第五章精馏 84 逐板计算法 顶 底 1 2 4 5 6 y1 x1 y2 3 x4 y5 平 第一板 求 第二板 操 精 平 至 x3 y4 y1 xd y1 x1 x1 x2 第五章精馏 85 改用提馏段操作线方程 操 提 平 操提 平 至 x4 y5 y5 x5 y6 x6 ym xm xm xW y5 yw xw x6 x5 y6 则第n层板已是加料板 由于再沸器中的气液两相达到平衡 所以再沸器相当于一块理论板 因此总的理论板数就等于使用相平衡方程的次数减1 第五章精馏 86 2 图解法 0 1 1 xd a xf f c q xw 1 2 3 4 5 6 N 6 含塔釜 进料板 第三块 N精 2 N提 4 含塔釜 d b 第五章精馏 87 图解法求理论板数的步骤 1 建立平面直角坐标系xOy 2 在xOy中画出气液相平衡曲线 并作对角线 3 在xOy中画出精馏段操作线ac q线和提馏段操作线bd 4 从a点开始 在精馏段操作线ac与相平衡曲线之间作直角梯级 当梯级跨过d点时 则改在提馏段操作线bd与平衡线之间作直角梯级 直至梯级的水平线达到或超过b点 5 每个梯级在平衡线上的顶点代表一层理论板 跨过d点的顶点代表加料板 加料板顶点以上的顶点数即为精馏段的理论板数 加料板顶点及其以下顶点数减一 即为提馏段的理论板数 不含再沸器 最后一个梯级为再沸器 精馏段理论板数与提馏段理论板数之和为总理论板数 水平线a1表示液体经第一层板后组成自xd减小到x1 垂直线11 表示蒸汽经第一层板后组成自y2增大到y1 所以点1或梯级a11 代表一层理论板 第五章精馏 88 4 3 5 y5 y5 y4 y4 阶梯意义 x3 x3 x4 x4 y4 x4 e g 第五章精馏 89 阶梯意义 线 气相提浓度 水平线 液相提浓度 所需理论塔板数 达规定分离要求 yn yn yn 1 xn xn 1 xn xn yn 第五章精馏 90 第五章精馏 91 例某一连续操作的精馏塔分离苯和甲苯的混合液 已知xf 0 25 mol 下同 xd 0 98 xw 0 085 2 47 q 1 泡点进料 R 5 塔顶为全凝器 求所需理论塔板数 逐板计算法 第五章精馏 92 解 精 第五章精馏 93 提 第五章精馏 94 第五章精馏 95 第一板 第二板 第五章精馏 96 8 7 9 qn Fxf x8 y8 x7 y9 第五章精馏 97 第九板 第8块为进料板 N 10 含塔釜 N 9 不含塔釜 N 精 7 N 提 3 含塔釜 y10 0 1842 x10 0 08376 xw 0 085 第五章精馏 98 比较 逐板计算法虽然可行 但手工计算繁琐 需用计算机计算 利用图解法简便 但当所需的理论板数相当多 则不宜准确 这时宜采用适当的数字计算法 上述解法中应用了恒摩尔流的简化假定 与之偏差较大的物系 如水 醋酸 醋酸的摩尔汽化潜热约只有水的60 物系 误差较大 需用其它方法 这里不再详细讨论 第五章精馏 99 3 回流比的影响及其选择 在塔中蒸气量一定的条件下 回流比越大 回流量相应地越多 但相应得到馏出液的量越少 汽化生成的蒸气含易挥发组分也较多 相应地可以用较少的塔板数达到要求的分离纯度 但精馏是消耗能量很大的操作 通过对操作费用和基建投资的测算 通常设计精馏塔时都宁可用略多的塔板而采用较小的回流比 因采用较小回流比时塔的生产能力和热量利用率多有提高 即回流比越大 冷凝器 再沸器等的负荷都加大 第五章精馏 100 1 全回流与最少理论板数 全回流时精馏塔不加料qn F 0 也不出料qn D 0 qn W 0 回流比增大的极限是塔顶冷凝液全部作为回流 此时R qn L qn D R R 1 1 yn 1 xn 两操作线与对角线重合 这是全回流的一个重要特点 即两板之间任一截面上 上升蒸汽组成yn 1与下降液体组成xn相等 显然 全回流时操作线和平衡线的距离最远 因此达到指定分离程度所需的理论板数最少 以Nmin表示 要实现全回流 精馏塔就不能出产品 同时也不需要进料 可见它不能作为生产中的正常操作 只是在某些特定的条件下才用它 如精馏塔的启动阶段 或操作中因意外而产品纯度低于要求时 进行一定时间的全回流 使它能较快地达到正常操作 以及在实验中测定塔的分离效能 塔板效率 等 全回流时理论板数可用前述的逐板计算法或图解法确定 也可用下述的芬斯克 Fenske 方程计算而得 图解法 在x y图上的平衡线和对角线之间画梯级求得 该法繁琐 但对理想溶液和非理想溶液均适用 用芬斯克 Fenske 方程计算 该法简便但仅适用于理想溶液 由相对挥发度定义得又由操作线方程得 对任一组分操作线方程都成立 所以所以 而所以类推又由全凝器 得令 几何平均相对挥发度则取自然对数 所以 对双组分溶液 略去下标 得 全回流时最小理论塔板数NM 芬斯克方程也可以确定进料板的位置 精馏段的最小理论塔板数为 N1 N N M NM 即进料板的位置为N1 1块板 2 最小回流比 图解法泡点进料 设两操作线 与平衡线 交点d的坐标为 xf yf 这时精馏分离需要无穷多的塔板 此时的回流比称为最小回流比RM 则精馏段操作线斜率为而所以所以所以 解析法泡点进料 设两操作线与平衡线交点d的坐标为 xf yf 则由相平衡方程得代入得整理 第五章精馏 106 3 适宜回流比的选择适宜的回流比应通过经济衡算决定 即操作费用和设备折旧费用之和为最低时的回流比 是适宜的回流比 由知 当F q D一定时 在精馏设计中 一般并不进行详细的经济核算 而是根据经验选取操作回流比 第五章精馏 108 4 捷算法 芬斯克 吉利兰特估算法 求理论塔板数 适用于在泡点进料时对理想体系估算精馏所需的理论塔板数 1 吉利兰特图2 捷算法步骤 第五章精馏 110 五 塔板效率 1 单板效率Em 默弗里Murphree效率 气相单板效率 液相单板效率2 总塔效率E 全塔效率 3 等板高度和填料层高度等板高度 HETP 与一层理论板的传质作用相当的填料层高度 填料层高度 理论板数 等板高度 第五章精馏 112 理论塔板是假设塔板上气相浓度和液相浓度都是均匀的 气液接触传质达到平衡 以理论塔板效率为100 实际塔板效率总低于此值 造成实际塔板的塔板效率降低的主要原因是 塔板上浓度不匀 气液接触面积和接触时间不足而使传质没有达到平衡 以及液 雾 沫夹带 指塔板上的液体以雾滴状态被气流带到上一层塔板 塔板的漏液及物流的返混等原因 在气液接触传质后离去时 不能达到平衡状态 通常用塔板效率来表示塔板上传质的完善程度 以便根据理论板数得出实际板数 注意 单板效率与全塔效率来源于不同的概念 即使各层塔板的单板效率都相等 如在低浓气体的吸收中 一般也并不等于全塔效率 在精馏中 各层塔板的单板效率通常不相等 第五章精馏 113 单板效率直接反映单独一层塔板上传质的优劣 常用于塔板研究中 而全塔效率是反映整座塔的平均传质效果 便于从理论板数得到实际板数 常用于板式塔设计中 塔板效率的影响因素 气液两相的物理性质 主要有粘度 密度 表面张力 扩散系数 相对挥发度等 内因 操作参数 主要有气液的流速 回流比和温度及压力等 塔的结构 概括地说 希望提供良好的两相接触 如大的相界面 激烈的湍动 又在两相的流动方向和状况上 希望使平均传质推动力较大 塔板效率也与所处理的传质过程有关 精馏的塔板效率比吸收的塔板效率高 液膜控制的塔板效率一般比气膜控制的较低 物系性质对精馏的塔板效率的大致影响为 相对挥发度和粘度越大 塔板效率越低 对醇类的效率比对烃类低得多 第五章精馏 114 粘度密度物系性质表面张力扩散系数相对挥发度塔径板间距影响塔板效率的因素塔板结构堰高开孔率温度压力操作条件气液流量回流比 第五章精馏 115 影响塔板效率的结构参数很多 塔径 板间距 堰高 堰长以及降液管尺寸等对板效率皆有影响 必须按某些经验规则恰当地选择 此外 有以下两点得特别指出 1 合理选择塔板的开孔率和孔径造成适应于物系性质的气液接触状态塔板上存在着两种气液接触状态 泡沫状态和喷射状态 不同的孔速下将出现不同的气液接触状态 不同的物系适宜于不同的接触状态 第五章精馏 116 总之 轻组分表面张力小于重组分的物系 正系统 的液滴或液膜的稳定性皆好 宜采用泡沫接触状态而不宜采用喷射接触状态 轻组分表面张力大于重组分的物系 负系统 的液滴或液膜稳定性差 宜采用喷射接触状态而不宜采用泡沫接触状态 第五章精馏 117 2 设置倾斜的进气装置 使全部或部分气流斜向流入液层在塔板上适当地设置倾斜进气装置 使全部或部分气体沿倾斜于液体流动的方向进入液层 具有以下优点 斜向进气时 气体将给液体以部分动量 这样 液体将在该部分动量推动下沿塔板流动 而不必依靠液面落差 适当地分配斜向进入的气量 即可维持一定的液层厚度 还可以消除液面落差 促使气流的均布 第五章精馏 118 适当地安排斜向进气装置 即在塔板边缘处适当增加斜向进气装置的数量 可使液体沿圆形塔板表面流动均匀 斜向进气时造成的液滴具有倾斜的初速度 其垂直分量较小 因而液膜夹带量有所下降 总之 适量采用斜向进气装置 可减少气液两相在塔板上的非理想流动 提高塔板效率 实现斜向进气的塔结构有多种形式 例如 舌形塔板 斜孔塔板 网孔塔板等使全部气体倾向进入液层 而林德筛板则使部分气体斜向进入液层 第五章精馏 119 理论法 A I Ch E法 以点效率为基础 估算方法经验法 以实验数据和工业数据为基础 另一类是简化的经验计算法 可采用奥康奈尔关联图或关联式 塔板效率 4 塔径的计算 由得式中D 塔径 m qV 上升气流的体积流量 m3 s u 气速 m s 算出的D应按压力容器公称直径标准进行圆整 塔径在1m以下时圆整的直径间隔为100mm 塔径在1m以上时直径间隔常取200mm 第五章精馏 121 精馏塔的操作和调节 一 影响精馏操作的主要因素简析 物料平衡的影响和制约由 知当qn F xf xd xw一定时 qn D qn W被确定 而xd xw由理论板数N确定 N又由xf 气液平衡方程 R q确定 所以qn D qn W不能任意增减 回流比的影响 进料组成和进料热状况的影响 二 精馏塔的产品质量控制和调节生产上常用测量和控制灵敏板的温度来保证产品的质量 第五章精馏 122 六 精馏设备 板式塔 蒸馏操作和吸收操作从气液传质的角度有着共同的特点 可在同样的塔设备中进行 按其结构形式有 板式塔 一般处理量大传质设备填料塔 一般处理量小板式塔为逐板接触式的气液传质设备 塔板类型按气液流动的方式 可将塔板分为错流塔板和逆流塔板 第五章精馏 123 板式塔的设计意图板式塔是一种应用极为广泛的气液传质设备 它由一个通常呈圆柱形的壳体及其中按一定间距水平设置的若干塔板所组成 如图所示 板式塔正常工作时 液体在重力作用下自上而下通过各层塔板后由塔底排出 气体在压差推动下 经均布在塔板上的开孔由下而上穿过各层塔板后由塔顶排出 在每块塔板上皆贮有一定的液体 气体穿过板上液层时 两相接触进行传质 第五章精馏 124 为有效地实现气液两相之间的传质 板式塔应具有以下两方面的功能 在每块塔板上气液两相必须保持密切而充分的接触 为传质过程提供足够大而且不断更新的相际接触表面 减小传质阻力 在塔内应尽量使气液两相呈逆流流动 以提供最大的传质推动力 由吸收章可知 当气液两相进 出塔设备的浓度一定时 两相逆流接触时的平均传质推动力最大 在板式塔内 各块塔板正是按两相逆流的原则组合起来的 第五章精馏 125 但是 在每块塔板上 由于气液两相的剧烈搅动 是不可能达到充分的逆流流动的 为获得尽可能大的传质推动力 目前在塔板设计中只能采用错流流动的方式 即液体横向流过塔板 而气体垂直穿过液层 由此可见 除保证气液两相在塔板上有充分的接触之外 板式塔的设计意图是 在塔内造成一个对传质过程最有利的理想流动条件 即在总体上使两相呈逆流流动 而在每一块塔板上两相呈均匀的错流接触 第五章精馏 126 塔板型式 塔板可分为有降液管式塔板 也称溢流式塔板或错流式塔板 及无降液管式塔板 也称穿流式塔板或逆流式塔板 两类 在工业生产中 以有降液管式塔板应用最为广泛 在此只讨论有降液管式塔板 1 泡罩塔板泡罩塔板是工业上应用最早的塔板 其结构如图所示 它主要由升气管及泡罩构成 泡罩安装在升气管的顶部 分圆形和条形两种 以前者使用较广 泡罩有f80 f100 f150mm三种尺寸 可根据塔径的大小选择 泡罩的下部周边开有很多齿缝 齿缝一般为三角形 矩形或梯形 泡罩在塔板上为正三角形排列 第五章精馏 127 第五章精馏 128 操作时 液体横向流过塔板 靠溢流堰保持板上有一定厚度的液层 齿缝浸没于液层之中而形成液封 升气管的顶部应高于泡罩齿缝的上沿 以防止液体从中漏下 上升气体通过齿缝进入液层时 被分散成许多细小的气泡或流股 在板上形成鼓泡层 为气液两相的传热和传质提供大量的界面 泡罩塔板的优点是操作弹性较大 塔板不易堵塞 缺点是结构复杂 造价高 板上液层厚 塔板压降大 生产能力及板效率较低 泡罩塔板已逐渐被筛板 浮阀塔板所取代 在新建塔设备中已很少采用 第五章精馏 129 逆流塔板 少用错流塔板 常用错流塔板主要形式有 生产能力小气流阻力大1 泡罩塔板操作弹性大结构复杂生产能力大气流阻力小2 筛板操作弹性小结构简单 第五章精馏 130 2 筛孔塔板筛孔塔板简称筛板 其结构如图所示 塔板上开有许多均匀的小孔 孔径一般为3 8mm 筛孔在塔板上为正三角形排列 塔板上设置溢流堰 使板上能保持一定厚度的液层 操作时 气体经筛孔分散成小股气流 鼓泡通过液层 气液间密切接触而进行传热和传质 在正常的操作条件下 通过筛孔上升的气流 应能阻止液体经筛孔向下泄漏 第五章精馏 131 第五章精馏 132 筛板的优点是结构简单 造价低 板上液面落差小 气体压降低 生产能力大 传质效率高 其缺点是筛孔易堵塞 不宜处理易结焦 粘度大的物料 应予指出 筛板塔的设计和操作精度要求较高 过去工业上应用较为谨慎 近年来 由于设计和控制水平的不断提高 可使筛板塔的操作非常精确 故应用日趋广泛 第五章精馏 133 筛板上的气液接触状态 塔板上气液两相的接触状态是决定板上两相流流体力学及传质和传热规律的重要因素 如图所示 当液体流量一定时 随着气速的增加 可以出现四种不同的接触状态 1 鼓泡接触状态当气速较低时 气体以鼓泡形式通过液层 由于气泡的数量不多 形成的气液混合物基本上以液体为主 气液两相接触的表面积不大 传质效率很低 第五章精馏 134 筛板上的气液接触状态 第五章精馏 135 筛板上的气液接触状态 2 蜂窝状接触状态随着气速的增加 气泡的数量不断增加 当气泡的形成速度大于气泡的浮升速度时 气泡在液层中累积 气泡之间相互碰撞 形成各种多面体的大气泡 板上为以气体为主的气液混合物 由于气泡不易破裂 表面得不到更新 所以此种状态不利于传热和传质 第五章精馏 136 筛板上的气液接触状态 3 泡沫接触状态当气速继续增加 气泡数量急剧增加 气泡不断发生碰撞和破裂 此时板上液体大部分以液膜的形式存在于气泡之间 形成一些直径较小 扰动十分剧烈的动态泡沫 在板上只能看到较薄的一层液体 由于泡沫接触状态的表面积大 并不断更新 为两相传热与传质提供了良好的条件 是一种较好的接触状态 第五章精馏 137 筛板上的气液接触状态 4 喷射接触状态当气速继续增加 由于气体动能很大 把板上的液体向上喷成大小不等的液滴 直径较大的液滴受重力作用又落回到板上 直径较小的液滴被气体带走 形成液沫夹带 此时塔板上的气体为连续相 液体为分散相 两相传质的面积是液滴的外表面 由于液滴回到塔板上又被分散 这种液滴的反复形成和聚集 使传质面积大大增加 而且表面不断更新 有利于传质与传热进行 也是一种较好的接触状态 如上所述 泡沫接触状态和喷射状态均是优良的塔板接触状态 因喷射接触状态的气速高于泡沫接触状态 故喷射接触状态有较大的生产能力 但喷射状态液沫夹带较多 若控制不好 会破坏传质过程 所以多数塔均控制在泡沫接触状态下工作 第五章精馏 138 气体通过筛板的阻力损失 气体通过塔板的压降 塔板的总压降 包括 塔板的干板阻力 即板上各部件所造成的局部阻力 板上充气液层的静压力及液体的表面张力 塔板压降是影响板式塔操作特性的重要因素 塔板压降增大 一方面塔板上气液两相的接触时间随之延长 板效率升高 完成同样的分离任务所需实际塔板数减少 设备费降低 另一方面 塔釜温度随之升高 能耗增加 操作费增大 若分离热敏性物系时易造成物料的分解或结焦 因此 进行塔板设计时 应综合考虑 在保证较高效率的前提下 力求减小塔板压降 以降低能耗和改善塔的操作 第五章精馏 139 浮阀塔板具有泡罩塔板和筛孔塔板的优点 应用广泛 浮阀的类型很多 国内常用的有如图所示的F1型 V 4型及T型等 浮阀塔板的结构特点是在塔板上开有若干个阀孔 每个阀孔装有一个可上下浮动的阀片 阀片本身连有几个阀腿 插入阀孔后将阀腿底脚拨转90 以限制阀片升起的最大高度 并防止阀片被气体吹走 阀片周边冲出几个略向下弯的定距片 当气速很低时 由于定距片的作用 阀片与塔板呈点接触而坐落在阀孔上 在一定程度上可防止阀片与板面的粘结 3 浮阀塔板 第五章精馏 140 第五章精馏 141 操作时 由阀孔上升的气流经阀片与塔板间隙沿水平方向进入液层 增加了气液接触时间 浮阀开度随气体负荷而变 在低气量时 开度较小 气体仍能以足够的气速通过缝隙 避免过多的漏液 在高气量时 阀片自动浮起 开度增大 使气速不致过大 浮阀塔板的优点是结构简单 造价低 生产能力大 操作弹性大 塔板效率较高 其缺点是处理易结焦 高粘度的物料时 阀片易与塔板粘结 在操作过程中有时会发生阀片脱落或卡死等现象 使塔板效率和操作弹性下降 第五章精馏 142 3 浮阀塔板F1型 适用普通系统1 类型V 4型 适用减压系统T型 适用含颗粒或易聚合的物料2 优点 生产能力大 开孔率大 泡罩20 40 筛板塔 操作弹性大 阀片可以自由升降以适应气量的变化 塔板效率高 平吹 接触时间长 雾沫夹带少 气流阻力小 开孔大 液面落差小 液流阻力小 造价适中 约等于60 80 泡罩 120 130 筛板 第五章精馏 143 上述几种塔板 气体是以鼓泡或泡沫状态和液体接触 当气体垂直向上穿过液层时 使分散形成的液滴或泡沫具有一定向上的初速度 若气速过高 会造成较为严重的液沫夹带 使塔板效率下降 因而生产能力受到一定的限制 为克服这一缺点 近年来开发出喷射型塔板 大致