化工原理 ---精馏.ppt

吸收 1 6 精馏 本章重点及难点内容掌握双组分理想溶液气液相平衡的各种表达形式 掌握进料的不同热状况及其对精馏操作的影响 掌握两组分连续精馏塔理论塔板数的的图解法 掌握回流比对精馏过程的影响 了解简捷法求理论板层数的方法 了解各种类型的塔板的特点及性能 掌握筛板塔的流体力学性能 吸收 2 蒸馏 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 又称为重组分蒸馏的分类按操作方式分 简单蒸馏 平衡蒸馏 精馏 特殊精馏按组分数目分 双组分蒸馏及多组分蒸馏按操作压力分 常压蒸馏 加压蒸馏 减压 真空 蒸馏按操作流程分 连续蒸馏和间歇蒸馏 6 概述 吸收 3 6 1理想溶液的气液相平衡 精馏与吸收的对比操作过程中相态的变化 精馏时两相同时产生 而吸收是操作前已经是两相 操作结果的不同 精馏能得到较为纯净的分离产物 而吸收则必须通过后续的进一步处理才能得到较纯净的物质 传质的方向不同 精馏过程中既有气相传质 也有液相传质 而吸收一般只有气相中溶质分子进入吸收剂中 属于单向传质 吸收 4 6 1理想溶液的气液相平衡 蒸馏是气液两相间的传热和传质过程气液相平衡关系是指溶液与其上方蒸汽达到相平衡时 汽液相间组成 温度和压强的关系 气液相平衡关系是分析蒸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气液相平衡关系可用p 分压 x或t x 或y 或x y的函数关系或相图来表示 吸收 5 6 1理想溶液的气液相平衡 6 1 1相平衡 拉乌尔定律 双组分理想溶液的气液相平衡关系式 条件 双组分理想溶液 吸收 6 6 1理想溶液的气液相平衡 6 1 2相平衡 相图t x 或y 图 温度 组成图 露点线 气相区 过热蒸汽 泡点线 气液共存区 液相区 冷液 x1 y1 t4t3t2t1 B H J A 吸收 7 6 1理想溶液的气液相平衡 y x图 气液组成关系图 大多数溶液 平衡线位于对角线上方 且偏离对角线愈远 此溶液愈易分离 传质推动力越大 总压变化不大时外压影响可忽略 但温度的变化对y x平衡线的影响较大 吸收 8 6 1理想溶液的气液相平衡 6 1 2相平衡 相平衡方程纯液体的挥发度 该液体在一定温度下的饱和蒸气压 溶液中各组分的挥发度 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 相对挥发度 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 道尔顿分压定律 吸收 9 6 1理想溶液的气液相平衡 相平衡方程 相对挥发度表示的相平衡方程 吸收 10 6 2精馏原理 6 2 1精馏工艺精馏流程 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 吸收 11 6 2 2精馏原理一次部分气化和部分冷凝y1 xF x1y1 加热原料液时产生的第一个气泡的组成 x1 经过一次气化后原料剩下的液体的组成 6 2精馏原理 吸收 12 多次的部分气化和部分冷凝 6 2精馏原理 液体混合物经过多次部分气化和多次部分冷凝后从气相得到较纯的易挥发组分 而从液相中则得到较纯的难挥发组分 吸收 13 有回流的多次部分汽化 冷凝 6 2精馏原理 具有不同挥发度的组分所组成的混合液 经多次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 实现的条件 回流 塔釜产生的蒸汽 吸收 14 涉及的主要问题 全塔物料衡算 恒摩尔流假设 操作线方程 q线方程 最小 回流比 适宜回流比 最少 理论塔板数 全塔效率 实际塔板数 6 3双组分连续精馏塔的计算 吸收 15 6 3 1全塔物料衡算总物料 F D W易挥发组分 FxF DxD Wxw应用见P263例7 1 6 3双组分连续精馏塔的计算 吸收 16 6 3双组分连续精馏塔的计算 6 3 2恒摩尔流的假设塔顶采用全凝器 塔釜间接加热离开每块塔板的气液相达到平衡每段各板上的气液摩尔流量各自恒定 不一定相等 满足恒摩尔流的条件各组分的摩尔汽化潜热相等 气液接触时因温度不同而交换的显热可以忽略 塔设备保温好 无热损失 吸收 17 6 6 3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 操作方程对精馏段作物料衡算V L DVyn 1 Lxn DxD 6 3双组分连续精馏塔的计算 馏出液 D xD ID L Vy1 Lx1 Vy2 Lx2 Lxn Vyn 1 1 2 n 吸收 18 6 3双组分连续精馏塔的计算 精馏段操作线方程 表示xn与yn 1之间的关系是直线关系 斜率为R R 1 截距为xD R 1 xD a b 吸收 19 提馏段操作线方程对提馏段物料衡算L V WL xn V ym 1 Wxw 6 3双组分连续精馏塔的计算 吸收 20 由于提馏段下降液体量L 不易确定 所以提馏段操作线的实际应用价值不大 但提馏段操作线一定通过C点 xW xW 间接蒸汽加热方式 操作线的应用举例详见教材P265例7 2 例7 3 6 3双组分连续精馏塔的计算 吸收 21 6 3 4进料热状况 q线方程提馏段操作线不易确定 但可以通过两条操作线的交点 轨迹 来确定 两点一线 精馏段操作线 Vyn 1 Lxn DxD A提馏段操作线 L xn V ym 1 Wxw B则交点轨迹 V V y L L x DxD WxW C由全塔物料衡算 FxF DxD Wxw C 式为 6 3双组分连续精馏塔的计算 吸收 22 对加料板作物料衡算V V L L F令则有 q线方程 精馏段操作线和提馏段操作线的交点 但经过点 6 3双组分连续精馏塔的计算 xF xF 吸收 23 对加料板作热量衡算FIF V IV LIL VIV L IL IV IV IL IL 条件 恒摩尔流 加料板上 V V IV L L IL FIF即 6 3双组分连续精馏塔的计算 吸收 24 q值重要的物理意义1 以1kmol h进料为基准时 提馏段中的液体流量较精馏段中液体流量增大的kmol h数 2 对于饱和液体 气液混合物及饱和蒸气三种进料 q值与进料中的液相分率相等 6 3双组分连续精馏塔的计算 吸收 25 q值对进料的影响 6 3双组分连续精馏塔的计算 冷液进料 饱和液体进料 气液混合物进料 饱和蒸气进料 过热蒸气进料 吸收 26 不同q值对应的q线方程 6 3双组分连续精馏塔的计算 q 1 q 1 0 q 1 q 0 q 0 e xF f 吸收 27 不同q值对操作线的影响 q 1 q 1 0 q 1 q 0 q 0 e xF f xW xD q值不同改变的是提馏段的操作线方程 当进料组成 回流比及分离要求一定时 q值的减少使提馏段操作线越来越靠近平衡线 6 3双组分连续精馏塔的计算 吸收 28 6 3 5NT及加料板位置的确定NT 理论塔板数 即在一定的操作条件下 为实现分离工艺的要求 所需的气液平衡级数 每经过一次气液相平衡 气相浓度增加 理论加料板位置 当进料组成与塔内某处的气液组成相同 且在该处气液两相恰好处于平衡状态时 该处既对应着一块理论塔板 同时也是加料的恰当位置 实际上这样的位置尽管存在 但却很难确定 一般只能选择在相邻的两块塔板之间 6 3双组分连续精馏塔的计算 吸收 29 NT计算的方法 逐板计算法 图解法和捷算法重点掌握逐板计算法和图解法 二者实质是一样的 6 3双组分连续精馏塔的计算 第1块 x1 y1 第2块 x2 y2 精馏段 逐板法 吸收 30 6 3双组分连续精馏塔的计算 第n块 xn yn 第1块 x1 y1 当xn xF时 下降液体流到了加料板上 此时该板属于提馏段 由精馏段操作线与q线方程求交点 xq yq 由 xq yq与 xW yW 两点确定提馏段操作线方程 提馏段 第m块 xm ym 当xm xW时 逐板计算完毕 吸收 31 6 3双组分连续精馏塔的计算 图解法 xW xF 1 2 3 4 5 xD 逐板法原理 吸收 32 6 3双组分连续精馏塔的计算 图解法 续 xW xF 1 2 3 4 5 xD 实际图解过程 吸收 33 说明 1 NT是指精馏塔所需的理论塔板数 其数值必须指明是否包括塔釜在内 塔釜也相当于一块理论塔板 2 由教材P270例7 7可知 进料热状况不同 所需NT及进料板位置均不同 3 随着进料的q值逐渐减小 精馏塔所需的NT是逐渐增加的 4 直接蒸气加热与间接蒸气加热的区别主要体现在提馏段操作线上 它们分别经过 xW 0 和 xW yW 点 具体详见教材P271例7 8 6 3双组分连续精馏塔的计算 吸收 34 6 3 6Rmin和NT min的确定Rmin要求 从图解法掌握求取Rmin的方法 6 3双组分连续精馏塔的计算 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 吸收 35 6 3双组分连续精馏塔的计算 xD xq xF e d xW yq a e d a f c yq 非理想溶液 理想溶液 xD xq xF xW c 吸收 36 NT min当操作线远离平衡线NT减少 与对角线重合时达到NT min 一般由图解法求取 若体系为双组分理想溶液 则可通过解析法计算 Fenske方程 6 3双组分连续精馏塔的计算 NT min为所需的最少理论塔板数 不包括再沸器 为全塔平均相对挥发度 吸收 37 NT min的意义 1 全回流 R L D 2 F 0 D 0 W 0 无精馏段和提馏段之分 3 只有在特定条件下才用它 如精馏塔的启动阶段 或操因意外而产品纯度低于要求时 进行一定时间的全回流 使精馏塔能较快地达到正常操作 6 3双组分连续精馏塔的计算 吸收 38 6 3 7q值和R值对精馏操作的影响和选择q值的影响对全塔热量衡算 QF QB QD QW QC1 当R D xD W xW 一定时 q值减小 QF 增加 则QB必减少 V 将减小 使提馏段操作线斜率加大 所需NT增加 6 3双组分连续精馏塔的计算 吸收 39 2 当QB一定时 q值减小 QF 增加 则QC将增大 L增加使R增大 精馏段操作线斜率加大 所需NT减少 3 热量尽量从塔釜提供 产生更多的气相回流 产品浓度较高 冷 却 量应从塔顶输入 保证塔内正常的回流液量 4 工业上有时采用热态甚至汽态进料是为了减少塔釜的加热量以避免釜温过高时物料产生聚合或结焦 6 3双组分连续精馏塔的计算 吸收 40 R的影响R的改变 如增大 对设备费用 NT增加 和操作费用 D减少 实际R介于Rmin和 全回流 之间 一般需进行经济核算 经验值推荐为R 1 1 2 Rmin 6 3双组分连续精馏塔的计算 吸收 41 6 3 8精馏塔的E和NpE 板效率实际精馏操作时 某块实际精馏板上升蒸气与下降液体并不是互成平衡状态 与理想状态有差距 存在一定的操作效率 分为单板效率和全塔效率以汽相表示的单板效率以液相表示的单板效率 6 3双组分连续精馏塔的计算 吸收 42 6 3双组分连续精馏塔的计算 yn yn 1 xn xn 1 气相 液相 yne xne 吸收 43 全塔效率定义Np为精馏操作所需的实际塔板数 则 6 3双组分连续精馏塔的计算 E的作用 1 设计精馏塔时可依据E和NT计算Np 2 对精馏段而言 若已知精馏段的塔效率 则可计算进料板的实际位置 吸收 44 6 3 9精馏塔高和塔径的计算塔高Z 塔的有效高度Z NpHT或Z NT HETP 塔径DT 6 3双组分连续精馏塔的计算 空塔气速对精馏塔的设计和运行有重要的影响 具体作用结合板式塔的负荷性能综合考虑 吸收 45 6 3 10精馏塔内冷却剂和加热蒸汽消耗量的计算加热蒸汽消耗量的计算 6 3双组分连续精馏塔的计算 对再沸器热量衡算 QB V IVW WILW L ILm QL 对进料板热量衡算 V IVW L ILm VIVD FIF LILD R 1 DIVD FIF RDILD QB R 1 DIVD FIF RDILD WILW QL 吸收 46 冷却剂消耗量的计算 6 3双组分连续精馏塔的计算 对全凝器热量衡算 并忽略热损失 则QC VIVD LILD DILD R 1 D IVD ILD 应用举例详见教材P282例7 11 吸收 47 特殊精馏是在普通精馏不适宜的情况下采取的 其主要对象是挥发度相差不大 但又可通过精馏操作加以分离的液态均相物系 如恒沸液 6 4特殊精馏 吸收 48 特殊精馏操作的特点是 在混合液中加入第三种组分的精馏 根据加入第三种组分的作用可分为恒沸精馏和萃取精馏 恒沸精馏 加入 挟带剂 与原液中一个或两个组分形成新的恒沸物 其沸点与原液中某组分的沸点相差越大越利于分离 如乙醇 水中加苯 适宜对象 恒沸物 组分挥发度相近的物系夹带剂的要求 1 新恒沸物的沸点比纯组分的低 一般相差不小于10 2 新恒沸物用量少且最好为非均相 便于分层 3 无毒 无腐蚀 热稳定 且来源容易 价格低廉 6 4特殊精馏 吸收 49 萃取精馏 加入 萃取剂 与原液不形成恒沸物 由于萃取剂具有高沸点 能与原液中某组分形成一沸点较高的溶液 因而加大被分离组分间的相对挥发度 适宜对象 各组分挥发度差别很小的混合液萃取剂的要求 1 萃取剂应使原组分建相对挥发度发生显著变化 2 萃取剂的挥发性要低 但沸点比纯组分的高 且不形成新的恒沸物 3 无毒 无腐蚀 热稳定 且来源容易 价格低廉 6 4特殊精馏 吸收 50 恒沸精馏和萃取精馏的特点比较1 萃取剂比夹带剂易于选择 2 萃取精馏时萃取剂在精馏过程中基本不汽化 其好能比恒沸精馏低 3 萃取精馏中萃取剂的加入量可调范围大 比恒沸精馏易于控制 操作灵活 4 萃取精馏不宜间歇操作 恒沸精馏则可间歇进行 5 恒沸精馏操作温度比萃取精馏低 更适宜分离热敏性溶液 6 4特殊精馏 吸收 51 6 5 1塔板结构板式塔结构如图所示 塔体为一圆式筒体 塔体内装有多层塔板 塔板设有气 液相通道 如筛孔及降液管 溢流堰等 6 5 2塔板型式按照气相通过塔盘传质元件的不同型式 可分为不同型式的塔板 现就常用板式塔介绍如下 6 5板式塔 吸收 52 1 筛板塔板特点 结构简单 造价低廉 塔板阻力小 但操作弹性较小 目前已发展为广泛应用的一种塔型 2 泡罩塔特点 塔板操作弹性 塔效率也比较高 运用较为广泛 最大的缺点是结构复杂 塔压降低 生产强度低 造价高 6 5板式塔 吸收 53 3 浮阀塔板特点 浮阀可随气速的变化上 下自由浮动 提高了塔板的操作弹性 降低塔板的压降 同时具有较高塔板效率 在生产中得到广泛的应用 6 5板式塔 6 5 3气液相流向和状态再沸器加热釜液产生气相在塔内逐级上升 上升到塔顶由塔顶冷凝器冷凝 部分凝液返回塔顶作回流液 液体在逐级下降中与上升气相进行接触传质 液体横向流过塔板 经溢流堰溢流进入降液管 液体在降液管内释放夹带的气体 从降液管底隙流至下一层塔板 塔板上气液的流动状态为泡沫状态 喷射状态 吸收 54 6 5 4塔板流型液相在塔板上横向流过时分程的型式称之为流型 将液相从受液盘直接流向降液管的型式为单流型 当液体流量大 塔径也随之增大时 则可采用双流型 设两个降液管 使液相从两侧流向中心降液管 或从中心流向两侧的降液管 这样减少了单程液相流量从而使阻力减少 塔板液面落差减小 使塔板压降分布比较均匀 6 5板式塔 吸收 55 6 5 5板式塔的流体力学性能评价塔设备性能的主要指标有 1 生产能力 2 塔板效率 3 塔板压强降 4 操作弹性 这些指标和塔板结构及塔内气 液两相的流动状况有密切的关系 在正常的流动情况下 液体从上层塔板经降液管流到下层时 若液体在降液管中有足够的停留时间 则可分离出所夹带的少量气泡 气体则返回板面上 不至于被下降液体带到下层塔板 效率大大降低 也称液体夹带 而上升气体从下层塔板经 气体通道 进入板面 经塔板上的液体层鼓泡而出 正常情况下会携带出少量的小液滴 过量则称为 雾沫夹带 塔从设计到正常操作 与塔内气 液两相的流体力学性能有关 必须进行校核 6 5板式塔 吸收 56 塔板水力学校核内容 具体过程参考相关的设计手册 1 液沫夹带量校核 2 塔板阻力压降的计算及核算 3 降液管液泛校核 4 液体在降液管停留时间的校核 5 严重漏液校核等 板式塔的负荷性能 图 确定塔的操作负荷主要是从板式塔的负荷性能图求得1 液相负荷上限 液量夹带线A2 液相负荷下限 液相均布线C3 气相负荷上限 过量雾沫夹带线D4 气相负荷下限 漏液线B5 液泛线E 6 5板式塔 吸收 57 6 5板式塔 V Vmax Vmin Lmin Lmax L A C D B E 精馏塔操作的负荷性能图 操作弹性 吸收 58 6 6习题课 塔顶蒸汽的冷凝回流 塔釜产生的上升蒸汽 传热 传质 气液达到相平衡 恒沸 萃取 夹带剂 萃取剂 减小 减小 减小 减小 增加 增加 增加 水蒸气蒸馏时料液与水不互溶 而直接蒸汽加热精馏时料液与水互溶 前者中水蒸气主要作为加热剂 而后者既是加热剂又是夹带剂 D 吸收 59 6 6习题课 BCD A AB CD B 吸收 60 xW xF xD 6 6习题课 吸收 61 6 6习题课 吸收 62 6 6习题课 1 试在t y x图中阐述精馏的原理 吸收 63 答 全回流是指在精馏操作过程中上升蒸汽冷凝后全部回流进入精馏塔内的操作方式 有利于精馏塔内各塔板汽液迅速达到相平衡 一般适用在开车及出现较大异常的情形 最小回流比是指当回流量太小 恰好使得在塔内某处的操作线与平衡线相交即汽液达到平衡状态 此时已无法通过精馏的方式实现分