生物工程设备_精馏

第六章蒸馏设备 概述1 蒸馏的应用2 蒸馏分离的目的和依据3 蒸馏过程的分类4 蒸馏操作的费用 2 蒸馏分离的目的和依据目的 对液体混合物的分离 提取或回收有用组分依据 液体混合物中各组分挥发性的差异液体混合物 如 酒精水溶液 挥发性大 乙醇 称为易挥发组分或轻组分 A 挥发性小 水 称为难挥发组分或重组分 B 第一节蒸馏分离提纯原理 一 酒精 水混合液的相平衡 1 1双组分溶液的气液关系 组分 A B变量 t p xA yA相数 气相 液相 自由度 一定压力下 液相 气相 组成xA yA 与温度t存在一一对应关系气液组成之间xA yA存在一一对应关系 一定压力下 液相 气相 组成xA yA 与温度t存在一一对应关系气液组成之间xA yA存在一一对应关系 自由度 1 1双组分溶液的气液关系 pA pB 溶液上方A B组分的分压 Pa pA0 pB0 溶液温度下纯组分的饱和蒸汽压 Pa xA xB 液相中A B组分的摩尔分率 1 4酒精 水混合液的相平衡 图谱解释 非理想溶液的原因 酒精和水分子间的吸引力 酒精分子间的吸引力混合物分子间吸引力 纯组分所受的吸引力特点 分子易汽化液面上各组分的蒸汽分压比理想溶液大在恒定压力下进行汽化 1 4酒精 水混合液的相平衡 从T x图能得到的结论 1 蒸汽中易挥发酒精组分的含量比原混合液中的高 y1 x1 y2 x2 所以经过连续分离 冷凝 加热 酒精得到浓缩2 在T x图中的交点M处蒸汽组成和液体组成相等 不能通过常规常压 大气压 蒸馏法得到无水酒精3 若增加液相中酒精含量 会促使液面上蒸汽总压增大 即在一定压力下溶液沸点降低 酒精在蒸汽中的含量比与之相平衡的液相中含量要高 二 相对挥发度和挥发系数 挥发系数K表示物质在溶液中挥发性能的强弱K酒 A Q其中A 溶液沸腾时蒸汽中酒精含量 V Q 混合液中酒精含量 V 杂质 Kc 其中 气相中杂质含量 液相中杂质含量在酒精蒸馏过程中 有些杂质的挥发系数始终大于1 其他的一些始终小于1 有些则在酒精浓度高时Kc由大于1变为小于1挥发系数大于1在蒸馏过程中沿塔上升 否则沿塔下移若挥发系数随酒精浓度升高在某一浓度时挥发系数由大于1变成小于1 则该组分浓缩在该酒精浓度相当塔板上 1 多次部分汽化和多次部分冷凝 三 酒精精馏 缺点 1 收率低 2 设备重复量大 设备投资大3 能耗大 过程有相变 2 有回流的多次部分汽化和多次部分冷凝 第二节酒精蒸馏流程 一两塔式流程二三塔式流程三多塔蒸馏 第三节粗馏塔 作用 从发酵成熟醪中将酒精成分提取出来要求 1 处理能力大2 塔板效率高3 塔板压降低4 操作弹性大5 结构简单 制造成本低6 能够满足工艺的特定要求 一 粗馏塔板类型及结构 一 泡罩塔 3 导向筛板 4 浮阀波纹筛纹 5 斜孔塔斜孔孔口都朝一个方向 二 粗馏塔的设计和计算 1 酒精粗馏塔的热量衡算和物料衡算包括 加热蒸汽用量的计算 粗馏酒精蒸气的浓度和数量确定酒精废液排出量的计算物料衡算公式 酒精衡算 粗馏塔的热量衡算 其中 qm F 成熟醪进料量 kg hqm D 加热蒸汽量 kg hqm W 酒精废液量 kg hqm V 塔顶上升的粗酒精蒸气量 kg hqm V 塔上酒精蒸汽的渗漏量 kg hwf 成熟醪中酒精的含量 Ww 酒精废液中酒精含量 w1 粗酒精蒸汽中酒精含量 Hs 加热蒸气热焓 kJ kgTw 塔底酒精废液的温度CCw 酒精废液的热比容 kJ kg ch 粗酒精蒸气热焓 kj kgC 成熟醪的热比容kJ kg cT 成熟醪进塔温度 CQ 热损失 kj h2 粗馏塔定粗酒精蒸气浓度的确定每1000kg进料液加热至沸腾时所需的热量计算公式 式中 T1 进料板上液体沸腾温度 CT 进料液温度 成熟醪进塔温度 Cc 进料液 成熟醪 热比容 kJ kg cc 4 266 0 0401ww 醪中干物质含量 3 塔板层数的确定 图解法 1 计算进料热状态参数 每1kg进料变为饱和蒸汽所需热量 每1kg进料的气化潜热 hg hf r r c T1 T r 式中 hg 每1kg饱和蒸汽热焓 kj kghf 每1kg进料热焓 kj kgr 每1kg进料的气化潜热 kj kg2 绘平衡曲线图 在坐标纸上绘制平衡曲线y x 并作对角线y x3 在图上取x xi 在x轴上作垂直线与对角线相交于点a4 从点a作斜率为 1 的 线5 做提馏段操作线6 从 线与提馏段操作线交点b开始 在操作线和平衡曲线间画引阶梯 直至超过x xw为止7 若下端模糊不清需放大20 30倍或者用下式计算从0 2 摩尔 至xw一段所需的理论塔板数n 式中 x0 上限酒精浓度 x0 0 2 摩尔分数 xw 下限酒精浓度 一般为xw 0 004 摩尔分数 K 酒精挥发系数qm D 加热蒸气量 kg hqm L 溢流量 kg hqm L qm F 8 实际板数 实际板数 理论塔板数 塔板效率4 板间距的选择 板间距随空塔蒸汽速度 料液的起泡性和塔板类型而变化5 塔径计算式中V 粗馏塔内上升蒸汽量 m3 sv 塔内上升蒸汽速度 m s 塔径 m塔内蒸汽速度与板间距和泡沸深度有关 蒸汽速度计算公式 式中 HT 板间距 mZ 沸泡深度 mZ 0 5h h3蒸馏塔内上升蒸汽量计算公式 式中qm v2 粗馏塔内上升蒸汽量 kg hqm L 粗馏塔内溢流量 kg hQ mv1 粗馏塔顶上升蒸汽量 kg hqmF 粗馏塔进醪量 kg h 第四节精馏塔 理论板的概念和衡摩尔流的假设1 理论板的概念 理论板 离开塔板的蒸汽和液体呈平衡的塔板 假设 1 两组分的摩尔汽化潜热相等 2 两相接触因两相温度不同而交换的显热可忽略不计 3 塔设备保温良好 热损失可以忽略不计 2 恒摩尔流的假设 精馏段内 每层塔板下降的液体摩尔流量都相等 提馏段也一样 即 L1 L2 L 常数L1 L2 L 常数式中 L 精馏段下降液体的摩尔流量 kmol h L 提馏段下降液体的摩尔流量 kmol h 下标1 2 表示自上而下的塔板序号 2 恒摩尔溢流 一精馏塔的塔板类型和结构 一浮阀塔板分盘式和条式两种二筛板塔板 二精馏塔的设计和计算 1 影响精馏的因素1 恒摩尔汽化提馏段和精馏段每一段上升的蒸汽摩尔数都是相等的2 恒摩尔溢流 在提馏段和精馏段内每一段上下降的液体摩尔数相等3 最上层塔板上升的蒸汽进入冷凝器中全部冷凝4 采用间接蒸气加热 塔顶采出率 塔底采出率 2 精馏段操作线方程1全塔物料衡算 F D W kmol h xF xD xW 摩尔分率 塔顶易挥发组分回收率 塔底难挥发组分回收率 2 精馏塔热量衡算 热量衡算公式 式中 If Is Ig Iv IP Ip Iw 为相应物料热焓 kj kgq 热损失 kj h精馏段操作方程 式中yn 1 n 1层上升的蒸汽中酒精的摩尔浓度xn n层下降的回流液中酒精的摩尔浓度xp 成品酒精的摩尔浓度Ri 回流比 3精馏段操作线方程 令 回流比 精馏段操作线方程 4提馏段操作线方程 提馏段操作线方程 操作线的实际做法 3 最优加料位置的确定 加料过晚 加料过早 最优加料板位置 5 2回流比的影响与选择 1 回流比对精馏操作的影响 6 影响塔板效率的因素 1 塔板间距 对一定的蒸汽速度而言 塔板间距太小 易产生雾沫夹带现象 使塔板效率降低 但塔板间距过大时 若适当提高上升蒸汽的速度 又会使整个塔板高度增加2 板上液层深度 液层太低 汽液接触时间很短或者根本没有接触就离开 将产生跑气现象 而液层太深而蒸汽速度不够大 液体可从升气孔渗漏流下 使塔板效率降低3 水力梯度 板上液面落差 的影响 当水力梯度较大时 当塔板上靠近受液区侧和靠近溢流区侧的板上液面高度差较大时 气体分布不均匀 汽液间接触不好 使塔板效率降低 4 塔板安装不水平或塔板凹凸不平 或升气孔分布不均 使塔板效率降低5 塔板上溢流装置形式 当液流量为110m3 h以下 采用单叶型直径 当液流量为110m3 h以上 塔径在2m以上时 采用双流型半径流6 被精馏物易起泡时 塔板效率降低7 若板液体不断更新 汽液接触充分 可使塔板效率提高8 回流比对精馏塔理论板数存在影响 6 影响塔板效率的因素 全回流 塔顶蒸汽全部冷凝回至塔内 此时产品量为0 回流比R 精馏段操作线斜率为R R 1 1 操作线和对角线重合 所需理论板数最少最小回流比是指操作线和平衡曲线相切的回流比 此时需无数多块理论塔板在操作线超过平衡曲线时 精馏操作不可能实际回流比在全回流和最小回流之间要求 1 满足蒸馏理论 2 要求生产操作费用最小3 使设备费用最小 6 影响塔板效率的因素 6 影响塔板效率的因素 回流比小 塔板层数就多 设备投资就大 回流比逐渐增大 塔板层数相应减少 但塔内上升蒸汽量将随回流比的增大而增大 塔径需增大 使操作费和维持费增加最小回流比公式 式中 xp 成品酒精浓度 mol Lx0 进料层液相中酒精浓度 mol Ly0 与进料层液相相平衡的气相酒精浓度 mol L 8 塔径计算 1 精馏塔上升蒸汽量Vs的计算 精馏塔上升蒸汽量以塔顶状态下计算 式中 V1 塔顶上升蒸汽量 kmol sT 塔顶温度 KP 塔顶压力 Pa塔的上升蒸汽量可用下式计算 式中 R 回流比P 成品量 kg sP醛酒 醛酒提取量 kg sp 塔顶温度压力下蒸汽密度 kg m3 2 塔内蒸汽速度v的确定 塔内蒸汽速度受3个方面的控制 1 最大允许速度必须小于能引起 液泛 的气速2 蒸汽速度的增大不至于引起雾沫夹带超过10 3 保证汽液有足够的接触时间塔内上升的蒸汽速度与塔板间距 塔板结构 操作条件 被蒸馏物的物理化学性质以及分离程度等因素有关浮阀塔上升蒸汽速度v的计算公式 式中 Pl pv 分别为液体气体的密度 kg m3c 负荷系数 与板间距 液层深度和密度有关适宜的空塔速度V是最大允许气速的0 75 0 85倍 3 塔径D 8 塔板布置 1 浮阀塔板a 鼓泡区 汽液两相接触的有效区域b 溢流区 装置溢流堰及上下降液管的范围c 安定区 溢流区和鼓泡区之间的区域d 无效区 最外一层浮阀与塔壁间的区域2 浮阀数目N 浮阀数目一般由塔板开孔率决定 是塔板面积的8 15 式中 Ao 浮孔总面积 m2Do 阀孔直径 mF 1型浮阀Do 0 39mAT 塔板截面积 m2 8 塔板布置 在确定开孔率时 须先确定阀孔速度 式中v 适宜的空塔速度 m svo 阀孔速度 常压vo vo kp vo kp 阀孔临界速度 即阀孔刚刚全开时的阀孔气速34gF 1型浮阀的阀孔临界速度为或采用浮阀刚刚全开时的动能因素Fo来计算vo浮阀刚刚全开时Fo 8 12 式中pv为气相密度 kg m3减压蒸馏时 vo 0 8 0 85 vo kp 塔内上升蒸汽量的体积流量为Vo每层塔板上阀孔数N为 3 降液管和溢流区 对弓形降液管 单液流型塔板堰长Lw 0 6 0 8D 对于双流型则为0 5 0 7倍 8 塔板布置 式中 hw 堰高 mhL 塔板上液层深度 m一般 115mm左右how 堰上液层高度式中E 液体收缩系数 一般E 1L 溢流量 m3 hLw 堰长 m溢流堰内液体停留时间 式中 t 停留时间 s 一般为3 5sAf 溢流堰的截面积 m2H 塔板间距 mL 溢流量 m3 s溢流堰下口距下层塔板的间距ho为 式中vw 液体在堰底出口流速 0 1 0 5m s 4 浮阀的排列 一般以等边或等腰三角形为宜 三角形排列中又有顺排和错排两种按正三角形排列时 浮阀中心距t为 式中 Ao 阀孔总面积 m2Do 阀孔直径 mAs 塔板的有效面积 m2为等腰三角形时 式中 t 等腰三角形的高 一般取75mm 2 斜孔塔板 1 开孔率和斜孔数 开孔率一般在9 5 14 5 斜孔数N 式中 Ao 开孔面积 m2fo 每个斜孔的截面积 m2 开孔率At 塔板截面积 m22 斜孔的气速vo式中V 塔内蒸汽上升量 m3 s蒸汽通过斜孔的速率常取9 12m s 其动能因素Fo 10 15较合适pv 上升蒸汽的平均密度 kg m33 斜孔的排列 按相邻两行方向排列4 溢流装置 单溢流 弓形溢流堰式 9 塔板上的流体力学计算 1 塔板压降 p由气体通过干板的压力降 po和液层压力降 pL组成 p po pL po计算公式 式中 阻力系数 一般筛板 孔径D 8 15mm 1 6 1 8浮阀全开 5 37 斜孔 2 0vo 阀孔速度 m spv 气相密度 kg m3Pl 液相密度 kg m3g 重力加速度g 9 81 m s2 pL计算公式 式中hl 踏板上液层高度 mpL 液相密度 kg m30 5 充气系数 其中 浮阀未全开时 干板压降主要是阀重 阀孔径 浮阀类型 阀孔速度的函数塔板压力降与气流速度 液层高度 液流强度及两相的物化性质相关减少塔板压力降的主要途径是减少板压降2 塔板的泄漏塔板的泄漏随孔速的增大而减少 随孔径的减少而降低 随塔板上静液层的高度下降而减少泄漏点 阀孔气速低于某一值时 液体开始大量泄漏常以10 气速的泄漏液量为泄漏点 9 塔板上的流体力学计算 3 雾沫夹带 雾沫夹带指塔板上气流夹带液滴上升 缺点 雾沫夹带量大时 塔内馏分浓度梯度降低 影响塔板效率 非挥发性杂质也会带入成品影响因素 气体空塔速度板间距控制量在10 以下常用气体空塔速度与液泛时的气体空塔速度比值的百分数 泛点 作为间接衡量雾沫夹带大小的指标计算公式 泛点泛点 应 80 式中 V 塔内气体流量 m3 sL 塔内液相流量 m3 spv 气相密度 kg m3PL 液相密度 kg m3 9 塔板上的流体力学计算 9 塔板上的流体力学计算 Z 塔板上液流途径长度 mZ D 2Ws D塔径Ws弓形溢流管宽度 m As 塔板有效面积 M2As AT 2Af AT塔板面积 Af弓形降液管面积 cF 气相负荷系数 CF CFo xx 系统因数cFo泛点气相负荷系数雾沫夹带也可用以下经验公式计算 式中 当H 400mm时 A 9 48X107 4 36H 400mm时 A 0 59 0 95Hl 塔板