化工原理--精馏-PPT.ppt

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1、概述概述 1.工作原理:利 用 液 体 混 合 物 中 各 组 分 挥 发 性 差 异，以 热 能 为 媒 介使 其 部 分 汽 化 从 而 在 汽 相 富 集 轻 组 分 液 相 富 集 重 组 分 而 使 混 合 液分离。闪蒸罐塔顶产品yAxA加热器原料液塔底产品Q减压阀蒸 馏 蒸馏操作实例：石油炼制中使用的250万吨常减压装置许多生产工艺常常涉及到互溶液体混合物的分离问题，如石油炼制品的切割，有机合成产品的提纯，溶剂回收和废液排放前的达标处理等等。分离的方法有多种，工业上最常用的是蒸馏或精馏。2.蒸馏操作的用途间歇精馏：多用于小批量生产或某些有特殊要求的场合。连续精馏：多用于大批量工业生

2、产中。概述 概述3.蒸馏的分类常压蒸馏：蒸馏在常压下进行。减压蒸馏：常压下物系沸点较高或热敏性物质不能承受高温的情况加压蒸馏：常压下为气体的物系精馏分离，加压提高混合物的沸点.多组分精馏：例如原油的分离。双组分精馏：如正异构丁醛,苯-甲苯体系等。简单蒸馏或平衡蒸馏：用在分离要求不高的情况下。精馏：分离纯度要求很高时采用。特殊精馏：混合物中各组分挥发性相差很小，难以用普通精馏分离，借助某些特殊手段进行的精馏。1 1 双组分溶液的气液相平衡关系 双组分溶液的气液相平衡关系1.1 理想物系的汽液平衡蒸 馏 分 离 的 物 系 由 加 热 至 沸 腾 的 液 相 和 产 生 的 蒸 汽 相 构 成。相

3、 平 衡关系是蒸馏过程分析的重要理论基础。液 相 为 理 想 溶 液、汽 相 为 理 想 气 体 的 物 系。理 想 溶 液 服 从 拉 乌 尔（Raoult）定律，理想气体服从道尔顿分压定律。根据拉乌尔定律，两组分物系理想溶液上方的平衡蒸汽压为式中：poA、poB 溶液温度下纯组分饱和蒸汽压。理想物系：溶液沸腾时，溶液上方的总压应等于各组分分压之和，即泡点方程（bubblepointequation）A、B、C 为安托因常数，可由相关的手册查到。poA、poB 取决于溶液沸腾温度，上式表达一定总压下液相组成与溶液泡点温度关系。已知溶液的泡点可由上式计算液相组成；反之，已知溶液组成也可算出溶液

4、泡点。纯组分饱和蒸汽压与温度的关系，用安托因（Antoine）方程表示：6.1 6.1 双 双 组 组 分溶液的气液相平衡关系 分溶液的气液相平衡关系当汽相为理想气体时上式为一定总压下汽相组成与温度的关系式。该温度又称为露点（dewpoint），上式又称为露点方程。严格地说没有完全理想的物系。对那些性质相近、结构相似的组分所组成的溶液，如苯甲苯，甲醇乙醇等，可视为理想溶液；若汽相压力不太高(10Mpa)，可视为理想气体，则物系可视为理想物系。对非理想物系不能简单地使用上述定律。汽液相平衡数据更多地依靠实验测定。6.1 6.1 双 双 组 组 分溶液的气液相平衡关系 分溶液的气液相平衡关系1.2

5、.1 1.2.1汽液平衡相图：汽液平衡相图：T-x(y)T-x(y)图 图 Tx(y)图代表的是在总压 P 一定的条件下，相平衡时汽（液）相组成与温度的关系。在总压一定的条件下，将组成为 xf 的溶液加热至该溶液的泡点 tA，产生第一个气泡的组成为 yA。继续加热，随温度升高，物系变为互成平衡的汽液两相，两相温度相同组成分别为 yA 和 xA。t/Cx(y)0 1.0露点线泡点线露点泡点xAyAxf气相区液相区两相区当温度达到该溶液的露点，溶液全部汽化成为组成为 yA=xf 的气相，最后一滴液相的组成为 xA。1 1 双组分溶液的气液相平衡关系 双组分溶液的气液相平衡关系2023/5/31 平

6、 衡 线 位 于 对 角 线 的 上 方，平 衡 线 偏 离 对 角 线 愈 远，表 示 该 溶 液 愈 易分离。1.2.2 1.2.2汽液平衡相图 汽液平衡相图:x-y x-y 图 图 1.2.2 1.2.2汽液平衡相图 汽液平衡相图:x-y x-y 图 图 x-y 图代表在总压一定下，液相组成和与之成平衡的汽相组成的关系。x-y 图可通过T-x(y)图作出，图中对角线(y=x)为一参考线。大多数溶液，两相平衡时，y 总是大于 x，平衡线位于对角线上方。平衡线偏离对角线越远，该溶液越易分离。1.3 1.3 汽液平衡关系式的表示方法 汽液平衡关系式的表示方法 1.3.1 1.3.1相平衡常数

7、相平衡常数汽液两相平衡组成常用相平衡常数K 或相对挥发 的关系式来表达。Ki 表示i 组分的相平衡常数，其定义为式中：yi 和xi 分别表示i 组分在互为平衡的汽、液两相中的摩尔分数。对于易挥发组分，Ki 1，即yi xi。Ki 值越大，组分在汽、液两相中的摩尔分数相差越大，分离也越容易。对多组分物系汽液平衡关系的计算，应用相平衡常数比较方便。=f（物系,T，P）气（汽）液相平衡时，两相的温度和压强相等，每个组分在两相中的逸度（fugacity）相等，即对非理想物系，气（汽）、液相的逸度服从下列方程：式中：pio纯组分i 的饱和蒸汽压；io纯组分i 的逸度系数；ViL 纯液体i 的摩尔体 积。

8、式中：i 气（汽）相i 组分的逸度系数；i液相i 组分的活度系数；fiL纯液体i 在系统温度、压力下的逸度，可由下式计算 根据相平衡常数的定义 式 中 i，i 的 计 算 与 气（汽）相 组 成 和 液 相 组 成 有 关，相 平 衡 常 数K 不仅与系统温度、压强有关，也与组成有关。当 系 统 压 力 较 低，气 相 近 似 为 理 想 气 体 时，气 相 逸 度 系 数 i 接 近 于1，有若液相也为理想溶液，液相的活度系数就等于1，则液 相 为 非 理 想 溶 液，汽 相 为 理 想气体的相平衡常数计算式此式即为拉乌尔定律表达式。对多组分物系汽液平衡关系的计算，应用相平衡常数比较方便。溶

9、液中各组分的挥发性由挥发度来量衡，定义为组分在汽相中的平衡蒸汽压与在液相中的摩尔分数的比值。对双组分物系 对纯组分液体，其挥发度就等于该温度下液体的饱和蒸汽压。溶液中两组分挥发度之比称为相对挥发度，用 表示当操作压强不高，气相服从道尔顿分压定律时，上式可改写为1 1 双组分溶液的气液相平衡关系 双组分溶液的气液相平衡关系1.3.2 1.3.2 相对挥发度 相对挥发度 1.3.2 1.3.2相对挥发度 相对挥发度对双组分物系有yB=1-yA，xB=1-xA，代入并略去下标A 可得相平衡方程对理想溶液，组分的挥发度=po，所以 值 随 温 度 变 化 相 对 较 小，在 一 定 的 温 度 范 围

10、 内，常 取 的 平 均 值用于相平衡计算。1，表 示 组 分A 较B 易 挥 发；值 越 大，两 个 组 分 在 两 相 中 相对 含 量 的 差 别 越 大，越 容 易 用 蒸 馏 方 法 将 两 组 分 分 离；若=1，yA=xA，此时不能用普通蒸馏方法分离该混合物。若已知两组分的相对挥发度，可由上式确定汽液平衡组成。1 1双组分溶液的气液相平衡关系 双组分溶液的气液相平衡关系2023/5/31由 知，时，组分A 较B 易挥发，可以用蒸馏方法分离时，挥发度差异愈大，愈有利于蒸馏操作。时，不能用普通蒸馏的方法分离混合液。可作为混合液能否用蒸馏方法分离以及分离难易程度的判据。22平衡蒸馏与简

11、单蒸馏平衡蒸馏与简单蒸馏2.1平衡蒸馏1.定义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(如醋酸V103)。闪蒸操作流程：一定组成的料液被加热后经节流阀减压进入闪蒸室，液体因沸点下降变为过热而骤然汽化，汽化耗热使得液体温度下降，汽、液两相温度趋于一致，两相组成趋于平衡。由闪蒸室塔顶和塔底引出的汽、液两相即为闪蒸产品。闪蒸罐D,yD,teyD加热器F,xF,tF W,xW,teQ减压阀xWt022平衡蒸馏与简单蒸馏平衡蒸馏与简单蒸馏2.1平衡蒸馏2.2.物料衡算 物料衡算 总物料衡算式中：F、D、W 进料流率和出塔汽.液相产物的流率，

12、kmol/s；xF、yD、xW 料液组成以及出塔汽、液相产物的摩尔分数。易挥发组分的物料衡算两式联立可得闪蒸罐D,yD,teyD加热器F,xF,tF W,xW,teQ减压阀xWt0若 设 液 相 产 物 占 总 加 料 量 的 分 率 为q，即W/F=q，则 汽 化 率 为D/F=(1-q)，代入上式整理可得上式表示了汽化率与汽、液相组成的关系。平衡蒸馏过程可认为经部分汽化或部分冷凝后所得的汽液两相呈平衡，即yDxW 符合平衡关系。3.3.平衡关系 平衡关系 若 已 知 进 料 组 成xF 和 生 产 任 务 所 要 求 的 汽 化 率(1-q)，结 合 物 料衡算式可求得汽液相组成yD、xW

13、。6.2 6.2 平衡蒸馏与简单蒸馏 平衡蒸馏与简单蒸馏料液由进料温度tF 升至t0需供给的热量Q 为闪蒸后，料液温度由t0降至平衡温度te，若不计热损失，则料液放出的显热全部用于料液的部分汽化所需的潜热，即4.4.热 热 量衡算 量衡算 通过以上诸式，在q 为已知的条件下，由物料衡算与相平衡关系求得yD、xW 后，由温度组成相图求te，进而求t0。由上式可得6.2 6.2 平衡蒸 平衡蒸 馏 馏 与 与 简单 简单 蒸 蒸 馏 馏6.2.2 6.2.2 简单蒸馏 简单蒸馏 简单蒸馏也是一种单级蒸馏，间歇非稳态操作，在蒸馏过程中系统的温度和汽液相组成均随时间改变。分 批 加 入 蒸 馏 釜 的

14、 原 料 液 持 续 加 热 沸 腾 汽 化，产 生 的 蒸 汽 由 釜 顶 连 续引入冷凝器得馏出液产品。釜内任一时刻的汽液两相组成互成平衡。y原料液x 蒸气xD1xD2xD3冷凝器6.2 6.2 平衡蒸馏与简单蒸馏 平衡蒸馏与简单蒸馏1.1.定义 定义 任 一 时 刻，易 挥 发 组 分 在 蒸 汽 中 的 含 量y 始 终 大 于 剩 余 在 釜 内 的 液相 中 的 含 量x，釜 内 易 挥 发 组 分 含 量x 由 原 料 的 初 始 组 成xF沿 泡 点线 不 断 下 降 直 至 终 止 蒸 馏 时 组 成xE，釜 内 溶 液 的 沸 点 温 度 不 断 升 高，蒸汽相组成y 也随

15、之沿露点线不断降低。t/Cx(y)0 1.0露点线泡点线xAyAxf6.2 6.2 平衡蒸馏与简单蒸馏 平衡蒸馏与简单蒸馏3.3.精馏原理精馏原理 上 述 平 衡 蒸 馏 和 简 单 蒸 馏 都 是 单 级 分 离 过 程，即 对 混 合 液进行一次部分汽化，使混合液达到部分分离。而 精 馏 是 一 种 多 级 分 离 过 程，即 同 时 进 行 多 次 部 分 汽 化 和部 分 冷 凝 的 过 程，可 使 混 合 液 得 到 几 乎 完 全 的 分 离。精 馏 可 视 为由 多 次 蒸 馏 演 变 而 来。此 外，混 合 液 中 组 分 间 挥 发 度 差 异 是 精 馏分离的前提和依据。3

16、.1多次部分气化和部分冷凝3.3.精馏原理 精馏原理 3.1多次部分气化的分离示意图过程分析 进行这样多级分离的结果是：y y3 3 y y2 2 y y1 1.因此,同时进行多次部分气化和部分冷凝是使混合物得以完全分离地必要条件.不 难 看 出,上 图 所 示 的 流 程 在 工 业 上 是 不 能 采 用 的,因 其 存 在 以 下两个问题：t/Cx(y)0露点线泡点线泡点y1xfy2y3 x3x1x23 3 精馏原理 精馏原理（1）分离过程得到许多中间馏分，如图中的组成为x1.x2等液相产品，因此最后纯产品的收率就很低；（2）设备庞杂，能量消耗大。图3.2多次部分气化的 t-x-y图 今

17、以右图中的第 今以右图中的第1 1级为例 级为例xFy2y2y1x1x2x2如 如 果 果 冷 冷 凝 凝 和 和 气 气 化 化 的 的 温 温 度 度 选 选 择 择 恰 恰 当 当，可 可使 使x x2 2和 和y y2 2 较 较为 为接 接近 近。这 这样 样，将 将x x2 2和 和y y2 2 相 相 混 混 合 合,.,.，其 其结 结果 果不 不但 但消 消除 除了 了中 中间 间产 产品 品，且 且提 提高 高了 了最 最后 后产 产品 品的 的收 收率 率。传 传质 质第2级第1级第0级 同 同时 时，由 由图 图还 还可 可以 以看 看出 出，x x2 2和 和y y2

18、 2 直 直接 接混 混合 合时 时，由 由于 于液 液相 相温 温度 度低 低于 于气 气相 相温 温度 度，因 因此 此高 高温 温的 的蒸 蒸气 气y y2 2 将 将 加 加 热 热低 低温 温的 的液 液体 体x x2 2，而 而使 使液 液体 体部分气化，蒸气自身则被部分冷凝。部分气化，蒸气自身则被部分冷凝。传热 传热 由 由此 此可 可见 见，不 不同 同温 温度 度且 且互 互不 不平 平衡 衡的 的气 气液 液两 两相 相接 接触 触时 时，必 必然 然会 会同 同时 时产 产生 生传 传 热 热和 和 传 传 质 质的 的双 双重 重作 作用 用，所 所以 以使 使上 上一

19、 一级 级的 的液 液相 相回 回流 流（如 如液 液相 相x x2 2）与 与下 下一 一级 级的 的气 气相 相（如 如气 气相 相y y2 2)直 直接 接接 接触 触，就 就可 可以 以将 将图 图3.1 3.1所 所示 示的 的流 流程 程演 演变 变为 为图 图3.3 3.3所 所示 示的 的分 分离 离流 流程 程，从 从而 而省 省去 去了 了逐 逐级 级使 使用 用的 的中间加热器和冷凝器。中间加热器和冷凝器。图3.3无中间产品的多次部分气化的分离示意图3 3 精馏原理 精馏原理 3.3.精馏原理 精馏原理 混 合 液 体 连 续 或 多 次 部 分 汽 化，液 相 组 成

20、沿 t-x(y)相 图 的泡 点 线 变 化，可 得 难 挥 发 组 分 含 量 很 高 而 易 挥 发 组 分 含 量 很 低 的釜液。混 合 蒸 汽 连 续 或 多 次 部 分 冷 凝，蒸 汽 组 成 沿 t-x(y)相 图 的露 点 线 变 化，可 得 到 易 挥 发 组 分 含 量 很 高 而 难 挥 发 组 分 含 量 很 低的蒸汽。精馏过程正是这二者的有机结合。精 精馏 馏：据 据 挥 挥 发 发 度 度 不 不 同 同，将 将混 混 合 合 液 液，在 在 精 精 馏 馏 塔 塔 中 中 同 同 时 时 多 多 次 次进 进 行 行 部 部 分 分 气 气 化 化 和 和 部 部

21、 分 分 冷 冷 凝 凝，使 使其分离成几乎纯态组分的过程。其分离成几乎纯态组分的过程。3.3.精馏原理 精馏原理 3.2 3.2 定义 定义 图 图3.4 3.4所 所示 示的 的为 为工 工业 业化 化精 精馏 馏塔 塔的 的模 模型 型。塔 塔中 中各 各级 级的 的易 易挥 挥发 发组 组分 分浓 浓度 度由 由上 上至 至下 下逐 逐级 级降 降低 低，而 而温 温度 度逐 逐步 步增 增高 高。当 当某 某级 级的 的浓 浓度 度与 与原 原料 料液 液的 的浓 浓度 度相同或相近时，原料液就由此级进入。相同或相近时，原料液就由此级进入。图 图 3.4 3.4精馏塔模型 精馏塔模型

22、 图 图3.5 3.5是 是以 以筛 筛板 板塔 塔为 为例 例，由 由精 精馏 馏塔 塔模 模型 型转 转变 变为 为实 实际 际精 精馏 馏塔 塔的一段。的一段。图 图3.5 3.5 精馏塔的一段 精馏塔的一段3.3精馏塔的操作情况精馏操作在直立圆形的精馏塔内进行.塔内装有若干层塔板或充填一定高度的填料,g-l 两相在塔板上接触同时进行传质和传热过程.3 3 精馏原理 精馏原理 图3.6所 示 的 为 泡 罩 塔 中 任 意 第n层 板 上 的 操 作 情 况.进 入 第n板 的 气 相 浓 度 和 温 度 分 别 为yn+1和tn+1，液 相 的 浓 度 和 温 度 分 别 为xn1和t

23、n1。二 者 互 不 平 衡,tn+1tn1 xn1大 于 与yn+1成 平 衡 的 液 相 组 成xn+1*存在温度差和浓度差 传质和传热.其结果:图3.6泡罩塔的操作情况1)气相部分冷凝,使其中难挥发组分转入到液相中；2)气 相 冷 凝 放 出 潜 热 传 给 液 相,使 其 部 分 气 化,其 中 的 部 分 易挥发组分转入到气相,结果:xnyn+1。实 际 操 作 的 精 馏 塔，从 塔 底 引 入 上 升 蒸 汽，从 塔 顶 引 入 回 流液体。造成汽液两相状态，以保证精馏过程稳态操作。3 3 精馏原理 精馏原理 6.2.4精馏流程图 图 3.7 3.7连续精馏流程 连续精馏流程 典

24、 典型 型的 的连 连续 续精 精馏 馏流 流程 程如 如图 图3.7 3.7所 所示 示.预 预热 热到 到一 一定 定温 温度 度的 的原 原料 料液 液送 送入 入精 精馏 馏塔 塔的 的进 进料 料板 板,在 在每 每层 层塔 塔板 板上 上,回 回流 流液 液体 体与 与上升蒸气互相接触 上升蒸气互相接触,进行热和质的传递 进行热和质的传递.塔 塔顶 顶冷 冷凝 凝器 器的 的作 作用 用:获 获得 得塔 塔顶 顶产 产品 品及 及保 保证 证有 有适 适宜 宜的 的液 液相 相回 回流 流.再 再沸 沸器 器的 的作 作用 用:提供一定量的上升蒸气流 提供一定量的上升蒸气流.202

25、3/5/31提馏段精馏段进料板4.4.双组份连续 双组份连续精馏的计算 精馏的计算 4.1.2恒摩尔流假设所 谓 理 论 板，是 指 在 其 上 气 液 两 相 都 充 分 混 合，且 传 热 及 传热 过 程 阻 力 为 零 的 理 想 化 塔 板。宏 观 表 现 为：两 相 温 度 相 同；离开塔板的汽液两相成平衡。.恒摩尔流假定:对 整 个 精 馏 塔,每 层 板 上 升 蒸 汽 摩 尔 流 率 相 等，每层板下降液体摩尔流率相等。由 于 精 馏 过 程 是 涉 及 传 热 和 传 质 的 过 程,相 互 影 响 的 因 素 较 多,引入恒摩尔流假定,使得连续精馏过程计算大大简化。4.1

26、.1理论板假设4 4 双组份连续 双组份连续精馏的计算 精馏的计算 4.2 4.2物料衡算和操作线方程 物料衡算和操作线方程4.2.1 4.2.1全塔物料衡算 全塔物料衡算图610 所 示,对 稳 定 操 作 的 连 续 精馏 塔,料 液 加 入 量 必 等 于 塔 顶 和 塔 釜 产品量之和.总物料衡算 易挥发组分物料衡算 4 4 双组份连续 双组份连续精馏的计算 精馏的计算 4.2.2 4.2.2 操作线方程 操作线方程对图611虚线范围（包括精馏段第n+1板和冷凝器在内）作物料衡算,以单位时间为基准：1)精馏段操作线方程塔顶全凝：V=L+D=(R+1)D回流比：R=L/D4 4 双组份连

27、续 双组份连续精馏的计算 精馏的计算 精 馏 段 操 作 线 方 程 的 物 理 意 义:在 一 定 的 操 作 条 件 下，精 馏 段内 自 任 意 第n层 塔 板 下 降 的 液 相 组 成xn与 其 相 邻 的 下 一 层 塔 板 上 升的蒸汽组成yn+1之间的关系。2)提馏段操作线方程对图612虚线范围（包括提馏段第m板以下塔段和塔釜在内）作物料衡算：提馏段操作线方程的物理意义:在一定的操作条件下,提馏段内自任意第n板下降的液相组成xn与其相邻的下一层塔板上升的蒸汽组成yn+1之间的关系.提馏操作线：c点：（xW，xW）截距：WxW/V3)操作线方程在xy图上的画法 精馏操作线：a点：

28、(xD，xD）截距：xD/(R+1)x y 0 1.0 1.0 xD abxW cde精馏段操作线方程提馏段操作线方程4 4 双组份连续 双组份连续精馏的计算 精馏的计算 4 4 双组份连续 双组份连续精馏的计算 精馏的计算 4.3进料热状况和进料线方程1)5种进料热状况低于泡点的冷液体；泡点下的饱和液体；气液混合物；饱和蒸气；过热蒸气。进料热状况不同,将直接影响其上.下两段上升蒸气和下降液体的流量.2)2)进料热状况参数 进料热状况参数 设第m块板为加料板，对 对图 图6 614 14所 所示 示的 的虚 虚线 线范 范围 围,进.出该板各股的摩尔流率、组成与热焓可由物料衡算与热量衡算,得:

29、4.3.1 进料热状况的影响4 4 双组份连续 双组份连续精馏的计算 精馏的计算 总物料衡算：轻组分物料衡算：热量衡算：定义 加料热状态参数q的 意 义:以1kmol/h 进 料 为 基 准 时,提 馏 段 中 的 液 体 流 量 较 精 馏 段增大的kmol/h 数.4 4 双组份连续 双组份连续精馏的计算 精馏的计算 4.3.2.q(进料)线方程 在 在进 进料 料板 板上 上,同 同时 时满 满足 足精 精馏 馏段 段和 和提 提馏 馏段 段的 的物 物料 料衡 衡算 算,故 故两 两操 操作 作线 线的交点落在进料板上。的交点落在进料板上。因 因q q为一常数 为一常数,故一定状态进料

30、时 故一定状态进料时q q线为直线 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.4 4 双组份连续 双组份连续精馏的计算 精馏的计算 4.3.3.q 线的图形表示(1)在对角线上作e 点(y=x=xF)；(2)过e 点作斜率为q/(q1)的直线。随 着 进 料 焓 值 的 增 加，q 线 与 精馏 操 作 线 的 交 点 沿 着 精 馏 操 作 线 朝x.y 减 小 的 方 向 移 动.这 意 味 着 加 料 板 位置下移(塔从上往下,温度逐步升高).进 进料 料热 热状 状况 况不 不同 同,q q值 值就 就不 不同 同,因 因此 此直 直接 接影 影响 响精 精

31、馏 馏塔 塔内 内两 两段 段上 上升 升蒸 蒸汽 汽和 和下 下降 降液体量之间的关系 液体量之间的关系,如图 如图615 615所示 所示.冷液体进料 冷液体进料,q1;,q1;饱和液体进料 饱和液体进料,q=1;,q=1;气液混合物进料 气液混合物进料,q=01;,q=01;饱和蒸汽进料 饱和蒸汽进料,q=0;,q=0;过热蒸汽进料 过热蒸汽进料,q0.,q0.eacbdq0q=00q10 1.0 xWxy1.0 xDzF不同加料热状态下的 q 线4 4 双组份连续 双组份连续精馏的计算 精馏的计算 4.4 理论板层数的求法4.4.1 逐板计算法理论板数由操作线方程和相平衡关系确定。提馏

32、段操作线方程：相平衡方程式：第一板：第二板：第三板：精馏段操作线方程：条件：塔顶全凝，泡点回流4 4 双组份连续 双组份连续精馏的计算 精馏的计算 第m+1板：第N板：在计算过程中,每使用一次平衡关系,表示需要一层理论板.由于一般再沸器相当于一层理论板.结果:塔内共有理论板N 块,第N 板为再沸器,其中精馏段m1 块,提馏段Nm+1 块(包括再沸器),第m 板为进料板。第m 板：第m板为进料板 逐 逐板 板计 计算 算法 法计 计算 算结 结果 果较 较准 准确 确,且 且可 可求 求得 得每 每层 层板 板上 上的 的气 气液 液相 相组 组成 成.但 但该 该法 法比 比较 较繁 繁琐 琐

33、,尤 尤其 其当 当理 理论 论板 板层 层数 数较 较多 多时 时更 更甚 甚.现 现由 由计 计算 算程 程序 序处 处理 理,比较好 比较好.4.4.2.4.4.2.图解法 图解法-McCabeThiele,MT法 图 图解 解法 法求 求理 理论 论板 板层 层数 数的 的基 基本 本原 原理 理与 与逐 逐板 板计 计算 算法 法的 的完 完全 全相 相同 同,只 只不 不过 过是 是用 用平 平衡 衡曲 曲线 线和 和操 操作 作线 线分 分别 别代 代替 替平 平衡 衡方 方程 程和 和操 操作 作线 线方 方程 程,用 用简 简便 便的 的图 图解 解法 法代 代替 替繁 繁杂

34、 杂的 的计 计算 算而 而已 已,图 图解 解法 法中 中以 以直 直角 角梯 梯级 级图 图解 解法 法最 最为 为常 常用 用.虽 虽然 然图 图解 解的 的准 准确 确性 性较 较差 差,但 但因 因其 其简 简便 便,目前在两组分精馏中仍被广泛采用。目前在两组分精馏中仍被广泛采用。4 4 双组份连续 双组份连续精馏的计算 精馏的计算 1)操作线的作法首先根据相平衡数据,在直角坐标上绘出待分离混合物的x-y 平衡曲线,并作出对角线.如图616 所示.在x=xD 处作铅垂线,与对角线交于点a,再由精馏段操作线的截距xD/(R+1)值,在y轴上定出点b,联ab.ab 为精馏段操作线.在x=

35、xF 处作铅垂线,与对角线交于点e,从点e 作斜率为q/(q1)的q线ef,该线与ab 交于点d.在x=xW 处作铅垂线,与对角线交于点c,联cd.cd 为提留段操作线.4 4 双组份连续 双组份连续精馏的计算 精馏的计算 2)求N 的步骤自 对 角 线 上a 点 始,在 平 衡 线 与 精 馏段 操 作 线 间 绘 出 水 平 线 及 铅 垂 线 组 成 的梯级.如图617 所示.当 梯 级 跨 过 两 操 作 线 交 点d 时,则 改在 平 衡 线 与 提 馏 操 作 线 间 作 梯 级,直 至 某梯级的垂直线达到或小于xW为止.每 一 个 梯 级 代 表 一 层 理 论 板.梯 级总数即

36、为所需理论板数.梯级含义：如第一梯级由a 点作水平线与平衡线交于点1(y1,x1),相当于用平衡关系由y1求得x1；再自点1作垂线与精馏段操作线相交,交点坐标为(y2,x1),即相当于用操作线关系由x1求得y2。作图法与逐板计算法等价。5 5 精馏的几种操作方式 精馏的几种操作方式5.1 直接蒸汽加热一 般 精 馏 是 间 接 加 热，主 要 是 为 避 免对 物 料 污 染。如 果 物 料 含 有 水，精 馏 过 程中 允 许 水 存 在，于 是，可 将 加 热 蒸 气 直 接通 入 塔 釜 内，直 接 加 热。这 样 加 热 蒸 气 将热 量、质 量 均 带 入 塔 内，同 时 参 与 塔

37、 的 热量、质 量 的 传 递。该 过 程 提 高 了 传 热 效 率，可 使 用 温 度 相 对 低 的 加 热 蒸 气，同 时，又省一台再沸器。5 5 精馏的几种操作方式 精馏的几种操作方式5.2 具有侧线采出的精馏过程当 需 要 获 取 浓 度 不 同 的 两 种 或 多 种 产品，或 某 组 分 在 塔 某 几 板 上 存 在 富 集 现 象。为 获 得 该 组 分 产 品 或 消 出 该 组 分 对 塔 两 端产 品 的 影 响，应 采 取 侧 线 出 料 的 方 法，在适 宜 塔 板 上 将 其 及 时 采 出，如 图 所 示。侧线 抽 出 的 产 品 可 为 塔 板 上 泡 点

38、液 体 或 板 上的饱和蒸气。5 5 精馏的几种操作方式 精馏的几种操作方式5.2 具有侧线采出的精馏过程如 果 在 精 馏 段 设 一 侧 线采 出，则 塔 被 分 为 三 段。塔两 端 分 别 同 精 馏 段 和 提 馏 段操 作 线 方 程，而 塔 下 段（III）操 作 线 同 提 馏 段 操 作线 方 程。而 中 段 则 由 物 料 衡算获得其操作线方程。5 5 精馏的几种操作方式 精馏的几种操作方式5.3 具有多股进料的精馏过程当 两 股 成 分 相 同，组 成 各异 的 原 料 在 同 一 塔 中 分 离，为 避 免 混 合，增 加 分 离 的 能耗，则 分 别 在 适 宜 位

39、置 加 入。如 图 所 示。两 进 料 将 塔 分 为三 段，各 段 有 相 应 操 作 线 方程，各 进 料 也 有 相 应 的q线 方程。5 5 精馏的几种操作方式 精馏的几种操作方式5.4 塔顶进料蒸馏塔原 料 从 塔 顶 加 入，则 塔只 有 提 馏 段 没 有 精 馏 段，该塔 称 之 为 回 收 塔 或 蒸 出 塔、气 体 塔，如 图 所 示。原 料 应在 泡 点 或 接 近 泡 点 温 度 进 入塔 顶，无 回 流。而 热 量 则 以间接或直接蒸气加热塔底。该 塔 多 用 于 轻、重 组 分 的 初 步 分 离，或 主 要 考 虑 提 浓 重 组 分，或回收稀溶液中易挥发组分。6

40、 6 精馏塔的操作和调节 精馏塔的操作和调节 1）物料平衡的影响和制约通常，对特定的精馏塔和物系，保持精馏稳定操作的条件：塔压稳定；进出塔的物料量平衡和稳定；进料组成和热状况稳定；回流比恒定；再沸器和冷凝器的传热条件稳定；塔系统与环境间散热稳定等。5.1 影响精馏操作的主要因素简析对于一定的原料量F，只要分离程度确定xD,xW,则D,W,R一定，不能任意增减。2）回流比的影响当回流比增大时，精馏段操作斜率变大，该段内的传质推动力增大，xD增大；提馏段操作线斜率变小，该段内的传质推动力增大，xW增大。增加回流比，可提高分离效果。但是分离效果的提高时有限制的，当采出率D/F一定时，xDFxF/D。

41、6 6 精馏塔的操作和调节 精馏塔的操作和调节 5.1 影响精馏操作的主要因素简析3）进料组成的影响当进料组成发生变化时，应适当改变进料位置。一般精馏塔常设几个进料位置，以适应生产中进料状况的变化，保证精馏塔在适宜位置下进料。当 进 料 中 重 组 分 的 浓 度 增 加 时，精 馏 段 的 负 荷 增 加。对 于 固 定 了 精 馏段 板 数 的 塔 来 说，将 造 成 重 组 分 带 到 塔 顶，使 塔 顶 产 品 质 量 不 合 格。进料板下移，加大回流比。若 进 料 中 的 轻 组 分 的 浓 度 增 加 时，提 馏 段 的 负 荷 增 加。对 于 固 定 了 提馏 段 塔 板 数 的

42、 塔 来 说，将 造 成 提 馏 段 的 轻 组 分 蒸 出 不 完 全，釜 液 中 轻 组分的损失加大。进料板上移，减小回流比。4）进料热状况q的影响5）塔压差6 6 精馏塔的操作和调节 精馏塔的操作和调节 塔 压 差 是 衡 量 塔 内 气 体 负 荷 大 小 的 主 要 因 素，也 是 判 断 精 馏 操 作 的 进料、出 料 是 否 平 衡 的 重 要 标 志 之 一。在 进 出 料 保 持 平 衡，回 流 比 不 变 的 情况下，塔压差基本上是不变的。6）灵敏板在 总 压 一 定 的 条 件 下，精 馏 塔 内 各 塔 板 上 的 物 料 组 成 与 温 度 一 一 对 应。当 板

43、上 的 物 料 组 成 发 生 变 化，其 温 度 也 就 随 之 变 化。而 取 温 度 变 化 最 大 的那 块 板 称 为 灵 敏 板。当 生 产 中 由 于 物 料 不 平 衡 或 塔 的 分 离 效 果 差 造 成 产 品不 合 格 时，可 及 时 通 过 灵 敏 板 温 度 的 变 化 情 况 得 到 预 测，从 而 可 最 大 限 度克服控制的延时性，防止生产产生大的波动。7 7 塔内气液两相的流动1）严重漏液 少 量 的 漏 液 是 不 可 避 免 的。当 上 升 的 气 体 速 度 很 低 时，气 体 通 过 塔 板 升气 孔 的 动 压 不 足 以 阻 止 塔 板 上 液

44、层 的 重 力，液 体 将 从 塔 板 的 开 孔 处 大 量 往下漏而出现漏液现象。2）雾沫夹带当 上 升 的 气 体 穿 过 塔 板 液 层 时，将 板 上 的 液 滴 挟 裹 到 上 一 层 塔 板 引 起 浓度 返 混 的 现 象 称 为 雾 沫 夹 带。雾 沫 夹 带 造 成 返 混，降 低 塔 板 效 率。少 量 夹带不可避免，只有过量的夹带才能引起严重后果。3）液泛当 塔 板 上 液 体 量 很 大 或 上 升 气 体 速 度 很 高，塔 板 压 降 很 大 时，液 体 不能 顺 利 地 从 降 液 管 流 下，于 是 液 体 在 塔 板 上 不 断 积 累，液 层 不 断 上

45、升，使塔内整个塔板间都充满积液的现象称为液泛。7.1 塔板上不正常的流动现象 7 7 塔内气液两相的流动塔板上气、液流动状态从 生 产 实 践 发 现，从 严 重 漏 液 到 液 泛 整 个 范 围 内 存 在 有 五 种 接 触 状 态，即：鼓 泡 状 态、蜂 窝 状 态、泡 沫 状 态、喷 射 状 态 及 乳 化 状 态。由 于 低 气 速 下 产 生 的 不 连 续 鼓 泡 群 传 质 面 积 小，比 较 平 静，而 靠 近 塔壁 稳 定 的 蜂 窝 状，其 泡 沫 层 湍 动 较 差，不 利 于 传 质。而 高 速 液 流 剪 切 作 用下 使 气 相 形 成 小 气 泡 均 匀 分

46、布 在 液 体 中，形 成 均 匀 两 相 流 体，即 乳 化 态 流体，不 利 于 两 相 的 分 离。故 这 三 种 不 是 传 质 的 适 宜 状 态，工 业 生 产 中 一 般希望呈现泡沫态和喷射态两种状态。7.2 气液两相在塔板上接触状态A 泡沫态由 于 孔 口 处 鼓 泡 剧 烈，各 种 尺 寸 的 气 泡 连 串 迅 速 上 升，将 液 相 拉 成液 膜 展 开 在 气 相 内，因 泡 沫 剧 烈 运 动，使 泡 沫 不 断 破 裂 和 生 成，以 及 产生液滴群，泡沫为传质创造了良好条件。是工业上重要的接触状态之一。7 7 塔内气液两相的流动7.2 气液两相在塔板上接触状态B 喷射状当 液 相 流 量 较 小 而 进 一 步 提 高 气 速 时，则 泡 沫 状 将 逐 渐 转 变 为 喷 射状。从 筛 孔 或 阀 孔 中 吹 出 的 高 速 气 流 将 液 相 分 散 成 高 度 湍 动 的 液 滴 群，液 相 由 连 续 相 转 变 为 分 散 相，两 相 间 传 质 面 为 液 滴 群 表 面。由 于 液 体 横向 流 经 塔 板 时 将 多 次 分 散 和 凝 聚，表 面 不 断 更 新，为 传 质 创 造 了 良 好 的条件，是工业塔板上另一重要的气、液接触状态。