精餾培訓(xùn)講義(PPT 67頁)

1、 質(zhì)量傳遞質(zhì)量傳遞熱量傳遞熱量傳遞動量傳遞動量傳遞三傳三傳 非均相混合物非均相混合物均相混合物均相混合物分分離離 場場、電電場場、磁磁場場等等加加場場，如如濃濃度度場場、溫溫度度加加入入能能量量分分離離劑劑加加入入另另外外一一種種物物質(zhì)質(zhì)作作為為方方法法利用某種性質(zhì)利用某種性質(zhì)分離過程在全廠的設(shè)備分離過程在全廠的設(shè)備投資費和操作費上占很投資費和操作費上占很大比重。對一典型的化大比重。對一典型的化工廠，分離設(shè)備的投資工廠，分離設(shè)備的投資占占60-7060-70，分離過程，分離過程的能耗約占的能耗約占3030。5.1 概述概述 一、均相與非均相物系的分離依據(jù)一、均相與非均相物系的分離依據(jù) A B

2、溶溶液液（A+B） 加加熱熱氣相混合物yAxA二、實驗室蒸餾操作： 1.工作原理: 利用液體混合物中各組分(component)揮發(fā)性(volatility)差異，以熱能為媒介使其部分汽化從而在汽相富集輕組分液相富集重組分而分離的方法。 閃蒸罐塔頂產(chǎn)品yAxA加熱器原料液 塔底產(chǎn)品 QBABAAAxxyyxy或減壓閥二、蒸餾1. 平衡蒸餾 閃蒸罐塔頂產(chǎn)品yAxA加熱器原料液 塔底產(chǎn)品 Q減壓閥2.簡單蒸餾yx蒸氣xD1xD2xD3冷凝器 蒸餾操作實例：石油煉制中使用的 250 萬噸常減壓裝置許多生產(chǎn)工藝常常涉及到互溶液體混合物的分離問題，如石油煉制品的切割，有機(jī)合成產(chǎn)品的提純，溶劑回收和廢液排

3、放前的達(dá)標(biāo)處理等等。分離的方法有多種，工業(yè)上最常用的是蒸餾或精餾。 4. 蒸餾操作的用途6.1.1 理想溶液的汽液平衡拉烏爾（Raoult）定律 蒸餾分離的物系由加熱至沸騰的液相和產(chǎn)生的蒸汽相構(gòu)成。相平衡關(guān)系是蒸餾過程分析的重要基礎(chǔ)。 液相為理想溶液、汽相為理想氣體的物系。理想溶液服從拉烏爾（Raoult）定律，理想氣體服從理想氣體定律或道爾頓分壓定律。根據(jù)拉烏爾定律，兩組分物系理想溶液上方的平衡蒸汽壓為 AAAxppBBBxpp式中：poA、poB 溶液溫度下純組分飽和蒸汽壓。 理想物系：溶液沸騰時，溶液上方的總壓應(yīng)等于各組分分壓之和，即 泡點方程（bubble-point equation

4、）A、B、C 為安托因常數(shù)，可由相關(guān)的手冊查到。 ABAABAxpxpppP100000BABApppPxCtBAp0logpoA、poB 取決于溶液沸騰溫度，上式表達(dá)一定總壓下液相組成與溶液泡點溫度關(guān)系。已知溶液的泡點可由上式計算液相組成；反之，已知溶液組成也可算出溶液泡點。純組分 飽和蒸汽壓與溫度的關(guān)系，用安托因（Antoine）方程表示： 當(dāng)汽相為理想氣體時PxpPpyAAAA00000BABAApppPPpy上式為一定總壓下汽相組成與溫度的關(guān)系式。該溫度又稱為露點（dew-point），上式又稱為露點方程。嚴(yán)格地說沒有完全理想的物系。對那些性質(zhì)相近、結(jié)構(gòu)相似的組分所組成的溶液，如苯-甲

5、苯，甲醇-乙醇等，可視為理想溶液；若汽相壓力不太高，可視為理想氣體，則物系可視為理想物系。 000BABApppPx對非理想物系不能簡單地使用上述定律。汽液相平衡數(shù)據(jù)更多地依靠實驗測定。 根據(jù)相律，雙組分兩相物系自由度為2，即相平衡時，在溫度t、壓強(qiáng)P汽相組成x和液相組成y這四個變量中，只有兩個獨立變量。若物系的溫度和壓強(qiáng)一定，汽液兩相的組成就一定；若壓強(qiáng)和某相的組成一定，則物系的溫度和另一相組成將被唯一確定。雙組分汽液相平衡關(guān)系可由某變量與另兩個獨立變量的函數(shù)關(guān)系表達(dá)。相圖、相平衡常數(shù)或相對揮發(fā)度是常用的三種汽液相平衡關(guān)系。 雙組分汽液兩相，當(dāng)固定一個獨立變量，可用二維坐標(biāo)中的曲線圖來表示兩

6、相的平衡關(guān)系，稱為相圖。相圖有壓強(qiáng)一定的溫度-組成T-x(y)圖、液相組成和汽相組成x-y圖，以及溫度一定的壓強(qiáng)-組成p-x 圖。T-x(y) 圖代表的是在總壓 P 一定的條件下，相平衡時汽（液）相組成與溫度的關(guān)系。在總壓一定的條件下，將組成為 xf 的溶液加熱至該溶液的泡點 tA，產(chǎn)生第一個氣泡的組成為 yA。繼續(xù)加熱，隨溫度升高，物系變?yōu)榛コ善胶獾钠簝上?，兩相溫度相同組成分別為 yA 和 xA 。t/Cx(y)01.0露點線泡點線露點泡點xAyAxf氣相區(qū)液相區(qū)兩相區(qū)當(dāng)溫度達(dá)到該溶液的露點，溶液全部汽化成為組成為 yA= xf 的氣相，最后一滴液相的組成為 xA。x-y 圖代表在總壓一定

7、下，液相組成和與之成平衡的汽相組成的關(guān)系。x-y 圖可通過 T-x(y) 圖作出，圖中對角線 (y=x) 為一參考線。大多數(shù)溶液，兩相平衡時，y 總是大于 x，平衡線位于對角線上方。平衡線偏離對角線越遠(yuǎn)，該溶液越易分離。恒沸點時，x-y 線與對角線相交，該點處汽液相組成相等。對雙組分物系有 yB=1-yA，xB=1-xA，代入并略去下標(biāo) A 可得 相平衡方程對理想溶液，組分的揮發(fā)度 = po ，所以 xxy1100BABApp 值隨溫度變化相對較小，在一定的溫度范圍內(nèi)，常取 的平均值用于相平衡計算。 1，表示組分 A 較 B 易揮發(fā)； 值越大，兩個組分在兩相中相對含量的差別越大，越容易用蒸餾方

8、法將兩組分分離；若 =1， yA=xA，此時不能用普通蒸餾方法分離該混合物。BABAxxyy若已知兩組分的相對揮發(fā)度，可由上式確定汽液平衡組成。 6.2.1 平衡蒸餾 1. 定義平衡蒸餾是液體的一次部分汽化或蒸汽的一次部分冷凝的蒸餾操作。生產(chǎn)工藝中溶液的閃蒸分離是平衡蒸餾的典型應(yīng)用。 閃蒸操作流程：一定組成的料液被加熱后經(jīng)節(jié)流閥減壓進(jìn)入閃蒸室，液體因沸點下降變?yōu)檫^熱而驟然汽化，汽化耗熱使得液體溫度下降，汽、液兩相溫度趨于一致，兩相組成趨于平衡。由閃蒸室塔頂和塔底引出的汽、液兩相即為閃蒸產(chǎn)品。 閃蒸罐塔頂產(chǎn)品yAxA加熱器原料液 塔底產(chǎn)品 Q減壓閥閃蒸過程可通過物料衡算、熱量衡算以及相平衡關(guān)系求

9、解所需參數(shù)。下面以兩組分混合液連續(xù)穩(wěn)定閃蒸過程為例給予說明。 總物料衡算 式中：F、D、W 進(jìn)料流率和出塔汽.液相產(chǎn)物的流率，kmol/s； xF、yD、xW 料液組成以及出塔汽、液相產(chǎn)物的摩爾分?jǐn)?shù)。 易揮發(fā)組分的物料衡算 兩式聯(lián)立可得 WDFWxDyFxWDWFxyxxFD閃蒸罐D(zhuǎn), yD, teyD加熱器F, xF, tF W, xW, teQ減壓閥xWt0WDF若設(shè)液相產(chǎn)物占總加料量的分率為 q，即W/F=q，則汽化率為D/F =(1-q)，代入上式整理可得 11qxqqxyFWD上式表示了汽化率與汽、液相組成的關(guān)系。 平衡蒸餾過程可認(rèn)為經(jīng)部分汽化或部分冷凝后所得的汽液兩相呈平衡，即 y

10、DxW 符合平衡關(guān)系。若已知進(jìn)料組成 xF 和生產(chǎn)任務(wù)所要求的汽化率 (1-q)，結(jié)合物料衡算式可求得汽液相組成 yD、xW。 WWDxxy11料液由進(jìn)料溫度 tF 升至 t0 需供給的熱量 Q 為 閃蒸后，料液溫度由 t0 降至平衡溫度 te，若不計熱損失，則料液放出的顯熱全部用于料液的部分汽化所需的潛熱，即 FpmttFCQ0FrqttFCepm10pmeCqtt10通過以上諸式，在 q 為已知的條件下，由物料衡算與相平衡關(guān)系求得yD、xW 后，由溫度-組成相圖求 te，進(jìn)而求 t0。汽化量大， (1-q) 值大，閃蒸前料液溫度需加熱至更高的 t0 值。 由上式可得 簡單蒸餾也稱微分蒸餾，

11、間歇非穩(wěn)態(tài)操作(unsteady batch operation)，在蒸餾過程中系統(tǒng)的溫度和汽液相組成均隨時間改變。 分批加入蒸餾釜的原料液持續(xù)加熱沸騰汽化，產(chǎn)生的蒸汽由釜頂連續(xù)引入冷凝器得餾出液產(chǎn)品。釜內(nèi)任一時刻的汽液兩相組成互成平衡。y原料液x蒸氣xD1xD2xD3冷凝器任一時刻，易揮發(fā)組分在蒸汽中的含量 y 始終大于剩余在釜內(nèi)的液相中的含量 x，釜內(nèi)易揮發(fā)組分含量 x 由原料的初始組成 xF- 沿泡點線不斷下降直至終止蒸餾時組成 xE，釜內(nèi)溶液的沸點溫度不斷升高，蒸汽相組成 y 也隨之沿露點線不斷降低。t/Cx(y)01.0露點線泡點線xAyAxf 蒸餾的基本原理是將液體混合物部分氣化,

12、利用其中各組份揮發(fā)度不同（相對揮發(fā)度，）的特性，實現(xiàn)分離目的的單元操作。蒸餾按照其操作方法可分為：簡單蒸餾、閃蒸、精餾和特殊精餾等。 本節(jié)以兩組分的混合物系為研究對象，在分析簡單蒸餾的基礎(chǔ)上，通過比較和引申，講解精餾的操作原理及其實現(xiàn)的方法，從而理解和掌握精餾與簡單蒸餾的區(qū)別（包括：原理、操作、結(jié)果等方面）。6.2.1 蒸餾的操作和結(jié)果 以苯-甲苯混合液為例，圖6-1為其裝置和流程簡圖，其t-x-y 相圖如圖6-2 所示。將組成為xF、溫度為t1的混合液加熱到t3，使其部分氣化，并將氣相與液相分開，則所得的氣相組成為y3,液相組成為x3。可以看出，y3xFx3 。 由此可知，簡單蒸餾，即將液體

13、混合物進(jìn)行一次部分氣化(單級)的過程，只能起到部分分離的作用，只適用于要求粗分或初步加工的場合。而要使混合物中的組分得到高純度（幾乎完全）的分離，只有進(jìn)行精餾。 從相圖可以看出，用一次部分氣化得到的氣相產(chǎn)品的組成不會大于yD，而yD 是加熱原料液xF時產(chǎn)生的第一個氣泡的平衡氣相組成。同時，液相產(chǎn)品的組成不會低于xW，而xW是將原料也全部氣化時剩下最后一滴液體的平衡液相組成。組成為xW的液體量及組成為yD的氣體量是極少的。至于將xF的原料液加熱到t3時，液相量和氣相量之間的關(guān)系，可由杠桿規(guī)則來確定。 6.2.2 多次部分氣化和部分冷凝 如果將圖6-1所示的蒸餾單級分離加以組合, 變成如圖6-3所

14、示的多級分離流程（以3級為例）. 若將第1級溶液部分氣化所得氣相產(chǎn)品在冷凝器中加以冷凝, 然后再將冷凝液在第2級中部分氣化, 此時所得氣相組成為y2，y2y1, 這種部分氣化的次數(shù)（級數(shù)）愈多, 所得到的蒸汽濃度也愈高, 最后幾乎可得到純態(tài)的易揮發(fā)組分. 同理, 若將從各分離器所得到的液相產(chǎn)品分別進(jìn)行多次部分氣化和分離, 那么這種級數(shù)愈多, 得到的液相濃度也愈低, 最后可得到幾乎純態(tài)的難揮發(fā)組分. 圖6-3 多次部分氣化的分離示意圖1. 過程分析 上述的氣液相濃度變化情況可以從圖中清晰地看到.因此,同時多次地進(jìn)行部分氣化是使混合物得以完全分離地必要條件. 不難看出, 圖6-3所示的流程在工業(yè)上

15、是不能采用的, 因其存在以下兩個問題： （1）分離過程得到許多中間餾分，如圖中的組成為x1.x2 等液相產(chǎn)品，因此最后純產(chǎn)品的收率就很低； （2）設(shè)備龐雜，能量消耗大。 圖6-4 多次部分氣化的 t-x-y圖圖 6-5 無中間產(chǎn)品的 多次部分氣化的分離示意圖 混合液體連續(xù)或多次部分汽化，釜液組成沿 t-x(y) 相圖的泡點線變化，可得難揮發(fā)組分含量很高而易揮發(fā)組分含量很低的釜液。 混合蒸汽連續(xù)或多次部分冷凝，蒸汽組成沿 t-x(y) 相圖的露點線變化，可得到易揮發(fā)組分含量很高而難揮發(fā)組分含量很低的蒸汽。 精餾過程正是這二者的有機(jī)結(jié)合。 6.2.3 精餾塔的操作情況 精餾操作在直立圓形的精餾塔內(nèi)

16、進(jìn)行. 塔內(nèi)裝有若干層塔板或充填一定高度的填料, g-l 兩相傳質(zhì)可以是微分接觸式或逐級接觸式. 傳質(zhì)設(shè)備對吸收和蒸餾過程通用. 本章以逐級接觸的板式塔為重點. 圖6-8所示的為泡罩塔中任意第n層板上的操作情況. 進(jìn)入第板的氣相濃度和溫度分別為yn+1和tn+1，液相的濃度和溫度分別為xn-1和tn-1，二者互不平衡, yn+1tn-1 -存在溫度差和濃度差-傳質(zhì)和傳熱. 其結(jié)果:圖 6-8 泡罩塔的操作情況 1) 氣相部分冷凝, 使其中難揮發(fā)組分轉(zhuǎn)入到液相中； 2) 氣相冷凝放出潛熱傳給液相, 使其部分氣化, 其中的部分易揮發(fā)組分轉(zhuǎn)入到氣相, 結(jié)果: xnyn+1。 理論板: 氣.液兩相在塔板上充分接觸.混合, 進(jìn)行傳質(zhì).傳熱后,兩相組成均勻且離開塔板的氣.液兩相呈相平衡關(guān)系.顯然,在相同條件下, 理論板具有最大的分離能力, 是塔分離的極限. 6.2.4 精餾流程上升汽相中重組分向液相傳遞，液相中輕組分向汽相傳遞，完成上升蒸氣輕組分精制。下降液體中輕組分向汽相傳遞，汽相中重組分向液相傳遞，完成下降液體重組分提濃。 2) 求N 的步驟 自對角線上a點始, 在平衡線與精餾段操作線間繪出水平線及鉛垂線組成的梯級. 如圖6-17所示. 當(dāng)梯級跨過兩操作線交點d 時, 則改在平衡線與提餾操作線間