蒸餾 V1.0.ppt

1、2020/8/26,1,第六章 蒸餾,本章重點：二組分連續(xù)精餾塔的計算,2020/8/26,2,第一節(jié) 概述 蒸餾是分離液體混合物重要單元操作之一。其原理是利用混合液中各組分在熱能驅動下，具有不同的揮發(fā)能力，使得各組分在氣液兩相中的組成之比發(fā)生改變，即易揮發(fā)組分（輕組分）在氣相中增濃，難揮發(fā)組分（重組分）在液相中得到濃縮。 蒸餾操作的依據(jù)：混合液中各組分揮發(fā)度的不同。 蒸餾,蒸餾,蒸餾,2020/8/26,3,第二節(jié) 雙組分溶液的氣液相平衡 6-1溶液的蒸汽壓及拉烏爾定律 理想溶液的氣液相平衡關系服從拉烏爾定律,理想體系符合拉烏爾和道爾頓定律,2020/8/26,4,6-2 溫度-組成圖(t-

2、x-y圖) 由t-x-y數(shù)據(jù)，在溫度-組成坐標中繪制t-x-y圖，或氣、液平衡相圖。如圖所示 。,63 汽、液相平衡圖(x-y圖),2020/8/26,5,64 雙組分非理想溶液,由于體系內的組分在混合前后，分子作用不同 ，部分體系可能產生正偏離，另一部分溶液有可能負偏差，稱此類溶液為非理想體系如圖。,體系為負偏差 體系為正偏差,2020/8/26,6,65 揮發(fā)度及相對揮發(fā)度 一、揮發(fā)度 衡量組分揮發(fā)能力的物理量常用揮發(fā)度表示。在一定條件下純組分的揮發(fā)度由該組分在給定條件的蒸汽壓表示?；旌先芤褐幸唤M分的蒸汽壓受另一組分的影響，所以比純組分低，故其揮發(fā)度用它在氣相中的的分壓與其液相中摩爾分數(shù)的

3、比表示。,對于理想溶液,二、 相對揮發(fā)度 溶液中兩組分揮發(fā)度之比稱為相對揮發(fā)度。,2020/8/26,7,如果汽相服從道爾頓分壓定律,對于理想溶液,三、 汽液相平衡方程式 對于二元溶液，,2020/8/26,8,在一定溫度范圍內，可近似為常數(shù),值的大小可反映分離的難易程度，可分析某混合液可分離的難易程度。若=1，則由式（6-5）可看出Y=X，因而不能用普通方法分離；若1，則YX。愈大,Y比X大得愈多，分離愈易。 第三節(jié) 蒸餾與精餾原理 6-6 簡單蒸餾和平衡蒸餾 一 、簡單蒸餾,2020/8/26,9,2020/8/26,10,簡單蒸餾是分批加入原料，進行間歇操作。蒸餾過程中不斷從塔頂采出產品

4、。在蒸餾過程中釜內液體中的輕組分濃度不斷下降，相應的蒸汽中輕組分濃度也隨之降低。因此，餾出液通常試按不同組成范圍收集的。最終將釜液一次排出。所以簡單蒸餾是一個不穩(wěn)定過程。,二 平衡蒸餾（閃蒸） 平衡蒸餾原理 液相（或氣相）混合物連續(xù)通過節(jié)流閃蒸或膨脹或將混合氣進行部分冷凝，使物流達到一次平衡的蒸餾過程，稱之平衡蒸餾。,2020/8/26,11,與簡單蒸餾比較，平衡蒸餾為穩(wěn)定連續(xù)過程，生產能力大，但也不能得到高純度產物，常用于粗略分離物料 。 6-7 精餾原理 一、多次部分汽化、部分冷凝 利用混合物中各組分揮發(fā)能力的差異，通過液相和氣相的回流，使氣、液兩相逆向多級接觸，在熱能驅動和相平衡關系的約

5、束下，使得易揮發(fā)組分（輕組分）不斷從液相往氣相中轉移，而難揮發(fā)組分卻由氣相向液相中遷移，使混合物得到不斷分離，稱該過程為精餾。該過程中，傳熱、傳質過程同時進行，屬傳質過程控制。其精餾塔如圖所示。原料從塔中部適當位置進塔，將塔分為兩段，上段為精餾段，不含進料，下段含進料板為提留段，冷凝器從塔頂提供液相回流，再沸器從塔底提供氣相回流。氣、液相回流是精餾重要特點。在精餾段,氣相在上升的過程中，氣相輕組分不斷得到精制，在氣相中不斷地增濃，在塔頂獲輕組分產品。,2020/8/26,12,在提餾段，其液相在下降的過程中，其輕組分不斷地提餾出來，使重組分在液相中不斷地被濃縮，在塔底獲得重組分的產品 。 精餾

6、過程與其他蒸餾過程最大的區(qū)別，是在塔兩端同時提供純度較高的液相和氣相回流，為精餾過程提供了傳質的必要條件。提供高純度的回流，使在相同理論板的條件下，為精餾實現(xiàn)高純度的分離時，始終能保證一定的傳質推動力。所以，只要理論板足夠多，回流足夠大時，在塔頂可能得到高純度的輕組分產品，而在塔底獲得高純度的重組分產品。,2020/8/26,13,二、 塔板的作用 因為影響塔板分離能力的因素十分復雜，塔板上的實際工況的隨機性很強，難以建立一個描述塔板實際工況的數(shù)學模型。,為此，提出理論塔板這一概念。所謂理論塔板，指氣、液兩相在塔板上充分接觸，混合進行傳質、傳熱后，理論塔板兩相組成均勻且離開塔板的氣、液兩相呈相

7、平衡關系。 顯然，在相同條件下，理論板具有最大的分離能力，是塔分離的極限能力。 三、精餾塔設備 精餾塔是提供混合物氣、液兩相接觸條件、實現(xiàn)傳質過程的設備。該設備可分為兩類，一類是板式精餾塔，第二類是填料精餾塔。,2020/8/26,14,（1）.板式精餾塔 板式精餾塔如圖 (a)所示。塔為一圓形筒體，塔內設多層塔板，塔板上設有氣、液兩相通道。塔板具有多種不同型式，分別稱之為不同的板式塔，在生產中得到廣泛的應用。,(a) (b),混合物的氣、液兩相在塔內逆向流動，氣相從下至上流動，液相依靠重力自上向下流動，在塔板上接觸進行傳質。兩相在塔內各板逐級接觸中，使兩相的組成發(fā)生階躍式的變化，故稱板式塔為

8、逐級接觸設備。,2020/8/26,15,（2）填料塔 填料精餾塔如圖（b）所示。塔內裝有大比表面和高空隙率的填料，不同填料具有不同的比表面積和空隙率，為此，在傳質過程中具有不同的性能。填料具有各種不同類型，裝填方式分散裝和整裝兩種。視分離混合物的特性及操作條件，選擇不同的填料。 當回流液或料液進入時，將填料表面潤濕，液體在填料表面展為液膜，流下時又匯成液滴，當流到另一填料時，又重展成新的液膜。當氣相從塔底進入時，在填料孔隙內沿塔高上升，與展在填料上的液沫連續(xù)接觸，進行傳質，使氣、液兩相發(fā)生連續(xù)的變化，故稱填料塔為微分接觸設備。,2020/8/26,16,第四節(jié) 雙組分連續(xù)精餾塔的計算 68

9、全塔物料衡算,F=D+W,塔頂易揮發(fā)組分的回收率 塔底難揮發(fā)組分的回收率,2020/8/26,17,6-9理論板的概念及恒摩爾流假定 理論板：指離開該板的氣相組成與離開該板的液相組成之間互成平衡的板。 二、 恒摩爾流假定 1恒摩爾汽化 精餾段：V1=V2=Vn=V 提餾段：V1=V2=Vn=V 除飽和液體進料q=1以外,其余VV. 2恒摩爾溢流 精餾段：L1=L2=Ln=L,2020/8/26,18,除飽和氣體進料q=0以外,其余LL各流股單位:摩爾流量kmol/h 恒摩爾流假定成立的條件 (1)各組分的摩爾氣化潛熱相等。 (2)氣液接觸時因溫度不同而交換的顯熱可以忽略。 (3)塔設備保溫良好

10、，熱損失可以忽略不計。 6-10 操作線方程式 一、精餾段操作線方程,2020/8/26,19,二 、提餾段操作線方程 對如圖所示范圍進行物料衡算，可得，提餾段物料衡算關系,提餾段與精餾段的關系可由進料板上的物料與熱量衡算關聯(lián)起來。,若將精餾段及提餾段兩操作線與平衡曲線（yx）同時繪于同一直角坐標中，如圖所示。精餾段操作線如DC所示，提餾段操作線如QW所示。,2020/8/26,20,611 進料熱狀態(tài)的影響和q線方程 一、進料熱狀況參數(shù),精餾段與提餾段物流之間的關系為：,2020/8/26,21,進料存在5種熱狀態(tài)，分別是過冷液體、飽和液體、氣液混合物、飽和蒸氣以及過熱蒸氣進料。,(a)q1

11、,(b)q=1,(c)q=01,(d)q=0,(e)q0,2020/8/26,22,二、 q 線方程 在進料板上，同時滿足精餾段和提餾段的物料衡算，故兩操作線的交點落在進料板上。當q為定值，改變塔操作的回流比時，兩操作線交點軌跡即q線。,當一定操作回流比條件下，不同熱狀態(tài)對提餾段存在顯著的影響,2020/8/26,23,612理論板數(shù)確定 對于雙組分精餾系統(tǒng)比較簡單，采用逐板計算法即可方便求解。這里結合雙組分精餾進一步說明逐板計算方法。,體系相平衡關系 精餾操作方程 提餾段操作線方程,一、 逐板計算法,2020/8/26,24,當塔頂蒸氣全部被冷凝時，則有： 由平衡關系計算與 呈相平衡的液相組

12、成 。通過 采用精餾段操作線方程計算來自第二塊板蒸氣的組成 。以此類推，交替使相平衡與物料平衡關系，計算精餾段兩相的組成。 當精餾段逐板計算到液相組成即xxF時，物料衡算關系應換為提餾段操作方程。將此更換物料衡算關系式的理論板，作為進料板為宜，即最佳進料位置 。 同上，交替使用相平衡及物料平衡關系，逐級計算提餾段的組成分布，當計算的液相組成x略低于或等于 時，即可結束計算。計算中采用平衡關系的次數(shù)即塔滿足分離要求所需的理論板數(shù)N。由于再沸器存在部分氣化，具有分離能力，相當一塊理論板。,2020/8/26,25,二、圖解法 （1）在直角坐標中繪出體系相平衡曲線xy，同時連對角線 （2）繪出精餾段

13、操作線，精餾段操作線通過D、C兩點。,（3）給出q線，q線通過F、e點。,（4）連接b點與q線與精餾段操作線的交點Q，得到提餾段操作線。,2020/8/26,26,故從塔頂 D點開始在平衡線與精餾段操作線之間作梯級。 當求得 時，應由精餾更換提餾的操作線，即在平衡線與提餾段操作線之間作梯級，當求得液相組成 時結束。此時梯級數(shù)N（含再沸器）為所求的理論塔板數(shù)N，跨過兩操作線交點的板為最佳進料板。 613 回流比的影響與選擇 回流比R是精餾過程的設計和操作的重要參數(shù)。R直接影響精餾塔的分離能力和系統(tǒng)的能耗，同時也影響設備的結構尺寸。 當回流比增大時精餾段操作線斜率R/(R+1)增大，則精餾段操作線

14、遠離平衡線。使得精餾塔內各板傳質推動力增大，使各板分離能力提高。為此，完成相同分離要求，所需理論板數(shù)將會減少，然而由于R的增加導致塔內氣、液兩相流量增加，從而引起再沸器熱流提高。,2020/8/26,27,一、最小回流比Rmin 隨著回流比R的減小，則精餾過程的能耗下降，塔徑D也回隨之減小。但因R減小，使操作線交點向平衡移動，導致過程傳質推動力減小，使得完成相同的分離要求所需理論板數(shù)N隨之增加 當回流比繼續(xù)減小，使兩操作線交點落在平衡曲線上，,此時完成規(guī)定分離要求所需理論板數(shù)為。此工況下的回流比為該設計條件下的最小回流比Rmin。,2020/8/26,28,對于非理想溶液和多組分進料的其他體系

15、操作的最小回流比如圖所示,二、全回流與最少理論板數(shù),如果精餾塔在操作過程中，將塔頂蒸氣全部冷凝，其凝液全部返回塔頂作為回流，稱此操作為全回流，回流比R為無窮大（R=）。此時通常不進料，塔頂、塔底不采出。故精餾塔內氣、液兩相流量相等，L=V，兩操作線斜率均為1，并與對角線重合，如下圖所示。塔內無精餾段和提餾段之分，其操作線方程可表示為： 由于全回流操作時，使每塊理論板分離能力達到最大，完成相同的分離要求，所需理論板數(shù)最少，并稱其為最少理論板數(shù),2020/8/26,29,最少理論板數(shù)由以下芬斯克方程求得,該方程也可用于多組分精餾，其區(qū)別是以輕、重關鍵組分的分離代替雙組分的精餾。由于全回流操作時，使

16、每塊理論板分離能力達到最大，完成相同的分離要求，所需理論板數(shù)最少，并稱其為最少理論板數(shù) 。,2020/8/26,30,三、 適宜回流比 以獲得精餾總成本最低的回流比為最優(yōu)回流比?？偝杀緸橥顿Y費用和操作費用之和。 操作費用和投資費用之和最小的回流比為最適宜的回流比 。這一回流比R通常選最小回流比倍數(shù)經驗范圍：大多數(shù)文獻建議 R=（1.11.2）Rmin,614 理論板數(shù)的簡捷計算 將許多不同精餾塔的回流比、最小回流比、理論板數(shù)及最小理論板數(shù)即R、Rmin、N、Nmin四個參數(shù)進行定量的關聯(lián)。常見的這種關聯(lián)如圖所示，稱為吉利蘭圖（Gillilad）圖，如圖所示。,2020/8/26,31,簡捷法具

17、體步驟是： （1）根據(jù)精餾給定條件計算Rmin （2）由Fenske方程及給定條件計算Nmin （3）計算出橫坐標X （4）查圖或計算出縱坐標Y,（5）解得理論板數(shù)(N及Nmin均含再沸器理論板數(shù)）,2020/8/26,32,第五節(jié) 間歇蒸餾 間歇蒸餾如圖所示。間歇蒸餾又稱分批精餾。將原料分批加入釜內，每蒸餾完一批原料后，再加入第二批料。所以，對批量少，品種多，且經常改變產品要求的分離，常采用間歇蒸餾。 間歇蒸餾有兩種操作方式： （1）恒定回流比R （2）恒定塔頂組成,間歇蒸餾有以下特點： a. 間歇蒸餾屬于非穩(wěn)態(tài)過程 b. 只有精餾段沒有提留段,2020/8/26,33,第六節(jié) 恒沸精餾和萃

18、取精餾 一些具有恒沸點的非理想溶液，因該點的相對揮發(fā)度等于1，為此，不能采用常規(guī)蒸餾方法將其完全分離；有些相對揮發(fā)度接近1的體系，采用常規(guī)精餾，則需要理論板數(shù)多，回流比大，很不經濟。對上述兩種情況，可分別采用恒沸精餾和萃取精餾方法進行分離。 6-19 恒沸精餾 對于具有恒沸點的非理想溶液，通過加入質量分離劑即挾帶劑與原溶液其中一個或幾個組分形成更低沸點的恒沸物，從而使原溶液易于采用蒸餾進行分離的方法，稱之為恒沸精餾。乙醇水恒沸精餾流程如下圖所示。,2020/8/26,34,620 萃取精餾 組分的相對揮發(fā)度非常接近，但不形成共沸物的混合物，不宜采用常規(guī)蒸餾方法進行分離。而通過加入質量分離劑（或

19、稱之萃取劑），其本身揮發(fā)性很小，不與混合物形成共沸物，卻能顯著地增大原混合物組分間的相對揮發(fā)度，以便采用精餾方法加以分離，稱此精餾為萃取精餾。環(huán)乙烷苯的萃取精餾流程如圖所示 （糠醛萃取劑使苯由易揮發(fā)組分變?yōu)殡y揮發(fā)組分其 值遠離,2020/8/26,35,第七節(jié) 板式塔 6-21 塔板結構 板式塔結構如圖所示。塔體為一圓式筒體，塔體內裝有多層塔板。塔板設有氣、液相通道，如篩孔及降液管、溢流堰等。,一、 氣、液相流程 再沸器加熱釜液產生氣相在塔內逐級上升，上升到塔頂由塔頂冷凝器冷凝，部分凝液返回塔頂作回流液。液體在逐級下降中與上升氣相進行接觸傳質。液體橫向流過塔板，經溢流堰溢流進入降液管，液體在降

20、液管內釋放夾帶的氣體，從降液管底隙流至下一層塔板。,2020/8/26,36,二、塔內氣、液兩相的流動 1、 塔內氣、液兩相異常流動 （1）. 液泛 （2）嚴重漏液 2、 塔板上氣、液流動狀態(tài) （1）泡沫狀態(tài) （2）噴射狀態(tài) 622 塔板型式 按照氣相通過塔盤傳質元件的不同型式，可分為不同型式的塔板，現(xiàn)就常用板式塔介紹如下：,2020/8/26,37,（1）泡罩塔 特點：塔板操作彈性，塔效率也比較高，運用較為廣泛。最大的缺點是結構復雜，塔壓降低，生產強度低，造價高。,（2）浮閥塔板,特點：浮閥可隨氣速的變化上、下自由浮動，提高了塔板的操作彈性、降低塔板的壓降，同時具有較高塔板效率，在生產中得到廣泛的應用。,F-1型,V-4型,2020/8/26,38,（3）篩板塔板 特點：結構簡單，造價低廉，塔板阻力小，但操作彈性較小，目前已發(fā)展為廣泛應用的一種塔型。 6-23 塔板流型 液相在塔板上橫向流過時分程的型式稱之為流型。將液相從受液盤直