第六章蒸馏

第六章蒸馏第一节概述6-1-1蒸馏操作在化工生产中的应用用于均相液体混合物的分离，以达到提纯或回收有用组分的目的。6-1-2蒸馏操作的依据蒸馏操作就是借助液体混合物中各组分挥发性的差异，进行气化、冷凝分离液相混合物的化工单元操作。液体均具有挥发而成为蒸气的能力，但不同的液体在一定温度下的挥发能力各不相同，在蒸馏操作中，将挥发能力强的组分称为易挥发组分或轻组分；将挥发能力弱的组分称为难挥发组分或重组分。6-1-3蒸馏过程的分类蒸馏操作的分类方法有很多种，可按照按操作流程、操作压强、蒸馏方式等分类。第二节双组分物系的气液相平衡6-2-1理想物系的气液相平衡理想物系中液相为理想溶液，遵循拉乌尔定律；气相为理想气体，遵循道尔顿分压定律。一、相律表示平衡体系中的自由度数、相数及独立组分数的关系F=C－Φ+2双组分的气液平衡涉及的参数有：温度t、压强p及组分A在液相和气相的组成xA和yA（另一组分的组成不独立），因此在t、p、xA和yA四个变量中，任意规定其中二个变量，该平衡物系的状态就被唯一确定。双组分物系在恒压条件下进行操作时，自由度只有一个，即t、xA（yA）两参数确定一个，另一个即被确定。二、气液相平衡的函数关系根据拉乌尔定律，得到泡点方程式根据道尔顿分压定律，得到露点方程式露点方程和泡点方程主要用于计算平衡物系中气液两相组成。三、气液相平衡相图1、温度-组成（t-x-y）图用于表示总压一定时的混合液在不同温度下的气-液相平衡组成（均以易挥发组分表示）。图中以温度为纵坐标，气-液相组成为横坐标，图中两条线分别为饱和液体线和饱和蒸气线。两条线将图分为三个区：饱和液体线以下的区域为液相区；饱和蒸气线上方的区域为过热蒸气区；二曲线包围的区域为气液共存区。2、气-液相组成（y-x）图当总压一定时以x为横坐标，y为纵坐标，以液相组成和与之相平衡的气相组成的曲线和对角线（y=x）组成的相图。平衡线距对角线越远，则与x相平衡的y值越大，说明该混合液越易分离。6-2-2非理想物系的气液相平衡实际生产中遇到的大多数物系为非理想物系。一、气液相平衡函数关系非理想物系可能有以下三种情况：（1）液相为非理想溶液，气相为理想气体；（2）液相为理想溶液，气相为非理想气体；（3）液相为非理想溶液，气相为非理想气体。非理想溶液的根源在于不同种类分子之间的作用力与同种分子间的作用力不同，其表现为溶液中各组分的平衡分压与用拉乌尔定律计算的平衡分压发生偏差，修正的泡点方程式修正的露点方程式二、气液相平衡相图1、温度-组成（t-x-y）图当非理想溶液为正偏差溶液时，在t-x-y相图上会出现泡点的最小值（这种溶液称为具有最低恒沸点）；当非理想溶液为负偏差溶液时，在t-x-y相图上就会出现泡点的最大值（这种溶液称为具有最高恒沸点）。2、气-液组成（y-x）图由于非理想溶液在某一组成时具有最低（高）恒沸点，在y-x图中平衡线与对角线有一交点，交点处，说明该混合液用普通的蒸馏方法不能得到较完全的分离。6-2-3挥发度及相对挥发度一、挥发度挥发度可用蒸气分压和与之平衡的液相中的摩尔分数之比来表示，A组分的挥发度为对于理想溶液二、相对挥发度相对挥发度可用易挥发组分的挥发度与难挥发组分的挥发度之比表示，对双组分混合液，总压不太高时，可得到相平衡方程式利用相对挥发度的大小，可判断某混合液是否能用普通蒸馏方法分离以及分离的难易程度，若＞1可用普通蒸馏方法分离；若=1不能用普通蒸馏方法分离。在精馏计算中，如果操作温度范围内物系的相对挥发度变化不大，可取其平均值，通常用算术平均值。第三节简单蒸馏和平衡蒸馏6-3-1简单蒸馏一、简单蒸馏流程特点简单蒸馏是将原料液一次加入蒸馏釜中，在恒压下加热使之部分汽化，产生的蒸气进入冷凝器中冷凝，随着过程的进行，釜液中易挥发组分含量不断降低，当釜液组成达到规定值时，即停止蒸馏操作，釜液一次排出。二、简单蒸馏的计算物料衡算若原料液量为F，釜液量为W，其组成分别为x1、x2若为理想物系若在操作范围内，平衡关系为直线馏出液的平均组成（或xD，m）6-3-2平衡蒸馏一、平衡蒸馏流程特点平衡蒸馏又称闪蒸，是将原料液预热至要求温度，经减压阀减压至规定压力进入分离器。在分离器内，部分料液汽化并引入塔顶冷凝，未汽化的液体为底部产品。二、平衡蒸馏计算1、物料衡算总物料衡算F=D+W易挥发组分衡算FxF=Dy+Wx分离器内汽化率D/F=1－q两相组成满足2、热量衡算加热物料所需热量Q=Fcp（t－tF）料液被加热的温度3、气液平衡关系在分离器中，气液两相处于平衡状态，因此符合相平衡方程式。平衡温度te与组成x应满足te=f（x）第四节精馏6-4-1精馏原理精馏是按照均相液体混合物各组分挥发度不同，进行气相多次部分冷凝过程和液相多次部分汽化而将混合液加以分离的。分离后可获得纯度高的易挥发组分和难挥发组分，工业生产中用精馏塔并采用回流这种工程手段来实现这一分离过程。因此，塔底蒸气回流和塔顶液体回流是精馏过程连续进行的必要条件，回流也是精馏与普通蒸馏的本质区别。6-4-2精馏操作流程连续精馏通常在精馏塔中操作完成，还要有塔底再沸器和塔顶冷凝器、冷却器以保证必要的回流。有时还要配备原料预热器等附属设备。原料液从塔中间适当位置进入塔内。进料板以上称为精馏段，进料板以下（包括进料板）称为提馏段。第五节双组分连续精馏的计算6-5-1.理论板的概念与恒摩尔流的假设一、理论板的概念精馏过程中气液离开塔板时气液两相互为平衡，这块板称为理论板。理论板实际上是不存在的，仅作为衡量实际板分离效率的依据和标准二、恒摩尔流假设1、恒摩尔气流V1=V2=…=Vn=VV1，=V2，=…=Vm，=V，但V和V，不一定相等。2、恒摩尔液流L1=L2=…=Ln=LL1，=L2，=…=Lm，=L，但L和L，不一定相等。6-5-2全塔物料衡算总物料衡算F=D+W易挥发组分的物料衡算FxF=DxD+WxW常用回收率的表示：塔顶易挥发组分的回收率塔釜难挥发组分的回收率进行物料衡算时，F、D、W的单位可用kmol/h，也可用kg/h。当单位用kmol/h时，组分的组成应用摩尔分率；当单位用kg/h时，组分的组成应用质量分数。6-5-3操作线方程一、精馏段操作线方程总物料衡算V=L+D易挥发组分衡算Vyn+1=Lxn+DxD操作线方程式中称为回流比当D、R、xD为定值时，该方程式为一直线方程式。二、提馏段操作线方程总物料衡算L，=V，+W易挥发组分衡算L，xm，=V，ym+1，+WxW操作线方程或当L，、W、xW为定值时，该方程式为一直线方程式。6-5-4进料热状况的影响及q线方程一、进料热状况的影响精馏塔的进料热状况有五种：（1）冷进料；（2）泡点进料；（3）气液混合进料；（4）露点进料；（5）过热蒸气进料。进料板物料衡算F+V'+L=V+L'进料板热量衡算FIF＋V'IV'+LIL=VIV+L'IL'进料热状况参数并由此得到L，=L+qF及V'=V+(q－1)F二、q线方程q线方程又称为进料方程，是精馏段操作线与提馏段操作线交点的轨迹方程。当q一定时，q线方程为一直线方程。6-5-5理论板层数的计算一、逐板计算法塔顶为全凝器，泡点回流，塔釜用间接蒸气加热。因此y1=xD根据理论板的概念，第一层板下降的液相组成x1与y1互为平衡关系，可用相平衡方程式计算x1，x1与第二层板上升蒸气组成y2可用精馏段操作线方程计算。如此交替的利用相平衡方程及精馏段操作线方程逐板计算。对泡点进料，当计算至xn≤xF时，改用相平衡方程式与提馏段操作线方程计算，直至xm'≤xW为止。精馏段所需理论板层数为（n－1），提馏段所需理论板层数为（m－1），第n层理论板为进料板。在计算过程中，每使用一次平衡关系，表示需要一层理论板。用逐板计算法时需已知物系的相对挥发度。二、图解法与逐板计算法相同，也是交替使用相平衡方程式和操作线方程，区别只是将计算改为图解。该方法的步骤：1、绘出y-x相图2、绘出精馏段操作线在x=xD、xF、xW点分别过三点引铅垂线，与对角线分别交于a、e、c三点，并根据R作出精馏段操作线。3、绘出q线根据q作出q线。4、绘出提馏段操作线5、在平衡线和操作线之间绘阶梯。阶梯数减1即为不包括再沸器的理论板层数。6-5-6最小回流比、回流比及其选择回流比有全回流及最小回流比两个极限，操作回流比介于两个极限之间的某个适宜值。一、全回流和最少理论板层数上升至塔顶的蒸气经冷凝后全部流回塔内，这种操作方式称为全回流。这时F=0、D=0、W=0、R=∞，在y-x相图上两条操作线合二为一，且与对角线重合。全回流的操作线方程为yn+1=xn，理论板层数最少，以Nmin表示。全回流时理论板层数求法主要有图解法、解析法两种。全回流操作主要用于精馏的开工、短期停工阶段或实验研究等。二、最小回流比当回流比R减小至某一数值时，精馏段操作线和提馏段操作线交点正好落在平衡线上，此时理论板层数无穷多，对应的回流比为最小回流比，用Rmin表示。最小回流比的计算最小回流比的Rmin值还与平衡线的形状有关，对特殊形状的平衡线，操作线则与平衡线相切得到最小回流比。三、适宜回流比的选择操作费用和设备费用最低时的回流比为适宜回流比。在精馏塔设计中，回流比还可根据经验选取R=(1.1~2.0)Rmin6-5-7理论板层数的简捷计算法当需要对理论板层数作大致估算或大致地找出板层数与回流比的关系时，可采用吉利兰（Gilliland）图进行简捷计算。方法如下：1、由分离要求，求算出Rmin，并选择适宜的R；2、求算全回流下的Nmin；3、计算吉利兰图中横坐标值，在图中找出相应点，算出理论板层数N（不包括再沸器）。4、按以上方法计算精馏段的理论板层数确定进料板位置。6-5-8精馏装置的热量衡算一、冷凝器冷凝器的热负荷QC＝(R+1)D(IV－IL)冷却介质消耗量二、再沸器再沸器的热负荷QB＝V，(I'V－I'L)＋QL加热介质消耗量第六节间歇精馏间歇精馏与连续精馏相比，具有以下特点：（1）间歇精馏为非定态过程。（2）间歇精馏塔只有精馏段，因此，获得同样组成的产品，间歇精馏的能耗必大于连续精馏。6-6-1恒回流比操作操作回流比恒定，随着过程的进行，釜液组成及馏出液组成均下降。物料衡算馏出液的平均组成xDm6-6-2恒馏出液组成操作馏出液组成恒定，操作回流比不断增大，釜液组成不断降低，馏出液量不断减少。第七节恒沸精馏与萃取精馏6-7-1恒沸精馏在具有恒沸点的原双组分混合液中加入第三组分（称为夹带剂），夹带剂与原混合液中的一个或两个组分形成新的恒沸物，使原混合液中两组分之间的相对挥发度增大，从而可以用一般的精馏方法来分离。这种精馏方法称为恒沸精馏。夹带剂的基本要求是：夹带剂应能与被分离组分形成新的恒沸液，其恒沸点比纯组分的沸点低；新的恒沸物中夹带剂的组成要小；形成的新恒沸液便于分离；无毒、无腐蚀性，热稳定性好等。6-7-2萃取精馏在原混合液中加入第三组分（称为萃取剂或溶剂），以增加原混合液中两组分之间的相对挥发度，从而可用一般的精馏方法分离。这种精馏方法称为萃取精馏。萃取剂的要求是：萃取剂应使原组分之间的相对挥发度发生显著的变化；与原料液的互溶度大，不产生分层现象；易于回收，可循环使用；使用安全，性质稳定，价格便宜等。第八节板式塔6-8-1板式塔的结构由圆柱形壳体、塔板、溢流堰、降液管及受液盘等部件组成。塔板是板式塔的核心部件，它提供气液接触的场所。在有降液管的板式塔中，气液两相总体呈逆流流动，而在每块塔板上呈错流方式接触。一、塔板的主要类型有降液管的塔板主要有泡罩塔板、浮阀塔板、筛孔塔板（筛板）、舌形塔板等对各种塔板性能的评价和要求主要有：（1）生产能力；（2）板效率；（3）压降；（4）操作范围；（5）结构情况等。6-8-3板式塔的流体力学性能一、塔板上气液接触状况当孔速较小时为鼓泡接触状态；随着孔速增大转为泡沫接触状态；当孔速较大时为喷射状态。工业上常采用泡沫接触状态或喷射接触状态。二、塔板上气液两相的非理想流动1.返混现象（1）液沫夹带塔板上部分液体产生与液体主体流动方向相反的