化工原理第九章液體精餾課件

第九章液體精餾9.1蒸餾概述用于互溶液體混合物的分離,是最常用的方法.蒸餾分離的物理依據(jù):液體中各組分揮發(fā)度不同.

液體部分氣化后的組成與剩余的液體組成有區(qū)別.工業(yè)蒸餾過(guò)程:最簡(jiǎn)單的是平衡蒸餾和簡(jiǎn)單蒸餾,只用一次平衡關(guān)系.對(duì)高純度的分離,需要精餾,(重點(diǎn))應(yīng)用多次平衡關(guān)系.圖9－1，圖9－2精餾操作的費(fèi)用和操作壓強(qiáng)操作費(fèi)用--液體氣化需要熱量(蒸汽),氣體冷凝需要冷量(冷卻水);設(shè)備費(fèi)用--塔器的投資,由塔直徑和塔板數(shù)(塔高)確定;操作壓強(qiáng)高—設(shè)備要求高,但對(duì)低沸點(diǎn)物質(zhì)可用一般冷卻介質(zhì);操作壓強(qiáng)低—需要真空設(shè)備,但適用高沸點(diǎn)和熱敏性物質(zhì);9.2雙組分溶液的氣液相平衡9.2.1理想物系的氣液相平衡氣液兩相平衡共存時(shí)的自由度

相律1)液相(或氣相)組成與溫度間一一對(duì)應(yīng)關(guān)系;2)氣,液組成間的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系.雙組分理想物系的液相組成—溫度(泡點(diǎn))關(guān)系式1)液相為理想液體(組分分子結(jié)構(gòu)相似),服從拉烏爾定律;2)氣相為理想氣體(低壓氣體),服從道爾頓分壓定律.

t-x(y)圖和y-x圖泡點(diǎn)線,露點(diǎn)線,平衡線y-x的近似表達(dá)式與相對(duì)揮發(fā)度相態(tài)變化杠桿定律P=常數(shù)xy011xAxBt泡點(diǎn)線露點(diǎn)線氣相區(qū)液相區(qū)兩相區(qū)重組分沸點(diǎn)輕組分沸點(diǎn)討論:1)上式相平衡方程，反映了雙組分物系平衡時(shí)兩相的濃度關(guān)系2)對(duì)理想物系3)對(duì)物系相對(duì)揮發(fā)度相差不大4)相差較大,但不超過(guò)30%9.2.2非理想物系的氣液相平衡實(shí)際生產(chǎn)遇到的物系大多數(shù)是非理想物系.在常壓和減壓條件下,氣相為理想氣體,液相為非理想上式為相平衡常數(shù)K為某些溶液和理想溶液比較具有較大的正偏差,使溶液在某一組成時(shí)其兩組分的蒸汽壓之和出現(xiàn)最大值.溶液具有最低恒沸點(diǎn).某些溶液和理想溶液比較具有較大的負(fù)偏差,使溶液在某一組成時(shí)其兩組分的蒸汽壓之和出現(xiàn)最小值.溶液具有最高恒沸點(diǎn).

活度系數(shù)是溫度和組成的函數(shù)可以通過(guò)活度系數(shù)關(guān)聯(lián)式求得,各種關(guān)聯(lián)式中的模型參數(shù)由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合.見(jiàn)圖9－6，圖9－7，圖9－8，圖9－9，圖9－10

在中高壓條件下,需通過(guò)狀態(tài)方程求取逸度系數(shù).9.3平衡蒸餾和簡(jiǎn)單蒸餾9.3.1平衡蒸餾y，x，泡點(diǎn)溫度te。DWFxF9.3.2簡(jiǎn)單蒸餾平衡蒸餾與簡(jiǎn)單蒸餾的比較:平衡蒸餾：y與x平衡簡(jiǎn)單蒸餾：y與x不滿足平衡關(guān)系當(dāng)液相產(chǎn)品x相等時(shí)，簡(jiǎn)單蒸餾的汽相產(chǎn)品濃度可大些見(jiàn)P59例9-3，兩種蒸餾方式只能使混合液一定程度的提濃，而不能獲得高濃度分離。9.4精餾9.4.1精餾原理上述平衡蒸餾與簡(jiǎn)單蒸餾可見(jiàn)只經(jīng)過(guò)一次部分氣化,即只利于一次平衡關(guān)系,因此不能獲得高純度產(chǎn)品.精餾實(shí)際是多次部分氣化或多次部分冷凝,即利用多次平衡關(guān)系.為了消除中間產(chǎn)品可以以下流程用上升蒸汽的熱量使液體部分氣化,由于是同一物系,可用直接接觸方式換熱.工業(yè)上精餾是在精餾塔內(nèi)完成的,塔頂冷凝器將蒸汽冷凝后,一部分冷凝液回流入塔,稱為回流液.塔底裝有再沸器氣化部分液體成蒸汽使之沿塔上升,與下降的液體逆流接觸進(jìn)行物質(zhì)傳遞,達(dá)到分離的目的.圖9-14常規(guī)精餾塔常規(guī)精餾塔見(jiàn)圖9-14一股進(jìn)料,二股出料,塔頂是全凝器,塔底是間壁式的再沸器.在塔的加料板以上完成上升蒸汽的精制,除去其中的重組分,稱為精餾段;在塔的加料板以下完成液體中提濃,提出輕組分,稱為提餾段.精餾與簡(jiǎn)單蒸餾的區(qū)別在于”回流”,回流構(gòu)成氣液兩相接觸傳質(zhì)的必要條件,使重組分向液相傳遞,輕組分向氣相傳遞.全塔物料衡算精餾塔操作的各流率和組成間的關(guān)系均受全塔物料衡算的約束.流率以kmol/s表示,氣液組成以摩爾分率y和x表示.總物料衡算對(duì)輕組分物料衡算得進(jìn)料組成xF通常已規(guī)定1)當(dāng)產(chǎn)品質(zhì)量規(guī)定,即xD和xW確定,產(chǎn)品得采出率D/F和W/F也確定,不能自由選擇.2)當(dāng)塔頂?shù)卯a(chǎn)率和質(zhì)量xD確定,塔底的產(chǎn)率和質(zhì)量xW也不能自由選擇.過(guò)程描述的基本方法列出物料衡算,熱量衡算,過(guò)程特征方程,有的時(shí)候進(jìn)行適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化.9.4.3塔板上過(guò)程的數(shù)學(xué)描述單塊塔板的物料衡算第n塊板的總物料衡算第n塊板的輕組分物料衡算單塊塔板的熱量衡算及簡(jiǎn)化若假定可得稱為恒摩爾流假定.(有時(shí)用恒質(zhì)量流假定)塔板傳質(zhì)過(guò)程的簡(jiǎn)化---理論板和板效率由于塔板上氣液傳遞過(guò)程非常復(fù)雜,為了避免困難,引入理論板概念理論板定義---在板上氣液充分接觸,傳熱和傳質(zhì)阻力為零的理想化塔板,即離開(kāi)塔板的氣液相溫度相等,氣液相組成達(dá)到相平衡.特征方程為:泡點(diǎn)方程tn=Φ(xn)相平衡方程yn=f(xn)但實(shí)際板不同于理論板,引入板效率概念氣相默弗里板效率

理論板概念的引入使復(fù)雜的精餾問(wèn)題分解為兩個(gè)問(wèn)題,然后分步解決.

理論板數(shù)量取決于分離要求,相平衡和回流比.板效率大小取決于設(shè)備和氣液接觸狀況.(相當(dāng)于NOG和HOG)經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)化單塊板的數(shù)學(xué)方程為:物料衡算式相平衡方程加料板過(guò)程分析1）加料的熱狀況——原料加熱到不同溫度時(shí)狀態(tài)不一；有冷液，飽和液，氣液兩相，飽和氣，過(guò)熱氣。不同的加料狀態(tài)，離開(kāi)加料板的兩相流量和組成也不同。聯(lián)立上二式，得定義：分子：1kmol原料變成飽和蒸氣所需的熱分母：原料的摩爾汽化熱可得q為加料熱狀態(tài)參數(shù)q＝0，飽和氣體（露點(diǎn)）；q＝0，飽和液體（泡點(diǎn)）q<0，過(guò)熱蒸氣；0<q<1，氣液兩相，q>1，冷液精餾塔內(nèi)的摩爾流率精餾段提餾段塔頂冷凝器熱負(fù)荷塔釜熱負(fù)荷冷凝器物料衡算塔釜物料衡算9.4.4精餾塔的逐板計(jì)算精餾段操作線提餾段操作線DFVLV‘L’理論板的增濃度yn和xn是平衡關(guān)系yn和xn-1是操作關(guān)系yn+1和xn是操作關(guān)系A(chǔ)B是液體經(jīng)過(guò)該塔板的增濃度BC是氣體經(jīng)過(guò)該塔板的增濃度第n板ynyn＋1xn－1xnxn－1xnyn＋1ynABC逐板計(jì)算法

平衡關(guān)系操作關(guān)系平衡關(guān)系操作關(guān)系直至達(dá)到塔底要求

最優(yōu)加料板位置的確定跨越點(diǎn)xq，yq的板為加料板位置是所需理論板最少。見(jiàn)表9－1如果理論板數(shù)已確定，在較高的板上進(jìn)料，使精餾段板數(shù)太少，提濃度不夠，塔頂達(dá)不到要求；在較低的板上進(jìn)料，使提餾段板數(shù)太少，提濃度不夠，塔底達(dá)不到要求；實(shí)際加料的位置應(yīng)是加料濃度與板上濃度接近的位置加入最合適，因?yàn)闈舛炔黄ヅ?，將改變精餾塔內(nèi)濃度分布，使分離效果降低。加料位置必須在圖9－27的p和m點(diǎn)之間。

操作線的實(shí)際作法消去上二式的xD，得1）以點(diǎn)xD和截距作精餾段操作線；2）以q線的斜率和點(diǎn)xF作q線；3）以點(diǎn)xW和點(diǎn)xq，yq作提餾段操作線。qxDxFxWq熱狀態(tài)和q線的斜率泡點(diǎn)加料是垂線露點(diǎn)加料是水平線q＝1q=00<q<1q>1q<0xF9.5.2回流比的選擇增大回流比，加大了精餾段的液氣比，也增大了提餾段的氣液比。使操作線靠向?qū)蔷€，理論板數(shù)減少，設(shè)備費(fèi)用減少；但能耗增加，操作費(fèi)用增加。是一個(gè)優(yōu)化的問(wèn)題。全回流與最少理論板數(shù)全回流是指塔頂全凝器的冷凝液全部入塔，無(wú)塔頂和塔底產(chǎn)品，也無(wú)進(jìn)料。一般用于設(shè)備開(kāi)車，希望盡快建立全塔的濃度分布，或在實(shí)驗(yàn)研究時(shí)采用。全回流時(shí)的操作線就是對(duì)角線，因此所需的理論板數(shù)最少。最少理論板數(shù)的計(jì)算，對(duì)應(yīng)理想溶液：最小回流比Rmin兩操作線向平衡線靠近，理論板數(shù)需要無(wú)窮多，e點(diǎn)為挾點(diǎn)，附近為恒濃區(qū)；最小回流比與平衡關(guān)系和分離要求有關(guān)。正常平衡關(guān)系時(shí)的最小回流比的計(jì)算：非正常平衡關(guān)系時(shí)，需用切線的方法，見(jiàn)圖9－32最適宜回流比的選擇回流比應(yīng)在Rmin與R∞之間，應(yīng)使設(shè)備費(fèi)用與操作費(fèi)用之和最小。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)取Ropt＝（1.2~2）Rmin回流比費(fèi)用理論塔板的捷算法當(dāng)對(duì)理論板數(shù)只需一個(gè)大概的估計(jì),可以用經(jīng)驗(yàn)公式，稱為吉利蘭關(guān)聯(lián)圖。計(jì)算步驟：1）計(jì)算最小回流比；2）選取實(shí)際操作回流比；3）計(jì)算全回流條件下的最少理論板數(shù)；4）由（R－Rmin）/（R＋1）5）查圖或計(jì)算得lg（N－Nmin）/（N+1）6）計(jì)算N。9.5.3加料熱狀態(tài)得選擇由圖可見(jiàn)不同得加料熱狀態(tài)將改變提餾段操作線的斜率和精餾段操作線的長(zhǎng)短.q值越小,提餾段靠近平衡線,需要的理論板數(shù)越多.由全塔的熱量衡算可知當(dāng)塔頂冷凝量一定時(shí),進(jìn)塔的熱量等于塔釜熱量和加料熱量,q小加料熱量多,使塔釜熱量減少,上升蒸汽量少,不利于分離.塔釜熱量不變,加料熱量增加,塔頂冷凝量也增加,回流比增大,塔板數(shù)可減少,但能耗增大.一般而言,熱量盡可能塔底加入,塔頂取出.有時(shí)氣相進(jìn)料,主要是為了減少再沸器的熱負(fù)荷,尤其釜溫較高,可防止結(jié)焦.9.5.4雙組分精餾過(guò)程的其他類型直接蒸汽加熱在分離要求相同的情況下,因加熱蒸汽凝液排出時(shí)也帶出少量輕組分,將使輕組分的回收率降低.因此須盡可能除去蒸汽夾帶的水分.多股加料如圖有二股加料,把精餾塔分成三段,因此有三根操作線.并且下段的操作線斜率大.最小回流比位置會(huì)根據(jù)平衡關(guān)系的不同發(fā)生變化.如把二股物料混合后一起加入,將不利于分離q1q2F1F2DW側(cè)線出料左圖是飽和液體出料,右圖是飽和氣體出料.不夠那種出料,第二操作線斜率小于第一操作線斜率.最小回流比時(shí),恒濃區(qū)一般出現(xiàn)在q線和平衡線的交點(diǎn)處.qqx’Dy’DD’F回收塔只有提餾段無(wú)精餾段的塔稱為回收塔.目的:回收稀溶液中的輕組分,并要求不高;或物系在低濃度相對(duì)揮發(fā)度較大.設(shè)計(jì)時(shí),已知原料組成xF,規(guī)定釜液組成xW及回收率,則塔頂濃度xD和采出率D/F由全塔物料衡算確定.提餾段操作線方程同精餾塔,泡點(diǎn)加料時(shí)為:要提高餾出液濃度,須減少蒸發(fā)量,減少氣液比,理論板數(shù)要增加.xWxFxDxDmax9.5.5平衡線為直線時(shí)理論板數(shù)的解析計(jì)算雙組分溶液在很低的濃度，汽－液平衡關(guān)系為線性，即y＝Kx，K為常數(shù)。恒摩爾流假定，操作線也為直線。上述方法適用于高純度分離過(guò)程理論板數(shù)的計(jì)算。y1x0yN＋1xN9.6雙組分精餾的操作型計(jì)算9.6.1精餾過(guò)程的操作型計(jì)算操作型計(jì)算的命題已知：全塔總板數(shù)，加料板位置，平衡關(guān)系，原料組成xF和熱狀態(tài)q，回流比R，塔頂產(chǎn)出率D/F。求：產(chǎn)品組成xD和xW，及逐板組成分布。特點(diǎn)：變量間多為非線性關(guān)系，需試差；加料板位置或其他操作條件，不一定最優(yōu)?；亓鞅仍黾訉?duì)精餾結(jié)果的影響回流比增大塔頂xD↑和塔底xW↓。同時(shí)塔頂全凝器的熱負(fù)荷和塔底再沸器的熱負(fù)荷也增加。但回流比增大對(duì)xD和xW影響有極限值。進(jìn)料組成變動(dòng)的影響xF下降，xD↓，xW↓。要保持產(chǎn)品濃度，需增大回流比或減小產(chǎn)出率D/F。壓強(qiáng)的影響壓強(qiáng)影響平衡線的位置，一般設(shè)計(jì)時(shí)已確定壓強(qiáng)，操作時(shí)要控制其穩(wěn)定。加料熱狀況的影響q增大，塔頂xF↑，但全凝器熱負(fù)荷要增加。產(chǎn)出率的影響D增大，xD↓加料量的影響熱負(fù)荷變化9.6.2精餾塔的溫度分布和靈敏板精餾塔溫度分布溶液的泡點(diǎn)與組成和壓強(qiáng)有關(guān)靈敏板－塔板溫度對(duì)外界干擾反映最敏感的塔板。

控制點(diǎn)放在靈敏板上,該板溫度發(fā)生變化,即可開(kāi)始調(diào)節(jié).P大xB大大tt板序號(hào)9.7間歇精餾9.7.1間歇精餾的特點(diǎn)分離要求較高,料液品種或組成變化,處理量比較小的,采用間歇精餾比較合適.間歇精餾料液一次性投入塔釜,輕組分提取后,釜液一次性排出.特點(diǎn):1)非定態(tài)過(guò)程;2)精餾塔全為精餾段,無(wú)提餾段.操作模式:1)為保持塔頂濃度,可逐步加大回流比;2)回流比恒定,塔頂濃度逐步下降;3)塔釜的物料可分批加入下一次精餾中.9.7.2保持餾出液組成恒定的間歇精餾設(shè)計(jì)型計(jì)算已知:投料量F,料液組成xF,要求的塔頂餾出物組成xD,規(guī)定的釜液組成xW或回收率η,選擇回流比范圍.求:所需理論板數(shù)xWyWxD

在操作過(guò)程中，塔板數(shù)不變，隨著釜液的降低，逐步增大回流比R，由于汽化量V不變，塔頂流出液D逐步下降，來(lái)保證塔頂濃度。見(jiàn)例9－10附表2。9.7.3回流比保持恒定的間歇精餾塔板數(shù)和回流比不變，塔頂餾出液濃度和釜液濃度同時(shí)下降。為了達(dá)到某一要求的產(chǎn)物，最初的餾出液濃度要提高，使整個(gè)精餾過(guò)程的平均濃度為產(chǎn)品濃度。設(shè)計(jì)型計(jì)算

已知料液量F，料液組成xF，最終釜液xW，餾出液平均濃度xDp。選擇合適的回流比及所需理論板數(shù)。設(shè)初始濃度xDs。選合適的回流比，計(jì)算理論板。有類似簡(jiǎn)單精餾形式因塔板數(shù)和回流比一定，瞬時(shí)釜液組成x必對(duì)應(yīng)一個(gè)塔頂濃度xD。通過(guò)數(shù)值積分得W。平均濃度xDp為：例9－11是兩種間隙精餾能耗得對(duì)比結(jié)果：在產(chǎn)品質(zhì)量一樣的情況下，保持恒定塔頂組成的比較經(jīng)濟(jì)，但控制比較困難。9.8恒沸精餾和萃取精餾當(dāng)有恒沸物的物系，不能用精餾的方法把恒沸物分離；或相對(duì)揮發(fā)度接近1，用精餾所需的理論板太多。需用特殊精餾的方法，即一般加入第三組分來(lái)改變?cè)M分間的熱力學(xué)相平衡關(guān)系。常用的特殊精餾有恒沸精餾和萃取精餾。恒沸精餾加入第三組分挾帶劑，形成新的恒沸物從塔頂蒸出。萃取精餾不形成恒沸物，第三組分萃取劑從塔底排出。9.8.1恒沸精餾雙組分非均相恒沸精餾不要加入第三組分，利用塔頂恒沸物冷凝后分成兩個(gè)部分互溶的液相，通過(guò)二個(gè)塔設(shè)備聯(lián)合操作，來(lái)進(jìn)行分離。xF=0.71%蒸汽其余水xW＝0.009%99%糠醛恒沸組成9.19%糠醛2％糠醛70.1%糠醛三組分恒沸精餾以乙醇～水物系原恒沸物0.894（摩爾分?jǐn)?shù)），溫度78.15度；現(xiàn)加入苯為挾帶劑，形成三元恒沸物64.9度，組成苯0.539，乙醇0.228，水0.233。挾帶劑量合適正好把水全部帶完。流程見(jiàn)圖9－50。挾帶劑的選擇：1）能與一個(gè)或二個(gè)組分形成最低恒沸物從塔頂蒸出。最好與量少的成恒沸物，以減少能耗。2）新的恒沸物要容易分離，回收挾帶劑，最后冷凝后分層。3）挾帶劑的挾帶量要大，可以少有挾帶劑。9.8.2萃取精餾流程——異辛烷～甲苯（沸點(diǎn)99.3度~110.8度)，加苯酚（沸點(diǎn)181度）為萃取劑。異辛烷～甲苯異辛烷甲苯～苯酚甲苯苯酚0.550.83萃取劑的選擇1）選擇性高；2）揮發(fā)度小，易回收；3）與原物系能有足夠的互溶度，混合良好。操作特點(diǎn)：1）各板保持足夠的萃取劑濃度，回流比太大會(huì)使萃取劑濃度下降；2）為使精餾段和提餾段萃取劑濃度接近，原料以飽和蒸汽加入；3）萃取劑加入量一般較多，能耗主要提高萃取劑溫度。恒沸精餾和萃取精餾的比較1）因恒沸精餾要形成恒沸物，恒沸劑比較難選擇；萃取劑容易選擇，適用范圍大；2）恒沸物塔頂蒸出，萃取劑塔頂排除，因此恒沸精餾