生物工程設(shè)備精餾省公開課一等獎全國示范課微課金獎課件

第六章

蒸餾設(shè)備1/82概述1.蒸餾應用2.蒸餾分離目標和依據(jù)3.蒸餾過程分類4.蒸餾操作費用2/822、蒸餾分離目標和依據(jù)

目標：對液體混合物分離，提取或回收有用組分

依據(jù)：液體混合物中各組分揮發(fā)性差異液體混合物：(如:酒精水溶液)揮發(fā)性大（乙醇），稱為易揮發(fā)組分或輕組分（A）揮發(fā)性?。ㄋ?，稱為難揮發(fā)組分或重組分（B）3/82間歇蒸餾連續(xù)蒸餾按操作方式：普通蒸餾特殊蒸餾按分離難易：4、蒸餾操作費用4、蒸餾操作費用主要費用：加熱和冷卻費用，即能耗大。4/82第一節(jié)蒸餾分離提純原理一。酒精-----水混合液相平衡1.1雙組分溶液氣液關(guān)系

1、相律分析：組分：A、B變量：t、p、xA、yA相數(shù)：氣相、液相自由度：

一定壓力下:液相（氣相）組成xA(yA)與溫度t存在一一對應關(guān)系氣液組成之間xA~yA存在一一對應關(guān)系5/82

一定壓力下:液相（氣相）組成xA(yA)與溫度t存在一一對應關(guān)系氣液組成之間xA~yA存在一一對應關(guān)系自由度：1、相律分析：組分：A、B變量：t、p、xA、yA相數(shù)：氣相、液相1.1雙組分溶液氣液關(guān)系6/82pA，pB——溶液上方A、B組分分壓，Pa；pA0，pB0——溶液溫度下純組分飽和蒸汽壓，Pa；xA，

xB——液相中A、B組分摩爾分率。對于理想溶液：1.

拉烏爾定律（Raoult’sLaw）1.2氣液相平衡7/822、道爾頓分壓定律：——泡點方程液相組成x與溫度（泡點）關(guān)系8/82氣相組成yA與溫度（露點）關(guān)系——露點方程9/82三個區(qū)域：液相區(qū)氣、液共存區(qū)氣相區(qū)3、組成~溫度圖（t~x~y圖)兩條線：氣相線（露點線）

yA~t關(guān)系曲線液相線（泡點線）

xA~t關(guān)系曲線10/824、x~y圖對角線y=x為輔助曲線x~y曲線上各點含有不一樣溫度；平衡線離對角線越遠，揮發(fā)性差異越大，物系越易分離。11/825.壓力x~y圖影響壓力增加，平衡線靠近對角線，分離難度大12/82對于非理想溶液含有正偏差溶液

普通正偏差：pA>pA理，pB>pB理。乙醇－水溶液相圖正偏差溶液：x=0.894，最低恒沸點，78.15℃13/821.4酒精---水混合液相平衡圖譜解釋：

非理想溶液原因：

酒精和水分子間吸引力<酒精分子間吸引力混合物分子間吸引力<純組分所受吸引力特點：分子易汽化液面上各組分蒸汽分壓比理想溶液大在恒定壓力下進行汽化14/821.4酒精---水混合液相平衡從T—x圖能得到結(jié)論：1。蒸汽中易揮發(fā)酒精組分含量比原混合液中高（y1>x1,y2>x2...）所以經(jīng)過連續(xù)分離，冷凝，加熱,酒精得到濃縮2。在T-x圖中交點M處蒸汽組成和液體組成相等，不能經(jīng)過常規(guī)常壓（大氣壓）蒸餾法得到無水酒精3。若增加液相中酒精含量，會促使液面上蒸汽總壓增大，即在一定壓力下溶液沸點降低，酒精在蒸汽中含量比與之相平衡液相中含量要高15/82二。相對揮發(fā)度和揮發(fā)系數(shù)混合液某組分揮發(fā)度:1.揮發(fā)度pA、pB——汽液平衡時，組分A,B在氣相中分壓；xA、xB——汽液平衡時，組分A,B在液相中摩爾分率。組分揮發(fā)度:是該物質(zhì)揮發(fā)難易程度標志，表示。16/82理想溶液則:2.相對揮發(fā)度(以α表示)理想氣體：普通物系：17/82對于二元物系：yB=1-yAxB=1-xA即——相平衡方程理想溶液：4.平均相對揮發(fā)度18/823.α物理意義氣相中兩組分組成之比是液相中兩組分組成之比倍數(shù)

α標志著分離難易程度:α愈大,平衡線愈遠離對角線，物系愈易分離；α=1,無法用普通蒸餾方法分離。

19/82揮發(fā)系數(shù)K表示物質(zhì)在溶液中揮發(fā)性能強弱K酒=A/Q其中A%-----溶液沸騰時蒸汽中酒精含量（V）Q%------混合液中酒精含量（V）雜質(zhì)：Kc=α/β其中α%----氣相中雜質(zhì)含量

β%----液相中雜質(zhì)含量在酒精蒸餾過程中，有些雜質(zhì)揮發(fā)系數(shù)一直大于1，其它一些一直小于1，有些則在酒精濃度高時Kc由大于1變?yōu)樾∮?揮發(fā)系數(shù)大于1在蒸餾過程中沿塔上升，不然沿塔下移若揮發(fā)系數(shù)隨酒精濃度升高在某一濃度時揮發(fā)系數(shù)由大于1變成小于1，則該組分濃縮在該酒精濃度相當塔板上

20/82簡單蒸餾1.裝置21/821、屢次部分汽化和屢次部分冷凝三。酒精精餾缺點：1、收率低；2、設(shè)備重復量大，設(shè)備投資大3、能耗大，過程有相變。22/822、有回流屢次部分汽化和屢次部分冷凝23/82第二節(jié)酒精蒸餾流程一兩塔式流程二三塔式流程三多塔蒸餾24/82第三節(jié)粗餾塔作用：從發(fā)酵成熟醪中將酒精成份提取出來要求：1。處理能力大2。塔板效率高3。塔板壓降低4。操作彈性大5。結(jié)構(gòu)簡單，制造成本低6。能夠滿足工藝特定要求25/82一。粗餾塔板類型及結(jié)構(gòu)一、泡罩塔26/82二、篩板塔篩板塔主要結(jié)構(gòu)：篩孔——提供氣體上升通道；2.溢流堰——維持塔板上一定高度液層，以確保在塔板上氣液兩相有足夠接觸面積；3.降液管——作為液體從上層塔板流至下層塔板通道。27/8228/823.導向篩板29/824.浮閥波紋篩紋30/825。斜孔塔斜孔孔口都朝一個方向31/82二。粗餾塔設(shè)計和計算1。酒精粗餾塔熱量衡算和物料衡算包含：加熱蒸汽用量計算，粗餾酒精蒸氣濃度和數(shù)量確定酒精廢液排出量計算物料衡算公式：酒精衡算：粗餾塔熱量衡算：其中：qm,F-----成熟醪進料量,kg/hqm,D-----加熱蒸汽量,kg/hqm,W----酒精廢液量，kg/hqm,V---塔頂上升粗酒精蒸氣量，kg/hqm,V’---塔上酒精蒸汽滲漏量,kg/hwf----成熟醪中酒精含量，%32/82Ww---酒精廢液中酒精含量%，w1------粗酒精蒸汽中酒精含量%Hs---加熱蒸氣熱焓，kJ/kgTw-----塔底酒精廢液溫度CCw----酒精廢液熱比容，kJ/kg。ch---粗酒精蒸氣熱焓，kj/kgC—成熟醪熱比容kJ/kg。cT---成熟醪進塔溫度。CQ’----熱損失，kj/h2.粗餾塔定粗酒精蒸氣濃度確實定每1000kg進料液加熱至沸騰時所需熱量計算公式：式中：T1---進料板上液體沸騰溫度。CT---進料液溫度（成熟醪進塔溫度）。Cc---進料液（成熟醪）熱比容，kJ/kg。cc=4.266-0.0401ww---醪中干物質(zhì)含量，%3。塔板層數(shù)確實定（圖解法）1。計算進料熱狀態(tài)參數(shù)δ：δ=每1kg進料變?yōu)轱柡驼羝锜崃?每1kg進料氣化潛熱

=(hg-hf)/r=[r+c(T1-T)]/r33/82式中：hg----每1kg飽和蒸汽熱焓，kj/kghf-----每1kg進料熱焓，kj/kgr----每1kg進料氣化潛熱，kj/kg2）繪平衡曲線圖：在坐標紙上繪制平衡曲線y-x，并作對角線y=x3）在圖上取x=xi，在x軸上作垂直線與對角線相交于點a4）從點a作斜率為δ/（δ-1）δ線5）做提餾段操作線6）從δ線與提餾段操作線交點b開始，在操作線和平衡曲線間畫引階梯，直至超出x=xw為止7）若下端含糊不清需放大20~30倍或者用下式計算從0.2%（摩爾）至xw一段所需理論塔板數(shù)n’式中：x0----上限酒精濃度，x0=0.2%（摩爾分數(shù)）xw----下限酒精濃度，普通為xw=0.004%（摩爾分數(shù)）K----酒精揮發(fā)系數(shù)qm,D----加熱蒸氣量，kg/hqm.L-----溢流量，kg/hqm,L=δqm,F34/828）實際板數(shù)：實際板數(shù)=理論塔板數(shù)/塔板效率4。板間距選擇：板間距隨空塔蒸汽速度，料液起泡性和塔板類型而改變5。塔徑計算式中V-----粗餾塔內(nèi)上升蒸汽量,m3/sv-----塔內(nèi)上升蒸汽速度，m/sФ----塔徑,m塔內(nèi)蒸汽速度與板間距和泡沸深度相關(guān)。蒸汽速度計算公式：式中：HT----板間距，mZ----沸泡深度,mZ=0.5h+h3蒸餾塔內(nèi)上升蒸汽量計算公式：式中qm,v2----粗餾塔內(nèi)上升蒸汽量,kg/hqm,L----粗餾塔內(nèi)溢流量,kg/hQ,mv1------粗餾塔頂上升蒸汽量，kg/hqmF---粗餾塔進醪量,kg/h35/82第四節(jié)精餾塔進料板：原料液進入那層塔板精餾段：進料板以上塔段提餾段：進料板以下（包含進料板）塔段連續(xù)精餾裝置流程１.連續(xù)精餾裝置36/822、塔板作用塔板提供了汽液分離場所。每一塊塔板是一個混合分離器足夠多板數(shù)可使各組分較完全分離特點：37/82回流作用：提供不平衡氣液兩相，是組成氣液兩相傳質(zhì)必要條件。精餾主要特點就是有回流3、精餾過程回流回流包含：塔頂回流液塔底回流汽38/82理論板概念和衡摩爾流假設(shè)1、理論板概念理論板：離開塔板蒸汽和液體呈平衡塔板。

假設(shè)：（1）、兩組分摩爾汽化潛熱相等；（2）、兩相接觸因兩相溫度不一樣而交換顯熱可忽略不計；（3）、塔設(shè)備保溫良好，熱損失能夠忽略不計。2、恒摩爾流假設(shè)39/82精餾段，每層塔板上升蒸汽摩爾流量都相等，提餾段也一樣。即：V1=V2=……V=常數(shù)V1’=V2’=……V’=常數(shù)式中：V------精餾段上升蒸汽摩爾流量，kmol/h;V’-----提餾段上升蒸汽摩爾流量，kmol/h。（1）恒摩爾汽化40/82精餾段內(nèi)，每層塔板下降液體摩爾流量都相等，提餾段也一樣。即：L1=L2=······L=常數(shù)L1’=L2’=······L’=常數(shù)式中：L------精餾段下降液體摩爾流量，kmol/h;L’-----提餾段下降液體摩爾流量，kmol/h。（下標1、2······表示自上而下塔板序號。）（2）恒摩爾溢流41/82一精餾塔塔板類型和結(jié)構(gòu)一浮閥塔板分盤式和條式兩種二篩板塔板42/82二精餾塔設(shè)計和計算1。影響精餾原因1）恒摩爾汽化提餾段和精餾段每一段上升蒸汽摩爾數(shù)都是相等2）恒摩爾溢流，在提餾段和精餾段內(nèi)每一段上下降液體摩爾數(shù)相等3）最上層塔板上升蒸汽進入冷凝器中全部冷凝4）采取間接蒸氣加熱43/82塔頂采出率塔底采出率2。精餾段操作線方程1全塔物料衡算F、D、W——kmol/hxF、xD、xW——摩爾分率塔頂易揮發(fā)組分回收率塔底難揮發(fā)組分回收率F,xFD,xDW,xW44/822。精餾塔熱量衡算熱量衡算公式：式中：If，Is，Ig，Iv，IP，Ip’Iw----為對應物料熱焓，kj/kgq’----熱損失，kj/h精餾段操作方程：式中yn+1----n+1層上升蒸汽中酒精摩爾濃度xn----n層下降回流液中酒精摩爾濃度xp---成品酒精摩爾濃度Ri----回流比QFQDQWQcQ’QvQRQB45/823精餾段操作線方程令——回流比

——精餾段操作線方程46/82截距:精餾段操作線:當R,D,xD為一定值時,該操作線為一直線.斜率:yxxD操作線為過點（xD，xD）畫操作線過程以下:47/824提餾段操作線方程——提餾段操作線方程48/82操作線實際做法49/824進料熱情況影響(1)冷液(2)飽和液體（泡點進料）(3)氣液混合(4)飽和蒸汽（露點進料）(5)過熱蒸汽50/82FLV’L’V冷液進料泡點進料FLV’L’VFqF(1-q)FLV’L’V汽液混合進料51/82FLV’L’V過熱蒸汽進料FLV’L’V飽和蒸汽進料52/82加料板FF,xF,hFLhF-1VHFL’hFV’HF+11、加料板物料衡算FhF+LhF-1+V’HF+1=VHF+L’hF

物料恒算：F+V’+L=V+L’2、熱量衡算式中：H，h，hF---分別為飽和蒸汽、飽和液體、原料液摩爾焓KJ/kmol；53/82HF=HF+1=H=原料在飽和蒸汽狀態(tài)下摩爾焓hF=hF-1=h＝原料在飽和液體狀態(tài)下摩爾焓假設(shè)：令q=q——進料熱情況參數(shù)54/825進料方程（q線方程）q線方程或進料方程55/8256/82精餾操作分離要求：（1）D,xD(W,xW)；（2）xD,xW；（3）選擇條件：操作壓力p，回流比R，進料熱狀態(tài)q。確定：塔板數(shù)N57/825.1理論塔板數(shù)計算1.逐板計算法xn~yn符合平衡關(guān)系；yn+1~xn符合操作關(guān)系。塔頂設(shè)全凝器，泡點回流。塔頂全凝器精餾段（n-1）塊板，第n塊為加料板。精餾段：F,xFD,xDW,xWyWm-112nx1x2xnxm-1y2y1ym-158/82提餾段：

提餾段（m-1）塊板

2.圖解法59/8260/823.最優(yōu)加料位置確實定加料過晚加料過早最優(yōu)加料板位置：61/825.2回流比影響與選擇1.回流比對精餾操作影響62/8263/826.影響塔板效率原因1）塔板間距：對一定蒸汽速度而言，塔板間距太小，易產(chǎn)生霧沫夾帶現(xiàn)象，使塔板效率降低。但塔板間距過大時，若適當提升上升蒸汽速度，又會使整個塔板高度增加2）板上液層深度：液層太低，汽液接觸時間很短或者根本沒有接觸就離開，將產(chǎn)生跑氣現(xiàn)象。而液層太深而蒸汽速度不夠大，液體可從升氣孔滲漏流下，使塔板效率降低3）水力梯度（板上液面落差）影響：當水力梯度較大時，當塔板上靠近受液區(qū)側(cè)和靠近溢流區(qū)側(cè)板上液面高度差較大時，氣體分布不均勻，汽液間接觸不好，使塔板效率降低64/824）塔板安裝不水平或塔板凹凸不平，或升氣孔分布不均，使塔板效率降低5）塔板上溢流裝置形式：當液流量為110m3/h以下,采取單葉型直徑，當液流量為110m3/h以上，塔徑在2m以上時。采取雙流型半徑流6）被精餾物易起泡時，塔板效率降低7）若板液體不停更新，汽液接觸充分，可使塔板效率提升8）回流比對精餾塔理論板數(shù)存在影響6.影響塔板效率原因65/82全回流：塔頂蒸汽全部冷凝回至塔內(nèi)，此時產(chǎn)品量為0，回流比R=α，精餾段操作線斜率為R/（R+1）=1，操作線和對角線重合，所需理論板數(shù)最少最小回流比是指操作線和平衡曲線相切回流比。此時需無數(shù)多塊理論塔板在操作線超出平衡曲線時，精餾操作不可能實際回流比在全回流和最小回流之間要求：1）滿足蒸餾理論。2）要求生產(chǎn)操作費用最小3）使設(shè)備費用最小6.影響塔板效率原因66/826.影響塔板效率原因回流比小，塔板層數(shù)就多，設(shè)備投資就大?；亓鞅戎鸩皆龃?，塔板層數(shù)對應降低，但塔內(nèi)上升蒸汽量將隨回流比增大而增大，塔徑需增大，使操作費和維持費增加最小回流比公式：式中：xp-----成品酒精濃度,mol/Lx0-----進料層液相中酒精濃度,mol/Ly0-----與進料層液相相平衡氣相酒精濃度，mol/L67/828.塔徑計算1）精餾塔上升蒸汽量Vs計算：精餾塔上升蒸汽量以塔頂狀態(tài)下計算：式中：V1---塔頂上升蒸汽量,kmol/sT----塔頂溫度，KP----塔頂壓力，Pa塔上升蒸汽量可用下式計算：式中：R-----回流比P-----成品量，kg/s

P醛酒------醛酒提取量，kg/sp-------塔頂溫度壓力下蒸汽密度,kg/m3HT68/822.塔內(nèi)蒸汽速度v確實定塔內(nèi)蒸汽速度受3個方面控制：1）最大允許速度必須小于能引發(fā)“液泛”氣速2）蒸汽速度增大不至于引發(fā)霧沫夾帶超出10%3）確保汽液有足夠接觸時間塔內(nèi)上升蒸汽速度與塔板間距，塔板結(jié)構(gòu)，操作條件，被蒸餾物物理化學性質(zhì)以及分離程度等原因相關(guān)浮閥塔上升蒸汽速度v計算公式：式中：Pl，pv----分別為液體氣體密度,kg/m3c-----負荷系數(shù)。與板間距，液層深度和密度相關(guān)適宜空塔速度V是最大允許氣速0.75~0.85倍69/823）塔徑D：

8。塔板布置:1）浮閥塔板a）鼓泡區(qū)：汽液兩相接觸有效區(qū)域b）溢流區(qū)：裝置溢流堰及上下降液管范圍c）安定區(qū)：溢流區(qū)和鼓泡區(qū)之間區(qū)域d）無效區(qū)：最外一層浮閥與塔壁間區(qū)域2）浮閥數(shù)目N：浮閥數(shù)目普通由塔板開孔率決定，是塔板面積8%~15%式中：Ao----浮孔總面積,m2Do-----閥孔直徑,mF-1型浮閥Do=0.39mAT-----塔板截面積,m270/828。塔板布置:在確定開孔率時，須先確定閥孔速度：式中v----適宜空塔速度,m/svo----閥孔速度，常壓vo=（vo）kp（vo）kp----閥孔臨界速度，即閥孔剛才全開時閥孔氣速34gF-1型浮閥閥孔臨界速度為或采取浮閥剛才全開時動能原因Fo來計算vo浮閥剛才全開時Fo=8~12，式中pv為氣相密度,kg/m3減壓蒸餾時，vo=（0.8~0.85)(vo)kp,塔內(nèi)上升蒸汽量體積流量為Vo每層塔板上閥孔數(shù)N為：3）降液管和溢流區(qū)：對弓形降液管，單液流型塔板堰長Lw=0.6~0.8D，對于雙流型則為0.5~0.7倍71/828。塔板布置:式中：hw----堰高，mhL----塔板上液層深度，m普通=115mm左右how—堰上液層高度式中E----液體收縮系數(shù)，普通E=1L---溢流量,m3/hLw---堰長，m溢流堰內(nèi)液體停留時間：式中：t—停留時間（s）普通為3~5sAf----溢流堰截面積,m2H----塔板間距，mL----溢流量，m3/s溢流堰下口距下層塔板間距ho為：式中vw----液體在堰底出口流速，0.1~0.5m/s72/824）浮閥排列普通以等邊或等腰三角形為宜。三角形排列中又有順排和錯排兩種按正三角形排列時，浮閥中心距t為：式中：Ao---閥孔總面積,m2Do----閥孔直徑，mAs---塔板有效面積,m2為等腰三角形時：式中：t’---等腰三角形高，普通取75mm73/822）斜孔塔板1）開孔率和斜孔數(shù)：開孔率普通在9.5%~14.5%斜孔數(shù)N：式中：Ao----開孔面積,m2fo-----每個斜孔截面積，m2φ----開孔率At----塔板截面積,m22）斜孔氣速vo式中V----塔內(nèi)蒸汽上升量,m3/s蒸汽經(jīng)過斜孔速率常取9~12m/s，其動能原因Fo=10~15較適當pv----上升蒸汽平均密度，kg/m33）斜孔排列：按相鄰兩行方向排列4）溢流裝置：單溢流，弓形溢流堰式74/829。塔板上流體力學計算1）塔板壓降：Δp由氣體經(jīng)過干板壓力降Δpo和液層壓力降ΔpL組成Δp=Δpo+ΔpLΔpo計算公式：式中ξ---阻力系數(shù)，普通篩板（孔徑D=8~15mm）ξ=1.6~1.8浮閥全開ξ=5.37，斜孔ξ=2.0vo---閥孔速度，m/spv----氣相密度,kg/m3Pl----液相密度,kg/m3g---重力加速度g=9.81（m/s2）ΔpL計算公式：式中hl----踏板上液層高度，mpL----液相密度，kg/m30.5---充氣系數(shù)75/82其中：浮閥未全開時：干板壓降主要是閥重，閥孔徑，浮閥類型，閥孔速度函數(shù)塔板壓力降與氣流速度，液層高度，液流強度及兩相物化性質(zhì)相關(guān)降低塔板壓力降主要路徑是降低板壓降2）塔板泄漏塔板泄漏隨孔速增大而降低，隨孔徑降低而降低，隨塔板上靜液層高度下降而降低泄漏點：閥孔氣速低于某一值時，液體開始大量泄漏常以10%氣速泄漏液量為泄漏點9。塔板上流體力學計算76/823）霧沫夾帶：霧沫夾帶指塔板上氣流夾帶液滴上升。缺點：霧沫夾帶量大時，塔內(nèi)餾分濃度梯度降低，影響塔板效率，非揮發(fā)性雜質(zhì)也會帶入成品影響原因：氣體空塔速度板間距控制量在10%以下慣用氣體空塔速度與液泛時氣體空塔速度比值百分數(shù)（泛點%）作為間接衡量霧沫夾帶大小指標計算公式：

泛點泛點%應<80%式