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初步掌握精馏原理和塔板数的计算



1,初步掌握精馏原理和塔板数的计算

2,了解回流比对精馏操作的影响

3,了解精馏塔的基本结构和主要性能

第五章 蒸 馏(distillation)

基本要求

重点

难点

精馏原理,塔板数的计算;回流比对精馏的影响

连续精馏的基本原理和塔板数的计算

§1.1 概 述

1.蒸 馏

传质(mass transfer)过程:物质在相间的转移过程称为传质(分离)过程

化学工业中常见的传质过程:

通过加热造成气液两相物系,利用物系中各组分挥发度不同的特性以实现分离的单元操作

蒸馏,吸收,萃取,干燥

2.蒸馏过程的分类

1.按蒸馏方式

简单蒸馏

平衡蒸馏

精馏

特殊精馏

萃取精馏

恒沸精馏

2.按操作压强

常压蒸馏

加压蒸馏

减压蒸馏

3.按待分离混合物中组分的数目:

双组分蒸馏

多组分蒸馏

4.按操作流程:

间歇蒸馏:小规模生产,非定态操作

连续蒸馏:大规模,定态操作

本章讨论:常压下的两组分连续精馏

vapor-liquid phase equilibrium

§1.2 两组分溶液的气液平衡

1.2.1 双组分理想物系的气液平衡

理想物系:溶液中不同组分的分子间作用力和相同组分的分子间作用力完全相等.液相为理想溶液,气相为理想气体的混合物物系

液相为理想溶液,遵循拉乌尔定律

气相为理想气体,遵循道尔顿定律

1)用饱和蒸气压表示

气液平衡关系的表示法

拉乌尔定律:一定温度下,理想溶液上方气相中任意组分的分压等于纯组分在该温度下的饱和蒸气压与它在溶液中的摩尔分数的乘积.

a:易挥发组分,沸点低组分

b:难挥发组分,沸点高组分

y:气相中易挥发组分的摩尔分数;

1-y:难挥发组分的摩尔分数

x: 液相中易挥发组分的摩尔分数;

1-x:难挥发组分的摩尔分数

溶液沸腾时,总压等于各组分的蒸气压之和

理想气体混合物服从道尔顿分压定律:

用饱和蒸气压表示的气液平衡关系

2)用相对挥发度表示

某组分在气相中的平衡分压与该组分在液相中的摩尔分率之比

某组分由液相挥发到气相中的趋势,是该组分挥发性大小的标志

☆挥发度定义

挥发度意义

双组分理想溶液

☆相对挥发度定义

溶液中易挥发组分挥发度与难挥发组分挥发度之比

压强不高,气相遵循道尔顿分压定律

理想溶液

①α>1,表明a比b容易挥发,α越大,挥发度差别越大,越容易分离.

②若α=1,y=x,说明气液相组成相同,不能采用普通的精馏方法分离

对挥发度的理解

气液平衡方程

1.2.2 两组分理想溶液的气液平衡相图

苯(a)和甲苯(b)的饱和蒸气压和温度关系如表,试利用拉乌尔定律和相对挥发度分别计算苯-甲苯混合液在总压101.33kpa下的气液平衡数据,温度-组成图

101.3

93.9

83.3

74.5

65.7

57.6

50.6

44.4

39.3

pbo/ kpa

233.0

221.2

199.3

179.2

160.5

143.7

130

113.6

101.3

pao/ kpa

110.8

108

104

100

96

92

88

84

80.1

t /℃

1)温度-组成(t-x-y)图

解 (1)利用拉乌尔定律计算气液平衡数据

0.000

0.127

0.305

0.453

0.595

0.720

0.819

0.922

1.000

y

0.000

0.058

0.155

0.256

0.376

0.508

0.639

0.822

1.000

x

110.8

108

104

100

96

92

88

84

80.1

t / ℃

(2)利用相对挥发度计算气液平衡数据

求平均挥发度

t---y线,气相组成与平衡温度之间的关系.饱和蒸气线,露点线

t---x线,液相组成与平衡温度之间的关系.饱和液相线,泡点线

2)x-y 图

(1)y > x

(2)平衡线离对角线越远,气液两相浓度差越大,溶液越易分离

1.3.1 平衡蒸馏(闪蒸)

§1.3 平衡蒸馏和简单蒸馏

操作过程:混合液经加热器升温,使温度高于分离器压强下液体的沸点,通过减压阀降压进入分离器,此时过热的液体混合物被部分汽化得到分离

1.物料衡算

总物料:

易挥发组分:

f,d,w---原料液,气相,液相产品摩尔流量,kmol/s

xf,y,x---原料液,气相,液相产品的组成,摩尔分数

q:液化分率

2.热量衡算

对加热器热量衡算

原料液减压进入分离器,物料放出的显热等于部分汽化所需潜热

原料液离开加热器的温度

1.3.2 简单蒸馏(微分蒸馏)

① 得不到大量高纯度的产品

②釜液与蒸气的组成都是随时间而变化的,是一种非稳态过程

③只能进行初步分离,而且生产能力低,适合于当组分挥发度相差较大的情况.

特 点:

※蒸馏---当生产上对产品的纯度要求不高,只需要初步分离时采用的分离方法;

※平衡,简单蒸馏是单级分离过程→一次部分汽化→混合物部分分离

※精馏是多级分离过程→多次部分汽化和部分冷凝→混合物几乎完全分离

※精馏---当产品的纯度要求高,特别是在混合物挥发度比较接近时采用的分离方法.

蒸馏与精馏的区别

§1.4 精馏原理和流程

1.4.1 精馏过程原理和条件

液体混合物经多次部分气化后,在液相中获得高纯度的难挥发组分

气体混合物经多次部分冷凝后,在气相中获得高纯度的易挥发组分

条件

结果

将原料液进入的层板称为加料板,加料板以上的塔段,作用是把上升蒸气中易挥发组分进一步提浓,称为精馏段;加料板以下的塔段(包括加料板),其作用是从下降液体中提取易挥发组分,称为提馏段

1.4.2 精馏操作流程

1.5.1 理论板的概念和恒摩尔流假定

理论板:在其上气,液两相都充分混合,且传质及传热过程阻力均为零的理想化塔板,无论进入理论板的气,液两相组成如何,离开该板时气,液两相达到平衡状态,即两相温度相等,组成互成平衡,组成关系可由平衡关系来确定

§1.5 两组分连续精馏的计算

1.恒摩尔气流

精馏段

提馏段

2.恒摩尔液流

精馏段

提馏段

恒摩尔流:每层塔板的上升蒸气的摩尔流量恒定,下降液体的摩尔流量也恒定.

精馏塔的塔板上气液两相接触时,若有n kmol/h的蒸气冷凝,相应有n kmol/h液体气化.

1.全塔物料衡算

总物料:

易挥发组分:

f,d,w---原料液,馏出液,釜残液摩尔流量,kmol/s

xf,xd,xw---易挥发组分的摩尔分数

1.5.2 物料衡算与操作线方程

塔顶易挥发组分的回收率:

分离要求的表示方法

(1)规定易挥发组分在馏出液和釜残液的组成;

(2)规定馏出液组成xd和塔顶易挥发组分回收率;

(3)规定馏出液组成xd和塔顶采出率d/f

(4)塔底难挥发组分的回收率

在连续精馏塔中分离苯-甲苯混合液.已知原料液流量为10000kg/h,苯的组成为40%(质量).要求馏出液组成为97%,釜残液组成为2%.试求馏出液和釜残液的流量(kmol/h)及馏出液中易挥发组分的回收率

苯的摩尔质量为78kg/kmol;甲苯的摩尔质量为92kg/kmol

2. 精馏段操作线方程

总物料

易挥发组分

回流比

①物理意义:n板下降的液相组成与相邻的n+1板上升蒸气组成之间的关系

②由恒摩尔流的假定,l为定值,且连续定态操作中d和xd也是定值,r是常量,直线方程

3. 提馏段操作线方程

总物料:

易挥发组分:

②根据恒摩尔流的假定,l'为定值,且连续定态操作中w 和xw也是定值,是直线方程

①物理意义:m板下降的液相组成与相邻的m+1板上升蒸气组成之间的关系

在某两组分连续精馏塔中,精馏段内自第n层理论板下降的液相组成为0.65(易挥发组分摩尔分数),进入该板的气相组成为0.75,塔内气液摩尔流量比v/l=2,物系的相对挥发度为2.5,试求r,yn,xn-1

物料衡算:

热量衡算:

一,进料热状况参数

1.5.3 进料热状态的影响

令:

q:进料热状况参数

精馏段和提馏段的气,液相流量与进料量及进料热状况参数之间的基本关系

提馏段操作线方程

例题1-5

二,进料热状况:

(1)温度低于泡点的冷液体;

(2)泡点温度的饱和液体;

(3)温度介于泡点和露点之间的气液混合物;

(4)露点温度的饱和蒸气;

(5)温度高于露点的过热蒸气.

进料热状况影响l,l'及v,v '之间的关系

l'包括三部分:

①l;②f;③因原料温度低于加料板上气液温度,故原料进入加料板后将一部分从提馏段上升蒸气冷凝下来

(1)冷液进料:

(2)饱和液体进料

原料进入加料板后全部以原来液体的状况进入提馏段

原料含有一部分液体(往下流),一部分气体(上升)

(3)气液混合物进料

(4)饱和蒸气进料

原料进入加料板后全部以原来气体的状况上升

因原料温度高于加料板上气液温度,故原料进入加料板后势必将原塔内下降的液体加热气化上升.

(5)过热蒸气进料

例1-8

分离例1-6中的苯-甲苯混合液,若进料为饱和液体,r=3.5,试求提馏段操作方程,截距和斜率

例1-9

分离例1-8中的苯-甲苯混合液,若将进料热状态变为20℃的冷液体,试求提馏段的上升蒸气流量和下降液体流量.

已知操作条件下苯的汽化热为389kj/kg,甲苯的汽化热为360kj/kg,原料液的平均比热容为158kj/(kmol.℃).苯-甲苯混合液的气液平衡数据见图.

原料液的平均气化热

1.5.4 理论塔板数的求法

1.逐板计算法

精馏段

第一块(全凝)

第一板上升的蒸气被全部冷凝并在泡点下回流,故塔顶馏出液组成及回流液组成与第一层板的上升蒸气相同

第二块

……....

离开每层理论板的气液相平衡

第n块

加料板属于提馏段,故精馏段所需塔板数为(n-1)

……....

再沸器相当一块理论板,提馏段所需板数(m-1)

提馏段:

……

精馏塔所需的总理论板数

2.梯级图解法

2.1 在x-y坐标图上作出平衡曲线和对角线

2.2 在x-y坐标图上作出操作线

(1)精馏段操作线的作法

精馏段操作线

精馏段操作线

(2)提馏段操作线的作法

(3)q 线方程

精馏段操作线与提馏段操作线交点的轨迹方程

画q线方程

q 线方程,进料方程

过e点作斜率为q/(q-1)的直线ef,即为q线

e

f

(4)进料热状况对q线及操作线的影响

+

<0

过热蒸气

0

0

饱和蒸气

-

0

冷液体

q线的斜率q/(q-1)

q值

进料热状况

q线在x-y图上的位置

2.3 图解方法

图解法求理论板数

2.4 适宜的进料位置

进料位置不当,将使理论板数增多.实际操作中,进料位置过高,馏出液中难挥发组分含量增高;反之进料位置过低,使釜残液中易挥发组分含量增高

离开该板的液相组成x≤xd,如上图中的4块塔板为最优加料位置

最优加料板位置的确定:

例1-10

在常压连续精馏塔中,分离苯-甲苯混合液.已知原料液流量为116.6kmol/h,苯的组成为0.44(摩尔分数).要求馏出液组成为0.975,釜残液组成为0.0235,回流比为3.5,相对挥发度为2.47,塔顶采用全凝器,泡点下回流.塔釜采用间接蒸汽加热,试用逐板计算法求理论板数.

例1-11

在常压连续精馏塔中分离苯-甲苯混合液,试用图解法求理论板数

(1)在直角坐标上利用平衡方程绘制平衡曲线及对角线;

(2)在对角线上定点a(0.975,0.975),在y轴上截距为:

在y轴上定出点b,连接ab即为精馏段方程

(3)在对角线上定点e(0.44,0.44),过点e作斜率为3.76的直线ef,即为q线.与精馏段操作线相交于点d

(4)在对角线上定点c(0.0235,0.0235),连接cd,该直线即为提馏段操作线

自点a开始在平衡线和精馏段操作线间由水平线和垂直线所构成的梯级,当梯级跨过点d后更换操作线,即在平衡线和提馏段操作线间画梯级,直到梯级达到或跨过点c为止

1.5.5 回流比的影响及其选择

回流比有两个极限值,上限是全回流(塔顶上升蒸气经冷凝后全部回流至塔内),下限为最小回流比

回流比:

1.全回流和最少理论板层数

全回流时,操作线距平衡线最远,表示塔内气液两相间的传质推动力最大,因此达到给定分离任务所需理论板数最少,最少理论板数nmin

精馏段操作线与对角线重合

操作线方程:

提馏段操作线与对角线重合

理论板数:

芬斯克方程

全塔平均相对挥发度,可取塔顶和塔底的平均值

全回流时最小理论板层数(不包括再沸器)

最小理论塔板数的图解法

当回流比减少到某一极限值时,两条操作线的交点d 落在相平衡线上,此时梯级无法跨过d,所需的理论塔板数为无穷大,这时的回流比称为最小回流比rmin

2.最小回流比

当回流比小于rmin,操作线和q 线的交点落在平衡线外,精馏操作无法完成

最小回流比的求法

(1)作图法

(2)解析法

饱和液体进料

饱和蒸气进料

3.最适宜回流比的选择

实际回流比视具体情况选定

一般原则:

1.5.6 简捷法求理论板层数

1.吉利兰(gilliland)图

r,rmin,n,nmin

的关联图

吉利兰图应用条件:

组分数:2~11;进料热状况:5

rmin=0.53~7.0;相对挥发度:1.26~4.05

理论板层数:2.4~43.1

李德(liddle)回归方程

适用条件:

2.简捷法求理论板层数的步骤

①计算rmin,选择r

④确定进料板位置

②计算nmin

③计算横坐标(r-rmin)/(r+1)→纵坐标

(n-nmin)/(n+2) → 算出理论板层数

例题1-8

1.5.8 塔高和塔径的计算

1.塔高的计算

1)板式塔有效高度的计算

实际板层数

板间距

有效高度,不包括塔釜和塔顶空间高度

2)塔板效率

反映实际塔板的气,液两相传质的完善程度

(1)总板效率(全塔效率):达到指定分离效果所需理论板层数与实际板层数的比值

理论板层数

实际板层数

影响塔板效率的因素

(1)物系性质

(2)塔板结构

(3)操作条件

塔板效率估算方法

(2)经验计算法:奥康奈尔(o'connell)

(1)全面考虑传质和流体力学因素的影响,从点效率计算出发,逐步推算出板效率

塔顶与塔底平均温度下的相对挥发度

塔顶与塔底平均温度下的液相黏度

(2)单板效率(默弗里murphree板效率):指气相或液相经过一层塔板前后的实际组成变化与经过该层塔板前后理论变化的比值

按气相组成变化表示的单板效率

按液相组成变化表示的单板效率

(3)点效率(eo):指塔板上各点局部效率

气相点效率

2.塔径的计算

1)精馏段vs 的计算

若精馏操作压强较低时,气相可视为理想气体混合物

2)提馏段vs '的计算

1.5.9 连续精馏装置的热量恒算和节能

1.冷凝器

冷却介质消耗量

加热介质消耗量

2.再沸器

3.精馏过程的节能

1)选择经济合理的回流比,首要因素

2)回收精馏装置的余热

3)对精馏过程进行优化控制

1.5.10 精馏塔的操作和调节

1.影响精馏操作的主要因素

保持精馏操作的条件:

1)塔压稳定;2)进,出塔系统的物料量平衡和稳定;3)进料组成和热状态稳定;4)回流比恒定;5)再沸器和冷凝器的传热条件稳定;6)塔系统与环境间散热稳定

2.精馏塔的产品质量控制和调节

精馏产品质量是指馏出液及釜残液组成达到规定值

温度

塔高

测量和控制灵敏板的温度来保证产品的质量

3.精馏过程的操作型计算

对特定塔设备在指定条件下预计精馏操作的结果

例题1-13

3-5 间歇精馏流程batch rectification

3-6 间歇精馏的回流比控制

如果回流比r也保持不变,则馏出液中易挥发组分

的浓度势必不断↓.

为什么要调节回流比

间歇精馏操作过程中,随着精馏的进行, 蒸馏釜内液体混合物中易挥发组分的浓度不断↓

由于精馏塔的塔板数是固定不变的

∴要保持产品的浓度不变,必须调整回流比

在回流比不变的条件下操作,所得馏出液组成是精馏开始

xp1到精馏结束时馏出液组成xp2的中间值.

假设蒸馏开始时,釜内液体组成为xf即原料液组成,馏出液组成为xp1

如果回流比r不变

操作线斜率r/(r+1)就不变

随着蒸馏的进行,操作线将平行下移

当釜残液的组成下降到xw时,馏出液的组成也随着变成xp2.

精馏过程中,虽然釜中易挥发

组分的量在减少,但由于每一

层塔板的分离能力↑,∴馏出

液中易挥发组分的浓度xd可以

维持不变.

为了保证馏出液的质量,即保持xd不变,避免馏出液组成随精馏的进行而变化,可以采用随时改变回流比的方法来调节

增大回流比r

则操作线的斜率r/(r+1) ↑

回流比r↓,每一层塔板的分离能力↓, ∴很难保证xd不变


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