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精馏原理与精馏塔设计原则



精馏原理与精馏塔设计原则

      由蒸馏的分离原理可知,如将苯—甲苯溶液加热,使之进行一次部分汽化,两组分便得到部分分离。汽化所得的气相(一级)中苯浓度比原有溶液提高了,若将此气相引出进行部分冷凝,则重新得到一呈平衡的汽液两相。其气相(二级)中苯的浓度又将进一步提高。该气相(二级)再一次部分冷凝所得的下一级气相(三级),其苯浓度又可得以增加。显然,这种依次进行部分冷凝的次数(即级数)愈多,所得到的蒸气的浓度也愈高,最后可得高纯度的易挥发组分苯。
      同样由蒸馏原理知,初始溶液加热部分汽化后,所残留的液相中甲苯的浓度比原溶液提高了。若将此液相引进另一加热釜再一次发生部分汽化,由于甲苯难挥发,则汽化后剩余的液相中甲苯的浓度又将进一步增加,如此继续下去,部分汽化的次数愈多,所残留的液体中甲苯的浓度就愈高,最后可得高纯度的难挥发组分甲苯。
     生产中,上述过程是在精馏塔内同时进行的,温度相对较低的液体自塔顶在重力作用下从上往下流动,而温度较高的气体(蒸汽)则在压力的作用下自下往上流动,当两者相遇时,气相部分冷凝而液相部分汽化,从而同时实现多次部分汽化与多次部分冷凝。
    由此可见,精馏就是多次运用部分汽化和部分冷凝的方法,使混合液得到较完全分离,以获得接近纯组分的操作。
工业上精馏装置由精馏塔、再沸器、冷凝器等构成,如图10—1所示。在精馏塔内每隔一定高度安装一块塔板,或直接堆放填料。气液两相在塔板上或填料的表面相接触,而发生部分汽化和部分冷凝。

 

精馏原理与精馏塔设计原则


  
       图10—1示意的是典型的连续精馏过程以及塔内的物料流动情况。原料液从塔中间的某块塔板上引入塔内,此板称为加料板。一般将精馏塔分为两段,加料板以上称为精馏段,加料板以下称为提馏段(包括加料板)。入塔原料在加料板上与塔内的气液相汇合后,气相上走而液相下行。为了确保塔内任一截面上都能有下降的液体和上升的蒸汽,以实现多次部分汽化和多次部分冷凝,塔顶冷凝器中的冷凝液只能一部分作为产品,而一部分回流到塔内;同样,液体下降至塔底再沸器中,只能一部分作为产品,一部分需汽化后回流到塔内。
      蒸汽由精馏塔底部在自下而上依次通过各层塔板的过程中,与各板上液体层相接触,使液体发生部分汽化,而蒸汽发生部分冷凝,从而使蒸汽中易挥发组分逐板增浓,从塔顶引出时,达到规定的浓度,冷凝后即可得产品(馏出液)。同样,从塔顶经每块塔板下降的液体, 由于与上升的蒸汽相接触,每经一块塔板就部分汽化一次,其中易挥发组分的浓度不断下降,而难挥发组分的浓度不断增加,从再沸器出来时,达到规定的浓度而成为产品(釜残液)。
      在整个精馏塔内,各板上易挥发组分的浓度由上而下逐渐降低,当某板上的浓度与原料液中浓度相等或相近时,料液就从此板加入。由于塔底部几乎是纯难挥发组分,因此塔底部温度最高,而顶部都是几乎纯净的易挥发组分,因此塔顶部温度最低,整个塔内的温度,由下而上逐渐降低。
      不难看出,塔顶的液体回流与塔底的蒸汽回流是精馏得以稳定操作的必要条件。
      精馏是应用最广的分离操作之一,通过以上对精馏过程的分析可以看出,要利用精馏进行分离,必须认识以下几方面的问题:
①要使精馏过程能持续稳定进行,应保证精馏的物料平衡;
精馏塔内需要多少块塔板才能达到规定的分离要求;
③精馏的热量与冷量消耗,如何满足热量平衡以及如何节能;
④要顺利完成精馏任务,需注意精馏的操作要点;
⑤进行精馏时所需的装置设备;
⑥除精馏以外的其他蒸馏方式。
      精馏是一种利用回流使液体混合物得到高纯度分离的蒸馏方法,是工业上应用最广的液体混合物的分离操作,广泛用于石油、化工、轻工、食品、冶金等部门。精馏操作按不同方法进行分类。根据操作方式,可分为连续精馏和间歇精馏;根据混合物的组分数,可分为二元精馏和多元精馏;根据是否在混合物中加入影响气液平衡的添加剂,可分为普通精馏和特殊精馏(包括萃取精馏、恒沸精馏和加盐精馏)。若精馏过程伴有化学反应,则称为反应精馏。
      双组分混合液的分离是最简单的精馏操作。典型的精馏设备是连续精馏装置,包括精馏塔、再沸器、冷凝器等。精馏塔供气液两相接触进行相际传质,位于塔顶的冷凝器使蒸气得到部分冷凝,部分冷凝液作为回流液返回塔底,其余馏出液是塔顶产品。
      位于塔底的再沸器使液体部分汽化,蒸气沿塔上升,余下的液体作为塔底产品。进料在塔的中部,进料中的液体和上塔段来的液体一起沿塔下降,进料中的蒸气和下塔段来的蒸气一起沿塔上升。在整个精馏塔中,气液两相逆流接触,进行相际传质。液相中的易挥发组分进入气相,气相中的难挥发组分转入液相。对不形成恒沸物的物系,只要设计和操作得当,馏出液将是高纯度的易挥发组分,塔底产物将是高纯度的难挥发组分。进料口以上的塔段,把上升蒸气中易挥发组分进一步提浓,称为精馏段;进料口以下的塔段,从下降液体中提取易挥发组分,称为提馏段。两段操作的结合,使液体混合物中的两个组分较完全地分离,生产出所需纯度的两种产品。当使n组分混合液较完全地分离而取得n个高纯度单组分产品时,须有n一1个塔。

      精馏之所以能使液体混合物得到较完全的分离:关键在于回流的应用。回流包括塔顶高浓度易挥发组分液体和塔底高浓度难挥发组分蒸气两者返回塔中。气液回流形成了逆流接触的气液两相,从而在塔的两端分别得到相当纯净的单组分产品。塔顶回流入塔的液体量与塔顶产品量之比,称为回流比,它是精馏操作的一个重要控制参数,它的变化影响精馏操作的分离效果和能耗。  


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