08二甲苯精餾基礎知識

1、內部資料不得外傳保密 大連福佳大化石油化工有限公司開工資料之二芳烴基礎知識二甲苯分餾裝置大連福佳大化石油化工有限公司二零零六年十月- 2 -目 錄第一章概述1第一節(jié) 二甲苯精餾在PX裝置中的作用1第二節(jié) 二甲苯精餾的特點2第二章 精餾基本知識3第一節(jié) 概述3第二節(jié) 汽-液相平衡4一、雙組分溶液的汽液相平衡4二、非理想物系的汽液相平衡8第三節(jié) 精餾原理10一、概述10二、 精餾裝置流程11第四節(jié) 精餾過程的物料衡算12一、塔的物料衡算12二、回流比和能耗13三、精餾過程數(shù)學描述的基本方法14四、塔板上過程的數(shù)學描述14五、精餾過程的兩種解法19六、精餾塔的操作方程20第五節(jié) 雙組分精餾的設計型計

2、算23一、理論塔板數(shù)的計算23二、回流比的選擇26三、加熱狀態(tài)的選擇30四、雙組份精餾過的其它類型31第六節(jié) 雙組分精餾的操作型的計算35一、精餾過程的操作型計算35二、分餾塔的溫度分布和靈敏板37第三章 氣液傳質設備39第一節(jié) 板式塔概述39一、板式塔的設計意圖39二、篩孔塔板的構造40第二節(jié) 篩板上的氣液接觸狀態(tài)41一、鼓泡接觸狀態(tài)41二、泡沫接觸狀態(tài)41三、噴射接觸狀態(tài)41第三節(jié) 氣體通過篩板的阻力損失42一、板壓降42二、干板壓降43三、液層阻力43第四節(jié) 篩板塔內氣液兩相的非理想流動44一、空間上的反向流動44二、空間上的不均勻流動46第五節(jié) 板式塔的不正常操作現(xiàn)象47一、夾帶液泛4

3、8二、溢流液泛48三、漏液50第六節(jié) 板效率的各種表示方法及其應用51一、點效率52二、默弗里板效率53三、濕板效率55四、全塔效率56第七節(jié) 提高塔板效率的措施57一、結構參數(shù)57二、操作參數(shù)和塔板的負荷性能圖59第八節(jié) 塔板型式61一、效率與氣液負荷61二、效率和壓降的關系61三、泡罩塔板62四、浮閥塔板62五、篩孔塔板62六、舌形塔板63七、多降液管塔板64第九節(jié) 塔高、塔徑和塔板壓力降的計算64一、塔高的計算65二、塔徑的計算65三、塔板的壓力降66第四章 二甲苯精餾工藝過程及開停工68第一節(jié) 生產概述68一、裝置負荷68二、進料規(guī)格68三、產品規(guī)格70四、工藝流程72第二節(jié) 裝置熱聯(lián)

4、合73一、 二甲苯再蒸餾塔和二甲苯分餾塔提壓操作73二、塔底重沸爐作為熱載體爐集中供熱73三、加熱爐對流段的熱聯(lián)合利用73四、裝置內設備間進行熱利用74第三節(jié) 開工操作75一、開車條件的檢查、確認75二、開車76第四節(jié) 停工操作80一、停工步驟80二、停車注意事項80第五章 正常操作及影響因素分析82第一節(jié) 正常操作82一、白土塔82二、二甲苯再蒸餾塔82三、二甲苯分餾塔83四、鄰二甲苯塔83五、重整油分餾塔83六、精餾塔操作中的三個平衡83第二節(jié) 工藝操作條件對裝置的影響84一、回流比84二、進料組成84三、進料量84四、塔壓85五、塔釜溫度85第三節(jié) 事故處理及安全事項85一、事故處理85

5、二、二甲苯分餾單元關鍵部位87第四節(jié) 安全注意事項87一、本單元中有毒物質87二、工作人員在現(xiàn)場工作時，要注意的事項87三、含有大量氮氣的空氣中工作的注意事項8890第一章 概述第一節(jié) 二甲苯精餾在PX裝置中的作用二甲苯精餾單元在聯(lián)合裝置中起承上啟下的作用，該裝置接收來自聯(lián)合裝置上游芳烴抽提裝置的新鮮原料C+8芳烴及聯(lián)合裝置內異構化所產生C+8芳烴，經(jīng)過精密分餾，除了分離出10.0x104t/a純度98%以上的鄰二甲苯產品外，C+8芳烴將作為吸附分離的進料。二甲苯精餾裝置具體作用如下：1 利用白土塔脫出重整原料和異構化原料中的烯烴，防止烯烴進入吸附分離部分。2 重整油分餾塔將重整石腦油進行分餾

6、，分餾出其中的C7組分。3 二甲苯再蒸餾塔將重整原料和異構化原料中的C8芳烴與C+9芳烴分離。4 二甲苯分餾塔將異構化原料進行分餾，塔頂為貧OX的C+8芳烴，塔底為富含OX的產品。5 鄰二甲苯塔主要作用是將二甲苯分餾塔塔底來的物流分餾出合格的OX產品。6 二甲苯再蒸餾塔和二甲苯分餾塔塔頂和塔底物流作為熱載體為整個聯(lián)合裝置提供熱源。二甲苯精餾單元與聯(lián)合裝置的各裝置除了密切的物料聯(lián)系外還有密切的熱物流聯(lián)合利用關系。二甲苯精餾單元在PX聯(lián)合裝置中的地位可以從下面的圖形中可以看出：第二節(jié) 二甲苯精餾的特點1、 二甲苯精餾裝置設有兩臺二甲苯塔，其中一臺為二甲苯再蒸餾塔，主要處理外來新鮮原料和大部分異構化

7、的C8+芳烴，將其全部C8芳烴從塔頂分除，塔底為C9+芳烴。另一臺二甲苯分餾塔，處理來自異構化的C8+芳烴，將所需的鄰二甲苯產品留在塔底物流中作為鄰二甲苯塔進料。這方案在國內同類裝置中是首次采用，其主要目的是避免由于上游重整裝置原料變化而導致C8+芳烴中含有少量C9P+N，而影響鄰二甲苯產品純度，以確保鄰二甲苯純度98%指標的實現(xiàn)。其次也可以減少一套大型化塔系統(tǒng)帶來的工程上的難題。2、 二甲苯精餾裝置處理量很大，二甲苯再蒸餾塔和二甲苯分餾塔塔頂物流含有豐富的潛熱資源，同時塔底又需很大熱負荷的加熱爐供熱，而聯(lián)合裝置中其他裝置的一些塔又缺乏熱源，因此采用兩臺塔適當提壓操作后，塔頂物流可分別提供抽余

8、液塔和抽出液塔、鄰二甲苯塔、重整油分餾塔所需熱量。此外，兩臺塔底重沸爐除滿足本身塔所需提供熱量外還可作為熱載體給溫位高的重芳烴塔、重整油分餾塔塔底進白土塔塔底前換熱器和解吸劑再蒸餾塔的塔底物流供熱。采用這些方案將使聯(lián)合裝置的能耗大大降低。3、 二甲苯再蒸餾塔和二甲苯分餾塔采用熱回流方案，提供下游裝置熱進料，均有利于節(jié)能降耗。4、 二甲苯再蒸餾塔和二甲苯分餾塔由于汽液相負荷很大，塔盤多達213層。5、 二甲苯再蒸餾塔重沸爐和二甲苯分餾塔重沸爐的對流段分別加熱來自異構化C8+芳烴進料。此外，兩爐煙氣分別設置余熱回收系統(tǒng)，爐子效率達90%。第二章 精餾基本知識 第一節(jié) 概述 化工生產常需進行液體混合

9、物的分離以達到提純或回收有用組分的目的?；ト芤后w混合物的分離有多種方法，蒸餾及精餾是其中最常用的一種。 蒸餾分離的依據(jù)是液體均具有揮發(fā)而成為蒸汽的能力，但各種液體的揮發(fā)性各不相同。因此，液體混合物部份汽化所生成的汽相組成與液相組成將有差別。根據(jù)這一差別，采取適當?shù)拇胧┛蓪⒁后w混合物加以分離。 設在一定溫度下以空氣掠過盛有A、B兩組分組成的混合液表面。若A的揮發(fā)能力大于B，則空氣中的A、B兩組分的濃度之比必大于混合液中A、B濃度之比，即yAyBxAxB （2-2-1）式中yA、yB氣相中A、B兩組分的摩爾分率； xA、xB液相中A、B兩組分的摩爾分率。自然，由于空氣的存在，yA可能小于xA，但y

10、AyB必定大于xAxB。3111234頂部產物 11底部產物12 圖2-2-1平衡蒸餾 圖2-2-2簡單蒸餾 1加熱爐；2節(jié)流閥；3分離器；4冷凝器 1蒸餾釜；2冷凝器；3產品受槽 通常，并不使空氣參與這一過程，以免除以后產物與空氣的分離。為此，可將液體混合物加熱沸騰使之部分汽化，所得的汽相不僅滿足式（2-2-1）且必有yAxA，此即為蒸餾操作，可見，蒸餾操作是藉混合液中各組分揮發(fā)性的差異而達到分離目的的。習慣上，混合物中的易揮組分有時也稱為輕組分，難揮發(fā)組分則稱為重組分。平衡蒸餾又稱閃蒸，系連續(xù)定態(tài)過程，其流程如圖2-2-1所示。原料連續(xù)地進入加熱爐。在爐內被加熱至一定溫度，然后經(jīng)節(jié)流閥減壓

11、至預定壓強。由于壓強的突然降低，過熱液體發(fā)生自蒸發(fā)，液體部分汽化。汽、液兩相在分離器中分開，汽相為頂部產物，其中易揮發(fā)組份較為富集，液相為底部產物，其中難揮發(fā)組分獲得了增濃。 簡單蒸餾為間歇操作過程。將一批料液加入如圖2-2-2所示的蒸餾釜中，在恒壓下加熱至沸騰，使液體不斷汽化。陸續(xù)產生的蒸汽經(jīng)冷凝后作為頂部產物，其中易揮發(fā)物相對地富集。在蒸餾過程中，釜內液體的易揮發(fā)物濃度不斷下降，蒸汽中的易揮發(fā)物濃度也相應地隨之降低。因此，通常是分罐收集頂部產物，最終將釜液一次排出。 由于混合液中輕、重組分都具有一定的揮發(fā)性，上述兩個過程只能達到有限程度的提濃而不可能滿足高純度分離的要求。如何根據(jù)組分揮發(fā)性

12、的差異開發(fā)一個過程，以實現(xiàn)高純度的分離是蒸餾方法能否廣泛應用的核心問題。為此提出了精餾過程。 蒸餾操作的費用和操作壓強 蒸餾操作是通過汽化、冷凝達到提濃的目的。加熱汽化需要耗熱，汽相冷凝則需要提供冷卻量。因此，加熱和冷卻費用是蒸餾過程的主要操作費用。如何以最少的加熱量和冷卻量獲得最大程度的提純是蒸餾和精餾過程研究的重要任務。 此外，對于同樣的加熱量和冷卻量，所需費用還與加熱溫度和冷卻溫度有關。汽相冷凝溫度如低于常溫，則不能用一般的冷卻水，而須使用其它冷凍劑，費用將大大增加。加熱溫度超出一般水蒸汽加熱的范圍，就要用高溫載熱體加熱，加熱費用也將增加。 蒸餾過程中的液體沸騰溫度和蒸汽冷凝溫度均與操作

13、壓強有關，工業(yè)蒸餾的操作壓強應進行適當?shù)倪x擇。加壓蒸餾可使冷凝溫度提高以避免使用冷凍劑；減壓蒸餾則可使沸點降低以避免使用高溫載熱體。另外，當組分在高溫下容易發(fā)生分解聚合等變質現(xiàn)象時，必須采用減壓蒸餾以降低溫度；相反，當混合物在通常條件下為氣體，則首先必須通過加壓與冷凍將其液化后才能進行精餾，如空氣的精餾分離。待分離混合液中可能含有多個組分，但其蒸餾的基本原理相同。 第二節(jié) 汽-液相平衡一、雙組分溶液的汽液相平衡汽液相平衡是指氣、液兩種不同狀態(tài)的混合物存在于一個系統(tǒng)中，在兩相之中進行物質傳遞，最終系統(tǒng)的溫度、壓力保持恒定，各相的組成保持不變，這樣的狀態(tài)稱之為汽-液平衡。在石油蒸餾過程中汽液平衡主

14、要研究溫度、壓力等操作參數(shù)與汽液組成之間的關系。1. 汽液兩相平衡共存時的自由度 根據(jù)相律，平衡物系的自由度F為 F=N-+2 (2-2-2) 現(xiàn)組分數(shù)N=2，相數(shù)=2，故平衡物系的自由度為2。 平衡物系涉及的參數(shù)為溫度、壓強與汽、液兩相的組成。氣液兩相的組成通常以摩爾分率表示。對雙組分物系，一相中某一組分摩爾分率確定后另一組分的摩爾分率也隨之而定，液相或汽相組成均可用單參數(shù)表示。這樣，溫度、壓強和液相組成（或氣相組成）三者之中任意規(guī)定兩個，則物系的狀態(tài)被唯一地確定，余下的參數(shù)已不能任意選擇。 精餾過程常系恒壓操作，壓強一旦確定物系只剩一個自由度。例如，當指定料液相組成，則兩相平衡共存時的溫度

15、及汽相組成必隨之而不能任意變動。換而言之，在恒壓下的雙組分平衡物系中必存在著： 液相（或氣相）組成與溫度間的一一對應關系； 汽、液組成之間的一一對應關系。2. 雙組分理想物系的液相組成溫度（泡點）關系式 理想物系包括兩個含義：1) 液相為理想溶液，服從拉烏爾（Raoult）定律；2) 氣相為理想氣體，服從理想氣體定律或道爾頓分壓定律。根據(jù)拉烏爾定律，液相上方的平衡蒸汽壓為 PA=PoAxA PB=PoBxB式中 PA、PB液相上方A、B兩組分的蒸汽壓： xA、xB液相中A、B兩組分的濃度，摩爾分率； PoA、PoB在溶液溫度（t）下純組分A、B的飽和蒸汽壓，它們均是溫度的函數(shù)，即PoA=f(A

16、)(t) PoB= f(B)(t) 混合液的沸騰條件是各組分的蒸汽壓之和等于外壓，即PA+PB=PPoAxA+ PoB（1-xA）=P于是 (2-2-3)或 (2-2-4)由此可知，只要A、B兩純組分的飽和蒸汽壓PoA、PoB與溫度的關系為已知，則式（2-2-4）給出液相組成與溫度（泡點）之間的定量關系。已知泡點，可直接計算液相組成；反之，已知組成也可算出泡點，但一般需經(jīng)試差，這是由于fA（t）和fB（t）通常系非線性函數(shù)的緣故。純組分的飽和蒸汽壓P與溫度t的關系通?？杀硎境扇缦碌慕?jīng)驗式： (2-2-5)稱為安托因（Antoilne）方程。A、B、C為該組分的安托因常數(shù)，常用液體的A、B、C值

17、可由手冊查得。3. 汽液兩相平衡組成間的關系式 聯(lián)立道爾頓分壓定律與拉烏爾定律可得 (2-2-6)引入相平衡常數(shù)K， (2-2-7)式中 由此可見，相平衡常數(shù)K實際并非常數(shù)。當總壓不變時，K隨PoA而變，因而液隨溫度而變?；旌弦航M成的變化，必引起泡點的變化，故平衡常數(shù)K不能保持定值。平衡常數(shù)K是溫度和總壓的函數(shù)。汽液相平衡常數(shù)Ki是指汽、液兩相達到平衡時，在系統(tǒng)的溫度、壓力條件下，系統(tǒng)中某一組分i在汽相中的摩爾分率yi與液相中的摩爾分率xi的比值。即Ki=yi/xi (2-2-8)相平衡常數(shù)是石油蒸餾過程相平衡計算時最重要的參數(shù)。汽相組成與溫度（露點）的定量表達式。聯(lián)立式(2-2-5)和(2-

18、2-2)即可得到氣相組成與溫度（露點）的關系為 (2-2-9) tx（y）圖和yx圖 在總壓P為恒定的條件下，汽（液）相組成與溫度的關系可表示成圖2-2-3所示的曲線。該圖的橫座標為液相（或汽相）的濃度，皆以輕組分的摩爾分率x（或y）表示（以下所述均同）。圖2-2-3中AEBC曲線稱為泡點線。組成為x的液體在給定總壓下升溫至B點達到該溶液的泡點，產生第一個汽泡的組成為y1。曲線ADFC稱為露點線。一定組成的汽相冷卻至D點達到該混合汽的露點，凝結出第一個液滴的組成為x1。當某混合物的溫度與總組成位于G點時。則此物系必分成互成平衡的汽液兩相，液相的組成在E點，汽相組成在F點。圖2-2-4表示在恒定

19、總壓、不同溫度下互成平衡的汽液兩相組成y與x的關系；對于理想物系，汽相組成y恒大于液相組成x，故相平衡曲線必位于對角線的上方）此外，應注意在yx曲線上各點所對應的溫度是不同的。yx的近似表達式與相對揮發(fā)度純組分的飽和蒸汽壓只反映了純液體揮發(fā)性的大小。在溶液中各組分的揮發(fā)性因受其它組分的影響而與純組分不同，故不能用各組分的飽和蒸汽壓表示。溶液中各組分的揮發(fā)性應使用各組分的平衡蒸汽分壓與其液相摩爾分率的比值來表示。ABDECFG總壓一定溫度t總壓一定組成x(y)xyxx1y11.01.000 圖2-2-3 雙組分溶液的溫度一組成圖 圖2-2-4 相平衡曲線 A=PA/xA B=PB/xBA、B稱為

20、溶液中A、B兩組分的揮發(fā)度。混合液中兩組分揮發(fā)度之比稱為相對揮發(fā)度，圖2-2-5 相對揮發(fā)度為定值時的相平衡曲線（恒壓） (2-2-10)當汽相服從道爾頓分壓定律時，p=Py，上式可寫為 (2-2-11)式(2-2-11)往往作為相對揮發(fā)度的定義式，它表示汽相中兩組分的濃度比為與之成平衡的液相中兩組分濃度比的倍。對雙組分物系，yB=1-yA， xB1-yB，代入上式(2-2-10)并略去下標A可得 (2-2-12)此式表示互成平衡的汽液兩相組成間的關系，稱為相平衡方程。如能得知相對揮發(fā)度的數(shù)值，由上式可得到汽一液兩相平衡時易揮發(fā)組分濃度（yx）的對應關系。對理想溶液，用拉烏爾定律代入式 (2-

21、2-10)可得= PoA/ PoB (2-2-13)式(2-2-13)表示，理想溶液的相對揮發(fā)度僅依賴于各純組分的性質。純組分的飽和蒸汽壓PoA、PoB；均系溫度的函數(shù)，且隨溫度的升高而加大，因此，原則上隨溫度而變化。但PoA/ PoB與溫度的關系較PoA、PoB與溫度的關系小得多，因而可在操作的溫度范圍內取某一平均的相對揮發(fā)度m并將其視為常數(shù)，這樣可使相平衡方程(2-2-12)更具有實用價值。為獲得理想物系的相平衡數(shù)據(jù)，根據(jù)具體情況平均相對揮發(fā)度的取法有多種。如果在接近兩純組分的沸點下（或操作溫度的上、下限）物系的相對揮發(fā)度1與2差別不大，則可取m=（1+2）/2 (2-2-14)若在接近兩

22、純組分沸點下物系的相對揮發(fā)度1與2相差較大，但其差別仍小于30，則可取=1+（1+2）x (2-2-15)根據(jù)此式由不同液相組成x算得不同的值代入相平衡方程，以求出平衡的汽相組成y。相對揮發(fā)度為常數(shù)時，溶液的相平衡曲線如圖2-2-5所示。相對揮發(fā)度等于1時的相平衡曲線即為對角線y=x。值愈大，同一液相組成、對應的y值愈大，可獲得的提濃程度愈大。因此，的大小可作為用蒸餾分離某物系的難易程度的標志。二、非理想物系的汽液相平衡 實際生產所遇到的大多數(shù)物系為非理想物系。非理想物系有兩種情況： 1液相屬非理想溶液， 2氣相屬非理想氣體。 現(xiàn)分別作簡單的討論。非理想溶液 溶液的非理想性的來源在于異種分子間

23、的作用力不同于同種分子間的作用力，其表現(xiàn)是溶液中各組分的平衡蒸汽壓偏離于拉烏爾定律。此偏差可正可負，分別稱為正偏差溶液或負偏差溶液。實際溶液尤以正偏差居多。非理想溶液與理想溶液的蒸汽壓比較如圖2-2-6所示、此圖還表明，組分在高濃度范圍內其蒸汽壓與理想溶液接近，服從拉烏爾定律，在低濃度范圍內，組分的蒸汽壓大致與濃度成正比，此即為亨利定律所描述的區(qū)域。由此可以看出服從亨利定律只說明平衡蒸汽壓與濃度成正比，并不說明溶液的理想性。服從拉烏爾定律才表明溶液的理想性。蒸汽壓蒸汽壓圖2-2-6 恒定溫度下非理想溶液的蒸汽壓非理想溶液的蒸汽壓若仍用拉烏爾定律的形式表示，則應引入一活度系數(shù)以作修正： (2-2

24、-16) (2-2-17) 圖2-2-7 苯-乙醇溶液相圖（正偏差）圖2-2-8 氯仿-丙酮溶液相圖（負偏差）式中A、B分別為組分A、B的活度系數(shù)。組分的活度系數(shù)并非定值而與組成有關，一般可由熱力學關系式及少量實驗數(shù)據(jù)求得。當總壓不大高，汽相仍服從道爾頓分壓定律時，此種物系的汽液平衡關系為 (2-2-18) 某些溶液和理想溶液比較具有較大的正偏差，致使溶液在某一組成時其兩組分的蒸汽壓之和出現(xiàn)最大值。此種組成的溶液的泡點比兩純組分的沸點都低，系具有最低恒沸點的溶液。圖2-2-7為1atm下苯一乙醇溶液的tx圖及相平衡曲線，含苯55.2mol的溶液具有最低恒沸點其值為68.3。 與此相反，氯仿一丙

25、酮溶液為負偏差較大的溶液，在含氯仿65.0mol時形成最高沸點的恒沸物，其恒沸點為64.5，圖2-2-8為這一物系的，tx圖及相平衡曲線。第三節(jié) 精餾原理一、概述在自然界中，物質是以幾種狀態(tài)存在的，有固態(tài)、液態(tài)、氣態(tài)，而狀態(tài)的變化是隨這一物質溫度，壓力的變化而變化的，每種物質它所呈現(xiàn)的狀態(tài)是與溫度，壓力相對應，也就是說物質狀態(tài)的變化是由于物質的溫度和壓力變化而引起的。在化工中，我們把物質狀態(tài)的變化稱之為相變。在自然界中絕對純的物質是不存在的，它們都是以混合物形式存在著，這種混合物我們稱之為溶液。各物質在溶液中的分布我們稱之為組分，對于液體混合物中的每一組份在一定的溫度壓力下都具有一定的汽化能力

26、，此時該種組分的蒸汽壓力叫蒸汽壓，溶液中組分汽化能力（即蒸汽壓）的大小決定了組份的揮發(fā)程度，蒸汽壓大的組份易于揮發(fā)，蒸汽壓小的組份難以揮發(fā)。當溶液加熱至沸而只有一部分氣化（即部分汽化）時，由于各個組份具有不同的揮發(fā)性，液相和氣相的組成不一樣：揮發(fā)性高的組份，即沸點較低的組份（或叫做“輕組份）在氣相中的濃度比在液相中的濃度要大；揮發(fā)性較低的組份，即沸點較高的組份（又稱“重組份”）在液相中濃度比在氣相中的濃度要大。同樣的道理，物料蒸汽被冷卻后有一部分冷凝下來的時候（即部分冷凝），冷凝液中的重組份濃度要比氣相中重組份濃度高。多組份溶液經(jīng)過上述的一次部分氣化和部分冷凝過程進行分離的方法，叫做“簡單蒸餾

27、”。由于各組份汽化能力的差異，所以通過一次汽化，在汽相中易揮發(fā)組份的濃度比在液相中的易揮發(fā)組份的濃度大。如果我們把汽化后的物料冷凝然后再一次進行部分汽化，氣相中的輕組份濃度就更高，這樣的部分汽化部分冷凝過程進行多次后，最終可以在氣相中得到較純的輕組份，在液相中得到較純的重組份。多組份溶液經(jīng)過上述的多次部分氣化部分冷凝過程而達到分離的方法，即為“精餾”。精餾是利用溶液中不同組份揮發(fā)性的不同將一個多組分溶液中各組分分離的方法，其目的就是要提純溶液。衡量溶液分離程度的標志是相對揮發(fā)度。相對揮發(fā)度是易揮發(fā)組份的蒸汽壓與難揮發(fā)組份蒸汽壓的比值。相對揮發(fā)度越大，則溶液越易分離；相對揮發(fā)度越小，則溶液越難以

28、分離。當相對揮發(fā)度小到等于1時，則溶液無法用精餾方法分離；同樣若在塔板上的液體全部汽化或上升的蒸汽全部冷凝就失去分離作用。所謂“精餾”就是部分汽化和部分冷凝同時進行的過程。即：兩個不平衡的汽液相在塔板上接觸混合，發(fā)生熱量和質量的傳遞，溫度高的蒸汽把熱量傳給溫度低的液體，液體受熱則部分汽化蒸汽受冷則部分冷凝，液體中易揮發(fā)組份向汽相擴散，蒸汽中難揮發(fā)組份向液相擴散，其結果是蒸汽中易揮發(fā)組份濃度越來越高，液相中難揮發(fā)組份濃度越來越高，最后以達到將混合物分開的目的。原料A+B餾出液A（B）殘液B（A）圖2-2-9 連續(xù)精餾過程回流汽 液二、 精餾裝置流程精餾的多次部分氣化部分冷凝過程是集中在一個設備里

29、進行的，這種設備叫做精餾塔。在精餾塔中我們一般分為兩段，進料口以上稱之為精餾段，進料口以下稱為提餾段。在精餾段中上升的蒸汽與下降液流的不斷接觸過程中，難發(fā)揮組份不斷被冷凝，使上升蒸汽中易揮發(fā)組份的濃度越來越高。在提餾段中，下降的液體還帶有一定量的易揮發(fā)組份，與上升的蒸汽接觸中將易揮發(fā)組份不斷地上提。保證混合物多次汽化的熱源來自于精餾塔底的塔底重沸器，冷凝所需要的冷流量則由塔頂回流來提供。圖2-2-9為連續(xù)精餾塔。料液自塔的中部某適當位置連續(xù)地加入塔內，塔頂設有冷凝器將塔頂蒸汽冷凝為液體。冷凝液的一部分回入塔頂，稱為回流液，其余作為塔頂產品（餾出液）連續(xù)排出。在塔內上半部（加料位置以上）上升蒸汽

30、和回流液體之間進行著逆流接觸和物質傳遞，塔底部裝有再沸器（蒸餾釜）以加熱液體產生蒸汽，蒸汽沿塔上升，與下降的液體逆流接觸并進行物質傳遞，塔底連續(xù)排出部分液體作為塔底產品。在塔的加料位置以上，上升蒸汽中所含的重組分向液相傳遞，而回流液中的輕組分向汽相傳遞。如此物質交換的結果，使上升蒸汽中輕組分的濃度逐漸升高。只要有足夠的相際接觸表面和足夠的液體回流量，到達塔頂?shù)恼羝麑⒊蔀楦呒兌鹊妮p組分。塔的上半部完成了上升蒸汽的精制，即除去其中的重組分，因而稱為精餾段。在塔的加料位置以下，下降液體（包括回流液和加料中的液體）中的輕組分向汽相傳遞，上升蒸汽中的重組分向液相傳遞。這樣，只要兩相接觸面和上升蒸汽量足夠

31、，到達塔底的液體中所含的輕組分可降至很低，從而獲得高純度的重組分，塔的下半部完成了下降液體中重組分的提濃即提出了輕組分，因而稱為提餾段。一個完整的精餾塔應包括精餾段和提餾段，在這樣的塔內可將一組分個雙混合物連續(xù)地、高純度地分離為輕、重兩組分。由此不難看出，精餾之區(qū)別于蒸餾就在于“回流”，包括塔頂?shù)囊合嗷亓髋c塔釜部分汽化造成的汽相回流?；亓魇菢嫵善⒁簝上嘟佑|傳質的必要條件，沒有汽液兩相的接觸也就無從進行物質交換。另一方面，組分揮發(fā)度的差異造成了有利的相平衡條件(yx)。這使上升蒸汽在與自身冷凝回流液之間的接觸過程中，重組分向液相傳遞，輕組分向汽相傳遞。相平衡條件yx使必需的回流液的數(shù)量小于塔頂

32、冷凝液量的總量，即只需要部分回流而無需全部回流。唯其如此，才有可能從塔頂抽出部分凝液作為產品。因此，精餾過程的基礎仍然是組分揮發(fā)度的差異。第四節(jié) 精餾過程的物料衡算物料衡算是指在一個操作穩(wěn)定的塔里，進入塔內的物料量應等于離開塔的物料量。對于某一組分液是這樣，進入塔內的某組分量，應當和離開塔的該組分量相等，這就是精餾塔中某組分的物料衡算。對于塔內任一區(qū)域亦是如此，進入這個區(qū)域的物料量應當?shù)扔陔x開這個區(qū)域的物料量。對精餾塔或精餾塔內部分區(qū)域進行物料衡算的結果和氣液平衡數(shù)據(jù)是分析、操作和設計精餾塔的依據(jù)。一、塔的物料衡算餾出液流率D組成xD回流量 L加料流率F組成xf釜液流率W組成xW圖2-2-10

33、 全塔物料衡算 從整體上來說，連續(xù)精餾過程的塔頂和塔底產物的流率和組成有關。無論設備內的汽液兩相的接觸如何，這些流率與組成之間的關系均受全塔物料衡算的約束。如圖2-2-10所示，其中流率均以kmol/s表示，組成均以輕組分的摩爾分率表示，對定態(tài)的 連續(xù)過程作總物料衡算可得 (2-2-19) 作輕組分物料衡算可得 (2-2-20)由以上兩式可得 (2-2-21) (2-2-22)式中D/F和W/F分別為餾出液和釜液得采出率。進料組成xf通常是給定的。因受上面兩方程式的約束，則1 當塔頂、塔底產品組成xD、xw即產品質量已規(guī)定，產品的產出率D/F及W/F 亦隨之確定而不能再自由選擇；2 當規(guī)定分離

34、塔頂產品的產率和質量xD，則塔底產品的質量xw及產率亦隨之確定而不能自由選擇（當然可以規(guī)定塔底產品的產率和質量）。 在規(guī)定分離要求時，應使FxfDxD或D/Fxf/xD。如果塔頂產出率D/F取得過大，即使精餾塔有足夠的分離能力，塔頂仍不可能獲得高純度的產品，因其組成必須滿足： xDF xf/xD二、回流比和能耗 設置精餾段的目的是除去蒸汽中的重組分?；亓饕毫颗c上升蒸汽量的相對比值大，有利于提高塔頂產品的純度?；亓髁康南鄬Υ笮⊥ǔＲ曰亓鞅燃此敾亓髁縇與塔頂產品量D之比表示。 (2-2-23) 在塔的處理量下已定的條件下，若規(guī)定了塔頂及塔底產品的組成，根據(jù)全塔物料衡算，塔頂和塔底產品的量也已確定

35、。因此增加回流比并不意味著產品流率D的減少而意味著上升蒸汽量的增加。增大回流比的措施是增大塔底的加熱速率和塔頂?shù)睦淠?。增大回流比的代價是能耗的增大。原料塔底液體圖2-2-11 板式精餾塔塔頂蒸汽回流量塔釜蒸汽設置提餾段的目的是脫除液體中的輕組分，提餾段內的上升蒸汽量與下降液量的相對比值大，有利于塔底產品的提純。加大回流比本來就是靠增大塔底加熱速率達到的，因此加大回流比既增加精餾段的液、汽比，也增加了提餾段的汽、液比，對提高兩組分的分離程度都起積極作用。三、精餾過程數(shù)學描述的基本方法1. 逆流多級傳質操作精餾設備可以是微分接觸式或分級接觸式，汽液傳質設備對精餾和吸收過程是通用的。圖2-2-11

36、為板式精餾塔。汽相藉壓差穿過塔板上的小孔與板上液體接觸，兩相進行熱、質交換。汽相離開液層后升入上一塊塔板，液相則自上而下逐板下降。兩相經(jīng)多級逆流傳質后，汽相中的輕組分濃度逐板升高，液相在下降過程中其輕組分濃度逐板降低，整個精餾塔由若干塊塔板組成，每塊塔板為一個汽液接觸單元。2. 過程描述的基本方法 描述精餾過程的基本方法仍然是物料衡算、熱量衡算及找出表示過程特征方程。 描述微分接觸式傳質設備的基本方法是對微元塔高進行物料衡算、熱量衡算并寫出傳質速率方程式，然后沿塔高積分或通過逐段計算求解、而描述分級式接觸的精餾過程，則應以單塊塔板作為考察單元，對每一塊板（級）列出物料衡算式、熱量衡算式及過程特

37、征方程式，然后聯(lián)立求解由多塊塔板構成的代數(shù)方程組。這是描述各種級式接觸過程的基本方法。以下分別討論每塊塔板上過程的數(shù)學描述及多塊塔板的方程組求解方法。在對單板進行數(shù)學描述時引進了某些簡化假定，其中有的假定是數(shù)學描述本身的需要，有的假定只是使爾后的聯(lián)立求解更為簡便而已。 yn, In, Vnyn+1, In+1, Vn+1Ln-1, in-1, xn-1Ln, in, xn第n板圖2-2-12 塔板的物料衡算和熱量衡算四、塔板上過程的數(shù)學描述1. 單塊塔板的物料衡算圖2-2-12為精餾塔內自塔頂算起的任意第n塊塔板（非加料板），進、出該塔板汽液兩相流量（kmols）及組成（摩爾分率）如圖所示。

38、對第n塊塔板作物料衡算可得：總物料衡算式 Vn+1+Ln-1=Vn+Ln (2-2-24)輕組分衡算式 Vn+1y n+1+Ln-1x n-1=Vn y n+Ln x n (2-2-25)2. 單塊塔板的熱量衡算及其簡化 進出任意第n 塊塔板的飽和蒸汽及泡點液體的熱焓（kJ/kmol）如圖2-2-12所示。若不計熱損失，對第n塊塔板作熱量衡算式可得 Vn+1I n+1+Ln-1i n-1=Vn I n+Ln i n (2-2-26) 因飽和蒸汽的焓I為泡點液體的焓i與汽化潛熱r之和，上式可寫為 Vn+1(r n+1+i n+1)+Ln-1i n-1=Vn (r n +I n)+Ln i n (

39、2-2-27)若忽略組成與溫度所引起的飽和液體焓i及汽化潛熱r的差別，即假設 i n+1=i n-1= i n=i r n+1= r n=r則熱量衡算式可簡化為 (Vn+1-Vn) r=( Ln+ Vn - Ln-1- Vn+1) i (2-2-28) 將總物料衡算(2-2-24)代人上式，可得 Vn+1=Vn (2-2-29)并進而由式(2-2-24)求得 Ln=Ln-1 (2-2-30) 這樣的簡化獲得了一個重要結果：在精餾塔內沒有加料和出料的任一塔段中，各板上升的蒸汽量均相等，各板下降的液體量也均相等。這樣，可以省去下標，用V、L表示精餾段內各板上升的蒸汽流量和下降的液體流量，用表示提餾

40、段內各板的蒸汽流量和液體流量。由于加料的緣故，兩段之間的流量不一定相等。 關于熱量衡算的上述簡化運用于被分離組分沸點相差較小，汽化潛熱相近的情況，一般說來，在熱量衡算式中由于不計液體焓差而引起的顯熱項誤差與潛熱項比較是次要的，故這一簡化的主要條件是兩組分的汽化熱相等。通常不同液體的摩爾汽化熱較為接近，因而V和L應取為摩爾流量，上述簡化稱為恒摩爾流假定。在少數(shù)情況下，如果被分離組分的摩爾汽化熱相差較遠而單位質量的汽化熱相近，則V和L應取質量流量，成為恒質量流假定。3. 塔板傳質過程的簡化理論板和板效率對于塔板上所發(fā)生的兩相傳遞過程進行完整的數(shù)學描述，除必須進行物料衡算和熱量衡算之外，還必須寫出表

41、征的傳質與傳熱速率方程式。但是，塔板上所發(fā)生的傳遞過程是十分復雜的，它涉及到進入塔板的汽、液兩相的流量、組成、兩相接觸面積及混合情況等許多因素。也就是說，塔板上兩相的傳質與傳熱速率不僅取決于物系的性質、塔板上的操作條件，而且與塔板的結構有關，很難用簡單的方程加以表示。為避免這一困難，引入了理論板的概念。所謂理論板是一個汽、液兩相皆充分混和而且傳質與傳熱過程的阻力皆為零的理論板。因此，不論進入理論塔板的汽、液組成如何，在塔板上充分混合并進行傳質與傳熱的最終結果總是使離開塔板的汽、液兩相在傳質與傳熱兩個方面都達到平衡狀態(tài)：兩相溫度相同，組成互成平衡。這樣，表達塔板上傳遞過程的特征方程式可簡化為：

42、泡點方程 tn=（xn） (2-2-31)相平衡方程 yn=f(xn) (2-2-32)當然，一個實際塔板不同于一個理論板。為表達實際塔板與理論板的差異，還須引入板效率的概念。板效率的定義如下： Emv= (yn-yn+1)/ (y*n-yn+1) (2-2-33)式中y*n為與離開第n板液相組成xn成平衡的汽相組成，Emv也稱為汽相的默弗里板效率。上式分母表示汽相經(jīng)過一塊理論板后組成的增濃程度，分子則為實際的增濃程度。 理論板概念的引入，可將復雜的精餾問題分解為兩個問題，然后分步解決。對于具體的分離任務，所需理論板的數(shù)目只決定于物系的相平衡及兩相的流量比，而與物系的其它性質、兩相的接觸情況以

43、及塔板的結構型式等復雜因素無關。這樣在解決具體精餾問題時，便可以在塔板結構型式尚未確定之前方便地求出所需理論板數(shù)，事先了解分離任務的難易程度。然后，根據(jù)分離任務的難易，選擇適當?shù)乃秃筒僮鳁l件，并根據(jù)具體塔型和操作條件確定板效率及所需實際塔板數(shù)。 本章只限于討論理論板的計算，即把整個精餾塔看作是由許多理論板所構成，有關板效率的討論則列入汽、液傳質設備的章節(jié)內。 綜上所述，通過引人理論板及恒摩爾流的假定使塔板過程的物料、熱量衡算及傳遞速率式最終簡化為物料衡算式 Vy n+1+Lx n-1=V y n+L x n (2-2-34)相平衡方程 yn=f(xn) (2-2-35)此方程組對精餾段、提餾

44、段每一塊塔板均適用，但對有物料加入或引出的塔板不適用。4. 加料板過程分析加料板因有物料自塔外引入，其物料衡算方程式與熱量衡算式與普通板不同。但采用上述方法，可對加料板導出相應的方程式。加料Fif，xfV，I，ym，I，ym+1L，i，xm-1，i，xm圖2-2-13 加料板的物料與熱量平衡加料板第m塊1) 加料的熱狀態(tài) 組成一定的原料液可在常溫下加入塔內，也可預熱至一定溫度，甚至在部分或全部汽化的狀態(tài)下進入塔內。原料入塔時的溫度或狀態(tài)稱為加料的熱狀態(tài)。加料的熱狀態(tài)不同，精餾段與提餾段兩相流量的差別也不同。 另外，加料的方式也可以多種多樣。例如，當原料的狀態(tài)為汽液混和物時，原料的汽液兩相與加料

45、板上的汽、液兩相可作不同方式的混和與接觸，混和與接觸的方式不同，離開加料板的兩相流量與組成也不同。2) 理論加料板 上述加料板上的復雜情況也可通過理論板的概念加以簡化，即不論進入加料板各物流的組成、熱狀態(tài)及接觸方式如何，離開加料板的汽液兩相溫度相等，組成互為平衡。 設第m塊板為加料板，進出該板各股物流的流量、組成與熱恰如圖2-2-13所示。對加料板可得到關系式：物料衡算式 (2-2-36)相平衡方程 (2-2-37)3) 精餾段與提餾段兩相流量的關系為找出上述方程中精餾段流量V、L與提餾段流量之間的關系，可對圖2-2-13所示的加料板作物料及熱量衡算如下： (2-2-38) (2-2-39)式

46、中F、if分別為加料流量與每1kmol原料所具有的熱焓。須注意，在熱量衡算式(2-2-39)中已應用了恒摩爾流假定，即認為不同溫度和組成下的飽和液體焓i及汽化潛熱r均相等。聯(lián)立式兩式可得 (2-2-40)若定義 (2-2-41)則可得 (2-2-42) (2-2-43) 以上兩式中的q稱為加料熱狀態(tài)參數(shù)，其數(shù)值的大小等于每加入1kmol的原料使提餾段液體所增加的kmol數(shù)。因此，從q值的大小可以看出加料的狀態(tài)及溫度的高低： q0，為飽和蒸汽加料： 0q1，為汽液混合物加料； q1，為泡點加料； q1，冷液加料，此時進料液體的溫度低于泡點，入塔后由提餾段上升蒸汽部分冷凝所放出的冷凝熱將其加熱至泡

47、點，因此q值大于1； q0，為過熱蒸汽加料，入塔后將放出顯熱成為飽和蒸汽，使加料板上的液體部分汽化，因此q值小于零。5. 精餾塔內的摩爾流率設精餾塔頂?shù)睦淠鲗碜运數(shù)恼羝坷淠ㄟ@種冷凝器稱全凝器），凝液在泡點溫度下部分回流入塔（泡點回流）。根據(jù)恒摩爾流的假定，此時回流液的流量L即為精餾段逐板下降的液體量。由此可得塔內各段汽液兩相的摩爾流量為 (2-2-44)精餾段 (2-2-45) 提餾段 (2-2-46) (2-2-47)第N板W，XWYN，XN-1圖2-2-14 塔釜物料衡算塔頂蒸汽全部冷凝為泡點液體時，冷凝器的熱負荷為 (2-2-48)塔釜熱負荷為 (2-2-49)式中 rc組成xD的混合溶液的平均汽化熱；rb組成xW的混合溶液的平均汽化熱。五、精餾過程的兩種解法上節(jié)中已對塔板過程作出數(shù)學描述，現(xiàn)討論由各塊塔板構成的方程組的求解方法。1. 方程組的聯(lián)立求解設某精餾塔共有N塊理論板，其中第m塊板為加料板，最末一塊板是蒸餾釜。如圖2-2-14所示，釜內液體在蒸餾釜內部分汽化，離開塔釜的汽液兩相組成yN與xW?？烧J為互成平衡，故蒸餾釜可作為一個理論板。 由塔板上