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)蒸餾過程:最簡單的是平衡蒸餾和簡單蒸餾,只用一次平衡關(guān)系.對高純度的分離,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的自由度

相律1)液相(或氣相)組成與溫度間一一對應(yīng)關(guān)系;2)氣,液組成間的一一對應(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兩相的濃度關(guān)系2)對理想物系3)對物系相對揮發(fā)度相差不大4)相差較大,但不超過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,需通過狀態(tài)方程求取逸度系數(shù).9.3平衡蒸餾和簡單蒸餾9.3.1平衡蒸餾y，x，泡點(diǎn)溫度te。DWFxF9.3.2簡單蒸餾平衡蒸餾與簡單蒸餾的比較:平衡蒸餾：y與x平衡簡單蒸餾：y與x不滿足平衡關(guān)系當(dāng)液相產(chǎn)品x相等時，簡單蒸餾的汽相產(chǎn)品濃度可大些見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單蒸餾可見只經(jīng)過一次部分氣化,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.過程描述的基本方法列出物料衡算,熱量衡算,過程特征方程,有的時候進(jìn)行適當(dāng)?shù)暮喕?9.4.3塔板上過程的數(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化若假定可得稱為恒摩爾流假定.(有時用恒質(zhì)量流假定)塔板傳質(zhì)過程的簡化---理論板和板效率由于塔板上氣液傳遞過程非常復(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)雜的精餾問題分解為兩個問題,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)過簡化單塊板的數(shù)學(xué)方程為:物料衡算式相平衡方程加料板過程分析1）加料的熱狀況——原料加熱到不同溫度時狀態(tài)不一；有冷液，飽和液，氣液兩相，飽和氣，過熱氣。不同的加料狀態(tài)，離開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)過該塔板的增濃度BC是氣體經(jīng)過該塔板的增濃度第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。是一個優(yōu)化的問題。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，無塔頂和塔底產(chǎn)品，也無進(jìn)料。一般用于設(shè)備開車，希望盡快建立全塔的濃度分布，或在實(shí)驗(yàn)研究時采用。全回流時的操作線就是對角線，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)系時的最小回流比的計(jì)算：非正常平衡關(guān)系時，需用切線的方法，見圖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)對理論板數(shù)只需一個大概的估計(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,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,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揮發(fā)度較大.設(shè)計(jì)時,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s結(jié)果的影響回流比增大塔頂xD↑和塔底xW↓。同時塔頂全凝器的熱負(fù)荷和塔底再沸器的熱負(fù)荷也增加。但回流比增大對xD和xW影響有極限值。進(jìn)料組成變動的影響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)時已確定壓強(qiáng)，操作時要控制其穩(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,即可開始調(diào)節(jié).P大xB大大tt板序號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)過程;2)精餾塔全為精餾段,無提餾段.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，來保證塔頂濃度。見例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，使整個精餾過程的平均濃度為產(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。有類似簡單精餾形式因塔板數(shù)和回流比一定，瞬時釜液組成x必對應(yīng)一個塔頂濃度xD。通過數(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改變原組分間的熱力學(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部分互溶的液相，通過二個塔設(shè)備聯(lián)合操作，來進(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。流程見圖9－50。挾帶劑的選擇：1）能與一個或二個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