化工原理第十章蒸餾小結(jié)

●教學(xué)基本要求●掌握雙組分溶液的汽液相平衡;雙組分連續(xù)精餾的計算和分析。了解間歇精餾、特別精餾和多組分精餾。掌握板式塔的結(jié)構(gòu)和設(shè)計。學(xué)習(xí)本章重點應(yīng)掌握的內(nèi)容:

(1)蒸餾操作的依據(jù);

(2)雙組分物系的汽液相平衡;

(3)精餾原理;

(4)精餾操作線方程推導(dǎo)、意義與應(yīng)用;

(5)回流比、進(jìn)料狀態(tài)、進(jìn)料位置對精餾操作的影響;

(6)理論塔板數(shù)的計算;

(7)板式塔的設(shè)計?！裰攸c內(nèi)容概要●本章的基本內(nèi)容如圖10-1所示。一、概述

(1)蒸餾分離的依據(jù)

蒸餾過程是利用液體混合物中各組分揮發(fā)能力的差異,而將均相液體混合物進(jìn)行分

離的一種方法?；旌衔镏休^易揮發(fā)的組分稱為易揮發(fā)組分,較難揮發(fā)的組分稱為難揮發(fā)組分。

(2)蒸餾操作的分類按操作方式分:簡單蒸餾、平衡蒸餾、精餾、特別精餾;按操作壓力分:常壓精餾、真空精餾、加壓精餾;按物料的組分?jǐn)?shù)分:雙組分精餾、多組分精餾按操作是否連續(xù)分:間歇精餾、連續(xù)精餾本章主要討論雙組分連續(xù)精餾。

二、雙組分溶液的汽液相平衡

1、定律與概念

(1)相律相律表示平衡物系中的自由度F,相數(shù)和獨(dú)立組分?jǐn)?shù)C之間的關(guān)系,即對雙組分平衡物系,雙組分平衡物系涉及的參數(shù)與:溫度t

、壓力、汽相組成和液相組成。而精餾操作通常在恒壓下進(jìn)行,故壓力一定,此時,物

系的自由度F=1,即在三參數(shù)中,只要規(guī)定了其中一個變量,其余兩個也就被唯一確定。

(2)拉烏爾定律汽液平衡時,組分的蒸汽壓p與溶液中組分的摩爾分率x成正比,即-----溶液中組分A,B的摩爾分率。理想溶液的汽液平衡關(guān)系服從拉烏爾定律。

(3)道爾頓定律總壓p等于各組分分壓之和,即理想物系氣相服從道爾頓定律。

相對揮發(fā)度定量的表示拉各組分揮發(fā)的難易程度,越大,說明A組分越容易分離。說明兩組分揮發(fā)度相等,在這種情況下,不能用普通的蒸餾方法進(jìn)行分離。

2、雙組分理想物系平衡關(guān)系(2)溫度組成的()圖總壓一定時,溫度與汽液相平衡組成的關(guān)系,如下圖所示。10-2(3)汽液平衡組成()圖蒸餾計算中用得最多的是汽液平衡組成圖,如下圖所示。10-3(4)相平衡方程此時,a在全部操作溫度和組成范圍內(nèi)可近似的作為常數(shù)處理,計算時,取其算術(shù)或幾何平均值。

3、雙組分非理想溶液平衡關(guān)系實際生產(chǎn)中所遇到的多數(shù)物質(zhì)稱為非理想溶液,即組分的平衡蒸汽壓偏離拉烏爾定率。(1)具有最低恒沸點的溶液:,對理想溶液具有正偏差,這種系統(tǒng)會出現(xiàn)最高蒸汽壓和相應(yīng)的最低恒沸點,如乙醇—水溶液。

(2)具有最高恒沸點的溶液:,對理想溶液具有負(fù)偏差,這種系統(tǒng)會出現(xiàn)最低蒸汽壓和相應(yīng)的最高恒沸點,如硝酸—水溶液。注意:不管是正偏差依然負(fù)偏差溶液,在恒沸組成時,其溶液兩相的組成皆相同,故無法用一般蒸餾方法加以分離。

二、蒸餾過程

1、簡單蒸餾

(1)流程:如下圖所示,為一間歇操作過程。10-4

(2)特點

●間歇操作過程;

●不穩(wěn)定過程,隨著蒸餾的進(jìn)行,釜內(nèi)液體中易揮發(fā)組分的組成逐漸降低,與之相平衡的汽相中,易揮發(fā)組分的組成亦隨之降低,釜液溫度不斷升高;

●計算時,選擇微元時間列出微分式,再積分求解。

2、平衡蒸餾

(1)流程:平衡蒸餾裝置如下頁圖10-5所示。(2)特點

●連續(xù)操作過程;

●穩(wěn)定過程,維持恒定的操作條件,產(chǎn)物的組成不隨時間而變化;

●汽、液兩相一次平衡。

3、雙組分連續(xù)精餾

(1)精餾原理

●理論上可采納多次部分汽化和多次部分冷凝的方法,以實現(xiàn)液體混合物的高純度分離;

●工程上,廣泛采納精餾,典型的精餾過程如圖10-6所示。

●精餾操作的必要條件:塔頂?shù)囊合嗷亓骱?/p>

塔底的汽相回流。

●精餾過程是傳質(zhì)和傳熱同時進(jìn)行的過程,但過程主要由傳質(zhì)過程所控制。

●理論塔板數(shù)的概念:指如此一塊塔板,當(dāng)汽、液兩相在其上進(jìn)行接觸傳質(zhì)時,離開該塔板的兩相在傳熱、傳質(zhì)方面都達(dá)到拉平衡,即汽液兩相溫度相等,組成互呈平衡,常又稱為平衡級。

●總板效率的概念:又稱全塔效率,達(dá)到規(guī)定分離要求所需的理論塔板數(shù)N與達(dá)到相同分離要求所需實際塔板數(shù)的比值,即

(2)雙組分連續(xù)精餾的物料衡算和熱量衡算

●全塔物料衡算如圖10-7所示,全塔物料衡算有:

●恒摩爾流假設(shè)為了簡化精餾計算,在滿足兩組分的摩爾汽化潛熱差別不大,忽略由于溫度不同引起的泡點液體焓的變化和熱損失的條件下,精餾塔內(nèi)在沒有進(jìn)料和出料的塔段中,各板上升蒸汽的摩爾量相等,各板下降液體的摩爾量亦相等。即:

注意:汽、液相的流率采納摩爾流率,對應(yīng)的組成采納摩爾分率。q線方程為兩條操作線交點的軌跡方程。

●進(jìn)料狀態(tài)對q值與q線的影響,見表10-1。10-1

●精餾段、提鎦段汽液相流率之間的關(guān)系液相:汽相:

●全塔熱量衡算如圖10-8所示。10-8(3)理論塔板數(shù)

●逐板計算法塔頂冷凝器為全冷凝、泡點回流、再沸器中為間接加熱,當(dāng)給定,規(guī)定分離要求(或回收率)、選定R,已知操作溫度下的a,則可交替使用相平衡方程和操作線方程,由塔頂至塔底逐板計算。

●圖解法將上述計算過程用圖解過程代替,如圖10-9所示。圖解步驟:①在圖上畫出平衡線,連接對角線②確定精餾操作線;③確定q線;④確定提餾段操作線;⑤在平衡線和操作線間畫梯級。圖解法直觀形象,有利于問題的分析,但誤差較大。

●簡捷法利用吉利蘭(Gilliland)關(guān)聯(lián)圖(圖10-10)或關(guān)聯(lián)式,查圖或計算所需的理路塔板數(shù)。

簡捷法主要用于對理論塔板數(shù)作初步的估算,或粗略比較不同回流比時所需的理論塔板數(shù)。

注意:圖解法時,任一梯級表示的意義如圖10-11所示。10-11(4)進(jìn)料位置的確定

●最優(yōu)或適宜的進(jìn)料位置:對應(yīng)于兩操作線交點Q所在的梯級。

●進(jìn)料位置較高或較低對分離都不利。

●允許的進(jìn)料位置的范圍在如圖10-12所示的之間。●●●適宜回流比的選擇回流比對精餾費(fèi)用的影響,見圖10-13。一般取Ropt=(1、2~2)Rmin(6)進(jìn)料狀態(tài)的影響

●

q線不影響精餾段操作線位置,但影響提留段操作線位置;

●

q值不同,最佳進(jìn)料板位置不同;

●

q值不同,達(dá)到相同分離要求所需的理論板數(shù)不同,q值增大,所需理論板數(shù)減少。

(7)操作型問題討論

●所用的基本關(guān)系式與設(shè)計型相同,但已知條件和待求結(jié)果不同,由于操作型計算的試差過程比較復(fù)雜,目前多用計算機(jī)求解。

●精餾操作型問題的類型:主要有兩類,一是對現(xiàn)有的精餾塔,在給定精餾條件下,

核算其估計達(dá)到的分離程度;二是最運(yùn)行中的精餾塔,當(dāng)某一操作條件改變時,分析分離效果的變化,是否能獲得合格的產(chǎn)品及為此需采取的措施,還會產(chǎn)生什么其他的影響。

●精餾塔操作問題的分析方法:對類型二的操作型問題,操作條件改變所引起分離效果()的變化必須同時滿足全塔物料衡算關(guān)系和逐板組成變化關(guān)系,但二者所起的作用并不相同。分離結(jié)果的改變是由于塔板分離能力的改變引起逐板組成發(fā)生變化所致,而其變化的程度則受全塔物料衡算關(guān)系的約束。逐板組成變化關(guān)系用圖示比較直觀。

●主要操作參數(shù)的調(diào)節(jié)精餾過程的許多參數(shù)盡管是在設(shè)計中選定或規(guī)定的,但在操作時,在一定范圍內(nèi)仍是可調(diào)的。通?？烧{(diào)節(jié)的參數(shù)有回流比R,產(chǎn)品采出量D,進(jìn)料位置Nf

?；亓鞅萊

回流比R是影響分離程度和塔內(nèi)水利學(xué)狀況的重要操作參數(shù)。關(guān)于一定的塔板數(shù),若在正常的水利學(xué)條件下,增大回流比,可提高塔的分離能力。增大回流比的途徑有兩條,一是維持塔頂采出量D不變,增大回流量L。采納該種方法時,應(yīng)考慮塔底再沸器和塔頂冷凝器的能力是否允許,塔能否

發(fā)生液泛。二是維持回流量L不變,減小塔頂采出量D。該方法將使易揮發(fā)組分的回收率下降。進(jìn)料位置Nf

當(dāng)進(jìn)料組成發(fā)生變化,使進(jìn)料位置偏離最佳進(jìn)料位置時,如進(jìn)料中輕組分增加,進(jìn)料板應(yīng)上移,反之應(yīng)下移,以保證進(jìn)料組成與進(jìn)料板上的液相組成最接近。產(chǎn)品采出量D

當(dāng)進(jìn)料的組成或流量發(fā)生變化,采出量D也應(yīng)按分離要求重新做物料衡算確定,否則由于物料衡算的限制,有時調(diào)節(jié)參數(shù)也是無效的。

(8)其他有關(guān)實例

●直截了當(dāng)蒸汽加熱將加熱蒸汽直截了當(dāng)通入釜液中的操作,稱為直截了當(dāng)蒸汽加熱。該操作使用于所分離的混合液由水和比水易揮發(fā)的組分組成的物系,可省去一間接加熱的再沸器。對設(shè)計型問題,達(dá)到相同分離要求時,直截了當(dāng)蒸汽加熱所需的理論板數(shù)比間接加熱的略少,但此時塔頂易揮發(fā)組分的回收率降低。

●冷回流和塔頂加設(shè)分凝器情況冷回流:入塔回流液的溫度低于其泡點時,

稱為冷回流。冷回流使塔內(nèi)實際回流比增加。關(guān)于設(shè)計型問題,使得達(dá)到相同分離要求所需的理論塔板數(shù)比泡點回流時略少,其代價是塔釜提供更多的熱量。塔頂加設(shè)分凝器分凝器中汽液兩相達(dá)到拉平衡,相當(dāng)于一塊理論塔板。

●塔頂進(jìn)料的情況塔頂進(jìn)料,塔只有提餾段而無精餾段,又稱汽提塔。

●側(cè)線出料和多股進(jìn)料側(cè)線出料和多股進(jìn)料可將塔分成若干段,

各段分別有相應(yīng)的操作線,各股進(jìn)料亦分別有相應(yīng)的q線方程和q線。各段的操作線方程通過每段的物料衡算推導(dǎo)出。

●加設(shè)中間再沸器或中間冷凝器的情況從用能的角度來考慮,加設(shè)中間再沸器可降低高溫?zé)嵩吹哪芰繜岷?而加設(shè)中間冷凝器,則能夠節(jié)約低溫冷劑的消耗量。但不管是加設(shè)中間再沸器依然中間冷凝器對分離都是不利的。

4、間歇精餾

(1)特點:精餾塔只有精餾段而無提鎦段;精餾過程中,釜液組成不斷降低,使上升蒸汽組成、以及各塊塔板汽液相組成均隨時間的推移而不斷降低,是一非穩(wěn)態(tài)過程。

(2)操作方法間歇精餾可按兩種基本方法操作,一是維持回流不變,此時餾出液組成逐漸降低;二是維持餾出液組成恒定,這就要求不斷增大回流比。5、特別精餾特別精餾的基本原理是在雙組分溶液中加入第三(添加劑)以改變原溶液中各組分之間的相對揮發(fā)度。

(1)恒沸精餾加入的第三組分能與原來溶液中一個(或兩個)組分形成最低恒沸物,從而使原溶液易于分離,這種方法稱為恒沸精餾,加入的第三組分稱為挾帶劑。如乙醇-水溶液分離制取無水乙醇時,加入苯作為挾帶劑。(2)萃取精餾加入的第三組分不和被分離的組分形成恒沸物,但能比較顯著地改變它們之間的相對揮發(fā)度,且本身的揮發(fā)度特別小,這種方法稱為萃取精餾。第三組分常稱為萃取劑,如常壓下笨和環(huán)乙烷的分離,以糖醛為萃取劑。

6、多組分精餾實際生產(chǎn)中經(jīng)常遇到的是多組分精餾、雙組分精餾的原理和基本關(guān)系式適用于多組分精餾,但由于組分?jǐn)?shù)目增多,其流程和需

要解決的問題也更復(fù)雜。

(1)相平衡關(guān)系對m個組分的物系,壓力一定時,系統(tǒng)有m-1個自由度,故需已知液(或汽)相各組分的組成,才能求與之相平衡的汽(或液)相組成。而且,組分的相平衡常數(shù)不僅與系統(tǒng)的壓力和溫度有關(guān),還與該組分以及其余組分在兩相中的組成有關(guān),設(shè)計復(fù)雜的熱力學(xué)關(guān)系。這使多組分的汽、液平衡計算變得復(fù)雜。關(guān)于烴類混合物在不太高的壓力下,汽液平衡計算常采納圖。(2)物料衡算

●關(guān)鍵組分的概念多組分精餾中,通常依照分離主要目的,從中選出兩個組分來規(guī)定其分離要求,這兩個組分稱為關(guān)鍵組分。其中相對揮發(fā)度較大的稱為輕關(guān)鍵組分,相對揮發(fā)度較小的稱為重關(guān)鍵組分,期于組分則稱為非關(guān)鍵組分。

●清楚分割與非清楚分割若兩關(guān)鍵組分相鄰,且輕關(guān)鍵組分與其相鄰的輕組分之間的相對揮發(fā)度和重關(guān)鍵組分與其相鄰的重組分之間的相對揮發(fā)度均相差較大

則可認(rèn)為比輕關(guān)鍵組分更輕的各組分全部從塔頂蒸出,因而可設(shè)它們在釜液中的組成近似為零;比重關(guān)鍵組分更重的各級組分全部從塔底排出,因而可設(shè)他們在餾出液中的組成近似為零,這種情況稱為清楚分割。若分離的情況不滿足清楚分割的條件,一部分輕組分估計和輕關(guān)鍵組分一起進(jìn)去釜液,一部分重組分估計和重關(guān)鍵組分一起進(jìn)入餾出液,這種情況稱為非清楚分割。此時,分離要求以回收率的形式給出。

(3)理論塔板數(shù)計算關(guān)于多組分精餾時理論塔板數(shù)的計算,能夠采納簡捷法或逐板計算法。

四、板式塔

1、板式塔中氣、液相的異常流動