《精馏操作技术》PPT课件.ppt
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1、模块四:传质操作技术 一、蒸馏操作技术,工作任务: (1)精馏塔的仿真操作; (2)塔设备的分类与结构类型 (3)精馏原理及双组分连续精馏塔计算; (4)精馏的热量衡算及节能; (5)其他蒸馏方式; (6)板式塔的流体力学性能与操作特性; (7)板式塔设计; (8)精馏塔的操作与维护。,根据塔内气液接触部件的结构型式,可将塔设备分为两大类:板式塔和填料塔。,板式塔:塔内沿塔高装有若干层塔板,相邻两板有一定的间隔距离。塔内气、液两相在塔板上互相接触,进行传热和传质,属于逐级接触式塔设备。,一、精馏塔的分类,填料塔:塔内装有填料,气液两相在被润湿的填料表面进行传热和传质,属于连续接触式塔设备。,本
2、章重点介绍板式塔。,精馏塔的结构及应用,二、板式塔的结构类型 及性能评价,(一)板式塔的结构,板式塔是由圆柱形壳体、塔板、气体和液体进、出口等部件组成的。塔板是板式塔的核心构件 。,1-塔体;2-塔板;3-溢流堰; 4-受液盘; 5-降液管,(二)塔板的类型,塔板的分类有错流、逆流两种,错流塔板:塔板间设有降液管。液体横向流过塔板,气体经过塔板上的孔道上升,在塔板上气、液两相呈错流接触。 逆流塔板:塔板间无降液管,气、液同时由板上孔道逆向穿流而过。 本章只介绍错流塔板。,按照塔板上气液接触元件不同,塔板可分为多种型式,泡罩塔板 筛板 浮阀塔板 喷射型结板 :舌形塔板、浮舌塔板 斜孔塔板、网孔塔
3、板等,泡罩塔板,泡罩塔板流程,筛板塔,浮 阀,浮 阀,舌形塔板,浮舌塔板,网孔塔板,斜孔塔板,常见塔板的性能比较,1.蒸馏及分离依据,蒸馏是分离液体均相混合物的单元操作,通过加热造成汽液两相体系,利用液体混合物中各组分挥发性不同而达到分离的目的。,易挥发组分:液体混合物中挥发能力高的组分,又称轻组分; 难挥发组分:液体混合物中挥发能力低的组分,又称重组分。,精馏基础知识,一、蒸馏及精馏,2.蒸馏操作的分类,平衡蒸馏和简单蒸馏,只能使混合液部分分离,不能满足高纯度的分离要求。,二、双组分理想溶液的气液相平衡,理想溶液的汽液相平衡是指溶液与其上方蒸汽达到平衡时汽液两相间各组分组成之间的关系。是精馏
4、操作分析和过程计算的重要依据。,3.精馏 同时并多次进行部分汽化和多次部分冷凝,使混合液得到较完善分离的单元操作。,1沸点组成图,(一)双组分气液相平衡图,常压下苯甲苯物系的t x y 图,(1)结构,(2)应用,a.泡点、露点及确定,b.易挥发和难挥发组分的沸点,c.混合溶液气液平衡组成的确定,溶液开始沸腾,产生第一个汽泡,相应的温度称为泡点;混合气体开始冷凝产生第一滴液滴,相应的温度称为露点。确定方法如图。,如图F、E两点为纯苯和纯甲苯的沸点。,当混合液的状态点为点K时,物系被分成互成平衡的汽液两相,其汽、液相组成y、x可用G、L两点横坐标表示。,2气液相平衡图,苯甲苯物系的y x图,(1
5、)结构,(2)应用,a.图中任意点D表示组成为x1的液相与组成为y1的气相互相平衡,b.两相达到平衡时,气相中易挥发组分的浓度大于液相中易挥发组分的浓度,即y x,故平衡线位于对角线的上方。,c.平衡线离对角线越远,说明互成平衡的气液两相浓度差别越大,溶液就越容易分离。,(二)相对挥发度,1.挥发度,组分的挥发度是组分挥发性大小的标志。通常纯组分的挥发度是指液体在一定温度下的饱和蒸汽压。而溶液中各组分的挥发度可用它在蒸汽中的分压和与之平衡的液相中的摩尔分数来表示,用符号vi 表示,2相对挥发度,溶液中两组分的挥发度之比称为两组分的相对挥发度,用表示。溶液中组分A对组分B的相对挥发度,AB可表示
6、为,对于理想溶液,因其服从拉乌尔定律,则,得,3相平衡方程,对于二元体系,xB = 1xA ,yB = 1yA ,若气体服从道尔顿分压定律,则,略去下标则可得相平衡方程,分析: 当 1时,y x,气液相组成相同,二元体系不能用普通精馏法分离;当 1时,yx。 越大,y比x大得越多,互成平衡的气液两相浓度差别越大,组分A和B越易分离。因此由 值的大小可以判断溶液是否能用普通精馏方法分离及分离的难易程度。,三、精馏原理,1.一次部分汽化和一次部分冷凝,一次部分汽化和一次部分冷凝 可使混合液或 混合蒸汽得到部分分离。,2多次部分汽化和多次部分冷凝,结论:气体混合物经多次部分冷凝,所得汽相中易挥发组分
7、含量就越高,最后可得到几乎纯态的易挥发组分。液体混合物经多次部分汽化,所得到液相中易挥发组分的含量就越低,最后可得到几乎纯态的难挥发组分。 存在问题:每一次部分汽化和部分冷凝都会产生部分中间产物,致使最终得到的纯产品量极少,而且设备庞杂,能量消耗大。为解决上述问题,工业生产中精馏操作采用精馏塔进行, 。,3塔板上汽液两相的操作分析,理论塔板:离开塔板的气液两相组成yn与xn相互平衡。 实际塔板由于气液两相接触时间及接触面积有限,离开塔板的气液两相难以达到平衡,达不到理论板的传质分离效果。理论板仅作为衡量实际板分离效率的依据和标准。 4精馏必要条件 为实现分离操作,除了需要有足够层数塔板的精馏塔
8、之外,还必须从塔底引入上升蒸汽流(气相回流)和从塔顶引入下降的液流(液相回流),以建立气液两相体系。塔底上升蒸汽和塔顶液相回流是保证精馏操作过程连续稳定进行的必要条件。没有回流,塔板上就没有气液两相的接触,就没有质量交换和热量交换,也就没有轻、重组分的分离。,四、精馏操作流程,精馏过程可连续操作,也可间歇操作。精馏装置系统一般都应由精馏塔、塔顶冷凝器、塔底再沸器等相关设备组成,有时还要配原料预热器、产品冷却器、回流用泵等辅助设备。 原料加入的那层塔板称为加料板。加料板以上部分,起精制原料中易挥发组分的作用,称为精馏段,塔顶产品称为馏出液。加料板以下部分(含加料板),起提浓原料中难挥发组分的作用
9、,称为提馏段,从塔釜排出的液体称为塔底产品或釜残液。,精馏计算,一、全塔物料衡算,稳定连续操作的精馏塔,以单位时间为基准,则全塔物料衡算式为: 总物料衡算: F=D+W 易挥发组分衡算: F xF=D xD +W xW 式中: F、D、W分别为原料、塔顶产品和塔底产品 的流量,Kmol/h; xF、xD、xW分别为原料、塔顶产品和塔底产品中易挥发组分的摩尔分数。 全塔物料衡算式应用:确定产品流量及组成。,二、操作线方程,精馏塔内任意板下降液相组成xn及由其下一层板上升的蒸汽组成yn1之间关系称为操作关系。描述精馏塔内操作关系的方程称为操作线方程。 (一)恒摩尔流假定 1恒摩尔流假定成立的条件
10、若在精馏塔塔板上气、液两相接触时有nkmol的蒸汽冷凝,相应就有nkmol的液体汽化,这样恒摩尔流的假定才能成立。为此,必须满足的条件是: 各组分的摩尔汽化潜热相等; 气液接触时因温度不同而交换的显热可以忽略; 塔设备保温良好,热损失可也忽略。,2恒摩尔流假定内容 (1)恒摩尔汽化 精馏操作时,在精馏塔的精馏段内,每层板的上升蒸汽摩尔流量都是相等的,在提馏段内也是如此: 精馏段 V1=V2=V3=V=常数 提馏段 V=V=V=V=常数 但两段的上升蒸汽摩尔流量却不一定相等。 (2)恒摩尔液流 精馏操作时,在塔的精馏段内,每层板下降的液体摩尔流量都是相等,在提馏段内也是如此: 精馏段 L1=L2
11、=L3=L=常数 提馏段 L=L=L=L=常数 但两段的下降液体摩尔流量不一定相等。,(二)操作线方程 在连续精馏塔中,因原料液不断从塔的中部加入,致使精馏段和提馏段具有不同的操作关系。 1精馏段操作线方程,对精馏段的第n十1层板以上塔段及冷凝器作物料衡算,以单位时间为基准: 总物料衡算: V=L+D 易挥发组分衡算:yn+1=Lxn+DxD 式中:V精馏段上升蒸汽的摩尔流量,kmol/h; L精馏段下降液体的摩尔流量,kmol/h; yn+1精馏段第n十1层板上升蒸汽中易挥发组分的摩尔分数; xn精馏段第n层板下降液体中易挥发组分的摩尔分数。,整理得,令R LD,R称为回流比,是精馏操作中重
12、要的参数 则精馏段操作线方程为:,精馏段操作线方程反映了一定操作条件下精馏段内的操作关系,即精馏段内自任意第n层板下降的液相组成xn与其相邻的下一层板(第n+1层板)上升汽相组成yn+1之间的关系。 在稳定操作条件下,精馏段操作线方程为一直线, 斜率为 ,截距为 。,2提馏段操作线,对提馏段第m层板以下塔板及再沸器作物料衡算,以单位时间为基准: 总物料衡算: L = V + W 易挥发组分衡算:Lxm = Vym+1+WxW 提馏段操作线方程为:,式中 L提馏段下降液体的摩尔流量,kmol/h; V提馏段上升蒸汽的摩尔流量,kmol/h; xm提馏段第m层板下降液相中易挥发组分的摩尔分数; y
13、m+1提馏段第m+1层板上升蒸汽中易挥发组分的摩尔分数。,提馏段操作线方程反映了一定操作条件下,提馏段内的操作关系。在稳定操作条件下,提馏段操作线方程为一直线。斜率为 ,截距为 。,(三)进料状况的影响,1精馏塔的进料热状况 在生产中,加入精馏塔中的原料可能有以下五种热状态: (1)冷液体进料 tt泡。 (2)饱和液体进料 tt泡 (3)气液混合物进料 t泡tt露 (4)饱和蒸汽进料 tt露 (5)过热蒸汽进料 tt露,2进料热状况对进料板物流的影响,精馏塔内,由于原料的热状态不同,从而使精馏段和提馏段的液体流量L与L间的关系以及上升蒸汽量V与V均发生变化。,(a)冷液进料;(b)饱和液体进料
14、;(c)汽液混合物进料; (d)饱和蒸汽进料;(e)过热蒸汽进料,3进料热状态参数q 对加料板进行物料衡算及热量衡算可得,令,不同进料时的q值如下: (1)冷液 q 1 (2)饱和液体 q 1 (3)汽液混合物 0 q 1 (4)饱和汽体 q 0 (5)过热汽体 q 0,q值的意义:每进料1kmol/h时,提馏段中的液体流量较精馏段中增大的kmol/h值。对于泡点、露点、混合进料,q值相当于进料中饱和液相所占的分率。,4.提馏段操作线方程,根据q的定义式可知:,则,5.进料方程,精馏段操作线与提馏段操作线交点的轨迹方程,称为进料方程,也称q线方程。 联立物料衡算式、精馏段提馏段操作线方程可得:
15、,在进料热状况及进料组成确定的条件下,q及xF为定值,进料方程为一直线方程。,三、理论塔板数的求法 1逐板计算法,(1)理论依据 交替地使用相平衡关系和操作线方程逐板计算每一块塔板上的气液相组成,所用相平衡关系的次数就是理论塔板数。 一般已知原料液组成、进料热状态、操作回流比及所要求的分离程度,,(2)方法 若连续精馏塔,泡点进料,塔顶采用全凝器,泡点回流,塔釜采用间接蒸汽加热。可以从塔顶开始计算:,y1xD x1 y2 x2 y3 xnxF(泡点 进料) yn+1 x n+1 xNxW,注意:(a)从y1=xD开始,交替使用相平衡方程及精馏段操作线方程计算,直到xnxF为止,使用一次相平衡方
16、程相当于有一块理论板,第n块板即为加料板,精馏段NT n1(块)。 (2)当xnxF(泡点进料)时,改交替使用相平衡方程及提馏段操作线方程计算,直到xNxW为止,使用相平衡方程的次数为NT,再沸器相当于一块理论板,总NT N1(块)。 逐板计算法较为繁琐,但计算结果比较精确,适用于计算机编程计算。,2图解法,图解法求取理论塔板数的基本原理与逐板计算法相同,只不过用简便的图解来代替繁杂的计算而已。 (1)作xy图,绘制精、提馏段操作线。 (2)自a点开始,在精馏段操作线与平衡线之间绘阶梯。当阶梯跨越两操作线交点d点时,则改在提馏段操作线与平衡线之间画阶梯,直至阶梯的垂线跨过点c为止。 (3)每个
17、阶梯代表一块理论板。跨过点d的阶梯为进料板,最后一个阶梯为再沸器。总理论板层数为阶梯数减1。 (4)阶梯的跨度也就代表了理论板的分离程度。阶梯跨度不同,说明理论板分离能力不同。,采用两点法绘制: 由精馏段操作线方程可知,当xnxD时,yn+1xD,即该点位于yx图的对角线上,如图中点a;当xn0时,yn+1xD/(R+1),即该点位于y轴上,如图中点b,则直线ab即为精馏段操作线。,(1)精馏段操作线的绘制,(2)提馏段操作线,提馏段操作线截距很小,不易准确作出,而且不能直接反映出进料热状态的影响。因此通常借助进料方程,找出提馏段操作线与提馏段操作线的交点d,再得到提馏段操作线。,1. q线的
18、绘制 将q线方程与对角线方程联立,则交点坐标为x=xF,y=xF,如图中e点,过e点作斜率为q(q1)的直线,ef 线,即为q线。,2. 不同进料状态时q线的位置,进料热状况不同,q线位置不同。,进料热状况对q线的影响,(3)提馏段操作线绘制,两点法:提馏段操作线与对角线交点c(xW,xW),q线与精馏段操作线交点d,同时也是精提馏操作线的交点。则 连CD即得提馏段操作线。,图解法简单直观,但计算精确度较差,尤其是对相对挥发度较小而所需理论塔板数较多的场合更是如此。,3确定最优进料位置,最优的进料位置一般应在塔内液相或汽相组成与进料组成相近或相同的塔板上。当采用图解法计算理论板层数时,适宜的进
19、料位置应为跨越两操作线交点所对应的阶梯。对于一定的分离任务,如此作图所需理论板数为最少,跨过两操作线交点后继续在精馏段操作线与平衡线之间作阶梯,或没有跨过交点过早更换操作线,都会使所需理论板层数增加。 对于已有的精馏装置,在适宜进料位置进料,可获得最佳分离效果。在实际操作中,如果进料位置不当,将会使馏出液和釜残液不能同时达到预期的组成。进料位置过高,使馏出液的组成偏低(难挥发组分含量偏高);反之,进料位置偏低,使釜残液中易挥发组分含量增高,从而降低馏出液中易挥发组分的收率。,四、塔板效率与实际塔板数,1塔板效率 (1)全塔效率 全塔效率反映塔中各层塔板的平均效率,因此它是理论板层数的一个校正系
20、数,其值恒小于1。 影响板效率的因素很多而且复杂,如物系性质、塔板型式与结构和操作条件等。一般采用来自生产及中间实验的数据或用经验公式估算: ET0.49(L)0.245 式中 塔顶与塔底平均温度下的相对挥发度; L塔顶与塔底平均温度下的液体粘度。,精馏塔效率关联曲线,(2)单板效率 表示汽相或液相经过一层实际塔板前后的组成变化与经过一层理论板前后的组成变化之比值:,或,式中 EMV汽相单板效率; EML液相单板效率; y与xn成平衡的汽相组成; x与yn成平衡的液相组成。 单板效率可直接反映该层塔板的传质效果,可由实验测定。但各层塔板的单板效率通常不相等。,2实际塔板数,式中 ET全塔效率,
21、%; NT理论板层数; NP实际塔板层数。,五、回流比的影响与选择,回流比是一个非常重要的参数,对精馏操作影响很大,影响精馏的投资费用和操作费用 。 对一定的料液和分离要求,R增大,精、提馏段操作线向对角线靠近,离相平衡线越远,NT减少,塔设备费用减少;但回流比增大使塔内气、液相量,操作费用提高。 对于一个固定的精馏塔,增加回流比,每一块板的分离程度增大,提高了产品质量。 R 上限:全回流时R 下限:Rmin 对于一定的分离任务,应选定适宜的回流比。,(一)全回流和最少理论塔板数,1.定义 塔顶上升的蒸汽经冷凝后,全部回流至塔内,称为全回流。 2.特点 (1) 全回流时的回流比R=, (2)物
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