食品工程原理第八章.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,蒸 馏,第八章,蒸 馏,8.1,概述,8.2,蒸馏理论,8.3 蒸馏方法,8.4 板式塔中双组分精馏的计算,8.5 精馏装置,蒸 馏,8.1,概述,蒸馏是利用互溶液体混合物中各组分沸点的不同，将液体混合物分离成为较纯组分的一种单元操作。蒸馏操作所以能够分离互溶的液体混合物，是由于溶液中各组分的沸点不同，沸点低的组分容易气化，称为易挥发组分，而沸点高的组分不易气化，称为难挥发组分。因此，蒸馏所得的蒸汽中，与其冷凝后形成的液体（简称馏出液）中，低沸点组分的含量较多；而残留的液体（简称残液）中，高沸点组分的含量较多。故用蒸馏方法处理液体混合物，可以得到较纯的馏出液和较纯的残液，达到混合物分离的目的。,蒸 馏,可见，液体混合物中各组分的沸点相差愈大、汽液两相的组成差别愈大，愈有利于蒸馏分离。有关混合物中汽液两相共存时组分间汽液相平衡关系是蒸馏操作的基础，将在第二节中讨论。,根据蒸馏时混合液中的组分数，可分为双组分蒸馏和多组分蒸馏，但双组分蒸馏是多组分蒸馏的基础，而且很多多组分蒸馏问题，可以作为双组分蒸馏来处理。故本章主要讨论双组分连续蒸馏的原理、方法和计算。,蒸 馏,8.2,蒸馏理论,在蒸馏操作中，各组分均有一定的挥发性。如果蒸馏系统中仅含两组分，则液相和气相中均有此两组分，这样的系统称为双组分系统或二元系统。,8.2.1 双组分理想溶液的汽液相平衡,1,理想溶液概念,根据溶液中同分子间作用力与异分子间作用力的差异，可将溶液分为理想溶液和非理想溶液。所谓理想溶液，是指在这种溶液内，组分,A,、,B,分子间作用力,a,AB,与纯组分的分子间作用力,a,AA,或纯组分,B,的分子间作用力,a,BB,相等，即,a,AA,a,BB,a,AB,。,反之，纯组分间作用力,a,AA,及,a,BB,与组分,A,、,B,分子间作用力,a,AB,不相等，则称该溶液为非理想溶液。,蒸 馏,2,理想溶液特点,（,1,）两个完全互溶的挥发性组分（,A,、,B,两组分）所构成的理想溶液，其汽液平衡关系服从拉乌尔定律，即,p,=,p,x (8-1),式中,p,溶液上方某组分的平衡分压，,P,a,；,p,在当时温度下该纯组分的饱和蒸汽压，,P,a,；,X,溶液中该组分的摩尔分数。,（,2,）若汽液平衡时总压,P,不很高（如,10,atm,以内），道尔顿分压定律可适用于气相，即,p,=,p,1,+,p,2,(8-2),蒸 馏,3,双组分理想溶液汽液相平衡关系相图,将双组分体系相平衡关系图用平面图形表示出来，经常使用以下几种相图：,一定温度下的压力组成图，即,p,x,图、,p,y,图；,一定压强下的温度组成图，即,t,x,y,图；,一定压强下的,y,x,图。,蒸 馏,（,1,）,p,x,图、,p,y,图,对于由,A,、,B,二组分构成的理想溶液，,x,A,+,x,B,1,，,可省略下标，用,x,表示,A,组分（易挥发组分）的摩尔分数，则,B,组分（难挥发组分）的摩尔分数为（,1-,x,）。,如前所述，理想溶液服从拉乌尔定律，蒸汽是理想气体，服从道尔顿分压定律。,在平衡时，根据拉乌尔定律：,p,A,=,p,0,A,x,A,p,B,=,p,0,B,x,B,=,p,0,B,(1-,x,A,),蒸 馏,根据道尔顿分压定律，溶液上方蒸汽总压力,p,为,：,p,p,A,p,B,p,0,A,x,A,p,0,B,(1,x,A,),或,p,(,p,0,A,p,0,B,),x,A,p,0,B,（,8-3,）,x,A,=,（,8-3a,）,对于混合溶液为理想溶液，而其上方蒸汽为理想气体的系统，有,p,y,A,p,0,A,x,A,p,y,B,p,0,B,x,B,y,A,x,A,y,B,x,B,（,8-3b,）,蒸 馏,因为对于双组分混合物有,x,A,x,B,1,，,y,A,y,B,1,因此，,整理得,（,8-4,）,式中,p,气相总压，,Pa,；,p,A,、,p,B,组分,A,和,B,的气相平衡分压，,Pa,；,p,0,A,、,p,0,B,纯组分,A,和,B,的饱和蒸汽压，,Pa,；,x,A,，,x,B,组分,A,和,B,平衡时在液相中的摩尔分数；,y,A,，,y,B,组分,A,和,B,平衡时在气相中的摩尔分数。,蒸 馏,式（,8-3,）表示双组分理想溶液在一定温度下溶液上方蒸汽压力,p,与液相组成,x,A,的关系，称为液相等温线方程式，将该式标绘在直角坐标系上，即得压力,组成（,p,-,x,）,相图。,p,-,x,图为一直线，称为液相等温线。如图,8-1,（,a,）,所示。,同理式（,8-4,）表示双组分理想溶液在一定温度下溶液上方蒸汽压力,p,与气相组成,y,A,的关系，称为气相等温线方程式，所对应的曲线为压力组成（,p,-,y,）,相图，称为气相等温线。如图,8-1(,b),所示，它在液相等温线之下。,蒸 馏,图,8-1,理想溶液压力,组成图,（,a,）,液相等温线,（,b,）,气相等温线,蒸 馏,（,2,）,t,x,y,图,蒸馏操作通常是在一定外压下进行，而且在操作过程中，溶液的温度随其组成而变，故恒压下的温度组成图对蒸馏过程的分析具有实际意义。,对于任意两组分理想溶液，利用一定温度下纯组分的饱和蒸气压数据，由式（,8-3,a,）,和,(8-3,b),即可求得该温度下平衡时气、液相组成，由此可以以,x,或,y,为横坐标，以,t,为纵坐标，绘出一定压强下的,t,x,及,t,y,两条曲线，这就是温度组成相图，即,t,x,y,图，如图,8-2,所示。,蒸 馏,图,8-2,理想溶液温度,组成图,蒸 馏,图中，上面的曲线为气相线（亦称冷凝曲线或露点曲线），它表示饱和蒸气的冷凝温度与气相组成（浓度）之间的关系；下面的曲线为液相线（亦称沸腾曲线或泡点曲线），它表示溶液沸腾温度与液相组成（浓度）的关系。,t,x,y,图将整个坐标平面分成三个区域，气相线以上代表过热蒸汽称为气相区；液相线以下代表未沸腾的液体，称为液相区；气相线和液相线包围的区域表示气液同时存在，称为气液共存区，在该区内，气液两相互成平衡，其平衡组成由等温线与气相线、液相线交点求得。,蒸 馏,从,t,x,y,图可了解蒸馏过程中气、液组成的变化。举例如下：现对处于,A,点（温度为,t,1,，,组成为,x,1,）,的混合液进行加热，当温度升高到,t,2,（,B,点）时，溶液开始沸腾，产生气泡，点,B,称为泡点，其温度,t,2,称为泡点温度，因此，液相线又称泡点线，该体系由原来的单一液相体系转为气、液两相体系，该气泡的气相组成为,y,B,。,若温度继续升至,t,2,与,t,之间，则体系进入气液共存区，在平衡的两相中，气相组成要大于液相组成，亦即随着温度的升高，易挥发性组分在液相中的含量将逐渐减少，这就是蒸馏分离的理论依据。同样，若将温度为,t,4,，,组成为,y,D,的过热混合蒸汽冷却，当温度降到,t,3,（,C,点）时，混合气体开始冷凝，产生第一滴液体，相应的温度称为露点温度，因此，饱和蒸气线也称露点线，其相应的相组成变化可由图查出。,蒸 馏,从图,8-2,可知：,因易挥发组分在气相组成中所占的分数大于它在液相组成中所占的分数，故气相线位于液相线之上；,因平衡时，气、液两相具有同样的温度，故气、液平衡状态的点在同一温度下的同一水平线上；,纯组分,A,的沸点为,t,，纯组分,B,的沸点为,t,B,，,由它们组成的溶液的沸点介于二者之间，而且偏于组分含量高的一方；,当平衡温度升高时，液相中的低沸点组分,A,减少，高沸点组分,B,增多，温度降低时则相反。,蒸 馏,（,3,）相平衡（,y,x,）,图,在蒸馏设备设计计算中广泛应用的是汽液平衡组成的相图，即一定外压下的,y,x,图。,y,x,图绘制方法有两种：,由上述,t,x,y,平衡数据直接绘制，即将,t,x,y,数据中的每组,x,、,y,值在坐标平面上以点表示出来并连成线，即为,y,x,线，如图,8-3,就是与图,8-2,相对应的,y,x,图。由于气相中易挥发组分的含量比液相中多，即,y,x,，,故平衡曲线位于对角线上方，且平衡曲线离对角线越远，愈有利于在蒸馏时分离各组分。,蒸 馏,图,8-3,理想溶液相平衡（,y-x,）,图,蒸 馏,因蒸馏分离的依据是混合液中各组分挥发度不同，用相对挥发度表示,y,、,x,之间的关系线为,:,(8-5),式中,y、x,某温度下气液平衡时，易挥发组分（,A,组分）在气相和液相中的摩尔分率；,相对挥发度，,对于理想溶液,=,。,蒸 馏,相对挥发度可用以判断某混合物能否用蒸馏方法分离和分离的难易程度。,越大，表明该混合液越适于用蒸馏方法分离。,是温度、压强和浓度的函数。但在多数工业应用中,的变化不大。在蒸馏塔中，常取塔底和塔顶温度下相对挥发度的几何平均值作为整个塔中物系的相对挥发度，再由式（,8-5,）计算,y,、,x,对应值，并绘制成,y,x,图。,蒸 馏,例,8,1,某双组分理想溶液，在压力为,101.3,kPa,时沸点为,90,，求气液相平衡组成及物系的相对挥发度。已知,90,时纯,A,组分的饱和蒸汽压,p,0,A,=135.5,kPa,，,纯,B,组分的饱和蒸汽压,p,0,B,=54.0,kPa,。,解,(1),计算,A,、,B,组分,气液相平衡组成,由式,8-3,a,，,x,A,=0.58,由式8-3,b,y,A,x,A,=0.78,蒸 馏,平衡时，,B,组分在液相和气相的组成为,x,B,=1-0.58=0.42,y,B,=1-0.78=0.22,（2）,计算物系的相对挥发度,由式,=,=2.51,蒸 馏,8.2.2,双组分非理想溶液汽液相平衡,蒸馏中所处理的混合物，除理想溶液外，很多是非理想溶液，即对拉乌尔定律有偏差的溶液。对拉乌尔定律有正偏差的溶液，将出现最低恒沸点，对拉乌尔定律有负偏差的溶液，将出现最高恒沸点。恒沸点在,yx,图上的反映是平衡曲线,yx,与对角线相交。其交点说明，处于恒沸点的气液两相，其组成是相同的，即恒沸点处气、液相组成相同，因而达不到分离的目的。如图8-4为常压下乙醇水溶液相图，乙醇水溶液的恒沸点为78.15，恒沸点处气、液相组成均为0.8943（摩尔分数）。,蒸 馏,图,8-4,乙醇水溶液相平衡（,y-x,）,图,蒸 馏,8.3,蒸馏方法,蒸馏的方法有多种，按蒸馏时气液相接触次数的不同可分为单级蒸馏和多级蒸馏。多级蒸馏又分为间歇蒸馏和连续多级蒸馏（又称为精馏）。,蒸 馏,8.3.1,单级蒸馏,单级蒸馏亦称简单蒸馏，其蒸馏装置如图8-5所示。使混合液在加热釜中不断汽化，产生的蒸汽进入冷凝器2，冷凝冷却到一定温度的馏出液，可按不同组成范围导入贮槽3中。由于,yx，,馏出液易挥发组分较多，因而釜内溶液易挥发组分的浓度,x,将随时间的延续而逐渐降低，而釜液沸点逐渐升高，当釜中液相浓度下降到规定要求时，即停止操作；将釜中残液排出后，再加新混合液于釜中进行蒸馏。,蒸 馏,图8-5 单级蒸馏,蒸 馏,此蒸馏方式可用于初步分离，适用于对相对挥发度大的混合液分离，目前，一些小烧酒厂常用此法制得高度白酒。如图8-6所示，将发酵成熟醪装入密闭蒸桶中加热，使料液沸腾，所产生的酒气引入冷凝器冷凝并冷却成低温的成品酒。,蒸 馏,图8-6 白酒蒸馏装置,蒸 馏,8.3.2,多级蒸馏,单级蒸馏只能使液体混合物得到部分分离，当要求得到高纯度产品时，通常达不到生产要求，原因是混合物仅经历一次部分气化或部分冷凝（称单级分离）。欲使两组分完全分离，则必须采用多级分离法。多级蒸馏就是在同一设备或多个设备内采用多次分离的过程来达到产品要求的分离纯度。,蒸 馏,1间歇蒸馏,间歇蒸馏装置如图87所示，在蒸馏釜上安装具有多级塔板的蒸馏塔，将原料液整批全部加入蒸馏釜中，对釜加热，进行蒸馏，蒸汽上升穿过各级塔板到达塔顶，经冷凝器冷凝后，部分取出作为塔顶产品，部分作为回流液体入塔。间歇多级蒸馏因有多级塔板及回流操作，使上升的蒸汽与下降的液体在塔内多次部分汽化，多次部分冷凝，从而实现轻、重组分较充分地分离，但由于原料液是一次加入釜内的，釜中轻组分含量会逐渐下降，产生的蒸汽中轻组分含量也会越来越少，故蒸馏进行到一定程度，操作应停止，排出残液，重新投料、蒸馏。,蒸 馏,图8-7 多级蒸馏,蒸 馏,2连续多级蒸馏,精馏,在大规模工业生产中，常采用连续多级蒸馏,精馏方法得到高纯度产品。,精馏的主要设备是精馏塔，其次塔顶安装有冷凝器、冷却器，塔底安有用于加热液体的再沸器（,塔釜,）。现分述如下：,蒸 馏,（1）精馏塔,精馏的主要设备是精馏塔，塔内装有一定数量的塔板，在精馏塔内自下而上上升的蒸汽与自上而下回流到每一块塔板上的液层接触，蒸汽将热量传给板上的液体，使液体部分气化，而蒸汽被部分冷凝成液体，因此，混合液每经一块塔板就部分汽化一次，蒸汽每经一块塔板就部分冷凝一次。如此逐板进行部分汽化、部分冷凝，实现传热传质，结果全塔各板中，易挥发组分在气相中的浓度自下而上逐板增加，而其在液相中的浓度自上而下逐板减少，温度自下而上逐板降低，最后从塔顶引出的蒸汽，经冷凝后，可得到几乎纯净的易挥发组分，而塔底引出的液体则几乎是纯净的难挥发组分。,蒸 馏,精馏塔按进料板位置不同，将其分成两段，进料板以上的部分称为精馏段，而进料板以下的部分（包括进料板）称为提馏段。精馏段的作用是自下而上逐步增浓气相中的易挥发组分，即浓缩轻组分，提高易挥发组分的浓度；而提馏段的作用是自上而下逐步提高液相中难挥发组分的浓度，即浓缩重组分，使随釜液带走的液体中轻组分含量减少，从而提高轻组分的收率。,蒸 馏,（2）,冷凝、冷却装置,从塔顶引出的蒸汽需冷凝、冷却成液体，该液体一部分作为塔顶产品，另一部分从塔顶第一块板流入塔内，称为回流，由于蒸馏过程中，易挥发组分的汽化而导致塔板上液体逐渐减少，如不加以补充，会产生干塔现象，导致精馏操作无法进行。回流是必不可少的，没有回流，就没有上升蒸汽的部分冷凝。,（,3,）塔釜,使精馏操作连续稳定进行的供热装置，也可作残液暂贮槽。,精馏操作就是原料液从进料板连续进入，塔顶连续引出回流液及产品（馏出液），塔底连续得到塔底产品（残液）。,蒸 馏,（,4,）多塔连续精馏,由于单塔精馏不能分离很多杂质，成品质量较差，所以对于产品纯度要求较高的情况，常采用双塔、三塔或多塔精馏。系统的塔数越多，所得产品纯度越高。如图,8-8,所示为酒精厂,双塔系连续式醪液精馏流程图。双塔分别为粗馏塔和精馏塔。经预热的醪液从粗馏塔顶层进入塔内蒸馏，从粗馏塔顶出来的粗酒精蒸汽经冷凝器冷凝成液体后进入精馏塔（此为液相进塔方式），经进一步提浓精馏后，冷却后的酒精可达到成品酒精规定的浓度。,蒸 馏,图8-8 双塔连续精馏流程,1粗馏塔 2精馏塔 3杂醇油 4酒精 5醛酒,蒸 馏,8.4 板式塔中双组分精馏的计算,根据精馏装置的组成可推知，精馏的计算主要包括精馏塔、再沸器、冷凝器的计算。再沸器及冷凝器的计算在传热一章已述及，在此仅讨论精馏塔的工艺计算。因为精馏塔主要是由多块塔板构成的板式塔，所以，精馏塔的计算主要要解决完成一定分离任务所需实际塔板数，而实际塔板数的计算又要由理论塔板数求得，因此需引入精馏塔物料衡算。,蒸 馏,在精馏计算中，常做假设如下：,塔板是理论板，即指离开每一块塔板的气液相互成平衡，即满足气液相平衡关系；,恒摩尔汽化、恒摩尔溢流。在塔的精馏段内，每一塔板上升的蒸汽摩尔流量皆相等，下降的液体摩尔流量皆相等；提馏段内也是如此。,塔顶馏出液的组成与塔顶上升蒸汽的组成（浓度）相同。,蒸馏釜的加热方式为间接加热。,蒸 馏,8.4.1,精馏塔的物料衡算,1,全塔物料衡算,为了求出双组分混合物分离后所得塔顶产品及塔底产品流量，需要利用全塔物料守恒的关系进行计算，如图,8,9,所示。,以整个精馏塔作为衡算系统，可以写出：,总物料衡算,F,D,W,（,8-6,）,易挥发组分衡算,Fx,F,Dx,D,Wx,W,（,8-7,）,蒸 馏,式中,F,原料液流量，,mol/s,；,D,塔顶产品（馏出液）流量，,mol/s,；,W,塔底产品（残液）流量，,mol/s,；,x,F,原料液中易挥发组分的摩尔分数；,x,D,馏出液中易挥发组分的摩尔分数；,x,W,釜残液中易挥发组分的摩尔分数。,通常,F,、,x,F,、,x,D,、,x,W,均为已知，只需计算塔顶、塔底产品量。,蒸 馏,图,8-9,全塔物料衡算,蒸 馏,例,8-2,在常压连续精馏塔中，每小时将,5000,kg,含乙醇,20%,（质量分数，以下同）的乙醇水溶液进行分离。要求塔顶产品中乙醇浓度不低于,92%,，釜中乙醇浓度不高于,2%,，试求馏出液量和残液量（分别用,kg/h,及,kmol,/h,表示）。,解,由式,8-6,和式,8-7,F,D,W,Fx,F,Dx,D,Wx,W,得,D=,蒸 馏,（,1,）以,kg/h,为单位表示的馏出液量和残液量,已知,x,F,=0.20,，,x,D,=0.92,，,x,W,=0.02,，,F=5000kg/h,则,D=1000kg/h,W=F,-,D=5000,-,1000=4000kg/h,蒸 馏,（,2,）以,kmol,/h,为单位表示的馏出液量和残液量,将题中已知质量分数及质量流量进行单位换算，因乙醇的摩尔质量为,46,g/mol,，,水的摩尔质量为,18,g/mol,，,所以,进料组成,x,F,=0.089,残液组成,x,W,=0.008,蒸 馏,馏出液组成,x,D,=0.818,原料液平均摩尔质量,M,F,=0.08,9,46+(1-0.089),18=20.5,g/mol,F=243.9,kmol,/h,则,D=24.4,kmol,/h,W=243.9,24.4=219.5,kmol,/h,蒸 馏,图,8-10,精馏段物料衡算,蒸 馏,如图,8-10,，按虚线范围作物料衡算,总物料衡算,V=L+D,（,8-8,）,易挥发组分衡算,Vy,n,+1,=,Lx,n,+,Dx,D,（,8-9,）,式中,x,n,精馏段内从第,n,块塔板下降的液体中易挥发组分的摩尔分数；,y,n,+1,精馏段内从第,n+1,块塔板上升的蒸汽中易挥发组分的摩尔分数；,V,精馏段内每块塔板上升的蒸汽流量，,mol/s,；,L,精馏段内每块塔板下降的液体流量，,mol/s,。,蒸 馏,由式（,8-8,）和（,8-9,）可得,y,n,+1,=,（,8-10,）,令,R=L/D,（,表示塔板回流液流量与塔顶产品流量的比值，称为回流比），,代入上式得,y,n,+1,=,（,8-11,）,蒸 馏,式（,8-11,）称为精馏段操作线方程。它表示在一定操作条件下，从精馏段内任一塔板（第,n,块）下降的液体中易挥发组分含量,x,n,，,与升向该板的蒸汽中易挥发组分含量,y,n,+1,之间的关系。将式（,8,11,）中的下标去掉并标注在,y,x,图上，可得到一条直线，其斜率为,，在,y,轴上的截距为,该直线称为精馏段操作线。,蒸 馏,图,8-11,提馏段物料衡算,蒸 馏,3,提馏段物料衡算,提馏段操作线方程式,如图,8-11,，按虚线范围作物料衡算,总物料衡算,L,=V,+W,（,8-12,）,易挥发组分衡算,L,x,m,=,V,y,m,+1,+,Wx,W,（,8-13,）,式中,x,m,提馏段内从第,m,块塔板下降的液体中易挥发组分的摩尔分数；,y,m,+1,提馏段内从第,m+1,块塔板上升的蒸汽中易挥发组分的摩尔分数；,V,提馏段内每块塔板上升的蒸汽流量，,mol/s,；,L,提馏段内每块塔板下降的液体流量，,mol/s,。,蒸 馏,由式（,8-12,）和（,8-13,）可得,y,m,+1,=,（,8-14,）,式（,8-14,）称为提馏段操作线方程。它表示在一定操作条件下，从提馏段内任一塔板（第,m,块）下降的液体中易挥发组分含量,x,m,，,与升向该板的蒸汽中易挥发组分含量,y,m,+1,之间的关系。在提馏操作中,L,、W,及,x,W,均为定值，故（,8-14,）仍为一条直线，直线斜率为,，该直线称为提馏段操作线。,蒸 馏,8.4.2,进料状况和加料方程,1,进料状况种类,如图,8-12,表示加料板的物流情况，加料板位置的选择应在板上物料组成与进料组成最接近的地方。在生产实际中，引入塔内的原料有五种不同的状况：低于沸点的冷液体；沸点的饱和液体；温度介于泡点和露点之间的气、液混合物；露点的饱和蒸汽；高于露点的过热蒸汽。,进料状况不同将影响加料板上升蒸汽和下降液体的流量，为此，将引入一个用来表示进料状况的参数,q,。,蒸 馏,图,8-12,加料板的物流情况图,蒸 馏,2,进料状况参数,q,如图,8-12,所示，设进料为气液混合物，进料总量为,F,，,进料状况下混合物中液相质量分数为,q,，,则气相质量分数（,1,q,），,因此，由进料板流入提馏段的液体量为,qF,，,由进料板进入精馏段的上升的蒸汽量为（,1,q,）,F,，,对加料板作物料衡算,液相物料衡算,L,=L+,qF,（,8-15,）,气相物料衡算,V=V,+,（,1,q,）,F,（,8-16,）,将式（,8-15,）代入式（,8-14,）中，得出,y,m,+1,=,（,8-17,）,式（,8-17,）为提馏段操作线方程式的又一表达式。,蒸 馏,式（,8-15,）和式（,8-16,）中的,q,与进料状况的关系可由热量衡算确定。设进料、饱和液体、饱和蒸汽的摩尔焓分别为,H,F,、,H,L,和,H,V,（,J/mol,），,对进料进行热量衡算，有,（,8-18,）,则,q=,（,8-19,）,式,8-19,即为进料状况参数,q,的定义式。,蒸 馏,由式（,8-15,）、（,8-16,）和（,8-19,）可以得出五种进料状况下的,q,值及相应的精馏段、提馏段气相液相流量之间的关系如下：,过冷液体进料,因,H,F,1,，,L,L,V,V,饱和液体进料,因,H,F,=H,L,，,则,q,=,1,，,L,=L+F,V,=,V,气液混合物进料,因,H,L,H,F,H,V,，,则,0,q,H,V,，,则,q,0,，,L,L,V,1,，,q,线斜率,0，,q,线为过,e,点的斜向右上方的直线；,饱和液体进料,q,=,1,，,q,线与,x,轴垂直；,蒸 馏,气液混合物,进料,0,q,1,，,q,线斜率,0，,q,线为过,e,点的斜向左上方的直线；,饱和蒸汽进料,q,=,0,，,q,线为过,e,点的与,x,轴平行的直线；,过热蒸汽进料,q,0，,q,线为过,e,点的斜向左下方的直线。,蒸 馏,8.4.3,精馏操作塔板数的求法,在精馏塔设计中，为了计算塔的高度，必须先求实现分离任务所需的塔板数（实际板数）。而实际塔板数是由理论塔板数计算而来的。所谓理论塔板，是指自该塔板上升的蒸汽与自该板下降的液体互成平衡的塔板，理论塔板也称平衡板。理论塔板数的求取是连续精馏过程设计的基础，在设计中先求得理论板数，然后用塔板效率加以校正，即可求得实际板数，求取理论板数的前提条件是：已知,x,F,、,x,D,、,x,W,及精馏段、提馏段操作线方程、气液相平衡关系式。,蒸 馏,1,逐板计算法,因塔顶采用全凝器使从塔顶第一块板上升的蒸汽进入冷凝器后得到全部冷凝，从塔顶第一块板上升的蒸汽组成与塔顶馏出液、塔顶回流液的组成相同，即,y,1,x,D,因每一块塔板上的气液相组成,y,n,x,n,均符合气液相平衡关系，而,x,n,与,y,n,+1,符合精馏段或提馏段操作线方程式。方法如下：,蒸 馏,由,y,1,x,D,，,利用气液相平衡方程由,y,1,求得,x,1,，,再利用精馏段操作线方程式由,x,1,计算,y,2,，,同理，,y,2,与,x,2,互成平衡，即可用气液相平衡方程由,y,2,求得,x,2,，,利用精馏段操作线方程式由,x,2,再求,y,3,等，如此反复计算，直至计算到,x,n,x,F,时，说明第,n,块板是加料板，该板应属于提馏段。即精馏段理论塔板数为,n-1,块。应注意，在上述计算中每使用一次气液相平衡方程，即表示需要一块理论塔板。,采用同样的方法求提馏段理论塔板数，此时，从加料板开始计算，即提馏段第一块板的液相组成,x,1,x,n,，,利用,提馏段操作线方程式求得,y,2,，,再利用气液相平衡方程求得,x,2,，,如此反复计算至,x,m,x,W,为止。因为提馏段塔底的再沸器相当于一块塔板，故提馏段所需理论塔板数为,m-1,块。,蒸 馏,2,图解法,逐板计算法计算理论塔板数比较准确，但比较费时，图解法克服了逐板计算法的缺点，简单易行。图解法求理论板数的依据与逐板计算法相同，只是用气液相平衡线和操作线分别代替气液相平衡方程和操作线方程，图解法求理论板数的步骤如下：,（,1,）作气液相平衡曲线,在,y-x,直角坐标平面上，根据二组分气液相平衡组成的数据绘出相应气液相平衡曲线，并绘出对角线,y=x,。,如图,8-14,所示。,蒸 馏,图,8-14,图解法求理论板数,蒸 馏,（,2,）作精馏段操作线,根据塔顶馏出液组成，在对角线上确定点,a,（,x,D,x,D,），,由,精馏段操作线的截距,，在,y,轴上确定点,c(0,),连接,ac,，,得精馏段操作线。,（,3,）作提馏段操作线,根据进料组成，在对角线上确定点,e,（,x,F,，,x,F,），,按进料状况计算出,q,线斜率 的值，以,e,点为起点作斜率为,的直线，与,精馏段操作线交于点,d,。,再根据塔釜残液组成，在对角线上确定点,b,（,x,W,，,x,W,），,连接,bd,即为提馏段操作线。,蒸 馏,（,4,）作梯级，求理论塔板数,从点,a,作水平线交气液相平衡线于点,1,，点,1,表示气相组成,y,1,与液相组成,x,1,的平衡关系，相当于逐板计算法中使用了一次气液相平衡关系，因此，点,1,代表一块理论塔板。再由点,1,作垂线交精馏段操作线于,1点，1点的纵坐标,y,2,与横坐标,x,1,的关系是操作线表示的关系，相当于逐板计算法使用了一次操作线方程即由,x,1,求得,y,2,，,再由,1点作水平线交,气液相平衡线于点,2,，点,2,表示气相组成,y,2,与液相组成,x,2,的平衡关系，点,2,代表第二块塔板，依此类推，在精馏段操作线与气液相平衡线之间绘出由水平线与垂直线组成的直角梯阶，每一个梯级，代表一块塔板。当梯级作到垂线交于,d,点或跨过,d,点时，表示精馏段已结束，该板已属于提馏段的第一块板，于是，,d,点以后的梯级应改在提馏段操作线与气液相平衡线之间绘出，当梯级作到垂线交于,b,点或跨过,b,点时，图解完成，得到的总的梯级数即为总理论塔板数。如图,8-14,中，精馏段理论塔板数为,2,个，提馏段理论塔板数为,3,个（含塔釜），总理论塔板数为,5,个。,蒸 馏,3,实际板数,理论塔板数是基于理想板基础上计算的，实际塔板的分离作用达不到理论塔板的要求，理论板数,N,理,与实际板数,N,之比称为塔板效率，用,E,表示。,N,（,8-22,）,蒸 馏,8.4.4,回流比的影响和选择,回流是保证精馏过程连续稳定进行的必要条件。在精馏塔设计计算中，,F,、,D,、,W,、,x,F,、,x,D,、,x,W,均由生产任务直接规定或间接确定，只有回流比,R,和进料状况参数,q,需要在设计中选定，前已述及,q,的确定方法，现就,R,的选定方法加以讨论。首先讨论两种极端操作情况时的回流比,R,值，即全回流和最小回流比。,蒸 馏,1,全回流,塔顶上升蒸汽冷凝后全部回流入塔，这种操作方式称为全回流。此时塔顶没有产品流出，,D,0,，,R,L/D，,这时，不向塔内进料，,F,0,，,也不取出塔底产品，,W,0,。,精馏段操作线与提馏段操作线成为一条线，其斜率 ,1,，截距 ,0,，即此时操作线方程为,y,x,，,也就是说，全回流时，操作线与对角线,y,x,相重合。,蒸 馏,可见，全回流时操作线与气液相平衡线之间偏离最大，在平衡线与操作线之间所画直角梯阶的跨度最大，故所需的理论塔板数最少，将此时的塔板数称为最小理论塔板数。,全回流是回流比的上限，因其不投料、不取产品，故对生产无实际意义，只用于精馏塔的开工阶段或实验研究中。,蒸 馏,2,最小回流比,当回流比,R,由全回流逐渐减小时，精馏段操作线在,y,轴上的截距将随之逐渐增大，精馏段操作线与提馏段操作线逐渐靠近平衡线，完成分离任务所需的理论塔板数也逐渐增多，当回流比减小到操作线与气液相平衡线有接触点（图,8-15,a,中的,d,1,点和,b,中的,d,2,点）时，相应的回流比即为最小回流比,R,min,。,最小回流比时，在操作线与相平衡线之间画直角梯阶，需要无限多的梯阶才能到达接触点且无法通过接触点，因此所需塔板数最多。,最小回流比是回流比的下线，因其完成分离任务所需塔板数为无限多，故实际生产也不能采用。但在精馏塔的设计中，常依据最小回流比,R,min,来选定适宜回流比。下面分两种情况分别讨论最小回流比,R,min,的计算方法,蒸 馏,图,8-15,最小回流比,R,min,的计算,（,a,）,相平衡曲线无下凹,(,b),相平衡曲线有下凹,蒸 馏,（,1,）相平衡曲线无下凹,如图,8-15,（,a,）,所示，作,q,线交气液相平衡线于点,d,1,，,连接,ad,1,即为精馏段操作线，该线斜率为,整理得,（,8-23,）,式中,x,d,、,y,d,q,线与平衡线的交点坐标，可由图中查得。,蒸 馏,（,2,）相平衡曲线有下凹,如图,8-15,（,b,）,所示，由,a(x,D,，,x,D,),向平衡线作切线，该切线与,q,线交于点,d,2,，,连接,a d,2,即为精馏段操作线，该线斜率为,同理,式中,x,d,、,y,d,q,线与切线的交点坐标，可由图中查得。,蒸 馏,3,适宜回流比的选择,由以上讨论可知，对于一定的分离任务，全回流和最小回流比均不能为生产所用，实际回流比的选择应根据经济核算，以操作费用和设备费用的总和最小为原则。即实际回流比介于全回流和最小回流比之间，此时的回流比称为适宜回流比，用,R,表示。,（,1,）,R,与操作费用的关系,精馏的操作费用主要是指塔底再沸器的加热及塔顶冷凝器的冷却所需费用，而两者又都取决于塔内上升的蒸汽量。由塔顶物料衡算知：,VL+DRD+D（R+1）D,所以，当,D,一定时，,R,增大，则上升的蒸汽量增大，加热和冷却费用随之增多，即操作费用相应增加。,蒸 馏,（,2,）,R,与设备费用的关系,精馏的设备费用是指精馏塔及其附属设备的折旧费用，主要取决于设备的尺寸。当,R,R,min,时，理论塔板数为无穷多，故设备费用为无穷大；随着,R,的增加，理论塔板数逐渐减少，设备费用逐渐降低，但,R,增加，,V,也增加，当,R,增加到一定程度时，再沸器和冷凝器的尺寸要加大，因此设备费用又将回升。,如图,8-16,所示，精馏塔的总费用是操作费用和设备费用之和，总费用曲线最低点所对应的回流比即为最适回流比。通常情况下，适宜回流比,R,（1.22）,R,min,。,蒸 馏,图,8-16,适宜回流比的确定,1,设备费,2,操作费,3,总费用,蒸 馏,例,8-3,常压下，用连续精馏塔分离苯,甲苯混合液，原料液,x,F,=0.30,，,要求馏出液,x,D,=0.97,，,残液,x,W,=0.02,（,均为摩尔分数）。若泡点进料，回流比为,3.5,，求：,（,1,）写出精馏段操作线方程；,（,2,）作出苯,甲苯混合液的,y-x,图以及精馏段操作线、,q,线和提馏段操作线，并求出完成分离任务所需理论塔板数及加料板位置。,苯,甲苯的气液相平衡数据如下：,蒸 馏,解,(1),由式,8-11,精馏段操作线方程,y=,已知,R=3.5,x,D,=0.97,代入上式，得,即,y=0.78x+0.216,蒸 馏,(2),y-x,图以及精馏段操作线、,q,线和提馏段操作线图形作法如下：,作,y-x,图,。根据本题附表所列气液相平衡数据，在,y-x,直角坐标系中作出平衡曲线即,y-x,线；,精馏段操作线,。在,y-x,图上作对角线,y=x,；,在对角线上确定点,a,（,0.97,，,0.97,），,在,y,轴上确定点,c(0,0.216),连结,ac,直线,ac,即为精馏段操作线；,q,线,。在对角线上确定点,e,（,0.30,，,0.30,），,由点,e,作垂直于,x,轴的直线，即为,q,线；,提馏段操作线,。在对角线上确定点,b,（,0.02,，,0.02,），,q,线与精馏段操作线的交点为点,d,，,连结,bd,直线,bd,即为提馏段操作线；,蒸 馏,完成分离任务所需理论塔板数及加料板位置。,从点,a,开始在气液相平衡线（即,y-x,线）与精馏段操作线之间作直角梯级，每作出一个梯级就代表精馏段的一块理论塔板，跨过点,d,的梯级为进料级，该板为进料板，此板已属于提馏段的第一块理论塔板，此时应改为在气液相平衡线与提馏段操作线之间作直角梯级，当梯级作到垂线已到达或刚跨过,b,点，图解完成。如图,8-17,所示，由图知完成此分离任务共需理论塔板数为,13,块，其中精馏段,6,块，提馏段,7,块（含塔釜），加料板为从塔顶数起的第,7,块塔板。,蒸 馏,图,8-17,例,8-3,附图,蒸 馏,8.5,精馏装置,8.5.1,板式塔的结构和性能,板式塔是分级接触式的气液传质设备，其主体为一圆筒形的壳体，内装有按一定间距放置的水平塔板。液体借重力作用，由上层塔板经降液管流至下层塔板，横向流过塔板后又进入降液管。如此逐板流下，最终由塔底排出。气体由塔底靠压强差逐板向上流，最终由塔顶流出，因此，气液两相在每一块塔板上，呈错流。,塔板是板式塔的主要部件，根据塔板结构特点，可分为泡罩塔、浮阀塔、筛板塔、斜孔塔等。,蒸 馏,图,8-18,板式塔结构及流体流动状况,蒸 馏,1,筛板塔：,塔板上开有许多均匀分布的小孔，称为筛孔，孔径一般为,3,8,mm,，,筛孔在塔板上排成正三角形。塔板上还装有溢流管，液体沿溢流管下流。溢流管上端高出塔板一定高度，以维持板上有一定高度的液层，称为溢流堰。溢流管的下端伸入下层塔板上的液体中，形成液封，使上升蒸汽不能由溢流管通过。在正常操作时，通过筛孔的上升气流，应能阻止液体通过筛孔向下渗漏，液体只能通过溢流管逐板下流。,筛板塔的优点：结构简单，塔板造价低，生产能力大，板效率较高，压强降小，液面落差小。缺点是操作弹性小，筛孔小时易堵塞。,蒸 馏,2,浮阀塔,浮塔阀是二十世纪五十年代发展起来的一种新型气液传质设备，与筛板塔一样，是当今应用最广泛的一种精馏塔。,浮塔阀板上开有按三角形排列的圆形阀孔（孔径39,mm），,每个孔上安置一个直径为48,mm,的圆形阀片，阀片下有三条带脚钩的垂直腿，插入阀孔中，阀腿可限定浮阀的开度，阀片底部有三处突起可使阀与塔板间保持约2.5,mm,的距离，保证气流畅通，操作稳定。,蒸 馏,图,8-19,浮阀塔板结构,1,浮阀片,2,定距片,3,浮阀腿,4,塔板的阀孔,蒸 馏,阀片随气速变化而上下浮动，故称为浮阀。塔板上浮阀的开度会随气体流量变化自动调节，气体流量小时浮阀开度小，气体仍能保持一定气速通过液层，气体流量大时浮阀开度大，使气速不致过高。可见通过浮阀自动调节气体从浮阀送出的速度基本不变，鼓泡性能可以保持均衡一致。,浮阀塔板具有生产能力大，操作弹性大、结构简单，造价低等优点；缺点是阀片易松脱或被卡住，导致该阀孔处的气、液流动状况失常。浮阀塔适用于从低粘度到高粘度物料的蒸馏。,蒸 馏,8.5.2,塔板上流体流动状况,评价塔性能的主要指标是：,1,生产能力；,2,塔板效率；,3,操作弹性；,4,塔板压强降；这些指标均与塔板结构和塔内汽液两相流动状况密切相关。对筛板塔和浮阀塔的研究表明，塔板上可能存在三种气液接触状况：,蒸 馏,1,鼓泡状态,发生在气体流速较低的区域，气体被分散成断续的气泡，此接触状态下，湍动程度小，传质面积小，因而传质速度低，分离效率低。,2,泡沫状态,气体流量增大，两相接触由鼓泡状态变为泡沫状态，泡沫剧烈湍动，气泡不断破裂和生成，为传质创造了有利条件。,3,喷射状态,蒸馏中，筛孔或阀孔中吹出的高速气流使液体喷散成液滴，使气液两相形成喷射接触状态，液体流经一块塔板经多次聚合和