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项目六 蒸馏
任务5 ：认识蒸馏塔的结构和蒸馏效果
１．认识蒸馏设备
（1）板式精馏塔结构
图6-12 精馏塔总体结构仿真图
图6-13泡罩塔板照片 图6-14 泡罩塔板气液接触状况
（2）塔板的类型 ①泡罩塔
②筛板塔塔板
塔板上开有许多孔径为4-8mm的小孔，上升的气流通过筛孔进入板上液层鼓泡而出，气液接触充分。塔板阻力小。缺点是操作弹性小，易堵塞。
③浮阀塔
用浮阀代替了泡罩塔的升气管和泡罩，孔径较大，避免了筛板由于孔小易堵塞缺点。浮阀可以上下浮动，当气体流量大时浮阀上升，反之浮阀下降，这样有较大的操作弹性。类似的还有浮舌塔板等。
（3）填料塔
由塔体、填料、液体分布装置、填料压板、填料支撑装置、液体再分布器装置等构成。
几种常见的填料形状：
（a）栅板型 （b）孔管型 （c）驼峰型
③ 填料支撑装置
④ 填料压紧装置
（a）填料压紧栅板 （b）填料压紧网板 （c）大塔用填料压紧器
⑤ 液体分布与再分布装置
⑤ 液体分布与再分布装置
液体分布器在填料塔的顶部，其作用是使液体均匀地喷洒到填料表面；液体再分布装置一般在填料分段安装时，使用在段与段之间，使沿塔壁流下的液体重新均匀分布。 下图为液体分布器（之一）：
（a）喷头式 （b）盘式筛孔型 （c）盘式溢流管式
（a）喷头式 （b）盘式筛孔型 （c）盘式溢流管式
液体分布器 （之二）
（d）排管式 （e）环管式 （f）槽式
液体收集及再分布器
液体收集及再分布器
（a）截锥式再分布器 （ b）斜板式液体收集器 （ c）孔板式再分布器
⑷ 除沫器
其作用是用来除去由填料塔顶部排出的气体中所夹带的液滴，安装在液体分布器的上方 。
2．板式塔气、液传质状况
⑴精馏塔操作状况：
①正常的气液接触状况：
（a）泡沫接触状况 (b)液泛接触状况 （c）严重漏液接触状况
图6-25 气液接触状况示意图
②不正常的气液接触状况（照片）
(a)液泛 (b)过量的液沫夹带 （c）漏液
精馏过程既可用板式塔也可用填料塔，全面了解二者各自的特点，对合理选择塔设备很有帮助。现将板式塔和填料塔各自的特点做以下比较。
（1）板式塔的特点
①大塔径效率高且稳定，小塔径安装检修困难，且造价高；不易被堵，容易检修、清洗；
②适应于液体流量较大的操作。在塔板上气液为错流时，液体流量增大时对气体负荷影响较小，但在液气之比相对较小时，可以选择随操作负荷调节的塔板结构（浮阀塔板等）；
③适于塔内部中间需要换热、多侧进料、多侧出料的场合；压降比相对较大。
⑵填料塔的特点
适用于易起泡的物系（填料可以破沫）；
①适用腐蚀性介质（可以用不同材质的耐腐性填料）；
②不宜处理含固体颗粒或易聚合的物系；
③操作弹性小。液体量大时，易液泛，液量小的时候，填料表面不能很好的润湿；
④压力降小，适用于真空操作；
⑤小塔费用低，便于安装。
3．填料塔与板式塔的比较
任务6 ：精馏塔的产品浓度和产品量的关系
全塔物料衡算关系为：
全塔易挥发组分衡算关系为：
【案例3】:将含有35%（酒精的摩尔分数，下同）的酒精—水溶液，按20mol/h的进料速率进行连续精馏，要求馏出液中含酒精88%，残液中酒精含量不大于3%，。试求馏出液和残液量。
任务7：熟知理论塔板数的计算
1.理论板的概念和恒摩尔流假定
（1）理论板的定义：
气、液两相能充分混合，无论进入理论板的气、液两相组成如何，离开该板时气、液两相均达到平衡状态，即两相温度相等，组成互成平衡。组成关系可由平衡关系来确定。
（2）恒摩尔流假设
①恒摩尔气化假设：
精馏段每块塔板上升的气体量都相等， 即：V1=V2=V3=…提馏段每块塔板上升的气体量都相等，即：V1’=V2’=V3’=…
②恒摩尔溢流假设：
精馏段每块塔板下降的液体量都相等，即L1=L2=L3=…
提馏段每块塔板下降的液体量都相等，即L1’=L2’=L3’=… 。
在精馏塔的塔板上气液两相接触时，若有n kmol/h的蒸气冷凝，相应有n kmol/h液体气化。
这样每块板上的气体和液体接触以后，虽然气体中有组分部分液化，但是液体中部分气化的组分又将气体中减少的量等量地补充到气体里，使气体量始终不变；同样的道理，液体量也维持不变。
2．精馏段操作线方程的建立
精馏段操作线方程的物理意义：进入第n块板的易挥发组分在气相中的组成与离开该板的易挥发组分在液相中的组成之间的关系。
3．提馏段操作线方程的建立
提馏段的操作线方程的:
物理意义：进入第块板易挥发组分在液相的组成与离开该板易挥发组分在气相组成的之间的关系。
开眼界：进料的5种热状况及q的值：
进料状况对精馏段和提馏段流量的影响
(a)过冷液体进料，q>1
(b)饱和液体进料，q=1
(c)气液混合进料，q=0～1
(d)饱和蒸汽进料，q=0
(e)过热蒸汽进料，q<0
【案例5】：用连续精馏塔分离苯-甲苯混合液，常压操作。已知：处理量为100 kmol/h,原料液中易挥发组分的组成xF=40%（摩尔分数，下同），要求馏出液浓度xD=95%，残液浓度xW=5%,选用回流比为5，进料为饱和液体，塔顶为全凝器，泡点回流。
问：（１）求出馏出液和残液生产量D和W;
（２）精馏段操作线方程和提馏段操作线方程。
4．根据分离任务，用逐板计算法求理论塔板数：
若将F，分离为馏出液浓度、残液浓度分别达到，则所需的理论塔板数就可以通过相应的理论计算出来。具体步骤如下：
【案例6】：在【案例5】的条件基础上，若已知常压操作条件下的笨-甲苯的平均相对挥发度ａ为2.5，试用逐板计算法求所需的理论塔板数。
１.最大回流比和最小回流比
（1）最大回流比（全回流）
全回流是指塔顶冷凝液全部回流至塔内，此时塔顶产品D=0。适用于精馏塔开工阶段若D=0，则F=0，W=0，此时回流比无穷大，精馏操作线的斜率R/(R+1)≈1, 精馏段操作线、提馏段操作线均与对角线重合。塔内气液两相间的传质推动力最大，因此达到给定分离任务所需理论板数最少
图6-34 图解法求理论塔板数
任务8 ：认识回流比的的大小对理论塔板数影响
（2）最小回流比
当回流比减少到某一极限值时，两条操作线的交点d 落在相平衡线上，此时梯级无法跨过d，表示塔内气液两相间的传质推动力最小，所需的理论塔板数为无穷大，这时的回流比称为最小回流比Rmin。
图6-35 最小回流比的计算
回流比的的大小对理论塔板数影响
图中橙色三角形表示回流比较小时的理论板 （7块） 数，绿色三角形表示回流比较大时的理论板数（5块）。
2．通过吉利兰图求取理论塔板数
利用最小回流比和芬斯克方程，结合吉利兰图，求取理论塔板数。此法简便，称简捷法。现将简捷法介绍如下。
首先根据物系的分离要求，求出最小回流比Rmin和全回流时的最少理论塔板数Nmin，然后借助于吉利兰关联图，找到Rmin、Rmin、Nmin和N之间的关系，从而由所选的R求出所需要的理论塔板数N。
3．实际塔板数的确定
实际塔板数的计算，我们是这样做的：
第一步：求理论板数（前面已经讲过）；
第二步：确定全塔板效率：
实际板的分离效果要比理论板差。二者之比用总板
效率来表示，即
在确定理论板数和总板效率后，可求出实际塔板数。
第三步：利用全塔效率和理论塔板数求取实际塔板数：
4．产品质量的影响条件
（1）压力的影响：压力增加，组分间的相对挥发度降低，分离效率下降。
（2）进料的热状况的影响：若进料温度降低，实际精馏段塔板数比所需要的多，而实际提馏段板数比理论上需要的少，结果是塔顶易挥发组分产品浓度高，而残液中易挥发组分浓度也增加。
（3）回流比的影响：
回流比增加，所需要的理论塔板数减少，实际生产中塔板固定，将提高产品的纯度 。
（4）塔底产品采出量的影响：若塔底产品采出量减少，会造成塔釜内液位上升，以致充满整个加热釜的空间，而使液体难于汽化，并使釜内汽化温度升高，甚至将液体带回塔内，引起塔顶产品质量下降。
任务9：精馏装置的热量衡算
１．冷凝器的热负荷与冷却剂用量的计算：
若忽略热损失，则冷凝器的热负荷及冷却剂的用量为：
2．再沸器热负荷与加热剂用量的计算
再沸器热负荷是再沸器中的加热量，计算如下：
【案例7】:连续精馏塔分离苯和甲苯混合液，进料量为120kmol/h，泡点进料，塔顶产品为58kmol/h，回流比为3.5，加热蒸汽绝压为200kPa，再沸器热损失为1.5105kJ/h，塔顶采用全凝器，泡点回流，冷却水进、出口温度分别为25℃和35℃，冷凝器的热损失忽略不计，。已知甲苯的汽化潜热为360kJ/kg，苯的汽化潜热为390kJ/kg，求：①再沸器的热负荷和加热蒸汽的消耗量；②全凝器的热负荷及冷却水的消耗量。

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