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(共56张PPT)
模块五 精馏技术
01
任务一 认识蒸馏装置
02
任务二 认识精馏装置
03
任务三 确定精馏操作条件
04
任务四 选择与设计精馏装置
05
任务五 操作精馏装置
06
07
任务六 综合案例
总结与归纳
04任务四 选择与设计精馏装置精馏是依据液相混合物中各组分在一定温度、压力下的挥发性不同而分离的传质单元操作。依物系性质及分离要求不同，选用分离设备（精馏塔）的结构及辅助设备（塔顶冷凝器和塔釜再沸器）亦不相同。在此只介绍精馏塔的大小（塔高、塔径）的设计要求方法，塔顶冷凝器和塔釜再沸器的选择依照前述换热器的设计选用方法。04任务四 选择与设计精馏装置子任务1选择板式精馏塔板式塔是化工生产中最常用的传质设备之一，它可为气液或液液两相之间进行紧密接触，达到相际间传质和传热的目的。板式塔的类型很多，性能各异，板式塔的选用要求和一般原则。04任务四 选择与设计精馏装置一、板式塔选用的一般要求01操作稳定，操作弹性大。当气、液负荷在较大范围内变动时，要求塔仍能在较高的传质效率下进行操作，并能保证长期操作所必须具有的可靠性。02流体流动的阻力小，即流体流经塔设备的压力降小，从而节省动力消耗，降低操作费用。对于减压蒸馏操作，过大的压力降还会使整个系统无法维持必要的真空度，最终破坏操作。0304耐腐蚀，不易堵塞，操作、调节和检修方便。05塔内的流体滞留量小。结构简单，材料耗用量小，制造安装容易。04任务四 选择与设计精馏装置二、板式塔选用的一般原则塔型的合理选择是做好板式塔设计的首要环节。选择时，除考虑不同结构的塔性能不同外，还应考虑所处理物料的性质、操作条件以及塔的制造、安装和维修等因素。04任务四 选择与设计精馏装置易起泡物料易引起液泛；腐蚀性介质宜选用结构简单、造价低廉的筛板塔盘、穿流式塔盘或舌形塔盘，因为它们易于更换；热敏性物料需减压操作，宜选用压降较小的筛板塔、浮阀塔；含有悬浮物的物料，应选择液流通道较大的塔型，如浮阀塔、舌形塔和孔径较大的筛板塔。液体负荷较大的宜选用气液并流的塔型，如喷射型塔盘、筛板和浮阀；塔的生产能力以筛板塔最大，浮阀塔次之，泡罩塔最小；操作弹性以浮阀塔最大，泡罩塔次之，筛板塔最小；对于真空塔或压降要求较低的场合，宜选用筛板塔，其次是浮阀塔。当被分离物系及分离要求一定时，宜选用造价最低的板式塔，泡罩塔的价格最高；从塔板效率来看，浮阀塔、筛板塔相当，泡罩塔最低。物性因素操作条件其他因素04任务四 选择与设计精馏装置总结所学知识，完成表格内容。 项目泡罩塔浮阀塔筛板塔喷射型塔舌形塔操作弹性流动阻力制造工艺调节检修塔板效率04任务四 选择与设计精馏装置子任务2计算塔板数双组分连续精馏过程计算主要涉及塔高计算和加热量以及冷却剂用量的计算，后两者在此不作讨论。精馏计算中塔高计算经常采用理论级（平衡级）的方法。这种方法不仅用于精馏过程的分级接触板式塔设备的计算；也可用于连续接触填料塔设备的计算。04任务四 选择与设计精馏装置用理论级方法进行分级接触精馏的计算，一般按如下三个步骤进行：（1）先计算达到预定分离要求所需的理论塔板数（理论级数）；（2）然后研究实际塔板与理论塔板之间的偏离程度，并用简单参数——塔板效率加以概括；（3）最后根据塔板效率和理论塔板数量，求出实际塔板数。04任务四 选择与设计精馏装置理论塔板数有多种求算方法，主要包括逐板计算法和图解计算法。04任务四 选择与设计精馏装置一、逐板计算法1.逐板计算法通用步骤逐板计算法的依据是气液平衡关系式和操作线方程。该方法是从塔顶开始，交替利用平衡关系式和操作线方程，逐级推算气相和液相的组成，来确定理论塔板数。04任务四 选择与设计精馏装置对符合恒摩尔流假设的双组分精馏过程，N的计算只需应用由易挥发组分衡算得出的操作线方程和相平衡关系。04任务四 选择与设计精馏装置交替使用平衡关系与操作关系，从塔顶至塔釜逐板进行计算。塔顶采用全凝器。xn<xd(两操作线交点的横坐标，仅当饱和液体进料时为xF)此时第N板为加料板，提馏段第一块板。NT精=n-1令xn=x1’改用提段操作关系。NT提=m(包括塔釜再沸器)04任务四 选择与设计精馏装置若生产任务规定将相对挥发度为α及组成为xF料液，分离成组成为xD塔顶产品和组成为xW塔底产品，并选定操作回流比为R则逐板计算理论塔板数的步骤为：若塔顶冷凝器为全凝器，则y1=xd液相平衡关系式，由y1出第一层理论塔板上液相组成x1由第一层理论塔板下降的回流液组成x1精馏段操作线方程，计算出第二层理论板上升的蒸汽组成y2利用气液平衡关系式，由y2出第二层理论板上的液相组成x2按操作线方程，由x2出y3利用气-液相平衡关系式，由y3出x3。依次类推，一直算到xn≤xF为止。每利用一次平衡关系式，即表示需要一块理论塔板。04任务四 选择与设计精馏装置在苯-甲苯精馏系统中，若已知物料的相对挥发度为α=2.4，原料液、馏出液及残液的组成分别xF=0.5,xD=0.96,xW=0.05（均为摩尔分数），实际采用的回流比为R=2.0，塔顶采用全凝器，泡点进料，试用逐板计算法求精馏段所需的理论塔板数。04任务四 选择与设计精馏装置已知：相平衡方程精馏段操作线方程且塔顶采用全凝器，依次方法逐板计算下去，直至xn≤xF为止，并将结果列表如下N1234567yx0.960.9090.9290.8450.8860.7640.8320.6740.7720.5850.7120.5070.6240.409可见，精馏段所需的理论板层数是6块，第7块是加料板。04任务四 选择与设计精馏装置04任务四 选择与设计精馏装置04任务四 选择与设计精馏装置全回流时：R D=0W=0F=0精馏段操作线：全回流时操作线和平衡线的距离为最远，达到相同的分离程度所需的理论板数最少，以Nmin表示。提馏段操作线：对角线04任务四 选择与设计精馏装置全回流时的理论板数Nmin可用逐板计算法或图解法求得。对理想溶液，可由芬斯克（Fenske）方程直接计算得。第n板汽液相平衡关系：塔顶为全凝器时，y1= xD全回流操作线：离开第 1 块板的汽液平衡为：芬斯克 (Fenske)方程04任务四 选择与设计精馏装置如此类推，可得第N块板（塔釜）上升蒸汽组成为即塔釜的液体组成对双组分溶液可略去下标A、B式中的塔板数N即为全回流时所需的最少理论板数Nmin。若取平均相对挥发度芬斯克方程04任务四 选择与设计精馏装置二、图解法图解法求理论板数的基本原理与逐板计算法完全相同，即用平衡线和操作线代替平衡方程和操作线方程,将逐板法的计算过程在x-y图上图解进行。该法虽然结果准确性较差，但是计算过程简便、清晰，因此目前在双组分连续精馏计算中广为采用。04任务四 选择与设计精馏装置图解法步骤如下。（1）在x-y图上画出平衡曲线和对角线。（2）依照前面介绍的方法作精馏段操作线ab，q线ef，提馏段操作线cd。（3）由塔顶即图中点a(x=xD,y=xD)开始，在平衡线和精馏段操作线之间作直角梯级，即首先从点a作水平线与平衡线交于点1，点1表示离开第1层理论板的液、气组成(x1,y1)，故由点1可定出x1。由点1作垂直线与精馏段操作线相交，交点1’表示(x1,y2)，即由交点1’可定出y2。再由此点作水平线与平衡线交于点2，可定出x2。这样，在平衡线和精馏段操作线之间作由水平线和垂直线构成的梯级，当梯级跨过两操作线交点d时，则改在平衡线和提馏段操作线之间绘梯级，直到梯级的垂线达到或越过点c(xW,xW)为止。图中平衡线上每一个梯级的顶点表示一层理论板。其中过d点的梯级为进料板，最末梯级为再沸器。04任务四 选择与设计精馏装置yy1xW12345678910axq线de01.01.0y2y3y6yqxqzFx2x1xD04任务四 选择与设计精馏装置图解法求理论板数时，操作线的更换以某梯级跨过两操作线交点来判断。将跨过交点的梯级定为加料板，板上汽、液组成与进料组成最为相近，对一定分离任务，作图所得的梯级最少。最适宜的加料位置是板上汽、液组成与进料组成最接近处。适宜的加料位置123567812346781234567adccdacda0001.01.01.01.01.01.0yxyxxygf04任务四 选择与设计精馏装置04任务四 选择与设计精馏装置04任务四 选择与设计精馏装置三、回流比的影响及其选择回流是保证精馏塔连续定态操作的基本条件，因此回流比是精馏过程的重要参数，它的大小影响精馏的投资费用和操作费用，也影响精馏塔的分离程度。在精馏塔的设计中，对于一定的分离任务（α、F、xF、q、xD及xw一定)，设计者应选定适宜的回流比。回流比有两个极限值，上限为全回流(即回流比为无穷大)，下限为最小回流比，适宜回流比介于两极限值之间的某一值。04任务四 选择与设计精馏装置1.全回流和最少理论板数精馏塔塔顶上升蒸气经全凝器冷凝后，冷凝液全部回流至塔内，这种回流方式称为全回流。在全回流操作下，塔顶产品流量D、进料量F和塔底产品流量W均为零，即既不向塔内进料，也不从塔内取出产品。此时生产能力为零，因此对正常生产无实际意义。但在精馏操作的开工阶段或在实验研究中，多采用全回流操作，这样便于过程的稳定控制和比较。04任务四 选择与设计精馏装置全回流时回流比为因此精馏段操作线的截距为精馏段操作线的斜率为可见，在x-y图上，精馏段操作线及提馏段操作线与对角线重合，全塔无精馏段和提馏段之分，全回流时操作线方程可写为：yn+1=xn。04任务四 选择与设计精馏装置全回流时操作线距离平衡线最远，表示塔内气-液两相间传质推动力最大，因此对于一定的分离任务而言，所需理论板数为最少，以Nmin表示。04任务四 选择与设计精馏装置2.最小回流比对于一定的分离任务，若减小回流比，精馏段操作线的斜率变小，两操作线的位置向平衡线靠近，表示气-液两相间的传质推动力减小。因此对特定分离任务所需的理论板数增多。当回流比减小到某一数值，使两操作线的交点d落在平衡曲线上时，图解时不论绘多少梯级都不能跨过点d，表示所需的理论板数为无穷多，相应的回流比即为最小回流比，以Rmin表示。04任务四 选择与设计精馏装置在最小回流比下，两操作线和平衡线的交点d称为夹点，而在点d前后各板之间(通常在进料板附近)区域气、液两相组成基本上没有变化，即无增浓作用，故此区域称恒浓区(又称夹紧区)。应指出，最小回流比是对于一定料液，为达到一定分离程度所需回比的最小值。实际操作回流比应大于最小回流比，否则不论有多少层理论板都不能达到规定的分离程度。04任务四 选择与设计精馏装置对于一定的进料和分离要求：R ，精馏段操作线截距增大，操作线向平衡线移动；进料不变则q线不变。操作线交点d将向平衡线靠近。R ，提馏段操作线也向平衡线移动。结论：R ，达到指定分离程度所需理论板数将增多。最小回流比(Rmin)：R ，两操作线交点d落在平衡线上，所需的理论板数为无穷多。d点称为挟点，其附近称为恒浓区或挟紧区。04任务四 选择与设计精馏装置一般情况下，xd与yd互成平衡（交点d在平衡线上）。平衡线有下凹部分时，R ，交点d未落到平衡线上之前，操作线已与平衡线相切（e点）。此时恒浓区出现在e点附近，对应的回流比为最小回流比。04任务四 选择与设计精馏装置04任务四 选择与设计精馏装置04任务四 选择与设计精馏装置04任务四 选择与设计精馏装置然在精馏操作中，因塔板数已固定，不同回流比下将达到不同的分离程度，因此Rmin也就无意义了。最小回流比的求法依据平衡曲线的形状分为两种情况：（1）正常平衡曲线(无拐点)夹点出现在两操作线与平衡线的交点，此时精馏段操作线的斜率为：04任务四 选择与设计精馏装置（2）不正常平衡曲线(有拐点，即平衡线有下凹部分)。如图所示，此种情况下夹点可能在两操作线与平衡线交点前出现，如图(a)的夹点g先出现在精馏段操作线与平衡线相切的位置，所以应根据此时的精馏段操作线斜率求Rmin。而在（b）中，夹点出现在提馏段操作线与平衡线相切的位置，此时应根据精馏段操作线斜率求得Rmin。04任务四 选择与设计精馏装置3.适宜回流比适宜回流比应通过经济核算确定。操作费用和投资费用之和为最低时的回流比，称为适宜回流比。精馏过程的操作费用，主要包括再沸器热量消耗、冷凝器能量消耗及动力消耗等费用，而这些量取决于塔内上升蒸气量，即04任务四 选择与设计精馏装置当F、q和D一定时，V和V’均随R而变。当回流比R增加时，加热及冷却介质用量随之增加，精馏操作费用增加。操作费用和回流比的大致关系如图所示。设备费操作费总费用04任务四 选择与设计精馏装置在精馏设计计算中，一般不进行经济衡算，操作回流比可取经验值。根据生产数据统计，适宜回流比的范围可取为:04任务四 选择与设计精馏装置四、 计算板效率与实际塔板数（1）板效率当气、液两相在实际板上接触传质时，一般不能达到平衡状态，因此实际板数总多于理论板数。理论板只是衡量实际板分离效果的标准。实际板偏离理论板的程度用塔板效率表示。板效率有多种表示方法，常用的有点效率、单板效率和变化与经过一理论板时组成变化的比值来表示。如图所示，对第n层塔板，单板效率可分别用气相或液相表示，即：——与成平衡的液相组成，摩尔分率——气相默弗里板效率；——液相默弗里板效率；——与成平衡的气相组成，摩尔分率；04任务四 选择与设计精馏装置（2）全塔效率ET全塔效率又称总塔效率，是指一定分离任务下所需理论板数和实际板数的比值，即：——全塔效率，%；——理论板数；——实际板数。全塔效率反映了全塔各层塔板的平均效率（注意不是全塔各板单板效率的平均值），其值恒低于100%。若已知在一定操作条件下的全塔效率，则可由式求得实际板数。04任务四 选择与设计精馏装置子任务3计算塔径精馏操作的目的是为了完成分离任务（F，xF），达到分离要求（xD，xW），精馏塔是完成分离的核心设备，对于一定的分离任务和分离要求，其分离设备-精馏塔的大小包括塔高和塔径。04任务四 选择与设计精馏装置一、塔径及空塔气速精馏塔的内直径可由塔内上升蒸气的体积流量及空塔气速求得，即：D——精馏塔的内径，m；Vs——塔内上升蒸气的体积流量，m3/s；u——塔内上升蒸气的空塔气速，即按空塔计算的气体线速度，m/s；04任务四 选择与设计精馏装置umax——最大允许气速，m/s；C——蒸气负荷系数，由史密斯关联图求取；ρV——气相密度，kg/m3；ρL——液相密度，kg/m3。精馏段和提馏段内的上升蒸气量VS和VS’有可能不相等，因此两段的上升蒸气量以及塔径应分别计算。04任务四 选择与设计精馏装置二、精馏段VS的计算由上式求得的上升蒸气量V的单位为kmol/h。故需按下式换算为体积流量，m3/s，即：Mm——上升蒸气的平均分子量，kg/kmol；ρV——在平均操作压力和温度下的气相密度，kg/m3。04任务四 选择与设计精馏装置在操作压力较低时，气相可视为理想气体混合物，则：式中T,T0——操作的平均温度和标准状态下的温度，K；P,P0——操作的平均压力和标准状态下的压力，Pa。04任务四 选择与设计精馏装置三、提馏段VS’的计算由上式求得V’后，再换算成体积流量VS’。然后再计算提馏段的塔径D’。精馏段和提馏段的上升蒸气的体积流量可能不同，因而两段的塔径也可能不等。为便于设计与制造，若相差不太大，两段可采用相同的塔径。当求出塔径后，还需根据塔径系列标准予以圆整。04任务四 选择与设计精馏装置在连续操作的板式精馏塔中，分离两组分理想溶液。原料液流量为45kmol/h，组成为0.3（易挥发组分的摩尔分率，下同），泡点进料。馏出液组成为0.95，釜残液组成为0.025。操作回流比为2.5，图解所得理论板数为21（包括再沸器）。全塔效率为50%，空塔气速为0.8m/s，板间距为0.4m，全塔平均操作温度为62℃，平均压力为101.33kPa。试求塔的有效高度和塔径。04任务四 选择与设计精馏装置①塔的有效高度实际板数为：塔的有效高度为：②塔径因泡点进料，q=1，则：04任务四 选择与设计精馏装置由精馏塔物料衡算，得：04任务四 选择与设计精馏装置上升蒸气体积流量为：塔径为：圆整塔径，可取0.8m。

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