《化工原理》第7章 液体精馏

第7章液体精馏7.1概述7.2双组分溶液的气液相平衡7.3精馏原理7.4双组分连续精馏的计算7.5板式塔第7章液体精馏27.1概述化工生产过程中，常常需要将均相混合物分离为较纯净或几乎纯态的物质。对于均相物系必须要造成一个两相物系，利用原物系中各组分间某种物性的差异，而使其中某个组分（或某些组分）从一相转移到另一相，以达到分离的目的。物质在相间的转移过程称为传质过程或分离过程。化工生产中常见的传质过程有蒸馏、吸收、干燥和萃取等单元操作，常见的蒸馏方式有简单蒸馏、平衡蒸馏和精馏。当分离程度要求不高或较易分离时，可采用简单蒸馏或平衡蒸馏；当分离程度要求很高时，可采用精馏。精馏是蒸馏操作中应用最广泛的一种。第7章液体精馏37.1.1精馏操作在化工中的应用精馏是分离液体均相混合物典型的单元操作，在化工、炼油等工业生产中应用很广，例如石油精馏可得到汽油、煤油和柴油等；液态空气精馏可得到纯的液氧和液氮等。精馏分离的依据是液体混合物中各组分的挥发性不同。精馏操作通过气、液两相的直接接触，使易挥发组分由液相向气相传递，难挥发组分由气相向液相传递，是气、液两相之间的传质过程。第7章液体精馏47.1.2精馏的分类工业上精馏操作可按以下方法分类：（1）操作方式：可分为间歇精馏和连续精馏。（2）物系中组分的数目：可分为双组分精馏和多组分精馏。（3）物系分离的难易：可分为精馏和特殊精馏。（4）操作压强：可分为常压精馏、减压精馏和加压精馏。第7章液体精馏57.2双组分溶液的气液相平衡7.2.1双组分溶液的气液相平衡1．双组分理想溶液的气液相平衡关系气液相平衡关系，是指溶液与其上方的蒸气达到平衡时，系统的总压、温度及各组分在气液两相中组成间的关系。⑴理想溶液及拉乌尔定律实验表明，理想溶液的气液平衡关系遵循拉乌尔定律。拉乌尔定律表示：当气液呈平衡时，溶液上方组分的蒸气分压与溶液中该组分的摩尔分率成正比。在一定压强下，液体混合物开始沸腾产生第一个气泡的温度，称为泡点温度（简称泡点）。严格而言，实际上理想溶液是不存在的，仅对于那些由性质极相近、分子结构相似的组分所组成的溶液，例如苯-甲苯、甲醇-乙醇、烃类同系物等可视为理想溶液。第7章液体精馏6⑵气液平衡相图①t-x-y图该图表示在一定总压下，温度与气、液相组成之间的关系。在总压为101.33kPa下，苯-甲苯混合液的t-x-y图如图7-1所示。图7-1苯-甲苯混合液的t-x-y图第7章液体精馏7②y-x图在一定外压下，以y为纵坐标，以x为横坐标，建立气-液相平衡图，即y-x图，图中曲线代表气液相平衡时的气相组成y与液相组成x之间的关系。图7-2为苯-甲苯混合液在外压为101.33kPa下的y-x图。如图中曲线的D点表示组成为x1的液相与组成为y1的气相互成平衡。该曲线又称为平衡曲线。图7-2苯-甲苯混合液的y-x图第7章液体精馏82．双组分非理想溶液的气液平衡关系非理想溶液可分为与理想溶液发生正偏差的溶液和负偏差的溶液。例如，乙醇-水物系是具有正偏差的非理想溶液；硝酸-水物系是具有负偏差的非理想溶液。它们的y-x图分别如图7-3和7-4所示。图7-3乙醇-水溶液的y-x图图7-4硝酸-水溶液的y-x图第7章液体精馏97.2.2相对挥发度1．挥发度挥发度可表示物质挥发的难易程度。纯物质的挥发度可用该物质在一定温度下的饱和蒸气压来表示。同一温度下，蒸气压愈大，表示挥发性愈大。对于混合液，因组分间的相互影响，使其中各组分的蒸气压要比纯组分的蒸气压低，故混合液中组分的挥发度可用该组分在气相中平衡分压与其在液相中组成（摩尔分率）之比表示，2．相对挥发度相对挥发度，即为混合液中组分挥发度之比，用α表示。第7章液体精馏107.3精馏原理7.3.1精馏原理精馏过程原理可用气液平衡相图说明，如图7-5所示。图7-5多次部分气化和部分冷凝第7章液体精馏11若将组成为xF、温度低于泡点的某混合液加热到泡点以上，使其部分气化，并将气相和液相分开，则所得气相组成为y1，液相组成为x1，且y1＞xF＞x1，此时气液相量可用杠杆规则确定。若将组成为y1的气相混合物进行部分冷凝，则可得到组成为y2的气相和组成为x2的液相；又若将组成为y2的气相部分冷凝，则可得到组成为y3的气相和组成为x3的液相，且y3＞y2＞y1，可见气体混合物经多次部分冷凝后，在气相中可获得高纯度的易挥发组分。同时，若将组成为x1的液相经加热器加热，使其部分气化，则可得到组成为x2＇的液相和组成为y2＇（图中未标出）的气相，再将组成为x2＇的液相进行部分气化，可得到组成为x3＇的液相和组成为y3＇（图中未标出）的气相，且x3＇＜x2＇＜x1＇，可见液体混合物经过多次部分气化，在液相中可获得高纯度的难挥发组分。第7章液体精馏127.3.2精馏装置的流程典型的连续精馏流程如图7-7所示。原料液经预热后，送入精馏塔内。操作时，连续地从再沸器取出部分液体作为塔底产品（釜残液），部分液体气化，产生上升蒸气，依次通过各层塔板。塔顶蒸气进入冷凝器中被全部冷凝，并将部分冷凝液借助重力作用（也可用泵送）送回塔顶作为回流液体，其余部分经冷却器（图中末画出）后被送出作为塔顶产品（馏出液）。1.精馏塔2.再沸器3.冷凝器4.回流液泵图7-6连续精馏装置流程第7章液体精馏13塔内气、液两相每经过一块塔板，上升蒸汽中易挥发组分和下降液相中难挥发组分分别同时得到一次提浓，因此，经过的塔板数越多，提浓程度越高。通过整个精馏过程，最终在塔顶得到高纯度的易挥发组分（塔顶馏出液），塔釜得到的基本上是难挥发组分。概括来说，每一块塔板是一个混合分离器，进入塔板的气流和液流之间同时发生传质和传热过程，结果是两相各自得到提浓。塔顶蒸汽冷凝器可分为全凝器和分凝器两种。全凝器用得较多，所以通常称其为冷凝器。7.3.3塔板与回流的作用第7章液体精馏147.4双组分连续精馏的计算精馏过程的计算可分为设计型和操作型两类。本章重点讨论板式塔的设计型计算。精馏过程设计型计算，通常已知原料液流量、组成及分离程度，需要计算和确定的内容有：①选定操作压强和进料热状态等；②确定产品流量和组成；③确定精馏塔的理论板数和加料位置；④选择精馏塔的类型，确定塔径、塔高和塔板结构尺寸，并进行流体力学验算；⑤计算冷凝器和再沸器的热负荷，并确定两者的类型和尺寸。第7章液体精馏157.4.1理论板的概念及恒摩尔流的假定1．理论板的概念所谓理论板，是指气液两相在板上充分接触混合，塔板上不存在温度差、浓度差，离开该板时气液两相达到平衡状态，即两相温度相等，组成互为平衡。2．恒摩尔流的假定⑴恒摩尔气流恒摩尔气流是指在精馏塔内，在没有中间加料（或出料）条件下，各层板上升蒸气的摩尔流量相等，但两段的上升蒸气摩尔流量不一定相等。⑵恒摩尔液流恒摩尔液流是指在精馏塔内，在没有中间加料（或出料）条件下，各层板下降液体的摩尔流量相等，但两段的下降液体摩尔流量不一定相等。第7章液体精馏161．全塔的物料衡算对图7-8所示的间接蒸汽加热的连续精馏塔作全塔物料衡算，并以单位时间为基准，图7-7精馏塔的物料衡算7.4.2物料衡算－操作线方程第7章液体精馏17则总物料F=D+W（7-12）易挥发组分FxF=DxD+WxW（7-12a）式中F－原料液流量（kmol/s）；D－塔顶产品（馏出液）流量（kmol/s）；W－塔底产品（釜残液）流量（kmol/s）；xF－原料液中易挥发组分的摩尔分率；xD－馏出液中易挥发组分的摩尔分率；xW－釜残液中易挥发组分的摩尔分率。第7章液体精馏182．精馏段的物料衡算按图7-8虚线范围（包括精馏段第n+1层塔板以上塔段和冷凝器）作物料衡算，以单位时间为基准，即总物料易挥发组分DLVDnnDxLxVy1（7-15a）（7-15）式中xn——精馏段中任意第n层板下降液体中易挥发组分的摩尔分率；yn+1——精馏段中任意第n+1层板上升蒸气中易挥发组分的摩尔分率。第7章液体精馏19图7-8精馏段操作线方程的推导第7章液体精馏20将式7-15代入式7-15a，并整理得：若将上式等号右边的两项的分子和分母同时除以D，可得：令L/D=R，代入上式得：式中R称为回流比，它是精馏操作的重要参数之一。其值一般由设计者选定。R值的确定将在后面讨论。DnnxDLDxDLLy1DnnxDLxDLDLy1/11//1DnnxRxRRy1111（7-16）（7-17）第7章液体精馏21图7-10精馏塔的操作线式7-16和式7-17称为精馏段操作线方程。此二式表示在一定操作条件下，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（如第n+1层板）上升蒸气气相组成yn+1之间的关系。该式在x-y直角坐标图上为直线，其斜率为R/（R+1），截距为xD/（R+1），如图7-10中直线ab。第7章液体精馏227-9提馏段操作线方程的推导3．提馏段的物料衡算按图7-10虚线范围（包括提馏段第m层板以下塔段及再沸器）作物料衡算，以单位时间为基准，第7章液体精馏23即总物料（7-18）易挥发组（7-18a）式中——提馏段第m层板下降液体中易挥发组分的摩尔分率；——提馏段第m+1层板上升蒸气中易挥发组分的摩尔分率。将式（7-18）代入式（7-18a），并整理可得：式（7-19）称为提馏段操作线方程式。此式表示在一定操作条件下，提馏段内自任意第m层板下降液体组成与其相邻的下一层板（第m+1层）上升蒸气组成之间的关系。根据恒摩尔流的假定，L′为定值，且在稳定操作时，W和xW也为定值，故式（7-19）在x-y图上也是直线，如图7-10直线cd。（7-19）WmmxWLWxWLLy/////1WmmWxyVxL1WVLmx1my第7章液体精馏247.4.3进料热状态对操作线的影响1．进料热状态在生产中，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，原料温度为低于泡点的冷液体；（2）饱和液体进料，原料温度为泡点的饱和液体，又称泡点进料；（3）气、液混合物进料，原料温度介于泡点和露点之间的气、液混合物；（4）饱和蒸汽进料，原料温度为露点的饱和蒸汽，又称露点进料；（5）过热蒸汽进料，原料温度为高于露点的过热蒸汽。第7章液体精馏252.进料热状态参数⑴进料板的物料衡算与热量衡算对图7-11所示的进料板分别作物料衡算及热量衡算，即F+V′+L=V+L′FIF+V′IV′+LIL=VIV+L′IL′由于与进料板相邻的上下板的温度及气液相组成各自都很相近，故有：IV≈IV′IL≈IL′（7-20）（7-20a）式中IF——原料液的焓（kJ/kmol）；IV，IV′——分别为进料板上、下处饱和蒸气的焓（kJ/kmol）；IL，IL′——分别为进料板上、下处饱和液体的焓（kJ/kmol）。第7章液体精馏26图7-11进料板上的物料衡算和热量衡算第7章液体精馏27将上述关系代入式（7-20a），联解式（7-20）和（7-20a）可得（7-21）令（7-21a）q称为进料热状态参数。对各种进料热状态，可用式（7-21a）计算q值。根据式（7-21）和（7-20）可得：L′=L+qF（7-22）V′=V+(q-1)F（7-23）式（7-22）和（7-23）表示在精馏塔内精馏段和提馏段的气液相流量与进料量及进料热状态参数之间的基本关系。LVFVIIIIFLL热原料液的千摩尔气化潜热量原料变为饱和蒸气所需将kmolIIIIqLVFV1第7章液体精馏28（2）各种进料状态下的q值①冷液体进料因为原料液温度低于其泡点温度，故IF＜IL，则由式（7-21a）知q＞1由图7-12(a)可见，提馏段内下降液体流量L′包括三部分：精馏段下降的液体流量L；原料液流量F；为将原料液加热到板上泡点温度必然会有部分自提馏段上升的蒸气被冷凝下来，冷凝液量也成为L′的一部分。故L′＞L+FV′＞V第7章液体精馏29②饱和液体进料由于原料液的温度与板上液体的温度相近，故IF=IL，则由式（7-21a）知q=1由图7-12(b)