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分馏基本原理
一.精馏塔的性能
各种类型的精馏塔,无论其操作条件如何不同,但总的要求是:
气液两相在塔内能充分接触,有利于热和质的交换,精馏效率高.
处理量高,操作的稳定范围大.
塔盘的压力降小,不易堵塞.
结构简单,节省材料,便于加工,造价和生产维护费低.
使用方便,易于操作,调节和检修.
精馏塔的外壳是一焊接而成的直立圆筒,是塔的主体.塔顶部和底部均焊有圆形头盖.塔壁上开有原料入口,产品馏出口以及若干个供检修用的人孔.壁外设保温层.塔内装有几层到几十层塔盘.塔盘是塔的主要部件,为塔内气液两相进行质和热交换提供主要的场所,因而也是决定精馏塔性能的主要部件.
塔盘效率是表示塔盘上气液两相能否充分进行质和热交换的一项指标.塔盘是提供气液两相接触的主要场所,因此塔盘效率直接反映了塔的精馏性能.
在一个理想的塔盘上,气液两相是充分接触的,离开塔盘的气液两相完全达到了平衡状况,所以混合液中各组分得到有效的分离.这种理想的塔盘必须符合如下三条假定:
1.进入该板的不平衡的物流,在其间发生了充分的接触传质,使离开该板的汽液两相物流间达到了相平衡;
2. 在该板上发生接触传质的汽液两相各自完全混合,板上各点的汽相浓度和液相浓度各自一样;
3. 该板上充分接触后的汽液两相实现了机械上的完善分离,离开该板的汽流中不挟带雾滴,液流中不挟带气泡,也不存在漏液.
在实际生产中,这种塔盘是不存在的.因此,当分馏某一混合液为几种组分时,实际需要的塔盘数要多于理论塔盘数,塔盘效率即理论塔盘数与实际塔盘数的比值.塔盘效率与塔盘的结构,被分馏混合液的性质以及操作条件有关.
二.精馏塔的分类
精馏塔可按其处理的原料,操作条件或结构分为不同类别,可大致归纳为七类十七种:
泡帽(泡罩)式:圆型;条型:"S"型.
筛板式:溢流型;挡板型.
浮阀式:十字架型;条状型;"F"型.
穿流式:栅板;多孔板;管栅板;波纹板.
喷射式:浮动喷射型;文丘里型;舌型.
带夹层筛孔泡帽式.
定向两层筛孔式.
三.精馏原理
(一)精馏原理
图1—1 精馏原理图
如图1—1(a),今设有七个蒸馏釜串联操作,并假定组成为xf的某组分混和液连续地进入釜4中,使之与釜5来的,组成为y5的蒸气充分接触,进行传热,传质过程,形成组成为y4的蒸气和与之相平衡的,组成为 x4的液体.将组成为y4的蒸气引入釜3,与液体充分接触,蒸气进行部分冷凝,放出热量,而液体吸收热量进行部分气化.显然,蒸气部分冷凝首先是其中的难挥发组分;液体部分气化首先是其中的易挥发组分.所以,当组成为y3的蒸气经部分冷凝和釜3中液体经部分气化后,形成组成为y3的蒸气和与之相平衡的,组成为x3的液体.显然,y3>y4;x3>x4,如果将这种关系推广到任意两个相邻的釜,则可表示为yn>yn+1;xn-1>xn.就是说,就蒸气而言,上一釜的蒸气比下一釜的蒸气含易挥发组分多.依此类推,第一釜的蒸气含易挥发组分最多,甚至几乎是纯易挥发组分:就液相而言,下一釜的液体含难挥发组分较上釜多,直至最下一釜几乎为纯难挥发组分,从而达到了分离组分的目的.
然而,随着过程的进行,由于yn>yn+1,xn必然愈来愈小,导致yn也愈来愈小,最后yn=yn+1,即自n+1釜上来的蒸气仅仅从第n釜的液体中通过,不进行传质,传热过程,达不到分离组分的目的.为解决这个问题(参看图1—1(b))可将上一釜的部分液体引至下一釜(称回流),以补偿下一釜因部分气化而损失的易挥发组分,因为xn-1>xn.这样,各釜的气,液相组成便不随时间而变,精馏操作可稳定地继续进行.
图1—1(c)是精馏塔的一部分,它相当于图1—1(b)各釜重叠起来,每快塔板就相当于一釜.图中所示为筛板塔,蒸气由各塔板的筛孔穿过,进入该板上的液层鼓泡而上;回流液则由溢流管逐板下降.
(二)精馏流程
1.精馏流程说明
工业精馏装置,除精馏塔外还应有塔顶部的冷凝器和下部的再沸器等配套设备.工业上连续精馏的主要装置和流程如图1—2所示.连续板式精馏塔加料板以上部分称为精馏段,加料板以下(包括加料板)部分称为提馏段.生产时,原料液不断地经预热器预热到指定温度后进入加料板,与精馏段的回流液汇合逐板下流,并与上升蒸气密切接触,不断地进行传质和传热过程,最后进入再沸器的液体几乎全为难挥发组分,引出一部分作为馏残液送预热器回收部分热能后送往贮槽.剩余的部分在再沸器中用间接蒸汽加热气化,生成的蒸气进入塔内逐板上升,每经一块塔板时,都使蒸气中易挥发组分增加,难挥发组分减少,经过若干块塔板后进入塔顶冷凝器全部冷凝,所得冷凝液一部分作回流液,另一部分经冷却器降温后作为塔顶产品(也称馏出液)送往贮槽.
2.操作情况说明:
(1)每层塔板都发生部分气化和部分冷凝,各层塔板提供一定的接触时间使传质进行,每层塔板接近于一次平衡蒸馏.
(2)向上往塔顶方向,蒸气中轻组分的含量越来越高,向下往塔底方向,液体中重组分含量越来越高.每层塔板上相接触的气,液流组成应接近,这样才可能存在露点与沸点间的温度差,这些在精馏过程中系统会自动地调节和适应.
(3)最上一层塔板的蒸气必须与其组成接近的液体相接触,因而塔顶必须从外界供应与馏出液组成相近的液体.这可由塔顶引出的蒸气全部冷凝后的部分冷凝液引回,称为回流.没有回流,塔内部分气化和部分冷凝就不能发生,精馏操作无从进行.
(4)从塔底应提供蒸气,而蒸气的组成应与塔底馏残液相近,这由在塔底安装的再沸器使馏残液部分气化来解决.
(5)进料组成介于馏出液和馏残液之间,因而进料应在塔体中部的某一适宜的塔板上,该板称为进料板,在这层塔板上的液体的组成与进料相接近.
图1—2 精馏装置简图
3.回流比R
图1—3 回流比
如1—3所示的是连续精馏塔顶部的情况.设从塔顶出来的蒸气的流量为Vmol/s,从冷凝器出来的冷凝液分为两股,一股作为产品Dmol/s采出,另一股作为回流液Lmol/s送回塔内第一块塔板上.将回流液量 (L)与产品量(D)之比称为回流比,用R表示,即:R=L/D
而 V=L+D
或 V=RD+D=(R+1)D
由上式可知,稳定操作时,V恒定,当R增大时,D则下降.
当D=0时,无产品采出,此时,R=∞,称为全回流.
回流比是影响精馏塔分离效果的主要因素,生产经常用回流比来调节,控制产品的质量;当回流比增大时,精馏段操作线斜率变大,该段内传质推动力增大,因此在一定的精馏段理论板数下馏出液组成变大;回流比大,提馏段操作线斜率变小,因此在一定的提馏段理论板数下,釜液组成变小.反之当回流比减小时,分离效果变差. 回流比增加,使塔内上升蒸汽量及下降液体量均增加,若塔内汽液相负荷超过允许值,则可能引起塔板效率下降,此时应减小原料液流量;同时回流比变化时再沸器和冷凝器的传热量也相应发生变化.
一.精馏塔的性能
各种类型的精馏塔,无论其操作条件如何不同,但总的要求是:
气液两相在塔内能充分接触,有利于热和质的交换,精馏效率高.
处理量高,操作的稳定范围大.
塔盘的压力降小,不易堵塞.
结构简单,节省材料,便于加工,造价和生产维护费低.
使用方便,易于操作,调节和检修.
精馏塔的外壳是一焊接而成的直立圆筒,是塔的主体.塔顶部和底部均焊有圆形头盖.塔壁上开有原料入口,产品馏出口以及若干个供检修用的人孔.壁外设保温层.塔内装有几层到几十层塔盘.塔盘是塔的主要部件,为塔内气液两相进行质和热交换提供主要的场所,因而也是决定精馏塔性能的主要部件.
塔盘效率是表示塔盘上气液两相能否充分进行质和热交换的一项指标.塔盘是提供气液两相接触的主要场所,因此塔盘效率直接反映了塔的精馏性能.
在一个理想的塔盘上,气液两相是充分接触的,离开塔盘的气液两相完全达到了平衡状况,所以混合液中各组分得到有效的分离.这种理想的塔盘必须符合如下三条假定:
1.进入该板的不平衡的物流,在其间发生了充分的接触传质,使离开该板的汽液两相物流间达到了相平衡;
2. 在该板上发生接触传质的汽液两相各自完全混合,板上各点的汽相浓度和液相浓度各自一样;
3. 该板上充分接触后的汽液两相实现了机械上的完善分离,离开该板的汽流中不挟带雾滴,液流中不挟带气泡,也不存在漏液.
在实际生产中,这种塔盘是不存在的.因此,当分馏某一混合液为几种组分时,实际需要的塔盘数要多于理论塔盘数,塔盘效率即理论塔盘数与实际塔盘数的比值.塔盘效率与塔盘的结构,被分馏混合液的性质以及操作条件有关.
二.精馏塔的分类
精馏塔可按其处理的原料,操作条件或结构分为不同类别,可大致归纳为七类十七种:
泡帽(泡罩)式:圆型;条型:"S"型.
筛板式:溢流型;挡板型.
浮阀式:十字架型;条状型;"F"型.
穿流式:栅板;多孔板;管栅板;波纹板.
喷射式:浮动喷射型;文丘里型;舌型.
带夹层筛孔泡帽式.
定向两层筛孔式.
三.精馏原理
(一)精馏原理
图1—1 精馏原理图
如图1—1(a),今设有七个蒸馏釜串联操作,并假定组成为xf的某组分混和液连续地进入釜4中,使之与釜5来的,组成为y5的蒸气充分接触,进行传热,传质过程,形成组成为y4的蒸气和与之相平衡的,组成为 x4的液体.将组成为y4的蒸气引入釜3,与液体充分接触,蒸气进行部分冷凝,放出热量,而液体吸收热量进行部分气化.显然,蒸气部分冷凝首先是其中的难挥发组分;液体部分气化首先是其中的易挥发组分.所以,当组成为y3的蒸气经部分冷凝和釜3中液体经部分气化后,形成组成为y3的蒸气和与之相平衡的,组成为x3的液体.显然,y3>y4;x3>x4,如果将这种关系推广到任意两个相邻的釜,则可表示为yn>yn+1;xn-1>xn.就是说,就蒸气而言,上一釜的蒸气比下一釜的蒸气含易挥发组分多.依此类推,第一釜的蒸气含易挥发组分最多,甚至几乎是纯易挥发组分:就液相而言,下一釜的液体含难挥发组分较上釜多,直至最下一釜几乎为纯难挥发组分,从而达到了分离组分的目的.
然而,随着过程的进行,由于yn>yn+1,xn必然愈来愈小,导致yn也愈来愈小,最后yn=yn+1,即自n+1釜上来的蒸气仅仅从第n釜的液体中通过,不进行传质,传热过程,达不到分离组分的目的.为解决这个问题(参看图1—1(b))可将上一釜的部分液体引至下一釜(称回流),以补偿下一釜因部分气化而损失的易挥发组分,因为xn-1>xn.这样,各釜的气,液相组成便不随时间而变,精馏操作可稳定地继续进行.
图1—1(c)是精馏塔的一部分,它相当于图1—1(b)各釜重叠起来,每快塔板就相当于一釜.图中所示为筛板塔,蒸气由各塔板的筛孔穿过,进入该板上的液层鼓泡而上;回流液则由溢流管逐板下降.
(二)精馏流程
1.精馏流程说明
工业精馏装置,除精馏塔外还应有塔顶部的冷凝器和下部的再沸器等配套设备.工业上连续精馏的主要装置和流程如图1—2所示.连续板式精馏塔加料板以上部分称为精馏段,加料板以下(包括加料板)部分称为提馏段.生产时,原料液不断地经预热器预热到指定温度后进入加料板,与精馏段的回流液汇合逐板下流,并与上升蒸气密切接触,不断地进行传质和传热过程,最后进入再沸器的液体几乎全为难挥发组分,引出一部分作为馏残液送预热器回收部分热能后送往贮槽.剩余的部分在再沸器中用间接蒸汽加热气化,生成的蒸气进入塔内逐板上升,每经一块塔板时,都使蒸气中易挥发组分增加,难挥发组分减少,经过若干块塔板后进入塔顶冷凝器全部冷凝,所得冷凝液一部分作回流液,另一部分经冷却器降温后作为塔顶产品(也称馏出液)送往贮槽.
2.操作情况说明:
(1)每层塔板都发生部分气化和部分冷凝,各层塔板提供一定的接触时间使传质进行,每层塔板接近于一次平衡蒸馏.
(2)向上往塔顶方向,蒸气中轻组分的含量越来越高,向下往塔底方向,液体中重组分含量越来越高.每层塔板上相接触的气,液流组成应接近,这样才可能存在露点与沸点间的温度差,这些在精馏过程中系统会自动地调节和适应.
(3)最上一层塔板的蒸气必须与其组成接近的液体相接触,因而塔顶必须从外界供应与馏出液组成相近的液体.这可由塔顶引出的蒸气全部冷凝后的部分冷凝液引回,称为回流.没有回流,塔内部分气化和部分冷凝就不能发生,精馏操作无从进行.
(4)从塔底应提供蒸气,而蒸气的组成应与塔底馏残液相近,这由在塔底安装的再沸器使馏残液部分气化来解决.
(5)进料组成介于馏出液和馏残液之间,因而进料应在塔体中部的某一适宜的塔板上,该板称为进料板,在这层塔板上的液体的组成与进料相接近.
图1—2 精馏装置简图
3.回流比R
图1—3 回流比
如1—3所示的是连续精馏塔顶部的情况.设从塔顶出来的蒸气的流量为Vmol/s,从冷凝器出来的冷凝液分为两股,一股作为产品Dmol/s采出,另一股作为回流液Lmol/s送回塔内第一块塔板上.将回流液量 (L)与产品量(D)之比称为回流比,用R表示,即:R=L/D
而 V=L+D
或 V=RD+D=(R+1)D
由上式可知,稳定操作时,V恒定,当R增大时,D则下降.
当D=0时,无产品采出,此时,R=∞,称为全回流.
回流比是影响精馏塔分离效果的主要因素,生产经常用回流比来调节,控制产品的质量;当回流比增大时,精馏段操作线斜率变大,该段内传质推动力增大,因此在一定的精馏段理论板数下馏出液组成变大;回流比大,提馏段操作线斜率变小,因此在一定的提馏段理论板数下,釜液组成变小.反之当回流比减小时,分离效果变差. 回流比增加,使塔内上升蒸汽量及下降液体量均增加,若塔内汽液相负荷超过允许值,则可能引起塔板效率下降,此时应减小原料液流量;同时回流比变化时再沸器和冷凝器的传热量也相应发生变化.
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