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1、第六章 蒸馏设备本讲稿第一页，共六十页第一节蒸馏分离提纯原理第一节蒸馏分离提纯原理蒸蒸馏馏分分离离提提纯纯操操作作，主主要要是是指指将将某某些些液液相相和和固固相相，液液相相和和液液相相的的混混合合物物分离开，或者将其某组分再进行提纯的化工单元操作。分离开，或者将其某组分再进行提纯的化工单元操作。生生物物工工程程的的工工业业产产品品中中常常采采用用蒸蒸馏馏方方法法提提取取或或提提纯纯的的有有：白白酒酒，酒酒精精，甘油，丙酮，丁醇以及某些萃取过程中的溶剂回收。甘油，丙酮，丁醇以及某些萃取过程中的溶剂回收。本讲稿第二页，共六十页酒精酒精-水混合液的相平衡水混合液的相平衡 在在一一定定温温度度下下，
2、液液体体与与其其蒸蒸气气可可形形成成相相平平衡衡，此此时时的的蒸蒸气气为为该该液液体体的的饱饱和和蒸蒸汽汽，纯纯的的酒酒精精和和水水的的混混合合液液的的相相平平衡衡中中，具具有有酒酒精精蒸蒸气气和和水水的的蒸蒸气气两两种种饱饱和和蒸蒸汽汽，各各自自具具有有一一定定的的饱饱和和蒸蒸汽汽压压，蒸蒸汽汽压压的的大大小小随随温温度度的的升升高高而而增增加加。两两种种蒸蒸汽汽共共存存并并相相互互影影响响，液面上的总蒸汽压等于酒精与水两者的蒸汽压之和。液面上的总蒸汽压等于酒精与水两者的蒸汽压之和。本讲稿第三页，共六十页 理想混合溶液液体与蒸汽间的平衡关系满足理想混合溶液液体与蒸汽间的平衡关系满足拉乌尔定律
3、，即在一定的温度下，混合液面拉乌尔定律，即在一定的温度下，混合液面生蒸汽总压生蒸汽总压P=PA+PB,P=PA+PB,且任一组分的分压等且任一组分的分压等于此纯组分在该温度下的饱和蒸汽压乘以其于此纯组分在该温度下的饱和蒸汽压乘以其在溶液中的摩尔分数：在溶液中的摩尔分数：本讲稿第四页，共六十页酒酒精精和和水水分分子子间间的的吸吸引引力力比比酒酒精精和和酒酒精精分分子子间间的的吸吸引引力力小小，此此时时诸诸分分子子所所受受的的吸吸引引力力比比之之在在个个纯纯组组分分中中所所受受的的吸吸引引力力小小，因因此此，分分子子容容易易汽汽化化，液液面面上上各各组组分分的的蒸蒸汽汽分分压压比比理理想想溶溶液液
4、大大。所所以以酒酒精和水的混合溶液对拉乌尔定律具有偏差。精和水的混合溶液对拉乌尔定律具有偏差。本讲稿第五页，共六十页乙醇乙醇-水的气液平衡曲线图水的气液平衡曲线图曲曲线线表表示示了了在在一一定定外外压压下下，乙乙醇醇蒸蒸汽汽的的组组成成y y和和与与之之相相平平衡衡的的液液相相组组成成x x之之间间的的关关系系（均均为为摩摩尔尔分分数数），图图中中平平衡衡曲曲线线与与对对角角线线相相交交于于M M点点，在在此此点点时时，蒸蒸汽汽中中的的酒酒精精含含量量和和与与之之相相平平衡衡的的液液相相中中的的酒精含量相等。酒精含量相等。本讲稿第六页，共六十页酒精蒸馏包括两个过程：酒精蒸馏包括两个过程：（1
5、1）将酒精和所有容易挥发的物质从发酵液中分离出来的）将酒精和所有容易挥发的物质从发酵液中分离出来的过程，称为粗馏过程，称为粗馏 （2 2）进一步提高酒精浓度，并除去粗酒精中的杂质，使之成为进一步提高酒精浓度，并除去粗酒精中的杂质，使之成为各种规格的成品酒精的过程，称为精馏。各种规格的成品酒精的过程，称为精馏。本讲稿第七页，共六十页相对挥发度和挥发系数相对挥发度和挥发系数纯液体的挥发度通常是用来表示纯液体在一定温度下的饱和蒸气压的大小。具有较高蒸汽压的物质称为易挥发物；蒸汽压较低的物质称为难挥发物。挥发度大的物质，其分子向周围空间扩散的挥发能力大，单位时间向周围空间飞逸的分子数就多，反之就少。本
6、讲稿第八页，共六十页溶溶液液中中各各组组分分的的蒸蒸汽汽分分压压因因组组分分间间的的相相互互影影响响一一般般比比纯纯态态时时为为低低，故故溶溶液液中中各各组组分分的的挥挥发发度度V V可可用用它它在在蒸蒸汽汽中中的的分分压压P P和和它在与蒸汽成平衡的液相中的摩尔分数它在与蒸汽成平衡的液相中的摩尔分数x x之比来表示。之比来表示。由由于于各各组组分分的的挥挥发发度度V V随随温温度度而而变变化化，使使用用上上不不方方便便，故故又又引引出出相相对对挥挥发发度度，习习惯惯上上将将溶溶液液中中易易挥挥发发组组分分的的挥挥发发度度与与难难挥挥发发组分的挥发度之比，称为相对挥发度。组分的挥发度之比，称为
7、相对挥发度。本讲稿第九页，共六十页式中：yA,yB为溶液中两组分相应条件下的气相中的摩尔分数。若为双组分，也可写成：若为双组分，也可写成：本讲稿第十页，共六十页相对挥发度相对挥发度的值的大小可以用来判断混合液是否已能用蒸馏的方法加以的值的大小可以用来判断混合液是否已能用蒸馏的方法加以分离及了解分离的难易程度分离及了解分离的难易程度挥挥发发系系数数K K表表示示某某物物质质在在该该溶溶液液中中的的挥挥发发性性能能的的强强弱弱，也也说说明明它它们们在在一一次次简简单单蒸蒸馏馏以以后后浓浓缩缩的的倍倍数数。例例如如：用用a%a%表表示示酒酒精精与与水水的的混混合合液液中中的的酒酒精精含含量量，以以A
8、%A%表表示示与与其其平平衡衡的的蒸蒸汽汽中中的的酒酒精精含含量量。则则挥挥发发系系数数可可表表示示为为K KA A=A/aA/a。相相应应的的溶溶液液中中的杂质也具有相应的挥发系数的杂质也具有相应的挥发系数KnKn。在在酒酒精精蒸蒸馏馏中中，一一切切杂杂质质(包包括括乙乙醇醇在在内内）的的挥挥发发系系数数随随乙乙醇醇浓浓度的增加而变小。度的增加而变小。本讲稿第十一页，共六十页精馏系数：指杂质的挥发系数和酒精的挥发系数之比。K=Kn/KAK K的的意意义义：精精馏馏系系数数确确定定杂杂质质在在塔塔内内的的集集聚区域聚区域当当K K11时，蒸汽中杂质含量比酒精多，所以杂质集聚在气时，蒸汽中杂质含
9、量比酒精多，所以杂质集聚在气相中相中当当K K11时，气相中杂质含量比酒精少，所以杂质集聚在液相时，气相中杂质含量比酒精少，所以杂质集聚在液相中，较难挥发。中，较难挥发。当当K K=1=1时，杂质平均分布在气相和液相中，在这种情时，杂质平均分布在气相和液相中，在这种情况下，要把杂质和酒精分离是比较困难的，只能用化学况下，要把杂质和酒精分离是比较困难的，只能用化学方法处理。方法处理。本讲稿第十二页，共六十页在在酒酒精精精精馏馏中中，粗粗馏馏酒酒精精中中的的杂杂质质有有醛醛，酯酯，酸酸和和醇醇等等4 4大大类类，根根据据它它们们在在精精馏馏过过程程中中的的行行为为可可分分为为头头级级杂杂质质尾尾级
10、级杂杂质质和中级杂质三大类。和中级杂质三大类。（1 1）典典型型的的头头级级杂杂质质的的挥挥发发系系数数始始终终大大于于1 1，它它们们在在精精馏馏塔塔内内运运动动的的方方向向是是往往上上的，其浓度在塔顶最多，如醛类，乙酸乙酯等部分酯类。的，其浓度在塔顶最多，如醛类，乙酸乙酯等部分酯类。（2 2）尾尾级级杂杂质质在在酒酒精精浓浓度度低低时时其其挥挥发发系系数数大大于于1 1。随随着着酒酒精精浓浓度度的的不不断断提提高高，它它们们的的挥挥发发系系数数相相继继等等于于1 1，进进而而小小于于1 1，它它们们在在精精馏馏塔塔内内下下部部的的运运动动是是往往上上的的，而而在在顶顶部部的的运运动动则则是
11、是往往下下的的，结结果果便便集集中中在在与与其其挥挥发发系系数数等等于于1 1的相应的附近塔板上。杂醇油便是尾级杂质的典型代表。的相应的附近塔板上。杂醇油便是尾级杂质的典型代表。（3 3）异异戊戊酸酸，乙乙酸酸乙乙酯酯等等在在酒酒精精浓浓度度大大于于70%70%时时，其其挥挥发发系系数数才才从从大大于于1 1变变为为小小于于1.1.这些杂质叫中级杂质。这些杂质叫中级杂质。本讲稿第十三页，共六十页酒精精馏酒精精馏发酵液经过蒸馏后所得到的粗酒精，杂质较多。除去粗酒精发酵液经过蒸馏后所得到的粗酒精，杂质较多。除去粗酒精中的杂质，进一步提高酒精含量，利用气液两相的互相接触，中的杂质，进一步提高酒精含量
12、，利用气液两相的互相接触，反复进行部分汽化和部分冷凝的过程叫做酒精的精馏。这一反复进行部分汽化和部分冷凝的过程叫做酒精的精馏。这一过程利用了多次的传质，是多次汽化和多次冷凝的简单蒸馏过程利用了多次的传质，是多次汽化和多次冷凝的简单蒸馏过程的集合。过程的集合。本讲稿第十四页，共六十页精馏的基本操作示意图精馏的基本操作示意图本讲稿第十五页，共六十页由由于于釜釜内内汽汽化化的的蒸蒸汽汽中中酒酒精精组组分分大大于于釜釜中中液液相相中中的的组组分分，经经过过一一段段时时间间的的蒸蒸馏馏，各各釜釜中中液液相相酒酒精精组组分分越越来来越越少少，将将导导致致蒸蒸汽汽中中酒酒精精组组分分也也相相应应的的降降低低
13、。所所以以，应应将将顶顶釡釡汽汽化化的的蒸蒸汽汽冷冷凝凝液液回回流流一一部部分分至至塔塔内内，并并逐逐釡釡下流。同时在底釡中不断加入原混合液。下流。同时在底釡中不断加入原混合液。将顶釡的酒精蒸汽在冷凝器冷凝后所得的部分冷凝回流至顶釡的操作称为回流。将顶釡的酒精蒸汽在冷凝器冷凝后所得的部分冷凝回流至顶釡的操作称为回流。回回流流比比（R R）：在在精精馏馏操操作作中中，由由精精馏馏塔塔顶顶返返回回塔塔内内的的回回流流量量L L与与塔塔顶顶产产品品流流量量D D的比值即的比值即R=L/DR=L/D，对精馏过程分离效果和经济性有着重要影响。，对精馏过程分离效果和经济性有着重要影响。本讲稿第十六页，共六
14、十页粗馏塔粗馏塔粗馏塔的处理对象：发酵成熟醪液特点：杂质多，含有许多固形物，黏度大，易起泡，腐蚀性强对蒸馏塔板的要求是：对蒸馏塔板的要求是：（1 1）处理能力大）处理能力大（2 2）塔板效率高）塔板效率高（3 3）塔板压降低）塔板压降低（4 4）操作弹性大）操作弹性大（5 5）结构简单，制造成本低）结构简单，制造成本低（6 6）能够满足工艺的特定要求，如不易堵塞，抗腐蚀等）能够满足工艺的特定要求，如不易堵塞，抗腐蚀等本讲稿第十七页，共六十页一，粗馏塔板类型及结构一，粗馏塔板类型及结构1 1 泡罩塔板泡罩塔板该类塔板适宜处理易起泡的液体。该类塔板适宜处理易起泡的液体。是国内不少酒精厂家的粗馏塔主
15、是国内不少酒精厂家的粗馏塔主要采用的装置。主要由塔体，塔要采用的装置。主要由塔体，塔板和升气管等部件组成。板和升气管等部件组成。本讲稿第十八页，共六十页泡罩塔的操作：泡罩塔的操作：泡罩底部浸没在塔板上的液体，形成液封，泡罩底部浸没在塔板上的液体，形成液封，气体自升气管上升，流经升气管和泡罩之气体自升气管上升，流经升气管和泡罩之间的环形通道，再从泡罩齿缝（主要是分间的环形通道，再从泡罩齿缝（主要是分散气体，增大气液接触面积）中吹出，进散气体，增大气液接触面积）中吹出，进入塔板上的液层中鼓泡传质。常见的泡罩入塔板上的液层中鼓泡传质。常见的泡罩为倒扣的自行车铃盖形，周边有齿缝。齿为倒扣的自行车铃盖形
16、，周边有齿缝。齿缝一般为矩形，三角形和梯形。缝一般为矩形，三角形和梯形。塔塔板板上上的的降降液液管管设设置置在在两两侧侧，常常见见的的有有弓弓形形和和圆圆形形。板板上上一一段段降降液液管管的的高高度度叫叫溢溢流流堰堰的的高高度度，起起到到维维持持板板上上液液层层深深度度及及使使液液流流均均匀匀的的作作用用。不不论论何何种种降降液液管管都都设设置置弓弓形堰。形堰。本讲稿第十九页，共六十页2 S2 S（SDSD）形塔板）形塔板S S形形塔塔板板是是由由数数个个S S形形的的泡泡罩罩互互相相搭搭接接而而成成，该该塔塔板板借借助助气气体体喷喷出出时时的的动动能能，推推动动液液体体流流动动，这这样样板板
17、上上的的液液层层分分布布比比较较均均匀匀，液液面面落落差差小小，雾雾沫沫夹夹带带少少，气气液液接接触触充充分分而而密密切切。另另一一方方面面，生生成成的的蒸蒸汽汽同同时时产产生生一一股股向向上上的的升升腾腾的的作作用用力力。因因此此该该塔塔板板具具有有一一定定的的驱驱动动力力，可可将将物物料料中中的的污污秽秽杂杂质质带带走走，防防止止泥泥沙沙等等杂杂物物的的沉沉积积，提提高高了了排污排杂的性能。排污排杂的性能。本讲稿第二十页，共六十页S S形塔板的优点：形塔板的优点：（1 1）上上升升蒸蒸汽汽流流通通路路的的面面积积比比普普通通的的泡泡罩罩大大2-42-4倍倍，故故允允许许S S形形塔塔板板具
18、有较高的气速和液速，其处理能力比一般的泡罩塔大具有较高的气速和液速，其处理能力比一般的泡罩塔大50%50%左右。左右。（2 2）气流与液流并行，液面落差小，所以在大液流下塔板仍能平稳气流与液流并行，液面落差小，所以在大液流下塔板仍能平稳操作操作（3 3）结构比一般泡罩塔板简单，制作安装方便，造价低。结构比一般泡罩塔板简单，制作安装方便，造价低。但这种塔板结构弯度较大，蒸汽受到的阻力大，塔板压力降也较大但这种塔板结构弯度较大，蒸汽受到的阻力大，塔板压力降也较大。本讲稿第二十一页，共六十页3 3 浮阀波纹筛板浮阀波纹筛板在在普普通通的的波波纹纹筛筛板板的的基基础础上上，在在波波峰峰处处增增加加一一
19、定定数数量量的的与与波波峰峰同同弧弧形形的的条条状状阀阀片片。波波峰峰可可供供蒸蒸汽汽通通过过，波波谷谷可可供供液液体体分分布布下下流流。此此种种塔塔板板不不设设溢溢流流管管，上上下下相相邻邻板板安安装装方方向向呈呈90度度交交错错。液液体体分分布布均均匀匀，整整个个版版面面无无死死角角，板板效效率率高高，生生产产能能力力大大，具具有有自自净净排排杂杂的的作作用用和和不不易易堵堵塞塞，操操作作温温度度等特点。等特点。可可用用于于粗粗馏馏塔塔，精精馏馏塔塔和和排醛塔排醛塔本讲稿第二十二页，共六十页4 4 斜孔塔斜孔塔特特点点：每每一一排排孔孔口口都都朝朝一一个个方方向向，相相邻邻两两排排孔孔口口
20、方方向向相相反反，故故相相邻邻两两排排孔孔口口的的气气体体方方向向反反向向喷喷出出。该该类类塔塔板板气气液液接接触触良良好好，雾雾沫沫夹夹带带少少，允允许许气气体体负负荷荷高高，可可采采用用较较高高的的气气速速，板板上上液液层层的的湍湍流流程程度大，气液两相的传质效果好。度大，气液两相的传质效果好。本讲稿第二十三页，共六十页二二 粗馏塔的设计及计算粗馏塔的设计及计算1 塔板层数的确定塔板层数的确定塔塔板板层层数数的的确确定定有有逐逐板板计计算算法法，图图解解法法和和解解析析法法，一一般般采采用用直直观观的的图图解解法法。粗馏塔相当于精馏塔的提馏段粗馏塔相当于精馏塔的提馏段图解法步骤：图解法步骤
21、：（1 1）计算进料状态参数）计算进料状态参数式中式中hghg为每为每1kg1kg的饱和蒸汽的热焓，的饱和蒸汽的热焓，KJ/Kg hfKJ/Kg hf为每为每1Kg1Kg进料的热焓，进料的热焓，KJ/KgKJ/Kgr r为每为每1Kg1Kg进料的汽化潜热，进料的汽化潜热，KJ/KgKJ/Kg。本讲稿第二十四页，共六十页（2 2）绘制平衡曲线图）绘制平衡曲线图在在坐坐标标纸纸上上绘绘制制平平衡衡曲曲线线y-xy-x，并并做做对对角线角线y=xy=x（3 3）在在图图上上取取x=xx=xf f，在在x x轴轴上上做做垂垂直直线与对角线交于点线与对角线交于点a a（4 4）从从点点a a做做斜斜率率
22、/(/(-1)-1)的的线线。进进料料成成熟熟醪醪预预热热至至7070，故故线线向向上上偏右偏右（5 5）做提馏段操作线）做提馏段操作线（6 6）从）从线与提馏操作线的交点线与提馏操作线的交点b b开始，开始，在操作线与平衡曲线之间画引阶梯，直至在操作线与平衡曲线之间画引阶梯，直至超过超过x=xx=xw w为止。所梯阶数即为理论板数。为止。所梯阶数即为理论板数。本讲稿第二十五页，共六十页（7 7）若若下下端端所所画画阶阶梯梯太太小小，模模糊糊不不清清，则则需需放放大大20-3020-30倍倍，或或采采用用下下式式计计算算从从0.2%0.2%（摩摩尔尔）至至x xw w一一段段所所需需的的理理论
23、论板板数数n n，从从b b点点至至x=0.2%x=0.2%（摩尔）一段的阶梯数加上（摩尔）一段的阶梯数加上n n的数值即为理论板数。的数值即为理论板数。式中：式中：X X0 0-上限酒精浓度，上限酒精浓度，X X0 0=0.2%=0.2%（摩尔分数）（摩尔分数）Xw-Xw-下限酒精浓度（即酒槽中允许的残留酒精浓度）一般为下限酒精浓度（即酒槽中允许的残留酒精浓度）一般为0.004%0.004%K K为酒精挥发系数为酒精挥发系数 q qm m，D D为加热蒸汽量，为加热蒸汽量，Kg/hKg/h q qm,Lm,L为溢流量，为溢流量，Kg/hKg/h由于溢流液中的酒精浓度很低（由于溢流液中的酒精浓
24、度很低（x0.2%)x0.2%)可视为水。故公式中的可视为水。故公式中的q qm m，D D和和q qm,Lm,L可同时用可同时用Kg/hKg/h代替。代替。此时溢流量可按下式计算：此时溢流量可按下式计算：q qm,Lm,L=q qm,Fm,F本讲稿第二十六页，共六十页（8 8）实际塔板数的确定）实际塔板数的确定不不同同类类型型塔塔板板，其其塔塔板板效效率率不不同同，我我国国多多采采用用泡泡罩罩塔塔板板，其其塔塔板板效效率率为为50%50%。通通常常理理论论板板数数为为8-108-10层层，工工厂厂中中实实际际应用为应用为20-2520-25层。进料在塔顶层。进料在塔顶本讲稿第二十七页，共六十
25、页2 2 板间距的选择板间距的选择板板间间距距即即两两塔塔板板间间的的距距离离。板板间间距距随随随随空空塔塔蒸蒸汽汽速速度度，料料液液的的起起泡泡性性和和塔塔板板的的类类型型而而定定，空空塔塔速速度度大大，板板间间距距也也大大，才才能能防防止止雾雾沫沫的的夹夹带带。成成熟熟醪醪起起泡泡性性强强，故故粗粗馏馏塔塔的的板板间间距距一一般不低于般不低于330mm330mm，根据经验多泡罩粗馏塔一般可取，根据经验多泡罩粗馏塔一般可取400mm400mm左右。左右。本讲稿第二十八页，共六十页3 3 塔径的计算塔径的计算塔塔径径是是决决定定生生产产量量的的主主要要因因素素，当当气气速速一一定定时时，塔塔径
26、径大大，产产量量也也大大。塔塔径径根根据据上上升的蒸汽量和蒸汽速度计算升的蒸汽量和蒸汽速度计算式中：式中：V V 为粗馏塔内上升蒸汽量，为粗馏塔内上升蒸汽量，m m3 3/s/s v v 为塔内上升的蒸汽速度，为塔内上升的蒸汽速度，m/sm/s 为塔径，为塔径，m m本讲稿第二十九页，共六十页塔塔内内蒸蒸汽汽速速度度与与板板间间距距和和泡泡沸沸深深度度有有关关（酒酒精精蒸蒸汽汽穿穿过过液液层层的的深深度度），泡泡沸沸深深度度大大，蒸蒸汽汽速速度度宜宜小小。酒酒精精粗粗馏馏塔塔的的蒸蒸汽汽速速度度可可下下述述经经验验公公式式计算；计算；式中：式中：H HT T 为板间距，为板间距，m m；Z Z
27、 为泡沸深度，为泡沸深度，m m；Z=0.5h+h3 Z=0.5h+h3 h h 为泡罩齿缝高度，为泡罩齿缝高度，m m；h3 h3 为缝顶至液面的距离，为缝顶至液面的距离，m m本讲稿第三十页，共六十页粗馏塔进料温度低于进料层沸腾温度，故塔内上升蒸汽量大于粗馏塔进料温度低于进料层沸腾温度，故塔内上升蒸汽量大于塔顶上升蒸汽量。粗馏塔内上升的蒸汽量可按下式计算：塔顶上升蒸汽量。粗馏塔内上升的蒸汽量可按下式计算：式中：式中：为粗馏塔内上升的蒸汽量，为粗馏塔内上升的蒸汽量，Kg/hKg/h为粗馏塔内的溢流量，为粗馏塔内的溢流量，Kg/hKg/h为粗馏塔顶上升蒸汽量，为粗馏塔顶上升蒸汽量，Kg/h为粗
28、馏塔进醪量，为粗馏塔进醪量，Kg/h Kg/h本讲稿第三十一页，共六十页一一般般酒酒精精粗粗馏馏塔塔进进料料层层在在塔塔顶顶层层，塔塔顶顶压压力力一一般般控控制制在在0.11MPa0.11MPa（绝绝对对），其其蒸蒸汽汽密密度度为为0.934Kg/m30.934Kg/m3。因因此此，塔塔内内上上升蒸汽的体积流量为：升蒸汽的体积流量为：本讲稿第三十二页，共六十页精馏塔精馏塔精精馏馏塔塔的的作作用用：一一 把把从从粗粗馏馏塔塔过过来来的的粗粗馏馏酒酒精精气气体体提提浓浓到到产产品品要要求求的的浓浓度度 二二 分离净化其他杂质，使产品达到所要求的标准。分离净化其他杂质，使产品达到所要求的标准。处理对
29、象：粗馏酒精蒸汽或液体处理对象：粗馏酒精蒸汽或液体本讲稿第三十三页，共六十页进料板：原料液进入的那层塔板精馏段：进料板以上的塔段提馏段：进料板以下（包括进料板）的塔段本讲稿第三十四页，共六十页精馏与简单蒸馏的区别：汽相和液相的部分回流。也是精馏操作的基本条件。提馏段：下降液体（包括回流液和料液中的液体部分）中的轻组分向汽相（回流）传递，而汽相中的重组分向液相传递，从而完成下降液体重组分的提浓。精馏原理精馏原理精馏原理精馏原理 精馏段：汽相中的重组分向液相（回流液）传递，而液相中的轻组分向汽相传递，从而完成上升蒸气的精制。料液,xF Feed塔顶产品,xDOverhead product塔底产品
30、,xWBottoms product液相回流Liquid reflux汽相回流Vapor reflux精馏段Rectifying section提馏段Stripping section再沸器Reboiler冷凝器condenser本讲稿第三十五页，共六十页精馏塔应满足的要求：精馏塔应满足的要求：1 1 塔板效率高塔板效率高2 2 生产能力大生产能力大3 3 压降小压降小4 4 操作范围广操作范围广5 5 结构简单结构简单6 6 操作方便操作方便7 7 加工容易加工容易我国酒精行业常用的精馏塔我国酒精行业常用的精馏塔泡罩塔泡罩塔浮阀塔浮阀塔斜孔塔斜孔塔筛板塔筛板塔导向筛板塔导向筛板塔本讲稿第三十
31、六页，共六十页1 1 浮阀塔板浮阀塔板塔板结构类型：有盘式和条状两种（以阀片而言）浮阀塔的特点：浮阀塔的特点：1 1 塔板效率高。浮阀塔板上的气体通过阀孔后是以水塔板效率高。浮阀塔板上的气体通过阀孔后是以水平方向向四周喷出，气体速度大。气液接触时间长，平方向向四周喷出，气体速度大。气液接触时间长，气液接触良好。气液接触良好。2 2 处理能力大，操作范围广。浮阀能上下游动，浮阀处理能力大，操作范围广。浮阀能上下游动，浮阀的开度是根据蒸汽速度进行自动调节的。的开度是根据蒸汽速度进行自动调节的。3 3 塔板压降小。较泡罩塔板相比，气体不经过升气筒，塔板压降小。较泡罩塔板相比，气体不经过升气筒，不受泡
32、罩折转，不穿过齿缝。不受泡罩折转，不穿过齿缝。4 4 结构简单，稳定性高。与泡罩塔板比较，结结构简单，稳定性高。与泡罩塔板比较，结构简单，加工方便，材料用量少。但目前多采构简单，加工方便，材料用量少。但目前多采用不锈钢板，其造价不菲。浮阀塔板由于气液用不锈钢板，其造价不菲。浮阀塔板由于气液接触良好，液面落差很小，所以稳定性也高接触良好，液面落差很小，所以稳定性也高。本讲稿第三十七页，共六十页2 2 筛板塔筛板塔筛筛板板塔塔是是所所有有塔塔板板中中结结构构最最简简单单的的蒸蒸馏馏塔塔板板。塔塔板板由由开开有有大量均匀小孔（称为筛孔）的塔板和溢流管组成大量均匀小孔（称为筛孔）的塔板和溢流管组成操操
33、作作时时，从从下下层层塔塔板板上上升升的的气气流流通通过过筛筛孔孔与与板板上上液体接触，进行传热与传质液体接触，进行传热与传质操作必要条件：通过筛孔的蒸汽的速度和压强必操作必要条件：通过筛孔的蒸汽的速度和压强必须大于筛板上的液层压强，才能保证液体不会从须大于筛板上的液层压强，才能保证液体不会从筛孔流下而按规定从溢流管流下。否则会导致塔筛孔流下而按规定从溢流管流下。否则会导致塔板效率降低板效率降低本讲稿第三十八页，共六十页筛板塔的优点筛板塔的优点 1 1 1 1 结构简单，易于加工，造价低。结构简单，易于加工，造价低。结构简单，易于加工，造价低。结构简单，易于加工，造价低。2 2 2 2 处理能
34、力大，比相同塔径的泡罩塔可增加处理能力大，比相同塔径的泡罩塔可增加处理能力大，比相同塔径的泡罩塔可增加处理能力大，比相同塔径的泡罩塔可增加10-20%10-20%10-20%10-20%3 3 3 3 塔板效率高。塔板效率高。塔板效率高。塔板效率高。4 4 4 4 塔板压降低，液面落差小塔板压降低，液面落差小塔板压降低，液面落差小塔板压降低，液面落差小 缺点缺点1 1 操作弹性小，小筛孔易堵操作弹性小，小筛孔易堵2 2 塔板安装要求高。塔板的安装要求非常水平，否则气液接触不匀塔板安装要求高。塔板的安装要求非常水平，否则气液接触不匀3 3 操作水平要求高。操作压力要求非常稳定，因此操作不易控制。
35、操作水平要求高。操作压力要求非常稳定，因此操作不易控制。4 4 开停机不易操作，特别是停机时，层板上的液体会全部从筛孔流下开停机不易操作，特别是停机时，层板上的液体会全部从筛孔流下本讲稿第三十九页，共六十页塔板流动状态塔板流动状态本讲稿第四十页，共六十页本讲稿第四十一页，共六十页本讲稿第四十二页，共六十页塔盘主要结构塔盘主要结构本讲稿第四十三页，共六十页双组分连续精馏塔的计算双组分连续精馏塔的计算 精馏塔计算可分为设计型与操作型，其计算原则在各单元操作中是共同的。板式精馏塔的设计型计算主要包括以下内容：塔顶（或塔底）产量和浓度塔顶（或塔底）产量和浓度塔内物流量塔内物流量回流量回流量塔板数或填料
36、层高度塔板数或填料层高度进料位置进料位置 塔径塔径本讲稿第四十四页，共六十页精馏段，每层塔板上升的蒸汽摩尔流量都相等，提馏段也一样。即：V1=V2=V=常数 V1=V2=V=常数式中：V-精馏段上升蒸汽的摩尔流量，kmol/h;V-提馏段上升蒸汽的摩尔流量，kmol/h。（1）恒摩尔汽化本讲稿第四十五页，共六十页精馏段内，每层塔板下降的液体摩尔流量都相等，提馏段也一样。即：L1=L2=L=常数 L1=L2=L=常数式中：L-精馏段下降液体的摩尔流量，kmol/h;L-提馏段下降液体的摩尔流量，kmol/h。（下标1、2表示自上而下的塔板序号。）（2）恒摩尔溢流 本讲稿第四十六页，共六十页物料衡
37、算与操作线方程物料衡算与操作线方程 全塔物料衡算全塔物料衡算 （Overall material balanceOverall material balance）对稳定操作连续精馏塔，无论塔顶的回流液量与塔釜的再沸蒸汽量多大，料液加入量必等于塔顶和塔釜所得产品量之和。产品流量、组成和进料流量、组成之间的关系可通过全塔物料衡算求得。总物料衡算 易挥发组分物料衡算 本讲稿第四十七页，共六十页全塔物料衡算全塔物料衡算 （Overall material balanceOverall material balance）当进料流率 F 和组成 xF 以及釜液组成 xW 一定时，要求塔顶馏出液中轻组分含量
38、 xD 值越大，馏出液的流率 D 值就越小。塔釜产品的流率和组成之间也存在类似关系。对进料浓度一定的精馏过程，提高产品品质是以降低产品产率为代价的。塔顶采出率塔顶采出率塔底采出率塔底采出率本讲稿第四十八页，共六十页全塔物料衡算全塔物料衡算 （Overall material balanceOverall material balance）当进料流率 F 和组成 xF 以及釜液组成 xW 一定时，要求塔顶馏出液中轻组分含量 xD 值越大，馏出液的流率 D 值就越小。塔釜产品的流率和组成之间也存在类似关系。对进料浓度一定的精馏过程，提高产品品质是以降低产品产率为代价的。本讲稿第四十九页，共六十页操
39、作线方程（操作线方程（Operating lineOperating line）1 2 3 n n+1 V,y1D,xDL,xDV,yn+1L,xn 精馏段操作线方程精馏段操作线方程 全凝器全凝器，泡点回流泡点回流 本讲稿第五十页，共六十页 提馏段操作线方程 操作线方程操作线方程 （Operating lineOperating line）V,yWW,xWL,xWn n+1 L,xnV,yn+1直线直线 过点过点b（xW、xW）、）、斜率斜率本讲稿第五十一页，共六十页提馏操作线：c点：y=x=xW斜率：L/V截距：-WxW/V操作线方程的在图上的画法操作线方程的在图上的画法 精馏操作线：a点：
40、y=x=xD斜率：R/(R+1)截距：xD/(R+1)x y 0 1.0 1.0 xD abxW cde本讲稿第五十二页，共六十页D,xDW,xWF,xF最佳位置进料最佳位置进料本讲稿第五十三页，共六十页影响塔板效率的因素n n1 1 1 1）塔板间距：对一定的蒸汽速度而言，塔板间距太小，易产生雾）塔板间距：对一定的蒸汽速度而言，塔板间距太小，易产生雾）塔板间距：对一定的蒸汽速度而言，塔板间距太小，易产生雾）塔板间距：对一定的蒸汽速度而言，塔板间距太小，易产生雾沫夹带现象，使塔板效率降低。但塔板间距过大时，若适当提高沫夹带现象，使塔板效率降低。但塔板间距过大时，若适当提高沫夹带现象，使塔板效率
41、降低。但塔板间距过大时，若适当提高沫夹带现象，使塔板效率降低。但塔板间距过大时，若适当提高上升蒸汽的速度，又会使整个塔板高度增加上升蒸汽的速度，又会使整个塔板高度增加上升蒸汽的速度，又会使整个塔板高度增加上升蒸汽的速度，又会使整个塔板高度增加n n2 2 2 2）板上液层深度：液层太低，汽液接触时间很短或者根本没有接触）板上液层深度：液层太低，汽液接触时间很短或者根本没有接触）板上液层深度：液层太低，汽液接触时间很短或者根本没有接触）板上液层深度：液层太低，汽液接触时间很短或者根本没有接触就离开，将产生跑气现象。而液层太深而蒸汽速度不够大，液体可从就离开，将产生跑气现象。而液层太深而蒸汽速度不
42、够大，液体可从就离开，将产生跑气现象。而液层太深而蒸汽速度不够大，液体可从就离开，将产生跑气现象。而液层太深而蒸汽速度不够大，液体可从升气孔渗漏流下，使塔板效率降低升气孔渗漏流下，使塔板效率降低升气孔渗漏流下，使塔板效率降低升气孔渗漏流下，使塔板效率降低n n3 3 3 3）水力梯度（板上液面落差）的影响：）水力梯度（板上液面落差）的影响：）水力梯度（板上液面落差）的影响：）水力梯度（板上液面落差）的影响：n n当水力梯度较大时，当塔板上靠近受液区侧和靠近溢流区侧的板上液当水力梯度较大时，当塔板上靠近受液区侧和靠近溢流区侧的板上液当水力梯度较大时，当塔板上靠近受液区侧和靠近溢流区侧的板上液当水
43、力梯度较大时，当塔板上靠近受液区侧和靠近溢流区侧的板上液面高度差较大时，气体分布不均匀，汽液间接触不好，使塔板效率降面高度差较大时，气体分布不均匀，汽液间接触不好，使塔板效率降面高度差较大时，气体分布不均匀，汽液间接触不好，使塔板效率降面高度差较大时，气体分布不均匀，汽液间接触不好，使塔板效率降低低低低本讲稿第五十四页，共六十页L=V四、回流比的影响及选用四、回流比的影响及选用 2 全回流和最少理论板数全回流和最少理论板数Nmin本讲稿第五十五页，共六十页四、回流比的影响及选用四、回流比的影响及选用D,xDW,xWF,xF本讲稿第五十六页，共六十页n n4 4 4 4）塔板安装不水平或塔板凹凸
44、不平，或升气孔分布不均，使塔板效率）塔板安装不水平或塔板凹凸不平，或升气孔分布不均，使塔板效率）塔板安装不水平或塔板凹凸不平，或升气孔分布不均，使塔板效率）塔板安装不水平或塔板凹凸不平，或升气孔分布不均，使塔板效率降低降低降低降低n n5 5 5 5）塔板上溢流装置形式：当液流量为）塔板上溢流装置形式：当液流量为）塔板上溢流装置形式：当液流量为）塔板上溢流装置形式：当液流量为110m110m110m110m3 3 3 3/h/h/h/h以下以下以下以下,采用单叶型直径，采用单叶型直径，采用单叶型直径，采用单叶型直径，当液流量为当液流量为当液流量为当液流量为110m110m110m110m3 3
45、 3 3/h/h/h/h以上，塔径在以上，塔径在以上，塔径在以上，塔径在2m2m2m2m以上时。采用双流型半径流以上时。采用双流型半径流以上时。采用双流型半径流以上时。采用双流型半径流n n6 6 6 6）被精馏物易起泡时，塔板效率降低）被精馏物易起泡时，塔板效率降低）被精馏物易起泡时，塔板效率降低）被精馏物易起泡时，塔板效率降低n n7 7 7 7）若板液体不断更新，汽液接触充分，可使塔板效率提高）若板液体不断更新，汽液接触充分，可使塔板效率提高）若板液体不断更新，汽液接触充分，可使塔板效率提高）若板液体不断更新，汽液接触充分，可使塔板效率提高n n8 8 8 8）回流比对精馏塔理论板数存在
46、影响）回流比对精馏塔理论板数存在影响）回流比对精馏塔理论板数存在影响）回流比对精馏塔理论板数存在影响影响塔板效率的因素本讲稿第五十七页，共六十页n n全回流：塔顶蒸汽全部冷凝回至塔内，此时产品量为全回流：塔顶蒸汽全部冷凝回至塔内，此时产品量为全回流：塔顶蒸汽全部冷凝回至塔内，此时产品量为全回流：塔顶蒸汽全部冷凝回至塔内，此时产品量为0 0 0 0，精馏段操作，精馏段操作，精馏段操作，精馏段操作线斜率为线斜率为线斜率为线斜率为R/R/R/R/（R+1R+1R+1R+1）=1=1=1=1，操作线和对角线重合，所需理论板数最少，操作线和对角线重合，所需理论板数最少，操作线和对角线重合，所需理论板数最
47、少，操作线和对角线重合，所需理论板数最少n n最小回流比是指操作线和平衡曲线相切的回流比。此时需无数多块理最小回流比是指操作线和平衡曲线相切的回流比。此时需无数多块理最小回流比是指操作线和平衡曲线相切的回流比。此时需无数多块理最小回流比是指操作线和平衡曲线相切的回流比。此时需无数多块理论塔板论塔板论塔板论塔板n n在操作线超过平衡曲线时，精馏操作不可能在操作线超过平衡曲线时，精馏操作不可能在操作线超过平衡曲线时，精馏操作不可能在操作线超过平衡曲线时，精馏操作不可能n n实际回流比在全回流和最小回流之间实际回流比在全回流和最小回流之间实际回流比在全回流和最小回流之间实际回流比在全回流和最小回流之
48、间n n要求：要求：要求：要求：1 1 1 1）满足蒸馏理论。）满足蒸馏理论。）满足蒸馏理论。）满足蒸馏理论。2 2 2 2）要求生产操作费用最小）要求生产操作费用最小）要求生产操作费用最小）要求生产操作费用最小n n 3 3 3 3）使设备费用最小）使设备费用最小）使设备费用最小）使设备费用最小影响塔板效率的因素本讲稿第五十八页，共六十页影响塔板效率的因素n n回流比小，塔板层数就多，设备投资就大。回流比逐渐增大，塔板层回流比小，塔板层数就多，设备投资就大。回流比逐渐增大，塔板层数相应减少，但塔内上升蒸汽量将随回流比的增大而增大，塔径需增数相应减少，但塔内上升蒸汽量将随回流比的增大而增大，塔径需增大，使操作费和维持费增加大，使操作费和维持费增加n n最小回流比公式：最小回流比公式：n n式中：式中：x xp p-成品酒精浓度成品酒精浓度,mol/L,mol/Ln n x x0 0-进料层液相中酒精浓度进料层液相中酒精浓度,mol/L,mol/Ln n y y0 0-与进料层液相相平衡的气相酒精浓度，与进料层液相相平衡的气相酒精浓度，mol/Lmol/L本讲稿第五十九页，共六十页Thank you for your join本讲稿第六十页，共六十页