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1、返回西西安安交交交交大大大大化化化化工工工工原原原原理理理理电电电电子子子子课课课课件件件件返回返回9.4.5精馏塔的操作型分析和计算精馏操作型问题中塔板数和进料位置确定，馏出液和釜液组成则通常未知，故塔内的操作线方程难以直接确定，且加料不一定在最佳位置。因此求解该类问题是常常需要试差。精馏操作型问题包括定性分析和定量计算两部分。在精馏操作型问题的定性分析中应首先判断精馏段、提馏段斜率的变化，然后再MT图上画出操作线（或者直接判断精馏段、提馏段分离能力的变化），最终确定馏出液和釜液浓度的变化，采用逐板计算或MT图解得出另一个，最后用全塔物料恒算关系来校验。1返回西西安安交交交交大大大大化化化化
2、工工工工原原原原理理理理电电电电子子子子课课课课件件件件返回返回9.4.6二元连续精馏的其他流程一、直接蒸汽加热流程直接蒸气加热流程如图（a）所示。2返回西西安安交交交交大大大大化化化化工工工工原原原原理理理理电电电电子子子子课课课课件件件件返回返回根据全塔物料衡算将上式与间接蒸汽加热的全塔物料衡算式比较得现再分析直接蒸气加热时的操作线。物料衡算方程得即另一方面，根据恒摩尔流假定，故3返回西西安安交交交交大大大大化化化化工工工工原原原原理理理理电电电电子子子子课课课课件件件件返回返回二、分凝塔和冷回流流程生产上有时采用图所示的冷凝流程：从塔顶上升的蒸气先经过一个分凝器部分冷凝，冷凝液作为回流进
3、入塔内，为冷凝的气体进入后续的全凝器继续冷凝并冷却作为产品采用。该流程实际是将蒸汽逐级冷凝，可避免冷凝器过大，同时易实现跑电回流操作。若离开分凝器的两相达到气液相平衡，则分凝器可看成是一块理论板，此时的径流相当于全塔多了一块理论板。4返回西西安安交交交交大大大大化化化化工工工工原原原原理理理理电电电电子子子子课课课课件件件件返回返回由于精流操作线是以塔内气液相负荷计算的，所以在精馏段操作线方程中回流比R（内回流比）与外回流比（即通常说的回流比）之间存在如下关系：为便于控制回流液量，生产中也常将塔顶上升蒸汽经全凝器直接冷凝、冷却至泡点以下，其中的一部分在回流入塔，这就是冷回流流程，如图所示，此时
4、回流入塔的液体量（称外回流）与塔内下降的液体量L（称内回流）不再相等，同时也不等于。设回流液温度为，塔内第一块板的温度为。由于冷回流类似于冷液加料，有5返回西西安安交交交交大大大大化化化化工工工工原原原原理理理理电电电电子子子子课课课课件件件件返回返回生产上有时需要将不同浓度的几股原料同时在一个塔内进行精馏，就是多股加料流程，通常它较很和加料效果好。图（a）是一个具有两股加料的精馏塔,图（b）给出了该流程的操作线示意图。三、多股加料和侧线出料流程6返回西西安安交交交交大大大大化化化化工工工工原原原原理理理理电电电电子子子子课课课课件件件件返回返回对该塔的操作线分析应根据塔内气液相符合分为三段来
5、进行，其中、段就是普通精馏塔的精馏段和提馏段，而第段的操作线可通过虚线范围内的物料衡算，得塔内各段气液相负荷之间满足：通常三段操作线方程的斜率存在如下关系：7返回西西安安交交交交大大大大化化化化工工工工原原原原理理理理电电电电子子子子课课课课件件件件返回返回当同时需要组成不同的两种或多种产品时，可在塔内相应塔板上侧线抽出，这就是侧线出料流程，通常侧线抽取的是饱和液体或饱和蒸气。图是一个具有单侧线出料的精馏塔，该塔的操作线也应根据塔内气液相负荷分为三段，其中、段的为普通操作线方程，而第段的操作线也可通过虚线范围内的物料恒算，得 塔内各段气液相负荷之间则满足：8返回西西安安交交交交大大大大化化化化
6、工工工工原原原原理理理理电电电电子子子子课课课课件件件件返回返回四、回收塔流程只有提馏段没有精馏段的精馏塔称为回收塔。回收塔操作的主要目的在于回收稀溶液中的轻组分，对流出液浓度的要求不高，通常它适用于物系在低浓度范围内相对挥发度较大的场合。若加料为泡点状况，则塔内的气液相负荷满足：所以提馏段操作线方程可写成如下形式图（b）给出了该流程的图解示意。9返回西西安安交交交交大大大大化化化化工工工工原原原原理理理理电电电电子子子子课课课课件件件件返回返回9.5.1水蒸气蒸馏对沸点较高或高温下易分解，且不溶于水的物系，蒸馏时可直接往釜内通入水蒸气。此操作过程中水蒸气一方面作为蒸馏的加热剂，另一方面作为夹
7、带剂将易挥发组分从塔顶带出，经冷凝分层后除去其中的水分从而得到产品。上述蒸馏方法称为水蒸气蒸馏。水蒸气蒸馏的优点是可以降低系统的沸点，从而降低蒸馏的操作温度。它不仅适用于简单蒸馏，也适用于连续精馏。如在原油炼制的常、减压蒸馏塔中，常采用从塔底通入水蒸气的方法来降低蒸馏的操作温度，并回收塔底重油中的轻组分。水蒸气蒸馏降低沸点的原理是：互不相容的液体混合物的蒸气压等于各纯组分的饱和蒸气压之和。10返回西西安安交交交交大大大大化化化化工工工工原原原原理理理理电电电电子子子子课课课课件件件件返回返回用一饱和系数对此情况作出修正：值一般在0.60.8之间，考虑到影响后作为带出剂的水汽用量为若带出的A组分
8、量为GA（质量），则水蒸气用量GW（质量）可按分压定律从沸点时的蒸气压数据计算，得即如图933所示，设某容器内装有温度为t的纯水W，然后往里面滴加少量的苯A。混合物平衡的气相总压力之和即结合蒸气压方程式，可得操作压力P下水汽蒸馏的温度（即混合液的沸点）。11返回西西安安交交交交大大大大化化化化工工工工原原原原理理理理电电电电子子子子课课课课件件件件返回返回9.5.2间歇精馏当混合液的分离要求较高而处理量不大或料液的品种和组成经常变化时，可采用如图934所示的间歇精馏流程。间歇精馏实际上是在简单蒸馏釜的上方加有一段较高的精馏段，因为它的分离作用，间歇精馏能够达到较高的分离要求。间歇精馏又称分批精
9、馏，其过程特点是：（1）它是一个不稳定的操作过程。原料液在精馏开始之前一次性投入精馏釜，随后由于精馏过程中馏出液的不断蒸出，釜液总量和所含的易挥发性含量逐渐减少，所以当釜液组成降至规定值后可一次性排料，然后开始下一批操作。（2）于普通精馏相比，间歇精馏只有精馏段，没有提留段，因此为获得同样组成的产品，间歇精馏的能耗较连续精馏大。12返回西西安安交交交交大大大大化化化化工工工工原原原原理理理理电电电电子子子子课课课课件件件件返回返回一、恒回流比操作间歇精馏的恒回流比操作是在精馏过程中一直保持回流比R不变，此时塔顶馏出液组成xD随釜液组成xW的下降而不断降低，其塔内的操作线和逐板组成变化关系如图9
10、35所示。对于理想物系有当回流比R选定后，可画出操作线，再从点至点，在操作线和平衡线之间画阶梯，就能确定全塔需要理论板数N。13返回西西安安交交交交大大大大化化化化工工工工原原原原理理理理电电电电子子子子课课课课件件件件返回返回根据物料衡算，可得从时釜液量和组成之间满足如下关系：该段时间内馏出液的平均组成为再利用上式求出，并将与规定要求的比较，若，则计算有效，否则需要重新设定从头计算。确定R后，可求得恒回流比间歇精馏时所需的总气化量为若塔釜的汽化速率为V，则每批物料的蒸馏时间为一旦R、N确定后，最后还需检验所选择是否合适，即能否满足馏出液平均组成的要求。具体方法见下：14返回西西安安交交交交大
11、大大大化化化化工工工工原原原原理理理理电电电电子子子子课课课课件件件件返回返回二、恒馏出液组成操作设计恒馏出液组成的间歇精馏时，其操作回流比R和理论塔板数N的确定较为简单。因釜液组成不断下降，而馏出液组成不变，故精馏终态时刻对塔的分离要求最高，回流比和理论板数的求取都要以该状态为基准。N确定后，各时刻的回流比R与釜液组成之间的函数关系由图936确定。若仍保持塔釜的气化速率V一定，则因恒馏出液组成操作时R不断变化，各瞬时的馏出液量液随之变化。每批物料的蒸馏时间和塔釜总气化量可通过以下方法求取。15返回西西安安交交交交大大大大化化化化工工工工原原原原理理理理电电电电子子子子课课课课件件件件返回返回
12、假设每批投料的量和组成为,某时刻之前得到的总馏出液量为，则根据全塔物料衡算有将上式对x微分得在时间段内，塔釜的汽化量应等于塔顶的蒸气量，即积分后得到处理每批物料的蒸馏时间塔釜总气化量为16返回西西安安交交交交大大大大化化化化工工工工原原原原理理理理电电电电子子子子课课课课件件件件返回返回9.5.3恒沸精馏和萃取精馏一、恒沸精馏在被分离的二元混合液中加入第三组分，该组分能与原溶液中的一个或者两个组分形成最低恒沸物，从而形成了“恒沸物纯组分”的精馏体系，恒沸物从塔顶蒸出，纯组分从塔底排出，这种形式的精馏称为恒沸精馏，其中所添加的第三个组分称为恒沸剂或者夹带剂。决定恒沸精馏可行性和经济性的关键是恒沸
13、剂的选择，对恒沸剂的要求主要有：（1）与被分离组分之一（或之三）形成最低恒沸物，其沸点与另一半从塔底排出的组分要有足够大的差别，一般要求大于100C。（2）希望能与料液中含量较少的那个组分形成恒沸物，而且夹带组分的量要尽可能高，这样夹带剂用量较少，能耗较低。（3）新形成的恒沸物要易于分离，以回收其中的夹带剂。如乙醇水恒沸精馏中静置分层的办法。（4）满足一般工业的要求，如热稳定、无毒、不腐蚀、来源容易、价格低廉等。17返回西西安安交交交交大大大大化化化化工工工工原原原原理理理理电电电电子子子子课课课课件件件件返回返回图937是以苯作为夹带剂恒沸精馏制取无水酒精的工业流程。18返回西西安安交交交交
14、大大大大化化化化工工工工原原原原理理理理电电电电子子子子课课课课件件件件返回返回二、萃取精馏在被分离的二元混合液中加入第三组分，若该组分与原溶液中A、B两组分的分子作用力不同，能有选择性地改变A、B的蒸气压，从而增大它们的相对挥发度，或打破原恒沸体系，使精馏得以进行，这种形式的精馏称为萃取精馏。其中所添加的第三组分称为萃取剂，它不与其他组分形成恒沸物，且沸点很高，精馏时从塔底排出。决定萃取精馏可行性和经济型的关键是萃取剂的选择，对萃取剂的要求主要有：（1）选择性高，加入少量萃取剂就能使原组分间的相对挥发度显著增大。（2）溶液度大，能和任何浓度的原溶液互溶，以避免分层，否则难以充分发挥萃取精馏的
15、作用。（3）挥发性小，其沸点比混合液的其他组分高得多，以保证塔顶产品的质量，也易于另一组分分离，但沸点也不能太高，否则会造成回收困难。（4）满足热稳定、无毒、部腐蚀、来源容易、价格低廉等一般工业要求。19返回西西安安交交交交大大大大化化化化工工工工原原原原理理理理电电电电子子子子课课课课件件件件返回返回一个较为典型的萃取精馏实例是以苯酚作为萃取剂分离异辛烷和甲烷的混合液。20返回西西安安交交交交大大大大化化化化工工工工原原原原理理理理电电电电子子子子课课课课件件件件返回返回三、横沸精馏与萃取精馏的比较一些物系的分离既可以用恒沸精馏，也可用萃取精馏，究竟选择何种操作方式，需要作以下考虑。恒沸精馏
16、和萃取精馏都是在被分离的混合液中加入第三组分，以提高组分间的相对挥发度，这是两者的共同点，但它们之间也存在差异：1)恒沸剂要与被分离组分形成恒沸物，而萃取剂无此要求，因此萃取剂选择的范围较恒沸剂广。2）恒沸剂从恒沸精馏塔的塔顶蒸出，而萃取剂从萃取精馏塔的塔底排出，因此一般说来恒沸精馏的热量消耗较萃取精馏塔，只有恒沸剂夹带含量较少的组分时，这一差别才会缩小。3）一定总压下恒沸物的组成、温度是恒定的，因此恒沸剂的选择的使用量有特定要求；而萃取剂的用量可在一定范围内变化，较为灵活。4）萃取剂必须从塔的上部不断加入，因此萃取精馏不适宜间歇精馏；恒沸剂既可从塔顶加入，也可于料液一起加入塔釜，因此恒沸精馏
17、能用于大规模的连续生产和试验室的间歇精馏。5）恒沸精馏的操作温度通常比萃取精馏低，故当有热敏性组分存在时，采用恒沸精馏更合适。21返回西西安安交交交交大大大大化化化化工工工工原原原原理理理理电电电电子子子子课课课课件件件件返回返回9.5.4反应精馏工业中多数情况下反应和分离这两个单元在不同的设备中单独进行，即在反应器中进行化学反应，在分离设备中实现组分间的分离。但是随着科技的发展，发应和分离结合在一个设备中的单元伴有化学反应的分离过程已日益引起人们的重视，这些过程由于反应和分离的耦合作用，使反应和分离效果都得以加强，从而使产品的质量和收率都得到了提高，除此之外它们还具有设备投资少，能耗低等一系
18、列优点。这里讲述反应和精馏耦合在一气的单元操作，称之为反应精馏。反应精馏过程在一个反应精馏塔中完成，该塔除了实现组分间的分离外，还同时伴随着化学反应。反应精馏能够用于醚化、酯化、水解、烷基化等多种过程，但由于反应精馏塔内包含反应和多组分分离等复杂的相互影响，加上过程实施时还存在着一些难点，所以目前对某些反应精馏过程的开发尚处于研究阶段。22返回西西安安交交交交大大大大化化化化工工工工原原原原理理理理电电电电子子子子课课课课件件件件返回返回图939是工业上一个典型的催化精馏过程，甲醇和异丁烯在强酸性离子交换树脂上催化反应生成甲基叔丁基醚（简写为MTBE）。23返回西西安安交交交交大大大大化化化化
19、工工工工原原原原理理理理电电电电子子子子课课课课件件件件返回返回9.6.1多元精馏的特点多元连续精馏装置通常由多个精馏塔组成，除了最后一个塔分离二元组分外，其余各个塔只能分离出一个高纯组分，因此若要实现C个组分的高纯度分离，需要C-1个精馏塔。若组分数愈多，供选择的流程方案也愈多。究竟选用何种流程，应该注意以下几个因素：（1）对热敏性组分，为减少被加热的次数，应优先分离；对有强腐蚀性的组分，为避免多个设备的腐蚀，也应优先分离。（2）对纯度要求较高的组分，最好从塔顶蒸出。（3）若存在一对较难分离的相邻组分，宜置于最后分离。（4）各组分在流程中的气化、冷凝次数应尽可能少，以降低设备的负荷和能耗。2
20、4返回西西安安交交交交大大大大化化化化工工工工原原原原理理理理电电电电子子子子课课课课件件件件返回返回如对三元物系（设按挥发度从大到小以此为A、B、C，以下同）的双塔精馏流程，可安排图940（a）、（b）两种方案（也称塔序）。25返回西西安安交交交交大大大大化化化化工工工工原原原原理理理理电电电电子子子子课课课课件件件件返回返回当物料的处理量较大，而产品的纯度要求不高时，可采用带有侧线出料的复杂塔流程。一般侧线产品的纯度不高，但使用侧线出料流程可以大大减少精馏塔的个数。如在炼油工业中，原油经精馏后按沸程从低到高依次为汽油、煤油、柴油、润滑油和重油，这些产品都是具有一定沸点范围的混合馏分，可以从
21、侧线采得。原油加工的常压蒸馏塔如图941所示，它由一个主塔和一个侧塔组成。侧塔包含三个重叠的气提塔，它们的作用是逐出侧线馏分中的低沸点组分。26返回西西安安交交交交大大大大化化化化工工工工原原原原理理理理电电电电子子子子课课课课件件件件返回返回多元精馏除流程较复杂外，多元物系的气液相平衡关系也很复杂，通常引入相平衡常数K来描述。对组分，有这样多元物系的气液相平衡关系就归结为各个组分相平衡常数的求法，多元体系中组分相对于组分的相对挥发度为对理想物系，有27返回西西安安交交交交大大大大化化化化工工工工原原原原理理理理电电电电子子子子课课课课件件件件返回返回9.6.2多元连续精馏的计算简介一、全塔物
22、料衡算在多元精馏塔中，通常吧对分离程度起决定作用而必须这种控制的组分称为关键组分，其中挥发度较大的称为轻关键组分，挥发度较小的称为重关键组分。组分的浓度不能任意规定，它们受到精馏塔分离能力的制约。多元连续精馏塔重单凭全塔物料衡算还不能确定塔顶、底的量和组成。以精馏A、B、C三元物系的精馏塔为例，全塔物料衡算关系为四个未知数馏出液量D、釜液量W、组成和不能直接计算，尚缺一个方程。为此通常采用一些假定给予补足。28返回西西安安交交交交大大大大化化化化工工工工原原原原理理理理电电电电子子子子课课课课件件件件返回返回根据补足方程的不同形式，全塔物料衡算可分为清洗分割和非清晰分割两种。1、清晰分割若选取
23、的轻、重关键组分式相邻组分，且这两个关键组分间的相对挥发度较大，其分离要求也较高，即轻、重关键组分分别在塔底、塔顶产品中的浓度较低。此时可认为比轻关键组分更轻的组分全部从塔顶馏出，而不在塔顶出现。即认为除了关键组分之外的其他组分要么完全从塔顶馏出，要么完全从塔底排出，不会在馏出液和釜液中同时出现，该方法称为清晰分割。采用该假定后能够补足全塔物料衡算中所需的方程数。2、非清晰分割若各组分间得相对挥发度不大或者选取得轻、中关键组分之间还夹有其他组分，分离要求也不是很高，那么各个组分都会在塔顶、塔底产品中出现，此时不能用清晰分割法进行计算。29返回西西安安交交交交大大大大化化化化工工工工原原原原理理
24、理理电电电电子子子子课课课课件件件件返回返回全回流操作时，馏出液和釜液得组成与最小理论板数之间得关系可近似用式得芬斯克（Fenske）方程来描述，对轻、重关键组分而言，有或写成由于同一混合物中组分的摩尔分率之比等于摩尔数之比，所以又可表示为同理，对任意组分，30返回西西安安交交交交大大大大化化化化工工工工原原原原理理理理电电电电子子子子课课课课件件件件返回返回由上面两式得由上式描述了全回流下各组分在馏出液和釜液中的分配情况。根据非清晰分割假定，任意回流比下也有上述分配关系，即后面一个等号也成立：此式就是非清晰分割法描述得任意情况下各组分在馏出液和釜液中分配的基本关系，通常称之为哼斯特别克（He
25、ngsterbeck）法。31返回西西安安交交交交大大大大化化化化工工工工原原原原理理理理电电电电子子子子课课课课件件件件返回返回多元精馏得最小回流比很难严格计算，常采用一些简化的公式进行估算。最常用得时恩德伍德（Underwood）方程，这是针对理想物系和基于恒摩尔流假定德基础上得到的，共包括以下两个方程：（994）（995）式中，为基准组分（常取重关键组分）；为进料液的液相分率。求解时，首先根据式（994）求方程的根有C个，所以若轻、重关键组分是相邻组分，则应选择满足下式的值若轻、重关键组分不是相邻组分，则先算出各个下对应的，然后取这些数的算术平均值作为最小回流比。二、捷算法求理论板数32