1、精餾塔工作原理精餾塔工作原理 以及名詞解釋以及名詞解釋第一章第一章 關(guān)于精餾中常見的概念解釋關(guān)于精餾中常見的概念解釋 梵工作室： *制造一、汽液平衡 汽液平衡又稱為氣液平衡，是由汽液平衡又稱為氣液平衡，是由n n個(gè)組分個(gè)組分的混合物構(gòu)成一個(gè)封閉的系統(tǒng)的混合物構(gòu)成一個(gè)封閉的系統(tǒng)，并有氣并有氣- -液兩液兩相共存，相共存，在在一定的溫度和壓力下，兩相達(dá)到一定的溫度和壓力下，兩相達(dá)到平衡時(shí)，各組分在汽液兩相中的化學(xué)位趨于平衡時(shí)，各組分在汽液兩相中的化學(xué)位趨于相等。或運(yùn)用逸度更為方便：在混合物中相等。或運(yùn)用逸度更為方便：在混合物中i i組組分在氣相和液相中的逸度相等，稱氣液平衡。分在氣相和液相中的逸度

2、相等，稱氣液平衡。在不同的溫度、壓力和組成條件下，揮發(fā)性在不同的溫度、壓力和組成條件下，揮發(fā)性的液體混合物（或單組分物質(zhì)）與它的蒸汽的液體混合物（或單組分物質(zhì)）與它的蒸汽所構(gòu)成的汽液系統(tǒng)達(dá)到極限狀態(tài)。所構(gòu)成的汽液系統(tǒng)達(dá)到極限狀態(tài)。 此時(shí)，各組分在汽、液相間從汽相向液相和從此時(shí)，各組分在汽、液相間從汽相向液相和從液相向汽相的傳質(zhì)速度相等，傳質(zhì)的凈速度為液相向汽相的傳質(zhì)速度相等，傳質(zhì)的凈速度為零；表現(xiàn)在宏觀上即為混合物（或單組分物質(zhì)）零；表現(xiàn)在宏觀上即為混合物（或單組分物質(zhì)）在液相或汽相中其各組分的濃度恒定不變，達(dá)在液相或汽相中其各組分的濃度恒定不變，達(dá)到汽液平衡。改變系統(tǒng)的溫度、壓力或組成條到汽

3、液平衡。改變系統(tǒng)的溫度、壓力或組成條件，系統(tǒng)就會(huì)達(dá)到新的汽液平衡。氣液兩相接件，系統(tǒng)就會(huì)達(dá)到新的汽液平衡。氣液兩相接觸，氣體溶解在液體中，造成一定的溶解度；觸，氣體溶解在液體中，造成一定的溶解度；溶于液體中的氣體，作為溶質(zhì)，必然產(chǎn)生一定溶于液體中的氣體，作為溶質(zhì)，必然產(chǎn)生一定的分壓。當(dāng)溶質(zhì)產(chǎn)生的分壓和氣相中該氣體的的分壓。當(dāng)溶質(zhì)產(chǎn)生的分壓和氣相中該氣體的分壓相等時(shí)，達(dá)到氣液平衡。相平衡的建立，分壓相等時(shí)，達(dá)到氣液平衡。相平衡的建立，標(biāo)志著傳質(zhì)達(dá)到極限，吸收過(guò)程也就停止。它標(biāo)志著傳質(zhì)達(dá)到極限，吸收過(guò)程也就停止。它是控制吸收系統(tǒng)操作的一個(gè)重要因素。對(duì)于大是控制吸收系統(tǒng)操作的一個(gè)重要因素。對(duì)于大多數(shù)

4、氣體的稀溶液，氣液間的平衡關(guān)系可用亨多數(shù)氣體的稀溶液，氣液間的平衡關(guān)系可用亨利定律表示。利定律表示。 二、揮發(fā)度二、揮發(fā)度 通常用來(lái)表示某種純粹物質(zhì)通常用來(lái)表示某種純粹物質(zhì)( (液體或固體液體或固體) )在在一定溫度下蒸氣壓的大小。具有較高蒸氣壓的物一定溫度下蒸氣壓的大小。具有較高蒸氣壓的物質(zhì)稱做易揮發(fā)物；較低的稱做難揮發(fā)物。質(zhì)稱做易揮發(fā)物；較低的稱做難揮發(fā)物。 三、恒沸物三、恒沸物 恒沸物，又稱共沸物，是指兩組分或多組分恒沸物，又稱共沸物，是指兩組分或多組分的液體混合物。溫度與恒沸組成的關(guān)系，在恒定的液體混合物。溫度與恒沸組成的關(guān)系，在恒定壓力下沸騰時(shí)，其組分與沸點(diǎn)均保持不變。這實(shí)壓力下沸騰

5、時(shí)，其組分與沸點(diǎn)均保持不變。這實(shí)際是表明，此時(shí)沸騰產(chǎn)生的蒸汽與液體本身有著際是表明，此時(shí)沸騰產(chǎn)生的蒸汽與液體本身有著完全相同的組成。恒沸物是不可能通過(guò)常規(guī)的蒸完全相同的組成。恒沸物是不可能通過(guò)常規(guī)的蒸餾或分餾手段加以分離的。餾或分餾手段加以分離的。 以下為恒沸物與溫度的關(guān)系圖以下為恒沸物與溫度的關(guān)系圖四、臨界溫度 臨界溫度，使物質(zhì)由氣態(tài)變?yōu)橐簯B(tài)的最高溫度叫臨界溫度。每種物質(zhì)都有一個(gè)特定的溫度，在這個(gè)溫度以上，無(wú)論怎樣增大壓強(qiáng)，氣態(tài)物質(zhì)都不會(huì)液化，這個(gè)溫度就是臨界溫度。五、臨界壓力 臨界壓力為物質(zhì)處于臨界狀態(tài)時(shí)的壓力（壓強(qiáng)）。就是在臨界溫度時(shí)使氣體液化所需要的最小壓力。也就是液體在臨界溫度時(shí)的飽

6、和蒸氣壓。在臨界溫度和臨界壓力下，物質(zhì)的摩爾體積稱為臨界摩爾體積。 臨界溫度和臨界壓力下的狀態(tài)稱為臨界狀態(tài)。 常見各物質(zhì)臨界溫度和臨界壓力表 氣體名稱 臨界溫度 臨界壓力MPa氫 240 1.29 氧 118.56 5.04 氮 146.9 3.39 空氣 140.5 3.766 一氧化碳 140.2 3.50 二氧化碳 31.1 7.38 二氧化硫157.8 7.88 水 374.3 22.12 六、相際傳質(zhì) 兩個(gè)物相(例如氣-液相、液-固相)相互接觸時(shí)，在一相中的某組分可能越過(guò)兩相的界面?zhèn)鬟f到另一相中去的過(guò)程。 傳遞歷程：兩相接觸時(shí)，由于某物質(zhì)在兩相中的化學(xué)位不同，引起該物質(zhì)由一相向另一相

7、的質(zhì)量傳遞，這是化工生產(chǎn)中最 相際傳質(zhì) 常見的對(duì)流傳質(zhì)方式。如在精餾和吸收過(guò)程中，物質(zhì)在汽（氣）相與液相之間傳遞；在萃取過(guò)程中，物質(zhì)在兩液相之間傳遞。 吸收過(guò)程中,組分由氣(y)相主體傳遞到與之接觸的液(x)相主體的歷程分為三步(見圖)： 組分由氣相主體傳遞到氣相邊界； 組分穿過(guò)界面從氣相進(jìn)入液相； 組分由液相邊界傳遞到液相主體。相際傳質(zhì)機(jī)理至今未能完全闡明。已提出的幾種理論，主要有雙膜理論、溶質(zhì)滲透理論和表面更新理論。 七、級(jí)效率 級(jí)效率又稱塔板效率。板式塔中氣液兩相在塔板上的傳質(zhì)接近達(dá)到熱力學(xué)平衡的程度。板式塔為達(dá)到所需的氣液兩相傳質(zhì)分離要求，可由多級(jí)計(jì)算來(lái)確定。氣液兩相達(dá)到傳質(zhì)熱力學(xué)平衡

8、時(shí)的塔板數(shù)，這種塔板數(shù)稱為理論板數(shù)。實(shí)際塔板上的氣液兩相傳質(zhì)與理論板的有偏差，理論塔板數(shù)與實(shí)際塔板數(shù)之比，即為塔板效率。它的值總是小于1。級(jí)效率有全塔效率、板效率和點(diǎn)效率等幾種不同表示法。影響級(jí)效率的主要因素為物料的組成和物性，氣液兩相的流速和流動(dòng)狀態(tài)，以及塔板的結(jié)構(gòu)等。 八、等板高度 等板高度簡(jiǎn)稱：HETP HETP又稱理論板當(dāng)量高度。指填料層或噴淋塔固體顆粒移動(dòng)床的一段高度，其效果與一層理論塔板或一理論級(jí)相等。等板高度乘以分離所要求的理論板數(shù)即為所需的填料總高，或噴淋塔、移動(dòng)床的有效高。等板高度的值愈小，則塔內(nèi)這一段的傳質(zhì)效果愈佳。 影響HETP的因素有：系統(tǒng)的物性、幾何因素及操作條件。在

9、應(yīng)用時(shí)宜采取最接近客觀情況的實(shí)測(cè)值。 (1)用于精餾時(shí)，填料直徑：d=25mm時(shí)，HETP為0.46m；d=38mm時(shí)，HETP為0.66m；d=50mm時(shí)，HETP為0.9m。 (2)用于吸收時(shí)，HETP為1.51.8m。 (3)用于小塔塔徑0.6m時(shí)，HETP等于塔徑。(4)用于真空操作時(shí)，HETP在上述數(shù)據(jù)加0.1。 九、精餾 一種利用回流使液體混合物得到高純度分離的蒸餾方法，是工業(yè)上應(yīng)用最廣的液體混合物分離操作，廣泛用于石油、化工、輕工、食品、冶金等部門。 精餾操作按不同方法進(jìn)行分類。根據(jù)操作方式，可分為連續(xù)精餾和間歇精餾；根據(jù)混合物的組分?jǐn)?shù)，可分為二元精餾和多元精餾；根據(jù)是否在混合物

10、中加入影響汽液平衡的添加劑，可分為普通精餾和特殊精餾（包括萃取精餾、恒沸精餾和加鹽精餾）。若精餾過(guò)程伴有化學(xué)反應(yīng)，則稱為反應(yīng)精餾。 雙組分混合液的分離是最簡(jiǎn)單的精餾操作。典型的精餾設(shè)備是連續(xù)精餾裝置（圖1），包括精餾塔、再沸器、冷凝器等。精餾塔供汽液兩相接觸進(jìn)行相際傳質(zhì)，位于塔頂?shù)睦淠魇拐魵獾玫讲糠掷淠?部分凝液作為回流液返回塔頂,其余餾出液是塔頂產(chǎn)品。位于塔底的再沸器使液體部分汽化，蒸氣沿塔上升，余下的液體作為 塔底產(chǎn)品。進(jìn)料加在塔的中部,進(jìn)料中的液體和上塔段來(lái)的液體一起沿塔下降，進(jìn)料中的蒸氣和下塔段來(lái)的蒸氣一起沿塔上升。在整個(gè)精餾塔中，汽液兩相逆流接觸，進(jìn)行相際傳質(zhì)。液相中的易揮發(fā)組分進(jìn)

11、入汽相，汽相中的難揮發(fā)組分轉(zhuǎn)入液相。對(duì)不形成恒沸物的物系，只要設(shè)計(jì)和操作得當(dāng)，餾出液將是高純度的易揮發(fā)組分，塔底產(chǎn)物將是高純度的難揮發(fā)組分。進(jìn)料口以上的塔段，把上升蒸氣中易揮發(fā)組分進(jìn)一步提濃，稱為精餾段；進(jìn)料口以下的塔段，從下降液體中提取易揮發(fā)組分，稱為提餾段。兩段操作的結(jié)合，使液體混合物中的兩個(gè)組分較完全地分離，生產(chǎn)出所需純度的兩種產(chǎn)品。當(dāng)使n組分混合液較完全地分離而取得n個(gè)高純度單組分產(chǎn)品時(shí)， 須有n-1個(gè)塔。 精餾之所以能使液體混合物得到較完全的分離，關(guān)鍵在于回流的應(yīng)用。回流包括塔頂高濃度易揮發(fā)組分液體和塔底高濃度難揮發(fā)組分蒸氣兩者返回塔中。汽液回流形成了逆流接觸的汽液兩相，從而在塔的兩

12、端分別得到相當(dāng)純凈的單組分產(chǎn)品。塔頂回流入塔的液體量與塔頂產(chǎn)品量之比，稱為回流比，它是精餾操作的一個(gè)重要控制參數(shù)，它的變化影響精餾操作的分離效果和能耗。 十、連續(xù)精餾 連續(xù)精餾典型操作如：精餾塔供汽液兩相接觸進(jìn)行相際傳質(zhì)，位于塔頂?shù)睦淠魇拐魵獾玫讲糠掷淠?部分凝液作為回流液返回塔頂,其余餾出液是塔頂產(chǎn)品。 位于塔底的再沸器使液體部分汽化，蒸氣沿塔上升，余下的液體作為塔底產(chǎn)品。進(jìn)料加在塔的中部,進(jìn)料中的液體和上塔段來(lái)的液體一起沿塔下降,進(jìn)料中的蒸氣和下塔段來(lái)的蒸氣一起沿塔上升。在整個(gè)精餾塔中，汽液兩相逆流接觸，進(jìn)行相際傳質(zhì)。液相中的易揮發(fā)組分進(jìn)入汽相，汽相中的難揮發(fā)組分轉(zhuǎn)入液相。對(duì)不形成恒沸物

13、的物系，只要設(shè)計(jì)和操作得當(dāng)，餾出液將是高純度的易揮發(fā)組分，塔底產(chǎn)物將是高純度的難揮發(fā)組分。進(jìn)料口以上的塔段，把上升蒸氣中易揮發(fā)組分進(jìn)一步提濃，稱為精餾段；進(jìn)料口以下的塔段，從下降液體中提取易揮發(fā)組分,稱為提餾段。兩段操作的結(jié)合,使液體混合物中的兩個(gè)組分 較完全地分離，生產(chǎn)出所需純度的兩種產(chǎn)品。 十一、間歇精餾 間歇精餾過(guò)程的特點(diǎn) 當(dāng)混合液的分離要求較高而料液品種或組成經(jīng)常變化時(shí)，采用間歇精餾的操作方式比較靈活機(jī)動(dòng)。從精餾裝置看，間歇精餾與連續(xù)精餾大致相同。作間歇精餾時(shí)，料液成批投入精餾釜，逐步加熱氣化，待釜液組成降至規(guī)定值后將其一次排出。由此不難理解，間歇精餾過(guò)程具有如下特點(diǎn)。 間歇精餾為非定

14、態(tài)過(guò)程。在精餾過(guò)程中，釜液組成不斷降低。若在操作時(shí)保持回流比不變，則餾出液組成將隨之下降；反之，為使餾出液組成保持不變，則在精 餾過(guò)程中應(yīng)不斷加大回流比。為達(dá)到預(yù)定的要求，實(shí)際操作可以靈活多樣。例如，在操作初期可逐步加大回流比以維持餾出液組成大致恒定；但回流比過(guò)大，在經(jīng)濟(jì)上并不合理。故在操作后期可保持回流比不變，若所得的餾出液不符合要求，可將此部分產(chǎn)物并入下一批原料再次精餾。 此外，由于過(guò)程的非定態(tài)性，塔身積存的液體量（持液量）的多少將對(duì)精餾過(guò)程及產(chǎn)品的數(shù)量有影響。為盡量減少持液量，間歇精餾往往采用填料塔。 間歇精餾時(shí)全塔均為精餾段，沒有提餾段。因此，獲得同樣的塔頂、塔底組成的產(chǎn)品，間歇精餾的

15、能耗必大于連續(xù)精餾。 間歇精餾的設(shè)計(jì)計(jì)算方法，首先是選擇基準(zhǔn)狀態(tài)（一般以操作的始態(tài)或終態(tài)）作設(shè) 計(jì)計(jì)算，求出塔板數(shù)。然后按給定的塔板數(shù)，用操作型計(jì)算的方法，求取精餾中途其他狀態(tài)下的回流比或產(chǎn)品組成。第二章 精餾塔的分類 以及工作原理 一、板式塔 板式塔是一類用于氣液或液液系統(tǒng)的分級(jí)接觸傳質(zhì)設(shè)備，由圓筒形塔體和按一定間距水平裝置在塔內(nèi)的若干塔板組成。廣泛應(yīng)用于精餾和吸收，有些類型（如篩板塔）也用于萃取，還可作為反應(yīng)器用于氣液相反應(yīng)過(guò)程。操作時(shí)（以氣液系統(tǒng)為例），液體在重力作用下，自上而下依次流過(guò)各層塔板，至塔底排出；氣體在壓力差推動(dòng)下，自下而上依次穿過(guò)各層塔板，至塔頂排出。每塊塔板上保持著一定深

16、度的液層，氣體通過(guò)塔板分散到液層中去，進(jìn)行相際接觸傳質(zhì)。 塔板又稱塔盤，是板式塔中氣液兩相接觸傳質(zhì)的部位，決定塔的操作性能，通常主要由以下三部分組成： 氣體通道為保證氣液兩相充分接觸，塔板上均勻地開有一定數(shù)量的通道供氣體自下而上穿過(guò)板上的液層。氣體通道的形式很多，它對(duì)塔板性能有決定性影響，也是區(qū)別塔板類型的主要標(biāo)志。篩板塔塔板的氣體通道最簡(jiǎn)單，只是在塔板上均勻地開設(shè)許多小孔（通稱篩孔）,氣體穿過(guò)篩孔上升并分散到液層中（圖2）。泡罩塔塔板的氣體通道最復(fù)雜，它是在塔板上開有若干較大的圓孔，孔上接有升氣管，升氣管上覆蓋分散氣體的泡罩（圖3）。浮閥塔塔板則直接在圓孔上蓋以可浮動(dòng)的閥片,根據(jù)氣體的流量,

17、閥片自行調(diào)節(jié)開度（圖4）。 溢流堰為保證氣液兩相在塔板上形成足夠的相際傳質(zhì)表面,塔板上須保持一定深度的液層，為此,在塔板的出口端設(shè)置溢流堰。塔板上液層高度在很大程度上由堰高決定。對(duì)于大型塔板，為保證液流均布，還在塔板的進(jìn)口端設(shè)置進(jìn)口堰。 降液管液體自上層塔板流至下層塔板的通道，也是氣（汽）體與液體分離的部位。為此，降液管中必須有足夠的空間，讓液體有所需的停留時(shí)間。此外，還有一類無(wú)溢流塔板，塔板上不設(shè)降液管，僅是塊均勻開設(shè)篩孔或縫隙的圓形篩板。操作時(shí)，板上液體隨機(jī)地經(jīng)某些篩孔流下，而氣體則穿過(guò)另一些篩孔上升。無(wú)溢流塔板雖然結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，造價(jià)低廉，板面利用率高，但操作彈性太小，板效率較低，故應(yīng)用不廣。

18、 板式塔操作特性 各種塔板只有在一定的氣液流量范圍內(nèi)操作，才能保證氣液兩相有效接觸，從而得到較好的傳質(zhì)效果。可用塔板負(fù)荷性能圖(圖5)來(lái)表示塔板正常操作時(shí)氣液流量的范圍，圖中的幾條邊線所表示的氣液流量限度為：漏液線。氣體流量低于此限時(shí)，液體經(jīng)開孔大量泄漏。過(guò)量霧沫夾帶線。氣體流量高于此限時(shí)，霧沫夾帶量超過(guò)允許值，會(huì)使板效率顯著下降。液流下限線。若液體流量過(guò)小，則溢流堰上的液層高度不足，會(huì)影響液流的均勻分布，致使板效率降低。液流上限線。液體流量太大時(shí)，液體在降液管內(nèi)停留時(shí)間過(guò)短,液相夾帶的氣泡來(lái)不及分離,會(huì)造成氣相返混，板效率降低。液泛線。氣液流量超過(guò)此線時(shí)，引起降液管液泛，使塔的正常操作受到破 壞。如果塔板的正常操作范圍大，對(duì)氣液負(fù)荷變化的適應(yīng)性好，就稱這些塔板的操作彈性大。浮閥塔和泡罩塔的操作彈性較大，篩板塔稍差。這三種塔型在正常范圍內(nèi)操作的板效率大致相同。二、填料塔 填料塔是塔設(shè)備的一種。塔內(nèi)填充適當(dāng)高度的填料，以增加兩種流體間的接觸表面。例如應(yīng)用于氣體吸收時(shí)，液體由塔的上部通過(guò)分布器進(jìn)入，沿填