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1、精馏塔工作原理精馏塔工作原理 以及名词解释以及名词解释第一章第一章 关于精馏中常见的概念解释关于精馏中常见的概念解释 梵工作室： *制造一、汽液平衡 汽液平衡又称为气液平衡，是由汽液平衡又称为气液平衡，是由n个组分个组分的混合物构成一个封闭的系统的混合物构成一个封闭的系统，并有气并有气-液两液两相共存，相共存，在在一定的温度和压力下，两相达到一定的温度和压力下，两相达到平衡时，各组分在汽液两相中的化学位趋于平衡时，各组分在汽液两相中的化学位趋于相等。或运用逸度更为方便：在混合物中相等。或运用逸度更为方便：在混合物中i组组分在气相和液相中的逸度相等，称气液平衡。分在气相和液相中的逸度相等，称气液
2、平衡。在不同的温度、压力和组成条件下，挥发性在不同的温度、压力和组成条件下，挥发性的液体混合物（或单组分物质）与它的蒸汽的液体混合物（或单组分物质）与它的蒸汽所构成的汽液系统达到极限状态。所构成的汽液系统达到极限状态。 此时，各组分在汽、液相间从汽相向液相和从此时，各组分在汽、液相间从汽相向液相和从液相向汽相的传质速度相等，传质的净速度为液相向汽相的传质速度相等，传质的净速度为零；表现在宏观上即为混合物（或单组分物质）零；表现在宏观上即为混合物（或单组分物质）在液相或汽相中其各组分的浓度恒定不变，达在液相或汽相中其各组分的浓度恒定不变，达到汽液平衡。改变系统的温度、压力或组成条到汽液平衡。改变
3、系统的温度、压力或组成条件，系统就会达到新的汽液平衡。气液两相接件，系统就会达到新的汽液平衡。气液两相接触，气体溶解在液体中，造成一定的溶解度；触，气体溶解在液体中，造成一定的溶解度；溶于液体中的气体，作为溶质，必然产生一定溶于液体中的气体，作为溶质，必然产生一定的分压。当溶质产生的分压和气相中该气体的的分压。当溶质产生的分压和气相中该气体的分压相等时，达到气液平衡。相平衡的建立，分压相等时，达到气液平衡。相平衡的建立，标志着传质达到极限，吸收过程也就停止。它标志着传质达到极限，吸收过程也就停止。它是控制吸收系统操作的一个重要因素。对于大是控制吸收系统操作的一个重要因素。对于大多数气体的稀溶液
4、，气液间的平衡关系可用亨多数气体的稀溶液，气液间的平衡关系可用亨利定律表示。利定律表示。 二、挥发度二、挥发度 通常用来表示某种纯粹物质通常用来表示某种纯粹物质(液体或固体液体或固体)在在一定温度下蒸气压的大小。具有较高蒸气压的物一定温度下蒸气压的大小。具有较高蒸气压的物质称做易挥发物；较低的称做难挥发物。质称做易挥发物；较低的称做难挥发物。 三、恒沸物三、恒沸物 恒沸物，又称共沸物，是指两组分或多组分恒沸物，又称共沸物，是指两组分或多组分的液体混合物。温度与恒沸组成的关系，在恒定的液体混合物。温度与恒沸组成的关系，在恒定压力下沸腾时，其组分与沸点均保持不变。这实压力下沸腾时，其组分与沸点均保
5、持不变。这实际是表明，此时沸腾产生的蒸汽与液体本身有着际是表明，此时沸腾产生的蒸汽与液体本身有着完全相同的组成。恒沸物是不可能通过常规的蒸完全相同的组成。恒沸物是不可能通过常规的蒸馏或分馏手段加以分离的。馏或分馏手段加以分离的。 以下为恒沸物与温度的关系图以下为恒沸物与温度的关系图四、临界温度 临界温度，使物质由气态变为液态的最高温度叫临界温度。每种物质都有一个特定的温度，在这个温度以上，无论怎样增大压强，气态物质都不会液化，这个温度就是临界温度。五、临界压力 临界压力为物质处于临界状态时的压力（压强）。就是在临界温度时使气体液化所需要的最小压力。也就是液体在临界温度时的饱和蒸气压。在临界温度
6、和临界压力下，物质的摩尔体积称为临界摩尔体积。临界温度和临界压力下的状态称为临界状态。常见各物质临界温度和临界压力表气体名称 临界温度 临界压力MPa氢 240 1.29 氧 118.56 5.04 氮 146.9 3.39 空气 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、相际传质 两个物相(例如气-液相、液-固相)相互接触时，在一相中的某组分可能越过两相的界面传递到另一相中去的过程。 传递历程：两相接触时，由于某物质在两相中的化学位不同，引起该物质由一相向另一相的质量传递，这是化工生产中最
7、 相际传质 常见的对流传质方式。如在精馏和吸收过程中，物质在汽（气）相与液相之间传递；在萃取过程中，物质在两液相之间传递。 吸收过程中,组分由气(y)相主体传递到与之接触的液(x)相主体的历程分为三步(见图)：组分由气相主体传递到气相边界；组分穿过界面从气相进入液相；组分由液相边界传递到液相主体。相际传质机理至今未能完全阐明。已提出的几种理论，主要有双膜理论、溶质渗透理论和表面更新理论。 七、级效率 级效率又称塔板效率。板式塔中气液两相在塔板上的传质接近达到热力学平衡的程度。板式塔为达到所需的气液两相传质分离要求，可由多级计算来确定。气液两相达到传质热力学平衡时的塔板数，这种塔板数称为理论板数
8、。实际塔板上的气液两相传质与理论板的有偏差，理论塔板数与实际塔板数之比，即为塔板效率。它的值总是小于1。级效率有全塔效率、板效率和点效率等几种不同表示法。影响级效率的主要因素为物料的组成和物性，气液两相的流速和流动状态，以及塔板的结构等。八、等板高度 等板高度简称：HETPHETP又称理论板当量高度。指填料层或喷淋塔固体颗粒移动床的一段高度，其效果与一层理论塔板或一理论级相等。等板高度乘以分离所要求的理论板数即为所需的填料总高，或喷淋塔、移动床的有效高。等板高度的值愈小，则塔内这一段的传质效果愈佳。影响HETP的因素有：系统的物性、几何因素及操作条件。在应用时宜采取最接近客观情况的实测值。(1
9、)用于精馏时，填料直径：d=25mm时，HETP为0.46m；d=38mm时，HETP为0.66m；d=50mm时，HETP为0.9m。(2)用于吸收时，HETP为1.51.8m。(3)用于小塔塔径0.6m时，HETP等于塔径。(4)用于真空操作时，HETP在上述数据加0.1。九、精馏一种利用回流使液体混合物得到高纯度分离的蒸馏方法，是工业上应用最广的液体混合物分离操作，广泛用于石油、化工、轻工、食品、冶金等部门。精馏操作按不同方法进行分类。根据操作方式，可分为连续精馏和间歇精馏；根据混合物的组分数，可分为二元精馏和多元精馏；根据是否在混合物中加入影响汽液平衡的添加剂，可分为普通精馏和特殊精馏
10、（包括萃取精馏、恒沸精馏和加盐精馏）。若精馏过程伴有化学反应，则称为反应精馏。 双组分混合液的分离是最简单的精馏操作。典型的精馏设备是连续精馏装置（图1），包括精馏塔、再沸器、冷凝器等。精馏塔供汽液两相接触进行相际传质，位于塔顶的冷凝器使蒸气得到部分冷凝,部分凝液作为回流液返回塔顶,其余馏出液是塔顶产品。位于塔底的再沸器使液体部分汽化，蒸气沿塔上升，余下的液体作为 塔底产品。进料加在塔的中部,进料中的液体和上塔段来的液体一起沿塔下降，进料中的蒸气和下塔段来的蒸气一起沿塔上升。在整个精馏塔中，汽液两相逆流接触，进行相际传质。液相中的易挥发组分进入汽相，汽相中的难挥发组分转入液相。对不形成恒沸物的
11、物系，只要设计和操作得当，馏出液将是高纯度的易挥发组分，塔底产物将是高纯度的难挥发组分。进料口以上的塔段，把上升蒸气中易挥发组分进一步提浓，称为精馏段；进料口以下的塔段，从下降液体中提取易挥发组分，称为提馏段。两段操作的结合，使液体混合物中的两个组分较完全地分离，生产出所需纯度的两种产品。当使n组分混合液较完全地分离而取得n个高纯度单组分产品时， 须有n-1个塔。 精馏之所以能使液体混合物得到较完全的分离，关键在于回流的应用。回流包括塔顶高浓度易挥发组分液体和塔底高浓度难挥发组分蒸气两者返回塔中。汽液回流形成了逆流接触的汽液两相，从而在塔的两端分别得到相当纯净的单组分产品。塔顶回流入塔的液体量
12、与塔顶产品量之比，称为回流比，它是精馏操作的一个重要控制参数，它的变化影响精馏操作的分离效果和能耗。十、连续精馏 连续精馏典型操作如：精馏塔供汽液两相接触进行相际传质，位于塔顶的冷凝器使蒸气得到部分冷凝,部分凝液作为回流液返回塔顶,其余馏出液是塔顶产品。位于塔底的再沸器使液体部分汽化，蒸气沿塔上升，余下的液体作为塔底产品。进料加在塔的中部,进料中的液体和上塔段来的液体一起沿塔下降,进料中的蒸气和下塔段来的蒸气一起沿塔上升。在整个精馏塔中，汽液两相逆流接触，进行相际传质。液相中的易挥发组分进入汽相，汽相中的难挥发组分转入液相。对不形成恒沸物的物系，只要设计和操作得当，馏出液将是高纯度的易挥发组分
13、，塔底产物将是高纯度的难挥发组分。进料口以上的塔段，把上升蒸气中易挥发组分进一步提浓，称为精馏段；进料口以下的塔段，从下降液体中提取易挥发组分,称为提馏段。两段操作的结合,使液体混合物中的两个组分较完全地分离，生产出所需纯度的两种产品。十一、间歇精馏 间歇精馏过程的特点当混合液的分离要求较高而料液品种或组成经常变化时，采用间歇精馏的操作方式比较灵活机动。从精馏装置看，间歇精馏与连续精馏大致相同。作间歇精馏时，料液成批投入精馏釜，逐步加热气化，待釜液组成降至规定值后将其一次排出。由此不难理解，间歇精馏过程具有如下特点。 间歇精馏为非定态过程。在精馏过程中，釜液组成不断降低。若在操作时保持回流比不
14、变，则馏出液组成将随之下降；反之，为使馏出液组成保持不变，则在精馏过程中应不断加大回流比。为达到预定的要求，实际操作可以灵活多样。例如，在操作初期可逐步加大回流比以维持馏出液组成大致恒定；但回流比过大，在经济上并不合理。故在操作后期可保持回流比不变，若所得的馏出液不符合要求，可将此部分产物并入下一批原料再次精馏。此外，由于过程的非定态性，塔身积存的液体量（持液量）的多少将对精馏过程及产品的数量有影响。为尽量减少持液量，间歇精馏往往采用填料塔。 间歇精馏时全塔均为精馏段，没有提馏段。因此，获得同样的塔顶、塔底组成的产品，间歇精馏的能耗必大于连续精馏。间歇精馏的设计计算方法，首先是选择基准状态（一
15、般以操作的始态或终态）作设计计算，求出塔板数。然后按给定的塔板数，用操作型计算的方法，求取精馏中途其他状态下的回流比或产品组成。第二章 精馏塔的分类 以及工作原理一、板式塔 板式塔是一类用于气液或液液系统的分级接触传质设备，由圆筒形塔体和按一定间距水平装置在塔内的若干塔板组成。广泛应用于精馏和吸收，有些类型（如筛板塔）也用于萃取，还可作为反应器用于气液相反应过程。操作时（以气液系统为例），液体在重力作用下，自上而下依次流过各层塔板，至塔底排出；气体在压力差推动下，自下而上依次穿过各层塔板，至塔顶排出。每块塔板上保持着一定深度的液层，气体通过塔板分散到液层中去，进行相际接触传质。塔板又称塔盘，是
16、板式塔中气液两相接触传质的部位，决定塔的操作性能，通常主要由以下三部分组成： 气体通道为保证气液两相充分接触，塔板上均匀地开有一定数量的通道供气体自下而上穿过板上的液层。气体通道的形式很多，它对塔板性能有决定性影响，也是区别塔板类型的主要标志。筛板塔塔板的气体通道最简单，只是在塔板上均匀地开设许多小孔（通称筛孔）,气体穿过筛孔上升并分散到液层中（图2）。泡罩塔塔板的气体通道最复杂，它是在塔板上开有若干较大的圆孔，孔上接有升气管，升气管上覆盖分散气体的泡罩（图3）。浮阀塔塔板则直接在圆孔上盖以可浮动的阀片,根据气体的流量,阀片自行调节开度（图4）。溢流堰为保证气液两相在塔板上形成足够的相际传质表
17、面,塔板上须保持一定深度的液层，为此,在塔板的出口端设置溢流堰。塔板上液层高度在很大程度上由堰高决定。对于大型塔板，为保证液流均布，还在塔板的进口端设置进口堰。 降液管液体自上层塔板流至下层塔板的通道，也是气（汽）体与液体分离的部位。为此，降液管中必须有足够的空间，让液体有所需的停留时间。此外，还有一类无溢流塔板，塔板上不设降液管，仅是块均匀开设筛孔或缝隙的圆形筛板。操作时，板上液体随机地经某些筛孔流下，而气体则穿过另一些筛孔上升。无溢流塔板虽然结构简单，造价低廉，板面利用率高，但操作弹性太小，板效率较低，故应用不广。板式塔操作特性各种塔板只有在一定的气液流量范围内操作，才能保证气液两相有效接
18、触，从而得到较好的传质效果。可用塔板负荷性能图(图5)来表示塔板正常操作时气液流量的范围，图中的几条边线所表示的气液流量限度为：漏液线。气体流量低于此限时，液体经开孔大量泄漏。过量雾沫夹带线。气体流量高于此限时，雾沫夹带量超过允许值，会使板效率显著下降。液流下限线。若液体流量过小，则溢流堰上的液层高度不足，会影响液流的均匀分布，致使板效率降低。液流上限线。液体流量太大时，液体在降液管内停留时间过短,液相夹带的气泡来不及分离,会造成气相返混，板效率降低。液泛线。气液流量超过此线时，引起降液管液泛，使塔的正常操作受到破坏。如果塔板的正常操作范围大，对气液负荷变化的适应性好，就称这些塔板的操作弹性大
19、。浮阀塔和泡罩塔的操作弹性较大，筛板塔稍差。这三种塔型在正常范围内操作的板效率大致相同。二、填料塔 填料塔是塔设备的一种。塔内填充适当高度的填料，以增加两种流体间的接触表面。例如应用于气体吸收时，液体由塔的上部通过分布器进入，沿填料表面下降。气体则由塔的下部通过填料孔隙逆流而上，与液体密切接触而相互作用。结构较简单，检修较方便。广泛应用于气体吸收、蒸馏、萃取等操作。结构原理 填料塔是以塔内的填料作为气液两相间接触构件的传质设备。填料塔的塔身是一直立式圆筒，底部装有填料支承板，填料以乱堆或整砌的方式放置在支承板上。填料的上方安装填料压板，以防被上升气流吹动。液体从塔顶经液体分布器喷淋到填料上，并
20、沿填料表面流下。气体从塔底送入，经气体分布装置（小直径塔一般不设气体分布装置）分布后，与液体呈逆流连续通过填料层的空隙，在填料表面上，气液两相密切接触进行传质。填料塔属于连续接触式气液传质设备，两相组成沿塔高连续变化，在正常操作状态下，气相为连续相，液相为分散相。当液体沿填料层向下流动时，有逐渐向塔壁集中的趋势，使得塔壁附近的液流量逐渐增大，这种现象称为壁流。壁流效应造成气液两相在填料层。中分布不均，从而使传质效率下降。因此，当填料层较高时，需要进行分段，中间设置再分布装置。液体再分布装置包括液体收集器和液体再分布器两部分，上层填料流下的液体经液体收集器收集后，送到液体再分布器，经重新分布后喷淋到下层填料上。填料塔具有生产能力大，分离效率高，压降小，持液量小，操作弹性大等优点。填料塔也有一些不足之处，如填料造价高；当液体负荷较小时不能有效地润湿填料表面，使传质效率降低；不能直接用于有悬浮物或容易聚合的物料；对侧线进料和出料等复杂精馏不太适合等
