化工基础概论 第五章 蒸馏与精馏

5.2.3.3双组分连续精馏的全塔物料衡算
对于精馏操作过程，工艺上往往有一些分离要求，一般有以下几种形式表示： (1)规定馏出液与釜残液组成 xD 、xw。 (2)某组分在馏液中的组成和它的回收率（馏出液中易挥发组分的量与其在料液 中的量之比） 。

DxD FxF
(5-3)
(3)馏出液组成 xD 和采出率 D/F 等。
5.2.2简单蒸馏
简单蒸馏如前面图 5-2 所示，是单级间歇的蒸馏操作。原料液一次性加入蒸馏釜 1 中，加热至沸腾并使之汽化，所产生的蒸汽在冷凝—冷却器 2 中冷凝为液体， 然后进入接受器 3 中作为蒸馏产品，称馏出液。随着蒸馏的进行，蒸馏釜中残 存的液相，即釜液或残液，其中易挥发组分含量不断下降，馏出液中易挥发组 分含量亦随之降低，直到残液或馏出液的组成达到某一规定值停止蒸馏。简单 蒸馏适用于分离沸点相差较大，分离程度要求不高的溶液分离。
2、间歇精馏操作流程
如图 5-5，原料液一次性加入蒸馏釜中，在有一定程度的回流操作下进行精馏， 直到馏出液或残液的组成达到规定值而停止。排出釜内残液后再加入下一批原 料液进行蒸馏。间歇精馏适用于小批量、多品种、不同分离要求的生产。
5.2.3.3双组分连续精馏的全塔物料衡算
精馏操作可在板式塔内进行，也可在填料塔内进行，在化工生产中常见的是板 式精馏塔。通过全塔物料衡算，可以求出产品的流量、组成和进料量之间的关 系。衡算范围见图 5—6。 总物料 易挥发组分 全塔物料衡算涉及六个参数 只要已知其中四个参数，就可以求出其它两个参数。一般情况下 xF 、xD 、xw 由生产条件规定。有时要算馏出液采出率 D/F，釜残液采出率 W/F 等。如果上 式中 F，D，W 采用质量流量，相应地 xF 、xD 、xw 用质量分率即可。 F=D+W FxF=DxD+Wxw (5-1) (5-2)
5.3精馏设备
5.3.1板式塔的结构和类型
5.3.2填料塔的结构
5.3.1板式塔的结构和类型
5.3.1.1泡罩塔
5.3.1.2筛板塔 5.3.1.3浮阀塔 5.3.1.4喷射塔
5.3.1.1泡罩塔
泡罩塔是应用最早的塔型。塔板上的主要元件为泡罩，如图 5-8 所示，泡罩尺寸 一般为 80、100、150 三种，可根据塔径的大小来选择，泡罩的底部开有齿缝， 泡罩安装在升气管上，从下一块塔板上升的气体经升气管从齿缝中吹出，升气 管的顶部应高于泡罩齿缝的上沿，以防止液体从中漏下，由于有了升气管，泡 罩塔即使在很低的气速下操作，也不致于产生严重的漏液现象，因此该种塔操 作很稳定。它有完整的设计资料和部分标准；缺点是结构复杂、压降大、造价 高，逐渐被其它的塔型取代。
5.1.2蒸馏操作的分类
3、按操作压力不同，可分为加压蒸馏、常压蒸馏和减压蒸馏。 常压下为气态的混合物，可采用加压蒸馏；常压下为液态且沸点不太高（150℃ 以下）的混合物采用常压蒸馏；常压下沸点较高（150℃以上）或者热敏性混合 物（高温时易分解、聚合等）则采用减压蒸馏。 4、根据被分离混合液中的组分数目，可分为双组分蒸馏和多组分蒸馏。 被分离的混合物中只有两个组分的蒸馏称为双组分蒸馏；有三个或者更多组分 的蒸馏称为多组分蒸馏。
= vi / vj
理想溶液中，各组分的挥发度等于对应温度下的该组分的饱和蒸气压(vi= p i0 ),则 此时相对挥发度为同温度下，两个纯组分的饱和蒸气压之比：
= p i0 / p 0j
饱和蒸汽压相差越大，则相对挥发度越大，表示两个组分的挥发能力相差越大。
2、蒸馏
蒸馏是分离均相液体混合物（以下称混合液或溶液）的一种方法，它是利用混 合液中各组分，在相同的操作条件下挥发度不同这一特性为依据，使混合液中 各组分得到分离的单元操作。 混合液中较容易挥发的组分称为易挥发组分；较难挥发的组分称为难挥发组分。 如在一定的操作条件下，加热乙醇-水混合液使之沸腾，部分汽化，当形成气液 两相平衡体系时，所得的气相中乙醇浓度较液相中的乙醇浓度高，这是由于乙 醇较水容易挥发，液相中较多的乙醇被汽化并扩散进入气相的缘故。若将所得 气相冷凝为液体，则可获得一个乙醇浓度较原混合液高的溶液，原混合液因此 得到一定程度的分离。所以该混合液中乙醇为易挥发组分，水为难挥发组分。
5.1.1.2 蒸馏的应用
1、 在石油炼制中的应用 原油是多种碳氢化合物组成的液体混合物，为了使用或进一步加工的需要，在炼油厂把它分离成汽油、 煤油、柴油、重油和各种溶剂油、润滑油等多种石油产品，主要靠蒸馏装置来实现，所以一般炼油厂 都有常压蒸馏和减压蒸馏这两套装置。据统计，蒸馏设备投资占炼油厂总投资的 10%～20%左右。 2、 炼焦工业上的应用
5.2.3精馏
5.2.3.1精馏原理
5.2.3.2精馏操作流程 5.2.3.3双组分连续精馏的全塔物料衡算
5.2.3.1精馏原理
精馏实质上类似于是将多个简单蒸馏串起来使用，可以将简单蒸馏得到的汽相和液相混合 物再进一步进行蒸馏分离，从而最终得到纯度很高的易挥发物和难挥发物产品。 其原理如下：如图 5-3 所示，将原始组成为 x 的液体混合物加热至汽液共存区 T5（O 点） 时液、汽两相的组成分别为 x5 和 y5。此时若将组成为 y5 的蒸汽冷却到汽液共存区 T4，蒸 汽部分冷凝为液体，得到组成为 x4 的液相和组成为 y4 的汽相。再使组成为 y4 的蒸汽冷却 到汽液共存区 T3，就得到组成为 x3 的液相和组成为 y3 的汽相，依此类推，由图可见，y5 ＜y4＜y3＜y2＜y1，易挥发组分的含量越来越高。这样反复将汽相部分冷凝，最终在汽相得 到纯度很高的易挥发组分 B。 另外，对 x5 的液相加热到汽液共存区 T6 , 液相部分汽化，此时汽相和液相组成分别为 y6 和 x6,把组成为 x6 的液相再加热到汽液共存区 T7 ,部分汽化，则得到组成为 y7 的汽相和组 成为 x7 的液相，显然 x7＜x6＜x5。即液相组成沿液相线上升，最终得到纯度很高的难挥发 组分 A。
5.2.3.2精馏操作流程
1、连续wk.baidu.com馏操作流程
2、间歇精馏操作流程
1、连续精馏操作流程
连续精馏流程如图 5-4 所示，包括精馏塔、再沸器、冷凝器三个主要设备。原料液从塔中间某个位置 连续进入精馏塔中，塔底部溶液经再沸器一部分被汽化为蒸汽从塔底返回，剩余的残液排出塔外；塔 顶蒸汽进入冷凝器冷凝为液体后，一部分作为馏出液连续采出，另一部分作为回流液从塔顶连续返回 塔内，回流是精馏区别于简单蒸馏的标志。 通常将进料位置以上的部分称为“精馏段” ，它起着精制上升蒸汽中易挥发组分的作用，进料位置及以 下部分称为“提馏段” ，它起着提浓下降液相中难挥发组分的作用。只有同时具有精馏段和提馏段的精 馏塔才能在塔顶和塔底分别得到两个高浓度的产品。仅有提馏段或者仅有精馏段的塔只能在其一端得 到一种高纯度的产品，而在另一端得到的是一种纯度不高、仅经过粗分离的产品。 在连续精馏塔内，回流液与上升的蒸汽逆流接触，同时发生热量传递和物质传递。因而回流液体在下 降过程中被部分汽化，并将轻组分向气相传递而重组分含量逐渐增多；蒸汽在上升过程中被部分冷凝， 并将重组分向液相传递而轻组分含量逐渐增多。最终在塔顶获得较纯的轻组分，而在塔底可获得较纯 的重组分。 由此可见，只有保证一定程度的回流才是精馏操作，才能实现高度的分离效果。塔顶液相回流与塔底 蒸汽回流为塔内物质传递、热量传递提供了必需的气流和液流，保证了塔内正常的浓度分布，是精馏 操作能够稳态进行的必备条件。
3
炼焦工业产品不仅有固体焦炭，还有焦炉气和煤焦油。焦炉气中含有超过 30g/N·m 的粗苯，采用煤焦 油或轻柴油作吸收剂吸收，再解吸可得粗苯。粗苯不能直接利用，必须通过蒸馏的方法将其分离成苯、 甲苯、二甲苯、三甲苯等才能得到利用。 3、 基本有机合成工业
各种化学反应产物都是混合物，很多是液体混合物，若要得到纯净的产品，都离不开蒸馏。如裂解产 物的分离、芳烃分离，C4 分离和苯乙烯生产中的分离等等。 4、精细化工生产、高聚物生产中的单体回收等也离不开蒸馏。
5.3.1.2筛板塔
筛板塔出现略迟于泡罩塔，与泡罩塔的差别在于取消了泡罩与升气管，直接在 板上开一定数量的筛孔，如图 5-9 所示。操作时，气体高速穿过筛孔上升，与板 上的液体接触，液体不能从筛孔中流下，只能通过降液管流到下层板。筛板用 不锈钢板制成，孔的直径约为 3-8mm。筛板塔结构简单造价低、生产能力大、 板效率高、压降低，随着对其深入的研究，已成为应用最广泛的一种板式塔。
5.2.3.1精馏原理
由此可知，精馏分离的依据是液体混合物中各组分的相对挥发能力不同，对于双 组分理想溶液，把液相部分汽化，把汽相部分冷凝，就能起到在液相中浓集难挥 发组分，在汽相中浓集易挥发组分的作用。最终可以得到纯度很高的易挥发组分 和纯度很高的难挥发组分， 从而达到分离提纯的目的。 精馏是一个双向传质过程， 即易挥发组分不断地从液相转入气相， 而难挥发组分不断地从气相转入液相的过 程。 将液体混合物同时并且多次部分汽化和部分冷凝使之分离的操作称为精馏。 生产中这种多次反复进行的部分汽化和部分冷凝的过程是在精馏塔内同时进行 的。最终从塔顶得到易挥发组分 B，从塔底得到难挥发组分 A。
第五章 蒸馏与精馏
5.1蒸馏操作在化工生产中的应用
5.1.1蒸馏及其应用
5.1.2蒸馏操作的分类
5.1.1蒸馏及其应用
5.1.1.1蒸馏的概念
5.1.1.2 蒸馏的应用
5.1.1.1蒸馏的概念
1、相对挥发度
2、蒸馏 3、蒸馏与蒸发的区别
1、相对挥发度
任何单组分或多组分溶液都存在挥发现象，挥发后将形成气液两相共存体系。 在一定的条件(温度、压力)下，气液两相达平衡时(挥发与冷凝达到平衡)，某组 分在气相中的分压(pi)与其在液相中的摩尔分数(xi)之比称为该组分的挥发度： vi= pi /xi 挥发度的大小反映了该物质挥发能力的强弱。两种物质的挥发度之比称为相对 挥发度，用 表示：
3、蒸馏与蒸发的区别
蒸馏和蒸发虽然都是将混合液加热沸腾进行组分分离，但这两种操作有本质上 的区别。进行蒸发的溶液，是由可挥发的溶剂和几乎不挥发的溶质组成，加热 时，只有可挥发的物质(溶剂)被蒸发出来，蒸发后可除去一部分溶剂而增加溶质 的浓度，蒸发的产物是被浓缩了的溶液或固体溶质。而进行蒸馏的溶液，溶剂 与溶质皆具有挥发性，在蒸馏过程中二者同时变成蒸汽，其数量与各自的挥发 度相当。经蒸馏后，溶液全部或部分地分离为组分，而且在大多数情况下蒸汽 冷凝液和残留液均是产品。
5.1.2蒸馏操作的分类
1、按蒸馏操作方式不同，分为平衡蒸馏、简单蒸馏、精馏和特殊精馏。 平衡蒸馏和简单蒸馏常用于混合物中各组分挥发度相差较大，或分离要求不高 的场合。精馏是在一定的回流比下实现高纯度和高回收率的操作，其应用最广。 如果混合物中的各组分挥发度相差较小或者形成恒沸物时，则要用特殊精馏。 如恒沸精馏、萃取精馏、加盐精馏等。如果在精馏的同时又有化学反应发生则 称为反应精馏。 2、按操作流程不同，可分为间歇蒸馏和连续蒸馏。 间歇蒸馏主要应用于批量化的生产中，适用于多品种或者有某些特殊要求的场 合；连续蒸馏则作为一个生产环节，主要应用在连续化工业生产流程中，完成 特定的分离任务。间歇蒸馏是非稳态操作，而连续蒸馏是稳态操作，工业生产 中多为连续蒸馏。
5.2蒸馏方式
5.2.1平衡蒸馏
5.2.2简单蒸馏 5.2.3精馏
5.2.1平衡蒸馏
平衡蒸馏也称为闪蒸，是一种单级连续的蒸馏操作。如图 5-1 所示。混合液经预 热加压至预定温度，通过节流阀降压进入闪蒸罐。在闪蒸罐内发生部分汽化， 气相从顶部离开，而液相从底部离开。闪蒸罐内发生液体的自蒸发，离开闪蒸 罐的气、液两相互为平衡，所以称之为平衡蒸馏。平衡蒸馏适用于大批量且物 料只需粗分离的生产过程。
5.3.1.3浮阀塔
浮阀塔板，如图 5-10 所示。它是在泡罩和筛板塔基础上开发的一种新型塔板， 它取消了泡罩塔上的升气管与泡罩，改在板上开孔，孔的上方安装可以上下浮 动的阀片，即浮阀，浮阀可随上升蒸汽的流速变化而上下浮动，浮阀有三条腿， 浮阀上升的最大程度受三条腿的限制，浮阀的最小开度受到定距片的限制。当 气体负荷较大时，阀片上升而不致产生较大的阻力，当气体负荷较小时，阀片 下降而不致产生漏液。浮阀塔的特点是比较简单、阻力小、操作弹性大，板效 率高。 其主要缺点是浮阀频繁滑动，用久后易脱落和卡住。