4 精馏及板式塔-6（课件）- 《化工单元操作》同步教学（化工版）

四、 精馏及板式塔 1/9 1/13 冷凝器 普通精馏 进料系统 5个功 能区块 塔顶冷凝系统 塔底加热系统 适用场合： 混合物的高纯度分离 残液 2/13 回流 (全凝器) (间接加热形式) 再沸器 精馏段 提馏段 提馏段 精馏段 1股 1股 塔顶产品 特点： (馏出液) 1股 原料 泡点回流流程 冷液回流流程 全回流流程 有分凝器的流程 间接蒸气加热流程 直接蒸气加热流程 多股加料流程 侧线出料流程 回收塔流程 间歇精馏流程 3/13 普通精馏 冷凝器 外回流量 泡点回流 (饱和液体) 泡点回流----回流液温度 恰好等于其泡点温度。 泡点回流方式不常见，冷液回流更常见。 4/13 流程： 如图 特点： 内回流量=外回流量 内 回流量 1 、泡点回流精馏流程 常识： 塔顶产品 冷凝器 冷液回流 塔顶产品 5/13 冷凝器 冷液 回流 塔顶产品 回流方式： 位差回流 强制回流 泵 流程： 如图 特点： 内回流量>外回流量 内回流比>外回流比 冷液回流与泡点回流相比，有何优、缺点？ 优点： 冷液回流的分离效果更好。 缺点： 再沸器提供的热量更多。 6/13 冷凝器 外回流量 塔顶产品 冷液回流 冷液回流----回流液 温度低于其泡点温度。 2 、冷液回流精馏流程 思考： 内回流量 流程： 如图 为什么全回流稳定操作时，塔底不 出料，塔也不需进料？ 冷凝器(全凝器) 全回流 L 残液 W = 0 7/13 塔顶产品 D = 0 3 、全回流流程 思考： 再沸器 (2)在相同理论板数下，全回流 时的分离效果是最好的。 适用场合： (1)在精馏塔开工、停工时用； (2)测量塔效率用。 冷凝器(全凝器) 塔顶产品 全回流 L D = 0 再沸器 残液 W = 0 8/13 特点： (1)回流比R = L D → 3 、全回流流程 塔效率： ---实际传质效果与理想情况下的 传质效果的接近程度。 单板效率---每块实际板的传质效果 塔 与理论板的传质效果的 效 接近程度。 率 全塔效率---实际塔的传质效果与 理论塔的传质效果的 接近程度。  板式精馏塔的全塔效率可达50%~80%。 冷凝器(全凝器) 塔顶产品 全回流 L D = 0 再沸器 残液 W = 0 9/13 小常识： 流程： 如图 全 凝 气体 y1 塔顶产品 t 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 10/13 P 一定 t-y线 气体 t-x线 xL y1 y1 < yD yD 4 、有分凝器的精馏流程 气体yD 液体xL 分凝器相当于 一块理论板 x或y 分 凝 回流 t 器 器 分凝器相当于 一块理论板 全 凝 气体yD 液体xL 塔顶产品 11/13 特点： 分凝器相当于一块理论板。 4 、有分凝器的精馏流程 气体 y1 分 凝 回流 器 器 与全凝器流程相比，分凝器流程有何优、 缺点？ 优点： 多一块理论板 缺点： 多了一个换热器， 回流比调节不方便，也不精准。why? 气体 全凝器 气体 y1 D 回流比R = L = D 12/13 量 量 产 液 品 流 产 回 分凝器 全凝器 4 、有分凝器的精馏流程 回流液 馏出液(塔顶产品) 分凝器相当于 一块理论板 分凝器流程 全凝器流程 思考： 塔顶产品 液体 回流液 D L 分凝器 全凝器 气体 气体 y1 塔顶产品  工业上较少使用。 13/13 4 、有分凝器的精馏流程 分凝器相当于 一块理论板 小常识： 分凝器流程 回流液 液体 D D L 1/11 冷凝器(全凝器) 塔顶产品 原料 (A+水) 水蒸气 残液 2/11 流程： 如图 适用场合： 均相水溶液， 且水是难挥发组分。 5 、直接蒸气加热流程 (废水) (A) 特点： 1、塔釜的作用相当于一块理论板； 2 、与间接蒸气加热流程相比： 废水量更大 残液浓度更小 全塔物料守恒中要考虑加热 水蒸气这股物流在内 冷凝器(全凝器) 塔顶产品 原料 (A+水) tW xW 3/11 yW (废水) 5 、直接蒸气加热流程 塔釜相当于 一块理论板 (A) 水蒸气 残液 (tW) 冷凝器(全凝器) 思考： 与间接蒸气加热相比，直接蒸气加热有何优、缺点？ 优点： 1、用结构简单的塔釜鼓泡器代替 造价昂贵的再沸器； 2 、加热蒸气压力较低。 缺点： 1 、塔釜排出更多的废水； 2、塔所需的理论板数略有增多。 xW 4/11 yW (废水) 5 、直接蒸气加热流程 塔釜相当于 一块理论板 (A+水) 塔顶产品 (A) 水蒸气 残液 原料 (tW) tW 流程： 如图 适用场合： 两个浓度差别较大的料液 需要同时精馏处理。 冷凝器(全凝器) 塔顶产品 原料1 F1, xF1 原料2 F2, xF2 再沸器 残液 5/11 ‘ 、多股加料精馏流程 冷凝器(全凝器) ‘ 、多股加料精馏流程 塔顶产品 若将这两个料液混合变成一个料液， 然后再进行精馏处理，与两股分别 进料方案相比，哪个更合理呢？ 答：两股分别进料方案更合理。 F1 +F2 原料2 F2, xF2 再沸器 残液 6/11 思考： 混合原料 F1, xF1 原料1 流程： 如图 适用场合： 在一个塔中获得不同浓度的粗馏分。 一般多用于多组分的粗馏。 原料 冷凝器(全凝器) 塔顶产品 D1 , xD1 侧线出料D2 , xD2 7/11 7 、侧线出料精馏流程 残液 再沸器 冷凝器(全凝器) 流程： 如图 特点： 只有提馏段，没有精馏段， 一般不回流。 适用场合： 产品浓度比原料浓度略高时。 冷进料和热进料相比，哪个对回收塔的分离 效果更有利？ 再沸器 残液 8/11 8 、回收塔精馏流程 塔顶产品 D, xD 不回流 思考： 提馏段 原料 冷凝器(全凝器) 塔顶产品 回流 xD专 xW专 tW个 残液 9/11 流程： 如图 特点： 不稳定， 只有精馏段，没有提馏段。 适用场合： 原料每批浓度、量不定； 高纯度分离。 9 、间歇精馏流程 精馏段 恒回流比 ---塔顶产品浓度越来越低 特点： 回流比不变， 操作较为方便。 恒馏出液组成---回流比越来越大 特点： 不好操作控制， 但塔顶浓度基本 不变，能得到较 高浓度的产品。 在间歇精馏操作中，如果我们既想获得较高浓 度的产品，又想操作方便，该如何操作？ 冷凝器(全凝器) 塔顶产品 xD基本不变 回忆： 回流比越 大，对精馏分离 效果越有利。 xW tW个 残液 10/11 9 、间歇精馏流程 两种操 作方式 回流比个 思考： 在间歇精馏操作中，如果我们既想获得较高浓 度的产品，又想操作方便，该如何操作？ 恒回流比＋恒馏出液组成，交替操作： 在恒回流比下精馏一段时间， 当塔顶浓度有较明显下降后，调大回流比， 使塔顶浓度基本恢复原来的水平。 再在这个新的回流比下， 恒回流比操作一 段时间， ⅆⅆ ,如此反复。 特点： 比恒馏出液组成操作方式更易控制， 又能得到较高浓度的产品。 冷凝器(全凝器) 塔顶产品 回流 xD专 xW专 tW个 残液 11/11 9 、间歇精馏流程 思考： 1/11 简单蒸馏 闪蒸 (平衡蒸馏) 普通精馏 2/11 按操作方式分： 其他精馏 (蒸馏) 蒸 馏 精馏 水蒸气蒸馏 特殊精馏 反应精馏 水蒸气蒸馏----- 若溶液中要提取的组分基本不溶于水，而 且溶液沸点很高，或溶液具有热敏性 特殊精馏----- 溶液的相对挥发度a ＝1 ，或非常接近1 反应精馏----- 生产过程有化学反应，同时又需要对产物进行精制 …… 3/11 其他精馏 (蒸馏) 例：常压下， 水的沸点： 100℃ 苯的沸点： 80.1℃ 水-苯混合物的沸点？ 69.5℃ 水蒸气蒸馏原理： 压力P一定时，不互溶物系的沸点比其中任一纯组分的沸点均低。 4/11 水蒸气蒸馏： Why? 适用场合： 沸点较高或高温下具有热敏性， 且不溶于水的物系 如花瓣中提取精油， 松科种类植物中提取松节油， 用咖啡粉制作一杯香浓咖啡 (意式咖啡机)， 水蒸气的作用： 加热剂和夹带剂。 5/11 冷凝器 A+水蒸汽 低温水蒸气(如100℃) 水蒸气蒸馏： A层 水层 沸点 < 100。C 1、在直接蒸汽加热流程、水蒸汽蒸 馏过程中，都是直接通入水蒸汽。 这两个操作方式适用场合有何不同？ 2、水蒸汽在二者中的作用有何相同、 不同之处？ 冷凝器 水蒸气 6/11 思考： 冷凝器(全凝器) 塔顶产品 (A) 原料 (A+水) 水蒸气 残液 (废水) 直接蒸气加热流程 水蒸气蒸馏 A层 水层 A+水蒸汽 特殊精馏 ------在被分离的混合液中加入合适的第三组分， 以增大原 体系的相对挥发度，从而可以用精馏方式将它们分离。 适用场合： 相对挥发度a＝1的体系----不能用普通蒸馏进行分离 a值非常接近1的体系----很难分离 恒沸精馏 萃取精馏 7/11 特殊精馏 苯- 乙醇-水恒沸物 乙醇23.0%(mol) 水22.6% 苯55.4% 1、恒沸精馏 -----加入的第三组分与原溶液中的一个或两个组分形成 新的最低恒沸物，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，其中所添加的第三组分称为 恒沸剂或夹带剂。恒沸剂都是低沸点的物质。 8/11 加入苯后，水被 苯从塔顶全部带 出，塔底基本上 是无水乙醇。 乙醇浓度： 95.7%(wt) 或 89.5%(mol) 形成了一个新的 三元最低恒沸物 加入的第三组 分，沸点不高 例1：乙醇-水体系 特殊精馏 常压下沸点 乙醇-水恒沸物(a＝1) 78.15℃ 78.3℃ 80.1℃ 64.6℃ 乙醇 100℃ 苯 水 1、恒沸精馏 -----加入的第三组分与原溶液中的一个或两个组分形成 新的最低恒沸物，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。其中所添加的第三组分称为 恒沸剂或夹带剂。恒沸剂都是低沸点的物质。 形成了一个新的 二元最低恒沸物 难挥发组分环己烷被丙酮从塔顶全部带出， 易挥发组分苯从塔釜排出。 9/11 环己烷 苯 丙酮 环己烷-苯恒沸物(a＝1) 环己烷-丙酮恒沸物 80.8℃ 80.1℃ 56.2℃ 77℃ 53℃ 例2：环己烷-苯体系 特殊精馏 常压下沸点 沸点仅相 差0.7℃ 恒沸剂， 沸点不高 161.7℃/180℃ 2、萃取精馏 -----加入第三组分，其沸点很高，且不与原溶液中任一组 分形成恒沸物，但会增大原分离体系的相对挥发度，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，精馏 时从塔底排出。 10/11 但使原体系的二元恒沸物消失，环己烷-苯 的相对挥发度增大至2以上。 加入的第三组 分，沸点很高 例2：环己烷-苯体系 不形成了新 的恒沸物。 环己烷-苯恒沸物(a＝1) 特殊精馏 常压下沸点 沸点仅相 差0.7℃ 糠醛/苯酚 环己烷 80.8℃ 80.1℃ 77℃ 苯 例2：环己烷-苯体系 萃取精馏 这两种方法有何区别？该如何选择呢？ 11/11 环己烷 苯 丙酮 环己烷-苯恒沸物(a＝1) 环己烷-丙酮恒沸物 80.8℃ 80.1℃ 56.2℃ 77℃ 53℃ 环己烷 苯 糠醛/苯酚 80.8℃ 80.1℃ 161.7℃/180℃ 特殊精馏 思考： 常压下沸点 恒沸精馏 $$