1、精馏原理与操作要点一、引言二、精馏原理三、精馏塔分类四、精馏塔操作要点 马万里 2019年5月18日一、引言 精馏过程是一个复杂的传质传热过程，表现过程变量多，被控变量多，可操纵的变量也多和机理复杂”作为化工生产中应用最广的分离过程，精馏也是耗能较大的一种化工单元操作。二、精馏原理精馏操作迫使混合物的气、液两相在精馏塔体中作逆向流动，在互相接触过程中，液相中的轻组分逐渐转入气相，而气相中的重组分则逐渐进入液相。精馏过程本质上是一种传质过程，也伴随着传热。在恒定压力下，对单组分液体在沸腾时继续加热，其温度保持不变。但对于多组分的理想溶液来说，在恒定压力下，沸腾溶液的温度却是可变的。一般而言，在恒
2、定压力下，溶液气液相平衡与其组分有关。高沸点组分的浓度越高，溶液平衡温度越高。与纯物质的气液平衡相比较，溶液气液平衡的一个特点是：在平衡态下，气相浓度与液相浓度是不相同的。一般情况下，气相中的低沸点组分的浓度高于它在液相中的数值.对于纯组分的气液相平衡，把恒定压力下的平衡温度称为该压力下的沸点或冷凝点。但对于处在相平衡的溶液，则把平衡温度称为在该压力下某气相浓度的露点温度或对应的液相浓度的泡点温度。对于同一气相和液相来说，露点温度与泡点一般是不相等的，前者比后者高。以苯与甲苯混合液为例，若以温度为纵坐标，液相或气相中苯的浓度为横坐标，将苯一甲苯气液相平衡数据绘成曲线，可得如图1所示的温度一浓度
3、曲线图。塔顶塔底形成下高上低的温度梯度分布塔顶塔底形成下高上低的温度梯度分布梯度越大，则传质传热的过程越充分，分离效果越好梯度越大，则传质传热的过程越充分，分离效果越好 泡点：泡点：一定系统压力和液相组成下，液体混合物出现第一一定系统压力和液相组成下，液体混合物出现第一个气泡时的温度称为泡点个气泡时的温度称为泡点.露点：露点：一定系统压力和液相组成下，液体混合物加热汽化一定系统压力和液相组成下，液体混合物加热汽化全部变成饱和气相的温度称为露点。全部变成饱和气相的温度称为露点。二异丙基醚粗酚气 液平衡温度/浓度曲线在图1中。曲线1表示在一定压力下，溶液的浓度与泡点的关系，称为液相线，线上每一点均
4、代表饱和液体；曲线2表示溶液浓度与露点的关系，称为气相线，线上每一点均代表饱和蒸汽。液相线以下的区域是液相区；气相线以上，溶液全部汽化，称为过热蒸汽区；两线之间为汽、液两相共存区。节能与经济性节能与经济性 回收率：回收率：其中其中i i为轻组分，及挥发度较高的组分。为轻组分，及挥发度较高的组分。能耗产品纯度回收率的关系能耗产品纯度回收率的关系 能耗不变时，产品纯度能耗不变时，产品纯度，回收率，回收率 保证产品纯度时，能耗保证产品纯度时，能耗，回收率，回收率，但回收率增加到一，但回收率增加到一定程度时，提高的就不明显了。定程度时，提高的就不明显了。保证产品纯度的前提下，权衡回收率与能耗，选择最佳
5、的保证产品纯度的前提下，权衡回收率与能耗，选择最佳的回收率与能耗搭配，使得产量尽量多些，能耗尽量少些。回收率与能耗搭配，使得产量尽量多些，能耗尽量少些。的流量进料中组分的产品流量组分100iiRi连续精馏塔流程的典型图。1精馏塔 2再沸器 3冷凝器 4观察罩 5馏出液贮罐 6高位槽 7预热器 8残液贮罐三组分精馏典型流程图。三、精馏塔分类板式塔板式塔 筛板塔、泡罩塔、浮阀塔筛板塔、泡罩塔、浮阀塔 穿流塔、浮喷塔、浮舌塔穿流塔、浮喷塔、浮舌塔填料塔填料塔增加气液两相的接触面积增加气液两相的接触面积乱堆填料，规整填料乱堆填料，规整填料我厂酚塔内部结构图例显示槽盘式液体分布器喷射板分离板底隙端板喷射
6、罩1200CTSTCTST喷射工况：喷射工况：在塔板空间，液体以滴状在塔板空间，液体以滴状存在，液相为分散相，气存在，液相为分散相，气体为连续相；体为连续相；气液接触空间大，塔板空气液接触空间大，塔板空间利用率可达间利用率可达40-60%40-60%。CTST的特殊性能4、抗堵性能强5、具有消泡性能6、操作弹性大7、液体提升量大8、板面液面梯度影响小 主要性能1、通量大2、效率高3、板压降低塔板效率高 由于塔板空间利用率提高到40-60%，气液接触充分，液相返混小，提高了塔板的传质效率。与 浮阀塔板相比，在低负荷时高出10%，在高负荷时，高出40%。在已改造的塔中，大多将塔的处理量提高80-1
7、00%，但都确保了分离效率或提高了10%以上。四、精馏操作要点 在保证产品质量合格的前提下，在保证产品质量合格的前提下，回收率回收率最高，最高，能耗能耗最低最低 或总收益最大，或总成本最低或总收益最大，或总成本最低1 1、质量指标产品的纯度：、质量指标产品的纯度：二元组分精馏：通常只能控制其中的关键组分的浓度二元组分精馏：通常只能控制其中的关键组分的浓度 轻关键组分：挥发度较大而由塔顶镏出的关键组分轻关键组分：挥发度较大而由塔顶镏出的关键组分 重关键组分：挥发度较小而由塔底镏出的关键组分重关键组分：挥发度较小而由塔底镏出的关键组分2 2、保证平稳操作、保证平稳操作 物料平衡：物料平衡：塔顶产品
8、和塔底产品流量之和应等于进料量，塔顶产品和塔底产品流量之和应等于进料量，塔底液位、回流罐液位、各塔板持液量均保持不变。塔底液位、回流罐液位、各塔板持液量均保持不变。能量平衡：能量平衡：进料热量塔底再沸器加热量塔顶产品热量进料热量塔底再沸器加热量塔顶产品热量塔底产品热量塔顶冷凝器冷却热量热量损失塔底产品热量塔顶冷凝器冷却热量热量损失 进料、冷剂、加热剂的控制进料、冷剂、加热剂的控制物料平衡影响因素：进料流量物料平衡影响因素：进料流量 进料组成进料组成 塔顶，塔底产品采出量及组塔顶，塔底产品采出量及组能量平衡影响因素：进料温度能量平衡影响因素：进料温度 再沸器加热量再沸器加热量 冷凝器冷却量冷凝器
9、冷却量 环境温度环境温度 全塔物料平衡全塔物料平衡 对于二元精馏：对于二元精馏：F F为进料流量（为进料流量（kmol/hkmol/h）;D;D为塔顶馏出为塔顶馏出液采出量（液采出量（kmol/hkmol/h）;B;B为塔底为塔底釡釡液采出量（液采出量（kmol/hkmol/h）Z ZF F，x xD D，x xB B分别表示进料、馏出液、分别表示进料、馏出液、釡釡液中轻组分的摩尔液中轻组分的摩尔分率。分率。解得：解得：BDFBxDxFZBDFBDBFBBFDxxxZFDxxZDFx或或 表明：表明：x xD D与与x xB B之间的关系受之间的关系受F/DF/D（或（或F/BF/B）、）、Z
10、 ZF F的影响。的影响。进料在产品中的分配比一定，则顶、底两产品中轻组分进料在产品中的分配比一定，则顶、底两产品中轻组分 组成关系一定。组成关系一定。x xD D则则x xB B，反之，反之，x xB B，x xD D。例：例：Z ZF F=0.5=0.5 要求要求x xD D0.95,x0.95,xB B=0.05=0.05BDFDFDDBxxZxFBZxBFxx50.005.095.005.05.0FDZ ZF F变到变到0.4 0.4 时时8.00 FDZDFx此时必须减小此时必须减小D D才能够达到质量要求才能够达到质量要求（1 1）进料板物料平衡）进料板物料平衡提馏段各板：提馏段各
11、板：精馏段在回流液的温度为沸点的情况下精馏段在回流液的温度为沸点的情况下各板：各板：从而进料板物料平衡：从而进料板物料平衡：进料为液相，且为泡点，则：进料为液相，且为泡点，则：进料为气相，且为露点，则：进料为气相，且为露点，则：RRLLVV,FLLVVRSRS,SRsRLLFVV,SRsRLVVLFSsLLVV,F LF LR R VVR R L LS S VVS SF F，Z ZF FV VR RD D，X XD Dj jx xj jk k V VR R y y j+1j+1 L LR RV Vs s y y k k L Ls s x x k-1 k-1 L Ls sB,xB,xB B物料平
12、衡示意图物料平衡示意图（2 2）精馏段的物料平衡）精馏段的物料平衡对于冷凝器：对于冷凝器：任意塔板任意塔板j j：定义回流比：定义回流比：，则：，则：可通过回流比可通过回流比R R和再沸器蒸汽量和再沸器蒸汽量VV内部物料平衡内部物料平衡y yj+1j+1回流比回流比RR，y-xy-x斜率斜率全回流（全回流（R=R=，D=0D=0）时，）时，y yj+1 j+1=x=xj j为对角线为对角线RRLVD1111RxxRRxVDxVLyDxxLyVDjDRjRRjDjRjRDLRR1RRDLLVLRRRR精馏段操作线方程（3 3）提镏段物料平衡）提镏段物料平衡 通过改变再沸器上升蒸汽量、回流量来改变
13、内部物料平衡，通过改变再沸器上升蒸汽量、回流量来改变内部物料平衡，最终改变最终改变y yj+1j+1经过点经过点 和点和点 (,)BBx x提馏段操作线方程BSKSSKBKSKSSSxVBxVLyBxxLyVVLB11再沸器物料平衡：再沸器物料平衡：提馏段任一塔板：提馏段任一塔板：),0(BsxVB 全塔能量平衡关系全塔能量平衡关系 1 1、芬斯克、芬斯克(Fenske)(Fenske)方程方程 全回流时，由各塔板气液平衡关系可以推导出塔顶、塔底全回流时，由各塔板气液平衡关系可以推导出塔顶、塔底产品组成服从产品组成服从FenskeFenske方程方程 n n 理论塔板数理论塔板数 平均相对挥发
14、度，与温度、压力有关平均相对挥发度，与温度、压力有关 挥发度：挥发度：气相中分压和与其平衡的液相中的摩尔分率之比。气相中分压和与其平衡的液相中的摩尔分率之比。(1)(1)nDBBDXXXX AAAxPV BBBxPV 道尔顿定律：道尔顿定律：理想气体混合物的总压等于各组分气体分压之理想气体混合物的总压等于各组分气体分压之和，各组分的分压等于总压乘以该组分在混合气体中所占的和，各组分的分压等于总压乘以该组分在混合气体中所占的摩尔分率摩尔分率 AAAAAAABBBBBBBPPYYVXXXPPYYVXXX 相对挥发度：相对挥发度：BBAAPYPPYP2 2、分离度、分离度 不是全回流的一般操作条件下
15、，定义分离度：不是全回流的一般操作条件下，定义分离度：(1)(1)DBBDXXSXX)1(1sxsxxBBD)1(DDDBxsxxx(7-15)(7-15)2019/7/2533塔板上的异常操作现象塔板上的异常操作现象 漏液漏液、液泛液泛和和液沫夹带液沫夹带等，应尽等，应尽量避免异常操作现象的出现。量避免异常操作现象的出现。五五 塔板的负荷性能图塔板的负荷性能图通常由五条线组成：通常由五条线组成：漏液线（漏液线（1 1）液沫夹带线（液沫夹带线（2）液相负荷下限线（液相负荷下限线（3）液相负荷上限线（液相负荷上限线（4）液泛线（液泛线（5）材料与化学工程学院2019/7/2534操作分析操作分析
16、五条线所包围的区域称为五条线所包围的区域称为塔板的适宜操作区。塔板的适宜操作区。操作点操作点A A操作线操作线OAOA操作弹性操作弹性Vmax/VminVmax/Vmin设计时，应使操作点尽可能位于适宜操作区的中央，若操作点紧设计时，应使操作点尽可能位于适宜操作区的中央，若操作点紧靠某一条边界线，则负荷稍有波动，塔的正常操作即被破坏。靠某一条边界线，则负荷稍有波动，塔的正常操作即被破坏。3 3、约束条件、约束条件 液泛限：液泛限：气相速度过高，气相中夹带液体到上层塔板中，气相速度过高，气相中夹带液体到上层塔板中，称为称为“雾沫夹带雾沫夹带”，雾沫夹带现象严重时，液相从下层塔板倒，雾沫夹带现象严
17、重时，液相从下层塔板倒流到上层塔板，称为流到上层塔板，称为液泛液泛。气相速度的上限称为液泛限。（另。气相速度的上限称为液泛限。（另外液体量过大、溢流管堵塞等都会导致液泛）外液体量过大、溢流管堵塞等都会导致液泛）漏液限：漏液限：气相速度过低，塔板漏液，板效率下降。气相速气相速度过低，塔板漏液，板效率下降。气相速度的下限称为漏液限。度的下限称为漏液限。压力限：压力限：塔的操作压力的限制，操作压力过大，影响气液塔的操作压力的限制，操作压力过大，影响气液平衡，分离效果变差。严重时会影响安全生产。平衡，分离效果变差。严重时会影响安全生产。临界温差限：临界温差限：主要指再沸器两侧冷热流体的温度差。温差主要
18、指再沸器两侧冷热流体的温度差。温差越大，传热量越大，温差低于临界温差时，给热系数急剧下降，越大，传热量越大，温差低于临界温差时，给热系数急剧下降，不能保证正常传热。不能保证正常传热。两种极端情况1、淹塔：在精馏过程中，自某块塔板往上液体逐渐积累，以至充满部分塔段，使上升气体受阻，使气、液两相的传质传热过程不能正常进行，这就叫淹塔。2冲塔：当汽液相负荷都过大时，气体通过塔板的压降增大，会使降液管中液面高度增加，液相负荷增加时，出口堰上液面高度增加，当液体充满整个降液管时，上下塔板液体连成一片，分馏完全破坏，出现冲塔。相应原因及可采取措施一、淹塔愿因：（1）沉降管堵死。回流液无法下流。开工时铁屑、
19、焊渣等杂物，正常生产中设备腐蚀物的沉积，或者液体中的固体析出，溶液的自聚物，都易引起降液管堵塞。（2）液体量太大，使降液管超负荷。现象：淹塔时会使塔顶温度下降，回流罐液面下降，塔底液面和压力增高。措施：（1）适当降低进料量和回流量。（2）如设备故障，则停工处理。二、冲塔原因：形成塔内汽液相负荷过大的诸因素，都可引起冲塔，如进料量、塔底吹汽量、塔顶回流量过大等。现象：发生冲塔时，因塔内分馏效果变坏，破坏正常的传质传热，致使塔顶温度、压力、回流温度均上升，塔液位突然下降。处理：处理原则是降低汽液负荷，如因萃取物进料量如因含水过大造成的冲塔，则要提前排水，减小萃取物中含水量，当处理量过大时，要注意塔
20、底吹汽流量不可过大，塔顶回流应适当。三、雾沫夹带和液泛原因：分馏塔正常操作中，气液相负荷相对稳定。当气相负荷都过大时，气体通过塔板压降增大。气体在上升过程中带走各级塔盘上大量液体，致使塔顶采出物中重组分严重超标。措施：原则是同时降低气液相负荷。ShinskeyShinskey的三条准则的三条准则（1 1）当仅需要控制塔的一端产品时应当选用物料平衡方）当仅需要控制塔的一端产品时应当选用物料平衡方式来控制该产品的质量；式来控制该产品的质量；（2 2）塔两端产品流量较小者，应作为操纵变量去控制塔的）塔两端产品流量较小者，应作为操纵变量去控制塔的产品质量；产品质量；（3 3）当塔的两端产品均需按质量控
21、制时，一般对含纯产品）当塔的两端产品均需按质量控制时，一般对含纯产品较少，杂质较多的一端的质量控制选用物料平衡控制，而含较少，杂质较多的一端的质量控制选用物料平衡控制，而含纯产品较多，杂质较少的一端的质量控制选用能量平衡控制纯产品较多，杂质较少的一端的质量控制选用能量平衡控制 物料平衡控制物料平衡控制 能量平衡控制能量平衡控制 精馏塔的基本控制物料平衡控制与能量平衡控制的比较物料平衡控制与能量平衡控制的比较 回流比较高时，顶部产品量相对塔内气相和液相流量相回流比较高时，顶部产品量相对塔内气相和液相流量相比较小，宜采用物料平衡控制，同理，当塔底产品量较小比较小，宜采用物料平衡控制，同理，当塔底产品量较小时，也采用物料平衡控制。时，也采用物料平衡控制。采用物料平衡控制，具有对再沸器加热量和进料热焓等采用物料平衡控制，具有对再沸器加热量和进料热焓等能量扰动不灵敏的优点。使塔的抗干扰能力增加，减少这能量扰动不灵敏的优点。使塔的抗干扰能力增加，减少这些能量扰动对塔内部能量关系的影响。些能量扰动对塔内部能量关系的影响。谢谢
