生物工程设备精馏.pptx

,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,第六章,蒸馏设备,1/82,概述,1.蒸馏应用,2.蒸馏分离目标和依据,3.蒸馏过程分类,4.蒸馏操作费用,2/82,2、蒸馏分离 目标和依据,目标,：对液体混合物分离，提取或回收有用组分,依据,：液体混合物中各组分挥发性差异,液体混合物：(如:酒精水溶液),挥发性大（乙醇），称为易挥发组分或轻组分（A）,挥发性小（水），称为难挥发组分或重组分（B）,3/82,间歇蒸馏,连续蒸馏,按操作方式：,普通蒸馏,特殊蒸馏,按分离难易：,4、蒸馏操作费用,4、蒸馏操作费用,主要费用：加热和冷却费用，即能耗大。,4/82,第一节 蒸馏分离提纯原理,一。酒精-水混合液相平衡,1.1,双组分溶液气液关系,1、相律分析：,组分：A、B,变量：,t,、,p,、,x,A,、,y,A,相数：气相、液相,自由度：,一定压力下:,液相（气相）组成,x,A,(,y,A,)与温度,t,存在一一对应关系气液组成之间,x,A,y,A,存在一一对应关系,5/82,一定压力下:,液相（气相）组成,x,A,(,y,A,)与温度,t,存在一一对应关系气液组成之间,x,A,y,A,存在一一对应关系,自由度,：,1、相律分析：,组分：A、B,变量：,t,、,p,、,x,A,、,y,A,相数：气相、液相,1.1,双组分溶液气液关系,6/82,p,A,，,p,B,溶液上方A、B组分分压，Pa；,p,A,0,，,p,B,0,溶液温度下纯,组分饱和蒸汽压，Pa；,x,A,，,x,B,液相中A、B组分摩尔分率。,对于理想溶液：,1.,拉乌尔定律（Raoults Law）,1.2 气液相平衡,7/82,2、道尔顿分压定律：,泡点方程,液相组成,x,与温度（泡点）关系,8/82,气相组成,y,A,与温度（露点）关系,露点方程,9/82,三个区域：液相区,气、液共存区,气相区,3、组成温度图（,t,x,y,图),两条线：气相线（露点线）,y,A,t,关系曲线,液相线（泡点线）,x,A,t,关系曲线,10/82,4、,x,y,图,对角线,y,=,x,为辅助曲线,xy,曲线上各点含有不一样温度；,平衡线离对角线越远，挥发性差异越大，物系越易分离。,11/82,5.压力,x,y,图影响,压力增加，平衡线靠近对角线，分离难度大,12/82,对于非理想溶液,含有正偏差溶液,普通正偏差：,p,A,p,A理,，,p,B,p,B理,。,乙醇水溶液相图,正偏差溶液：x=0.894，最低恒沸点，78.15,13/82,1.4酒精-水混合液相平衡,图谱解释：,非理想溶液原因：,酒精和水分子间吸引力酒精分子间吸引力,混合物分子间吸引力x1,y2x2.）所以经过连续分离，冷,凝，加热,酒精得到浓缩,2。在T-x图中交点M处蒸汽组成和液体组成相等，不能经过常规常压（大气压）蒸馏法得到无水酒精,3。若增加液相中酒精含量，会促使液面上蒸汽总压增大，即在一定压力下溶液沸点降低，酒精在蒸汽中含量比与之相平衡液相中含量要高,15/82,二。相对挥发度和挥发系数,混合液某组分挥发度:,1.挥发度,p,A、,p,B汽液平衡时，组分A,B在气相中分压；,x,A、,x,B汽液平衡时，组分A,B在液相中摩尔分率。,组分挥发度:是该物质,挥发难易程度,标志，,表示。,16/82,理想溶液则:,2.相对挥发度(以,表示),理想气体：,普通物系：,17/82,对于二元物系,：,y,B,=1-,y,A,x,B,=1-,x,A,即,相平衡方程,理想溶液：,4.平均相对挥发度,18/82,3,.,物理意义,气相中两组分组成之比是液相中两组分组成之比倍数,标志着分离难易程度,:,愈大,平衡线愈远离对角线，物系愈易分离；,=,1,无法用普通蒸馏方法分离。,19/82,挥发系数K表示物质在溶液中挥发性能强弱,K,酒,=A/Q,其中 A%-溶液沸腾时蒸汽中酒精含量（V）,Q%-混合液中酒精含量（V）,杂质：Kc=,/,其中%-气相中杂质含量,%-液相中杂质含量,在酒精蒸馏过程中，有些杂质挥发系数一直大于1，其它一些一直小于1，有些则在酒精浓度高时Kc由大于1变为小于1,挥发系数大于1,在蒸馏过程中,沿塔上升,，,不然,沿塔,下移,若挥发系数随酒精浓度升高在某一浓度时,挥发系数由大于1变成小于1,，则该组分,浓缩在,该酒精浓度,相当塔板上,20/82,简单蒸馏,1.装置,21/82,1、屡次部分汽化和屡次部分冷凝,三。酒精 精馏,缺点：,1、收率低；,2、设备重复量大，设备投资大,3、能耗大，过程有相变。,22/82,2、有回流屡次部分汽化和屡次部分冷凝,23/82,第二节 酒精蒸馏流程,一 两塔式流程,二 三塔式流程,三 多塔蒸馏,24/82,第三节 粗馏塔,作用：从发酵成熟醪中将酒精成份提取出来,要求：,1。处理能力大,2。塔板效率高,3。塔板压降低,4。操作弹性大,5。结构简单，制造成本低,6。能够满足工艺特定要求,25/82,一。粗馏塔板类型及结构,一、泡罩塔,26/82,二、筛板塔,筛板塔,主要结构,：,筛孔,提供气体上升通道；,2.溢流堰,维持塔板上一定高度液层，以确保在,塔板上气液两相有足够接触面积；,3.降液管,作为液体从上层塔板流至下层塔板通道。,27/82,28/82,3.导向筛板,29/82,4.浮阀波纹筛纹,30/82,5。斜孔塔,斜孔孔口都朝一个方向,31/82,二。粗馏塔设计和计算,1。酒精粗馏塔热量衡算和物料衡算,包含：加热蒸汽用量计算，,粗馏酒精蒸气浓度和数量确定,酒精废液排出量计算,物料衡算公式：,酒精衡算：,粗馏塔热量衡算：,其中：q,m,F,-成熟醪进料量,kg/h q,m,D,-加热蒸汽量,kg/h,q,m,W-,-酒精废液量，kg/h q,m,V,-塔顶上升粗酒精蒸气量，kg/h,q,m,V,-塔上酒精蒸汽渗漏量,kg/h w,f,-成熟醪中酒精含量，%,32/82,Ww-酒精废液中酒精含量%，w1-粗酒精蒸汽中酒精含量%,Hs-加热蒸气热焓，kJ/kg Tw-塔底酒精废液温度C,Cw-酒精废液热比容，kJ/kg,。,c h-粗酒精蒸气热焓，kj/kg,C成熟醪热比容kJ/kg,。,c T-成熟醪进塔温度,。,C,Q-热损失，kj/h,2.粗馏塔定粗酒精蒸气浓度确实定,每1000kg进料液加热至沸腾时所需热量计算公式：,式中：T1-进料板上液体沸腾温度,。,C,T-进料液温度（成熟醪进塔温度）,。,C,c-进料液（成熟醪）热比容，kJ/kg,。,c c=4.266-0.0401w,w-醪中干物质含量，%,3。塔板层数确实定（图解法）,1。计算进料热状态参数,：,=每1kg进料变为饱和蒸汽所需热量/每1kg进料气化潜热,=(h,g,-h,f,)/r=r+c(T,1,-T)/r,33/82,式中：hg-每1kg饱和蒸汽热焓，kj/kg h,f,-每1kg进料热焓，kj/kg,r-每1kg进料气化潜热，kj/kg,2）绘平衡曲线图：,在坐标纸上绘制平衡曲线y-x，并作对角线y=x,3）在图上取x=xi，在x轴上作垂直线与对角线相交于点a,4）从点a作斜率为/（-1）线,5）做提馏段操作线,6）从线与提馏段操作线交点b开始，在操作线和平衡曲线间画引阶梯，直至超出x=xw为止,7）若下端含糊不清需放大2030倍或者用下式计算从0.2%（摩尔）至xw一段所需理论塔板数n,式中：x,0,-上限酒精浓度，x,0,=0.2%（摩尔分数）,x,w,-下限酒精浓度，普通为xw=0.004%（摩尔分数）,K-酒精挥发系数 q,m,D,-加热蒸气量，kg/h,q,m.L,-溢流量，kg/h q,m,L,=q,m,F,34/82,8）实际板数：,实际板数=理论塔板数/塔板效率,4。板间距选择：,板间距随空塔蒸汽速度，料液起泡性和塔板类型而改变,5。塔径计算,式中 V-粗馏塔内上升蒸汽量,m3/s v-塔内上升蒸汽速度，m/s,-塔径,m,塔内蒸汽速度与板间距和泡沸深度相关。,蒸汽速度计算公式：,式中：HT-板间距，m Z-沸泡深度,m Z=0.5h+h3,蒸馏塔内上升蒸汽量计算公式：,式中q,m,v2,-粗馏塔内上升蒸汽量,kg/h q,m,L,-粗馏塔内溢流量,kg/h,Q,mv1,-粗馏塔顶上升蒸汽量，kg/h q,mF,-粗馏塔进醪量,kg/h,35/82,第四节 精馏塔,进料板：,原料液进入那层塔板,精馏段,：进料板以上塔段,提馏段：,进料板以下（包含进料板）塔段,连续精馏装置流程,.连续精馏装置,36/82,2、塔板作用,塔板提供了,汽液分离场所。,每一块塔板是一个,混合分离器,足够多板数,可使各组分,较完全分离,特点：,37/82,回流作用：,提供不平衡气液两相，是组成气液两相传质必要条件。,精馏主要特点就是有回流,3、精馏过程回流,回流包含：,塔顶回流液,塔底回流汽,38/82,理论板概念和衡摩尔流假设,1、理论板概念,理论板：离开塔板蒸汽和液体呈平衡塔板。,假设：,（1）、两组分摩尔汽化潜热相等；,（2）、两相接触因两相温度不一样而交,换显热可忽略不计；,（3）、塔设备保温良好，热损失能够忽略不 计。,2、恒摩尔流假设,39/82,精馏段，每层塔板上升蒸汽摩尔流量都相等，提馏段也一样。,即：V,1,=V,2,=V=常数,V,1,=V,2,=V=常数,式中：V-精馏段上升蒸汽摩尔流量，kmol/h;,V-提馏段上升蒸汽摩尔流量，kmol/h。,（1）恒摩尔汽化,40/82,精馏段内，每层塔板下降液体摩尔流量都相等，提馏段也一样。,即：L,1,=L,2,=,L=常数,L,1,=L,2,=,L=常数,式中：,L-精馏段下降液体摩尔流量，kmol/h;,L-提馏段下降液体摩尔流量，kmol/h。,（下标1、2,表示自上而下塔板序号。）,（2）恒摩尔溢流,41/82,一 精馏塔塔板类型和结构,一 浮阀塔板,分盘式和条式两种,二 筛板塔板,42/82,二 精馏塔设计和计算,1。影响精馏原因,1）恒摩尔汽化提馏段和精馏段每一段上升蒸汽摩尔数都是相等,2）恒摩尔溢流，在提馏段和精馏段内每一段上下降液体摩尔数相等,3）最上层塔板上升蒸汽进入冷凝器中全部冷凝,4）采取间接蒸气加热,43/82,塔顶采出率,塔底采出率,2。精馏段操作线方程,1 全塔物料衡算,F,、,D,、,W,kmol/h,x,F、,x,D、,x,W,摩尔分率,塔顶易挥发组分回收率,塔底难挥发组分回收率,F,x,F,D,x,D,W,x,W,44/82,2。精馏塔热量衡算,热量衡算公式：,式中：If，Is，Ig，Iv，IP，Ip,Iw-为对应物料热焓，kj/kg,q-热损失，kj/h,精馏段操作方程：,式中 yn+1-n+1层上升蒸汽中酒,精摩尔浓度,xn-n层下降回流液中酒精,摩尔浓度,xp-成品酒精摩尔浓度,Ri-回流比,Q,F,Q,D,Q,W,Qc,Q,Q,v,Q,R,Q,B,45/82,3 精馏段操作线方程,令 ,回流比,精馏段操作线方程,46/82,截距:,精馏段操作线:,当R,D,x,D,为一定值时,该操作线为一直线.,斜率:,y,x,x,D,操作线为过点（,x,D,，,x,D,）,画操作线过程以下:,47/82,4 提馏段操作线方程,提馏段操作线方程,48/82,操作线实际做法,49/82,4 进料热情况影响,(1)冷液,(2)饱和液体（泡点进料）,(3)气液混合,(4)饱和蒸汽（露点进料）,(5)过热蒸汽,50/82,F,L,V,L,V,冷液进料,泡点进料,F,L,V,L,V,F,qF,(1-,q,),F,L,V,L,V,汽液混合进料,51/82,F,L,V,L,V,过热蒸汽进料,F,L,V,L,V,饱和蒸汽进料,52/82,加料板F,F,x,F,h,F,L h,F-1,V H,F,L h,F,V H,F+1,1、加料板物料衡算,Fh,F,+Lh,F-1,+VH,F+1,=VH,F,+Lh,F,物料恒算：,F+V+L=V+L,2、热量衡算,式中：,H，h，h,F,-分别为饱和蒸汽、饱和液体、原料液摩尔焓KJ/kmol；,53/82,H,F,=H,F+1,=H,=原料在饱和蒸汽状态下摩尔焓,h,F,=h,F-1,=h,原料在饱和液体状态下摩尔焓,假设：,令 q=,q,进料热情况参数,54/82,5 进料方程（q线方程）,q线方程或进料方程,55/82,56/82,精馏操作分离要求：,（1）,D,x,D,(,W,x,W,)；,（2）,x,D,x,W,；,（3）,选择条件：,操作压力p，回流比R，进料热状态q。,确定：塔板数N,57/82,5.1理论塔板数计算,1.逐板计算法,x,n,y,n,符合平衡关系；,y,n+1,x,n,符合操作关系。,塔顶设全凝器，泡点回流。,塔顶全凝器,精馏段（n-1）块板，第n块为加料板。,精馏段：,F,x,F,D,x,D,W,x,W,y,W,m-1,1,2,n,x,1,x,2,x,n,x,m-1,y,2,y,1,y,m-1,58/82,提馏段：,提馏段（m-1）块板,2.图解法,59/82,60/82,3.最优加料位置确实定,加料过晚,加料过早,最优加料板位置,：,61/82,5.2 回流比影响与选择,1.回流比对精馏操作影响,62/82,63/82,6.影响塔板效率原因,1）塔板间距：对一定蒸汽速度而言，塔板间距太小，易产生雾沫夹带现象，使塔板效率降低。但塔板间距过大时，若适当提升上升蒸汽速度，又会使整个塔板高度增加,2）板上液层深度：液层太低，汽液接触时间很短或者根本没有接触就离开，将产生跑气现象。而液层太深而蒸汽速度不够大，液体可从升气孔渗漏流下，使塔板效率降低,3）水力梯度（板上液面落差）影响：,当水力梯度较大时，当塔板上靠近受液区侧和靠近溢流区侧板上液面高度差较大时，气体分布不均匀，汽液间接触不好，使塔板效率降低,64/82,4）塔板安装不水平或塔板凹凸不平，或升气孔分布不均，使塔板效率降低,5）塔板上溢流装置形式：当液流量为110m,3,/h以下,采取单叶型直径，当液流量为110m,3,/h以上，塔径在2m以上时。采取双流型半径流,6）被精馏物易起泡时，塔板效率降低,7）若板液体不停更新，汽液接触充分，可使塔板效率提升,8）回流比对精馏塔理论板数存在影响,6.影响塔板效率原因,65/82,全回流：塔顶蒸汽全部冷凝回至塔内，此时产品量为0，回流比R=，精馏段操作线斜率为R/（R+1）=1，操作线和对角线重合，所需理论板数最少,最小回流比是指操作线和平衡曲线相切回流比。此时需无数多块理论塔板,在操作线超出平衡曲线时，精馏操作不可能,实际回流比在全回流和最小回流之间,要求：1）满足蒸馏理论。2）要求生产操作费用最小,3）使设备费用最小,6.影响塔板效率原因,66/82,6.影响塔板效率原因,回流比小，塔板层数就多，设备投资就大。回流比逐步增大，塔板层数对应降低，但塔内上升蒸汽量将随回流比增大而增大，塔径需增大，使操作费和维持费增加,最小回流比公式：,式中：x,p,-成品酒精浓度,mol/L,x,0,-进料层液相中酒精浓度,mol/L,y,0,-与进料层液相相平衡气相酒精浓度，mol/L,67/82,8.塔径计算,1）精馏塔上升蒸汽量Vs计算：,精馏塔上升蒸汽量以塔顶状态下计算：,式中：V,1,-塔顶上升蒸汽量,kmol/s,T-塔顶温度，K,P-塔顶压力，Pa,塔上升蒸汽量可用下式计算：,式中：R-回流比,P-成品量，kg/s,P,醛酒,-醛酒提取量，kg/s p-塔顶温度压力下蒸汽密度,kg/m,3,H,T,68/82,2.塔内蒸汽速度v确实定,塔内蒸汽速度受3个方面控制：,1）最大允许速度必须小于能引发“液泛”气速,2）蒸汽速度增大不至于引发雾沫夹带超出10%,3）确保汽液有足够接触时间,塔内上升蒸汽速度与塔板间距，塔板结构，操作条件，被蒸馏物物理化学性质以及分离程度等原因相关,浮阀塔上升蒸汽速度v计算公式：,式中：P,l,，p,v,-分别为液体气体密度,kg/m,3,c-负荷系数。与板间距，液层深度和密度相关,适宜空塔速度V是最大允许气速0.750.85倍,69/82,3）塔径D：,8。塔板布置:,1）浮阀塔板,a）鼓泡区：汽液两相接触有效区域,b）溢流区：装置溢流堰及上下降液管范围,c）安定区：溢流区和鼓泡区之间区域,d）无效区：最外一层浮阀与塔壁间区域,2）浮阀数目N：,浮阀数目普通由塔板开孔率决定，是塔板面积8%15%,式中：A,o,-浮孔总面积,m,2,D,o,-阀孔直径,m,F-1型浮阀Do=0.39m A,T,-塔板截面积,m,2,70/82,8。塔板布置:,在确定开孔率时，须先确定阀孔速度：,式中 v-适宜空塔速度,m/s v,o,-阀孔速度，常压v,o,=（v,o,）k,p,（v,o,）k,p,-阀孔临界速度，即阀孔刚才全开时阀孔气速,34gF-1型浮阀阀孔临界速度为,或采取浮阀刚才全开时动能原因F,o,来计算v,o,浮阀刚才全开时F,o,=812，式中p,v,为气相密度,kg/m,3,减压蒸馏时，v,o,=（0.80.85)(v,o,)k,p,塔内上升蒸汽量体积流量为Vo,每层塔板上阀孔数N为：,3）降液管和溢流区：,对弓形降液管，单液流型塔板堰长L,w,=0.60.8D，对于双流型则为0.50.7倍,71/82,8。塔板布置:,式中：h,w,-堰高，m h,L,-塔板上液层深度，m 普通=115mm左右,h,ow,堰上液层高度,式中 E-液体收缩系数，普通E=1 L-溢流量,m3/h,L,w,-堰长，m,溢流堰内液体停留时间：,式中：t停留时间（s）普通为35s,A,f,-溢流堰截面积,m2,H-塔板间距，m,L-溢流量，m,3,/s,溢流堰下口距下层塔板间距h,o,为：,式中v,w,-液体在堰底出口流速，0.10.5m/s,72/82,4）浮阀排列,普通以等边或等腰三角形为宜。三角形排列中又有顺排和错排两种,按正三角形排列时，浮阀中心距t为：,式中：A,o,-阀孔总面积,m,2,Do-阀孔直径，m,A,s,-塔板有效面积,m,2,为等腰三角形时：,式中：t-等腰三角形高，普通取75mm,73/82,2）斜孔塔板,1）开孔率和斜孔数：开孔率普通在9.5%14.5%,斜孔数N：,式中：A,o,-开孔面积,m,2,f,o,-每个斜孔截面积，m,2,-开孔率 A,t,-塔板截面积,m,2,2）斜孔气速v,o,式中V-塔内蒸汽上升量,m,3,/s,蒸汽经过斜孔速率常取912m/s，其动能原因Fo=1015较适当,pv-上升蒸汽平均密度，kg/m,3,3）斜孔排列：按相邻两行方向排列,4）溢流装置：单溢流，弓形溢流堰式,74/82,9。塔板上流体力学计算,1）塔板压降：,p由气体经过干板压力降p,o,和液层压力降p,L,组成,p=p,o,+p,L,p,o,计算公式：,式中 -阻力系数，普通筛板（孔径D=815mm）,=1.61.8,浮阀全开,=5.37 ，,斜孔=2.0,v,o,-阀孔速度，m/s p,v,-气相密度,kg/m,3,P,l,-液相密度,kg/m,3,g-重力加速度g=9.81（m/s,2,）,p,L,计算公式：,式中 h,l,-踏板上液层高度，m p,L,-液相密度，kg/m,3,0.5-充气系数,75/82,其中：浮阀未全开时：,干板压降主要是阀重，阀孔径，浮阀类型，阀孔速度函数,塔板压力降与气流速度，液层高度，液流强度及两相物化性质相关,降低塔板压力降主要路径是降低板压降,2）塔板泄漏,塔板泄漏随孔速增大而降低，随孔径降低而降低，随塔板上静液层高度下降而降低,泄漏点：阀孔气速低于某一值时，液体开始大量泄漏,常以10%气速泄漏液量为泄漏点,9。塔板上流体力学计算,76/82,3）雾沫夹带：,雾沫夹带指塔板上气流夹带液滴上升。,缺点：雾沫夹带量大时，塔内馏分浓度梯度降低，,影响塔板效率，非挥发性杂质也会带入成品,影响原因：气体空塔速度 板间距,控制量在 10%以下,惯用气体空塔速度与液泛时气体空塔速度比值百分数（泛点%）作为间接衡量雾沫夹带大小指标,计算公式：,泛点,泛点%应80%,式中：V-塔内气体流量,m3/s L-塔内液相流量,m3/s,pv-气相密度,kg/m3 PL-液相密度，kg/m3,9。塔板上流体力学计算,77/82,9。塔板上流体力学计算,Z-塔板上液流路径长度，m,Z=D-2Ws（D 塔径 Ws弓形溢流管宽度,m）,As-塔板有效面积。M2,As=AT-2Af（AT塔板面积，Af弓形降液管面积）,cF-气相负荷系数，CF=CFo.x x系统因数 cFo泛点气相负荷系数,雾沫夹带也可用以下经验公式计算：,式中：,当H400mm时，A=9.48X10,7,=4.36,H400mm时，A=0.59 =0.95,Hl-塔板上液层高度,mm H-塔板间距，mm,V-适宜孔塔速度,m/s uv-气体黏度,kg.s/m3,-塔板有效操作面积与塔板截面积之比，m2/m3,Pv，Pl-汽液相密度，kg/m3,-浮阀塔板，在0.60.8之间，气速大时，其值高，反之则取低值,78/82,液体沿塔板不均匀流动,79/82,9。塔板上流体力学计算,淹塔：塔板上液体经降液管降至下一层塔板上，因为各种,阻力，必须在降液管中维持一定高度液层，当阻力上升，管内液层上升，当上升到上下两层塔板上液体串通时，即液泛，淹塔,液体经降液管下降所需克服阻力为：,1）塔板压力降,hp,2）液体经过降液管阻力hd,3）塔上液层所产生阻力hc,Hd=hp+hd+hc,无进口堰时,式中：L-流体流量,m3/s Lw-堰长，m,ho-降液管下端距下一层塔板距离，m,80/82,9。塔板上流体力学计算,为预防淹塔，必须：,式中：H-塔板间距，m hw-堰高，m,10。塔板操作范围,主要受雾沫夹带和液泛影响,1）雾沫夹带-曲线1，若依据泛点率限制为80%，为曲线1,通常以雾沫夹带量为10%气体流量为上限,2）泄漏线-曲线2,3）降液管超负荷线（即液体负荷上线）-曲线3,液体在降液管内停留时间不少于5s,4）液体负荷下线-曲线4,取堰上溢流高度大于6mm时液体流量为下限,5）淹塔线（气体负荷上限线）-曲线5,81/82,Thank you for your join,82/82,