化工原理气液平衡液体精馏

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1、第7章 液体精馏7.1 概述7.2 双组分溶液的气液相平衡7.3 精馏原理7.4 双组分连续精馏的计算7.5 板式塔第7章 液体精馏27.1 概 述 化工生产过程中，常常需要将均相混合物分离为较纯净或几乎纯态的物质。对于均相物系必须要造成一个两相物系，利用原物系中各组分间某种物性的差异，而使其中某个组分（或某些组分）从一相转移到另一相，以达到分离的目的。物质在相间的转移过程称为传质过程或分离过程。化工生产中常见的传质过程有蒸馏、吸收、干燥和萃取等单元操作，常见的蒸馏方式有简单蒸馏、平衡蒸馏和精馏。当分离程度要求不高或较易分离时，可采用简单蒸馏或平衡蒸馏；当分离程度要求很高时，可采用精馏。精馏是

2、蒸馏操作中应用最广泛的一种。第7章 液体精馏37.1.1精馏操作在化工中的应用 精馏是分离液体均相混合物典型的单元操作，在化工、炼油等工业生产中应用很广，例如石油精馏可得到汽油、煤油和柴油等；液态空气精馏可得到纯的液氧和液氮等。精馏分离的依据是液体混合物中各组分的挥发性不同。精馏操作通过气、液两相的直接接触，使易挥发组分由液相向气相传递，难挥发组分由气相向液相传递，是气、液两相之间的传质过程。第7章 液体精馏47.1.2 精馏的分类工业上精馏操作可按以下方法分类：（1）操作方式：可分为间歇精馏和连续精馏。（2）物系中组分的数目：可分为双组分精馏和多组分精馏。（3）物系分离的难易：可分为精馏和特

3、殊精馏。（4）操作压强：可分为常压精馏、减压精馏和加压精馏。第7章 液体精馏57.2 双组分溶液的气液相平衡7.2.1双组分溶液的气液相平衡1 1双组分理想溶液的气液相平衡关系双组分理想溶液的气液相平衡关系 气液相平衡关系，是指溶液与其上方的蒸气达到平衡时，系统的总压、温度及各组分在气液两相中组成间的关系。理想溶液及拉乌尔定律 实验表明，理想溶液的气液平衡关系遵循拉乌尔定律。拉乌尔定律表示：当气液呈平衡时，溶液上方组分的蒸气分压与溶液中该组分的摩尔分率成正比。在一定压强下，液体混合物开始沸腾产生第一个气泡的温度，称为泡点温度（简称泡点）。严格而言，实际上理想溶液是不存在的，仅对于那些由性质极相

4、近、分子结构相似的组分所组成的溶液，例如苯-甲苯、甲醇-乙醇、烃类同系物等可视为理想溶液。第7章 液体精馏6 气液平衡相图 t-x-y图 该图表示在一定总压下，温度与气、液相组成之间的关系。在总压为101.33kPa下，苯-甲苯混合液的t-x-y图如图7-1所示。图7-1 苯-甲苯混合液的t-x-y图第7章 液体精馏7 y-x图 在一定外压下，以y为纵坐标，以x为横坐标，建立气-液相平衡图，即y-x图，图中曲线代表气液相平衡时的气相组成y与液相组成x之间的关系。图7-2为苯-甲苯混合液在外压为101.33kPa下的y-x图。如图中曲线的D点表示组成为x1的液相与组成为y1的气相互成平衡。该曲线

5、又称为平衡曲线。图7-2 苯-甲苯混合液的y-x图第7章 液体精馏82 2双组分非理想溶液的气液平衡关系双组分非理想溶液的气液平衡关系 非理想溶液可分为与理想溶液发生正偏差的溶液和负偏差的溶液。例如，乙醇-水物系是具有正偏差的非理想溶液；硝酸-水物系是具有负偏差的非理想溶液。它们的y-x图分别如图7-3和7-4所示。图7-3 乙醇-水溶液的y-x图图7-4 硝酸-水溶液的y-x图第7章 液体精馏97.2.2相对挥发度1 1 挥发度挥发度 挥发度可表示物质挥发的难易程度。纯物质的挥发度可用该物质在一定温度下的饱和蒸气压来表示。同一温度下，蒸气压愈大，表示挥发性愈大。对于混合液，因组分间的相互影响

6、，使其中各组分的蒸气压要比纯组分的蒸气压低，故混合液中组分的挥发度可用该组分在气相中平衡分压与其在液相中组成（摩尔分率）之比表示，2 2相对挥发度相对挥发度 相对挥发度，即为混合液中组分挥发度之比，用表示。第7章 液体精馏107.3 精馏原理7.3.1 精馏原理 精馏过程原理可用气液平衡相图说明，如图7-5所示。图7-5 多次部分气化和部分冷凝第7章 液体精馏11 若将组成为xF、温度低于泡点的某混合液加热到泡点以上，使其部分气化，并将气相和液相分开，则所得气相组成为y1，液相组成为x1，且y1xFx1，此时气液相量可用杠杆规则确定。若将组成为y1的气相混合物进行部分冷凝，则可得到组成为y2的

7、气相和组成为x2的液相；又若将组成为y2的气相部分冷凝，则可得到组成为y3的气相和组成为x3的液相，且y3y2y1，可见气体混合物经多次部分冷凝后，在气相中可获得高纯度的易挥发组分。同时，若将组成为x1的液相经加热器加热，使其部分气化，则可得到组成为x2的液相和组成为y2（图中未标出）的气相，再将组成为x2的液相进行部分气化，可得到组成为x3的液相和组成为y3（图中未标出）的气相，且x3x2x1，可见液体混合物经过多次部分气化，在液相中可获得高纯度的难挥发组分。第7章 液体精馏127.3.2 精馏装置的流程 典型的连续精馏流程如图7-7所示。原料液经预热后，送入精馏塔内。操作时，连续地从再沸器

8、取出部分液体作为塔底产品（釜残液），部分液体气化，产生上升蒸气，依次通过各层塔板。塔顶蒸气进入冷凝器中被全部冷凝，并将部分冷凝液借助重力作用（也可用泵送）送回塔顶作为回流液体，其余部分经冷却器（图中末画出）后被送出作为塔顶产品（馏出液）。1.精馏塔2.再沸器3.冷凝器4.回流液泵图7-6连续精馏装置流程第7章 液体精馏13 塔内气、液两相每经过一块塔板，上升蒸汽中易挥发组分和下降液相中难挥发组分分别同时得到一次提浓，因此，经过的塔板数越多，提浓程度越高。通过整个精馏过程，最终在塔顶得到高纯度的易挥发组分（塔顶馏出液），塔釜得到的基本上是难挥发组分。概括来说，每一块塔板是一个混合分离器，进入塔板

9、的气流和液流之间同时发生传质和传热过程，结果是两相各自得到提浓。塔顶蒸汽冷凝器可分为全凝器和分凝器两种。全凝器用得较多，所以通常称其为冷凝器。7.3.3塔板与回流的作用第7章 液体精馏147.4 双组分连续精馏的计算 精馏过程的计算可分为设计型和操作型两类。本章重点讨论板式塔的设计型计算。精馏过程设计型计算，通常已知原料液流量、组成及分离程度，需要计算和确定的内容有：选定操作压强和进料热状态等；确定产品流量和组成；确定精馏塔的理论板数和加料位置；选择精馏塔的类型，确定塔径、塔高和塔板结构尺寸，并进行流体力学验算；计算冷凝器和再沸器的热负荷，并确定两者的类型和尺寸。第7章 液体精馏157.4.1

10、 理论板的概念及恒摩尔流的假定1 1理论板的概念理论板的概念 所谓理论板，是指气液两相在板上充分接触混合，塔板上不存在温度差、浓度差，离开该板时气液两相达到平衡状态，即两相温度相等，组成互为平衡。2 2恒摩尔流的假定恒摩尔流的假定 恒摩尔气流 恒摩尔气流是指在精馏塔内，在没有中间加料（或出料）条件下，各层板上升蒸气的摩尔流量相等，但两段的上升蒸气摩尔流量不一定相等。恒摩尔液流 恒摩尔液流是指在精馏塔内，在没有中间加料（或出料）条件下，各层板下降液体的摩尔流量相等，但两段的下降液体摩尔流量不一定相等。第7章 液体精馏161 1全塔的物料衡算全塔的物料衡算 对图7-8所示的间接蒸汽加热的连续精馏塔

11、作全塔物料衡算，并以单位时间为基准，图7-7 精馏塔的物料衡算7.4.2 物料衡算操作线方程第7章 液体精馏17则总物料 F=D+W （7-12）易挥发组分 FxF=DxD+WxW （7-12a）式中 F原料液流量（kmol/s）；D塔顶产品（馏出液）流量（kmol/s）；W塔底产品（釜残液）流量（kmol/s）；xF原料液中易挥发组分的摩尔分率；xD馏出液中易挥发组分的摩尔分率；xW釜残液中易挥发组分的摩尔分率。第7章 液体精馏182 2精馏段的物料衡算精馏段的物料衡算 按图7-8虚线范围（包括精馏段第n+1层塔板以上塔段和冷凝器）作物料衡算，以单位时间为基准，即总物料 易挥发组分 DLVD

12、nnDxLxVy1（7-15a）（7-15）式中 xn精馏段中任意第n层板下降液体中易挥发组分的 摩尔分率；yn+1精馏段中任意第n+1层板上升蒸气中易挥发组分的摩尔分率。第7章 液体精馏19图7-8 精馏段操作线方程的推导第7章 液体精馏20将式7-15代入式7-15a，并整理得：若将上式等号右边的两项的分子和分母同时除以D，可得：令L/D=R，代入上式得：式中R称为回流比，它是精馏操作的重要参数之一。其值一般由设计者选定。R值的确定将在后面讨论。DnnxDLDxDLLy1DnnxDLxDLDLy1/11/1DnnxRxRRy1111（7-16）（7-17）第7章 液体精馏21图7-10 精

13、馏塔的操作线 式7-16和式7-17称为精馏段操作线方程。此二式表示在一定操作条件下，精馏段内自任意第n层板下降的液相组成xn与其相邻的下一层板（如第n+1层板）上升蒸气气相组成yn+1之间的关系。该式在x-y直角坐标图上为直线，其斜率为R/（R+1），截距为xD/（R+1），如图7-10中直线ab。第7章 液体精馏227-9 提馏段操作线方程的推导3 3提馏段的物料衡算提馏段的物料衡算 按图7-10虚线范围（包括提馏段第m层板以下塔段及再沸器）作物料衡算，以单位时间为基准，第7章 液体精馏23即总物料 （7-18）易挥发组 （7-18a）式中 提馏段第m层板下降液体中易挥发组分的摩尔分率；提

14、馏段第m+1层板上升蒸气中易挥发组分的摩尔分率。将式（7-18）代入式（7-18a），并整理可得：式（7-19）称为提馏段操作线方程式。此式表示在一定操作条件下，提馏段内自任意第m层板下降液体组成与其相邻的下一层板（第m+1层）上升蒸气组成之间的关系。根据恒摩尔流的假定，L为定值，且在稳定操作时，W和xW也为定值，故式（7-19）在x-y图上也是直线，如图7-10直线cd。（7-19）WmmxWLWxWLLy/1WmmWxyVxL1WVLmx1my第7章 液体精馏247.4.3 进料热状态对操作线的影响1 1进料热状态进料热状态 在生产中，加入精馏塔中的原料可能有以下五种热状态：（1）冷液体进

15、料，原料温度为低于泡点的冷液体；（2）饱和液体进料，原料温度为泡点的饱和液体，又称泡点进料；（3）气、液混合物进料，原料温度介于泡点和露点之间的气、液混合物；（4）饱和蒸汽进料，原料温度为露点的饱和蒸汽，又称露点进料；（5）过热蒸汽进料，原料温度为高于露点的过热蒸汽。第7章 液体精馏252.2.进料热状态参数进料热状态参数 进料板的物料衡算与热量衡算对图7-11所示的进料板分别作物料衡算及热量衡算，即F+V+L=V+L FIF+VIV+LIL=VIV+LIL 由于与进料板相邻的上下板的温度及气液相组成各自都很相近，故有：IVIV ILIL（7-20）（7-20a）式中 IF原料液的焓（kJ/k

16、mol）；IV，IV分别为进料板上、下处饱和蒸气的焓（kJ/kmol）；IL，IL分别为进料板上、下处饱和液体的焓（kJ/kmol）。第7章 液体精馏26图7-11进料板上的物料衡算和热量衡算第7章 液体精馏27 将上述关系代入式（7-20a），联解式（7-20）和（7-20a）可得 （7-21）令 （7-21a）q称为进料热状态参数。对各种进料热状态，可用式（7-21a）计算q值。根据式（7-21）和（7-20）可得：L=L+qF （7-22）V=V+(q-1)F （7-23）式（7-22）和（7-23）表示在精馏塔内精馏段和提馏段的气液相流量与进料量及进料热状态参数之间的基本关系。LVFV

17、IIIIFLL热原料液的千摩尔气化潜热量原料变为饱和蒸气所需将 kmolIIIIqLVFV1第7章 液体精馏28（2）各种进料状态下的q值 冷液体进料 因为原料液温度低于其泡点温度，故IFIL，则由式（7-21a）知q1 由图7-12(a)可见，提馏段内下降液体流量L包括三部分：精馏段下降的液体流量L；原料液流量F；为将原料液加热到板上泡点温度必然会有部分自提馏段上升的蒸气被冷凝下来，冷凝液量也成为L的一部分。故 LL+F VV第7章 液体精馏29饱和液体进料 由于原料液的温度与板上液体的温度相近，故IF=IL，则由式（7-21a）知q=1 由图7-12(b)可见，由于原料液的温度与板上液体的

18、温度相近，因此原料液全部进入提馏段，作为提馏段的下降液体，而两段的上升蒸气流量则相等，即L=L+F V=V第7章 液体精馏30气、液混合物进料 因进料中已有一部分汽化，ILIFIV,则由式（7-21a）知0q1 由图7-12(c)可见，因进料中液相部分成为L的一部分，而蒸气部分则成为V的一部分，即LLL+F VV第7章 液体精馏31饱和蒸汽进料 因IF=IV，则由式（7-21a）知q=0 由图7-12(d)可见，整个进料变为V的一部分，两段的液体流量则相等，即：L=L V=V+F第7章 液体精馏32过热蒸气进料 因IFIV，则由式（7-21a）知q0 由图7-12(e)可见，精馏段上升蒸气流量

19、V包括以下三部分：提馏段上升蒸气流量V；原料液流量F；为将进料温度降至板上泡点温度，必然会有一部分来自精馏段的下降液体被汽化，汽化的蒸气量也成为V的一部分。故 LL VV+F第7章 液体精馏33图7-12 进料热状态对进料板上、下各流量的影响第7章 液体精馏34 若将式（7-22）代入（7-19），则提馏段操作线方程可改写为 对一定的操作条件而言，式（7-24）中的L、F、W、xW及q为已知值或易于求得的值。WmmxWqFLWxWqFLqFLy1（7-24）第7章 液体精馏353.3.进料方程（或进料方程（或q q线方程）线方程）（1）提馏段操作线的做法 由图7-13可见，提馏段操作线的截距数

20、值很小，因此提馏段操作线cd不易准确作出，而且这种作图方法不能直接反映出进料热状态的影响。因此，通常是先找出提馏段操作线与精馏段操作线的交点d，再连接cd即可得到提馏段操作线。两操作线的交点可由联解两操作线方程而得到。若略去式（7-15a）和（7-18a）中变量的上下标，可得DDxLxVyWWxxLyV第7章 液体精馏36)()()(WDWxDxxLLyVVqFLLFqVV)1(WDFWxDxFx11qxxqqyF上二式相减可得 （7-25）将上述三式代入式（7-25），并整理得（7-26）由式(7-22)，式(7-23)和式(7-12a)可知：第7章 液体精馏37 式（7-26）称为进料方程

21、或q线方程，即为两操作线交点的轨迹方程。在连续稳定操作中，当进料热状态一定时，进料方程也是一直线方程，标绘在x-y图上的直线称为q线。该线的斜率为q/(q-1)，截距为-xF/(q-1)。q线必与两操作线相交于一点。若将式（7-26）与对角线方程y=x联立，解得交点坐标为x=xF，y=xF，如图7-13中点e。再过e点作斜率为q/(q-1)的直线，如图中直线ef，即为q线。q线与精馏段操作线ab相交于点d，该点即为两操作线交点。连接点c（xW，xW）和点d，直线cd即为提馏段操作线。第7章 液体精馏38图7-13q线与操作线的做法第7章 液体精馏39 进料热状态不同，q值及q线的斜率也就不同，

22、故q线与精馏段操作线的交点因进料热状态不同而变动，从而提馏段操作线的位置也就随之而变化。当进料组成、回流比及分离要求一定时，进料热状态对q线及操作线的影响如图7-14所示。不同的进料热状态对q值及q线的影响列于表7-3中。图7-14进料热状态对q线的影响（2）进料热状态对q线及操作线的影响第7章 液体精馏407.4.4 理论板数的求法 当气、液两相在实际板上接触传质时，一般不能达到平衡状态，因此实际板数总应多于理论板数。对双组分连续精馏，通常采用逐板计算法或图解法确定精馏塔理论板数。在计算理论板数时一般需已知原料液组成、进料热状态、操作回流比以及要求的分离程度，并利用以下基本关系：气液平衡关系

23、，即平衡方程；塔内相邻两板气、液相组成之间的关系，即操作线方程。第7章 液体精馏411 1逐板计算法逐板计算法 参见图7-15，若塔顶采用全凝器，从塔顶最上一层板（第1层）上升的蒸气进入冷凝器中被全部冷凝，因此塔顶馏出液组成及回流组成均与第1层的上升蒸气组成相同，即 y1=xD=已知值 由于离开每层理论板的气液相组成是互成平衡的，故可由y1利用气液平衡方程求得x1即 由于从下一层（第2层）板的上升蒸气组成y2与x1符合精馏段操作关系，故利用精馏段操作线方程可由x1求得y2，即111)1(yyx1112RxxRRyD图7-15逐板计算法示意图第7章 液体精馏42 同理，y2与x2互成平衡，即可用

24、平衡方程由y2求得x2以及再用精馏段操作线方程由x2求得y3，如此重复计算，直至计算到xnxF（仅指饱和液体进料情况）时，说明第n层理论板是加料板，因此精馏段所需理论板层数为（n-1）。应予注意，在计算过程中，每使用一次平衡关系，表示需要一层理论板。此后，可改用提馏段操作线方程，继续用与上述相同的方法求提馏段的理论板层数。因 =xn=已知值，故可用提馏段操作线方程求 即：然后利用平衡方程由 求 ，如此重复计算，直至计算到 xW为止。因一般再沸器内气、液两相视为平衡，再沸器相当于一层理论板，故提馏段所需理论板层数为（m-1）。WxWqFLWxWqFLqFLy121x2y2x2ymx第7章 液体精

25、馏432.2.图解法图解法参见图7-16，图解法求理论板的步骤如下：在x-y图上作平衡曲线和对角线。依照前面介绍的方法作精馏段操作线ab，q线ef，提馏段操作线cd。由塔顶即图中点a（x=xD，y=xD）开始，在平衡线和精馏段操作线之间作直角梯级，当梯级跨过两操作线交点d时，则改用提馏段操作线与平衡线之间绘梯级，直至梯级的铅垂线达到或超过c点（xW，xW）为止。图中平衡线上每一个梯级的顶点表示一层理论板，其中过d点的梯级为加料板，最后一个梯级为再沸器。图7-16求理论板数的图解法第7章 液体精馏44 在图7-16中，梯级总数为7，第4级跨过点d，即第4级为加料板，故精馏段理论板层数为3。因再沸

26、器相当于一层理论板，故提馏段理论板层数为3。该过程共需6层理论板（不包括再沸器）。若塔顶采用分凝器，从塔顶出来的蒸汽先在分凝器中部分冷凝，冷凝液作为回流，未冷凝的蒸汽再用全凝器冷凝，冷凝液作为塔顶产品。因为离开分凝器的气相与液相可视为互相平衡，故分凝器也相当于一层理论板。此时精馏段的理论层数应比相应的梯级数少一层。第7章 液体精馏457.4.5 回流比1 1全回流和最少理论板数全回流和最少理论板数 将精馏塔塔顶上升蒸气经全凝器冷凝后，全部回流至塔内，这种回流方式称为全回流。在全回流操作下，塔顶产品量D=0，通常进料量F和塔底产品量W均为零，即既不向塔内进料，也不从塔内取出产品。此时生产能力为零

27、。因此对正常的生产无实际意义。但在精馏操作的开工阶段或在实验研究中，多采用全回流操作，这样便于过程的稳定控制和比较。全回流时回流比为RLDL0因此，精馏段操作线的截距为精馏段操作线的斜率为 01RxD11RR第7章 液体精馏46 可见，在x-y图上，精馏段操作线及提馏段操作线与对角线重合如图7-17，全塔无精馏段和提馏段之分。图7-17全回流时理论板数第7章 液体精馏47式中 Nmin全回流时最少理论板数（不包括再沸器）；全塔平均相对挥发度，可近似取塔顶和塔底的几何平均值；为简化计算也可取它们的算术平均值。全回流时操作线方程可写为 yn+1=xn （7-27）全回流时操作线距平衡线为最远，表示

28、塔内气、液两相间传质推动力最大，因此对于一定的分离任务而言，所需理论板数为最少，以Nmin表示。Nmin可由在x-y图上平衡线和对角线之间绘梯级求得，同样也可用平衡方程和对角线方程逐板计算得到；后者可推导出求算Nmin的解析式，称为芬斯克方程，即1lg11lgmin mwWDDxxxxNm（7-28）第7章 液体精馏482 2最小回流比最小回流比如图7-18所示，对于一定的分离任务，若减小回流比，精馏段操作线的斜率变小，两操作线的位置向平衡线靠近，表示气液两相间的传质推动力减小。因此，对特定分离任务所需理论板数增多。当回流比减小到某一数值后，使两操作线的交点d落在平衡曲线上时，图解时不论绘多少

29、梯级都不能跨过点d，表示所需的理论板数为无穷多，相应的回流比即为最小回流比，以Rmin表示。图7-18 最小回流比的确定第7章 液体精馏49最小回流比Rmin可用作图法或解析法求得。作图法设d点的坐标为（xq，yq），最小回流比可依如图7-19中ad线的斜率求出 （7-29）解得 （7-30）式中 xq、yqq线与平衡线的交点坐标，可由图中读得。对于不正常的平衡曲线（有拐点，即平衡线有下凹部分），如图7-19所示。此种情况下夹点可能在两操作线与平衡线交点前出现，如该图（a）的夹点g先出现在精馏段操作线与平衡线相切的位置，所以应根据此时的精馏段操作线斜率求Rmin。该图（b）的夹点先出现在提馏段

30、操作线与平衡线相切的位置，同样，应根据此时的精馏段操作线斜率求得Rmin。qDqDxxyxRR1minminqqqDxyyxRmin第7章 液体精馏50图7-19不正常平衡曲线的Rmin的确定第7章 液体精馏51qqqxxy)1(11qxx1qqyFqqFDFDxxxxR1)1(11min11111minFDFDyxyxRq线方程联立求解。再将xq、yq代入式（7-30）即可求出Rmin。对于饱和液体和饱和蒸汽进料状态，Rmin也可以直接采用下面公式计算。饱和液体进料时，xq=xF，故饱和蒸气进料时，yq=yF，故（7-32）（7-31）解析法当平衡曲线为正常情况，相对挥发度可取为常数（或取为

31、平均值）的理想溶液，则xq，yq值也可用相平衡方程第7章 液体精馏523 3适宜回流比适宜回流比 在实际设计时，适宜回流比应通过经济核算确定。这要从精馏过程的设备费用与操作费用两方面考虑来确定。设备费用与操作费用之和为最低时的回流比称为适宜回流比。精馏过程的操作费用，主要包括再沸器加热介质消耗量、冷凝器冷却介质消耗量及动力消耗等费用。当回流比增加时，加热介质和冷却介质消耗量随之增加，操作费用相应增加，如图7-20中曲线2所示。图7-21 适宜回流比的确定第7章 液体精馏53 精馏过程的设备主要包括精馏塔、再沸器和冷凝器。当回流比最小时，塔板数为无穷大，故设备费为无穷大。当R稍大于Rmin时，塔

32、板数便从无穷多锐减到某一值，塔的设备费随之锐减。当R继续增加时，塔板数固然仍随之减少，但已较缓慢。另一方面，由于R的增加，上升蒸气量随之增加，从而使塔径、塔板尺寸及再沸器和冷凝器等尺寸相应增大，故R增加到某一数值后，设备费又回升，如图7-21中曲线1所示。总费用是设备费用与操作费用之和，它与R的大致关系如图7-20中曲线3所示。曲线3的最低点对应的R，即为适宜回流比。在精馏设计中，通常采用由实践总结出来的适宜回流比范围为 R（1.12）Rmin （7-33）第7章 液体精馏547.5 板式塔 塔设备是实现气液传质过程的设备，广泛应用于化工、石油化工、石油等工业中。塔设备按其结构分为板式塔和填料

33、塔两大类。虽然这两类塔都能进行气液传质过程，但在工业生产中，当处理量大时多采用板式塔，而当处理量小时多采用填料塔。对于一个具体的工艺过程，选用何种塔型，需要根据两类塔型各自特点和工艺本身的要求而定。关于填料塔已在吸收一章中作过介绍，本节只对板式塔作简单介绍。第7章 液体精馏55 板式塔通常是由呈圆柱形的塔体及按一定间距水平设置的若干块塔板构成，在塔体上下两端分别设有气体和液体的进口和出口。塔内气体在压差作用下由下而上、液体在自身重力作用下由上而下呈逆流流动，但由于板式塔内实际气液接触过程是在一块块塔板上逐级进行的，在每块塔板上气液呈错流流动，即液体横向流过塔扳，经降液管进入下层塔板，而气体则由

34、下而上穿过板上的液层，在液层中实现气液两相密切接触，然后离开液层，在该板上方空间汇合后进入上层塔板。因此，对每一块塔板而言，相当于一个混合分离器，既要求进入该板的气流和液流充分接触以实现高效传质，又要求经过传质后的气液两相完全分离，各自进入相邻的塔板。7.5.1 板式塔的主要类型和结构特点第7章 液体精馏56 图7-21表示板式塔的一般结构。板式塔的种类很多，主要有泡罩塔、筛板塔、浮阀塔、喷射塔及各种形式的穿流塔等。目前，国内外主要使用的塔板类型有泡罩塔、筛板塔、浮阀塔。1.气体出口 2.液体入口 3.塔壳 4.塔板 5.降液管 6.出口溢流堰 7.气体入口 8.液体出口图7-21板式塔结构简

35、图7.5.1 板式塔的主要类型和结构特点第7章 液体精馏571 1泡罩塔泡罩塔 泡罩塔是工业上最早使用的板式塔（如图7-22所示）。每层塔板上设有许多供蒸汽通过的升气管，其上覆以钟形泡罩，升气管与泡罩之间形成环形通道。泡罩周边开有很多称为齿缝的长孔，齿缝全部浸在板上液体中形成液封。图7-22泡罩塔板及泡罩第7章 液体精馏582筛板塔 筛板塔是一种应用较早的塔型，它的结构简单，塔板上开有大量均匀分布的小孔，称为筛孔。筛孔的直径为38mm，成三角形排列。上升蒸汽通过筛孔分散成细小的流束，在板上液层中鼓泡而出，与液体密切接触。塔板设置溢流堰，从而使板上维持一定的液层高度。在正常操作范围内，通过筛孔上

36、升的蒸汽应能阻止液体经筛孔向下渗漏，液体通过降液管逐板流下。筛板塔的突出优点是结构简单、金属耗量小，造价低廉；气体压降小，板上液面落差较小；生产能力及板效率较泡罩塔高。其主要缺点是操作弹性小，筛孔易堵塞。第7章 液体精馏593 3浮阀塔浮阀塔 浮阀塔是20世纪50年代开发的一种较好的塔，其板效率较高。目前已成为国内许多工厂进行精馏操作时广泛采用的一种塔型。浮阀塔板的结构与泡罩塔板相似，在带有降液管的塔板上开有若干直径较大（标准孔径为39mm）的均匀圆孔，孔上覆以可在一定范围内自由活动的浮阀。由孔上升的气流，经过浮阀与塔板间的间隙与塔板上横流的液体接触。浮阀的形式很多，图7-23所示为常用的浮阀

37、。图7-25 几种浮阀型式第7章 液体精馏607.5.2 塔板上气液流动和接触状态1 1塔板上气液流动方式塔板上气液流动方式气液两相在塔内的流动方式从总体上说是逆流流动，使气液两相充分地接触，为传质过程提供足够大且不断更新的相接触表面，以减小传质阻力。第7章 液体精馏612 2塔板上气液两相接触状态塔板上气液两相接触状态 以筛板塔为例说明。如图7-24所示，气相通过筛孔时的速度（简称孔速）不同，可使气液两相在塔板上的接触状态不同。当孔速很低时，气相穿过孔口以鼓泡形式通过液层，板上气液两相呈鼓泡接触状态。两相接触的传质面积为气泡表面。由于气泡数量不多，气泡表面的湍动程度较低，传质阻力较大。图7-

38、24 塔板上的气液接触状态第7章 液体精馏62 随着孔速增大，气泡数量增多，气泡表面连成一片并不断发生合并与破裂，板上液体大部分以高度活动的泡沫形式存在于气泡之中，仅在靠近塔板表面处才有少量清液。这种操作状态为泡沫接触状态。这种接触状态，由于泡沫层的高度湍动，为两相传质创造了较好的流体力学条件。当孔速继续增大，动能很大的气体从筛孔喷出穿过液层，将板上的液体破碎成许多大小不等的液滴而抛向塔板上方空间，当液滴落到板上又汇集成很薄的液层并再次被破碎成液滴抛出。气液两相的这种接触状态称为喷射接触状态。此时就整体而言，板上气相在连续液相中分散，变成液体在连续气相中分散，即发生相转变。喷射接触为两相传质创

39、造了良好的流体力学条件。工业上实际使用的筛板，两相接触不是泡沫状态就是喷射状态，很少采用鼓泡接触状态的。第7章 液体精馏637.5.3全塔效率和单板效率1 1全塔效率全塔效率 在塔设备的实际操作中，由于受到传质时间和传质接触面积的限制，一般不可能达到气液平衡状态，因此实际板数总应多于理论板数。理论板只是衡量实际板分离效果的标准。从这个概念出发，可以定义全塔效率为理论板数与实际板数之比，即 式中 ET全塔效率，%；NT 理论板数；NP 实际板数。100%TTPNNE（7-34）第7章 液体精馏642 2单板效率单板效率 单板效率又称默弗里板效率，它用气相（或液相）经过一实际板时组成的变化与经过一

40、理论板时组成变化的比值来表示。对第n层塔板，板效率分别可用气相或液相表示，即 式中 EmV气相默弗里效率；EmL 液相默弗里效率；yn*与xn成平衡的气相组成，摩尔分率；xn*与yn成平衡的液相组成，摩尔分率。1*1nnnnmVyyyyE*11nnnnmLxxxxE（7-35）（7-36）第7章 液体精馏657.5.4 板式塔的工艺设计 虽然带有降液管的板式塔型式很多，但其设计原则与步骤却基本相同。下面以筛板塔为例，介绍这类板式塔的工艺计算。筛板塔的工艺计算包括塔高、塔径以及塔板上主要部件工艺尺寸的计算，塔板的流体力学验算，最后画出操作负荷性能图。第7章 液体精馏661 1塔高和塔径塔高和塔径

41、 塔高 板式塔的高度由所有各层塔板之间的有效高度、顶部空间高度、底部空间高度，以及支座高度等几部分所组成，其中主要是有效高度，即式中 Z塔的有效高度，m；NT 塔内所需的理论板层数；ET 总板效率；HT 塔板间距（简称板距），m。TTTHENZ（7-37）第7章 液体精馏67 塔径 依流量公式计算塔径，即 式中 D塔径，m；Vh 塔内气相的流量，m3/h；u 气相的空塔速度，m/s。由式（7-38）可见，计算塔径的关键在于确定适宜的空塔气速u。u3600V4Dh（7-38）第7章 液体精馏68VVLCumax 首先计算出气体最大允许空塔气速，即塔内可能发生液泛时的气速，又称极限空塔气速用uma

42、x表示。umax采用下面的半经验公式计算。式中 umax极限空塔气速，m/s；C操作时的负荷系数，m/s。（7-39）第7章 液体精馏69研究结果表明：C值与气、液流量及密度、板上液滴沉降空间的高度以及液体的表面张力有关。史密斯等人汇集了若干泡罩、筛板和浮阀塔的数据，整理成负荷系数与这些影响素间的关系曲线，如图7-25所示。图7-25 史密斯关联图第7章 液体精馏70 图7-25是按液体表面张力=20mN/m的物系绘制的，若所处理的物系表面张力为其它值，则须按下式校正查出的负荷系数C20，即 式中C20物系表面张力为20mN/m时的负荷系数，m/s；操作物系的液体表面张力（mN/m）。按式（7

43、-39）求出umax之后，乘以安全系数，便得适宜的空塔速度：u=（0.60.8）umax2.020)20(CC（7-40）（7-41）第7章 液体精馏712 2溢流装置溢流装置 板式塔的溢流装置是指溢流堰和降液管。降液管有圆形和弓形之分。降液管的布置，规定了板上液体流动的途径，一般有如图7-26所示的几种形式，即（a）U形流、（b）单溢流、（c）双溢流及（d）阶梯式双溢流。（a）U形流（b）单溢流（c）双溢流（d）阶梯式双溢流图7-26 塔板溢流类型第7章 液体精馏72 下面以弓形降液管为例，介绍溢流装置的设计。塔板及溢流装置的各部尺寸可参阅图7-27。图7-27 筛板塔的塔板结构参数第7章

44、液体精馏73 出口堰（外堰）尺寸堰长lW。堰长lW是指弓形降液管的弦长，根据液体负荷及溢流型式而决定。对于单溢流，一般取lW为（0.60.8）D，对于双溢流，取为（0.50.6）D，其中D为塔径。堰高hW。为了保证塔板上有一定高度的液层，降液管上端必须超出塔板板面一定高度，这一高度即为堰高，以hW表示。板上液层高度为堰高与堰上液层高度之和，即式中 hL板上液层高度，m；hW堰高，m；hOW堰上液层高度，m。OWWLhhh（7-42）第7章 液体精馏74 堰上液层高度（平堰）可由弗朗西斯（Francis）经验公式计算，即 32WhOWlLE1000842h.（7-43）式中 Lh塔内液体流量，m

45、3/h；lW堰长，m；E液流收缩系数，可借用博尔斯（Bolles.W.L）就泡罩塔所提出的液流收缩系数计算图求取，由图7-28查得。第7章 液体精馏75图7-28 液流收缩系数E的关联第7章 液体精馏76 对常压塔板上液层高度hL可在0.050.1m范围内选取，因此，在求出hOW之后即可按下式给出的范围确定hW，即0.1-hOWhW0.05-hOW （7-44）出口堰高hW一般在0.030.05m范围内，减压塔的hW应适当低些。第7章 液体精馏77 降液管底隙高度 降液管底隙高度是指降液管底边与塔板间的距离。确定降液管底隙高度的原则是：保证液体流经此处时的阻力不太大，同时要有良好的液封。为简便

46、起见，h0一般按下式求取，即：h0=hW0.006 （7-45）式中各项的单位均为m。进口堰及受液盘 在较大的塔中，有时在液体进入塔板处设有进口堰，以保证降液管的液封，并使液体在塔板上分布均匀。但对于弓形降液管而言，液体在塔板上的分布一般比较均匀，而进口堰又要占用较多板面，还易使沉淀物淤积此处造成阻塞，故多数不采用进口堰。第7章 液体精馏78 弓形降液管的宽度Wd及截面积Af可根据堰长与塔径之比lw/D查图7-29或与该图相应的数表求出。图中AT为塔的截面积。图7-29弓形降液管的宽度与面积 弓形降液管的宽度和截面积第7章 液体精馏793 3塔板布置塔板布置 塔板有整块式与分块式两种。直径在8

47、00mm以内的小塔采用整块式塔板，直径在900mm以上的大塔，通常都采用分块式塔板，以便通过人孔装拆塔板。如图7-27所示，塔板面积可分为四个区域：（1）鼓泡区；（2）溢流区；（3）破沫区；（4）无效区。第7章 液体精馏804 4筛孔及其排列筛孔及其排列 筛孔直径 工业筛板塔的筛孔直径为38mm，一般推荐用45mm。近年来有采用大孔径（1025mm）的趋势，因为大孔径筛板具有加工制造简单、造价低、不易堵塞等优点。此外，筛孔直径的确定，还应根据塔板材料的厚度考虑加工的可能性，当用冲压法加工时，若板材为碳钢，其厚度可选为34mm，d0/1；若板材为合金钢，其厚度可选为22.5mm，d0/1.52。

48、孔中心距 一般取孔中心距t为(2.55)d0。t/d0过小，易使气流相互干扰；过大则鼓泡不均匀，都会影响传质效率。推荐t/d0的范围为34。第7章 液体精馏81 筛孔总数 筛孔总数n是指每层塔板上筛孔的数目。当采用如图7-33所示的正三角形排列时：式中 t筛孔中心距，m；Aa鼓泡区面积，m2。以上是筛板塔塔板工艺尺寸计算的基本内容。tAna155.1（7-47）第7章 液体精馏82（4）开孔率开孔率是指一层塔板上筛孔总面积A0与该板上鼓泡区面积Aa的比值，即式中 A0每层塔板上筛孔总面积，m2。筛孔按正三角形排列时，可以推导出以上是筛板塔塔板工艺尺寸计算的基本内容。（7-49）（7-50）%1000aAA20)(0.907%100tdAA0a第7章 液体精馏83返回目录