第六章-蒸馏设备

泡罩塔的操作：
泡罩底部浸没在塔板上的液体，形成 液封，气体自升气管上升，流经升气 管和泡罩之间的环形通道，再从泡罩 齿缝（主要是分散气体，增大气液接 触面积）中吹出，进入塔板上的液层 中鼓泡传质。常见的泡罩为倒扣的自 行车铃盖形，周边有齿缝。齿缝一般 为矩形，三角形和梯形。
塔板上的降液管设置在两侧，常见的有 弓形和圆形。板上一段降液管的高度叫 溢流堰的高度，起到维持板上液层深度 及使液流均匀的作用。不论何种降液管 都设置弓形堰。
中的轻组分向汽相（回流）
传递，而汽相中的重组分向
液相传递，从而完成下降液
体重组分的提浓。
精馏与简单蒸馏的区别：汽 相和液相的部分回流。也是 精馏操作的基本条件。
冷凝器condenser
塔顶产品, xD Overhead product 液相回流 Liquid reflux
精馏段 Rectifying section
处理对象：粗馏酒精蒸汽或液体
进料板：原料液进入 的那层塔板
精馏段：进料板以上的塔 段
提馏段：进料板以下 （包括进料板）的塔 段
精馏原理精馏原理
精馏段：汽相中的重组分向 液相（回流液）传递，而液 相中的轻组分向汽相传递， 从而完成上升蒸气的精制。
提馏段：下降液体（包括回
Hale Waihona Puke 流液和料液中的液体部分）料液, xF Feed
乙醇-水的气液平衡曲线图
曲线表示了在一定外压下， 乙醇蒸汽的组成y和与之 相平衡的液相组成x之间 的关系（均为摩尔分数）， 图中平衡曲线与对角线相 交于M点，在此点时，蒸 汽中的酒精含量和与之相 平衡的液相中的酒精含量 相等。
酒精蒸馏包括两个过程： （1）将酒精和所有容易挥发的物质从发酵液中分离出来 的过程，称为粗馏 （2） 进一步提高酒精浓度，并除去粗酒精中的杂质，使 之成为各种规格的成品酒精的过程，称为精馏。
在坐标纸上绘制平衡曲线y-x，并做 对角线y=x
（3）在图上取x=xf，在x轴上做 垂直线与对角线交于点a
（4）从点a做斜率δ/(δ-1)的δ 线。进料成熟醪预热至70℃，故 δ线向上偏右
（5）做提馏段操作线
（6）从δ线与提馏操作线的交点b 开始，在操作线与平衡曲线之间画 引阶梯，直至超过x=xw为止。所梯 阶数即为理论板数。
在酒精精馏中，粗馏酒精中的杂质有醛，酯，酸和醇等4 大类，根据它们在精馏过程中的行为可分为头级杂质尾级 杂质和中级杂质三大类。
（1）典型的头级杂质的挥发系数始终大于1，它们在精馏塔内运动 的方向是往上的，其浓度在塔顶最多，如醛类，乙酸乙酯等部分酯 类。 （2）尾级杂质在酒精浓度低时其挥发系数大于1。随着酒精浓度的 不断提高，它们的挥发系数相继等于1，进而小于1，它们在精馏塔 内下部的运动是往上的，而在顶部的运动则是往下的，结果便集中 在与其挥发系数等于1的相应的附近塔板上。杂醇油便是尾级杂质 的典型代表。 （3）异戊酸，乙酸乙酯等在酒精浓度大于70%时，其挥发系数才 从大于1变为小于1.这些杂质叫中级杂质。
S形塔板的优点：
（1） 上升蒸汽流通路的面积比普通的泡罩大2-4倍，故允许S形塔 板具有较高的气速和液速，其处理能力比一般的泡罩塔大50%左右。
（2） 气流与液流并行，液面落差小，所以在大液流下塔板仍能平 稳操作
（3） 结构比一般泡罩塔板简单，制作安装方便，造价低。 但这种塔板结构弯度较大，蒸汽受到的阻力大，塔板压力降也较大。
对蒸馏塔板的要求是： （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）能够满足工艺的特定要求，如不易堵塞，抗腐蚀等
一，粗馏塔板类型及结构
1 泡罩塔板
该类塔板适宜处理易起泡的液 体。是国内不少酒精厂家的粗 馏塔主要采用的装置。主要由 塔体，塔板和升气管等部件组 成。
精馏系数：指杂质的挥发系数和酒精的挥发系数之 比。K‘=Kn/KA
当K‘>1时，蒸汽中杂质含量比酒精多，所以杂质 集聚在气相中
K‘的意义： 精馏系数确定 杂质在塔内的 集聚区域
当K‘<1时，气相中杂质含量比酒精少，所以杂质 集聚在液相中，较难挥发。
当K‘=1时，杂质平均分布在气相和液相中，在这 种情况下，要把杂质和酒精分离是比较困难的，只 能用化学方法处理。
相对挥发度和挥发系数
纯液体的挥发度通常是用来表示纯液体在一定温度下的饱 和蒸气压的大小。具有较高蒸汽压的物质称为易挥发物； 蒸汽压较低的物质称为难挥发物。
挥发度大的物质，其分子向周围空间扩散的挥发能力大， 单位时间向周围空间飞逸的分子数就多，反之就少。
溶液中各组分的蒸汽分压因组分间的相互影响一般比 纯态时为低，故溶液中各组分的挥发度V可用它在蒸 汽中的分压P和它在与蒸汽成平衡的液相中的摩尔分 数x之比来表示。
4V =
v
式中： V 为粗馏塔内上升蒸汽量，m3/s v 为塔内上升的蒸汽速度，m/s ǿ 为塔径，m
塔内蒸汽速度与板间距和泡沸深度有关（酒精蒸汽穿过液层的深 度），泡沸深度大，蒸汽速度宜小。酒精粗馏塔的蒸汽速度可下述 经验公式计算；
v= 0.305HT -12Z 0.06+0.05HT
式中：HT 为板间距，m；Z 为泡沸深度，m； Z=0.5h+h3 h 为泡罩齿缝高度，m； h3 为缝顶至液面的距离，m
理想混合溶液液体与蒸汽间的平衡关系满足 拉乌尔定律，即在一定的温度下，混合液 面生蒸汽总压P=PA+PB,且任一组分的分 压等于此纯组分在该温度下的饱和蒸汽压 乘以其在溶液中的摩尔分数：
酒精和水分子间的吸引力比酒精和酒精分子间的吸引力 小，此时诸分子所受的吸引力比之在个纯组分中所受的 吸引力小，因此，分子容易汽化，液面上各组分的蒸汽 分压比理想溶液大。所以酒精和水的混合溶液对拉乌尔 定律具有偏差。
4 斜孔塔
特点：每一排孔口都朝一个方 向，相邻两排孔口方向相反， 故相邻两排孔口的气体方向反 向喷出。该类塔板气液接触良 好，雾沫夹带少，允许气体负 荷高，可采用较高的气速，板 上液层的湍流程度大，气液两 相的传质效果好。
二 粗馏塔的设计及计算
1 塔板层数的确定
塔板层数的确定有逐板计算法，图解法和解析法，一般采用直观的 图解法。粗馏塔相当于精馏塔的提馏段
第一节蒸馏分离提纯原理
蒸馏分离提纯操作，主要是指将某些液相和固相，液相和液 相的混合物分离开，或者将其某组分再进行提纯的化工单元 操作。
生物工程的工业产品中常采用蒸馏方法提取或提纯的有：白酒， 酒精，甘油，丙酮，丁醇以及某些萃取过程中的溶剂回收。
酒精-水混合液的相平衡
在一定温度下，液体与其蒸气可形成相平衡，此时 的蒸气为该液体的饱和蒸汽，纯的酒精和水的混 合液的相平衡中，具有酒精蒸气和水的蒸气两种 饱和蒸汽，各自具有一定的饱和蒸汽压，蒸汽压 的大小随温度的升高而增加。两种蒸汽共存并相 互影响，液面上的总蒸汽压等于酒精与水两者的 蒸汽压之和。
提馏段 Stripping section 汽相回流 Vapor reflux
再沸器 Reboiler 塔底产品, xW Bottoms product
酒精精馏
发酵液经过蒸馏后所得到的粗酒精，杂质较多。除去粗酒 精中的杂质，进一步提高酒精含量，利用气液两相的互相 接触，反复进行部分汽化和部分冷凝的过程叫做酒精的精 馏。这一过程利用了多次的传质，是多次汽化和多次冷凝 的简单蒸馏过程的集合。
精馏的基本操作示意图
由于釜内汽化的蒸汽中酒精组分大于釜中液相中的组分，经过一 段时间的蒸馏，各釜中液相酒精组分越来越少，将导致蒸汽中酒 精组分也相应的降低。所以，应将顶釡汽化的蒸汽冷凝液回流一 部分至塔内，并逐釡下流。同时在底釡中不断加入原混合液。
由于溢流液中的酒精浓度很低（x<0.2%)可视为水。故公式中的qm，D和qm,L可 同时用Kg/h代替。此时溢流量可按下式计算： qm,L=δqm,F
（8）实际塔板数的确定
实际塔板数=
理论塔板数 塔板效率
不同类型塔板，其塔板 效率不同，我国多采用 泡罩塔板，其塔板效率 为50%。通常理论板数 为8-10层，工厂中实际 应用为20-25层。进料 在塔顶
粗馏塔进料温度低于进料层沸腾温度，故塔内上升蒸汽量 大于塔顶上升蒸汽量。粗馏塔内上升的蒸汽量可按下式计 算：
qm,V2 =q m,L qm,v1 qm,F
式中： qm,V2 为粗馏塔内上升的蒸汽量，Kg/h
q m,L 为粗馏塔内的溢流量，Kg/h
qm,v1
qm,F
为粗馏塔顶上升蒸汽量，Kg/h 为粗馏塔进醪量， Kg/h
2 S（SD）形塔板
S形塔板是由数个S形的 泡罩互相搭接而成，该塔 板借助气体喷出时的动能， 推动液体流动，这样板上 的液层分布比较均匀，液 面落差小，雾沫夹带少， 气液接触充分而密切。另 一方面，生成的蒸汽同时 产生一股向上的升腾的作 用力。因此该塔板具有一 定的驱动力，可将物料中 的污秽杂质带走，防止泥 沙等杂物的沉积，提高了 排污排杂的性能。
将顶釡的酒精蒸汽在冷凝器冷凝后所得的部分冷凝回流至顶釡的 操作称为回流。 回流比（R）：在精馏操作中，由精馏塔顶返回塔内的回流量L与 塔顶产品流量D的比值即R=L/D，对精馏过程分离效果和经济性 有着重要影响。
粗馏塔
粗馏塔的处理对象：发酵成熟醪液 特点：杂质多，含有许多固形物，黏度大，易起泡，腐蚀 性强
挥发系数K表示某物质在该溶液中的挥发性能的强弱，也说明它们 在一次简单蒸馏以后浓缩的倍数。例如：用a%表示酒精与水的混 合液中的酒精含量，以A%表示与其平衡的蒸汽中的酒精含量。则 挥发系数可表示为KA= A/a。相应的溶液中的杂质也具有相应的挥 发系数Kn。
在酒精蒸馏中，一 切杂质(包括乙醇在 内）的挥发系数随 乙醇浓度的增加而 变小。
2 板间距的选择
板间距即两塔板间的距离。板间距随随空塔蒸汽速度， 料液的起泡性和塔板的类型而定，空塔速度大，板间距 也大，才能防止雾沫的夹带。成熟醪起泡性强，故粗馏 塔的板间距一般不低于330mm，根据经验多泡罩粗馏 塔一般可取400mm左右。