精馏 操作型计算

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1、2020/10/30,第六章 蒸馏Distillation,一、理论板及恒摩尔流 二、物料衡算和操作线 三、理论塔板层数的求法 四、几种特殊情况时理论板数的求法 五、回流比的影响及其选择 六、理论板数的捷算法 七、实际塔板数、塔板效率 八、精馏装置的热量衡算,第三节 两组分连续精馏的分析和计算,2020/10/30,6.3 二元连续精馏的分析与计算,计算项目： 塔顶（或塔底）产量和浓度 塔内物流量 回流量 塔板数或填料层高度 进料位置 塔径,2020/10/30,-若组分A、B的汽化潜热接近，则NA=NB,2020/10/30,理论板 离开这种板的气液两相互成平衡，而且塔板上的液相组成也可视为

2、均匀的。 恒摩尔流假设的条件 （1）各组分的摩尔汽化潜热相等； （2）气液接触时因温度不同而交换的显热可以忽略 ； （3）塔设备保温良好，热损失可以忽略。,2020/10/30,恒摩尔溢流,恒摩尔汽化,2020/10/30,1、全塔物料衡算,二、物料衡算和操作线,2020/10/30,当塔顶、塔底产品组成xD、xW及产品质量已规定，产品的采出率D/F和W/F也随之确定，不能再自由选择； 当规定塔顶产品的产率和质量xD，则塔底产品的质量xW及产率也随之确定而不能自由选择；,在规定分离要求时，应使,塔顶产品的组成应满足,2020/10/30,例 每小时将15000kg含苯40%（质量%，下同）和甲

3、苯60%的溶液，在连续精馏塔中进行分离，要求釜残液中含苯不高于2%，塔顶馏出液中苯的回收率为97.1%。试求馏出液和釜残液的流量及组成，以摩尔流量和摩尔分率表示。,2020/10/30,解：苯的分子量为78；甲苯的分子量为92。 进料组成：,釜残液组成：,原料液流量：,依题意知：,所以：,全塔物料衡算,（b）,或,联立式a、b、c，解得：,原料液的平均分子量：,（a）,（c）,2020/10/30,n,1,2020/10/30,说明：该方程表示了精馏段相邻两塔板下降液体组成（第n块板）和上升蒸汽组成（第n+1块板）之间的关系，即任一塔截面汽、液两相组成之间的关系。,2020/10/30,操作线

4、斜率大，意味着经过一块理论板后，汽相的增浓程度变大，液相的减浓程度变大。故操作线斜率大对精馏段的分离是有利的 。,液相减浓浓程度,思考：操作线斜率大，对精馏是否有利？,2020/10/30,3提馏段操作线方程,2020/10/30,斜率小，提馏段内塔板的分离能力高。,2020/10/30,三、进料热状况的影响及加料线方程,2020/10/30,对加料板作总物料衡算和热量衡算：,2020/10/30,2020/10/30,2020/10/30,思考题,1、已知原料为气液混合进料，气液量之比为3：4，则q=( ) 2、已知q=1.1,则加料中液体量与总加料量之比为（） A、1.1:1 B 1:1.

5、1 C 1:1 D 0.1:1,2020/10/30,q线方程,2020/10/30,-q线方程,2020/10/30,图示： （1）精馏段操作线,（2）q 线,（3）提馏段操作线,精馏段操作线，提馏段操作线，q线三线必交于一点 三线的特点是都必通过对角线一点 由两条直线可以得到另一条直线,注意：,2020/10/30,可见： q 的值不影响精馏段操作线，但对提馏段操作线有影响。,(3) 进料状态参数对操作线的影响,精馏段操作线方程:,提馏段操作线方程:,q线方程：,2020/10/30,不同进料热状态时的q线和对提馏段操作线的影响,说明： q，提馏段操作线斜率增大。 提馏段操作线方程经变换，

6、与xD，xW，xF，q，R有关。,注意q的两个特殊值： 饱和液体进料：q=1 饱和蒸汽进料：q=0,2020/10/30,q 线的作法： (1)在对角线上作 e 点 (y=x=xF)； (2)过e点作斜率 q/(q-1) 的直线。,进料焓值(温度)增加，q 值减小， 则 q 线与精馏操作线的交点(相应加料热状态下两操作线的交点)沿着精馏操作线朝 x、y 减小的方向移动。从塔设备的角度，这意味着加料板位置下移。,q 线与精馏段操作线的交点即为两操作线的交点，仅需将此点与对角线上的 x=xW，y=xW 点联结，即得提馏段操作线。 实际应用中，常用此法作提馏段操作线。,加料热状态对操作线交点的影响,

7、2020/10/30,例题,一连续精馏塔，泡点进料。已知操作线方程如下： 精馏段 y = 0.8 x + 0.172 提馏段 y = 1.3 x 0.018 求原料液、馏出液、釜液组成及回流比。,2020/10/30,解：由精馏段操作线方程,，得 R = 4；,，得 xD = 0.86,将提馏段操作线方程与对角线方程 y = x 联立,解得 x = 0.06，即 xw = 0.06,将两操作线方程联立,解得 x = 0.38,因是泡点进料，q = 1，q线垂直，两操作线交点的横坐标即是进料浓度， xF = 0.38,2020/10/30,例：用一连续精馏装置在常压下，分离含苯41%（质量%，下

8、同）的苯-甲苯溶液。要求塔顶产品中含苯不低于97.5%，塔底产品中含甲苯不低于98.2%，每小时处理的原料量为8570kg。操作回流比为3，试计算： （1）塔顶及塔底的产品量； （2）精馏段上升蒸汽量及回流液量； （3）当原料于47进塔和蒸汽进塔时，提馏段上升蒸汽量及回流液量 。 （苯的汽化潜热rA=93kcal/kg，甲苯的汽化潜热rB=87.5,2020/10/30,kcal/kg，苯和甲苯的平均比热Cp,l=0.45 kcal/kg，蒸汽的平均比热Cp,v=0.30 kcal/kg，泡点温度93，露点温度99.5 )。,分析：,求W、D,全塔物料衡算,求V、L,已知R,求,解：,（1）产

9、品量,2020/10/30,2020/10/30,(2)上升蒸汽量及回流量,精馏段：,2020/10/30,(3)47进料时,将料液由47升温到93所需的热量为：,继续加热,2020/10/30,饱和蒸汽进料时,2020/10/30,已知:,确定完成分离任务所需的理论塔板数。,计算方法：（1）逐板计算法；（2）图解法。,.,1 逐板法,三、理论塔板层数的求法,2020/10/30,(1) 逐板计算法 条件： 塔顶蒸气在冷凝器中全部冷凝； 泡点回流。,.,2020/10/30,操作线方程改为提馏段操作线方程。,直到,则 n为所需的理论板数。,2020/10/30, 塔底再沸器相当于一块理论板，故

10、塔内理论板数为N1。 应注明 N？（包括或不包括釜）； 应该清楚每一步计算和塔板情况的对应关系；,注意：,（2）图解法, 作平衡曲线；, 由D (xD,xD) 和 b= xD/(R+1) 作精馏段操作线；, 由F (xF, xF) 点和 K=q/(q-1)作q线；, 由xD、xF、xW作垂线与对角线交于D、F、W点;, 由交点Q (xq,yq) 和 W (xW, xW) 作提馏段操作线；, 由D点开始, 在平衡线与操作线之间画梯级求N。,2020/10/30,2020/10/30,所画的总阶梯数就是全塔所需的理论塔板数（包含再沸器），跨过点d的那块板就是加料板，其上的阶梯数为精馏段的理论塔板数

11、。,理论板12.8块（包括再沸器）， 其中精馏段5.7块， 提馏段板数=11.8-5.7=6.1块， 加料板在第6块。,2020/10/30,思考：为什么一个梯级代表一个理论板？,2020/10/30, 汽、液通过任一理论塔板时组成的变化,说明：,2020/10/30,水平线长度: 通过第n板液相组成变化 垂线长度: 通过第n板气相组成变化, 梯级的意义,2020/10/30, 图解方法的优点 避免了繁琐的计算，形象直观，便于理解和分析实际问题。 进料热状态参数q的影响,q ， Kq ，Q点右移，提馏段操作线与平衡线距离 ， 提馏段各塔板分离能力，N 。,2020/10/30, 影响N的因素分

12、析,N 决定于,操作线：xD，xW，R，xF，q，,实际生产中的进料热状态参数由前一工序决定。,平衡线：物系，T，P （）,xD， xW 分离要求提高，则 N ,6.5.4进料位置的选择 （1）进料位置的讨论 （a）进料位置确定原则：两操作线交点Q所在梯级。,2020/10/30,（b）Q点为最优进料位置的分析 上移或下移均对分离不利，导致 N 增加。,提前进料:,2020/10/30,滞后进料:,2020/10/30,五、回流比的影响及其进料选择,1、回流比对精馏操作的影响,R,R,L、V,R=,2020/10/30,R,R=Rmin,N=,N,Rmin,R,2020/10/30,说明：R

13、N 塔设备费,2020/10/30,L=V,2 全回流和最少理论板数Nmin,应用: 开工、科研、设计。,2020/10/30,最小理论板数的确定 :,图解法 、 逐板计算法。,a） 图解法,在平衡线与对角线之间画梯级，直至xnxw为止。,2020/10/30,b) 逐板计算法,计算思想：由xD始，依次反复应用平衡关系与操作关系，直至 xnxw为止。,平衡关系：,对第n块板：,n第n块板A组分对B组分的相对挥发度。,操作关系：,2020/10/30,当塔顶为全凝器时：y1 = xD,板序号 平衡关系 操作关系,1,2,n,整理得：,2020/10/30,达到规定的分离要求时,对双组分：, Fe

14、nske 方程,xN = xW,相对挥发度随溶液组成而变化，如取平均相对挥发度，则,当塔底与塔顶的相对挥发度相差不大时，则,包括塔釜,2020/10/30,a）定义 回流比减小，两操作线同时向平衡线靠近，所需理论板数 增加； 继续减小至交点Q移至平衡线上时（点），则所需的理论板数无穷多； 对应的回流比称为最小回流比 Rmin。,3最小回流比Rmin,为完成某一分离要求，所需的理论塔板数为无穷多时的回流比称为最小回流比。,2020/10/30,b）计算： 设（xe, ye) 则,2020/10/30,也可由精馏段操作线在y轴上的截距yC确定。,2020/10/30,y,x,e,y,x,e,恒浓区

15、在精馏段,恒浓区在提馏段,2020/10/30,思考： 当操作中选用的回流比比设计时的最小回流比还要小时，塔能否操作？将出现什么现象？,2020/10/30,4、适宜回流比的选择,R=（1.12）Rmin,2020/10/30,对于精馏设计，除选定R外，还需选定进料热状态，即确定q值。如何选择q呢？ 先看例子： 在相同的操作压强分离要求和R下，某体系精馏所需总理论板数与q之间存在如下关系：,5加料热状态的选择,2020/10/30,由此可见，R一定，q值愈小，即进料前经预热，使其温度升高，由冷液变为饱和蒸汽后加入塔内所需的总板数NT增多。,2020/10/30,若F，xf，xD，xw，QR给定

16、，试问qNT？,若再沸器面积已选定，即QR给定，问题为：,思考,2020/10/30,，,同样以全塔热量衡算来分析：,QR一定，则,提馏线斜率,又,当q(1-q)V,又,D一定，R精馏段操作线远离平衡线NT 但需指出，这是以增加能耗为代价的，但（Qf+QR），（QC）。,综上分析，在热耗不变的情况下，热量应尽可能在塔底输入，使所产生的汽相回流能在全塔中发挥作用，而冷却量应尽可能施加于塔顶，使所产生的液体回流能经过全塔发挥最大的效能。,2020/10/30,有的同学可能会问：照此讲，工厂中精馏塔进料只有冷液进料了。不存在其它进料情况了？ 工业上有时采用热态或冷态进料，其目的不是为了减少理论板数，而是为了减少再沸器或塔釜的加热负荷。尤当塔釜温度过