《板效率及回流比》由会员分享，可在线阅读，更多相关《板效率及回流比（34页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、 四、理论塔板数与板效率四、理论塔板数与板效率精馏塔内存在两种关系精馏塔内存在两种关系相平衡关系和操作线关系相平衡关系和操作线关系每种关系有两种表示每种关系有两种表示: :线图（相平衡线，操作线）线图（相平衡线，操作线）方程（相平衡方程，操作方程（相平衡方程，操作线方程）线方程）FxFDxDWxW理论板和板效率（理论板和板效率（Ideal plate and plate efficiencyIdeal plate and plate efficiency） (1)(1)离离开开塔塔板板的的汽汽、液液两两相相达达平平衡衡，即即离离开开理理论论板板的的两两相相温温度度相相等等，组组成成互互成成平平
2、衡衡。该该板板称称为为理理论板论板(2)(2)汽汽、液液两两相相在在板板上上充充分分接接触触混混合合，塔塔板板上上不不存存在温度差和浓度差；在温度差和浓度差；理论板的概念（理论板的概念（理论板的概念（理论板的概念（Concept of ideal plateConcept of ideal plateConcept of ideal plateConcept of ideal plate） 表表达达理理论论板板上上传传递递过过程程特特征征的的温温度度和和汽汽、液液组组成成可可直直接接由由相相平平衡衡关关系系描描述述，如如 t-x(y) t-x(y) 相相图图、泡泡点点方方程或露点方程。程或露点
3、方程。 v实际塔板上气液两相难以达到平衡，且传递实际塔板上气液两相难以达到平衡，且传递过程与物系的性质、操作条件以及塔板结构过程与物系的性质、操作条件以及塔板结构和安装状况等因素有关，很难用简单地确定和安装状况等因素有关，很难用简单地确定离开实际塔板的汽、液两相温度和组成关系。离开实际塔板的汽、液两相温度和组成关系。v设计中，为了避免寻求这种难以确定的关系，设计中，为了避免寻求这种难以确定的关系，一般是首先根据分离任务计算出所需的理论一般是首先根据分离任务计算出所需的理论板数，然后再根据所选塔板类型以塔板效率板数，然后再根据所选塔板类型以塔板效率进行修正，从而确定出所需的实际塔板数。进行修正，
4、从而确定出所需的实际塔板数。板效率（板效率（Plate efficiencyPlate efficiency） 塔塔板板效效率率（板板效效率率）表表征征的的是是实实际际塔塔板板的的分分离离效效果果接接近近理理论论板板的的程程度度。单单板板效效率率与与全全塔塔板板效效率率是是常常用用的两种表示方法。的两种表示方法。 单单板板效效率率 E Em m 又又称称默默弗弗里里（MurphreeMurphree）板板效效率率，可可用用气气相相单单板板效效率率 E EmV mV 或或液液相相单单板板效效率率 E EmL mL 表表示示，其其定义分别为定义分别为 x xn n, , y yn n 离离开开第第
5、 n n 板板的的液液相相与与汽汽相相的的实际组成；实际组成；y yn n* *, , x xn n* * 与与离离开开第第 n n 板板的的液液( (汽汽) )相相组组成成 x xn n ( (y yn n) )成成平平衡衡的的汽汽( (液液) )相相组组成；成；v分别代表经过一块板后组成的实际分别代表经过一块板后组成的实际变化，分母则为将该板视为理论板变化，分母则为将该板视为理论板时的组成变化。单板效率通常由实时的组成变化。单板效率通常由实验测定。验测定。v注意：单板效率是一块板的平均效注意：单板效率是一块板的平均效率，板上各点的传质差异可进一步率，板上各点的传质差异可进一步由点效率（由点
6、效率（Local efficiencyLocal efficiency）来来表达。表达。全塔板效率 （Overall efficiency） 全全塔塔板板效效率率 E ET T （总总板板效效率率）为为完完成成一一定定分分离离任任务务所所需需的的理理论塔板数论塔板数 N NT T 和实际塔板数和实际塔板数 N NP P 之比之比E ET T 代代表表了了全全塔塔各各层层塔塔板板的的平平均均效效率率，其其值值恒恒小小于于1.01.0。一一般般由实验确定或用经验公式计算。由实验确定或用经验公式计算。经验式：经验式：E ET T=0.49(=0.49(L L) )-0.245-0.245N NT T
7、表示理论板数表示理论板数; ;N NP P表示实际塔板数表示实际塔板数; ;对对一一定定结结构构形形式式的的板板式式塔塔，由由分分离离任任务务和和工工艺艺条条件件确确定定出出理理论论板板数数后后，若若已已知知一一定定操操作作条条件件下下的的全全塔塔效效率率，便便可可求求得得实实际板数。际板数。 引引入入理理论论板板和和板板效效率率两两个个概概念念后后，为为达达到到规规定定的的分分离离要要求求，确确定定精精馏馏塔塔所所需需的的实实际际板板数数就就转转变变为为确确定定所需理论板数和板效率两个问题。所需理论板数和板效率两个问题。 对对一一定定的的分分离离任任务务，所所需需理理论论板板数数目目只只取取
8、决决于于物物系系的的相相平平衡衡以以及及塔塔内内汽汽、液液两两相相的的摩摩尔尔流流量量，与与物物系系的的其其它它性性质质，两两相相接接触触的的传传质质传传热热情情况况及及塔塔板板的的结结构形式等复杂因素无关。构形式等复杂因素无关。理论塔板数理论塔板数 N NT T 是代表了分离任务的难易程度。是代表了分离任务的难易程度。对对符符合合恒恒摩摩尔尔流流假假设设的的双双组组分分精精馏馏过过程程，N N 的的计计算算只只需需应应用用由易挥发组分衡算得出的操作线方程和相平衡关系。由易挥发组分衡算得出的操作线方程和相平衡关系。 理论板数的求法 逐板计算法逐板计算法y1y1x1x2y212yN-2xN-2x
9、N-1yNN-1NmN-2W, xWF, xFD, xDQ一、逐板法逐板法 交替使用平衡关系与操作关系，从塔顶至塔釜逐板进行计算。交替使用平衡关系与操作关系，从塔顶至塔釜逐板进行计算。塔顶采用全凝器。塔顶采用全凝器。x xn nxxd d ( (两操作线交点的横坐标，仅当饱和液体进料时为两操作线交点的横坐标，仅当饱和液体进料时为x xF F) ) 此时第此时第N N板为加料板，提馏段第一块板。板为加料板，提馏段第一块板。N NT T精精=n-1 =n-1 令令x xn n=x=x1 1 改用提段操作关系。改用提段操作关系。 N NT T提提=m(=m(包括塔釜包括塔釜) )理论板数的求法理论板
10、数的求法理论板数的求法理论板数的求法 图解法图解法图解法图解法 步骤：步骤：绘绘相平衡图相平衡图 绘绘操作线操作线 从从a(xa(xD D,x,xD D) )到到c(xc(xW W,x,xW W) )在相平衡在相平衡与操作线间画直角梯级，梯级个数即理论与操作线间画直角梯级，梯级个数即理论板层数（包括塔釜再沸器）。板层数（包括塔釜再沸器）。 yy1xW12345678910axq 线de01.01.0y2y3y6yqxqzFx2x1xD图图解解法法求求理理论论板板数数时时，操操作作线线的的更更换换以以某某梯梯级跨过两操作线交点来判断。级跨过两操作线交点来判断。将将跨跨过过交交点点的的梯梯级级定定
11、为为加加料料板板，板板上上汽汽、液液组组成成与与进进料料组组成成最最为为相相近近，对对一一定定分分离离任任务务，作图所得的梯级最少。作图所得的梯级最少。最最适适宜宜的的加加料料位位置置是是板板上上汽汽、液液组组成成与与进进料料组成最接近处。组成最接近处。 最宜的加料位置（最宜的加料位置（最宜的加料位置（最宜的加料位置（Feed-plate locationFeed-plate locationFeed-plate locationFeed-plate location）适宜的加料位置适宜的加料位置123567812346781234567adccdacda0001.01.01.01.01.01
12、.0yxyxxygf回回流流比比是是精精馏馏过过程程计计算算不不可可缺缺的的重重要要参参数数，塔塔所所需需的的理理论论板板数，塔顶冷凝器和塔釜再沸器的热负荷均与回流比有关。数，塔顶冷凝器和塔釜再沸器的热负荷均与回流比有关。精馏过程的投资费用和操作费用都取决于回流比的值。精馏过程的投资费用和操作费用都取决于回流比的值。回流比的选择回流比的选择 ( (Determination of reflux Determination of reflux ratio)ratio)全回流与最少理论板数全回流与最少理论板数Total reflux and minimum number of plateTotal
13、 reflux and minimum number of plate全回流时：全回流时：R R D D=0 =0 W W=0 =0 F F=0=0精馏段操作线：提馏段操作线：对角线对角线全全回回流流时时操操作作线线和和平平衡衡线线的的距距离离为为最最远远，达达到到相相同同的的分分离离程程度度所所需需的的理理论论板板数数最最少少，以以 N Nmin min 表示。表示。全回流时的理论板数全回流时的理论板数 N Nmin min 可用逐板计算法或可用逐板计算法或图解法求得。图解法求得。对理想溶液，可由芬斯克（对理想溶液，可由芬斯克（FenskeFenske）方程直方程直接计算得。接计算得。最少理
14、论板数最少理论板数 ( (Minimum number of plate)Minimum number of plate)第第 n n 板汽液相平衡关系：板汽液相平衡关系：塔顶为全凝器时，塔顶为全凝器时，y y1 1 = x= xD D全回流操作线：全回流操作线： 离开第离开第 1 1 块板的汽液平衡为：块板的汽液平衡为： 芬斯克芬斯克 ( (Fenske) Fenske) 方程方程如如此此类类推推，可可得得第第 N N 块块板板（塔釜）上升蒸汽组成为（塔釜）上升蒸汽组成为 芬斯克芬斯克 ( (Fenske) Fenske) 方程方程_ _捷算法求理论塔板数捷算法求理论塔板数 即塔釜的液体组成
15、即塔釜的液体组成 对双组分溶液可略去下标A、B式中的塔板数式中的塔板数 N N 即为全回流时所需的最少理论板数即为全回流时所需的最少理论板数 N Nminmin。若取平均相对挥发度若取平均相对挥发度 芬斯克方程芬斯克方程 对于一定的进料和分离要求：对于一定的进料和分离要求：R R ，精精馏馏段段操操作作线线截截距距增增大大，操操作作线线向向平平衡线移动；衡线移动；进进料料不不变变则则 q q 线线不不变变。操操作作线线交交点点 d d 将将向向平平衡衡线线靠靠近近。 R R ，提提馏馏段段操操作作线线也也向向平衡线移动。平衡线移动。结结论论： R R ，达达到到指指定定分分离离程程度度所所需需
16、理理论论板板数将增多。数将增多。最小回流比最小回流比最小回流比最小回流比 ( ( ( (Minimum reflux ratio)Minimum reflux ratio)Minimum reflux ratio)Minimum reflux ratio)最小回流比最小回流比( (RminRmin) )：R R ，两操作线交点，两操作线交点 d d 落在平衡线上，所落在平衡线上，所需的理论板数为无穷多。需的理论板数为无穷多。d d 点称为挟点，其附近称为恒浓区或挟紧区。点称为挟点，其附近称为恒浓区或挟紧区。 qadydxWxdxFxD1.001.0对最小回流比的说明对最小回流比的说明vx xq
17、 q 与与 y yq q 是是q q线与相平衡线的交点坐标线与相平衡线的交点坐标, ,可有相平衡可有相平衡图中读取图中读取, ,也可以计算出来也可以计算出来. .v若泡点进料若泡点进料, , x xq q = x = xF F , ,则则 y yq q 由相平衡方程求得由相平衡方程求得. .v一般情况下，一般情况下，xq xq 与与 yq yq 互成平衡（交点互成平衡（交点 d d 在平衡在平衡线上）。线上）。v平衡线有下凹部分时，平衡线有下凹部分时， R R ，交点，交点 d d 未落到平衡线未落到平衡线上之前，操作线已与平衡线相切（上之前，操作线已与平衡线相切（e e点）。此时恒浓点）。此
18、时恒浓区出现在区出现在 e e 点附近，对应的回流比为最小回流比。点附近，对应的回流比为最小回流比。最小回流比最小回流比 ( (Minimum reflux ratio)Minimum reflux ratio)R Rmin min 公公式式计计算算同同前前，但但式式中中 x xq q与与 y yq q 不不是是一一对平衡数据，需由图上读出。对平衡数据，需由图上读出。 yeqdea01.01.0ydxWxdzFxexDqdea01.01.0yeydxWxdzFxexD适宜回流比的选择（适宜回流比的选择（适宜回流比的选择（适宜回流比的选择（Optimum reflux ratioOptimum
19、reflux ratioOptimum reflux ratioOptimum reflux ratio）实际操作的回流比应介于全回流与最小回流实际操作的回流比应介于全回流与最小回流比两者之间。比两者之间。适宜的回流比根据经济核算来确定，即应在适宜的回流比根据经济核算来确定，即应在操作费用操作费用和和设备费用设备费用之间作出权衡。之间作出权衡。操作费用：操作费用：精馏的操作费用主要决定于再沸精馏的操作费用主要决定于再沸器中产生上升蒸汽器中产生上升蒸汽 V V 所消耗加热介质的所消耗加热介质的量和冷凝器中冷凝塔顶蒸汽量和冷凝器中冷凝塔顶蒸汽 V V 所消耗的冷所消耗的冷却介质的量。而塔内蒸汽量与
20、回流比有关，却介质的量。而塔内蒸汽量与回流比有关，即即可可见见，当当 F F、q q、D D 一一定定时时，R R 增增大大，塔塔内内上上升升蒸蒸汽汽量量增增加加，加加热热和和冷冷却却介介质质的的消消耗耗量量亦亦随随之之增增多多，操操作作费用相应增加。费用相应增加。 总费用设备费操作费费用回流比 RRopt选择适宜回流比的原因选择适宜回流比的原因v当操作费用和设备投资费用之和为最小时，当操作费用和设备投资费用之和为最小时，此时的回流比即为此时的回流比即为最适宜的操作回流比。最适宜的操作回流比。v精馏操作费用主要包括再沸器中加热蒸汽的精馏操作费用主要包括再沸器中加热蒸汽的消耗量（或其它加热介质）
21、和塔顶冷凝器中消耗量（或其它加热介质）和塔顶冷凝器中冷却水（或其它冷却介质）消耗量，而两者冷却水（或其它冷却介质）消耗量，而两者又完全取决于塔内上升的蒸汽量，因又完全取决于塔内上升的蒸汽量，因V V= =L L+ +D D= =（R R+1+1）D D，VV= =V V+ +（q q-1-1）F F所以当所以当F F、D D、q q一定时，上升蒸气量一定时，上升蒸气量V V和和VV皆正比于皆正比于（R R+1+1）。）。当当R R增大时，加热和冷却介质的消耗量亦随之增增大时，加热和冷却介质的消耗量亦随之增加，操作费用随之增加。加，操作费用随之增加。设备折旧费用：设备折旧费用：包括再沸器、冷凝器
22、和塔本身包括再沸器、冷凝器和塔本身的投资费用乘以折旧率。的投资费用乘以折旧率。如果设备材料已选定，则此项费用主要决定于如果设备材料已选定，则此项费用主要决定于设备的尺寸。设备的尺寸。当当R R= =R Rminmin时，塔板层数为时，塔板层数为，故设备费用为，故设备费用为. .但但R R稍大于稍大于R Rminmin, ,塔板层数便从塔板层数便从下降到某一层下降到某一层数，所以设备费用也随之下降。数，所以设备费用也随之下降。 但是当但是当R R继续增大时，塔板层数下降缓慢，继续增大时，塔板层数下降缓慢，设备费用也下降缓慢，而另一方面由于设备费用也下降缓慢，而另一方面由于R R的增的增大，上升蒸
23、气量迅速的增加，从而使塔径、大，上升蒸气量迅速的增加，从而使塔径、再沸器及冷凝器等尺寸相应的增大，因此当再沸器及冷凝器等尺寸相应的增大，因此当R R增大到某一值后，设备费用反而又上升。总增大到某一值后，设备费用反而又上升。总费用：总费用为设备费用和操作费用之和，费用：总费用为设备费用和操作费用之和，总费用最低时所对应的回流比即为适宜回流总费用最低时所对应的回流比即为适宜回流比。比。v思考题思考题: :选择回流比的原则是什么选择回流比的原则是什么? ?为什么为什么? ?v( (什么是最适宜的回流比什么是最适宜的回流比? ?为什么为什么?)?)总费用最少的总费用最少的R R为适宜的回流比。为适宜的
24、回流比。 R=R=（1.11.12.02.0）RminRmin（1 1）X XD D、X XW W一定，一定，RR，X XD D/ /（R+1R+1），N NT T设备费设备费用用（2 2）V=(R+1)DV=(R+1)D，V=V+(q-1)FV=V+(q-1)F，R VR V加热介质量加热介质量 VV冷却介质量冷却介质量，操作费用，操作费用 。 在选择在选择适宜回流比时，要在两者之间作一权衡，使总费适宜回流比时，要在两者之间作一权衡，使总费用最少。回流比有两个极限值，最大回流比和用最少。回流比有两个极限值，最大回流比和RminRmin，适宜回流比介于二者之间。，适宜回流比介于二者之间。 适宜
25、回流比的选择（适宜回流比的选择（适宜回流比的选择（适宜回流比的选择（Optimum reflux ratioOptimum reflux ratioOptimum reflux ratioOptimum reflux ratio）设备费用：设备费用：R R= =R Rmin min 时时，需需无无穷穷多多块块塔塔板板数数，故故设备费用为无穷大。设备费用为无穷大。只只要要 R R 稍稍大大于于R Rminmin，所所需需理理论论板板数数急剧减少，设备费用随之剧减。急剧减少，设备费用随之剧减。随随 R R 的的增增大大，理理论论板板数数减减小小的的趋趋势渐缓。势渐缓。最最适适宜宜的的回回流流比比：
26、精精馏馏过过程程总总费费用用（操操作作费费用用与与设设备备费费用用之之和）最低时的回流比。和）最低时的回流比。 根据实验和生产数据统计R R 进进一一步步增增大大，上上升升蒸蒸汽汽 V V 和和 V V 增增大大，塔塔径径、塔塔板板面面积积、再沸器及冷凝器换热面积增大，设备费用又开始上升。再沸器及冷凝器换热面积增大，设备费用又开始上升。 理论板数 NRmin回流比 RNmin精馏条件：精馏条件：(1) (1) 组分数目组分数目=211=211；(2) (2) 进料热状态包括冷液至过热蒸汽的五种情况；进料热状态包括冷液至过热蒸汽的五种情况；(3) (3) R Rmin min =0.537.0=
27、0.537.0；(4) (4) 组分间相对挥发度组分间相对挥发度=1.264.05=1.264.05；(5) (5) 理论板数理论板数=2.443.1=2.443.1。吉利兰吉利兰 ( (Gilliland) Gilliland) 关联图关联图理论板数的简捷求法理论板数的简捷求法理论板数的简捷求法理论板数的简捷求法 在在精精馏馏塔塔设设计计中中，常常借借助助于于最最小小回回流流比比 R Rmin min 以以及及全全回回流流时时对对应的最少理论板数应的最少理论板数 N Nmin min 的概念初步估算所需的理论塔板数。的概念初步估算所需的理论塔板数。注意：使用该图计算时，条件应尽量与上述条件相
28、近。注意：使用该图计算时，条件应尽量与上述条件相近。 （1 1）根根据据物物系系性性质质及及分分离离要要求求，求求出出 Rmin，并并选选择择适适宜宜的的 R；（2 2）求求出出全全回回流流下下的的 Nmin，对对于于接接近近理理想想物物系系的的溶溶液液，可用可用Fenske方程计算；方程计算；(3)(3)计计算算出出 (R-Rmin)/(R+1)，查查吉吉利利兰兰图图得得 (N-Nmin)/(N+1) ，即可求得所需的，即可求得所需的 N；（4 4）确定加料位置。）确定加料位置。将该图用于双组分和多组分精馏的计算，其大致步骤是：将该图用于双组分和多组分精馏的计算，其大致步骤是：注注意意：上上
29、述述计计算算中中，与与实实际际回回流流比比 R R 对对应应的的 N N 和和与与全全回回流流对应的对应的 N Nminmin，均指包括再沸器的全塔理论板数。均指包括再沸器的全塔理论板数。 吉利兰关联图吉利兰关联图纵坐标纵坐标 (N-Nmin)/(N+1)(N-Nmin)/(N+1)横坐标横坐标 (R-Rmin)/(R+1)(R-Rmin)/(R+1)吉利兰图简捷法求理论板层数简捷法求理论板层数步骤：步骤：1.1.求求R Rminmin2.2.选选R R3.3.计算（计算（R-RR-Rminmin)/(R+1) )/(R+1) 4.4.用芬斯克方程求用芬斯克方程求N Nminmin 5.5.查
30、出对应的查出对应的 (N-(N-N Nminmin)/(N+1) )/(N+1) 6.6.计算计算N N 例例 已知已知 x xF F,x,xD D, x, xW W, R, , R, m m求求: N: N解解 1.1.求求N Nminmin 2. 2.求求R Rminmin 3.(R-R 3.(R-Rminmin)/(R+1)=b)/(R+1)=b 4.(N-N 4.(N-Nminmin)/(N+1)=c)/(N+1)=c 5. 5.得得N N 塔高的计算塔高的计算 Z=NZ=NP PH HT T 塔径的计算塔径的计算 空塔气速：空塔气速：u = 0.60.8 uu = 0.60.8 um
31、axmax经验常数经验常数C Cc=f (Lsc=f (Ls，VsVs，V V，L L，H HT T，h hL L) )（1）史密斯关联图）史密斯关联图横坐标：横坐标： 液气动能参数液气动能参数纵坐标：纵坐标：C20参数：参数：HThL（2）板间距）板间距HT一般一般D1.5m HT=0.40.6m （3）板上液层高度）板上液层高度hL常压常压 hL=0.050.1m 通常取通常取0.050.08m减压减压 hL0.025m（4）（5）适宜的空塔气速）适宜的空塔气速u，即：，即：u=(0.60.8)umaxC20：由由图图653查查得得的的负负荷荷系系数值。数值。C：操作物系的负荷系数。：操作物系的负荷系数。：操操作作物物系系的的表表面面张张力力，N/m。
