化工原理 第六章精餾

1、.第六章 精餾 一、精餾過程的數(shù)學(xué)描述 在化工生產(chǎn)中，常根據(jù)混合液中各組分揮發(fā)度的不同，以精餾實(shí)現(xiàn)均相混合液的分離，二元連續(xù)精餾的基本流程如圖6-1所示。精餾過程的實(shí)質(zhì)是伴有傳熱的傳質(zhì)過程，傳質(zhì)推動(dòng)力取決于相互接觸汽液兩相偏離平衡的程度。因此精餾過程的嚴(yán)格分析除了要應(yīng)用相平衡、物料衡算兩關(guān)系外，還需結(jié)合熱量衡算及傳質(zhì)速率方程。為了避開后兩關(guān)系使分析得以簡(jiǎn)化，在工程上常引入似下兩個(gè)概念：(1)理論板，(2)恒摩爾流，前者將影響板上傳質(zhì)速率的全部因素包括在塔板效率中；后者則是對(duì)熱量衡算的簡(jiǎn)化。于是精餾過程的數(shù)學(xué)描述可歸結(jié)為全塔物料衡算、逐板組成變化兩關(guān)系。以圖6-1的流程分離理想溶液；其已知量、未

2、知量之間的關(guān)系可用圖6-2表示。 圖6-2表明，描述二元連續(xù)精餾的基本方程為（6-1）（6-2）（6-3）由于三式中共涉及11個(gè)基本變量，因此其自由度為8，即須給定其中8個(gè)獨(dú)立變量，才能確定另外3個(gè)變量。二、精餾操作型問題的特點(diǎn)及基本類型 精餾操作型問題的特點(diǎn)是：精餾塔已經(jīng)給定(設(shè)塔板效率已知)。即N、N1(或進(jìn)料位置，通常不一定是最佳進(jìn)料位置)為巳知量，其主要類型如下。(1)對(duì)現(xiàn)有的精餾塔，在給定精餾條件下，核算其可能達(dá)到的分離程度。如：已知N、N1、F、xF、q、R及W，求D、xD、xW。(2)對(duì)運(yùn)行中的精餾塔，當(dāng)某一操作條件改變時(shí)，分析分離效果的變化，是否能獲得合格的產(chǎn)品及為此需采取的措

3、施；還會(huì)產(chǎn)生什么其他的影響。如： 已知N、N1、F、xF、q、R不變，若減少時(shí)，分析D、xD、xW的變化趨勢(shì)； 已知N、N1、F、xF、q、不變，若xF下降，能否采取什么措施使xF不降低?通常對(duì)類型2，操作條件的變化將引起塔內(nèi)液，汽流量的改變，并影響塔板效率，若這一影響甚小而能忽略，便可把操作中精餾塔的理論板數(shù)視為不變。這是本章進(jìn)行精餾塔操作分析時(shí)的一個(gè)前提條件。三、精餾塔操作型問題的分析方法 1 定性分析方法 圖6-2所示的關(guān)系表明，操作條件改變所引起分離結(jié)果(xD、xW等)的變化必須同時(shí)滿足全塔物料衡算和逐板組成變化兩關(guān)系，但二者所起的作用并不相同。分離結(jié)果的改變是由于塔板分離能力(即經(jīng)過

4、一層理論板后，汽相的增濃程度或液相的減濃程度，詳見本章附錄一)的改變引起逐板組成發(fā)生變化所致，而其變化的程度則受全塔物料衡算關(guān)系的約束，因此定性分析時(shí)應(yīng)首先考察逐板組成變化關(guān)系。 逐板組成變化關(guān)系可用M-T圖解法直觀地表示，其基本步驟是畫出精餾段、提餾段二操作線(見圖6-3)：先利用已知條件及物料衡算定出xD、xW，再根據(jù)點(diǎn)a(xD，xD)及c(xD/(R+1)畫出精餾段操作線，并與進(jìn)料q線相交于點(diǎn)d(xd，yd)，然后連點(diǎn)d與b(xW，xW)即得提餾段操作線。原則上，上述步驟也適用于定性分析時(shí)二操作線的作法，但通常點(diǎn)a、b不易同時(shí)確定(除非D、W均不變，否則僅利用FxF=DxD+WxW，無法

5、從xD的變化趨勢(shì)確定出xW的變化趨勢(shì))，因此上述作法通常要稍作改動(dòng)。即畫提餾段操作線時(shí)不再連點(diǎn)d與b，而是從d作斜率為的直線(見圖6-3)。換句話說，畫二操作線時(shí)通常要先確定 (或R)、的變化情況，從而可認(rèn)為用M-T圖解法進(jìn)行定性分析時(shí)，其著眼點(diǎn)是 (或R)、變化的分析。 在分析出、的變化情況后，利用M-T圖解法及全塔物料衡算關(guān)系就可確定xD、xW的變化趨勢(shì)，但由于在作操作線時(shí)xD、xW還待定，因此xD、xW變化情況的分析常要用試差法或反證法；即先假設(shè)xD的一個(gè)變化趨勢(shì)，結(jié)合全塔物料衡算及、的改變情況，作出新工況下的二操作線，然后根據(jù)M-T圖解法看其是否有可能滿足N不變這個(gè)限制條件，若不能滿足

6、，則假設(shè)有誤，應(yīng)予以排除，再假設(shè)新的xD變化趨勢(shì)，直至正確為止。 通常上述方法是行之有效的，但有時(shí)稍顯繁瑣。另外一個(gè)較簡(jiǎn)單的方法是通過考察理論塔板的分離能力來確定xD、xW的變化趨勢(shì)。 影響理論板分離能力的主要因素是、，定性地說，越大(1)，精餾段操作線越靠近對(duì)角線即偏離平衡線，精餾段的分離能力越高，同理，越小(1)，提餾段的分離能力也越高(較嚴(yán)格的分析請(qǐng)參見本章附錄一)。因此利用這個(gè)結(jié)論及全塔物料衡算關(guān)系，可確定操作條件改變后xD、xW的變化趨勢(shì)。 有時(shí)，上述基于塔板分離能力考察的方法還只能定出xD、xW二者之一的變化趨勢(shì)，此時(shí)則還需根據(jù)xD (或xW)、的變化情況，利用M-T圖解法才能定出xD (或xW)的變化趨勢(shì)。 2 定量計(jì)算方法 對(duì)于一般操作型問題的定量計(jì)算，由于xD、xW或R往往是待求量，操作線方程就不能確定，而須用試差法，計(jì)算量較大。若板數(shù)稍多，宜借助計(jì)算機(jī)求解。 定量計(jì)算時(shí)常用的公式如下。 精餾段操作線方程 提餾段操作線方程 進(jìn)料線(g線) 相平衡線 或 應(yīng)該指出，上述內(nèi)容是針對(duì)圖6-1的基本流程而言的，且認(rèn)為總壓不變。若總壓有變化，則需考察總壓對(duì)相平衡關(guān)系的影響(對(duì)理想溶液，總壓增加，略有減小)；若流程有變化(如有側(cè)線、多股進(jìn)