化工原理：7-5 簡單塔雙組分理想體系連續(xù)精餾計算

1、 全塔物料衡算總物料衡算：易揮發(fā)組分物料衡算：恒摩爾流假定對于沒有進料和采出的一段塔板氣相摩爾流量恒定液相摩爾流量恒定精餾段提餾段進料板的熱量衡算五種進料熱狀態(tài)再沸器熱流量冷凝器的熱流量通過物料衡算、熱量衡算、相平衡關系，構建了精餾過程的數學模型但是，對于精餾過程，了解尚不深入相互關系、相互影響通過簡單的、典型的精餾過程，進一步分析雙組份、理想體系7.5 簡單塔雙組分理想體系連續(xù)精餾計算7.5.1 精餾操作線方程(1) 精餾段操作線方程 由物料衡算得：則 精餾段操作方程說明：該方程表示了精餾段相鄰兩塔板下降液體組成（第n塊板）和上升蒸汽組成（第n+1塊板）之間的關系，即任一塔截面汽、液兩相組成

2、之間的關系。q nL n-1,x n-1qnVn ,ynqnVn+1 ,yn+1q nL n,x nn則： 提餾段操作線方程(2) 提餾段操作方程(1) 操作線方程的圖示（x-y 圖） 精餾段操作線方程的分析與圖示7.5.2 進料熱狀態(tài)對精餾操作的影響過點（xD，xD）和點（0， xD /（R+1）的直線。 提餾段操作線方程的分析與圖示過點（ xW， xW）的直線，斜率與q有關。或兩線交點坐標（xq，yq）為：聯立求解兩方程，得到其交點的軌跡方程為： q 線方程q 一定時，過點（zF，zF）斜率為q/（q-1）的直線。 (2) q 線方程與圖示意義：一定的進料狀態(tài)下，操 作回流比改變時，兩操

3、作線交點的軌跡方程。 圖示：（1）精餾段操作線（2）q 線 （3）提餾段操作線 說明： q，提餾段操作線斜率增大。 提餾段操作線與進料量F無關。 提餾段操作線方程經變換，與xD，xW，zF，q，R有關。注意q的兩個特殊值：飽和液體進料：q=1 飽和蒸汽進料：q=0q=1q10q1q=0q0zFxDxW (3) 進料狀態(tài)參數對操作線的影響當R不恒定7.5.3 理論塔板數的計算已知:確定完成分離任務所需的理論塔板數。計算方法：（1）逐板計算法；（2）圖解法(1) 逐板計算法條件： 塔頂蒸氣在冷凝器中全部冷凝； 泡點回流。.操作線方程改為提餾段操作線方程直到則 n為所需的理論板數，進料位置為第m塊板

4、。精餾段m-1，提餾段n-mxD= y1 x1 y2 x2 y3 x3 平衡操作. 塔底再沸器相當于一塊理論板，故塔內理論板數為N1。 應注明 N？（包括或不包括釜）； N精 NF 1； N提 N N精； 應該清楚每一步計算和塔板情況的對應關系；注意：（2）圖解法 作平衡曲線； 由D (xD,xD) 和 b= xD/(R+1) 作精餾段操作線； 由F (zF, zF) 點和 K=q/(q-1)作q線； 由xD、zF、xW作垂線與對角線交于D、F、W點; 由交點Q (xq,yq) 和 W (xW, xW) 作提餾段操作線； 由D點開始, 在平衡線與操作線之間畫梯級求N。計算示例已知:圖解法求 N

5、（1）物料衡算（2）塔內氣液分布（3）三條線方程01.01.0 xyDFQW和逐板計算法存在對應關系 汽、液通過任一理論塔板時組成的變化說明： nc b xn x n-1 yn+1yn水平線長度: 通過第n板液相組成變化垂線長度: 通過第n板氣相組成變化 梯級的意義 圖解方法的優(yōu)點 避免了繁瑣的計算，形象直觀，便于理解和分析實際問題。 進料熱狀態(tài)參數q的影響 q ， Kq ，Q點右移，提餾段操作線與平衡線距離 ， 提餾段各塔板分離能力，N 。 影響N的因素分析N 決定于操作線：xD，xW，R，zF，q，平衡線：物系，T，P （）xD， xW 分離要求提高，則 N 和逐板計算法存在對應關系（3）

6、進料位置的討論（a）進料位置確定原則：兩操作線交點Q所在梯級。 （b）Q點為最優(yōu)進料位置的分析 上移或下移均對分離不利，導致 N 增加。提前進料:滯后進料:（c）進料位置對分離的影響 圖示：（1）精餾段操作線（2）q 線 （3）提餾段操作線 理論塔板數的計算計算方法：（1）逐板計算法；（2）圖解法(1) 逐板計算法直到則 n為所需的理論板數，進料位置為第m塊板。精餾段m-1，提餾段n-m和逐板計算法存在對應關系分離要求不變，R不變，q 變小q 的影響討論1理論板數熱量加入的位置、量分離要求不變， 不變，q 變小q 的影響討論2理論板數熱量加入的位置、量7.5.4回流比的選擇分離要求不變，進料狀

7、態(tài)不變，增大回流比回流比的影響討論1理論板數如果N也不變 全回流與最少理論板數概念： R= ，qnD =0 稱為全回流 此時 qnW = qnD = qnF =0 特征： 操作線與對角線重合，yn+1=xn； 塔板分離能力最大； 完成分離任務所需N稱為最少理論塔板數，Nmin；應用: 開工、科研、設計。 最小理論板數的確定 :圖解法 、 逐板計算法。a） 圖解法在平衡線與對角線之間畫梯級，直至xnxW為止。b) 逐板計算法計算思想：由xD始，依次反復應用平衡關系與操作關系，直至 xnxW為止。 平衡關系：對第n塊板：n第n塊板A組分對B組分的相對揮發(fā)度。 操作關系： 逐板計算當塔頂為全凝器時：

8、板序號 平衡關系 操作關系 12n整理得：達到規(guī)定的分離要求時對雙組分： Fenske 方程圖解法在平衡線與對角線之間畫梯級，直至xnxW為止。 最小回流比a）定義回流比減小，兩操作線同時向平衡線靠近，所需理論板數增加；繼續(xù)減小至交點Q移至平衡線上時（點），則所需的理論板數無窮多；對應的回流比稱為最小回流比 Rmin。b）計算：設（xe， ye) 則通過 q 線確定xe ye最小回流比操作回流比全回流如何選擇適宜回流比特殊平衡關系下的Rmin 適宜回流比再沸器和冷凝器設備費，塔板數，塔高，塔徑操作費設備費和操作費的權重并不是一成不變的7.5.5 理論塔板數的簡捷計算法R、Rmin、NT和Nmi

9、n的關系可以用吉利蘭(Gilliland)圖表示。注意：NT、Nmin均已包括釜。曲線可近似表示為：簡捷法具體步驟是：（1）根據精餾給定條件計算Rmin ； （2）由Fenske方程及給定條件計算Nmin。（3）計算（4）查得（5） 計算計算示例說明：簡捷法主要用于對理論塔板數的初估。7.5.8 實際塔板數及塔板效率 (1) 實際塔板數注意：N為塔內理論塔板數（不包括塔釜）， 實際板數要取整 。(2) 塔板效率 總板效率 ET意義：反映了整個塔分離的綜合性能，即為達到某一分離要求， 理論上所需塔板數和實際需要塔板數之間的關系。影響ET的因素：a） 汽、液兩相流體的物理性質；b）操作參數，如溫度

10、、壓力等；c）塔結構、湍動程度、相際接觸面積等。ET的來源：a）經驗公式 ；b）實測數據 來源生產塔或中間試驗塔 。0. 10.40.20.66421.00.10. 40. 20. 61.00. 8精餾塔效率關聯曲線10總板效率 ETOConnell搜集了幾十個工業(yè)精餾塔 單板效率（Murphree 效率） Vaporization efficiency（氣化效率）Murphree efficiency7.6 復雜塔精餾過程分析 應用 特點 a）提高了傳熱效率，省去一再沸器；b）應考慮廢水問題 所分離混合物是由水和比水易揮發(fā)組分組成的混合物時。7.6.1 水蒸氣直接加熱的蒸餾 操作線方程精餾段

11、：與間接加熱的相同。達到與間接加熱相同的xD及xW時， 所需的理論板數略少。 水蒸氣直接加熱的蒸餾計算7.6.2帶側線采出的精餾C2H4 C2H6 微量CH4 特點側線出料將塔分為多段, 各段對應各自的操作線和操作方程。 應用 需要幾種不同純度的產品時 混合物按其沸程作大概的分割時。 操作線方程 對雙組分帶側線采出的精餾過程分段進行物料衡算確定塔內操作線方程。說明：采出液相側線產品，采出段操作線斜率小于精餾段操作線的斜率，側線采出板與進料板之間塔板的分離能力下降。采出液相側線：回流比不變說明：采出氣相側線產品，采出段操作線斜率小于精餾段操作線的斜率，側線采出板與進料板之間塔板的分離能力下降。采

12、出氣相側線：回流比不變說明：精餾段設側線采出最小回流比的增大操作回流比調節(jié)范圍減小對精餾過程的分離和生產過程的節(jié)能不利。側線采出可節(jié)省一個塔的投資費和操作費。7.6.3 多股進料 特點 多股進料將塔分為多段, 各段對應各自的操作線和操作方程。 應用 兩股組分相同而組成不同的物料在同一塔內分離。 操作線多股進料的精餾操作線圖示7.6.4 回收塔 應用特點 只有提餾段，無精餾段, 進料液為塔頂回流液。 操作線方程 理論板數的求法 圖解法q=1 恒摩爾流q= 1回收塔的理論板數計算過程7.6.5 塔頂設部分冷凝器 目的 節(jié)省高品位冷劑。 分凝器相當于一塊理論板塔內總理論板數則等于（N2）塊理論板。干

13、氣制乙苯工藝，塔頂組成：苯：90%干氣：10%1.0MPa，泡點-15需要氨冷分凝：140發(fā)生蒸氣7.5.7 精餾過程優(yōu)化與分析進料位置回流比操作壓力理論板數熱進料狀態(tài)參數優(yōu)化（1）診斷分析步驟 充分調查，收集數據； 應用物料衡算的關系檢驗精餾塔采出量的合理性。如果采出不合理，就不可能使塔兩端產品同時達到要求。 應用熱力學原理，如相平衡關系，分析塔內溫度、壓力、組成等分布的合理性。應用理論級及塔板效率的基本概念，分析影響分離能力的主要原因?？疾樗宓乃W性能，分析影響塔生產能力和分離能力的原因。 塔的一端產品不合格（2）故障診斷首先考慮塔的采出量是否滿足物料衡算關系： 塔兩端產品不合格 a）

14、 生產負荷的影響 塔的進料流量處理能力或生產負荷。 生產負荷不能超過對應工況下塔的最大生產能力。措施：減少進料量，增大回流比。措施：調整采出量，使之與分離要求相匹配。 b） 進料條件的影響 進料條件包括進料量、組成及熱狀態(tài)。 進料熱狀態(tài)的影響：措施：調整進料位置，適當提高回流比。q = 10 q 1c） 理論板數的影響 塔的分離能力取決于理論塔板數和各板分離能力。 措施：提高理論板數或提高操作回流比。d） 回流比的影響 回流比接近最小回流比時，塔內各板分離能力降低，導致產品質量不合格。 措施：提高理論板數或提高操作回流比。e ）輔助設備和公用工程的影響 主要輔助設備包括再沸器和冷凝器，有時包括

15、中間再沸器和中間冷凝器。 公用工程主要指加熱蒸汽、冷卻水或冷劑。（2） 塔壓的選擇塔壓高： 塔壓波動生產負荷大時出現，且塔壓差持續(xù)上升原因： 由于工況改變引起塔內溫度變化，導致“淹塔”； 對深冷系統，可能形成“凍堵”； 對易聚合、易結焦的體系，可能造成液流不暢； 剛檢修開車時，確認塔內無固體雜物堵塞； 改造后，降液管面積或底隙過小設計。 塔溫變化 塔壓恒定，塔兩端溫度同時下降原因： 塔頂采出量有所減少； 進料中易揮發(fā)組分含量有所增加； 進料量增加，而采出量未增加。某車間用一連續(xù)精餾塔，分離含苯0.4（摩爾分率，下同）的苯-甲苯混合液，進料量為100 kmol/h，進料狀態(tài)為汽、液混合進料，其中含液體量為80%，在最佳位置進料。常壓操作，泡點回流，回流量為137 kmol/h，塔頂、塔底分別得到含苯0.97和含甲苯0.97的產品。對離開第一塊塔板液相取樣分析，其組成為0.94。苯甲苯常壓相對揮發(fā)度可取為2.47。試求：1.塔頂、塔底的產品流量；2.塔的操作