提餾段操作線方程課件

第五章蒸餾

第三節(jié)兩組分連續(xù)精餾的分析和計(jì)算

一、理論板及恒摩爾流1、理論板

離開這種板的氣液兩相互成平衡，而且塔板上的液相組成也可視為均勻的。2、操作關(guān)系

yn+1與xn之間的關(guān)系

3、恒摩爾汽化4、恒摩爾溢流

5、恒摩爾流假設(shè)的條件（1）各組分的摩爾汽化潛熱相等；

（2）氣液接觸時(shí)因溫度不同而交換的顯熱可以忽略；

（3）塔設(shè)備保溫良好，熱損失可以忽略。

二、物料衡算和操作線1、全塔物料衡算

對(duì)總物料：

對(duì)于易揮發(fā)組分：

當(dāng)塔頂、塔底產(chǎn)品組成xD、xW及產(chǎn)品質(zhì)量已規(guī)定，產(chǎn)品的采出率D/F和W/F也隨之確定，不能再自由選擇；當(dāng)規(guī)定塔頂產(chǎn)品的產(chǎn)率和質(zhì)量xD，則塔底產(chǎn)品的質(zhì)量xW及產(chǎn)率也隨之確定而不能自由選擇；在規(guī)定分離要求時(shí)，應(yīng)使塔頂產(chǎn)品的組成應(yīng)滿足塔頂易揮發(fā)組分回收率：易揮發(fā)組分從塔頂采出的量占全部進(jìn)料量中輕組分的百分?jǐn)?shù)。塔底難揮發(fā)組分回收率：

習(xí)題分析1、每小時(shí)將100kmol含苯40%（摩爾%，下同）和甲苯60%的溶液，在連續(xù)精餾塔中進(jìn)行分離，要求釜?dú)堃褐泻讲桓哂?%，塔頂餾出液中含苯95%。（1）試求餾出液和釜?dú)堃旱牧髁?。?）若保持塔頂組成不變，達(dá)到餾出液流量為40Kmol/h是否可行？最大餾出液流量是多少Kmol/h？2、精餾段操作線方程

對(duì)總物料：

對(duì)易揮發(fā)組分：

——回流比

——精餾段操作線方程3、提餾段操作線方程

對(duì)總物料：

對(duì)易揮發(fā)組分：

提餾段操作線方程：5、進(jìn)料熱狀況對(duì)操作的影響

1）定義式2）q的計(jì)算物料衡算：

熱量衡算：

（1）對(duì)于泡點(diǎn)進(jìn)料

（2）對(duì)于飽和蒸汽進(jìn)料

（3）對(duì)于冷液進(jìn)料

（4）汽液混合物進(jìn)料

（5）過熱蒸汽進(jìn)料

對(duì)于飽和液體、汽液混合物及飽和蒸汽三種進(jìn)料而言，q值就等于進(jìn)料中的液相分率。（3）q值與提餾段操作線方程提餾段操作線方程為：

例：用一連續(xù)精餾裝置在常壓下，分離含苯41%（質(zhì)量%，下同）的苯-甲苯溶液。要求塔頂產(chǎn)品中含苯不低于97.5%，塔底產(chǎn)品中含甲苯不低于98.2%，每小時(shí)處理的原料量為8570kg。操作回流比為3，試計(jì)算：（1）塔頂及塔底的產(chǎn)品量；（2）精餾段上升蒸汽量及回流液量；（苯的汽化潛熱rA=93kcal/kg，甲苯的汽化潛熱rB=87.5kcal/kg，苯和甲苯的平均比熱Cp,l=0.45kcal/kg℃，蒸汽的平均比熱Cp,v=0.30kcal/kg℃）。分析：求W、D全塔物料衡算求xF、xW、xD求V、L已知R精餾段物料衡算求求q解：

（1）產(chǎn)品量

(2)上升蒸汽量及回流量

精餾段：

課內(nèi)練習(xí)1、用一精餾塔分離二元液體混合物，進(jìn)料量100kmol/h，易揮發(fā)組分xF=0.5，泡點(diǎn)進(jìn)料，得塔頂產(chǎn)品xD=0.9，塔底釜液xW=0.05（皆摩爾分率），操作回流比R=2，塔頂為全凝器，求：（1）塔頂和塔底的產(chǎn)品量（kmol/h）；（2）塔頂易揮發(fā)組分的回收率為多少；（3）寫出精餾段與提餾段操作線方程。課內(nèi)練習(xí)2、精餾段操作線方程和提餾段操作線方程分別為y=0.67x+0.3和y=1.2x-0.018,求泡點(diǎn)進(jìn)料時(shí)（1）原料液、餾出液、釜液組成及回流比。三、理論塔板層數(shù)的求法

1．逐板計(jì)算法

（已知）

平衡關(guān)系操作關(guān)系1）精餾段平衡關(guān)系操作關(guān)系……泡點(diǎn)進(jìn)料精餾段n-1層2）提餾段（已知）提餾段操作線……提餾段m-1層平衡關(guān)系操作關(guān)系2、圖解法1）操作線作法

a）精餾段操作線b）提餾段操作線的作法

abyxxDxWcxFefdc）q線方程－——q線方程或進(jìn)料方程

d）進(jìn)料熱狀況對(duì)q線及操作線的影響

過冷液體：q>1,

，ef1（）飽和液體：

q=1,

，ef2（↑）汽液混合物

：0<q<1,

，ef3（）飽和蒸汽：q=0,，ef4

（←）過熱蒸汽：q<0,，ef5（）f1f2f3f4f52）圖解方法

xDabefdxFxWc11‘234563、最宜的進(jìn)料位置

四、回流比的影響及其選擇精餾操作必須使塔頂部分冷凝液回流，而且回流比的大小，對(duì)精餾塔的操作與設(shè)計(jì)影響很大。在指定分離要求下，即XD和Xw均為定值時(shí)，增大回流比，精餾段操作線的截距減小，操作線離平衡線越遠(yuǎn)，每一梯級(jí)的垂直線段及水平線段都增大，說明每層理論板的分離程度加大，為完成一定分離任務(wù)所需的理論板數(shù)就會(huì)減少。但是增大回流比又導(dǎo)致操作費(fèi)用增加，因而回流比的大小涉及經(jīng)濟(jì)問題。即應(yīng)考慮工藝上的問題，又應(yīng)考慮設(shè)備費(fèi)用（板數(shù)多少及冷凝器、再沸器傳熱面積大?。┖筒僮髻M(fèi)用，來選擇適宜的回流比?；亓鞅扔袃蓚€(gè)極限值，上限為全回流（即回流比為無窮大），下限為最小回流比，實(shí)際回流比為介于兩極限值之間的某一適宜值。1、回流比對(duì)精餾操作的影響

R↑xD/R+1↓

abyxxDxWcxFefdxD/R+1

NT↓ab

下移R↑D、W不變L、V↑ab與ac重合R=∞NT=NminabyxxDxWcxFefdxD/R+1

R↓xD/R+1↑ab、q線與平衡線交于dR=RminN=∞d點(diǎn)夾緊點(diǎn)N↑ab上移Rmin＜＜R∞

2.全回流和最少理論塔板數(shù)若塔頂上升之蒸汽冷凝后全部回流至塔內(nèi)，這種回流方式稱為全回流。在全回流操作下，塔頂產(chǎn)品量D為零，進(jìn)料量F和塔底產(chǎn)品量D也均為零，即不向塔內(nèi)進(jìn)料，也不從塔內(nèi)取出產(chǎn)品。因而精餾塔無精餾段和提餾段之分了。全回流時(shí)回流比,是回流比的最大值。精餾段操作線的斜率，在y軸上的截距，操作線與上的對(duì)角線重合，即

在操作線與平衡線間繪直角梯級(jí)，其跨度最大，所需的理論板數(shù)最少，以表示?？稍趫D上的平衡線與對(duì)角線之間直接作階梯圖解，也可用平衡方程與對(duì)角線方程逐板計(jì)算得到。全回流操作生產(chǎn)能力為零，因此對(duì)正常生產(chǎn)無實(shí)際意義。但在精餾操作的開工階段或在實(shí)驗(yàn)研究中，多采用全回流操作，這樣便于過程的穩(wěn)定和精餾設(shè)備性能的評(píng)比。xWxD

3.最小回流比對(duì)于一定的分離任務(wù)，若減小回流比，精餾段的斜率變小，兩操作線的交點(diǎn)沿q線向平衡線趨近，表示汽-液相的傳質(zhì)推動(dòng)力減小，達(dá)到指定的分離程度所需的理論板數(shù)增多。當(dāng)回流比減小到某一數(shù)值時(shí)，兩操作線的交點(diǎn)d落在平衡曲線上，如圖所示，在平衡線和操作線間繪梯級(jí)，需要無窮多的梯級(jí)才能達(dá)到d點(diǎn)，這是一種不可能達(dá)到的極限情況，相應(yīng)的回流比稱為最小回流比，以表示。

圖7-20最小回流比4、最小回流比的求法

1）作圖法a）對(duì)于正常的平衡曲線

xq,yq——q線與平衡線的交點(diǎn)坐標(biāo)

qyqxq2）解析法

對(duì)于相對(duì)揮發(fā)度為常量（或取平均值）的理想溶液

飽和液體進(jìn)料時(shí)

飽和蒸汽進(jìn)料時(shí)

5、適宜回流比的選擇

R=（1.1～2）Rmin實(shí)際的回流比一定要大于最小回流比；而適宜回流比需按實(shí)際情況，全面考慮到設(shè)備費(fèi)用（塔高、塔徑、再沸器和冷凝器的傳熱面積等）和操作費(fèi)用（熱量和冷卻器的消耗等），應(yīng)通過經(jīng)濟(jì)核算來確定，使操作費(fèi)用和設(shè)備費(fèi)用之和為最低。在精餾塔設(shè)計(jì)中，通常根據(jù)經(jīng)驗(yàn)取最小回流比的一定倍數(shù)作為操作回流比。近年來一般都推薦取最小回流比的1.1～2倍，即

對(duì)于難分離的物系，R應(yīng)取得更大些。在生產(chǎn)中，設(shè)備都已安裝好，即理論板數(shù)固定。若原料的組成、加料熱狀況均為定值，倘若加大回流比操作，這時(shí)操作線更接近對(duì)角線，所需理論板數(shù)減少，而塔內(nèi)理論板數(shù)比需要的多，因而產(chǎn)品純度會(huì)有所提高。反之，減少回流比操作，情景正好與上述相反，產(chǎn)品純度會(huì)有所下降。所以在生產(chǎn)中把調(diào)節(jié)回流比當(dāng)作保持產(chǎn)品純度的一種手段。

五、精餾塔操作分析精餾塔操作的基本要求是在連續(xù)穩(wěn)定狀態(tài)和最經(jīng)濟(jì)的條件下處理更多的原料液，達(dá)到預(yù)定的分離要求，即在允許范圍內(nèi)采用較小的回流比和較大的再沸器傳熱量。影響精餾穩(wěn)定狀態(tài)和高效操作的主要因素包括：操作壓力、進(jìn)料組成和熱狀況、塔頂回流比、全塔的物料平衡和穩(wěn)定、冷凝器和再沸器的傳熱性能、設(shè)備散熱情況等。由此可見，影響精餾操作的因素十分復(fù)雜，以下就其中主要因素予以分析。

1．物料平衡的影響和制約保持精餾裝置的物料平衡是精餾塔穩(wěn)定操作的必要條件。根據(jù)全塔物料衡算可知，對(duì)于一定的原料液流量F，只要確定了分離程度和，餾出液流量D和釜?dú)堃毫髁縒也就被確定了。而和決定于汽液平衡關(guān)系、原料液組成、進(jìn)料熱狀況q、回流比R和理論板數(shù)NT，因此餾出液流量D和釜?dú)堃毫髁縒只能根據(jù)和確定，而不能任意增減，否則進(jìn)出塔的兩個(gè)組分的量不平衡，必然導(dǎo)致塔內(nèi)組成變化，操作波動(dòng)，使操作不能達(dá)到預(yù)期的分離要求。

2．回流比的影響回流比是影響精餾塔分離效果的主要因素，生產(chǎn)中經(jīng)常用改變回流比來調(diào)節(jié)、控制產(chǎn)品的質(zhì)量。例如當(dāng)回流比增大時(shí)，精餾段操作線斜率L/V變大，該段內(nèi)傳質(zhì)推動(dòng)力增加，因此，在一定的精餾段理論板數(shù)下餾出液組成變大。同時(shí)回流比增大，提餾段操作線斜率L’/V’變小，該段的傳質(zhì)推動(dòng)力增加，因此在一定的提餾段理論板數(shù)下，釜?dú)堃航M成變小。反之，回流比減小時(shí)，減小而增大，使分離效果變差。回流比增加，使塔內(nèi)上升蒸汽量及下降液體量均增加，若塔內(nèi)汽液負(fù)荷超過允許值，則應(yīng)減少原料液流量?；亓鞅茸兓瘯r(shí)再沸器和冷凝器的傳熱量也應(yīng)相應(yīng)發(fā)生變化。

3．進(jìn)料組成和進(jìn)料熱狀況的影響當(dāng)進(jìn)料狀況（xF和q）發(fā)生變化時(shí)，應(yīng)適當(dāng)改變進(jìn)料位置。一般精餾塔常設(shè)幾個(gè)進(jìn)料位置，以適應(yīng)生產(chǎn)中的進(jìn)料狀況的變化，保證在精餾塔的適宜位置進(jìn)料。如進(jìn)料狀況改變而進(jìn)料位置不變，必然引起餾出液和釜?dú)堃航M成的變化。對(duì)特定的精餾塔，若xF減小，則將使xD和xW均減小，欲保持xD不變，則應(yīng)增大回流比。

全塔效率（總板效率）E

六、塔板效率全塔效率：理論板數(shù)與實(shí)際板數(shù)之比稱為全塔效率，又稱為總板效率，用E表示。全塔效率反映了全塔的平均傳質(zhì)效果，但它并不等于所有單板效率是某種簡(jiǎn)單的平均值。如已知全塔效率，就很容易由理論板數(shù)，算出所需的實(shí)際板數(shù)。但問題在于影響塔板效率的因素很復(fù)雜，有系統(tǒng)的物性、塔板的結(jié)構(gòu)、操作條件、液沫夾帶、漏液、返混等等。目前尚未能得到一個(gè)較為滿意地求全塔效率的關(guān)聯(lián)式。比較可靠的數(shù)據(jù)來自生產(chǎn)及中間試驗(yàn)的測(cè)定。對(duì)雙組分混合液全塔效率多在0.5～0.7之間。

習(xí)題分析1、在精餾操作中，回流比減小，精餾段操作線的截距

，操作線與平衡線之間的距離________，所需理論板數(shù)_________。（增大；減少；不變）2、某連續(xù)精餾塔中，若精餾段操作線方程截距等于0，則（1）回流比對(duì)于

；（2）餾出液量等于

；（以上均用數(shù)字表示）3、選擇適宜回流比應(yīng)考慮

和

的總和為最小。正常操作時(shí)的適應(yīng)回流比一般為最小回流比的

倍。4、精餾的操作費(fèi)用主要決定與

及

，而兩者又都取決于

。習(xí)題分析1、在精餾操作中，回流比減小，精餾段操作線的截距

，操作線與平衡線之間的距離________，所需理論板數(shù)_________。（增大；減少；不變）2、某連續(xù)精餾塔中，若精餾段操作線方程截距等于0，則（1）回流比對(duì)于

；（2）餾出液量等于

；（以上均用數(shù)字表示）3、選擇適宜回流比應(yīng)考慮

和

的總和為最小。正常操作時(shí)的適應(yīng)回流比一般為最小回流比的

倍。4、精餾的操作費(fèi)用主要決定與

及