制藥化工原理第五章第四節(jié) 兩組分連續(xù)精餾的分析和計算

第五章

蒸餾

Distillation一、理論板及恒摩爾流二、物料衡算和操作線三、理論塔板層數(shù)的求法四、幾種特殊情況時理論板數(shù)的求法五、回流比的影響及其選擇六、理論板數(shù)的捷算法七、實際塔板數(shù)、塔板效率八、精餾裝置的熱量衡算第三節(jié)

兩組分連續(xù)精餾的

分析和計算

2023/11/2一、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、操作關系

yn+1與xn之間的關系

3、恒摩爾汽化2023/11/24、恒摩爾溢流

5、恒摩爾流假設的條件（1）各組分的摩爾汽化潛熱相等；

（2）氣液接觸時因溫度不同而交換的顯熱可以忽略；

（3）塔設備保溫良好，熱損失可以忽略。

2023/11/2二、物料衡算和操作線1、全塔物料衡算

對總物料：

對于易揮發(fā)組分：

2023/11/2當塔頂、塔底產品組成xD、xW及產品質量已規(guī)定，產品的采出率D/F和W/F也隨之確定，不能再自由選擇；當規(guī)定塔頂產品的產率和質量xD，則塔底產品的質量xW及產率也隨之確定而不能自由選擇；在規(guī)定分離要求時，應使塔頂產品的組成應滿足2023/11/2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料量中輕組分的百分數(shù)。塔底難揮發(fā)組分回收率：

2023/11/22、精餾段操作線方程

對總物料：

對易揮發(fā)組分：

2023/11/2——回流比

——精餾段操作線方程2023/11/23、提餾段操作線方程

對總物料：

對易揮發(fā)組分：

提餾段操作線方程：2023/11/25、進料熱狀況對操作的影響

1）定義式2）q的計算物料衡算：

2023/11/2熱量衡算：

（1）對于泡點進料

2023/11/22023/11/2（2）對于飽和蒸汽進料

（3）對于冷液進料

2023/11/2（4）汽液混合物進料

（5）過熱蒸汽進料

對于飽和液體、汽液混合物及飽和蒸汽三種進料而言，q值就等于進料中的液相分率。2023/11/2（3）q值與提餾段操作線方程提餾段操作線方程為：2023/11/2

例：用一連續(xù)精餾裝置在常壓下，分離含苯41%（質量%，下同）的苯-甲苯溶液。要求塔頂產品中含苯不低于97.5%，塔底產品中含甲苯不低于98.2%，每小時處理的原料量為8570kg。操作回流比為3，試計算：（1）塔頂及塔底的產品量；（2）精餾段上升蒸汽量及回流液量；（3）當原料于47℃進塔和蒸汽進塔時，提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=87.52023/11/2kcal/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）產品量

2023/11/22023/11/2(2)上升蒸汽量及回流量

精餾段：

2023/11/2(3)47℃進料時

將料液由47℃升溫到93℃所需的熱量為：

繼續(xù)加熱

2023/11/2飽和蒸汽進料時

2023/11/2三、理論塔板層數(shù)的求法

1．逐板計算法

（已知）

平衡關系操作關系1）精餾段2023/11/2平衡關系操作關系……泡點進料精餾段n-1層2）提餾段（已知）提餾段操作線……提餾段m-1層平衡關系操作關系2023/11/22、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

2023/11/2abyxxDxWcxFefd2023/11/2c）q線方程－——q線方程或進料方程

2023/11/2d）進料熱狀況對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（）2023/11/2f1f2f3f4f52023/11/22）圖解方法

xDabefdxFxWc11‘234562023/11/23、最宜的進料位置

2023/11/2四、幾種特殊情況時理論板數(shù)的求法

1、多側線的塔

例：在常壓連續(xù)精餾塔中，分離乙醇—水溶液，組成為xF1=0.6（易揮發(fā)組分摩爾分率，下同）及xF2=0.2的兩股原料液分別被送到不同的塔板進入塔內，兩股原料液的流量之比F1/F2=0.5，均為飽和液體進料。操作回流比R=2，若要求餾出流組成xD為0.8，釜殘液組成xW為0.02，試求理論板層數(shù)及兩股原料液的進料板位置。應用場合：多股進料或多股出料2023/11/22023/11/2分析：求理論板層數(shù)圖解法操作線兩股進料三段？解：

組成為xF1的原料液從塔較上部位的某加料板進入，該加料板以上塔段的操作線方程式與無側線塔的精餾段操作線方程相同。

2023/11/2

兩股進料板之間塔段的操作線方程，可按虛線范圍內作物料衡算求得：總物料：

易揮發(fā)組分：

——兩股進料之間塔段的操作線方程2023/11/2因進料為飽和液體

D如何求？全塔物料衡算總物料：

易揮發(fā)組分：

設

2023/11/2對原料液組成為xF2的下一股進料，其加料板以下塔段的操作線方程與無側線塔的提餾段操作線方程相同

2023/11/2各段操作線交點的軌跡方程分別為：2023/11/2理論板層數(shù)為9自塔頂往下的第5層為原料F1的加料板自塔頂往下的第8層為原料F2的加料板2023/11/2總結：塔段數(shù)（或操作線數(shù)）=塔的進出料數(shù)-1各段內上升蒸汽摩爾流量及下降液體摩爾流量分別各自相同各段操作線首尾相接精餾段及提餾段操作線方程的形式與簡單精餾塔相同中間段的操作線方程應通過各段的物料衡算求得2023/11/22、直接蒸汽加熱

應用場合：待分離的混合液為水溶液，且水為難揮發(fā)組分操作線：精餾段：與普通精餾塔相同提餾段：物料衡算2023/11/2（恒摩爾流動）——直接加熱時提餾段操作線方程總物料

易揮發(fā)組分：

2023/11/2由操作線方程知：

提餾段操作線通過橫軸上的x=xw的點（xw,0）,不是c（xw,xw）2023/11/2

例：在常壓連續(xù)精餾中，分離甲醇—水混合液，原料液組成為0.3，（甲醇摩爾分率，下同）冷液進料（q=1.2），餾出液組成為0.9，甲醇回收率為90%，回流比為2.0，試分別寫出以下兩種加熱方式時的操作線方程。1)間接蒸汽加熱2)直接蒸汽加熱。解：

1)間接蒸汽加熱時操作線方程

精餾段操作線方程為：

2023/11/2提餾段操作線方程為：

對易揮發(fā)組分

2023/11/22023/11/22)直接蒸汽加熱時操作線方程精餾段操作線方程與1）同提餾段操作線方程為：

設F=1kmol/h，

加熱蒸汽流量：

2023/11/22023/11/2討論：

當

相同時，兩種加熱方式比較間接蒸汽加熱

直接蒸汽加熱

W

W

NTNT

==<

><

直接蒸汽加熱所需理論板數(shù)比間接蒸汽加熱的多，因為直接蒸汽的稀釋作用，故需增多理論板數(shù)來回收易揮發(fā)組分。2023/11/23、

提餾塔（回收塔）應用場合：蒸餾的目的只是為了回收稀溶液中的易揮發(fā)組分，而對餾出液的濃度不做過多的要求。

D、xDFxFWxW2023/11/2操作線：與完全的精餾塔的提餾段操作線方程相同——提餾塔操作線方程

當為泡點進料時，

通過點a（x=xF，y=xD），點b（x=xW，y=xW），斜率為F/D。2023/11/2xDxFxWbaexD,max2023/11/2xWb當為冷液進料，可與完全的精餾塔一樣先做出q線，q線與y=xD的交點為操作線上端。xFqxD2023/11/2

例：在常壓連續(xù)提餾塔中，分離兩組分理想溶液。該物系平均相對揮發(fā)度為2.0，原料液流量為100kmol/h，進料熱狀態(tài)參數(shù)q為0.8，流出液流量為60kmol/h。釜殘液組成為0.01（易揮發(fā)組分摩爾分率）試求：1)操作線方程2)由塔內最下一層理論板下流的液相組成解：1）操作線方程

2023/11/22）塔內最下一層理論板下降的液相組成

再沸器相當于一層理論板

2023/11/2與

呈操作關系

2023/11/2五、回流比的影響及其選擇

1、回流比對精餾操作的影響

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=Nmin2023/11/2abyxxDxWcxFefdxD/R+1

R↓xD/R+1↑ab、q線與平衡線交于dR=RminN=∞d點夾緊點N↑ab上移Rmin＜＜R∞2023/11/22、全回流及最少理論板層數(shù)

全回流時，D=0，F(xiàn)=0，W=0

；達到給定分離程度所需的理論板層數(shù)最少為Nmin。1）Nmin的求法

a）圖解法

xWxD2023/11/2b）解析法——芬斯克(Fenske)方程式

全回流時操作線方程式為：yn+1=xn∴(yA)n+1=(xA)n，(yB)n+1=(xB)n離開任一層板的汽液組成間的關系為：若塔頂采用全凝器，（yA）1=（xA）D，（yB）1=（xB）D

第一層板的汽液平衡關系為：2023/11/2第一層板和第二層板之間的操作關系為：yA2=xA1,yB2=xB2

即同理，第二板的氣液平衡關系為：2023/11/2若令2023/11/2——芬斯克方程

3、最小回流比的求法

1）作圖法a）對于正常的平衡曲線

2023/11/2xq,yq——q線與平衡線的交點坐標

qyqxq2023/11/2b）對于某些不正常的平衡曲線

由點a（xD,xD）向平衡線作切線，切線的斜率=Rmin/Rmin+1。

2023/11/22）解析法

對于相對揮發(fā)度為常量（或取平均值）的理想溶液

2023/11/2飽和液體進料時

飽和蒸汽進料時

2023/11/24、適宜回流比的選擇

R=（1.1～2）Rmin2023/11/2六、理論板數(shù)的捷算法

1、吉利蘭圖

2023/11/22、簡捷法求理論板數(shù)的步驟根據(jù)物系性質及分離要求，求出Rmin，選擇合適的R；求出全回流下所需理論板數(shù)Nmin

；使用吉利蘭圖，求出所需理論板數(shù)；確定加料位置，可把加料組成看成釜液組成求出理論板數(shù)即為精餾段所需理論板數(shù)，從而可以確定加料位置。

2023/11/2七、實際塔板數(shù)、塔板效率

1、單板效率——默弗里（Murphree）效率

氣相單板效率

操作線平衡線ynyn-y