精馏过程数学描述的基本方法(级式).ppt

2019 12 26 1 第9章精馏 2019 12 26 2 9 4 2精馏过程数学描述的基本方法 级式 1 逆流多级传质操作 板式精馏塔 2 过程描述的基本方法 物料衡算热量衡算过程特征方程 与传质速率及平衡相关 9 4精馏 2019 12 26 3 9 4 3精馏过程数学描述 级式 1 物料衡算 单块塔板 第n块塔板 摩尔流量kmol s 总物料衡算 轻组分 9 4精馏 2019 12 26 4 2 热量衡算 第n块塔板 注 饱和蒸汽的焓i为泡点液体的焓i与气化潜热r之和 9 4精馏 9 4 3精馏过程数学描述 级式 热焓kj kmol 2019 12 26 5 2 热量衡算 若忽略组成与温度所引起的饱和液体焓i的变化 气化潜热r无差别 9 4精馏 9 4 3精馏过程数学描述 级式 2019 12 26 6 2 热量衡算 可得 0 恒摩尔流假设 9 4精馏 9 4 3精馏过程数学描述 级式 根据9 40 物料衡算 2019 12 26 7 恒摩尔流假设 是什么 在精馏塔内没有加料和出料的任一塔段中 上升的蒸汽或者下降的液体的摩尔流量分别为常数 即气相和液相通过塔板前后的摩尔流量相等 为什么 汽化潜热 a和b按摩尔计的汽化潜热相等气液接触时因温差引起显热交换可忽略热损失 为0v l 精馏段内各板上升蒸汽流量与下降液体流量 提馏段内各板上升蒸汽流量与下降液体流量 9 4精馏 9 4 3精馏过程数学描述 级式 2019 12 26 8 3 塔板传质过程的简化 理论板与板效率 理论板 是一个气液两相皆充分混合而且传质与传热过程的阻力皆为0的理想塔板 传递过程的特征方程简化为 泡点方程 相平衡方程 9 4精馏 9 4 3精馏过程数学描述 级式 2019 12 26 9 3 塔板传质过程的简化 理论板与板效率 板效率 实际塔板不同于理论板 为表达实际塔板与理论塔板的差异 引入板效率 与传质速率相关 与离开第n板液相组成xn成平衡的气相组成 气相的默弗里板效率 9 4精馏 9 4 3精馏过程数学描述 级式 2019 12 26 10 综上所述 引入恒摩尔流假设的理论板是 物料衡算式 相平衡 9 4精馏 9 4 3精馏过程数学描述 级式 2019 12 26 11 加料板的过程分析 1 加料的热状态 原料入塔时的温度或状态称为加料的热状态 2 理论加料板 不论进入加料板各物流的组成 热状态及接触方式如何 离开加料板的气液两相温度相等 组成互为平衡 9 4精馏 9 4 3精馏过程数学描述 级式 2019 12 26 12 设第m块板为加料板 物料衡算式 相平衡 9 4精馏 9 4 3精馏过程数学描述 级式 2019 12 26 13 加料板的过程分析 3 精馏段与提馏段两相流量的关系 物料衡算式 热量衡算式 9 4精馏 9 4 3精馏过程数学描述 级式 2019 12 26 14 加料板的过程分析 定义q 9 4精馏 9 4 3精馏过程数学描述 级式 2019 12 26 15 加料板的过程分析 于是有 q 加料热状态参数 其大小等于每加入1kmol的原料 使提馏段液体增加的摩尔数 9 4精馏 9 4 3精馏过程数学描述 级式 2019 12 26 16 加料板的过程分析 q 0 为饱和蒸汽加料01 冷液加料q 0 为过热蒸汽加料 9 4精馏 9 4 3精馏过程数学描述 级式 2019 12 26 17 4 精馏塔内的摩尔流率 考虑塔顶的蒸汽全部冷凝 全冷凝 回流液的流量为l 精馏段 提馏段 塔顶蒸汽全部冷凝为泡点液体时 冷凝器的热负荷为 塔釜热负荷 v l 9 4精馏 9 4 3精馏过程数学描述 级式 2019 12 26 18 例题 课内阅读 9 4精馏 2019 12 26 19 塔釜物料衡算 精馏塔蒸馏釜 视作一块理论板 离开塔釜的气液两相组成互为平衡 9 4精馏 9 4 3精馏过程数学描述 级式 2019 12 26 20 冷凝器物料衡算 回流液体组成为x0 9 4精馏 9 4 3精馏过程数学描述 级式 若冷凝器为全凝器 则 2019 12 26 21 作业p999 6 9 7 2019 12 26 22 9 4 4精馏过程的两种解法 1 方程组的联立求解 设某精馏塔共有n块理论板 其中第m块为加料板 最末一块是蒸馏釜 视作一块理论板 a 对于非加料板的物料衡算 b 对于加料板 c 对于釜 9 4精馏 9 50 9 52 9 64 2019 12 26 23 9 4 4精馏过程的两种解法 1 方程组的联立求解 于是 a 9 4精馏 n个物料衡算方程 2019 12 26 24 9 4 4精馏过程的两种解法 1 方程组的联立求解 同时有n个相平衡方程 方程组中 v l v l w皆已知若塔顶设有全凝器 则x0即为离开第1块塔板的气相组成y1 x0 y1 共有2n方程 可解出x1至xn y1至yn共2n个未知数 9 4精馏 b 2019 12 26 25 塔板数由上往下数 分别别为1 2 n 点 x1 y2 xn yn 1 表示两块板间的液气组成 9 4精馏 9 4 4精馏过程的两种解法 2 逐板计算法 2019 12 26 26 9 4 4精馏过程的两种解法 2 逐板计算法 若塔顶产品组成xd已知 对于全凝器 可首先使用相平衡关系求 y1求x1 y2 x2 y3 物料平衡 相平衡 物料平衡 相平衡 对于设计型问题 塔底液相组成xw也是已知的 当算至离开某块塔板的液相组成则xn的下标便是所需要的理论板数 9 4精馏 2019 12 26 27 9 4 4精馏过程的两种解法 2 逐板计算法 逐板计算法事先不需要知道理论板数 特别适用于设计型问题 对于冷凝器 则方程组a的第1式写为 则方程组a的加料板以上前几式相加 精馏段n块板 提馏段 9 4精馏 2019 12 26 28 9 4 5精馏塔的操作方程 1 精馏段操作方程 9 4精馏 精馏段操作方程表明精馏段任一截面 取在两塔板之间处 上升蒸气组成yn 1与下降液体组成xn两者关系受该物料衡算式的约束 图9 22 斜率l v 过 xd xd 2019 12 26 29 9 4 5精馏塔的操作方程 2 提馏段操作方程 9 4精馏 提馏段操作线方程 表示一定操作条件下 提馏段内自任意板n下液体组成xn与其相邻的下层板上升蒸气组成yn 1间的关系 图9 23 斜率l v 过 xw xw 2019 12 26 30 3 操作线 操作方程的图示 xf xf 9 4精馏 9 4 5精馏塔的操作方程 在y x图上 精馏段操作线的端点坐标为y xd x xd 位于对角线a点 经过点 xd xd 斜率为r r 1 其值小于1 截距为xd r 1 2019 12 26 31 3 操作线 操作方程的图示 xf xf 9 4精馏 9 4 5精馏塔的操作方程 在y x图上 提馏段操作线的端点坐标为y xw x xw 位于对角线c点 过点 xw xw 斜率为 其值大于1 w xw是已知的 但l v还要根据精馏段的汽量v 液量l和进料物流量f及q来决定 2019 12 26 32 3 操作线 操作方程的图示 两线的交点 xf xf 9 4精馏 9 4 5精馏塔的操作方程 根据物料衡算得到精馏段操作线和提馏段操作线 两操作线存在一交点 yq xq 2019 12 26 33 3 操作线 操作方程的图示 xf xf 9 4精馏 9 4 5精馏塔的操作方程 两操作线交点的轨迹 xf xf 也在此线上 斜率为q q 1 它完全为进料组成和热状况所决定 称为进料线 简称q线 一般精馏操作进料状况为已知值 因此可按q线作出提馏段操作线 2019 12 26 34 9 4精馏 9 4 5精馏塔的操作方程 不同进料热状况的对比 如下所示 2019 12 26 35 9 4精馏 9 4 5精馏塔的操作方程 不同进料热状况的对比 q 0 为饱和蒸汽加料01 冷液进加料q 0 为过热蒸汽加料 2019 12 26 36 4 理论板的增浓度 xn 1 yn xn yn xn yn 1 a b 表示液体经过该理论板的提纯或增浓程度b c 表示气体经过该理论板的提纯或增浓程度 9 4精馏 9 4 5精馏塔的操作方程 2019 12 26 37 操作线斜率大 意味着经过一块理论板后 汽相的增浓程度变大 液相的增浓程度变大 故操作线斜率大对精馏段的分离是有利的 液相增浓浓程度 思考 精馏段操作线斜率大 对精馏是否有利 2019 12 26 38 9 4精馏 例题 已知某精馏过程采用间接蒸汽加热 塔顶为全凝器 泡点进料 精馏段和提馏段的操作线方程为分别为 y 0 723x 0 263y 1 25x 0 018求 xd xf xw r 解 1 精馏段操作线方程过点 xd xd 求得xd 0 95 2 提馏段操作线方程过点 xw xw 求得xw 0 072 3 精馏段操作线方程的斜