精馏吸收操作型问题示例

精馏操作型问题分析【例5-35】一操作中的精馏塔，若保持F、xF、q 、D不变，增大回流比R，试分析L、V、L、V、W、xD、xW的变化趋势。【解】根据题意，F、xF、q 、D、总理论板数N、精馏段理论板数N1、不变，R增大，分析如下：（1）L、V、L、V、W变化趋势 L=RD，V=(R+1)D，因为D不变、R增大，所以L增大、V增大。 L=L+qF， V=V-(1-q)F，因为F、q不变，所以L增大、V增大。由W=F-D，因为F、D不变，所以W不变。（2）xD、xW的变化趋势可先假设xD不变，则xW=(FxF-DxD)/W 也不变（因为F、D、W、xF不变），结合R增大，作出新工况下的精馏段和提馏段操作线，如图5-7（a）所示的虚线，原工况为实线，可知要完成新工况下的分离任务所需的理论板数比原来的要少，不能满足N不变这个限制条件，因此“xD不变”的假设并不成立。若再假设xD减小，可以得出与xD不变情况下同样的结论，因此若要满足N不变，必有xD增大，又从物料衡算关系得xW减小，其结果如图5-7（b）所示。结论：xD增大、xW减小。 yxyx(a) (b) 图 5-7 例5-35不同情况下的操作线【例5-36】某二元精馏塔，因操作问题，进料并未在设计的最佳位置，而偏下了几块板。若F、xF、q 、R、V均同设计值，试分析L、V、L、D、W、xD、xW的变化趋势。【解】根据已知条件，F、xF、q 、R、V、N、不变，精馏段理论板数N1增大，分析如下：（1）L、V、L、D、W分析V=V+(1-q)F，因为V、q、F不变，所以V不变。D=V/(R+1)，因为R不变，所以D不变。W=F-D，所以W不变。L=V-D，因为V、D不变，所以L不变。L=L+qF，因为q、F不变，所以L不变。（2）xD、xW的分析本题易发生一种错觉：加料板下移使N1增大、提馏段理论板数N2减小，单从两段的分离能力来看，似乎有xD增大、xW增大，但这个推论显然不符合物料衡算式FxF=DxD+WxW。现在用图解法分析： 设xD不变，则xW=(FxF-DxD)/W也不变，结合R不变，得新工况下的操作线同原来的一样，由于进料位置比最佳位置低，则图解结果如图5-8（a）虚线所示，可知所需N增大，而实际上N不变。若再假设xD变大，从物料衡算知xW减小，此时所需要的N明显变大，与实际不符。因此必有xD减小，结合物料衡算知xW增大，如图5-8(b)所示。结论：xD减小、xW增大。yxxy (a) (b)图5-8 例5-36不同情况下的操作线和理论板数求解【例5-37】一操作中的精馏塔，F、xF、q 、V不变。增大回流比R，则L、V、L、D、W、xD、xW的变化趋势？试将结果与例5-35作比较。【解】根据题意F、xF、q 、V、N、N1、不变，R增大，分析如下：（1）L、V、L、D、W分析 V=V+(1-q)F，因为V、q、F不变，所以V不变 D=V/(R+1)，因为R增大，所以D减小。 W=F-D，因为F不变，所以W增大。 L=V-D，因为V不变、D减小，所以L增大。 L=L+qF，因为q、F不变，所以L增大。（2）xD、xW分析因为R增大，所以新工况下的精馏段操作线将向对角线靠近，分离能力增大，所以xD增大；若仅从物料衡算xW=(FxF-DxD)/W看，并不能确定xW的变化趋势。这时，要从提馏段操作线斜率着手分析，提馏段斜率为L/V，L/V=1+W/V，因为V不变、W增大，所以L/V增大，靠近平衡线，提馏段的分离能力下降，所以使得xW增大。结论：xD增大、xW增大。讨论：将本题结果与例5-35的作一下比较，可见同样是R增大，但由于使R增大的手段不一样，操作结果也不一样。其原因是例5-35中提馏段的分离能力因L/V下降（因为V增大、W不变）而提高，本题中它却因L/V增加而下降。说明：例5-35、例5-36同样可用考察塔板分离能力的方法进行分析。比如对例5-35，L/V=R/(R+1)，因为R增大，所以L/V增大。L/V=1+W/V，因为V增大、W不变，所以L/V减小。因为L/V增大、L/V减小、N1 不变、N2不变，所以精馏段、提馏段的分离能力均提高，可得xD增大、xW减小。【例5-38】一精馏塔，冷液进料。由于前段工序的原因，使进料量F增加，但xF、q、R、V仍不变，试分析L、V、L、D、W、xD、xW的变化趋势。【解】根据题意xF、q 、R、V、N、N1、不变，F增大，分析如下：（1）L、V、L、D、W分析 V=V+(1-q)F，因为V、q不变，且q1，所以F增大使V减小。 D=V/(R+1)，因为R不变，所以D减小。 W=F-D，因为F增大、D减小，所以W增大。 L=RD，因为R不变、D减小，所以L减小。 L=V+W，因为V不变、W增大，所以L增大。（2）L/V、L/V的分析 L/V=R/(R+1)，因为R不变，所以L/V不变，即精馏段操作线斜率不变。 L/V=1+W/V，因为V不变、W增大，所以L/V增大。（3）xD、xW分析 设xD不变，利用L/V不变、L/V增大作出新工况下的操作线，如图5-9(a) 虚线所示，可知所需N减小，而实际上N不变；若假设xD变小，则根据L/V不变、L/V增大而得出与xD不变同样的结论，因而必有xD增大，才能使N不变。此时的操作线如图5-9(b)虚线所示，由图得，xW增大。 yxyx(a) (b) 图5-9 例5-38不同情况下的操作线物料衡算验证：F增大、D减小、W增大、xD增大、xW增大能满足FxF=DxD+WxW。如从塔板分离能力考察，因为L/V增大、提馏段理论板数不变、xF不变，所以xW增大。由于F增大、D减小、W增大，故暂无法从物料衡算确定xD的变化趋势，而须根据N不变画出新工况下的操作线才能定。结合xW增大、L/V增大、L/V不变、 N 不变，画出新工况下的操作线，如图5-9(b)虚线所示，即xD增大。注意：不能仅从操作线斜率L/V不变、xF不变就得出xD不变的结论。由于提馏段塔板分离能力下降，致使加料板上升蒸汽组成增大，而精馏段分离能力不变，因此xD增大。一般情况下，若L/V有变化，则加料板上升蒸汽组成的改变对塔分离结果的影响比不上L/V的影响大（如例5-35），因而可从L/V增大、xF不变得出xD增大的结论。本题L/V不变，则加料板上升蒸汽组成的变化对塔顶xD的影响要考虑。结论：xD增大、xW增大。讨论：从例5-35到例5-38的分析可知，不论用图解法还是用考察塔板分离能力的方法，二者所得的结果相同。实际上分离能力的变化也可以从图解法中分析得到，若考察精馏段的分离能力，可以在图上先假设xD不变时，分析操作线随R的变化，若R变大，则操作线斜率变大，此时远离平衡线，分离能力变大，反之，R变小，分离能力减小；若考察提馏段的分离能力，则先在图上假设xw不变时，分析操作线随L/V的变化，若L/V增大，即操作线斜率变大，则靠近平衡线，分离能力变小，反之，L/V减小，分离能力变大。与图解法相比，考察塔板分离能力的方法相当于免去了考察xD不变时的步骤，比较简单，但二者的实质是一致的。因此以后的例题中，如无必要，均采用基于塔板分离能力的方法。【例5-39】一正在运行中的精馏塔，因进料预热器内加热蒸汽压力降低致使进料q值增大。若F、xF、R 、D不变，则L、V、L、V、W、xD、xW 将如何变化？【解】根据题意，F、xF、R 、D不变，q值增大，分析如下：（1）L、V、L、V、W分析 L=RD , V=(R+1)D，因为D、R不变，所以L、V不变。 L=L+qF， V=V-(1-q)F，因为q增大 、F不变，所以L增大、V增大。 W=F-D，因为F不变、D不变，所以W不变。（2）L/V、L/V分析 L/V=R/(R+1)，因为R不变，所以L/V不变。 L/V=1+W/V，因为V增大、W不变，所以L/V减小。（3）xD、 xW分析 因为L/V减小、提馏段塔板数不变，所以提馏段分离能力增大，结合xF不变，可得xW减小。xD=(FxF-WxW)/D，因为F、D、W不变，所以xD增大。 结论：xD增大、xW减小。 说明：xD、xW也可如下分析，因为q增大、xF不变，所以加料板上升蒸汽的浓度增加，而精馏段分离能力不变，所以xD增大，又从物料衡算知xW减小。【例5-40】一正在运行中的精馏塔，由于前段工序的原因，使料液组成xF下降，而F、q、R 、V仍不变。试分析L、V、L、D、W、xD、xW将如何变化？【解】根据题意，F、q、R 、V不变，xF下降，分析如下：（1）L、V、L、D、W分析 V=V+(1-q)F，因为V、q、F不变，所以V不变。 D=V/(R+1)，因R不变，所以D不变。 W=F-D，因为F、D不变，所以W不变。 L=RD，因为R、D不变，所以L不变。 L=V+W，因为V、W不变，所以L不变。（2）L/V、L/V分析 因为R不变，所以L/V不变。因为V、W不变，所以L/V不变。（3）xD、xW分析因为L/V、L/V、精馏段和提馏段理论板数N1、N2均不变，所以精馏段、提馏段的分离能力不变，结合xF减小，可得xD减小、xW减小。 物料衡算考察：因为F、D、W不变，所以xF减小，xD减小，xW减小可满足FxF=DxD+WxW。 结论：xD减小、xW减小。吸收操作型问题分析【例6-31】在一填料吸收塔内吸收某低浓度混合气体中可溶组分，现因故吸收剂中溶质含量升高，若保持其他操作条件不变，则出口气、液相组成将如何变化？【解】根据已知条件，xa增大，而T、P、L、G、yb、h保持不变。因为m是温度、压力的函数，因为T、P不变，所以m不变。 恒定T、P下，因为L、G不变，所以Kya、Kxa不变。因为，所以HOG不变。又，可知NOG、S不变，得(yb-mxa)/(ya-mxa)不变。令 （c不变且c1）则 因为xa增大，所以ya增大。根据 所以从式可知，xa增大将使xb增大。分析xb的变化时还可以用图解法。图6-12 例6-31附图分析如图6-12：1线是吸收剂中溶质含量未升高时的操作线，当吸收剂中溶质含量升高时，如升高到，由以上分析知，此时ya增大，而液气比是不变的，所以操作线应与1线平行，存在有两种可能，一种如2线所示，此时操作线向平衡线靠近，平均推动力变小，但传质单元数仍能保证和1线时同样多，所以是合理的，分析得xb增大。另一种可能如3线所示，此时偏离平衡线较远，所需的传质单元数变少，而实际上传质单元数是不变的，所以这种情况不合理。结果：ya增大、xb增大。说明：分析xb时常可采用下述近似方法因为yayb，所以，因为xa增大，而L、G、yb不变，所以xb增大。【例6-32】在一填料塔中用清水吸收空气-氨混合气中的低浓度氨，若清水适量加大，其余操作条件不变，则出口气、液相中氨的浓度将如何变化【解】根据已知条件，L增大，而T、P、G、xa、yb、h保持不变。由于水吸收氨过程一般属气膜控制，因为G不变，所以Kya基本不变，从而HOG不变，NOG也不变。因为L增大，所以S减小，结合NOG不变，可得(yb-mxa)/(ya-mxa)增大。因为xa、yb不变，所以ya减小。又，因为ya减小，所以增大，但由于L增大，暂无法从全塔物料衡算确定xb的变化趋势。此时xb的分析可用作图法分析。图6-13 例6-32附图 图6-13中，1线是清水量未加大时的操作线，当清水量加大后，由以上分析得ya减小，假设减小到，若此时xb不变，如图中2线所示，则比1线更靠近平衡线，平均推动力减小，则需要的传质单元数增多，而传质单元数是不变的，所以2线不对，若xb变大，则需要的传质单元数更多。所以xb应减小，比如减小到，此时的操作线如3线所示，才能保证传质单元数不变。结果：ya减小、xb减小。说明：若采用近似方法分析，则因为yayb，所以,，因为L增大，而G、xa、yb不变，所以xb减小。【例6-33】用填料吸收塔处理低浓度气体混合物，如其他操作条件不变而入口气量适度增加，则出口气、液组成将如何变化？【解】据题G增大，而T、P、L、xa、yb、h保持不变。因为T、P不变，所以m不变。因为L不变、G增大，所以kxa不变、kya增大。因为，所以Kya增大，但Kya的增加率比G的增加率要小。由HOG=G/(Kya)，从而G增大使HOG增大。NOG=h/HOG，因为h不变，所以NOG减小。S=mG/L， 因为m、L不变，G增大，所以S增大。因为NOG减少、S增大，可知(yb-mxa)/(ya-mxa)减小。因为yb、xa不变，所以ya增大。又 由于L、xa、yb不变，G增大、ya增大，暂无法从全塔物料衡算确定xb的变化趋势。采用反证法：设xb减小，则增大，又增大，从而增大。由于Kya增大，所以增大。而此时xb减小将使L(xb-xa)减小，从而式不满足，说明原假设有误。同理可证“xb不变”也是错误的，所以必有xb增大。结果：ya增大、xb增大。说明：分析xb仍可采用近似方法。因为yayb，所以，因为G增大，而L、yb、xa不变，所以xb增大。【例6-34】用填