精馏过程的物料衡算与操作线方程论述

2020/5/23，第三章，传质分离过程，3.2.3精馏过程的物质平衡计算和运行线方程1，整体塔物质平衡计算2，恒定摩尔流的假设3，精馏塔的供给热状态4，运行线方程，2020/5/23，这里讨论的板式蒸馏塔设计类型计算问题的主要内容如下：(1)确定产品的流动或配置；(2)确定精馏塔的理论板层数和适当的供应位置。(3)确定适当的操作回流费；(4)计算冷凝器、再沸器热负荷等。蒸馏过程的计算内容，2020/5/23，2020/5/23，1，全塔材料平衡计算，精馏塔各股票材料(包括饲料、塔产品和塔底产品)的流动，配置之间的关系可以通过全塔材料平衡计算来确定。全塔式物料平衡，单位时间基准，如总物料平衡：f=d w，挥发性成分物料平衡：2020/5/23，格式：F原料液体，kmol/h；D塔产品(馏出物)量，kmol/h；W塔式地板产品(茶壶)量，kmol/h；XF原料液体组成，摩尔分数；XD塔产品配置，摩尔分数；XW塔式地板产品配置，摩尔分数。2020/5/23，在蒸馏计算中，除了要求塔顶和塔底的产品配置外，还出现回收率的情况。塔顶挥发性成分的回收率A:塔壶挥发性成分的回收率B:回收率，2020/5/23，2，对恒定摩尔流的假设，蒸馏操作中各层托盘上升的蒸汽相摩尔流和下降的液体摩尔流量一般不相等，为了简化蒸馏计算，一般引入了对恒定摩尔流的假设。(1)恒定的摩尔蒸汽流，恒定的摩尔蒸汽流在精馏塔内蒸馏段或蒸馏区各层的托盘上上升的蒸汽相摩尔的流量各不相同，但两个上升气相摩尔的流量不一定相同。2020/5/23，在蒸馏段中，每个托盘的蒸汽摩尔流量相等。也就是说，与v1=v2=v=常数一样，蒸馏段中每个托盘上升的蒸汽摩尔流量也是相同的。也就是说，v1=v2=v=常数，在表示式中：V蒸馏区上升蒸汽的摩尔流量，kmol/h。V馏出物上升蒸汽的摩尔流量，kmol/h .2020/5/23，(2)恒定摩尔溢出，恒定摩尔溢出在精馏塔内的蒸馏段或蒸馏段的每个托盘中下降的液体摩尔流量各不相同，但两个下降液体摩尔流量不一定相同。在蒸馏段内，每个托盘的下降液体摩尔流量是相同的。也就是说，L1=L2=l=常数，2020/5/23，蒸馏段内每个托盘的下降液体摩尔流量也相同。即L1 =L2 =l =l =常量，表达式中：L蒸馏段减少液体的摩尔流量，kmol/h；L馏分下降液体的摩尔流，kmol/h .恒定摩尔蒸汽流和恒定摩尔溢出总是称为恒定摩尔流假设。2020/5/23，精馏塔各层板中nkmol的蒸汽冷凝，相应成立nkmol的液体汽化，一定摩尔流的假设。为此，必须满足(1)混合物中各成分摩尔蒸发潜热相等的条件。(2)蒸汽-液体接触时，可以忽略根据温度交换的显热；(3)塔设备保温好，可以忽略热量损失。一定的摩尔流是一个简单的假设，但某些物质系统基本上可以满足上述条件，因此，这种系统的蒸馏塔内的蒸汽-液体两相可以视为一定的摩尔流。2020/5/23，3，精馏塔的供给热条件，精馏塔与蒸馏段汽液两相流的关系与精馏塔的供给热状态有关，因此供给热状态直接影响蒸馏段和精馏段的工作线方程。根据工艺条件和操作要求，精馏塔可以供应不同的状态。以XF构成的原料，其供应状态可以是2020/5/23，温度低于泡沫点的冷液体。气泡点饱和液体；发泡剂和露点之间的气液混合物；露点饱和蒸汽；温度高于露点的过热蒸汽。1，5供给热状态，2020/5/23，2，要定量分析供给热状态参数、供给量和热状态对蒸馏操作的影响，需要引入供给热状态参数的概念。材料和热平衡计算、单位时间基准、可用：q称为供给热状态参数。供应列状态不同，q值也不同。2020/5/23，各种供给状态的q值，2020/5/23，4，工作线方程，与yn 1的关系，由从精馏塔中的任何托盘(n板)下降的液体构成xn，下一层托盘(n 1板)上升的蒸汽构成，操作线方程可通过托盘间的材料平衡获得。在连续精馏塔中，原料液在塔中间继续添加，蒸馏段和蒸馏段的工作关系不同，另行讨论。2020/5/23，2020/5/23，1，蒸馏段工作线方程式，图虚线范围(包括蒸馏段n层以上的塔和冷凝器)内的物料平衡计算，基于单位时间，可用：总物料平衡：V=L D，L蒸馏段内每个托盘的液体摩尔流量，kmol/h；Yn 1蒸馏段n 1版上升的蒸汽组成，摩尔分数；Xn蒸馏段n板下落的液体组成，摩尔分数。2020/5/23，将上述两个表达式组合在一起，如下所示：R=L/D，r称为回流比，因此上述两种表达式都称为蒸馏段工作线方程。2020/5/23，两点讨论，(1)这个方程表示在特定操作条件下，由从任意板下降的液体组成的xn和由从其相邻的下一层板上升的蒸汽组成的yn 1之间的关系。(2)这是一个直线方程式，以对角方式通过a(xD，xD)点，R/(R 1)为斜度，或在y轴上截断为xD/(R 1)。2020/5/23，2020/5/23，2，t-t-t-t-t-t-t-t-t-t-t-t-t-tV精馏段的每个托盘中上升的蒸汽流，kmol/h；Xm蒸馏段m托盘下降液中挥发性成分的摩尔分数；Ym 1馏分油m 1托盘上升蒸汽挥发性成分的摩尔分数。2020/5/23，以上两个表达式一起使用的话，有：上述两种形式都称为蒸馏段工作线方程。2020/5/23，两点讨论，(1)此方程表示在特定操作条件下，馏分油内任意板上脱落的液体构成XM与相邻下一层板上升蒸汽构成ym 1之间的关系。(2)切削线方程是直线方程，在连续恒定操作过程中，通过对角线的b(xw，xw)点，使用L/V 作为斜率，或y轴的截距为-wxw/v 。2020/5/23，蒸馏线方程的另一种表示法：利比，利比R 是蒸馏器分段各托盘中脱落的液体量与从塔底部流出的罐(馏出物)量的比率。蒸馏线可替换为：2020/5/23，宰比率和回流比率、供应热状态、供应配置、蒸馏操作必须实现的分离要求和操作过程中使用的回流比之间的关系为2020/5/23，如24%(摩尔)馏分油95%挥发性成分，3%挥发性成分。进入冷凝器的蒸汽量为850kmol/h，进入蒸馏塔的回流液为670kmol/h。1，每小时能得到多少kmol/h的馏分？Kmol/h有多少个茶壶？2，回流比r是？3、编写蒸馏段工作线方程；4、如果供应是饱和液体，请写蒸馏线方程。2020/5/23，解决方案：(1):v=670 kmol/HL=670 kmol/h，v=l d表示馏出物：d=v-l=850 蒸馏线方程式包括：2020/5/23，3、q线方程式(进料方程式)、蒸馏切割线方程式：蒸馏运算线方程式：接合：整个塔的材料平衡方程式和下标：q线方程式、2020/，当进给热状态保持不变时，q为值，q线方程式为直线方程式。q线是y-x图形中经过e(xF，xF)点的坡度比为q/(q-1)的线。供应热状态不同，q值不同，对q线的影响也不同。2020/5/23，2020/5/23，4，在以图形方式查找理论板层数时，必须首先在x-y图形中创建蒸馏段和蒸馏段的工作线。如上所述，蒸馏段和蒸馏段的切割线方程在x-y图中都是直线。绘制时，首先找到工作线和对角线的交点，然后根据已知条件求出工作线的斜率(或节段)，从而形成工作线。2020/5/23，(1) xn=xd时yn 1=xd运行蒸馏段。说明蒸馏线具有横坐标和纵坐标相同的点，该点必须落在对角线上，可以在对角线上找到。阻塞xD/(r 1)由分离要求xD和确定的回流比r计算。在X-y图中，用一个点和一个截距做直线是蒸馏操作线。分划工作线，如，2020/5/23，(2) XM=xw，ym1=xw。说明蒸馏线具有横坐标和纵坐标相同的点，该点必须位于对角线上，可以在对角线上找到。截断点-xW/(R 1)由分离要求xW和确认的levie R 计算。在X-y图中，通过一点和一个节气创建直线是蒸馏运算线。2020/5/23，2020/5/23，如图所示，蒸馏段工作线的偏差值很小。因此，蒸馏段工作线不易准确制作，这种映射方法不能直接反映供给热条件的影响。因此，蒸馏段工作线通常以以下方式(两点)执行，首先确定t段工作线和对角线的交点c，然后查找t段工作线和蒸馏段工作线的交点d。直线CD是t段工作线。两个运算线的交点可以通过求解两个运算线方程来确定，也可以通过蒸馏运算线和q线的交点来确定。2020/5/23，2020/5/23，5，理论托盘数的确定，1，理论板的假设，所谓的理论板与离开该板的蒸汽液相互平衡，塔板各处的液体构成均匀理想化的托盘。前提是蒸汽-液体两相充分混合，各均匀配置，塔内没有传热和传质过程的阻力。理论板层数的确定是确定精馏塔有效高度的关键，蒸馏计算的主要内容之一。计算理论板层数一般采用逐层计算方法和图解法。2020/5/23，与理论塔板相关的两种解释，(1)实际上，塔中蒸汽-液体之间的接触面积和接触时间有限，因此，在任何形式的塔中，除非蒸汽-液体两相的接触时间无限长，否则理论板都不存在。(2)理论板作为假设，可以用作衡量实际板分离效率的标准和标准。一般来说，在工程设计中，得到理论层数，利用托盘效率进行修正，就能得到实际托盘层数。结论介绍了理论板的概念，用泡点方程和相平衡方程说明塔板的传递过程，对蒸馏过程的分析和计算非常有用。2020/5/23，2，图形，图形，McCabe-Thiele，简称m-t法。该方法基于判别计算的基本原理，即在x-y相图中使用平衡曲线和操作线代替平衡方程和操作线方程，用简单的图形方法求解理论板层数，该方法广泛应用于双因素精馏计算集中。解决步骤如下：(1)在x-y上图中绘制相平衡曲线和工作线。(2)绘制直角阶梯。(3)数梯子以确定理论托盘数。2020/5/23，2020/5/23，一些说明，(1)当阶梯通过两个操作数的交点d时，在蒸馏段线和平衡线之间绘制阶梯，直到阶梯的垂直线达到或超过点c(xW，xW)。(2)平衡线上每个阶梯的顶点表示理论板。(3)越过点d的阶梯是进料板，最后的阶梯起到再锅炉的作用。(4)理论板层数合计为梯数减1。(5)在塔点c开始阶梯时，基本上会获得一致的结果。2020/5/23，3，板专用计算方法，计算原理：一般从塔顶开始，在计算过程中依次使用平衡方程和操纵线方程进行判别计算，计算各塔板的气液组成，以确定精馏塔所需的理论塔板数，直到满足分离要求为止。计算前提：双组分溶液可以表示汽液平衡关系，如下所示：2020/5/23，在连续精馏塔的顶层托盘(序号1)中上升的蒸汽全部凝结成饱和温度的液体，蒸馏液和回流液的组成为y1，即y1=xd 由从双层托盘上升的蒸汽组成的y2和x1遵循操作线关系，因此可用的蒸馏段操作线方程从x1求出y2，即y2和x2是平衡关系，可用的平衡方程从y2求出x2，蒸馏段操作线方程用x2求出y3。 如果使用平衡方程和蒸馏段工作线方程交替计算板，直到获得xnxF(气泡点馈入)，则n层理论板为馈入板。2020/5/23，供给板通常在蒸馏段计算，因此蒸馏段所需的理论板层数为(n-1)。对于其他供应列状态，必须计算到xnxq(xq是两个操作数相交坐标值)。在进料板下，相反，由XM(记为x1)衍生的线方程式会重复，直到使用y2 ，即2020/5/23，和y2 求出x2的相平衡方程式计算出XMxW为止。对于间接蒸汽加热，再沸器的汽液两相可以视为平衡，而对于再沸器，提取蒸馏段所需的理论板数为(m-1)。在计算过程中每次使用平衡关系时，都对应于理论板。特定于板的计算方法，计