8多组分精馏物料衡算分离指标的探讨

1、May 2010现代化工Modern Chem ical Industry第 30卷增刊 ( 1)2010年 5月92多组分精馏物料衡算分离指标的探讨,(上海工程技术大学化学化工学院 ,上海 201620)摘要 :多组分精馏物料衡算的分离指标有 20种,每种的计算均不同。浓度型用浓度杠杆规则求解直观快速。推导给出了 20种指标下清晰分割假设物料衡算中采出流量的计算通式。分离指标间接地给出了精馏原料的分离因素。:多组分精馏;物料衡算;清晰分割假设;分离指标号 : TQ028. 13; TQ015. 1文献标识码 : A文章编号 : 0253 - 4320 ( 2010) S1 - 0092 -

2、04Study on separa tion indexes of ma ss ba lance in m ulti2com ponen t d istilla tion separa tionGU L i2peng, GUO Yi2liang( School of Chem istry and Chem ical Engineering, Shanghai University of Engineering Science, Shanghai 201620,)Abstract: There are 20 kinds of the separation indexes of mass bala

3、nce in multi2component distillation separation,each of which has a different calculation method. Concentration2typed indicators are calculated visually and fastly withlevel rule. 20 species of indicato rs given, the flowing formulas are derived under the assump tion that a clear sp litin the recover

4、y of materials. The separation factors of raw materials for distillation is indirectly given by separation index.Key words: multi2component distillation; material balance; clear segm entation hypothesis; separation index现在精馏计算中有一个现象是重视塔板数、相平衡常数、回流比 ,而忽视了物料衡算的复杂性与准确性。教科书和计算书中经常出现没有进行物料衡算就开始精馏计算的情况 ,或

5、者物料衡算出现在塔1 多组分精馏物料衡算的计算111 分离指标的性质形象地讲 ,精馏是对液体混合物成分的“切割 ” 过程。例如 ,某一液体混合物由 A、B、C、D、E 5个组分组成 ,其挥发度依次递减。如果要分离开 B、C组分 ,用精馏塔可以将液体混合物分离成 AB 与 CD E板计算之后 ,这违背了数据之间的逻辑。还有对物料衡算的阶段性认识不清 ,做过一次物料衡算就认为已经完成了物料衡算。精馏塔的计算过程中并不是初始数据正确、公式用的正确 ,计算结果就正确。例如 ,三对角矩阵法进行逐板计算中 ,初始数据两部分 ,相当于在 ABCD E一刀 ,切口在 C、D之间。C称轻关键组分 , D 称重关

6、键组分。分离指标有 2种形式 ,即浓度指标与回收率指标。回收率与正确、公式也正确 ,但浓度出现负值 ,计算结果就是错的。要保证精馏计算的正确性 ,一定要分量相关,这样就8个分离指标,见表 1。看计算的物理意义是否正确 ,浓度出现负值就表 1 精馏分离指标塔顶失去了物理意义。精馏塔的物料衡算是精馏计算的基础。精馏塔设计中第一个步骤就是物料衡算。多组分精馏塔的物料衡算是个难点 ,需要解方程进行求解。在没有实测数据的情况下需要在多种假设和模型的基础上进行反复计算 , 逐步逼近准确答塔底回收率 (W , l )(W , h )名称回收率D, lD, h浓度xD, lxD, h浓度xW , lxW ,

7、h轻关键 l重关键 h注: 括号表示如果有另外一个回收率指标,这个指标就不案 1 - 5 。在逐步逼近设 ”的物料衡算是的计算中 ,“清晰分割假的一步 ,差之毫厘错之了,不能作为分离指标。例如 ,若,= 1 - 。但如果D,W , lD, l另外一个不,这个指标仍然有效。千里。在初始阶段就偏离目标 ,误差会越来越大 ,可能会出现无解。细节决定成败 ,在此对多组分的物料衡算的分离指标做一些分析研究。表 1中 ,只要确定任意 2个指标 ,精馏塔的物料衡算就确定了。去掉 2 个有括号的指标 ,组合排列收稿日期 : 2010 - 04 - 16基金项目 :上海市 085工程项目 (编号 JZ0904)

8、作者简介 :( 1954 - ) ,男,大学,教授,研究方向为化学工程与工艺, 021 - 54436702, lipenggu163. com。2010年 5月等:多组分精馏物料衡算分离指标的探讨 93有 20种不同的指标要求。为便于计算 ,将指标分为浓度类型、回收率类型与混合类型 :浓度类型常用于部从塔底排出。则填入表 3中。由 wid1 = 25, w1 = 0; d4 = 0, w4 = 25。= 0,可得= 0。由 d4 = 0 可xw 1得= 0。填入表 3 中。由浓度归一可得 ,xd i =保证质量;回收率类型常用于中间或回收xd 41,xw= 1。利用;混合类型用于综合指标。1

9、12 不同指标下的清晰分割物料衡算不同类型的指标计算的难易程度不同 ,同组分、相同类型的 2 个指标最容易计算 ,例如i( 3)清晰分割物料衡算的关键一步是求出塔顶馏出液 D, 或者塔底排出液 W 。只要计算出其中一个 ,整个计算就迎刃而解了。通常采用列方程组的相xD , l求解比较麻烦 , 本文一种快速计算。和 xW , l。不同组分、不同类型的指标最难计算 ,例如xD, l和w, h 。对于组分数大于等于 3 个以上时 , 2 个分离指标无法进行物料衡算。因为 ,除去关键组分外 ,非关键组分在塔顶、塔底的分配比例无法知道。因为本示例中分离指标为相同组分、相同类型的 2 个指标 ,即都是轻关

10、键组分、浓度型指标 ,这类计算最方便用浓度杠杆规则求解。其用法是: 寻找一个组分的进料、塔顶和塔底的 3 个浓度值 (或分“清晰分割假设 ”提供了一个计算。口 ,以下分别讨论数值 ) ,如果,以浓度为“力臂 ”,以流量为11211 浓度类型指标的计算1121111 组分相同的 2个指标的计算“力 ”构造杠杆。杠杆上有 6 个数据 ,只要知道其中5个 ,就可以用杠杆规则求出第 6 个数据。而此处乙烷符合条件 , 则绘出杠杆计算图 , 见图点为支点 ,应用浓度杠杆规则有:1。以 W以下是xD , l和xW , l指标的物料衡算示例。例 1:某精馏塔进料组成、流量和相对挥发度见表 2。要求馏出液中

11、xD, 2 0170、xW , 2 0110。用清晰分割做物料衡算。D ( xD, 2xW , 2 )F ( xF, 2xW , 2 )-=-( 1)解出F ( xF, 2xW , 2 )=-= 100 ( 014 - 011)表 2进料状态与分离要求进料= 50( 2)D017 - 011( xD, 2xW , 2 )-证明:对做物料衡算F = D +Wi做物料衡算组分i71356210911100001901fi1040xz i0110140130121甲烷乙烷丙烯丙烷合计对任意组分FxF, i= D xD, i + W xW , i30将 W 替换掉:= D xD, i + ( F -D

12、 ) xW , i20FxF, i移项:= D xD, i + FxW , i - D xW , i100FxF, iFxW , i-= D xD, i - D xW , i合并同类项:F ( xF, i( 1)上述衡算 ,首先需制作物料衡算表 ,见xW , i )= D ( xD, i -xW , i )-表 3。根据分离要求 ,乙烷为轻关键组分,丙烯为重关键组分。将关键组分的分离指标填入表格中相应位置。表 3 物料衡算表与 ( 1)式相同。证完。图 1 浓度杠杆规则示意图进料塔顶塔底i组分fi1040xz i0110140130121di10xd iw i0xw i0011( 4)由以下公

13、式可以计算完成表 3 中的所有空格。W = F - Df = di + w i71356210911100001901甲烷乙烷丙烯丙烷合计01730diDw iW200020x=D, i100D1Wx=W , i( 2)用清晰分割分配非关键组分。比轻组分还轻的组分全部从塔顶采出 ,比重组分还重的组分全d3 = D - d1 - d2 - d4计算结果见表 4。第 30卷增刊 ( 1) 94现代化工表 4 物料衡算表 (清晰分割假设 )根据浓度有:w h = xW , h W物料守恒得:F = D +W进料塔顶塔底i组分又由fxdxwxiF iiD iiW i011014013012101201

14、70110171356210911100001901甲烷乙烷丙烯丙烷合计10403020100103550500525205000110150141以上 4式联立求解得:l- 1dk+ fh -xW , h Fk =1( 3)D =1 -xD, lxW , h11212 回收率类型指标的物料衡算这类计算比浓度型要简单些。以 D, l和 W , h为例进行推导。设塔顶馏出液的流量为 D ,则 D 等该简化计算应用熟练后 , 可以一步写出( 2) ,比解方程组直观快捷。于塔顶各分量之和:l- 1同理 ,对 x 和 x指标的计算只需要将上例D, hW , hdk中的下标 l换成 h即可。112111

15、2 组分不同的 2个指标的计算D =+ dl + dhk = 1由回收率的定义得:现讨论xD , h和xW , l指标的物料衡算。= D, l = W , h dlw hflfh例 2,如果将例 1中的分离指标改为:要求馏出液中 xD, 2 0110、xD, 3 0110,其他条件不变 ,试进行物料衡算。本题不能直接套用浓度杠杆规则 ,因为没有一个组分已知进料、塔顶和塔底 3 个浓度。但稍微做由h组分的物料守恒得:fh = dh + w h以上 4式联立求解得:l- 1dD , k+D, l + ( 1 - W, h fh )( 4)D =fl一点变换 ,创造一点条件就可以满足条件。是:k =

16、 1同理 ,可以推导出其他回收率类型的物料衡算通式。见表 5。11213 混合型分离指标的物料衡算这类指标在实际生产中出现在成品精馏塔的情将轻关键组分及以上的轻组分组分 ,将重关键组分以下的重组分组一个虚拟轻组一个虚拟重组分。就可以应用浓度杠杆规则了。则虚拟轻组分 L的 3个浓度值为:况较多。对塔顶保证浓度质量 ,对塔底保证产= 011 + 014 = 015= 1 - 011 = 019x= x+ xF, LF, 1F, 2品的回收率 ,避免在最后一个分离 ( 1) xD, l和 W , h指标的物料衡算中损失。= 1 -xD, LxD, 3= 0 + 011 = 011xW , LxW ,

17、 1 + xW , 2=设塔顶馏出液的流量为 D ,则 D 等于塔顶各摩尔分量之和:l- 1带入浓度杠杆规则 ( 2)式得:D ( 019 - 011)= 100 ( 015 - 011)解出:dkD =+ xD, l D + dh= 100 ( 015 - 011)k =1h组分的物料守恒得:= 50D( 019 - 011)由与例 1的结果相同。见图 2。fh = dh + w h由回收率的定义得:w h以上 3式联立求解得 := W , h fhl- 1图 2 虚拟组分浓度杠杆规则示意图dk+ fh ( 1 - W, h )k = 1D =( 5)1121113xD , l和xW , h

18、指标的物料衡算1 -xD, l同理 ,可以推导出 xD, l和D, h指标类型的物料衡算通式。见表 5。设塔顶馏出液的流量为 D ,则 D 等于塔顶各摩尔分量之和:l- 1( 2) xD, l和D, l指标的物料衡算这类计算最简单。由浓度的定义 :dkD =+ xD, l D + dhk = 1对 h组分做物料衡算有:D, l D, ldlflD = x=( 6)d = f- wxhhhD, l2010年 5月等:多组分精馏物料衡算分离指标的探讨 95同理 ,可以推导出衡算通式。见表 5。2 计算通式xW , h和 W , h指标类型的物料以上通式可以用例 1 检验。例如 ,若分离指标 017

19、、W , h = 25 /30, 应用表 5 中序号 9 的为xD , l通式:l- 125 )dk+ fh ( 1 - W, h )10 + 30 ( 1 -1 - 01730为便于计算,表5 给出了全部分离指标在清晰k =1D = 501 -xD, l分割假设条件下物料衡算中 D 或 W 的计算通式。表 5 清晰分割假设条件下物料衡算中 D 或 W 的计算通式无论用何种分离指标计算结果都是一样的。物料衡算看似简单实则变化无穷。表 5中的通式得到的仅是清晰分离假设条件下的物料衡算结果 ,较大的误差。之后采用更精细的假设或模型后 ,物料衡算结果还会发生变化。比如经过非清晰分割物料衡算后 ,塔顶

20、馏出液 D 和塔底排出液 W 都会发生变化。如果在精馏计算中将其作为定值 ,必定产生人为的误差。分离指标的本质是给出精馏原料的分离因素。按照分离因素的定义 , 例 1 可以理解为其分离因素是:序号 第一指标第二指标通式Fx- x)F, lW , l1xD, lxW , lD =( xD, l - xW , l )F ( xF, h - xW , h )D =2xxD, hD, h( xD, h - xW , h )llF ( xF, k - xW , k )k = 1k = 13xD, hxW , lD =cl( 1 - xD, k )- xW , kk = hk = 1l - 1 dk +

21、fh - xW , h F1 - xD, l - xW , hl - 14xxD = k = 1D, lW , h+ f + f5D = dD, lD, hD, kD, l lD, h hk = 1( xD, l ) / ( xD, h )( 01704143154) / ( 01072170594)c=W =W , l fl +W , h fh + w k60107431395901543262161l, hxW , lxW , hW , lW , hk = h + 1l - 1= 71132466543也就是说 ,分离指标间接地给定了精馏物料的分离因素 ,完整描述为由 2 个分离指标进行物

22、料衡算;由物料衡算结果可以得到物料的分离因素。当物料的分离因素大于轻重关键组分的相对挥发度时 ,就需要多次气液平衡来实现分离。3 结论(1) )多组分精馏有 20 种分离指标 ,各种指标的D = d+ fl + ( 1 - )W , h fh7D, lW , hD, kD, lk = 1c8W = f + ( 1 - f ) + wW , lD, hW , l lD, h hkk = h + 1l - 1 dk + fh ( 1 - W , h )9xD = k = 1D, lW , h1 - xD, ll - 1 dk + fhD , h10xD = k = 1D, lD, h1 - xD,

23、 lcf + wh W , hk11xk = h + 1W , lW , hW =1 - xW , lfh ( 1 - D, h ) +1 - xW , lc w计算不同 ,本文推导出了各种分离指标量kx12k = h + 1W , lD, hW =D、W 的计算通式;(2) )浓度类型指标可以用浓度杠杆规则进行物料衡算 ,计算过程直观快捷;(3) )分离指标的本质是间接地给出了精馏原料的分离因素 ,当原料的分离因素大于轻重关键组分的数值时 ,需要多次平衡来实现分离。变量说明D 塔顶馏出液流量 , kmol/ h;L 虚拟轻组分 ,轻关键组分及比轻组分还轻的组分组合的虚拟轻组分;l - 1 d

24、k + fl ( 1 - W , l )x13D = k = 1D, hW , l1 - xD, hcfl ( 1 - D, l ) + wkx14k = h + 11 - xW , hD, l flW , hD, lW =dl15xD =D, lD, lxxD, lD, lD, h fhdh16xD =D, hD, hxxD, hD, hW , l flw lW =17xW , lW , lxxW , lW , lW , h fhw hW , h18xW , hW = x=xW , hW , hF原料的流量 , kmo l/ h;dh = ( 1 - W , h ) fhx19D =D, h

25、W , hxD, hxD, hW 塔底馏出液流量 , kmol/ h;c精馏塔中组分的个数 ;w h = ( 1 - D , h ) fhxW =20W , hD, hxW , hxW , hd塔顶的分量 , kmo l/ h;注:组分按挥发度递减依次排序。(下转第 97页 )2010年 5月邓建民:几类精馏塔在氯乙烯生产中的应用 97塔。筛板塔的主要优点是 :结构简单 ,造价低廉 ,气体压降小 ,板上液面落差也较小 ,生产能力及板效率均较泡罩塔、浮阀塔高。但其缺点是 :操作弹性小 , 筛孔小时容易堵塞。近年来采用大孔径 (直径 10 25 mm)筛板可避免堵塞,而且由于气速的提高 ,生产能力

26、增大。过去由于对筛板的性能研究不充分 ,垂直筛板塔具有诸多优良性能 ,与传统浮阀塔相比:处理能力大、传质效率高、阻力小、操作弹性良好 (与 F1型浮阀塔相当 ) ,操作简便可靠 ,特别是它具有防止氯乙烯有机物自聚堵塞和排除小颗粒固体悬浮物堵塞的能力。近几年来在垂直筛板塔基础上又开发出来连续传质塔板 (见图 2) ,其与垂直筛板塔相比:传质效率高 ,处理能力及操作弹性大 ,塔板压降低 ,抗堵认为操作不易而未普遍应用。近十几年来对筛板塔的结构、性能作了充分的研究 ,认识到只要设计合理、操作正确 ,同样可获得较满意的塔板效率和一定的操作弹性 ,故近年来筛板塔的应用日趋广泛。这几种塔类型主要以塔盘结构

27、来区分。筛板塔主要以帽罩的形态为特征 ,有圆形、方形、矩形、梯形等 , 相应在板上开有圆形、方形、矩形大孔。帽罩上开有圆孔、条形孔、栅条。4 氯乙烯生产先进的精馏塔技术在现阶段氯乙烯生产中应用较普遍的精馏塔是垂直筛板塔和高效导向筛板塔。垂直筛板塔工作原理:垂直筛板塔是在墙板上塞能力强 , 使用长、易检修。今后 , 新建大型PVC企业将选用技术更先进的精馏塔。图 2连续传质塔板图片高效导向筛板塔工作原理: 在高效导向筛板上开设了大量筛孔及少部分导向孔 , 通过筛孔的气体在塔板上与液体错流接触 , 穿过液层垂直上升;通过导向筛板的气体 , 沿塔板水平前进 , 将动开有直径较大的升气孔 ,设置圆筒形

28、帽罩体 ,其侧壁上部开有筛孔。操作时 ,塔盘上的液体经帽罩底隙进入到帽罩中 ,在帽罩内上升气体的作用量传递给塔板上水平的液体 , 从而推动液体下 ,变为厚薄不均 ,很不的圆环状液膜 ,在气体在塔板上均匀前进。高效导向筛板板结流到一定程度下 ,圆环状液膜开始变薄后继构图片见图3。而破碎 ,分散在气相中 ,从而保证了气液两相的充分接触。气化后的气体升入上层塔板的帽罩内。气液混合物由帽罩内喷射到帽罩外的塔板上方。垂直筛板塔圆筒形帽罩体图片见图 1。图 3高效导向筛板板结构图片(下转第 99页 )图 1 垂直筛板塔圆筒形帽罩体图片(上接第 95页 )参考文献. 精馏塔板相界面积的粒数衡算模型 J .

29、化f进料的分量 , kmol/ h;l轻关键组分 ; h重关键组分 ; 1 宋海华,工学报, 2003 ( 7) : 959 - 964.美. 结合实验教学理解精馏过程中物料及热量衡算 J . 化工高等教育, 2005 ( 1) : 70 - 71.妹. 氯乙烯精馏中低沸塔系统的物料衡算 电算法 J .聚氯乙烯, 2001 ( 1) : 49 - 50. 焓衡算求双组分精馏最小回流比 J . 齐齐哈尔轻工学院学报, 1985 ( 1) : 37 - 50. 焓衡算求精馏塔理论板数 J . 齐齐哈尔轻工学院学报, 1987 ( 3) : 49 - 56. 2 w 塔底的分量 , kmo l/ h; 回收率 ,某组分采出下标:D 塔顶位置 ; W 塔底位置 ; F进料位置 ;量与进料量之比; 3 4 5 i非关键组分的序号 ,序号按照挥发度从大到小排序。：3亿超值PPT文献：自动降重：模版：阅读此文的还阅读了：1. 精馏法与渗透汽化膜分离法在甲醇脱水提纯过程中的能耗比较2. 精馏冷冻结晶技