化工原理下册课件第一章 精馏第5次课双组分混合物连续精馏计算

1、 二、理论板图解法二、理论板图解法 a. 图解步骤图解步骤v在直角坐标中绘出体系相平衡曲线在直角坐标中绘出体系相平衡曲线xy，同时，同时连对角线连对角线理论板的图解法也是逐板计算法，不过此方法采用理论板的图解法也是逐板计算法，不过此方法采用图解方法进行逐板计算。图解方法进行逐板计算。v通过通过DxD,xD)、C(0, xD/(R+1)两点绘出精馏段操两点绘出精馏段操作线作线v通过通过W(xW,xW), 提馏操作线提馏操作线的截距的截距-W/(L-W)xW绘提馏绘提馏段操作线。段操作线。给出给出q线，线，q线通过线通过F(xF, xF)、斜率、斜率q/q-1； 给出给出q线与精馏段操作线的交点线

2、与精馏段操作线的交点Q(xq, yq)；提馏段操作线通过提馏段操作线通过W(xW, xW)、Q(xq, yq)。或通过或通过q线方程进料方程线方程进料方程11qxxqqyFv y1=xD，故从塔顶，故从塔顶D点点xD, xD)开始作水平线交开始作水平线交平衡曲线于平衡曲线于1点，求得呈平衡的液相组成点，求得呈平衡的液相组成x1 ，由，由1点作垂线相交精馏段操作线，求得第二板蒸气组点作垂线相交精馏段操作线，求得第二板蒸气组成成y2，同上，在平衡线与精馏段操作线之间作梯，同上，在平衡线与精馏段操作线之间作梯级。级。v 当求得当求得 xnxF时，应由精馏更换提馏的操作线，时，应由精馏更换提馏的操作线

3、，即在平衡线与提馏段操作线之间作梯级，当求得即在平衡线与提馏段操作线之间作梯级，当求得液相组成液相组成xmxW 时结束。此时梯级数时结束。此时梯级数N含再沸含再沸器为所求的理论塔板数器为所求的理论塔板数N，跨过两操作线交点的，跨过两操作线交点的板为最正确进料板板为最正确进料板 NF。b.图解理论板数例如图解理论板数例如 上述逐级计算过程亦可在上述逐级计算过程亦可在xy图上利用图解法进行图上利用图解法进行计算计算c. 梯级的意义梯级的意义 图中任一梯级表示该块理论塔板的操作情况。图图中任一梯级表示该块理论塔板的操作情况。图中的梯级三角形中的梯级三角形bncbnc的顶点的顶点b b、n n和和c

4、c的坐标分别表的坐标分别表示第示第n n块理论塔板上方，该板和下方，这三对汽、块理论塔板上方，该板和下方，这三对汽、液相的组成。液相的组成。 d. 进料位置的选择进料位置的选择 在图解法中跨过两操作在图解法中跨过两操作交点的塔板就是适宜进交点的塔板就是适宜进料板或最正确进料板。料板或最正确进料板。 适宜进料位置应是进料适宜进料位置应是进料组成及热状态与塔板上组成及热状态与塔板上组成和热状态差异最小组成和热状态差异最小的板，才是最正确进料的板，才是最正确进料板。板。 无论存在温差、还是浓差的混合都是一种反混，无论存在温差、还是浓差的混合都是一种反混，均给精馏带来不利影响，即均给精馏带来不利影响，

5、即增加能耗增加能耗。当第当第9 9板进料，即偏下进板进料，即偏下进料如下图。为到达相同料如下图。为到达相同别离要求，需增加理论别离要求，需增加理论板。假设偏上进料，那板。假设偏上进料，那么会导致相同的结果。么会导致相同的结果。偏离越远，对塔不利影偏离越远，对塔不利影响越大。响越大。进料位置对理论板数的影响进料位置对理论板数的影响【例【例1-6】 用一常压操作的连续精馏塔，别离含苯用一常压操作的连续精馏塔，别离含苯摩尔分数的苯摩尔分数的苯-甲苯的混合液，要求塔顶馏出甲苯的混合液，要求塔顶馏出液含苯不低于，塔底产品中含苯不高于。操作回流液含苯不低于，塔底产品中含苯不高于。操作回流比为。试用图解法求

6、以下两种进料情况时的理论板比为。试用图解法求以下两种进料情况时的理论板层数及加料板位置。层数及加料板位置。1原料液为原料液为20的冷液体；的冷液体；2原料为液化率等于原料为液化率等于1/3的气液混合物。的气液混合物。数据如下：操作条件下苯的汽化热为数据如下：操作条件下苯的汽化热为389kJ/kg，甲，甲苯的汽化热为苯的汽化热为360kJ/kg，苯，苯-甲苯混合液的气液平甲苯混合液的气液平衡数据及衡数据及t-x-y图。图。解：解：xF， xD=0.975 ，xW，R精馏段操作线方程可得：精馏段操作线方程可得：217.078.0975.05 .415 .45 .3111xxxRxRRyD1原料液为

7、原料液为20的冷液体的冷液体 q值计算。原料液的汽化热为：值计算。原料液的汽化热为：kJ/kmol319009236056.07838944.0mrxF时的泡点温度为时的泡点温度为93，平均温度为，平均温度为93+20/2=56.5 ，此温度下苯和甲苯的比热容为，此温度下苯和甲苯的比热容为1.84kJ/(kg)，原料液的比热容为：，原料液的比热容为：CkmolkJ/1589284.156.07884.144.00pc76.31362.1362.11362.131900319002093158qqrrtcqmmp过点过点e，作，作q线方程，与精馏段操作线方程相线方程，与精馏段操作线方程相交于交于

8、d点点 ，连接连接d点和点点和点c，得到提馏段操作线方程。，得到提馏段操作线方程。在两操作线和平衡线之间依次绘梯级，得到理论在两操作线和平衡线之间依次绘梯级，得到理论塔板数塔板数11和进料板位置为第和进料板位置为第5层。层。2原料液为液化率等于原料液为液化率等于1/3的气液混合物的气液混合物 q=1/35 .013/13/11qq其它步骤相同。得到理论板数其它步骤相同。得到理论板数13，加料板为第，加料板为第7层层结论：对一定的别离要求，假设进料热状况不同，结论：对一定的别离要求，假设进料热状况不同，所需的理论板层数和加料板位置均不相同。冷液进所需的理论板层数和加料板位置均不相同。冷液进料较气

9、液混合物进料所需的理论板层数少，这是因料较气液混合物进料所需的理论板层数少，这是因为精馏塔提馏段内循环量增大，使操作线远离平衡为精馏塔提馏段内循环量增大，使操作线远离平衡线，理论板数减少。但此时提馏段需要更多的气相线，理论板数减少。但此时提馏段需要更多的气相流量，增加再沸器负荷。流量，增加再沸器负荷。1.5.5 几种特殊情况的理论塔板数几种特殊情况的理论塔板数FxFV0 y0一、一、 直接蒸气加热直接蒸气加热 优点：优点：1将加热蒸气直接将加热蒸气直接通入塔釜内，直接加热。加热通入塔釜内，直接加热。加热蒸气将热量、质量均带入塔内，蒸气将热量、质量均带入塔内，同时参与塔的热量、质量的传同时参与塔

10、的热量、质量的传递。提高了传热效率。递。提高了传热效率。2节省一台再沸器。节省一台再沸器。 适用于：待别离物系是由某种适用于：待别离物系是由某种易挥发组分与水组成的混合物。易挥发组分与水组成的混合物。v物料衡算，精馏段物料衡算与常规塔完全一致，物料衡算，精馏段物料衡算与常规塔完全一致，仅提馏段不同。仅提馏段不同。v塔内仍为恒摩尔流，塔内仍为恒摩尔流，v V=V0 L=Wv提馏段操作线方程为提馏段操作线方程为vy0=0v端点为端点为xW，0，WmmWx yVyVx LWVV L1000WmmxVWxVWy001问题：此时的问题：此时的q q线方程有没有发生变化？为什么？线方程有没有发生变化？为什

11、么？*【例【例1-7】 在常压连续精馏塔中，别离甲醇在常压连续精馏塔中，别离甲醇-水混水混合液。原料液组成为甲醇摩尔分数，冷液进料合液。原料液组成为甲醇摩尔分数，冷液进料进料热状况参数为，馏出液组成为，塔顶甲醇进料热状况参数为，馏出液组成为，塔顶甲醇回收率为回收率为90%，操作回流比为。试分别写出间接蒸，操作回流比为。试分别写出间接蒸汽加热和直接蒸汽加热时的操作线方程，并对两种汽加热和直接蒸汽加热时的操作线方程，并对两种加热方式予以比较。加热方式予以比较。解：解：xF， xD=0.9 ，R，hD精馏段操作线方程可得：精馏段操作线方程可得：257.0714.09 .05 .315 .35 .21

12、11xxxRxRRyD1间接蒸汽加热间接蒸汽加热7 .013 .09 .03 .09 .0FDFWxxFDDFwmwmmxFWqFRDFWxFWqFRDqFRDxWqFLWxWqFLqFLy/1024. 056. 1043. 07 . 02 . 13 . 05 . 27 . 07 . 02 . 13 . 05 . 22 . 13 . 05 . 2043. 07 . 09 . 03 . 03 . 01mmmDFDFwxxyFWxFDxWDxFxx2直接蒸汽加热直接蒸汽加热qFRDLWxVWxVWxVWxVLyWmwmm001设设F=1kmol/h，那，那么么kmol/h25.112 .113 .

13、05 .311kmol/h95.112 .13 .05 .20FqDRVVqFRDW024.056.10154.025.195.125.195.10154.095.13 .019 .0111mmmFwxxyWFxx3两种加热方式比较：当两种加热方式比较：当F、xF、q、R、xD及及hD相同时，两种加热方式的精馏段操作线位置相同，相同时，两种加热方式的精馏段操作线位置相同，提馏段的斜率也相同，但两者的端点不同。间接蒸提馏段的斜率也相同，但两者的端点不同。间接蒸汽加热，端点在对角线上，直接蒸汽加热，端点在汽加热，端点在对角线上，直接蒸汽加热，端点在x轴上。直接蒸汽加热时理论板数较间接蒸汽加热轴上。

14、直接蒸汽加热时理论板数较间接蒸汽加热时稍多，这是由于直接蒸汽的稀释作用，需增加理时稍多，这是由于直接蒸汽的稀释作用，需增加理论板数来回收易挥发组分。论板数来回收易挥发组分。 有些塔并不是只从塔顶、塔底有些塔并不是只从塔顶、塔底各取出一个产品，而是取出几各取出一个产品，而是取出几种产品。如，有些进料中含有种产品。如，有些进料中含有少量易挥发污染物，采用多出少量易挥发污染物，采用多出料口特别有效，此时塔顶取出料口特别有效，此时塔顶取出污染物，而在精馏段某处抽出污染物，而在精馏段某处抽出所希望的产品。所希望的产品。* *二、多侧线出料二、多侧线出料VDPFBL图中表示表示两股产品图中表示表示两股产品

15、D、P从精馏段取出。从精馏段取出。a. 侧线以上侧线以上：精馏段操作线方程不变：精馏段操作线方程不变11RxxRRyD在精馏段侧线取产品时，各物理量之间的关系在精馏段侧线取产品时，各物理量之间的关系 也可以在提馏段取侧线。两种情况的操作原理的也可以在提馏段取侧线。两种情况的操作原理的分析方法相同。分析方法相同。b. 侧线之下侧线之下：操作方程要看取出侧线产品的相态。：操作方程要看取出侧线产品的相态。1、液相取出饱和液体、液相取出饱和液体VpVLpLPDpppDxPxxLyVLp = L P , Vp =V由右图作总物料衡算由右图作总物料衡算抽出液量为抽出液量为P时，对易挥发组分时，对易挥发组分

16、作物料衡算侧线以下，加料板作物料衡算侧线以下，加料板以上，下标以上，下标p表示表示VpDPFBLp又：V=L+D由上两式得：由上两式得：LDPxDxxLDPLypD抽出量为抽出量为P时，得时，得LpLVpVPLp = L , Vp = V + PPVPyDxxPVLypDDpppDxPyxLyV2、气相取出饱和蒸汽、气相取出饱和蒸汽VpDPFBLp三、塔顶采用分凝器三、塔顶采用分凝器塔顶热负荷较大，蒸塔顶热负荷较大，蒸汽不在一个全凝器中汽不在一个全凝器中全部冷凝，先经过一全部冷凝，先经过一个分凝器局部冷凝，个分凝器局部冷凝，冷液回流，从分凝器冷液回流，从分凝器出来的蒸汽进入全凝出来的蒸汽进入全

17、凝器，其凝液作为产品。器，其凝液作为产品。结论：结论：1离开分离开分凝器的汽、液两相呈凝器的汽、液两相呈平衡，分凝器相当于平衡，分凝器相当于一块理论板；一块理论板；2离开塔顶的气相组成离开塔顶的气相组成y1与回流液组成与回流液组成x0不不相等，服从精馏段操相等，服从精馏段操作线方程；作线方程；3产品组成产品组成xD与离开分凝器的气相组成相同；与离开分凝器的气相组成相同；4操作线方程不变。操作线方程不变。*【例【例1-8】 用精馏操作别离含甲醛用精馏操作别离含甲醛20% 摩尔分摩尔分数的水与甲醛混合液，精馏塔顶部设有分凝器，数的水与甲醛混合液，精馏塔顶部设有分凝器，未冷凝的气体继续冷凝得到液体产

18、品未冷凝的气体继续冷凝得到液体产品D1，冷凝液，冷凝液局部回流入塔，其余局部局部回流入塔，其余局部D2作为产品，其数量为作为产品，其数量为D1的的1/3。要求塔顶产品。要求塔顶产品D1含甲醛为，塔底残液含含甲醛为，塔底残液含甲醛为，进料甲醛为，进料F=1kmol/h，在泡点下入塔。以产品，在泡点下入塔。以产品D1计的回流比为，在操作条件下物系的平均相对计的回流比为，在操作条件下物系的平均相对挥发度为。试求：挥发度为。试求：1塔顶产品流率及塔釜残液塔顶产品流率及塔釜残液流率；流率；2操作线方程；操作线方程；3该精馏过程的理论该精馏过程的理论塔板数。塔板数。解：解：1作物料衡算：作物料衡算：WDD

19、FWxxDxDFxWDDF221121其中，其中，xD1与与xD2相平衡，即相平衡，即1231DD 2211111DDDxxxxxy又又解得：解得：77.0kmol/h,816.0kmol/h0459.0kmol/h,138.0221DxWDD2精馏段操作线方程精馏段操作线方程4082.0529.03/113/13/1113/1121xxRxRxRRyDD提馏段操作线方程提馏段操作线方程VWxxVFLVWxxVLyWW221121DDxDxDLxVyDDLVkmol/h,207.1kmol/h391.0kmol/h,207.05 .11LVDL104.0087.3xy3该精馏过程的理论塔板数该

20、精馏过程的理论塔板数精馏段操作线的变化情况与分凝器只回流，不出精馏段操作线的变化情况与分凝器只回流，不出料的情况进行比照，考虑分凝器的作用。总理论料的情况进行比照，考虑分凝器的作用。总理论塔板数减一。塔板数减一。问题：此时的问题：此时的q线方程发生变化吗？线方程发生变化吗？假设不发生变化，可以首先通过求假设不发生变化，可以首先通过求q线与精馏操线与精馏操作线的交点，然后连接交点和作线的交点，然后连接交点和xw，xw的直的直线，即为提馏段操作线方程。线，即为提馏段操作线方程。四、回收别离塔四、回收别离塔1、塔顶进料，只有提馏段，无精馏段、塔顶进料，只有提馏段，无精馏段适用：适用：1混合物相对挥发

21、度较大；混合物相对挥发度较大；2低浓度低浓度组分的提浓；组分的提浓；3回收稀溶液中难挥发组分；回收稀溶液中难挥发组分；4别离要求不高。提馏段操作线方程：别离要求不高。提馏段操作线方程：wmmxVWxVLy1泡点进料，泡点进料， 那么提馏段操作线方程：那么提馏段操作线方程：DFWDVFL,wmmxDWxDFy1过点过点xF，xD和和xw, xw2、塔底进料，只有精馏段，无提馏段、塔底进料，只有精馏段，无提馏段适用：适用：1相对挥发度较大；相对挥发度较大；2高浓度组分高浓度组分的提浓；的提浓；3回收浓溶液中易挥发组分；回收浓溶液中易挥发组分；4别离要求不高。精馏段操作线方程：别离要求不高。精馏段操作线方程：DnnxVDxVLy1露点进料，露点进料， 那么精馏段操作线方程：那么精馏段操作线方程：FVDFWL,DnnxFDxFWy1过点过点xW，xF和和xD, xD*3