化工原理：7-5 简单塔双组分理想体系连续精馏计算

1、 全塔物料衡算总物料衡算：易挥发组分物料衡算：恒摩尔流假定对于没有进料和采出的一段塔板气相摩尔流量恒定液相摩尔流量恒定精馏段提馏段进料板的热量衡算五种进料热状态再沸器热流量冷凝器的热流量通过物料衡算、热量衡算、相平衡关系，构建了精馏过程的数学模型但是，对于精馏过程，了解尚不深入相互关系、相互影响通过简单的、典型的精馏过程，进一步分析双组份、理想体系7.5 简单塔双组分理想体系连续精馏计算7.5.1 精馏操作线方程(1) 精馏段操作线方程 由物料衡算得：则 精馏段操作方程说明：该方程表示了精馏段相邻两塔板下降液体组成（第n块板）和上升蒸汽组成（第n+1块板）之间的关系，即任一塔截面汽、液两相组成

2、之间的关系。q nL n-1,x n-1qnVn ,ynqnVn+1 ,yn+1q nL n,x nn则： 提馏段操作线方程(2) 提馏段操作方程(1) 操作线方程的图示（x-y 图） 精馏段操作线方程的分析与图示7.5.2 进料热状态对精馏操作的影响过点（xD，xD）和点（0， xD /（R+1）的直线。 提馏段操作线方程的分析与图示过点（ xW， xW）的直线，斜率与q有关。或两线交点坐标（xq，yq）为：联立求解两方程，得到其交点的轨迹方程为： q 线方程q 一定时，过点（zF，zF）斜率为q/（q-1）的直线。 (2) q 线方程与图示意义：一定的进料状态下，操 作回流比改变时，两操

3、作线交点的轨迹方程。 图示：（1）精馏段操作线（2）q 线 （3）提馏段操作线 说明： q，提馏段操作线斜率增大。 提馏段操作线与进料量F无关。 提馏段操作线方程经变换，与xD，xW，zF，q，R有关。注意q的两个特殊值：饱和液体进料：q=1 饱和蒸汽进料：q=0q=1q10q1q=0q0zFxDxW (3) 进料状态参数对操作线的影响当R不恒定7.5.3 理论塔板数的计算已知:确定完成分离任务所需的理论塔板数。计算方法：（1）逐板计算法；（2）图解法(1) 逐板计算法条件： 塔顶蒸气在冷凝器中全部冷凝； 泡点回流。.操作线方程改为提馏段操作线方程直到则 n为所需的理论板数，进料位置为第m块板

4、。精馏段m-1，提馏段n-mxD= y1 x1 y2 x2 y3 x3 平衡操作. 塔底再沸器相当于一块理论板，故塔内理论板数为N1。 应注明 N？（包括或不包括釜）； N精 NF 1； N提 N N精； 应该清楚每一步计算和塔板情况的对应关系；注意：（2）图解法 作平衡曲线； 由D (xD,xD) 和 b= xD/(R+1) 作精馏段操作线； 由F (zF, zF) 点和 K=q/(q-1)作q线； 由xD、zF、xW作垂线与对角线交于D、F、W点; 由交点Q (xq,yq) 和 W (xW, xW) 作提馏段操作线； 由D点开始, 在平衡线与操作线之间画梯级求N。计算示例已知:图解法求 N

5、（1）物料衡算（2）塔内气液分布（3）三条线方程01.01.0 xyDFQW和逐板计算法存在对应关系 汽、液通过任一理论塔板时组成的变化说明： nc b xn x n-1 yn+1yn水平线长度: 通过第n板液相组成变化垂线长度: 通过第n板气相组成变化 梯级的意义 图解方法的优点 避免了繁琐的计算，形象直观，便于理解和分析实际问题。 进料热状态参数q的影响 q ， Kq ，Q点右移，提馏段操作线与平衡线距离 ， 提馏段各塔板分离能力，N 。 影响N的因素分析N 决定于操作线：xD，xW，R，zF，q，平衡线：物系，T，P （）xD， xW 分离要求提高，则 N 和逐板计算法存在对应关系（3）

6、进料位置的讨论（a）进料位置确定原则：两操作线交点Q所在梯级。 （b）Q点为最优进料位置的分析 上移或下移均对分离不利，导致 N 增加。提前进料:滞后进料:（c）进料位置对分离的影响 图示：（1）精馏段操作线（2）q 线 （3）提馏段操作线 理论塔板数的计算计算方法：（1）逐板计算法；（2）图解法(1) 逐板计算法直到则 n为所需的理论板数，进料位置为第m块板。精馏段m-1，提馏段n-m和逐板计算法存在对应关系分离要求不变，R不变，q 变小q 的影响讨论1理论板数热量加入的位置、量分离要求不变， 不变，q 变小q 的影响讨论2理论板数热量加入的位置、量7.5.4回流比的选择分离要求不变，进料状

7、态不变，增大回流比回流比的影响讨论1理论板数如果N也不变 全回流与最少理论板数概念： R= ，qnD =0 称为全回流 此时 qnW = qnD = qnF =0 特征： 操作线与对角线重合，yn+1=xn； 塔板分离能力最大； 完成分离任务所需N称为最少理论塔板数，Nmin；应用: 开工、科研、设计。 最小理论板数的确定 :图解法 、 逐板计算法。a） 图解法在平衡线与对角线之间画梯级，直至xnxW为止。b) 逐板计算法计算思想：由xD始，依次反复应用平衡关系与操作关系，直至 xnxW为止。 平衡关系：对第n块板：n第n块板A组分对B组分的相对挥发度。 操作关系： 逐板计算当塔顶为全凝器时：

8、板序号 平衡关系 操作关系 12n整理得：达到规定的分离要求时对双组分： Fenske 方程图解法在平衡线与对角线之间画梯级，直至xnxW为止。 最小回流比a）定义回流比减小，两操作线同时向平衡线靠近，所需理论板数增加；继续减小至交点Q移至平衡线上时（点），则所需的理论板数无穷多；对应的回流比称为最小回流比 Rmin。b）计算：设（xe， ye) 则通过 q 线确定xe ye最小回流比操作回流比全回流如何选择适宜回流比特殊平衡关系下的Rmin 适宜回流比再沸器和冷凝器设备费，塔板数，塔高，塔径操作费设备费和操作费的权重并不是一成不变的7.5.5 理论塔板数的简捷计算法R、Rmin、NT和Nmi

9、n的关系可以用吉利兰(Gilliland)图表示。注意：NT、Nmin均已包括釜。曲线可近似表示为：简捷法具体步骤是：（1）根据精馏给定条件计算Rmin ； （2）由Fenske方程及给定条件计算Nmin。（3）计算（4）查得（5） 计算计算示例说明：简捷法主要用于对理论塔板数的初估。7.5.8 实际塔板数及塔板效率 (1) 实际塔板数注意：N为塔内理论塔板数（不包括塔釜）， 实际板数要取整 。(2) 塔板效率 总板效率 ET意义：反映了整个塔分离的综合性能，即为达到某一分离要求， 理论上所需塔板数和实际需要塔板数之间的关系。影响ET的因素：a） 汽、液两相流体的物理性质；b）操作参数，如温度

10、、压力等；c）塔结构、湍动程度、相际接触面积等。ET的来源：a）经验公式 ；b）实测数据 来源生产塔或中间试验塔 。0. 10.40.20.66421.00.10. 40. 20. 61.00. 8精馏塔效率关联曲线10总板效率 ETOConnell搜集了几十个工业精馏塔 单板效率（Murphree 效率） Vaporization efficiency（气化效率）Murphree efficiency7.6 复杂塔精馏过程分析 应用 特点 a）提高了传热效率，省去一再沸器；b）应考虑废水问题 所分离混合物是由水和比水易挥发组分组成的混合物时。7.6.1 水蒸气直接加热的蒸馏 操作线方程精馏段

11、：与间接加热的相同。达到与间接加热相同的xD及xW时， 所需的理论板数略少。 水蒸气直接加热的蒸馏计算7.6.2带侧线采出的精馏C2H4 C2H6 微量CH4 特点侧线出料将塔分为多段, 各段对应各自的操作线和操作方程。 应用 需要几种不同纯度的产品时 混合物按其沸程作大概的分割时。 操作线方程 对双组分带侧线采出的精馏过程分段进行物料衡算确定塔内操作线方程。说明：采出液相侧线产品，采出段操作线斜率小于精馏段操作线的斜率，侧线采出板与进料板之间塔板的分离能力下降。采出液相侧线：回流比不变说明：采出气相侧线产品，采出段操作线斜率小于精馏段操作线的斜率，侧线采出板与进料板之间塔板的分离能力下降。采

12、出气相侧线：回流比不变说明：精馏段设侧线采出最小回流比的增大操作回流比调节范围减小对精馏过程的分离和生产过程的节能不利。侧线采出可节省一个塔的投资费和操作费。7.6.3 多股进料 特点 多股进料将塔分为多段, 各段对应各自的操作线和操作方程。 应用 两股组分相同而组成不同的物料在同一塔内分离。 操作线多股进料的精馏操作线图示7.6.4 回收塔 应用特点 只有提馏段，无精馏段, 进料液为塔顶回流液。 操作线方程 理论板数的求法 图解法q=1 恒摩尔流q= 1回收塔的理论板数计算过程7.6.5 塔顶设部分冷凝器 目的 节省高品位冷剂。 分凝器相当于一块理论板塔内总理论板数则等于（N2）块理论板。干

13、气制乙苯工艺，塔顶组成：苯：90%干气：10%1.0MPa，泡点-15需要氨冷分凝：140发生蒸气7.5.7 精馏过程优化与分析进料位置回流比操作压力理论板数热进料状态参数优化（1）诊断分析步骤 充分调查，收集数据； 应用物料衡算的关系检验精馏塔采出量的合理性。如果采出不合理，就不可能使塔两端产品同时达到要求。 应用热力学原理，如相平衡关系，分析塔内温度、压力、组成等分布的合理性。应用理论级及塔板效率的基本概念，分析影响分离能力的主要原因。考查塔板的水力学性能，分析影响塔生产能力和分离能力的原因。 塔的一端产品不合格（2）故障诊断首先考虑塔的采出量是否满足物料衡算关系： 塔两端产品不合格 a）

14、 生产负荷的影响 塔的进料流量处理能力或生产负荷。 生产负荷不能超过对应工况下塔的最大生产能力。措施：减少进料量，增大回流比。措施：调整采出量，使之与分离要求相匹配。 b） 进料条件的影响 进料条件包括进料量、组成及热状态。 进料热状态的影响：措施：调整进料位置，适当提高回流比。q = 10 q 1c） 理论板数的影响 塔的分离能力取决于理论塔板数和各板分离能力。 措施：提高理论板数或提高操作回流比。d） 回流比的影响 回流比接近最小回流比时，塔内各板分离能力降低，导致产品质量不合格。 措施：提高理论板数或提高操作回流比。e ）辅助设备和公用工程的影响 主要辅助设备包括再沸器和冷凝器，有时包括

15、中间再沸器和中间冷凝器。 公用工程主要指加热蒸汽、冷却水或冷剂。（2） 塔压的选择塔压高： 塔压波动生产负荷大时出现，且塔压差持续上升原因： 由于工况改变引起塔内温度变化，导致“淹塔”； 对深冷系统，可能形成“冻堵”； 对易聚合、易结焦的体系，可能造成液流不畅； 刚检修开车时，确认塔内无固体杂物堵塞； 改造后，降液管面积或底隙过小设计。 塔温变化 塔压恒定，塔两端温度同时下降原因： 塔顶采出量有所减少； 进料中易挥发组分含量有所增加； 进料量增加，而采出量未增加。某车间用一连续精馏塔，分离含苯0.4（摩尔分率，下同）的苯-甲苯混合液，进料量为100 kmol/h，进料状态为汽、液混合进料，其中含液体量为80%，在最佳位置进料。常压操作，泡点回流，回流量为137 kmol/h，塔顶、塔底分别得到含苯0.97和含甲苯0.97的产品。对离开第一块塔板液相取样分析，其组成为0.94。苯甲苯常压相对挥发度可取为2.47。试求：1.塔顶、塔底的产品流量；2.塔的操作