精馏塔的计算

1、精馏塔的计算一精馏操作的三大平衡：保证精馏稳定操作的必要条件。（1）物料平衡：进入某装置或设备的物料量必等于排出某装置或设备的物料量与过程累积的量。当无累积量时，即：进料量排出量。对于精馏塔 F=D+W体现了塔的生产能力，主要由、W 调节。（2）汽液相平衡：是精馏操作的基础。TP只有在温度、压力固定时才有确定的汽液平衡组成，（3）热平衡：是物料平衡和汽液平衡的基础。Q =Q +Q入出损各层塔板上的热平衡 Q汽化=Q冷凝影响因素：塔釜加热蒸汽量 、塔顶冷凝剂量、物料平衡、汽液平衡。总之三大平衡相互制约，操作中常以物料平衡的变化为主，相应调节热量平衡以维持汽液平衡。二相组成的表示方法：传质操作中，

2、物质在相与相之间进行传递，因而组分在各相中的浓度发生变化。各组分在相之中的浓度表示方法很多。（一）质量分率和摩尔分率1=G/G ； =G/GB2摩尔分率：混合物中某组分的摩尔数与混合物总摩尔数的比值，称为该组分的摩尔或 =1-AABBA分率。x = n/n ；x = n /n或 x=1-xAABBBAx （G/M）/（G/M +G/M ） ；x （G/M ）/（G/M +G/M ）AAAAABBBBBAABB3质量分率和摩尔分率的换算质量分率换算成摩尔分率x =（/M）（/M +/M）AAAAABBx =（/M）（/M +/M）BBBAABB摩尔分率换算成质量分率= x M/（xM +xM）A

3、AAAABB= x M （xM +xM）BBBAABB(二气体混合物的组成Vy= p /P =v/V ；LD所以气体的摩尔分率为xDAAAy= P/P= v/V 或 y1-yF，xFB三物料衡算（双组分）BBBA对总物料衡算F =D+WF x =D x + W x对易挥发组分衡算式中：FDWWkmol/hxWx 、x 、x 分别为原料液、馏出液、釜残液中易挥发组分的摩尔分率FDWD = F（x -x ）（x - x ）FWDWW = （x x ）（x - x ）DFDW（D x / F x ）100%塔顶易挥发组分的回收率 =DF回流比 = 液体回流量（）/塔顶馏出液量（）= L/D例：每小时

4、将15000kg含苯为0.4的苯-甲苯混合液在精馏塔中进行分离，操作压力为101.3kPa，要求塔顶馏出液中含苯0.97，塔底液中含苯塔顶馏出液、塔底液的摩尔流量。（苯的摩尔质量为 78kg/kmol,甲苯的摩尔质量为92kg/kmol ）解：将液组成换算成摩尔分率。x = （40/78）/(40/78+60/92) = 0.44Fx = (97/78)/(97/78+3/92) = 0.974Dx = (2/78)/(2/78+98/92) = 0.0235W原料平均摩尔质量M = 780.44 + 920.56 = 85.8kg/kmolF由物料衡算：F= D+W =15000/85.8

5、= 175kmol/h则F = D + WF x = D x + W xFD175 = D + WWD = 76.6kmol/hW = 98.4kmol/ h1750.44 = 0.974D + 0.0235W例：将含24%（摩尔分率，以下同）易挥发组分的某混合液送入连续操作的精馏塔。要求馏出液中含 95%的易挥发组分，残液中含 3%易挥发组分。塔顶每小时送入全凝器850kmol 蒸汽，而每小时从冷凝器流入精馏塔的回流量为670kmol。试求每小时能抽出多少kmol 残液量。回流比为多少？如：单效蒸发的物料衡算作溶质的衡算 Fx W）x10式中原料液量，kg/hW水分蒸发量，kg/hx x 原

6、料液和完成液的浓度，质量分率01例：在单效蒸发中，每小时将2000kg 的某水溶液从10%连续浓缩到30%。操作压力为40kpa，相应的溶液沸点为80。用200kpa饱和蒸汽加热。试求蒸发量。解：蒸发量0.1 0.3xw F1 2000 11333 / kg h0 x1泡点进料q=1，= L +露点进料q=0，= LV -V FF吸收一吸收原理1 吸收：利用各组分溶解度的不同而分离气体混合物的操作。2 溶液：吸收所得到的溶液（主要成分：溶剂、溶质）吸收尾气：剩余的气体（惰气、残余溶质）3 解吸：从吸收剂中分离出已被吸收气体的操作。4 吸收操作传质过程：单向传质过程，吸收质从气相转移到液相的传质

7、过程。其中包括吸收质由气相主体向气液相界面的传递，及由相界面向液相主体的传递。5吸收过程：通常在吸收塔中进行。为了使气液两相充分接触，可采用板式塔或填料塔，少数情况下也选用喷洒塔。吸收尾气 少量 A如图：吸收剂自塔顶上部喷淋而下，塔底部排出溶液；混合气体由塔底进入，塔顶部排出吸收尾气。溶剂气液两相在塔内进行逆向接触的过程中，混合气体内吸收质就转移到吸收剂中，达到了从混合气体分离出某种组分的目的。混合气体（）6 气体在液体中的溶解度：平衡状态下，液相中的溶质浓度。溶液（溶剂+A）对于同一种气体溶质，溶解度随温度的升高而减小。随压力的增加而增大。7蒸馏与吸收的区别蒸馏吸收分离物原理液体混合物依据组

8、分间挥发度的不同而分离气体混合物依据组分间溶解度的不同而分离单向传质 气相 液相传质方向 双向传质 气相液相两相形成 内部产生第二物相产品获得 直接获得外界引入另一相（吸收剂）需第二次分离（解吸）获得二吸收分类组分数目：单组分吸收，多组分吸收。化学反应：物理吸收，化学吸收。热效应：等温吸收，非等温吸收。三相组成表示1比质量分率 X （Y WWX （Y ）= G /G = /kgA / kgB2比摩尔分率 （Y X = n / n =x / x =x /（1-x ） kmolA / kmolBWWABABABABAAY = n / n =y / y =y /（1-y ）kmolA / kmolB

9、ABABAAY = p / p =p /（P - p ）ABAA在吸收操作中，通常 A组分：指吸收质B组分：液相 x 指吸收剂，气相 y 指惰气BB四吸收推动力：实际浓度与平衡浓度之差。即Y=Y（以气相浓度表示）X=X*- （以液相浓度表示）脱收推动力：Y=Y* - （以气相浓度表示）X=X- （以液相浓度表示）（1）可判断过程的方向：Y*Y*向吸收方向进行向解收方向进行（2）指明过程的极限：即相平衡时溶解终止。Y=Y*五 传质基本方式物质在单一相中的传递是靠扩散作用。发生在流体中的扩散有分子扩散和涡流扩散。1分子扩散：物质在一相内部有浓度差异的条件下，由流体分子不规则热运动引起的物质传递。发

10、生在静止流体或层流流体中。（1）分子扩散的阻力和速率主要决定于扩散物质和流体的温度以及某些物理性质。（2）分子扩散速率与其在扩散方向上的浓度梯度成正比。分子扩散系数是物质的物理性质之一。扩散系数大，表示分子扩散快。（3）分子在液体中扩散速率比在气体中要慢的多。因为液体的密度比气体的密度大得多，其分子间距小。2在湍流主体中，由于分子运动而产生的分子扩散与涡流扩散同时发挥着传递作用。但由于构成流体的质点是大量的，所以在湍流主体中质点传递的规模远大于单个分子的，因此涡流扩散的效果占主要地位。（1）涡流扩散速率要比单纯的分子扩散大得多。故强化传质设备常常是通过提高湍流程度来实现的（2）涡流扩散系数不是

11、物理常数，它与湍动程度有关，且随位置而不同。3对流扩散：湍流主体与相界面间的涡流扩散与分子扩散两种传质作用的总称。它与传热过程的对流传热类似。六吸收机理（一）吸收机理（双膜理论要点）1相互接触的汽液两流体间存在着稳定的相界面，界面两侧各存在着一个很薄的有效层流膜层。吸收质以分子扩散方式通过两膜层。2在相界面处，汽液两相达相平衡。界面上无阻力。3在膜层以外的汽液两相中心区，由于流体充分湍动，吸收质的浓度是均匀的，即两相中心区的浓度梯度为零，全部浓度变化集中在两个有效膜层内，即阻力集中在两膜层中。界面（无阻力）传质方向气相液相主体P主体对流扩散无阻力对流扩散无阻力C吸收质在气相中的分压吸收质在液相

12、中的浓度 双 膜 理 论 模 型通过假设，把整个相际传质的复杂过程简化为吸收质只是经气、液两层的分子扩散过程。因此两膜层就成为吸收过程的两个基本阻力。双膜理论也称双阻力理论。吸收的阻力集中在气膜和液膜上。即所谓双膜上。气膜、液膜越厚，传质阻力越大，传质速率就越小，而膜越薄，自然越有利传质。（三）提高吸收速率：流体力学指出，流速越大，边界膜越薄。因此按照双膜理论，在其它条件不变时，增大流速，就可以减小双膜阻力，从而提高吸收速率。七 吸收速率1吸收速率：是指单位传质面积上，单位时间内吸收的溶质量。表该处的吸收速率。2吸收速率方程式（一）气膜吸收速率方程式N =k （p-p）AGiN 为吸收质 A的

13、分子扩散系数 kmol/ m .s2Ak 为气膜吸收系数 kmol/ (m .s. kN/m )22Gp、p 分别为吸收质组分在气相主体与相界面处的分压，kN/m2iPP推动力阻力N i1AkG气膜吸收系数值反映了所有影响这一扩散过程因素对过程影响的结果，如扩散系数、操作压力、温度、气膜厚度以及惰性组分的分压等。（二）液膜吸收速率方程式N =k （C）ALik 为液膜吸收系数 kmol/ (m .s. kN/m )22LC C 分别为吸收质 A在相界面与液相主体处的浓度，kmol/m3i、液膜吸收系数值反映了所有影响这一扩散过程因素对过程影响的结果，如扩散系数、溶液的总浓度、液膜厚度及吸收剂的

14、浓度。3吸收总系数及其相应的吸收速率方程式吸收过程所以能自动进行，就是由于两相主体浓度尚未达到平衡，一旦达到平衡，推动力便等于 0。因此，吸收过程的总推动力应该用任何一相主体浓度与其达到平衡浓度的差值来表示。（1）以 p-p*表示总推动力的吸收速率方程式（气相总吸收速率方程式）N =K （p-p*）K 气相吸收总系数AGG吸收过程的总阻力由气膜阻力 1/ k 与液膜阻力1/H k 两部分组成。H溶解度系数GL对于易溶气体，H ，液膜阻力可以忽略，1/ G1/ k 气膜阻力控制着整个吸收过程的速率G对于气膜控制的吸收过程，如要提高其速率，在选择设备型式及确定操作条件时，应特别注意减小气膜阻力。（

15、2）以 C* - C表示总推动力的吸收速率方程式（液相总吸收速率方程式）N =K （C* - ） K 液相吸收总系数ALL吸收过程的总阻力由气膜阻力 H / k 与液膜阻力1/ k 两部分组成。GL对于难溶气体，H 值很小，此时，传质阻力集中于液膜中，气膜阻力可以忽略，1/K 1/ k 液膜阻力控制着整个吸收过程的速率，吸收总推动的绝大部分用于克服液膜LL对于液膜控制的吸收过程，如要提高其速率，在选择设备型式及确定操作条件时，应特别注意减小液膜阻力。对于具有中等溶解度的气体吸收过程，气膜阻力与液膜阻力均不可忽略。要提高吸收过程速率，必须兼顾气、液两膜阻力的降低，方能得到满意的效果。八吸收剂的用

16、量 L1吸收操作线方程：，2，2LY X X YV11单位时间通过吸收塔的惰性气量，kmol 惰气/s单位时间通过吸收塔的吸收剂量，kmol 吸收剂/sY 、Y 分别为进塔和出塔气体的组成，12kmol 吸收质/kmol 惰性气X 、X 分别为出塔和进塔液体的组成，1，112kmol 吸收质/kmol 吸收剂在吸收过程中，L 的量没有变化；在气相中吸收质的浓度是逐渐减小；而液相中吸收质的浓度是逐渐增大。在吸收塔中，需要处理的气体流量以及气相的初浓度和终浓度均由生产任务所决Y Y 及 X 是吸收剂的用量有待选择。1222液气比：操作线的斜率 L/V，称为液气比，即在吸收操作中吸收剂与惰性气摩尔流

17、量的比值。它反映单位气体处理量的溶剂耗用量。3吸收剂的用量：V值已由生产任务确定，吸收剂 L加大，L/V就大，X X -X*111作费用。相反吸收剂 L 减小，L/V就小，X X -X就越小，节省了操作费用，但设备费用高了。所以 L要根据实际情况全面衡量。*111X 最大不能大于 X X =X L*1为吸收剂的最小用量。1114吸收剂的选择（1）溶解度：吸收剂对溶质组分要有较大的溶解度。（2）良好的选择性。（3）挥发性要小。应在较为合适的条件（温度、压力）下进行吸收操作。（4）无腐蚀。（5）操作温度下粘度要低。（6）其它：无毒、不易燃、不发泡、价廉易得、便于回收和具有化学稳定性等。九影响吸收的因素1 压力：加大压力，可提高溶解度，对吸收有利。2 温度：降低温度，可提高溶解度，对解吸有利。反之有利于解吸。十常用解吸的方法1加热升温2减压闪蒸3 ）惰气解吸：