精馏-操作型计算课件

第六章

蒸馏

Distillation一、理论板及恒摩尔流二、物料衡算和操作线三、理论塔板层数的求法四、几种特殊情况时理论板数的求法五、回流比的影响及其选择六、理论板数的捷算法七、实际塔板数、塔板效率八、精馏装置的热量衡算第三节

两组分连续精馏的

分析和计算

2023/7/291精选课件D,xDW,xWF,xF§6.3二元连续精馏的分析与计算计算项目：塔顶（或塔底）产量和浓度塔内物流量回流量塔板数或填料层高度进料位置塔径2023/7/292精选课件D,xDW,xWF,xF------若组分A、B的汽化潜热接近，则NA=NB2023/7/293精选课件理论板

离开这种板的气液两相互成平衡，而且塔板上的液相组成也可视为均匀的。恒摩尔流假设的条件（1）各组分的摩尔汽化潜热相等；（2）气液接触时因温度不同而交换的显热可以忽略；（3）塔设备保温良好，热损失可以忽略。2023/7/294精选课件恒摩尔溢流

恒摩尔汽化2023/7/295精选课件D,xDW,xWF,xF1、全塔物料衡算二、物料衡算和操作线2023/7/296精选课件当塔顶、塔底产品组成xD、xW及产品质量已规定，产品的采出率D/F和W/F也随之确定，不能再自由选择；当规定塔顶产品的产率和质量xD，则塔底产品的质量xW及产率也随之确定而不能自由选择；在规定分离要求时，应使塔顶产品的组成应满足2023/7/297精选课件例每小时将15000kg含苯40%（质量%，下同）和甲苯60%的溶液，在连续精馏塔中进行分离，要求釜残液中含苯不高于2%，塔顶馏出液中苯的回收率为97.1%。试求馏出液和釜残液的流量及组成，以摩尔流量和摩尔分率表示。2023/7/298精选课件解：苯的分子量为78；甲苯的分子量为92。进料组成：釜残液组成：原料液流量：依题意知：所以：全塔物料衡算（b）或联立式a、b、c，解得：原料液的平均分子量：（a）（c）2023/7/299精选课件D,xDW,xWF,xFn12023/7/2910精选课件nxn

yn+1

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、液两相组成之间的关系。2023/7/2911精选课件

操作线斜率大，意味着经过一块理论板后，汽相的增浓程度变大，液相的减浓程度变大。故操作线斜率大对精馏段的分离是有利的。汽相增浓程度液相减浓浓程度思考：操作线斜率大，对精馏是否有利？2023/7/2912精选课件3．提馏段操作线方程2023/7/2913精选课件斜率小，提馏段内塔板的分离能力高。

2023/7/2914精选课件三、进料热状况的影响及加料线方程

2023/7/2915精选课件对加料板作总物料衡算和热量衡算：2023/7/2916精选课件2023/7/2917精选课件2023/7/2918精选课件思考题1、已知原料为气液混合进料，气液量之比为3：4，则q=()2、已知q=1.1,则加料中液体量与总加料量之比为（）A、1.1:1B1:1.1C1:1D0.1:12023/7/2919精选课件q线方程2023/7/2920精选课件-----q线方程2023/7/2921精选课件

图示：（1）精馏段操作线（2）q

线（3）提馏段操作线

精馏段操作线，提馏段操作线，q线三线必交于一点三线的特点是都必通过对角线一点由两条直线可以得到另一条直线注意：2023/7/2922精选课件可见：

q

的值不影响精馏段操作线，但对提馏段操作线有影响。

(3)进料状态参数对操作线的影响精馏段操作线方程:提馏段操作线方程:q线方程：2023/7/2923精选课件不同进料热状态时的q线和对提馏段操作线的影响说明：①q↓，提馏段操作线斜率增大。②提馏段操作线方程经变换，与xD，xW，xF，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=1q>10<q<1q=0q<0zFxDxW2023/7/2924精选课件q线的作法：(1)在对角线上作e点(y=x=xF)；(2)过e点作斜率q/(q-1)的直线。进料焓值(温度)增加，q值减小，

则q线与精馏操作线的交点(相应加料热状态下两操作线的交点)沿着精馏操作线朝x、y减小的方向移动。从塔设备的角度，这意味着加料板位置下移。q线与精馏段操作线的交点即为两操作线的交点，仅需将此点与对角线上的x=xW，y=xW点联结，即得提馏段操作线。实际应用中，常用此法作提馏段操作线。eacbdq<0q=00<q<1q=1q>101.0xWxy1.0xDxF不同加料热状态下的q线加料热状态对操作线交点的影响2023/7/2925精选课件例题一连续精馏塔，泡点进料。已知操作线方程如下：精馏段y=0.8x+0.172提馏段y=1.3x–0.018求原料液、馏出液、釜液组成及回流比。2023/7/2926精选课件

解：由精馏段操作线方程，得R=4；，得xD=0.86将提馏段操作线方程与对角线方程y=x联立解得x=0.06，即xw=0.06将两操作线方程联立解得x=0.38因是泡点进料，q=1，q线垂直，两操作线交点的横坐标即是进料浓度，∴xF=0.382023/7/2927精选课件

例：用一连续精馏装置在常压下，分离含苯41%（质量%，下同）的苯-甲苯溶液。要求塔顶产品中含苯不低于97.5%，塔底产品中含甲苯不低于98.2%，每小时处理的原料量为8570kg。操作回流比为3，试计算：（1）塔顶及塔底的产品量；（2）精馏段上升蒸汽量及回流液量；（3）当原料于47℃进塔和蒸汽进塔时，提馏段上升蒸汽量及回流液量。（苯的汽化潜热rA=93kcal/kg，甲苯的汽化潜热rB=87.52023/7/2928精选课件kcal/kg，苯和甲苯的平均比热Cp,l=0.45kcal/kg℃，蒸汽的平均比热Cp,v=0.30kcal/kg℃，泡点温度93℃，露点温度99.5

℃)。分析：求W、D全塔物料衡算求xF、xW、xD求V、L已知R精馏段物料衡算求求q解：

（1）产品量

2023/7/2929精选课件2023/7/2930精选课件(2)上升蒸汽量及回流量

精馏段：

2023/7/2931精选课件(3)47℃进料时

将料液由47℃升温到93℃所需的热量为：

继续加热

2023/7/2932精选课件饱和蒸汽进料时

2023/7/2933精选课件已知: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．逐板法三、理论塔板层数的求法2023/7/2934精选课件(1)逐板计算法条件：①塔顶蒸气在冷凝器中全部冷凝；②泡点回流。………………..

2023/7/2935精选课件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。xD=y1x1

y2→x2

y3→x3

平衡操作………..2023/7/2936精选课件①塔底再沸器相当于一块理论板，故塔内理论板数为N－1。应注明N＝？（包括或不包括釜）；②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①作平衡曲线；

③由D(xD,xD)和b=xD/(R+1)作精馏段操作线；④由F(xF,xF)点和K=q/(q-1)作q线；②由xD、xF、xW作垂线与对角线交于D、F、W点;⑤由交点Q(xq,yq)和W(xW,xW)作提馏段操作线；⑥由D点开始,在平衡线与操作线之间画梯级求N。2023/7/2937精选课件2023/7/2938精选课件所画的总阶梯数就是全塔所需的理论塔板数（包含再沸器），跨过点d的那块板就是加料板，其上的阶梯数为精馏段的理论塔板数。理论板12.8块（包括再沸器），其中精馏段5.7块，提馏段板数=11.8-5.7=6.1块，加料板在第6块。2023/7/2939精选课件思考：为什么一个梯级代表一个理论板？2023/7/2940精选课件①汽、液通过任一理论塔板时组成的变化说明：2023/7/2941精选课件

nc

b

xn

xn-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②梯级的意义2023/7/2942精选课件③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。④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↓。2023/7/2943精选课件⑤影响N的因素分析N决定于操作线：xD，xW，R，xF，q，实际生产中的进料热状态参数由前一工序决定。平衡线：物系，T，P→（α）xD↑，xW↓分离要求提高，则N↑6.5.4进料位置的选择（1）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。2023/7/2944精选课件（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:2023/7/2945精选课件滞后进料:2023/7/2946精选课件五、回流比的影响及其进料选择

1、回流比对精馏操作的影响

R↑xD/R+1↓

abyxxDxWcxFefdxD/R+1

NT↓ab

下移R↑D、W不变L、V↑ab与ac重合R=∞NT=Nmin2023/7/2947精选课件abyxxDxWcxFefdxD/R+1

R↓xD/R+1↑ab、q线与平衡线交于dR=RminN=∞d点夹紧点N↑ab上移Rmin＜＜R∞2023/7/2948精选课件说明：R↑→N↓→塔设备费↓2023/7/2949精选课件L=V

2．全回流和最少理论板数Nmin应用:开工、科研、设计。2023/7/2950精选课件

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xn≤xw为止。2023/7/2951精选课件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

xn≤xw为止。

平衡关系：对第n块板：αn—第n块板A组分对B组分的相对挥发度。操作关系：2023/7/2952精选课件当塔顶为全凝器时：y1=xD,板序号平衡关系操作关系

12…………………n整理得：2023/7/2953精选课件达到规定的分离要求时对双组分：——Fenske方程xN=xW相对挥发度α随溶液组成而变化，如取平均相对挥发度，则当塔底与塔顶的相对挥发度α相差不大时，则包括塔釜2023/7/2954精选课件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Ｅ），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。3．最小回流比Rmin为完成某一分离要求，所需的理论塔板数为无穷多时的回流比称为最小回流比。2023/7/2955精选课件b）计算：设Ｅ（xe,ye)则2023/7/2956精选课件也可由精馏段操作线在y轴上的截距yC确定。2023/7/2957精选课件yxeyxe恒浓区在精馏段

恒浓区在提馏段

2023/7/2958精选课件思考：当操作中选用的回流比比设计时的最小回流比还要小时，塔能否操作？将出现什么现象？D,xDW,xWF,xF2023/7/2959精选课件4、适宜回流比的选择

R=（1.1～2）Rmin2023/7/2960精选课件对于精馏设计，除选定R外，还需选定进料热状态，即确定q值。如何选择q呢？先看例子：在相同的操作压强分离要求和R下，某体系精馏所需总理论板数与q之间存在如下关系：5．加料热状态的选择2023/7/2961精选课件

q值NT

1.2（冷凝进料）7.8

1.0（泡点加料）8.0

0.5（汽液混合物加料）8.8

0（饱和蒸汽）12由此可见，R一定，q值愈小，即进料前经预热，使其温度升高，由冷液变为饱和蒸汽后加入塔内所需的总板数NT增多。q=1q>10<q<1q=0q<0zFxDxW2023/7/2962精选课件若F，xf，xD，xw，QR给定，试问q↓→NT？若再沸器面积已选定，即QR给定，问题为：思考2023/7/2963精选课件，同样以全塔热量衡算来分析：∵QR一定，则提馏线斜率又∵当q↓→(1-q)↑→V↑又∵∵D一定，∴R↑→精馏段操作线远离平衡线→NT↓但需指出，这是以增加能耗为代价的，但（Qf+QR）↑，（QC↑）。综上分析，在热耗不变的情况下，热量应尽可能在塔底输入，使所产生的汽相回流能在全塔中发挥作用，而冷却量应尽可能施加于塔顶，使所产生的液体回流能经过全塔发挥最大的效能。2023/7/2964精选课件有的同学可能会问：照此讲，工厂中精馏塔进料只有冷液进料了。不存在其它进料情况了？工业上有时采用热态或冷态进料，其目的不是为了减少理论板数，而是为了减少再沸器或塔釜的加热负荷。尤当塔釜温度过高，物料易产生聚合、结焦时，这样做更为有利。另外，加料热状态多与前一工序有关。若前一工序输出的是饱和蒸汽，一般就以饱和蒸汽进塔，不必冷凝成液态再进塔。换个角度，精馏操作型计算命题中：当NT，F，xf，R一定，q↓→xD↓，xw↑，反之亦然。2023/7/2965精选课件R、Rmin、NT和Nmin的关系可以用吉利兰(Gilliland)图表示。六、理论板数的捷算法

2023/7/2966精选课件注意：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。2023/7/2967精选课件（3）计算（4）查得（5）计算说明：简捷法主要用于对理论塔板数的初估。2023/7/2968精选课件2、简捷法求理论板数的步骤根据物系性质及分离要求，求出Rmin，选择合适的R；求出全回流下所需理论板数Nmin；使用吉利兰图，求出所需理论板数；确定加料位置，可把加料组成看成釜液组成求出理论板数即为精馏段所需理论板数，从而可以确定加料位置。

2023/7/2969精选课件七、实际塔板数、塔板效率

1、单板效率——默弗里（Murphree）效率

气相单板效率

操作线平衡线ynyn-yn+1液相单板效率

2023/7/2970精选课件nxn-1yn+1ynxn1．单板效率EmV、EmL

2023/7/2971精选课件2．全塔效率E0

又称总板效率，其定义为：其值一定小于1，多数在0.5～0.7之间。D,xDW,xWF,xF2023/7/2972精选课件nxn-1yn+1ynxnE0与Em数值上不一定相等；E0大，则表明Em一定大。但反过来，Em大，则E0不一定大，这是因为，板和板之间传质会相互影响，可能存在着各种不利的操作现象，如漏液、雾沫夹带、液泛等。思考：单板效率Em与全塔效率E0有何关系？D,xDW,xWF,xF2023/7/2973精选课件（1）流动状况：汽、液相的流速（2）物性参数：主要为汽液两相的物性如密度、粘度、表面张力、相等挥发度、扩散系数等；（3）塔板结构参数：主要为塔板的结构如塔板型式、板间距、板上开孔和排列情况等；（4）操作参数：温度、压力等。思考：影响塔板效率的因素？nxn-1yn+1ynxn七、塔板效率与实际塔板数2023/7/2974精选课件八、精馏装置的热量衡算

1、冷凝器的热量衡算

冷却介质用量

2023/7/2975精选课件2、再沸器的热负荷

进入再沸器的热量：

加热蒸汽供给的热量QB；回流液体带入的热量L’ILm

离开再沸器的热量：再沸器中上升蒸气带走的热量

釜残液带走的热量

再沸器的热损失

2023/7/2976精选课件若近似取

加热介质的消耗量

若用饱和蒸汽加热，且冷凝液在饱和温度下排出，则加热蒸汽消耗量

2023/7/2977精选课件习题课D,xDW,xWF,xF公式：操作条件包括：进料状况（F、xF、q）、R

操作压力P、操作温度T

冷凝器热负荷V、再沸器热负荷VD、W。2023/7/2978精选课件习题课例1设计型问题组成为xF=0.45的原料以汽液混合状态进入精馏塔，其中汽液摩尔比为1:2，塔顶xD=0.95（以上均为摩尔分率），塔顶易挥发组分回收率为95%，回流比R=1.5Rmin，塔釜间接蒸汽加热，相对挥发度=2.5。试求：（1）原料中汽相和液相组成；（2）列出提馏段操作线方程。DxD=0.95W,xWFxF=0.45R=1.5Rmin=2.52023/7/2979精选课件汽液摩尔比为1:2DxD=0.95W,xWFxF=0.45R=1.5Rmin=2.5解：（1）原料中汽相和液相组成设原料中汽相组成为ye

，液相组成为xe

，则2023/7/2980精选课件（2）列出提馏段操作线方程DxD=0.95W,xWFxF=0.45R=1.5Rmin=2.52023/7/2981精选课件2023/7/2982精选课件1.NT不变，泡点进料，讨论xD,xW如何变化？a.xF,其它不变，D,W不变。结论：xD,xW操作型计算xF

对xD,xW

的影响2023/7/2983精选课件b.加料板位置上移结论：xD

,xW

加料板位置对xD,xW

的影响2023/7/2984精选课件c.R结论：xD,xW

R对xD,xW

的影响2023/7/2985精选课件d.q,R不变，D不变，V’结论：xD,xW

q对xD,xW

的影响2023/7/2986精选课件２、一个正常操作的精馏塔，泡点进料，塔顶塔底产品均合乎要求，由于某种原因，xF。问：（1）此时产品组成将有何变化？（2）若维持xD不变，可采用哪些措施，并比较这些方法的优缺点？2023/7/2987精选课件练习一操作中的常压连续精馏塔分离某混合液。现保持塔顶馏出液量D、回流比R、进料状况（F、xF、q）不变，而减小操作压力，试分析xD、xW如何变化？解：2023/7/2988精选课件2023/7/2989精选课件例3操作型计算

如图所示的精馏塔由一只蒸馏釜及一层实际板组成。料液由塔顶加入，进料热状况参数q=1，xF=0.20（摩尔分率，下同）。今测得塔顶易挥发组分的回收率为80%，且xD=0.30，系统相对挥发度为3.0。试求：（1）残液组成xw；（2）该层塔板的液相默弗里板效EmL。设蒸馏釜可视为一个理论板。q=1，xF=0.20xD=0.30＝80％=3.02023/7/2990精选课件解：（1）残液组成xwq=1，xF=0.20xD=0.30＝80％=3.02023/7/2991精选课件y1xFx1yw（2）该层塔板的液相默弗里板效EmLq=1，xF=0.20xD=0.30xW=0.0859=3.02023/7/2992精选课件y1xFx1yw2023/7/2993精选课件例4 某连续操作精馏塔如图所示，已知料液摩尔组成xF=0.2，料液以饱和液体状态直接加入塔釜，塔顶设全凝器，全塔共两块理论板（包括塔釜），塔顶摩尔采出率D/F=1/3，回流比R=1，泡点回流，此条件下物系的相平衡关系可表示为y=4x，试计算xW=?xF=0.2D/F=1/3R=1y=4x饱和液体2023/7/2994精选课件y=4x2023/7/2995精选课件九、几种特殊情况时理论板数的求法

1、多侧线的塔

例：在常压连续精馏塔中，分离乙醇—水溶液，组成为xF1=0.6（易挥发组分摩尔分率，下同）及xF2=0.2的两股原料液分别被送到不同的塔板进入塔内，两股原料液的流量之比F1/F2=0.5，均为饱和液体进料。操作回流比R=2，若要求馏出流组成xD为0.8，釜残液组成xW为0.02，试求理论板层数及两股原料液的进料板位置。应用场合：多股进料或多股出料2023/7/2996精选课件分析：求理论板层数图解法操作线两股进料三段？解：

组成为xF1的原料液从塔较上部位的某加料板进入，该加料板以上塔段的操作线方程式与无侧线塔的精馏段操作线方程相同。

2023/7/2997精选课件

两股进料板之间塔段的操作线方程，可按虚线范围内作物料衡算求得：总物料：

易挥发组分：

——两股进料之间塔段的操作线方程2023/7/2998精选课件因进料为饱和液体

D如何求？全塔物料衡算总物料：

易挥发组分：

设

2023/7/2999精选课件对原料液组成为xF2的下一股进料，其加料板以下塔段的操作线方程与无侧线塔的提馏段操作线方程相同

2023/7/29100精选课件各段操作线交点的轨迹方程分别为：2023/7/29101精选课件理论板层数为9自塔顶往下的第5层为原料F1的加料板自塔顶往下的第8层为原料F2的加料板2023/7/29102精选课件总结：塔段数（或操作线数）=塔的进出料数-1各段内上升蒸汽摩尔流量及下降液体摩尔流量分别各自相同各段操作线首尾相接精馏段及提馏段操作线方程的形式与简单精馏塔相同中间段的操作线方程应通过各段的物料衡算求得2023/7/29103精选课件2、直接蒸汽加热

应用场合：待分离的混合液为水溶液，且水为难挥发组分操作线：精馏段：与普通精馏塔相同提馏段：物料衡算2023/7/29104精选课件（恒摩尔流动）——直接加热时提馏段操作线方程总物料

易挥发组分：