项目2精馏物料热量衡算化工分离操作技术化工分离操作技术团队

《化工分离操作技术》项目2精馏物料、热量衡算《化工分离操作技术》课程教学团队学习任务1任务2.2精馏过程的热量衡算与节能2任务2.3连续精馏的操作分析3任务2.1双组分连续精馏塔的物料衡算考核与评价：精馏物料、热量衡算4学习任务【知识目标】1.掌握精馏塔的简单物料衡算及目的。2.了解精馏塔的热量衡算及精馏生产的节能。3．能进行连续精馏的进料、回流、温度与压力、进料位置的影响操作分析。4．能进行精馏塔板数的确定。【技能目标】1．能进行双组分连续精馏塔的精馏段和提馏段的物料衡算。2．能进行双组分间歇精馏操作流程解析与检视。【素养目标】1.培养认真严谨的学习与分析的职业素养和节能减排的环保意识。2.培养严谨细致的逻辑思维和计算素养，以及精益生产意识。1.理论板

假设离开该板（第n块板）的上升蒸汽组成yn和板上（第n块板）下流液体组成xn

互成平衡，该板称之为理论板，即气相和液相在塔板上传热和传质均达到了极限。即yn与xn服从汽-液平衡关系：2.1.1理论板与恒摩尔流假定

冷凝理论板示意图2.1.1理论板与恒摩尔流假定

2.恒摩尔流假定（1）恒摩尔汽化精馏段内每层塔板上升蒸汽的摩尔流率相等。即；同理，在提馏段内，。一般情况下，。

2.1.1理论板与恒摩尔流假定

2.恒摩尔流假定（2）恒摩尔溢流

精馏段内每层塔板溢流液体的摩尔流率即；同理，在提馏段内，。一般情况下，。恒摩尔汽化与恒摩尔溢流，总称恒摩尔流假定。2.1.1理论板与恒摩尔流假定

2.恒摩尔流假定（3）恒摩尔流假定成立的条件有三个条件，恒摩尔流假定才成立。第一，各组分的摩尔汽化潜热近似相等，即；第二，忽略汽相和液相传递的显热，即；第三，忽略塔的热损失，即。2.1.2全塔物料衡算

通过对全塔进行物料衡算，可以确定进出塔的物料流量及组成之间的关系，比如确定产品组成或产品量、原料量等。以图所示，以虚线框作为系统，对全塔进行总的物料衡算：全塔物料衡算图对全塔易挥发组分物料作衡算：2.1.3精馏段的物料衡算

精馏段物料衡算方程，是解决yn+1与xn的关系问题，即下层塔板上升蒸汽中轻组分的含量和上层塔板下降的液相中轻组分的含量之间的关系。2.1.3精馏段的物料衡算

精馏段物料衡算图如图所示，根据恒摩尔流假定，上升蒸汽流率为，回流液体流率为，产品流率为，产品组成为。按虚线范围作总物料衡算与易挥发组分物料衡算得：总物料：2.1.4提馏段的物料衡算

提馏段物料衡算方程，是解决的关系问题，即提馏段内任意第m块塔板下降的液相组成与相邻的下一层（m+1层）塔板上升蒸汽组成之间的关系。2.1.4提馏段的物料衡算

提馏段物料衡算图如图所示，根据恒摩尔流假定，提馏段内每层塔板上升蒸汽流率为，提馏段内每层塔板内下降液流流率为，釜液产品流率为，釜液组成为。按虚线范围作总物料衡算与易挥发组分物料衡算，得：合并二式得：2.1.5加料板的物料衡算

进料状况示意图由于原料的加入，使加料板上下物料的流量及组成呈现一定的特殊性，从而导致精馏段和提馏段内的气液相流量发生变化。实际生产中，进料状况可能有如下五种不同的热状况，如图所示。2.1.5加料板的物料衡算

A状况，低于泡点温度的过冷液进料；B状况，泡点液体进料，也叫饱和液体进料，进料温度等于泡点温度；C状况，汽-液混合物进料，进料温度介于泡点和露点之间；D状况，露点蒸汽进料，也叫饱和蒸汽进料，进料温度等于露点；E状况，高于露点的过热蒸汽进料。2.1.5加料板的物料衡算

按虚线范围对加料板作总物料衡算：2.1.5加料板的物料衡算

1.q值的计算对加料板作热量衡算：进料板物料衡算图

进料板热量衡算图2.1.5加料板的物料衡算

1.q值的计算对加料板作热量衡算：2.1.5加料板的物料衡算

2.进料线方程（q线方程）加料板是精馏段与提留段的交汇处，两段的操作线方程在此应该存在交点，联立两方程可得进料线方程，就是精馏段操作线与提馏段操作线的交点轨迹方程。由精馏段操作线方程：2.1.5加料板的物料衡算

2.进料线方程（q线方程）2.1.5加料板的物料衡算

2.进料线方程（q线方程）1.冷凝器的热量衡算对图中的冷凝器作热量衡算，以单位时间（1h）为基准，由于冷凝器温度较低，可忽略热损失。2.2.1精馏过程的热量衡算

精馏塔热量衡算示意图1.冷凝器的热量衡算2.2.1精馏过程的热量衡算

2.再沸器的热量衡算2.2.1精馏过程的热量衡算

热量衡算式为：即：1.选择合理的回流比2.2.2精馏的节能

新型板式塔和高效填料塔的应用，有可能使回流比大为降低，从而降低塔的操作费用，因此选择经济上合理的回流比是精馏过程节能的首要因素。2.采用中间冷凝器和中间再沸器2.2.2精馏的节能

在精馏段设置中间冷凝器，就可以适当提高冷源的温度，使用比塔顶冷凝器温度稍高而价格较低的冷却剂作为冷源，以代替一部分塔顶所使用的价格较高的低温级冷剂，从而有效节省了能量。采用中间冷凝器和中间再沸器的精馏塔示意图3.采用多效精馏2.2.2精馏的节能

仿照多效蒸发的原理，如图所示。采用压力依次降低的若干个精馏塔串联流程，将前一精馏塔塔顶蒸汽用作后一精馏塔再沸器的加热介质，每个塔称为一效，前一效的压力高于后一效，并且维持相邻两效间的压力差，足以使前一效塔顶蒸汽冷凝温度略高于后一效塔釜液体的沸腾温度；各效分别进料。多效精馏流程示意图4.其他节能技术2.2.2精馏的节能

一、类似于蒸发过程所采用的的节能技术，用塔顶蒸汽的潜热直接预热原料或将其用作其他热源；二、回收馏出液和残液的显热用作其他热源；三、采用热泵技术，将塔顶蒸汽绝热压缩后升温，重新作为再沸器的热源，热泵精馏实质上是一个制冷系统，主要设备为压缩机和膨胀器。2.2.2精馏的节能

工作介质经压缩后在较高露点下冷凝，放出的热量在供再沸器中的物料汽化，被汽化的工作介质经过膨胀，在低压下汽化，汽化时需要吸收热量将塔顶冷凝器的热量移去。通过压缩机和膨胀阀的作用致使工质冷凝和汽化，将塔顶的低温位热送到塔底高温位处利用，整个系统因而得名热泵。热泵系统的工作原理2.2.2精馏的节能

热泵系统的工作原理热泵精馏流程图

再沸器闪蒸热泵系统图

蒸汽再压缩热泵系统由下表可以看出进料q不同，则等q线位置不同，与精馏段操作线交点位置也不同，从而影响提馏段操作线的位置。2.3.1进料状况对精馏的影响

五种进料热状况对q线的影响进料q值不同，要求适宜加料位置也应有所不同。2.3.1进料状况对精馏的影响

进料热状况对操作线的影响

加料热状况与加料位置的关系2.3.1进料状况对精馏的影响

进料的热状况对精馏操作的影响是多方面的，生产中进塔原料的热状况多与前一工序有关，如果前一工序输出的是饱和蒸汽，一般就直接以饱和蒸汽计量，如果前一工序输出的是液体，且又有余热可利用，则可考虑先将原料适当预热再进入塔内，以降低载沸器的负荷。2.3.2回流比的影响

最小回流比适宜回流比全回流1.全回流全回流是指塔顶蒸汽全部冷凝后，不采出产品，全部流回至塔内，此时，D=0，R=L/D=∞，精馏段操作线的斜率。因此精馏段操作线和对角线重合，精馏段操作线也必和对角线重合，精馏塔无精馏段和提馏段之分，平衡线和操作线之间的距离最大，因而完成分离任务所需要的理论板数最少称为最少理论板Nmin。2.3.2回流比的影响

2.最小回流比轻组分2.3.2回流比的影响

回流比R从全回流逐渐减小时，精馏段操作线和提镏段操作线逐渐向平线靠近，传递推动力减小，当操作线与平行线出现第一个公共点（交点或切点）时，液相和气相处于平衡状态，传质推动力为零，多少块塔板都不能完成指定分离任务，需要无限多块理论塔板，显然这在实际工作中是不可能的。2.最小回流比2.3.2回流比的影响

最小回流比对正常的相平衡关系，如图所示。操作线与平行线的第一个公共点，为交点d由所对应的精馏段操作线方程可知：2.最小回流比2.3.2回流比的影响

最小回流比公式当小回流比时，为完成给定的分离任务，需要无穷多块塔板，此时Ｒ称为最小回流比。3.适宜回流比2.3.2回流比的影响

工业生产中回流比是介于全回流和最小回流比之间的。设计时，应根据经济核算确定最佳R值，精馏过程的费用，包括：操作费设备费3.适宜回流比2.3.2回流比的影响

精馏过程的操作费主要是再沸器中加热蒸汽的消耗量和冷凝器中冷却水的用量以及动力消耗，在加料量和产量一定的条件下，随着R的增加，两段内的上升蒸汽量均增大，因此加热蒸汽，冷却水消耗量均增加，使操作费用增加操作费用与回流比的关系，见图中曲线2。适宜回流比的选择3.适宜回流比2.3.2回流比的影响

适宜回流比的选择最佳回流比最低点对应的回流比称为最佳回流比。由图中曲线3所示。通常综合工程技术因素，用经验公式计算，在不要求十分精确时，一般取是一回流比R=（1.1～2.0）Rmin。2.3.3操作温度及压力的影响

其一灵敏板的作用其二精馏塔的温控方法其三操作压力的影响

1.灵敏板的作用2.3.3操作温度及压力的影响

塔内某些塔板处的温度对外界干扰的反应特别明显，即当操作条件发生变化时，这些塔板上的温度将发生显著变化，这种塔板称为灵敏板，一般取温度变化最大的那块塔板为灵敏板。

2.精馏塔的温控方法2.3.3操作温度及压力的影响

01精馏段温控。02提镏段温控。03 温差控制。

3.操作压力的影响2.3.3操作温度及压力的影响

01将引起温度和组成间对应关系的变化，使操作温度发生变化，压力升高，操作温度升高。02压力升高，气相中难挥发组分减少。操作压力增加，组分间的相对挥发度降低，塔板分离能力下降，分离效率下降。04

操作压力增加，组两相密度增加，塔的处理能力增加。032.3.4进料位置的影响

精馏塔在加料板以上的部分（不包括加料板本身）提馏段加料板以下的塔段（包括加料板）2.3.4进料位置的影响

精馏段的作用在于蒸汽中的难挥发组分部分冷凝进入液相，气相中的易挥发组分自下而上逐板增浓，在塔顶出达到最大，最终得到浓度较高的轻组分产品。提馏段的作用在于将液相物料中的易挥发组分通过部分气化的尽量提出、转移至气相中，使液体中难挥发组分自上而下逐渐增浓。

1.理论塔板数的确定2.3.5精馏塔板数的确定

（1）逐板计算法设塔顶冷凝器为全凝器，泡点回流；塔釜为间接蒸汽加热，进料为泡点进料，逐板计算法，如图所示。逐板计算法示意图

1.理论塔板数的确定2.3.5精馏塔板数的确定

（1）逐板计算法从塔顶最上一层板（第1块板）上升的蒸汽进入冷凝器后被全部冷凝，塔顶馏出液组成即为塔顶最上一层塔板上的上升蒸汽组成，即：y1=xD

1.理论塔板数的确定2.3.5精馏塔板数的确定

（1）逐板计算法离开第一块理论版的液体组成与从该板上升的蒸汽组成达到平衡，故可由气液相平衡方程求出，即：

1.理论塔板数的确定2.3.5精馏塔板数的确定

（1）逐板计算法因板间的气液组成满足操作线方程。故第二块理论板上上升的蒸汽组成，与第一块理论板下降的液体组成满足精馏段操作线方程，即：

1.理论塔板数的确定2.3.5精馏塔板数的确定

（1）逐板计算法逐板计算过程归纳如下：

1.理论塔板数的确定2.3.5精馏塔板数的确定

（2）图解法1）作平衡线与对角线2）作精馏段操作线：作进料线：4）

作提馏段操作线：3）从A点开始，在平衡线与操作线之间作直角梯级，直到超过C点。有多少直角梯级，有多少块理论板数。跨越d点的阶梯为加料板。5）

1.理论塔板数的确定2.3.5精馏塔板数的确定

（2）图解法图解法示意图如图所示，共有9块理论板，第3块板为加料板。

2.实际塔