双组分精馏的设计型计算

1、第五节  双组分精馏的设计型计算§6.5.1、理论板数的计算一、精馏板数的计算设计型计算的任务：根据规定的分离要求，选择精馏的操作条件，计算所需的理论板数。规定的分离要求是指对塔顶、塔底产品的产率和质量提出一定的要求。工业上往往用某个有用产物的回收率来表示。回收率的定义为： 若规定了xD，则W，xw也就定了。（全塔物衡计算）待选择的操作条件是指：  接下来的问题是如何计算理论板数NT了。理论板数的计算有逐板计算法、梯级图解法和吉利兰简捷法。二逐板计算法逐板计算法是一种最直接的设计型计算方法，通常从塔顶开始进行计算。对于第一块 

2、0;相平衡方程第二块由求得y2 相平衡方程式   第NT块为正如此就得到了所需的理论板数。三梯级图解法在y-x图中作出精、提段操作线及平衡线，然后在两线之间绘制梯级。绘制方法如下：从开始，即点a（xD，xD）开始作水平线交于相平衡曲线于a'点，过a'点作垂线交精馏段操作线于a1点，再过a1作水平线交相平衡曲线于a''，再过a''点作铅垂线交精馏段操作线于a2点，以此往复，直到为止。由此作得的梯级数目即为NT（包含塔釜（或再沸器），如图所示，共10块理论板（包含再沸器）。四最优加料位置的确定无论是逐板计算法还

3、是梯级图解法都存在一个加料位置的确定问题。在逐板计算过程中，跨过加料板由精馏段进入提馏段在计算中的表现是以提馏段操作线方程代替精馏段操作线方程，在图解法中表现为改换操作线（如上图所示）。最优加料位置是指可使全塔所需的总理论板数最少的加料板。最优加料板位置的确定条件：离开该板的液相组成x等于或略小于xd，如上图中的5块塔板为最优加料位置，即第5块板为加料板，因为x5略小于xd。而加料板位置的超前与滞后都会导致总理论板数增加。若在第3块加料（加料板位置超前情况），则a3点就落在提馏段操作线上，过a3点在提馏段操作线和平衡线之间作梯级，；若在第6块板上加料（加料板位置滞后），则a5点应落在精馏段操作

4、线上，而不是落在提馏段操作线上，。五q线方程两操作线方程联立求解得两线交点d坐标为  由（1）得：（3）（3）代入（2）消去xD，则得：q线方程（直线方程，q不同，直线不同），或交点d的轨迹方程（q一定，R变化）若，所以q线必通过点e（xf，xf）（点e落在对角线上）的直线。通过点e（xf，xf）和斜率作出q线，并找出与精馏段操作线的交点d，联接，即为提馏段操作线。D点为三线之交点。q值不同，q线的斜率也不同，直线则也不同，如图示。q>1，ef1（三线交点d1）q=1，ef2（三线交点d2）0<q<1，ef3（三线交点d3）q=0 ，ef4（三线交点d4）q<

5、0，ef5（三线交点d5）从图中可见，精馏段操作线只随R变化，与q无关，R一定，精馏段操作线就一定。提馏段操作线与R、q均有关，R一定，随q而变。§6.5.2回流比的选择前已提及，回流比R的变化会引起精馏段操作线和提馏段操作线的变化，若R，则，有利于精馏过程的传质，反之亦然。在设计时采用较大的R，则在y-x图上两操作线均移向对角线，这样，达到指定的分离要求所需的理论板数较少。但是增大回流，均增大，QC，QR均增大，即能耗增大。因此，回流比的选择需考虑经济性，应兼顾操作费用和设备费用。一全回流与最少理论板数全回流操作介绍如下：打开进料阀放入原料液，待原料液约为塔釜体积2/3时关闭进料阀

6、，关闭顶、底出料阀开始加热釜液，使之部分汽化，到达塔顶的蒸汽经冷凝器全部冷凝后作为回流回到塔内。（无物料进、出塔体），全回流（塔体无精馏段与提馏段之分）操作线为： 即在塔内两板之间任一截面上上升蒸汽的组成与下降液体的组成相等。这是全回流的特点之一。特点之二是为达到指定的分离要求（xD，xw）所需的理论板数最少。因为两线（平衡线与操作线）间的增浓程度最大。如下图示。NT=3.2（含再沸器）全回流时的理论塔板数可按前述的逐板计算法和图解法求出。对于I.S.，用下述的解析计算更为方便。亦即又对于第一块板全回流同理以此类推，可得第NT块板（即塔釜或再沸器）的液相组成为：当，则NT即为全回流时所需的最小

7、理论板数，记为NTmin若（几何平均）则：， 芬斯克方程（Fenske eq）NTmin包含塔釜或再沸器。又若相差不太大时，则全回流操作只用于精馏塔的开工、调试或实验室研究。是回流比的上限。二最小回流比Rmin当R时，两操作线均向平衡线移动，所以达到指定分离要求（xD，xw）所需的理论板数增多（在y-x图上作两操作线画梯级图示说明）。显然R，两操作线的交点d愈靠近平衡线，当，此时d点恰好落在平衡线上，称为e点。e点所对应的理论板上增浓度为零，在其上下的诸多板上增浓度亦很小很小，所以为达到指定分离要求所需的理论板数为无穷多。Rmin称为指定分离要求时的最小回流比。设e点坐标（xe，ye），则ae

8、线的斜率:又当平衡线比较特殊时，其形状如下两图所示时，则c点为切点e点为切点需指出Rmin既取决与物系的相平衡关系，又与规定的分离要求xD，xw有关。对于给定物系和操作压强，Rmin只取决于混合物的分离要求，所以Rmin是设计型计算所特有的问题。离开了指定的分离要求，也就不存在最小回流比问题。例6-8问题：精馏塔操作时因某原因使，则1）塔内出现了恒浓区，2）塔顶xD，塔底xw，3）塔顶xD，塔底xw，何者正确？三最适宜的回流比Ropt理论板数与R的关系如图所示R=Rmin，NT=R=，NT=NTmin可见理论上。精馏各费用（设备费+操作费）与R的关系如下图所示：Ropt确定：理论上经验值例6-

9、6四理论板数的捷算法吉利兰图对NT作估算时，常用吉利兰图来计算NT。计算方法为：按设计条件求出Rmin及R=时的NTmin，然后以作为横坐标，找出横坐标上相应的点，过此点作铅垂线交于关联图曲线，则交点所对应的纵坐标值即为求得NT。 或者当时，代入经验方程，求得NT。需说明的是NT，NTmin均指全塔（包括塔釜或再沸器）的理论板数。例6-9§6.5.3加料热状态的选择对于精馏设计，除选定P和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： q值NT 1.2（冷凝进料

10、）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。 要理解这个结论，应明确比较基准。上例中不同q值进料所作的比较是以固定R为基准的。在P，F，xf，xD，xw，R一定时，当qNT，为什么？下面对全塔来进行热量衡算。若忽略热损失，则精馏过程热量输入是通过预热器和再沸器实现的。而q值不同，即Qf就不同，则QR也随之变化。q小，Qf就大，QR就小，反之亦然。（当q（由冷液变为饱和蒸汽），即Qf由小变大，QR由大变小。）当qQf

11、& QR，QR V'，另外，R一定时，精馏段操作线就一定（）；并在图中标出，q变化只改变提馏段操作线，提馏段操作线斜率为提馏段操作线斜率：q，提馏线愈靠拢平衡线，所以作出的梯级数目就增多。反之亦然。qNT，但再沸器传热面积及精、提馏段塔径会增大。若再沸器面积已选定，即QR给定，问题为：若P，F，xf，xD，xw，QR给定，试问qNT？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

12、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。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，P，F，xf，R一定，qxD，xw，反之亦然。§6.5.4双组分精馏的其它类型一直接蒸汽加热若待分离物系为某轻组分与水的混合液时

13、，如乙醇水，NH3水，氨水，酒精等，则往往将加热蒸汽直接通入塔釜以汽化釜液，这种精馏流程称为直接蒸汽加热或开口蒸汽加热。前面介绍的精馏过程为间接蒸汽加热。直接蒸汽加热精馏流程描述如下：直接蒸汽加热时的理论板数的计算方法与间接蒸汽加热是相同的。物料衡算若对全塔作物料衡算：总物料轻组分式中F，xf，S，ys为给定，D，W，xw，xD中已知其中两个量就可求得剩余的两个量。精馏段操作线方程与间接的相同。提馏段操作线方程设恒摩尔流假定仍成立，则所以提馏段操作线方程为一般，则若，则所以提馏段操作线必通过点c'（xw，0），c'落在横坐标上（不再是对角线上的c点（xw，xw）了）。接下来在y

14、-x坐标上作出精馏段操作线、提馏段操作线及平衡线，然后作梯级，直到为止，所作得的梯级数目即为待求的NT。直接蒸汽加热与间接蒸汽加热的比较：1）  设计时，若要求xw相同，则（因为，塔釜排放量大，带走较多轻组分）。2）  若要求相同，则，3）  直接蒸汽加热热能利用率高，且可略去再沸器。二多股加料与侧线出料在化工生产中，有时为分离不同浓度的原料液，在塔中间不同的塔板位置上设置不同的进料口，这种情况称为多股进料，有时为要获得不同规格的精馏产品，在精馏段或提馏段不同位置上开设侧线出料口，以引出不同产品浓度的饱和液体或饱和蒸汽，这种精馏操作称为侧线出料。1多股加料现以两股

15、不同浓度加料为例来介绍多股加料的理论板的计算。多股进料较于单股进料的设计型计算有二点不同：二个不同点：塔体分为（i+1）段，列出每段的操作线方程。（i为进料流股）对于上图i=2，则塔体应分为3段，即、段。接下来由物料衡算列出各段的操作线方程，相应为第段操作线方程 ，V，L为内上升蒸汽、下降液体量。第段操作线方程第段操作线方程，V，L，V，L同上。V，V，V，L，L，L可据恒摩尔流假定及q1，q2，F1，F2加以确定。接下来在y，x坐标上分别作出平衡线，、段操作线及q1，q2线，然后在平衡线与操作线间作梯级直到第NT个梯级中为止，NT为所求理论板数。Rmin的确定R，、三段操作线均向平衡线靠拢，

16、使每块塔板的分离能力减小，完成规定的分离要求所需的NT。RRmin，对于一般下凹的平衡曲线情况，挟点可能为q1点，也可能为q2点。具体结果视每段的操作线的斜率而定。方法为：求出、段交点落到平衡线上q1点时的最小回流比Rmin1求出、段交点落到平衡线上q2点时的最小回流比Rmin2实际：。例6-7提问：在同样的操作条件和规定的分离要求下，两股不同浓度的物料预先混合后在某个适宜位置加入塔内精馏所需的理论板数比在不同的位置加入塔内的理论板数是多还是少？回答是多。因为混合是与分离矛盾的，任何混合过程对于分离来说都是不利的。定量计算可证实之。2侧线出料计算方法与多股加料相同，不再多讲。三回收塔只有提馏段而无精馏段的塔称为回收塔。回收塔的操作流程一般为二种，其一为：另一为：回收塔一般用于回收稀溶液中的轻组分而对馏出液浓度要求不高或物系在低浓度范围内的相对挥发度较大的精馏，例如从稀氨水中回收氨。现对二图所示流程确定理论板数（设计型计算）。回收塔只有提馏段，其操作线方程为：若原料为泡点进料，则当，则又q线方