二元连续精馏塔的计算与分析

1、第五节第五节 二元连续精馏塔的计算与分析二元连续精馏塔的计算与分析 （1 1）根据给定的分离要求，计算进、出精馏装置各股物料的量和组成；）根据给定的分离要求，计算进、出精馏装置各股物料的量和组成；（2 2）它的主要操作条件：包括操作压强、回流比（塔顶回流液量与）它的主要操作条件：包括操作压强、回流比（塔顶回流液量与 馏出液量的比值）和加料热状态等；馏出液量的比值）和加料热状态等；（3 3）确定精馏塔所需的理论板数和加料位置；）确定精馏塔所需的理论板数和加料位置；（4 4）塔板结构尺寸的计算，如塔径、塔高及塔板结构尺寸；）塔板结构尺寸的计算，如塔径、塔高及塔板结构尺寸；（5 5）计算冷凝器和再沸

2、器的热负荷，确定其类型和尺寸。）计算冷凝器和再沸器的热负荷，确定其类型和尺寸。一、板式精馏塔的设计计算任务、所需基本数据和基本工具一、板式精馏塔的设计计算任务、所需基本数据和基本工具 设计计算设计计算精馏塔计算精馏塔计算校核计算校核计算1.1.计算任务计算任务第五节第五节 二元连续精馏塔的计算与分析二元连续精馏塔的计算与分析 2.2.所需基本数据所需基本数据(1)(1)进料情况进料情况 包括进料量、进料的组成、进科温度或汽化率。包括进料量、进料的组成、进科温度或汽化率。(2)(2)分离要求分离要求 指定塔顶和塔底产品的组成来规定分离要求指定塔顶和塔底产品的组成来规定分离要求(3)(3)相平衡数

3、据相平衡数据 饱和蒸气压，饱和蒸气压，t tx xy y图及图及y yx x图。图。(4)(4)物理性质数据物理性质数据 热焓、汽化潜热、密度、粘度、表面张力等。热焓、汽化潜热、密度、粘度、表面张力等。3.3.所需基本工具所需基本工具(1)(1)物料衡算物料衡算(2)(2)热量衡算热量衡算 (3)(3)相平衡关系相平衡关系二、全塔物料衡算二、全塔物料衡算 （Overall material balanceOverall material balance）1.1.塔顶、塔底产品量的确定塔顶、塔底产品量的确定总物料衡算总物料衡算 易挥发组分物料衡算易挥发组分物料衡算 WDFWDFWxDxFx第五节

4、第五节 二元连续精馏塔的计算与分析二元连续精馏塔的计算与分析 联解以上两式，可得联解以上两式，可得塔顶产品量塔顶产品量D D塔底产品量塔底产品量W W第五节第五节 二元连续精馏塔的计算与分析二元连续精馏塔的计算与分析 三、理论板数的计算三、理论板数的计算 (1) (1) 汽、液两相在板上充分接触混合，板上不存在温度差汽、液两相在板上充分接触混合，板上不存在温度差和浓度差；和浓度差；理论板的概念（理论板的概念（Concept of ideal plateConcept of ideal plate） (2) (2) 离开塔板的汽、液两相达平衡状态，即离开理论板的离开塔板的汽、液两相达平衡状态，即

5、离开理论板的两相温度相等，组成互成平衡。两相温度相等，组成互成平衡。（一）精馏段的物料衡算（一）精馏段的物料衡算精馏段的操作线方程精馏段的操作线方程总物料衡算式总物料衡算式 易挥发组分衡算式易挥发组分衡算式 DLVnn1DnnnnDxxLyV11第五节第五节 二元连续精馏塔的计算与分析二元连续精馏塔的计算与分析 DnnnnnxVDxVLy111或或1. 1. 精馏段的物料衡算精馏段的物料衡算2.2.恒摩尔流假定（恒摩尔流假定（Constant molal overflow hypothesisConstant molal overflow hypothesis）(1)(1)各层板上液相的流量各

6、层板上液相的流量L L1 1，L L2 2LnLn以及汽相的流量以及汽相的流量V V1 1，V V2 2，VnVn均不相同，求算理论塔板数除上面的物料衡算式外，需再作热量均不相同，求算理论塔板数除上面的物料衡算式外，需再作热量衡算和相平衡关系才能求算，计算会变得比较复杂。衡算和相平衡关系才能求算，计算会变得比较复杂。恒摩尔流假定提出的原因：恒摩尔流假定提出的原因：第五节第五节 二元连续精馏塔的计算与分析二元连续精馏塔的计算与分析 (2)恒摩尔流假定可以简化计算过程；恒摩尔流假定可以简化计算过程；(3)一些组分沸点接近的二元混合物接近恒摩尔流假定的情况。一些组分沸点接近的二元混合物接近恒摩尔流假

7、定的情况。第五节第五节 二元连续精馏塔的计算与分析二元连续精馏塔的计算与分析 (1) (1)恒摩尔汽化恒摩尔汽化 假定在精馏塔的精馏段内，由每层板上升的汽相摩尔流率假定在精馏塔的精馏段内，由每层板上升的汽相摩尔流率都相等，在提馏段也是如此。即都相等，在提馏段也是如此。即VVVVVnn121121VVVVVnn精馏段精馏段提馏段提馏段 (2) (2)恒摩尔溢流恒摩尔溢流 假定在精馏塔的精馏段内，由每层板下降的液相摩尔流假定在精馏塔的精馏段内，由每层板下降的液相摩尔流率都相等，在提馏段也是如此。率都相等，在提馏段也是如此。LLLLLnn121121LLLLLnn精馏段精馏段提馏段提馏段恒摩尔流假定

8、的内容：恒摩尔流假定的内容： 服从恒摩尔流假定的精馏过程，塔板上汽液两相接触时，有服从恒摩尔流假定的精馏过程，塔板上汽液两相接触时，有多少摩尔的蒸汽冷凝，相应就有多少摩尔的液体汽化。因此该精多少摩尔的蒸汽冷凝，相应就有多少摩尔的液体汽化。因此该精馏过程属等摩尔反向扩散传质过程。馏过程属等摩尔反向扩散传质过程。 组分的摩尔汽化潜热相同。组分的摩尔汽化潜热相同。汽、液相接触时由于温度不同而传递的显热可以忽略。汽、液相接触时由于温度不同而传递的显热可以忽略。塔的保温良好，热损失可以忽略。塔的保温良好，热损失可以忽略。恒摩尔流假定成立的条件：恒摩尔流假定成立的条件：第五节第五节 二元连续精馏塔的计算与

9、分析二元连续精馏塔的计算与分析 3.3.精馏段的操作线方程（精馏段的操作线方程（Operating lineOperating line） 在恒摩尔流假定下，精馏段的基本计算式为：在恒摩尔流假定下，精馏段的基本计算式为： DnnDxLxVy1111RxxRRyDnn定义回流比定义回流比: R=L/D: R=L/DDnDnnxDLDxDLLxVDxVLy1DLV所以所以DnnxRxRRy1111精馏段的操作线方程精馏段的操作线方程第五节第五节 二元连续精馏塔的计算与分析二元连续精馏塔的计算与分析 表示相遇两流组成的关系表示相遇两流组成的关系第五节第五节 二元连续精馏塔的计算与分析二元连续精馏塔的

10、计算与分析 DnnxRxRRy1111y1.01.0 xP=constantxD1RxD0ac 若将上述精馏段物料衡算若将上述精馏段物料衡算方程式标绘在方程式标绘在y-xy-x坐标图上，坐标图上，是一条过点（是一条过点（x xD D,x,xD D) )，斜率为，斜率为R/(R+1)R/(R+1)，截距为，截距为x xD D/ /（R+1)R+1)的的直线。所以又称精馏段物料衡直线。所以又称精馏段物料衡算方程为精馏段操作线方程。算方程为精馏段操作线方程。WmxWLWxWLLym12.2.操作线方程操作线方程 （Operating lineOperating line） V, yWW, xWL,

11、xWm m+1 L, xnV, ym+1（二）提馏段的物料衡算（二）提馏段的物料衡算提馏段的操作线方程提馏段的操作线方程总物料衡算式总物料衡算式 易挥发组分衡算式易挥发组分衡算式 WVL1. 1. 提馏段的物料衡算提馏段的物料衡算WmmWxyVxL1提馏段操作线方提馏段操作线方程程第五节第五节 二元连续精馏塔的计算与分析二元连续精馏塔的计算与分析 第五节第五节 二元连续精馏塔的计算与分析二元连续精馏塔的计算与分析 WnmxWLWxWLLy1 若将上述提馏段物料衡算若将上述提馏段物料衡算方程式标绘在方程式标绘在y-xy-x坐标图上，坐标图上，则是一条过点（则是一条过点（x xW W,x,xW W

12、) )，斜率，斜率为为L L /(L/(L -W)-W)，截距为，截距为- -WxWxW W/(L/(L -W)-W)的直线。故称提馏的直线。故称提馏段物料衡算方程为提馏段操作段物料衡算方程为提馏段操作线方程。线方程。y1.01.0 xy-x线P=constantxWWLWxW0bf第五节第五节 二元连续精馏塔的计算与分析二元连续精馏塔的计算与分析 （三）进料段的物料衡算（三）进料段的物料衡算1.1.进料的热状况及进料热状况参数进料的热状况及进料热状况参数 精馏段与提馏段的汽相和液相流量通过进料联系在一起的，它们之间的精馏段与提馏段的汽相和液相流量通过进料联系在一起的，它们之间的联系可以通过对

13、进料段作物料衡算和热量衡算得到。联系可以通过对进料段作物料衡算和热量衡算得到。LVLVFLVLVFHLVHLHHVFH进料段作总物料衡算可得进料段作总物料衡算可得对进料段作热量衡算得：对进料段作热量衡算得：(2)(2)(1)(1)由于相邻两层板的温度和浓度变化不大，故可认为由于相邻两层板的温度和浓度变化不大，故可认为第五节第五节 二元连续精馏塔的计算与分析二元连续精馏塔的计算与分析 VVHHLLHHLVLVFHLVHLHHVFH)()(LVFVHHLLHHF将式将式(1)(1)代入上式消去代入上式消去VV并整理可得并整理可得于是式于是式(2)(2)可以写成可以写成即即LVFVHHHHFLL 第

14、五节第五节 二元连续精馏塔的计算与分析二元连续精馏塔的计算与分析 令令VLFFHqqFHFH)1 ( LVFVHHHHq当进料为汽、液混合物时，设进料的液化分率为当进料为汽、液混合物时，设进料的液化分率为q q，对进料作热量衡算可得，对进料作热量衡算可得q q值称为进料热状况参数。值称为进料热状况参数。整理得整理得可见，当进料为汽、液混合物时，进料热状况参数可见，当进料为汽、液混合物时，进料热状况参数q q即为进料的液化分率。即为进料的液化分率。VFVLHHqHH每摩尔进料气化为饱和蒸汽所需热量进料的摩尔气化热2.2.进料段的物料衡算进料段的物料衡算10 qqFLL1q (1)VVq FFLq

15、FLL(1)(1)汽、液混合物进料，进料的液化分率为汽、液混合物进料，进料的液化分率为q q，(2)(2)饱和液体进料，饱和液体进料，)1 (VFqVV第五节第五节 二元连续精馏塔的计算与分析二元连续精馏塔的计算与分析 第五节第五节 二元连续精馏塔的计算与分析二元连续精馏塔的计算与分析 LqFLLFVFqVV)1 (qFLLFqVV)1 (3)(3)饱和蒸气进料，饱和蒸气进料，q=0q=0(4)(4)过冷液体进料，过冷液体进料，q1q1qFLLFqVV)1 (5)(5)过热蒸气进料过热蒸气进料,q0,q0(H(HF FHHHV V) )3.q3.q线方程（精、提馏段交点的轨迹方程）线方程（精、

16、提馏段交点的轨迹方程）第五节第五节 二元连续精馏塔的计算与分析二元连续精馏塔的计算与分析 由于提馏段操作线截距往往很小，且为负值，作图既不方由于提馏段操作线截距往往很小，且为负值，作图既不方便又不准确，便又不准确，q q线方程的提出为提馏段操作线的绘制提供了一线方程的提出为提馏段操作线的绘制提供了一条方便、准确的新途径。条方便、准确的新途径。WDWxxLyVDxLxVyWDWxDxxLLyVV) () (两段操作线的交点方程式可由联解两操作线方程式而得到两段操作线的交点方程式可由联解两操作线方程式而得到 将上两式相减将上两式相减第五节第五节 二元连续精馏塔的计算与分析二元连续精馏塔的计算与分析

17、 FFxqFxFyq) 1(Fxqxqqy111FqVV) 1(qFLLFWDFxWxDx因为因为WDWxDxxLLyVV) () (所以由所以由得：得：q q线方程式线方程式时时1q1qFxx 时时 若将上述方程式标绘在若将上述方程式标绘在y-y-x x坐标图上，则是一条过点坐标图上，则是一条过点（x xF F,x,xF F) )，斜率为，斜率为q/(q-1)q/(q-1)，截距为截距为-x-xF F/(q-1)/(q-1)的直线。故的直线。故称该方程为称该方程为q q线方程。线方程。y1.01.0 xy-x线P=constantxF1qq斜率0e第五节第五节 二元连续精馏塔的计算与分析二元

18、连续精馏塔的计算与分析 Fxqxqqy111第五节第五节 二元连续精馏塔的计算与分析二元连续精馏塔的计算与分析 不同进料下的不同进料下的q q值与值与q q线线过冷液体过冷液体 q1q1饱和液体饱和液体 q=1q=1汽液混合物汽液混合物 0q1 0q1 饱和蒸汽饱和蒸汽 q=0q=0过热蒸汽过热蒸汽 q0q1q=10q1q=0q101.3KPaP101.3KPaP=101.3KPaP=101.3KPaP101.3KPaP1q=10q1q=0q0第六节第六节 二元连续精馏塔的操作情况分析二元连续精馏塔的操作情况分析 ( (四）现成塔的操作分析四）现成塔的操作分析1.1.塔顶、塔底产品均不合格塔顶

19、、塔底产品均不合格 增大回流比增大回流比2.2.塔顶产品不合格，塔底产品超过分离要求塔顶产品不合格，塔底产品超过分离要求 进料位置下移；进料位置下移； 增大回流比。增大回流比。3.3.塔顶回流量一定，增大再沸器汽化量对塔操作的影响塔顶回流量一定，增大再沸器汽化量对塔操作的影响 塔顶产品中轻组分浓度下降，塔顶温度升高；塔顶产品中轻组分浓度下降，塔顶温度升高； 塔底产品中轻组分的浓度降低，塔底产品量也降低塔底产品中轻组分的浓度降低，塔底产品量也降低 。第六节第六节 二元连续精馏塔的操作情况分析二元连续精馏塔的操作情况分析 七、二元精馏过程的几种特殊情况七、二元精馏过程的几种特殊情况( (一一) )

20、塔底直接通入水蒸气塔底直接通入水蒸气 xD,LVx my m+1L=W*xW*y=0FxFLVD,V xD1.1.节省再沸器节省再沸器2.2.提馏段所需理论板数增加提馏段所需理论板数增加3.3.废水排量增加废水排量增加 *1*WmmxWyVxL对图中虚线圈作轻组分的物料衡算，得对图中虚线圈作轻组分的物料衡算，得)(*1WmWmmxxVLxVWxVLy提馏段操作线方程第六节第六节 二元连续精馏塔的操作情况分析二元连续精馏塔的操作情况分析 理论板数图解分析理论板数图解分析( (一一) )塔底直接通入水蒸气塔底直接通入水蒸气145q线xFxWx*W23xD第六节第六节 二元连续精馏塔的操作情况分析二

21、元连续精馏塔的操作情况分析 ( (二二) )具有侧线抽出的精馏塔具有侧线抽出的精馏塔 在设计中常常是在一般精馏塔指定的在设计中常常是在一般精馏塔指定的变量的基础上还指定侧线抽出量及组成，变量的基础上还指定侧线抽出量及组成，求塔顶、塔底产品量及为完成此分离任务求塔顶、塔底产品量及为完成此分离任务所需要的板数、侧线位置。所需要的板数、侧线位置。 对右图中的精馏塔作物料衡算：对右图中的精馏塔作物料衡算：WDDFWDDFWxDxxDFx总物料衡算总物料衡算轻组分衡算轻组分衡算1.1.塔顶、塔底产品量塔顶、塔底产品量xD,W,xWFxFD,xDD ,第六节第六节 二元连续精馏塔的操作情况分析二元连续精馏

22、塔的操作情况分析 2.2.所需要的板数、侧线位置所需要的板数、侧线位置DnnxRxRRy1111(1)(1)精馏段上段操作线精馏段上段操作线: :总物料衡算式总物料衡算式 易挥发组分衡算式易挥发组分衡算式 DLVDnnDxxLyV1DnnxDLDxDLLy1即即DLRxD,W,xWFxFD,xDD ,1nynxVL第六节第六节 二元连续精馏塔的操作情况分析二元连续精馏塔的操作情况分析 1DDnnxDDLDxDDLDxDDLDLy(2)(2)精馏段下段操作线精馏段下段操作线xD,W,xWFxFD,xDD ,1nynxVL总物料衡算式总物料衡算式 易挥发组分衡算式易挥发组分衡算式 DDLV1DDn

23、nxDDxxLyV即即DLL第六节第六节 二元连续精馏塔的操作情况分析二元连续精馏塔的操作情况分析 （3 3）提馏段的操作线）提馏段的操作线 WmmxWLWxWLLy1xD,W,xWFxFD,xDD ,1mymxLV总物料衡算式总物料衡算式 易挥发组分衡算式易挥发组分衡算式 WLVWmmWxxLyV1即即第六节第六节 二元连续精馏塔的操作情况分析二元连续精馏塔的操作情况分析 在图上做出三段操作线后即可如前作梯级求出所需的总理在图上做出三段操作线后即可如前作梯级求出所需的总理论板数和侧线抽出位置及进料位置。论板数和侧线抽出位置及进料位置。dy1.01.0 xP=constantxD1RxD0ac

24、xFq线exWb1234第六节第六节 二元连续精馏塔的操作情况分析二元连续精馏塔的操作情况分析 ( (三三) )具有多股进料的精馏塔具有多股进料的精馏塔 如图所示为具有两个进料的精馏塔，此塔被如图所示为具有两个进料的精馏塔，此塔被分为三段，相应地有三条操作线。求精馏塔塔顶，分为三段，相应地有三条操作线。求精馏塔塔顶，塔底两端产品的量以及为完成分离任务所得的塔塔底两端产品的量以及为完成分离任务所得的塔板数和两股进料的适宜进料位置仍使用物料衡算板数和两股进料的适宜进料位置仍使用物料衡算和相平衡，由图解求总板数及进料位置，方法同和相平衡，由图解求总板数及进料位置，方法同前。前。DnnxRxRRy11

25、11上段：上段：第六节第六节 二元连续精馏塔的操作情况分析二元连续精馏塔的操作情况分析 111FDssxFDxxLyV111VxFDxxVLyFDssWmmWxxLyV 1 WmmxVWxVLy 1两进料口之间段两进料口之间段11)1 (FqVV11FqLL其中其中提馏段提馏段22)1 ( FqVV22 FqLL其中其中第六节第六节 二元连续精馏塔的操作情况分析二元连续精馏塔的操作情况分析 dy1.01.0P=constantxD1RxD0acxF2q线exWb1234xF1第六节第六节 二元连续精馏塔的操作情况分析二元连续精馏塔的操作情况分析 (1) (1)组分数：组分数： 2-112-11

26、； (2)(2)值：值： 0.28-1.420.28-1.42； (3)(3)压力；压力； 减压操作至减压操作至4.24MPa4.24MPa (4) (4)相对挥发度：相对挥发度： 1.11-4.051.11-4.05； (5)(5)最小回流比；最小回流比； 0.53-9.090.53-9.09； (6)(6)全回流下最小理论板数：全回流下最小理论板数：3.4-60.30 3.4-60.30 用用8 8个物系，由逐板计算得出的结果绘制而成。个物系，由逐板计算得出的结果绘制而成。1.1.吉利兰吉利兰 (Gilliland) (Gilliland) 关联图关联图八、理论板数的简捷求法八、理论板数的简捷求法 注意：使用该图计算时，条件应尽量与上述条件相近。注意：使