液体精馏（理论课16学时）

第9章液体精馏（理论课16学时）第4讲：9.4.4操作线方程典型例题9.5双组分精馏的设计型计算9.5.1理论板(theoreticalplate)数的求法与最优加料位置的确定。例题。9/26/20231第9章液体精馏例3：有如图的精馏流程，以回收二元理想混合物中的易挥发组分A，塔1和塔2的回流比都是3，加料、回流均为饱和液体。已知：xF=0.6,xD=0.9,xB=0.3,xT=0.5（均为摩尔分数），F=100kmol/h。整个流程可使易挥发组分A的回收率达90%。试求：1、塔2的塔釜蒸发量；2、写出塔1中间段（F~T)的操作线方程。1#2#1段2段3段1段2段9/26/20232第9章液体精馏解：1#塔物料衡算：解得：2#塔物料衡算：1#2#1段2段3段1段2段9/26/20233第9章液体精馏2#塔：1#塔：1#塔虚线所围范围物料衡算：1#2#1段2段3段1段2段9/26/20234第9章液体精馏1#塔虚线所围范围易挥发组分物料衡算：F~T段操作线方程：数值代入，得：1#2#1段2段3段1段2段9/26/20235第9章液体精馏2#

的1段：或1#2#1段2段3段1段2段9/26/20236第9章液体精馏例1：某塔顶蒸汽在冷凝器中作部分冷凝，所得的气、液两相互成平衡。汽相作产品，液相作回流，见图，该系统符合恒摩尔流的假定，试推导此时的精馏段操作线方程。解：虚线范围物料衡算：再分析分凝器与塔顶第一块板之间的关系：结论：符合操作线关系。将操作线方程中的斜率和截距用已知参数表示出来9/26/20237第9章液体精馏

例2：某精馏塔顶采用的是冷回流（即回流液的温度低于泡点温度），其回流比为R’=L0/D（摩尔比，下同），而塔顶第一块板下方的回流比即为塔内实际回流比为R（内回流），R=L/D，试证明：1、2、冷回流时精馏段的操作线方程形式不变，即解：9/26/20238第9章液体精馏结论：冷回流时精馏段的操作线方程形式不变。9/26/20239第9章液体精馏方法：1、逐板计算法；2、图解法；3、简捷计算法（后面计算）。9.5双组分（连续）精馏的设计型计算9.5.1理论塔板数和进料位置的计算设计型问题的命题：

已知条件：F、xf

，分离要求xD

、xW

计算：（1）产品分配；（2）塔板数和进料位置；（3）塔径（后面计算）。物料衡算进行产品分配选择操作条件：操作压强（操作温度）、进料热状态、回流比，相平衡关系和操作线方程随之确定。9/26/202310第9章液体精馏1、逐板计算法连续精馏、塔顶设全凝器、泡点回流。精馏段操作方程提馏段操作方程相平衡方程9/26/202311第9章液体精馏注意：（1）塔釜相当于一块理论板，塔内的理论板数是N-1；（2）若塔顶设置的是分凝器，则分凝器也相当于一块理论板,塔内的理论板数是N-2。自塔顶开始计算起：(1)y1=xD;步骤：即：交替使用操作关系和相平衡关系当出现xi≤xq

时，由xi计算yi+1时，使用提馏段方程。当出现xN≤xW时，终止计算。N即为所得的理论塔板数。操作线关系9/26/202312第9章液体精馏2、理论塔板的图解法（根据逐板计算法的原理）

（McCabe—Thiele法，M-T法）9/26/202313第9章液体精馏最适宜的进料位置第i块塔板为进料板，通常进料板归属于提馏段内。此时，原料进入到进料塔上后自发分散成的汽相组成、液相组成与进料塔上的汽相组成、液相组成最接近，在组成上无返混。9/26/202314第9章液体精馏进料口位置偏下注意：进料口偏下或偏上，都使得达到同样的分离所需要的理论塔板数增加。此时，浓度较高的原料进入到浓度较低的进料塔上，对于向下流动的液体来说，在组成上有返混。进料口位置偏上此时，浓度较低的原料进入到浓度较高的进料塔上，对于向上流动的汽体来说，在组成上有返混。9/26/202315第9章液体精馏实际塔板增浓值与理论塔板增浓值的差异9/26/202316第9章液体精馏单板效率即Murphree板效率分析实际塔板增浓值与理论塔板增浓值的差异在塔板上汽液两相有限时间的接触过程中，汽、液两相的传质不可能达到平衡，离开塔板的汽、液两相yi、xi

不成平衡关系。即传质速率是有限的。理论塔板的Murphree

板效率等于1，即100%。9/26/202317第9章液体精馏例：有两股原料，一股为100kmol/h含苯0.6（摩尔分率，下同）和含甲苯0.4的混合液。另一股为100kmol/h含苯0.2（摩尔分率，下同）和含甲苯0.8的混合液。拟用精馏操作进行分离，要求馏出液含苯0.9，釜液含苯0.05。塔顶设全凝器，塔釜为水蒸气间接加热。操作回流比为2。问下述两种方案哪种方案所需的理论板数少？（1）两股原料分别在其泡点下进入相应浓度的塔板上；

（2）将两股原料混合后在其泡点下进入相应浓度的塔板上。1段2段3段解：（1）两股原料分别在其泡点下进入相应浓度的塔板上全塔物料衡算9/26/202318第9章液体精馏1段2段3段第2段：操作线方程第3段：操作线方程得：所需理论板8块，自顶数第3块为F1进料，第6块为F2进料。（2）将两股原料混合后在其泡点下进入相应浓度的塔板上1段2段两股原料混合后的组成xfF、q=1第2段：操作线方程得：所需理论板10块，自顶数第5块进料。9/26/202319第9章液体精馏第5讲：

9.5.2回流比的选择

全回流与最少理论板数、最小回流比(minimumrefluxratio)，最适宜操作回流比的选择。

理论板数的捷算法。第9章液体精馏（理论课16学时）9/26/202320第9章液体精馏达到一定分离要求所需要的N减少了，实质上使得传质推动力(ye-y)增加了。9.5.2回流比的选择如果操作的回流比R增加，精馏段、提馏段的操作线均改变。9/26/202321第9章液体精馏NT,min中包含了塔釜。Fenske公式：1、全回流与最小理论塔板数9/26/202322第9章液体精馏

Fenske公式的推导：逐板计算法前提是全回流平衡关系：操作线关系：自塔顶开始逐板计算：9/26/202323第9章液体精馏取平均相对挥发度(relativevolatility)：9/26/202324第9章液体精馏Fenske公式：9/26/202325第9章液体精馏求挟点e(xe,ye)坐标（1）解析法；（2）做图法。2、最小回流比Rmin

对于设计型问题Rmin与分离要xD

、相平衡关系和xf

、q均有关。9/26/202326第9章液体精馏平衡线形状不规则时，求Rmin只能采用图解法9/26/202327第9章液体精馏3、最适宜回流比的选取9/26/202328第9章液体精馏Gilliland（吉利兰）关联式和关联图的依据是：8种物系，在广泛的精馏条件下，由逐板计算得出理论塔板数。组分数为2~11个；进料热状态包括冷料至过热蒸汽等5种情况；Rmin为0.53~7.0；组分间的相对挥发度为1.26~4.05；理论塔板数为2.4~43.1。注意：NT,NT,min中均为包含塔釜的理论板数。利用Fenske公式和Gilliland（吉利兰）关联式求解4、理论塔板的捷算法为了便于用计算机计算，9/26/202329第9章液体精馏（1）利用Fenske公式计算全回流时的Nmin

和Nmin,1

理论塔板的捷算法的步骤：(2)求最小回流比Rmin

和操作回流比R(3)利用Gilliland关联式或关联图求N、N19/26/202330第9章液体精馏2001华东石油大学试题在一连续常压精馏塔中分离某混合液，要求xD=0.94，xW=0.04。已知此塔进料q线方程为y=6x-1.5，采用回流比为最小回流比的1.2倍，混合液在操作条件下的相对挥发度为2。求：⑴精馏段操作线方程；⑵若塔底产品量W=150kmol/h，求进料量F和塔顶产品量D；⑶提馏段操作线方程。解：9/26/202331第9章液体精馏例：2000年华东理工大学硕士入学考试试题用连续精馏塔分离某双组分混合液，混合液中含易挥发组分xF=0.4（摩尔分率，下同），原料以饱和液体状态加入塔中部，塔顶全凝，泡点回流。操作条件下物系的相对挥发度α=2.5，要求塔顶产品浓度xD=0.8，塔顶易挥发组分的回收率η=0.9。塔釜间接蒸汽加热。试求：（1）完成上述分离任务的最小回流比；（2）若R=1.5Rmin,则进入塔顶第一块塔板的汽相组成为多少？解：q线方程平衡线方程9/26/202332第9章液体精馏例：华东理工大学1999年硕士入学考试试题采用连续精馏塔分离某双组分混合物，进料组成为0.4（易挥发组分摩尔分率），进料汽液比为1：1（摩尔量比）。塔顶泡点回流，塔釜间接蒸汽加热。要求塔顶易挥发组分回收率达到98%，塔釜难挥发组分回收率达到99%。已知该物系的相对挥发度为3试求：（1）塔顶、塔底产品的组成和塔顶采出率；（2）Rmin（3）R=1.5Rmin,试写出提馏段的操作线方程。解：（1）均代入（3）式9/26/202333第9章液体精馏解得：（2）解交点坐标(xe,ye)9/26/202334第9章液体精馏9/26/202335第9章液体精馏例：华东理工大学1998年硕士入学考试试题采用一连续操作的常压精馏塔，分离某A（轻组分）B（重组分）双组分混合物，已知进料组成为0.4（易挥发组分摩尔分率），进料温度为50℃。塔顶泡点回流，塔釜间接蒸汽加热。要求塔顶产品含易挥发组分95%，塔釜产品含易挥发组分3%。已知该物系的相对挥发度为2.5，实际操作回流比为1.95。试求：（1）组分A的回收率；（2）Rmin(3)写出提馏段的操作线方程。（4）若塔顶第一块板下降的液相浓度为0.9，求该塔板以气相组成表示的Emv（由平衡数据已知，xf=0.4,AB混合液的泡点为

95.2℃,定性温度下，原料液的

Cp=39kcal/(kmol.℃),r=8800kcal/kmol)解：9/26/202336第9章液体精馏9/26/202337第9章液体精馏9/26/202338第9章液体精馏例：9-18习题(西北大学1999年硕士入学考试试题)两股组成不同的原料液分别预热至泡点，从塔的不同部位连续加入。已知：xD=0.98,xS=0.56xF=0.35,xw=0.02（均为易挥发组分的摩尔分率）。物系的相对挥发度α=2.4，S=0.2F试求：（1）塔顶易挥发组分的回收率；（2）为达到上述分离要求所需的Rmin.9/26/202339第9章液体精馏解:物料衡算：解得：9/26/202340第9章液体精馏两股进料均为泡点，应根据哪股加料求

Rmin？分别求解后再做比较。首先根据S确定Rmin如果第2段的操作线到e2点时，如图所示，则可以按照S进料求Rmin9/26/202341第9章液体精馏可能出现如图所示：尽管第2段斜率增加，但仍然出现不符合实际的情况。此时应考虑根据F股进料出现挟点，根据第3段操作线的斜率,上推到第1段的参数，确定Rmin

。此时则不能按照S进料求Rmin

。见下页9/26/202342第9章液体精馏此时应根据第3段操作线的斜率,上推到第2段，再上推到第1段确定Rmin

。可有2种方式来表示9/26/202343第9章液体精馏如果考虑不周全，仅根据S股进料，则得出Rmin=1.21的错误结论。9/26/202344第9章液体精馏第6讲：

9.5.3加料热状态的选择

精馏操作的热量衡算

9.5.4双组分连续精馏过程的其它类型

（塔釜加料的塔、提馏塔、水蒸气直接加热的塔）

9.5.5平衡线为直线时理论板数的解析计算第9章液体精馏（16学时）9/26/202345第9章液体精馏

连续精馏装置的热量平衡如果F、D、W保持不变，若回流比R已定，QB+QF

则总量已定。9.5.3加料热状态的选择9/26/202346第9章液体精馏为什么q值增大（冷态，Qf数值减小），所需要的NT减少呢？（1）回流比R一定精馏操作所需要的总热流量一定。若q值增加，Qf减小，则意味着QB增加了，这样达到预定分离程度所需要的NT数量减少。QB值大，使NT减小的原因：

QB值大，意味着数值大，使得提馏段操作线与平衡线距离增大，传质推动力增大，故所需NT减少。根据热量平衡原理和理论塔板数的求解，分析进料热状态的选择，分为2种情况结论：在需要总热量一定的情况下，热量应从塔釜（再沸器）加入，而不应该是从原料带入。即：热量应从塔底（塔釜）加入。为什么当Qt一定时，QB增加，可以使得N减少？9/26/202347第9章液体精馏（2）如果塔釜加热能力一定（即一定，QB一定）时，加料热状态变化，对于NT的影响若Qf增加，则提供给精馏操作的总热量增加，意味着Qc增加了（消耗更多的冷量），回流比R增加了，传质推动力增加了，故所需要的NT可以减少。结论：

精馏操作，热量尽量加在塔底；冷量尽量加在塔顶。9/26/202348第9章液体精馏如果是饱和水蒸气，q=0,水蒸气的流率为S精馏段操作线、进料线不变，提馏段操作线有了变化。9.5.4双组分精馏过程的其它类型1、水蒸气直接加热的精馏水蒸气的热状态参数为q提馏段轻组分衡算过点（xw,0）9/26/202349第9章液体精馏全塔物料衡算塔釜间接加热时的物料衡算如果是饱和水蒸气，q=0,水蒸气的流率为S9/26/202350第9章液体精馏分析直接蒸汽加热提馏段方程式的特点：过点（xw,0）9/26/202351第9章液体精馏直接蒸汽加热与间接釜式加热相比较：分2种情况第一种情况：F、xf

、q、R、xD

、xW

相同，比较热能消耗、轻组分的回收率和理论塔板数N由于S直接进入塔釜，出塔的物料总量（D+W）必然增加。D?W?塔釜间接加热时的物料衡算9/26/202352第9章液体精馏第一种情况：F、xf

、q、R、xD

、xW

相同，比较热能消耗、轻组分的回收率和理论塔板数N直接间接9/26/202353第9章液体精馏第二种情况：F、xf

、q、R、xD

相同，要求轻组分的回收率η相同，比较热能消耗、和理论塔板数N由于D、xD相同，则(R+1)D相同，q相同，V’相同，则能耗相同。精馏段方程、q线方程相同，提馏段的液汽流量和液汽比也相同，直接蒸汽加热时的提馏段操作线只是将间接加热的操作线延长到横坐标上。直接间接9/26/202354第9章液体精馏例：含甲醇0.45（摩尔分率，下同）的甲醇水溶液在一常压连续精馏塔中进行分离。原料流量为100kmol/h，