化工原理 精馏操作型问题题解

1 一操作中的精馏塔，若保持不变，增大回流比R，试分析的变化趋势。 解：据题不变，R增大，共已知8个条件，因此可分析等的变化趋势。(1) 的变化趋势分析 (2) 的变化趋势分析 利用M-T图解法分析的变化趋势可先假设xD不变，则也不变，结合R增大，作出新工况下的二操作线，如图1-1所示的二虚线(原工况为实线，下同)，可知要完成新工况下的分离任务所需的理论板数比原来的要少(记为N减小)，不能满足N不变这个限制条件，因此“xD不变”的假设并不成立，但已不难推知：若要满足N不变，必有xD增大，又从物料衡算关系得xW减小，其结果如图1-2所示。 结论： 2 某分离二元混合物的精馏塔，因操作中的问题，进料并未在设计的最佳位置，而偏下了几块板。若均同设计值，试分析的变化趋势(同原设计时相比)。 解：根据已知条件，不变，精馏段理论板数N1增大，也已知8个条件，因此可分析等的变化趋势。(1)的变化趋势分析(2) 的变化趋势分析 本题易于发生一种错觉：加料板下移使N1增大、提馏段理论板数N2减小，单从二段的分离能力来看，似乎应有xD增大、xW增大，但这个推论显然不符合物料衡算式。现用M-T图解法分析：仍设xD不变，则也不变，结合R不变，得新工况下的二操作线同原来的重合，由于进料位置比最佳位置低，则M-T图解结果如图2-1虚线所示(为清晰起见，示意图中给出了加料位置比最佳位置低两块板的情形)，可知所需N增大。而实际上N不变，从而必需有xD减小，结合物料衡算知xW增大，如图2-2所示。结论：xD减小、xW增大。由于进料位置下降，尽管精馏段理论板数N1增大，但xD反而减小，这一点提请读者注意。发生这种结果的原因可作如下分析：在最佳进料位置时，每一块板均发挥了其最佳分离能力，而当偏离最佳位置时(其他条件不变)，如本题加料位置偏低，则原本在提馏段的板变成精馏段的板，起不到原来的分离作用，从而使精馏塔的整体分离能力下降，导致xD减小、xW增大。3 一操作中的精馏塔，保持不变。亦增大回流比R，则的变化趋势又如何？试将结果与例1作比较。 解：此题的8个已知条件为不变，R增大。(1) 的变化趋势分析(2) 的变化趋势分析 用M-T图解法。 先假设xD不变，根据R增大，新工况下的精馏段操作线将向对角线靠近(如图3-1)，接下来要画的是提馏段操作线。若仅从物料衡算看，并不能确定xW的变化趋势，提馏段操作线可能为。换句话说，上述提馏段操作线的作法有问题，应换成利用点及提馏段斜率来画。从而新工况下提馏段的操作线如图3-2虚线所示，可知所需N减小，进一步可推知在现N不变情况下，将有xD增大。再根据xD增大、R(或)增大、增大画出新工况下的二操作线，如图3-3所示，可知xW增大。现再来分析一下图3-3是否能满足N1、N2不变。显然对精馏段，新、旧二操作线相交，因此能满足N1不变，但对提馏段，若仅分别从点d或出发画梯级，则新工况下的梯级数要少，但这并不意味着新 工况下满足不了N2不变这个要求。因为改变工况后，原来的最佳加料位置，新工况下已不是最佳，因此作提馏段梯级时不应从点出发，而应在点前就开始，较详细的示意结果如图3-4所示，图N=8，N1=3，N2=5，可见新、旧工况下N、N1、N2不变。物料衡算考核：D减小、W增大、xD增大、xW增大能满足结论：xD增大、xW增大。 从本题的分析情况看，上述反证法的主要缺点是繁琐。若结合塔板分离能力进行分析，则较为简单，分析方法如下； 因为增大、增大、N1不变、N2不变，所以精馏段的分离能力提高、提馏段的分离能力下降，结合xF不变，xD增大、xW增大。 物料衡算考核同上。结论：xD增大、xW增大。 讨论：将本题结果与例1作一下比较，可见同样是R增大，但由于使R增大的手段不一样，操作结果也不一样(请参见例1)。其原因是例1中提馏段的分离能力因下降而提高，本题中它却因增加而下降。 说明：题1、2同样可用考察塔板分离能力的方法进行分析，如下。 对题1 因为增大、减小、N，不变、N。不变，所以精馏段、提馏段的分离能力均提高。结合xF不变，可得xD增大、xW减小。物料衡算考察：因为D、W不变，所以xD增大、xW能满足。结论；xD增大、xW减小。 对题2 因为不变，而提馏段板数减少，故提馏段的分离能力下降，结合xF不变，可得xW增大。而， 结论：xD减小、xW增大。 4 一精馏塔，冷液进料。由于前段工序的原因，使进料量F增加，但仍不变，试分析的变化趋势。 解：此题给定的8个条件为不变，F增大。 (1) 的分析 (2)、的分析(3) 的分析 用M-T图解法 设xD不变，利用不变、增大作出新工况下的二操作线，如图4-1所示(虚线，下同)，可知所需N减小，从而推知在N不变情况下，将有xD增大。据此，再重画新工况下的二操作线(保持N不变)，如图4-2所示，即xW增大。 物料衡算考察：F增大、D减小、W增大、xD增大、xW增大能满足。 如从塔板分离能力考察：因为增大、N2不变、xF不变，所以xW增大。 由于F增大、D减小、W增大，故暂无法从物料衡算确定xD的变化趋势，而须根据N不变画出新工况下的二操作线才能定。结合xW增大、增大、不变、N不变，画出新工况下的二操作线，如图4-2所示，xD增大。注意：不能仅从不变、N1不变、xF不变就得出xD不变的结论。由于提馏段塔板分离能力下降，致使加料板上升蒸汽组成增大，而精馏段分离能力不变，因此xD增大。一般情况下，若有变化，则加料板上升蒸汽组成的改变对塔分离结果的影响比不上的影响大(如题1)，从而可从增大、xF不变得出xD增大的结论。本题不变，则加料板上升蒸汽组成的变化对塔顶xD的影响就要考虑。 结果：xD增大、xW增大。 从上述4例的分析可知，不论用M-T图解法还是用考察塔板分离能力的方法，二者所得的结果相同。实际上分离能力的变化也可从M-T图解法中分析得到(通过考察xD不变时的情形)，因此与M-T图解法相比，考察塔板分离能力的方法相当于免去了考察xD不变时的步骤，较简单，但二者的实质是一致的。因此以后的例题中，如无必要，均采用基于塔板分离能力的方法。5 一正在运行中的精馏塔，因进料预热器内加热蒸汽压力降低致使进料q值增大。若不变，则将如何变化? 解：(1) 分析 (2)、的分析(3) 的分析因为、N2不变，所以提馏段分离能力增大，结合xF不变，可得xW减小。因为F、D、W不变，所以xD增大。 结果：xD增大、xW减小。 说明：xD、xW也可如下分析，因为q增大、xF不变，所以加料板上升蒸汽的浓度增加，而精馏段分离能力不变，因为xD增大，又从物料衡算知xW减小。6 一正在运行中的精馏塔，由于前段工序的原因，使料液组成xF下降，而仍不变。试分析将如何变化? 解：(1) 分析 (2)、分析 、均不变 (3)分析 因为、N1、N2均不变，所以精馏段、提馏段的分离能力不变，结合xF减小，可得xD减小、xW减小。 物料衡算考察：因为F、D、W不变，所以xF减小、xD减小、xW减小可满足。