物料衡算和操作线方程课件

第六章第六章 蒸馏蒸馏2 2 2 2 第六章第六章 蒸馏蒸馏第一节第一节 双组分理想物系气液平衡双组分理想物系气液平衡第二节第二节 蒸馏方法蒸馏方法第三节第三节 双组分连续精馏的计算双组分连续精馏的计算第四节第四节 蒸馏设备蒸馏设备第五节第五节 恒沸精馏与萃取精馏恒沸精馏与萃取精馏3 3 第三节第三节 双组分连续精馏的计算双组分连续精馏的计算主要涉及物料主要涉及物料衡算及衡算及操作线操作线方程计算方程计算4 4 所谓理论板是指离开这种板的气液两相所谓理论板是指离开这种板的气液两相互成平衡，而且塔板上的液相组成也可互成平衡，而且塔板上的液相组成也可视为均匀的。例如，对任意层理论板视为均匀的。例如，对任意层理论板n而而言，离开该板的液相组成言，离开该板的液相组成xn与气相组成与气相组成yn符合平衡关系。符合平衡关系。一、理论板的概念和恒摩尔流假定一、理论板的概念和恒摩尔流假定1.1.理论板的概念：理论板的概念：5 5 1.1.理论板：理论板：一、理论板的概念和恒摩尔流假定一、理论板的概念和恒摩尔流假定6 6 V1=V2=Vn=V V1=V2=Vm=V式中式中 V V精馏段中上升蒸气摩尔流量，精馏段中上升蒸气摩尔流量，kmol/hkmol/h；V V提馏段中上升蒸气摩尔流量，提馏段中上升蒸气摩尔流量，kmol/hkmol/h；下标表示塔板序号。下标表示塔板序号。（1 1）恒摩尔气流）恒摩尔气流:精馏段内，每层塔板精馏段内，每层塔板的的上升蒸汽摩尔流量都相等，上升蒸汽摩尔流量都相等，提提馏段也一样。馏段也一样。但两段的上升蒸汽摩尔流量不一定相等。但两段的上升蒸汽摩尔流量不一定相等。一、理论板的概念和恒摩尔流假定一、理论板的概念和恒摩尔流假定2.2.恒摩尔流的假定：恒摩尔流的假定：7 7（2 2）恒摩尔液流）恒摩尔液流:精馏段内，每层塔板精馏段内，每层塔板的的下降液体摩尔流量都相等，下降液体摩尔流量都相等，提馏段也一样。提馏段也一样。但两段的下降液体摩尔流量不一定相等。但两段的下降液体摩尔流量不一定相等。一、理论板的概念和恒摩尔流假定一、理论板的概念和恒摩尔流假定2.2.恒摩尔流的假定：恒摩尔流的假定：L L1 1=L=L2 2=L=Ln n=L L=L L1 1=L=L2 2=L=Lm m=L=L式中式中 L L精馏段中下降液体摩尔流量，精馏段中下降液体摩尔流量，kmol/hkmol/h；L L提馏段中下降液体摩尔流量，提馏段中下降液体摩尔流量，kmol/hkmol/h；8 8 l恒摩尔流假定成立恒摩尔流假定成立必须满足的条件是必须满足的条件是溶液中各组分的摩尔汽化热相等。溶液中各组分的摩尔汽化热相等。气液两相接触时气液两相接触时因因温度不同而交换的显热可忽略。温度不同而交换的显热可忽略。精馏塔保温良好，热损失可以忽略。精馏塔保温良好，热损失可以忽略。若在精馏塔塔板上气、液两相接触时有n nkmolkmol的蒸气冷凝，相应就有n nkmolkmol的液体气化，这样恒摩尔流的假定才能成立。一、理论板的概念和恒摩尔流假定一、理论板的概念和恒摩尔流假定2.2.恒摩尔流的假定：恒摩尔流的假定：9 9 二、物料衡算和操作线方程二、物料衡算和操作线方程1.1.全塔物料衡算：全塔物料衡算：对图中所示的连续精馏塔作全塔物料衡算，并以单位时间为基准，即总物料 F=D+W F=D+W 易挥发组分 FxFxF F=Dx=DxD D+Wx+WxW W 式中 F F原料液流量，kmol/hkmol/h；D D塔顶产品（馏出液）流量，kmol/hkmol/h；W W塔底产品（釜残液）流量，kmol/hkmol/h；x xF F原料液中易挥发组分的摩尔分率；x xD D馏出液中易挥发组分的摩尔分率；x xW W釜残液中易挥发组分的摩尔分率。10 10 二、物料衡算和操作线方程二、物料衡算和操作线方程1.1.全塔物料衡算：全塔物料衡算：在精馏计算中，分离程度除用两产品的摩尔分率表示外，有时还用回收率表示，即 塔顶易挥发组分回收率塔顶易挥发组分回收率=塔底难挥发组分的回收率塔底难挥发组分的回收率=11 11 加料热状态参数q的大小与进料焓值IF 直接相关.二、物料衡算和操作线方程二、物料衡算和操作线方程2.2.精馏段操作线方程：精馏段操作线方程：按图中虚线范围（包括精馏段的第n n+1+1层板以上塔段及冷凝器）作物料衡算，以单位时间为基准，即总物料 V=L+D V=L+D 易挥发组分 VyVyn+1n+1=Lx=Lxn n+Dx+DxD D回流比 R=L/DR=L/D精馏段操作线方程的物理意义:在一定操作条件下，精馏段内自任意第n n层板下降的液相组成X Xn n与其相邻的下一层板（如第n+1n+1层板）上升蒸气气相组成Y Yn+1n+1之间的关系。-精馏段操作线方程12 12 二、物料衡算和操作线方程二、物料衡算和操作线方程2.2.精馏段操作线方程：精馏段操作线方程：斜率13 13 3.3.提馏段操作线方程：提馏段操作线方程：总物料：总物料：轻组分：轻组分：二、物料衡算和操作线方程二、物料衡算和操作线方程上式为提馏段操作线方程上式为提馏段操作线方程14 14 提馏操作线：c c点：（：（xW，xW）截距：-WxW/V精馏操作线：a a点：(xD，xD）截距：xD/(R+1)精馏段操作线方程精馏段操作线方程提馏段操作线方程提馏段操作线方程y 操作线方程在操作线方程在x-y图上的画法图上的画法：x y 0 1.0 1.0 xD abxW cde15 15 二、物料衡算和操作线方程二、物料衡算和操作线方程4.4.进料操作线方程：进料操作线方程：在在实实际际生生产产中中,如如图图所所示示,引引入入精精馏馏塔塔内内的的原原料料可可能能有有五五种种不不同同状状况况,即即：低低于于泡泡点点的的冷冷液液体体；泡泡点点下下的的饱饱和和液液体体；气气液液混合物；混合物；饱和蒸气；饱和蒸气；过热蒸气。过热蒸气。进进料料热热状状况况不不同同,将将直直接接影影响响其其上上.下下两段上升蒸气和下降液体的流量。两段上升蒸气和下降液体的流量。（1 1）进料）进料 5 种热状况种热状况图16 16 FLVLV冷液进料泡点进料FLVLVFLVLV汽液混合进料16（2 2）进料情况对上升蒸气量和下降液体量的影响）进料情况对上升蒸气量和下降液体量的影响17 17 FLVLV过热蒸汽进料FLVLV饱和蒸汽进料17（2 2）进料情况对上升蒸气量和下降液体量的影响）进料情况对上升蒸气量和下降液体量的影响18 18 二、物料衡算和操作线方程二、物料衡算和操作线方程4.4.进料操作线方程：进料操作线方程：（3 3）进料热状况参数）进料热状况参数对对右右图图所所示示的的进进料料板板分分别别作作总总物物料料衡衡算算及及热热量衡算，即量衡算，即 IVIV及ILIL定义 加料热状态参数19 19 二、物料衡算和操作线方程二、物料衡算和操作线方程4.4.进料操作线方程：进料操作线方程：（3 3）进料热状况参数）进料热状况参数加料热状态参数加料热状态参数q的大小与进料焓值的大小与进料焓值IF 直接相关直接相关.可得：q的的意意义义:以以1kmol/h进进料料为为基基准准时时,提提馏馏段段中中的的液液体体流流量量较较精精馏馏段段增增大大的的kmol/h数。数。提馏段操作方程的常用表达式提馏段操作方程的常用表达式提馏段操作方程的常用表达式提馏段操作方程的常用表达式.20 20 二、物料衡算和操作线方程二、物料衡算和操作线方程4.4.进料方程（进料方程（q q线方程）：线方程）：21 21 作图作图 二、物料衡算和操作线方程二、物料衡算和操作线方程q q线的作法：线的作法：22 22 改变操作条件改变操作条件(如如R)R)，操作，操作线改变，但交点总在线改变，但交点总在q q线上。线上。l说明：说明：只要热状况不变，只要热状况不变，q q线线不变；不变；q q线方程是两条操作线线方程是两条操作线交点轨迹的方程。交点轨迹的方程。二、物料衡算和操作线方程二、物料衡算和操作线方程23 23 5.5.进料热状况对进料热状况对q q值及值及q q线线的影响：的影响：二、物料衡算和操作线方程二、物料衡算和操作线方程24 24 进料组成进料组成 回流比回流比R R 分离要求分离要求保持一定保持一定二、物料衡算和操作线方程二、物料衡算和操作线方程5.5.进料热状况对进料热状况对q q线及操作线的影响：线及操作线的影响：25 25 1.全回流和最少理论板数全回流和最少理论板数若若D=0(通常也有通常也有F=0,W=0)操作线：操作线：(即即L=V)任一塔截面上升蒸汽和下降液体的组成均相等任一塔截面上升蒸汽和下降液体的组成均相等l全回流全回流：三、回流比的影响与选择三、回流比的影响与选择26 26 1.全回流和最少理论板层数全回流和最少理论板层数 三、回流比的影响与选择三、回流比的影响与选择l说明说明：全回流为回流比的上限；全回流为回流比的上限；对应着最少理论板数对应着最少理论板数 N Nminmin。27 27 2.最小回流比：最小回流比：l分析分析:(平衡线与操作线越近平衡线与操作线越近)当四条线交于一点时当四条线交于一点时交点附近板上无增浓作用交点附近板上无增浓作用即即夹（紧）点夹（紧）点三、回流比的影响与选择三、回流比的影响与选择28 28 3.适宜回流比的选择：适宜回流比的选择：选择依据：费用最低选择依据：费用最低总费用总费用=操作费用操作费用+设备费设备费(1)(1)精馏操作费主要取决于精馏操作费主要取决于 回流比有两个极限值回流比有两个极限值,上限为全回流时的回流比上限为全回流时的回流比,下限为最小回流下限为最小回流比比,实际回流比为介于两极限值之间的某适宜值实际回流比为介于两极限值之间的某适宜值.三、回流比的影响与选择三、回流比的影响与选择29 29(2)(2)设备费包括精馏塔、再沸器、冷凝器的费用设备费包括精馏塔、再沸器、冷凝器的费用精馏塔费用高精馏塔费用高三、回流比的影响与选择三、回流比的影响与选择30 30 三、回流比的影响与选择三、回流比的影响与选择v适宜回流比一般取31 31 四、精馏塔的操作和调节四、精馏塔的操作和调节1.影响精馏操作的主要因素：影响精馏操作的主要因素：（1 1）物料平衡的影响和制约保持精馏装置的物料平衡是精馏塔定态操作的必要条件。（2 2）回流比的影响回流比是影响精馏塔分离效果的主要因素，生产中经常用改变回流比来调节、控制产品的质量。（3 3）进料组成和进料热状况的影响当进料状况（xF和q）发生变化时，应适当改变进料位置。32 32 四、精馏塔的操作和调节四、精馏塔的操作和调节2.精馏塔的产品质量控制和调节：精馏塔的产品质量控制和调节：分析塔内沿塔高的温度分布可以看分析塔内沿塔高的温度分布可以看到，在精馏段或提馏段的某塔板上到，在精馏段或提馏段的某塔板上温度变化最显著，也就是说这些塔温度变化最显著，也就是说这些塔板的温度对于外界因素的干扰反映板的温度对于外界因素的干扰反映最为灵敏，通常将它称之为灵敏板。最为灵敏，通常将它称之为灵敏板。因此生产上常用测量和控制灵敏板因此生产上常用测量和控制灵敏板的温度来保证产品的质量。的温度来保证产品的质量。33 33 五、精馏装置的节能五、精馏装置的节能1.选择最适宜的回流比2.热能回收利用3.设置中间再沸器和中间冷凝器在原料组成、分离要求及理论板数相同的条件下，在精馏塔提溜段中设置中间再沸器，此处的热源温度低，可取代塔底再沸器的部分热源，起到降低能耗的作用。同理，设置中间冷凝器，其温度比塔顶高，可回收温度较高的热量。谢谢谢谢!