精馏--操作型计算1课件

第第六六章章 蒸馏蒸馏Distillation一、理论板及恒摩尔流一、理论板及恒摩尔流二、物料衡算和操作线二、物料衡算和操作线三、理论塔板层数的求法三、理论塔板层数的求法四、几种特殊情况时理论板数四、几种特殊情况时理论板数的求法的求法 五、回流比的影响及其选择五、回流比的影响及其选择六、理论板数的捷算法六、理论板数的捷算法七、实际塔板数、塔板效率七、实际塔板数、塔板效率八、精馏装置的热量衡算八、精馏装置的热量衡算第第三三节节 两组分两组分连续精馏的连续精馏的分析和计算分析和计算 2024/7/18D,xDW,xWF,xF6.3 二元连续精馏的分析与计算二元连续精馏的分析与计算计算项目：计算项目：塔顶（或塔底）产量和浓度塔顶（或塔底）产量和浓度塔内物流量塔内物流量回流量回流量塔板数或填料层高度塔板数或填料层高度进料位置进料位置 塔径塔径2024/7/18D,xDW,xWF,xF-若组分若组分A、B的汽化的汽化潜热接近，则潜热接近，则NA=NB2024/7/18理论板理论板 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视为均匀的。恒摩尔流假设的条件恒摩尔流假设的条件 （1）各组分的摩尔汽化潜热相等；（2）气液接触时因温度不同而交换的显热可以忽略；（3）塔设备保温良好，热损失可以忽略。2024/7/18恒摩尔溢流恒摩尔溢流 恒摩尔汽化恒摩尔汽化2024/7/18D,xDW,xWF,xF1、全塔物料衡算、全塔物料衡算二、物料衡算和操作线二、物料衡算和操作线2024/7/18当塔顶、塔底产品组成xD、xW及产品质量已规定，产品的采出率D/F和W/F也随之确定，不能再自由选择；当规定塔顶产品的产率和质量xD，则塔底产品的质量xW及产率也随之确定而不能自由选择；在规定分离要求时，应使塔顶产品的组成应满足2024/7/18例例每小时将15000kg含苯40%（质量%，下同）和甲苯60%的溶液，在连续精馏塔中进行分离，要求釜残液中含苯不高于2%，塔顶馏出液中苯的回收率为97.1%。试求馏出液和釜残液的流量及组成，以摩尔流量和摩尔分率表示。2024/7/18解：苯的分子量为78；甲苯的分子量为92。进料组成：釜残液组成：原料液流量：依题意知：所以：全塔物料衡算（b）或联立式a、b、c，解得：原料液的平均分子量：（a）（c）2024/7/18D,xDW,xWF,xFn12024/7/18nxn yn+1 说明：该方程表示了精馏段相邻说明：该方程表示了精馏段相邻两塔板下降液体组成（第两塔板下降液体组成（第n块板）块板）和上升蒸汽组成（第和上升蒸汽组成（第n+1块板）之块板）之间的关系，即任一塔截面汽、液间的关系，即任一塔截面汽、液两相组成之间的关系。两相组成之间的关系。2024/7/18 操作线斜率大，意操作线斜率大，意味着经过一块理论板味着经过一块理论板后，汽相的增浓程度后，汽相的增浓程度变大，液相的减浓程变大，液相的减浓程度变大。故度变大。故操作线斜操作线斜率大对精馏段的分离率大对精馏段的分离是有利的是有利的。汽相汽相增浓增浓程度程度液相减浓液相减浓浓程度浓程度思考：思考：操作线斜率大，对精馏是否有利？操作线斜率大，对精馏是否有利？2024/7/183提馏段操作线方程提馏段操作线方程2024/7/18斜率小，提馏斜率小，提馏段内塔板的分段内塔板的分离能力高。离能力高。2024/7/18三、进料热状况的影响及加料线方程三、进料热状况的影响及加料线方程2024/7/18对加料板作总物料衡算和热量衡算：对加料板作总物料衡算和热量衡算：2024/7/182024/7/182024/7/18思考题1、已知原料为气液混合进料，气液量之比为3：4，则q=()2、已知q=1.1,则加料中液体量与总加料量之比为（）A、1.1:1B1:1.1C1:1D0.1:12024/7/18q线方程线方程2024/7/18-q线方程线方程2024/7/18 图示：图示：（1）精馏段操作线（2）q线（3）提馏段操作线精馏段操作线，提馏段操作线，精馏段操作线，提馏段操作线，q线三线必交于一点线三线必交于一点三线的特点是都必通过对角线一点三线的特点是都必通过对角线一点由两条直线可以得到另一条直线由两条直线可以得到另一条直线注意：2024/7/18 可见：可见：q 的值不影响精馏段操作线，但对提馏段操作线有影响。的值不影响精馏段操作线，但对提馏段操作线有影响。(3)进料状态参数对操作线的影响进料状态参数对操作线的影响精馏段操作线方程:提馏段操作线方程:q线方程：2024/7/18不同进料热状态时的不同进料热状态时的q线和对线和对提馏段操作线的影响提馏段操作线的影响说明：说明：q，提馏段操作线斜率增大。提馏段操作线斜率增大。提馏段操作线方程经变换，与提馏段操作线方程经变换，与xD，xW，xF，q，R有关。有关。注意注意q的两个特殊值：的两个特殊值：饱和液体进料：饱和液体进料：q=1 饱和蒸汽进料：饱和蒸汽进料：q=0q=1q10q1q=0q10q1q=0q0zFxDxW2024/7/18若F，xf，xD，xw，QR给定，试问qNT？若再沸器面积已选定，即QR给定，问题为：思考2024/7/18，同样以全塔热量衡算来分析：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，一定，R精馏段操作线远离平衡线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（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中发挥作用，而冷却量应尽可能施加于塔顶，使产生的汽相回流能在全塔中发挥作用，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。所产生的液体回流能经过全塔发挥最大的效能。2024/7/18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，F，xf，R一定，qxD，xw，反之亦然。2024/7/18R、Rmin、NT和Nmin的关系可以用吉利兰(Gilliland)图表示。六、理论板数的捷算法六、理论板数的捷算法2024/7/18注意：注意：NT、Nmin均已包括釜。曲线可近似表示为：简捷法具体步骤是：（1）根据精馏给定条件计算Rmin；（2）由Fenske方程及给定条件计算Nmin。2024/7/18（3）计算（4）查得（5）计算说明：说明：简捷法主要用于对理论塔板数的初估。2024/7/18七、实际塔板数、塔板效率七、实际塔板数、塔板效率1、单板效率、单板效率默弗里（默弗里（Murphree）效率效率 气相单板效率 操作线平衡线ynyn-yn+1液相单板效率 2024/7/182全塔效率全塔效率E0又称总板效率，其定义为：又称总板效率，其定义为：其值一定小于其值一定小于1，多数在，多数在0.50.7之间。之间。D,xDW,xWF,xF2024/7/18nxn-1yn+1ynxnvE0与与Em数值上不一定相等；数值上不一定相等；vE0大，则表明大，则表明Em一定大。一定大。v但但反反过过来来，Em大大，则则E0不不一一定定大大，这这是是因因为为，板板和和板板之之间间传传质质会会相相互互影影响响，可可能能存存在在着着各各种种不不利利的的操操作作现现象象，如如漏漏液、雾沫夹带、液泛等。液、雾沫夹带、液泛等。思考：思考：单板效率单板效率Em与全塔效率与全塔效率E0有何关系？有何关系？D,xDW,xWF,xF2024/7/18八、精馏装置的热量衡算八、精馏装置的热量衡算1、冷凝器的热量衡算、冷凝器的热量衡算 冷却介质用量 2024/7/182、再沸器的热负荷、再沸器的热负荷 进入再沸器的热量：加热蒸汽供给的热量QB；回流液体带入的热量LILm 离开再沸器的热量：再沸器中上升蒸气带走的热量 釜残液带走的热量 再沸器的热损失 2024/7/18若近似取 加热介质的消耗量 若用饱和蒸汽加热，且冷凝液在饱和温度下排出，则加热蒸汽消耗量 2024/7/18习题课习题课D,xDW,xWF,xF公式：公式：操作条件包括：进料状况（操作条件包括：进料状况（F、xF、q）、）、R 操作压力操作压力P、操作温度操作温度T 冷冷凝凝器器热热负负荷荷V、再再沸沸器器热热负负荷荷V D、W。2024/7/18习题课习题课例例1 设计型问题设计型问题组组成成为为xF=0.45的的原原料料以以汽汽液液混混合合状状态态进进入入精精馏馏塔塔，其其中中汽汽液液摩摩尔尔比比为为1:2，塔塔顶顶xD=0.95（以以上上均均为为摩摩尔尔分分率率），塔塔顶顶易易挥挥发发组组分分回回收收率率为为95%，回回流流比比R=1.5Rmin，塔塔釜釜间间接接蒸蒸汽汽加加热热，相相对对挥挥发发度度=2.5。试求：。试求：（1）原料中汽相和液相组成；）原料中汽相和液相组成；（2）列出提馏段操作线方程。）列出提馏段操作线方程。DxD=0.95W,xWFxF=0.45R=1.5Rmin=2.52024/7/18汽液摩尔比为汽液摩尔比为1:2DxD=0.95W,xWFxF=0.45R=1.5Rmin=2.5解：解：（1）原料中汽相和液相组成）原料中汽相和液相组成设原料中汽相组成为设原料中汽相组成为ye，液相组成为液相组成为xe，则则2024/7/18（2）列出提馏段操作线方程）列出提馏段操作线方程DxD=0.95W,xWFxF=0.45R=1.5Rmin=2.52024/7/182024/7/181.NT不变，泡点进料，讨论不变，泡点进料，讨论xD,xW如何变化？如何变化？a.xF ,其它不变，其它不变，D,W不变。不变。结论：结论：xD ,xW 操作型计算操作型计算xF 对对xD,xW 的影响的影响2024/7/18b.加料板位置上移加料板位置上移结论：结论：xD ,xW 加料板位置加料板位置 对对xD,xW 的影响的影响2024/7/18c.R 结论：结论：xD ,xW R 对对xD,xW 的影响的影响2024/7/18d.q ,R 不变，不变，D不变，不变，V 结论：结论：xD ,xW q 对对xD,xW 的影响的影响2024/7/18练练习习 一一操操作作中中的的常常压压连连续续精精馏馏塔塔分分离离某某混混合合液液。现现保保持持塔塔顶顶馏馏出出液液量量D、回回流流比比R、进进料料状状况况（F、xF、q）不不变变，而而减小操作压力，减小操作压力，试分析试分析xD、xW如何变化？如何变化？解：解：2024/7/182024/7/18例例3 操作型计算操作型计算 如如图图所所示示的的精精馏馏塔塔由由一一只只蒸蒸馏馏釜釜及及一一层层实实际际板板组组成成。料料液液由由塔塔顶顶加加入入，进进料料热热状状况况参参数数q=1，xF=0.20（摩摩尔尔分分率率，下下同同）。今今测测得得塔塔顶顶易易挥挥发发组组分分的的回回收收率率为为80%，且且xD=0.30，系系统相对挥发度为统相对挥发度为3.0。试求：。试求：（1）残液组成）残液组成xw；（2）该层塔板的液相默弗里板效该层塔板的液相默弗里板效EmL。设蒸馏釜可视为一个理论板。设蒸馏釜可视为一个理论板。q=1，xF=0.20 xD=0.30 80=3.02024/7/18解：解：（1）残液组成）残液组成xwq=1，xF=0.20 xD=0.30 80=3.02024/7/18y1xFx1yw（2）该层塔板的液相默弗里板效）该层塔板的液相默弗里板效EmLq=1，xF=0.20 xD=0.30 xW=0.0859=3.02024/7/18y1xFx1yw2024/7/18例例4某某连连续续操操作作精精馏馏塔塔如如图图所所示示，已已知知料料液液摩摩尔尔组组成成xF=0.2，料料液液以以饱饱和和液液体体状状态态直直接接加加入入塔塔釜釜，塔塔顶顶设设全全凝凝器器，全全塔塔共共两两块块理理论论板板（包包括括塔塔釜釜），塔塔顶顶摩摩尔尔采采出出率率D/F=1/3，回回流流比比R=1，泡泡点点回回流流，此此条条件件下下物物系系的的相相平平衡衡关关系系可可表表示示为为y=4x，试试计计算算xW=?xF=0.2D/F=1/3R=1y=4x饱和液体饱和液体2024/7/18y=4x2024/7/18九、几种特殊情况时理论板数的求法九、几种特殊情况时理论板数的求法1、多侧线的塔、多侧线的塔 例：例：在常压连续精馏塔中，分离乙醇水溶液，组成为xF1=0.6（易挥发组分摩尔分率，下同）及xF2=0.2的两股原料液分别被送到不同的塔板进入塔内，两股原料液的流量之比F1/F2=0.5，均为饱和液体进料。操作回流比R=2，若要求馏出流组成xD为0.8，釜残液组成xW为0.02，试求理论板层数及两股原料液的进料板位置。应用场合：应用场合：多股进料或多股出料2024/7/18分析：分析：求理论板层数图解法操作线两股进料三段？解：解：组成为xF1的原料液从塔较上部位的某加料板进入，该加料板以上塔段的操作线方程式与无侧线塔的精馏段操作线方程相同。2024/7/18两股进料板之间塔段的操作线方程，可按虚线范围内作物料衡算求得：总物料：易挥发组分：两股进料之间塔段的操作线方程2024/7/18因进料为饱和液体 D如何求？全塔物料衡算总物料：易挥发组分：设 2024/7/18对原料液组成为xF2的下一股进料，其加料板以下塔段的操作线方程与无侧线塔的提馏段操作线方程相同 2024/7/18各段操作线交点的轨迹方程分别为：2024/7/18理论板层数为9自塔顶往下的第5层为原料F1的加料板自塔顶往下的第8层为原料F2的加料板2024/7/18总结：总结：塔段数（或操作线数）=塔的进出料数-1各段内上升蒸汽摩尔流量及下降液体摩尔流量分 别各自相同各段操作线首尾相接精馏段及提馏段操作线方程的形式与简单精馏塔 相同中间段的操作线方程应通过各段的物料衡算求得2024/7/182、直接蒸汽加热、直接蒸汽加热 应用场合：应用场合：待分离的混合液为水溶液，且水为难挥发组分操作线：操作线：精馏段：与普通精馏塔相同提馏段：物料衡算2024/7/18（恒摩尔流动）直接加热时提馏段操作线方程直接加热时提馏段操作线方程总物料 易挥发组分：2024/7/18由操作线方程知：提馏段操作线通过横轴上的x=xw的点（xw,0）,不是c（xw,xw）2024/7/18例例：在常压连续精馏中，分离甲醇水混合液，原料液组成为0.3，（甲醇摩尔分率，下同）冷液进料（q=1.2），馏出液组成为0.9，甲醇回收率为90%，回流比为2.0，试分别写出以下两种加热方式时的操作线方程。1)间接蒸汽加热2)直接蒸汽加热。解：解：1)间接蒸汽加热时操作线方程 精馏段操作线方程为：2024/7/18提馏段操作线方程为：对易挥发组分 2024/7/182024/7/182)直接蒸汽加热时操作线方程精馏段操作线方程与1）同提馏段操作线方程为：加热蒸汽流量：2024/7/182024/7/18讨论：讨论：当 相同时，两种加热方式比较间接蒸汽加热直接蒸汽加热 W W NT NT=直接蒸汽加热所需理论板数比间接蒸汽加热的多，因为直接蒸汽的稀释作用，故需增多理论板数来回收易挥发组分。2024/7/183、提馏塔提馏塔（回收塔）（回收塔）应用场合：应用场合：蒸馏的目的只是为了回收稀溶液中的易挥发组分，而对馏出液的浓度不做过多的要求。D、xDFxFWxW2024/7/18操作线：操作线：与完全精馏塔的提馏段操作线方程相同提馏塔操作线方程 当为泡点进料时，通过点a（x=xF，y=xD），点b（x=xW，y=xW），斜率为F/D。2024/7/18xDxFxWbaexD,max2024/7/18xWb 当为冷液进料，可与完全的精馏塔一样先做出q线，q线与y=xD的交点为操作线上端。xFqxD2024/7/18例例：在常压连续提馏塔中，分离两组分理想溶液。该物系平均相对挥发度为2.0，原料液流量为100kmol/h，进料热状态参数q为0.8，流出液流量为60kmol/h。釜残液组成为0.01（易挥发组分摩尔分率）试求：1)操作线方程2)由塔内最下一层理论板下流的液相组成 解：解：1）操作线方程2024/7/182）塔内最下一层理论板下降的液相组成 再沸器相当于一层理论板 2024/7/18与 呈操作关系 2024/7/18