精馏典型例题题解.pptx

总压、温度对相平衡的影响蒸馏的压强增高，泡点升高，相对挥发度减小，分离困难。对于理想溶液总之，蒸馏宜选用较低的操作压强，较低的操作温度（汽相、液相共存温度），有利于组分之间的分离。第1页/共77页例：平衡蒸馏与简单蒸馏的比较将含苯为 0.7（摩尔分数，下同），甲苯 0.3 的溶液加热汽化，汽化率为 1/3。已知物系的相对挥发度为 2.47，试计算：（1）作平衡蒸馏时，汽相与液相产物的组成；（2）作简单蒸馏时，汽相产物的平均组成及残液组成。解：（1）平衡蒸馏解得：y=0.816;x=0.642第2页/共77页（2）简单蒸馏解得：x2=0.633（1）平衡蒸馏解得：y=0.816;x=0.642原因是：简单蒸馏始终在最低（泡点）的温度下操作，相对挥发度比较大，即在较低的温度下，重组分不易挥发，故所汽化的组分中轻组分浓度大。第3页/共77页例1:某连续精馏塔，泡点进料，已知操作线方程如下：精馏段(rectifying section)：提馏段(stripping section)：试求：原料液组成、馏出液组成、釜液组成、回流比。解：或交点的横坐标 x=xD=0.86因为是泡点进料交点的横坐标 x=xF=0.38交点的横坐标 x=xw=0.06或 解得 xw=0.06第4页/共77页例2：双组分混合液，在一连续精馏塔中进行分离，已知料液泡点ts=367k xF=0.45 xD=0.96 xw=0.05 R=1.50 L/V=1.50 ，料液平均比热 Cp=158kJ/(kmol.k)，平均汽化潜热 r=30400kJ/kmol求：料液进塔时的温度 tF解:解得 q=1.02解得 tF=363k第5页/共77页例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（FT)的操作线方程。1#2#1段2段3段1段2段第6页/共77页解：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段第7页/共77页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段第8页/共77页1#塔虚线所围范围易挥发组分物料衡算：FT段操作线方程：数值代入，得：1#2#1段2段3段1段2段第9页/共77页2#的1段：或1#2#1段2段3段1段2段第10页/共77页例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第11页/共77页 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：第12页/共77页结论：冷回流时精馏段的操作线方程形式不变。第13页/共77页例：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第14页/共77页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xf F、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。第15页/共77页例：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=2.5，要求塔顶产品浓度xD=0.8，塔顶易挥发组分的回收率=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线方程平衡线方程第16页/共77页例：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）式第17页/共77页解得：（2）解交点坐标(xe,ye)第18页/共77页第19页/共77页例：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50oC。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 95.2oC,定性温度下，原料液的 Cp=39kcal/(kmol.oC),r=8800kcal/kmol )解：第20页/共77页第21页/共77页第22页/共77页例：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=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 .第23页/共77页解:物料衡算：解得：第24页/共77页两股进料均为泡点，应根据 哪股加料求 Rmin？可能情况之一: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Rmin第25页/共77页可能情况之二：根据S股：先根据S确定Rmin如果第2段的操作线到e2点时，如图所示，则应该按照S进料求Rmin第26页/共77页可能情况之三：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 。先根据S确定Rmin如果第2段的操作线到e2点时，出现了如图所示的情况，则不能按照S进料求Rmin第27页/共77页此时应根据第3段操作线的斜率,上推到第2段，再上推到第1段确定Rmin 。第28页/共77页如果考虑不周全，仅根据S股进料，得出Rmin=1.21的错误结论。第29页/共77页例某二组分混合物用连续精馏分离，进料的摩尔分数为0.5，泡点进料。系统的相对挥发度为2，塔顶出料量是进料的60%（摩尔比）。如果所用精馏塔的理论板数为无穷多，试分析并计算：（1）R=0.8时，塔顶和塔底的组成各为多少？（2）R=1.5时，塔顶和塔底的组成各为多少？并绘出操作线示意图。解：所用精馏塔的理论板数为无穷多，操作线与平衡线可以出现交点，在三处有可能出现：（1）在进料处操作线与平衡线的夹点e，（2）xD=1.0处，（3）xw=0处。物料平衡对于精馏分离极限的制约第30页/共77页（1）R=0.8 先设在进料处出现挟点，则R=0.8为Rmin通过物料衡算计算xw，并判断是否合理。故假设在进料处出现夹点合理。第31页/共77页（2）R=1.5时，仍然假设在进料处出现挟点，通过物料衡算计算xw，并判断是否合理。故假设在进料处出现夹点不合理，至大只能是xw=0。设在xw=0处出现交点，物料衡算计算xD故，合理。第32页/共77页 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。第33页/共77页为什么 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？第34页/共77页（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。第35页/共77页如果是饱和水蒸气，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。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）第36页/共77页全塔物料衡算塔釜间接加热时的物料衡算水蒸气直接加热精馏的物料衡算第37页/共77页分析直接蒸汽加热提馏段方程式的特点：过点（xw,0）第38页/共77页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第39页/共77页第一种情况：F、xf、q、R、xD、xW 相同，比较热能消耗、轻组分的回收率和N直接间接第40页/共77页第二种情况：F、xf、q、R、xD 相同，要求轻组分的回收率相同，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，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没有变化，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。直接间接第41页/共77页例：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，泡点进料。要求馏出液中含甲醇0.95，釜液含甲醇0.05。塔釜用饱和水蒸气直接加热。回流比为1.8。甲醇水溶液在操作条件下的汽、液相平衡数据见表。图解法确定理论塔板数。是饱和水蒸气，q=0,水蒸气的流率为S解：第42页/共77页对q0或q1 的情况应具体计算。多股加料的精馏当回流比R变化时，各段操作线的斜率均发生变化。挟点位置有多种可能。第43页/共77页若液相侧线，则引出下降的液相物。侧线出料的精馏挟点一般出现在q线与平衡线的交点处。若汽相侧线，则引出上升的汽相物。第44页/共77页只有精馏段的塔塔釜即为理论进料板若饱和蒸汽进料：q=0精馏段操作线方程q线方程第45页/共77页只有提馏段的塔-提馏塔（回收塔）馏出液浓度要求不高，目的是回收轻组分。如果是泡点进料 q=1若一般进料：第46页/共77页冷液进料泡点进料首先规定xw ，则操作线的下端点确定。确定理论塔板数：如果是泡点进料 q=1第47页/共77页q线位置已定,使得精馏段操作线、提馏段操作线均向对角线靠近，与平衡线的距离增加。R值增加，使传质推动力(ye-y)增加，达到原分离要求时所需的 NT 减少。但是塔中的塔板数已定（比所需的 NT 数值大），这说明塔的分离能力提高了，所以分离效果会更好。m 指精馏段塔板数。1、回流比R对于精馏结果的影响第48页/共77页2、塔顶产品采出率D/F的合理规定-物料衡算的约束若塔的分离能力很大，达到（1）若规定的 D/F 值太小，出现：显然，实际上至大只可能出现xD=1.0。当xD=1.0，则相应 xw0，则未充分发挥好塔的分离能力。（2）若规定的 D/F 过大：显然 xD 小，未充分发挥好塔的分离能力。合理的 D/F 值应该是：若塔的分离能力充足，可以获得最好的分离效果，即同时出现：xD=1;xw=0 则充分发挥了塔的分离能力。如果塔的分离能力很大，例如塔板数无限多，能否充分发挥塔的分离能力，与生产中人为规定的塔顶产品采出率D/F有着直接的关系。第49页/共77页可以利用物料衡算做近似分析：进料位置不变，提馏段的塔板数不变。可见xW减小了，同时xD也降低了。D、W、xW均变化后，仅根据物料衡算不容易确定xD的变化趋势。只能根据作图法显示出。m 指精馏段塔板数，m、n已定。3、塔顶产品采出率D/F对于精馏结果的影响第50页/共77页xF 减小，在精馏段达到原 xD 所需的理论板数增加，而精馏段板数已固定。则xD 减小；xF 减小，在提馏段达到原 xw 所需的理论板数减少，而提馏段板数已固定。则xw减小。4、进料组成xf变化对于精馏结果的影响如果做设计，xf减小时，进料板位置相应下降。但是，现在的操作中，xf减小了，没有改变进料位置，所以，现在的操作中不是最适宜的进料位置。第51页/共77页例1 如图，精馏塔具有一块实际板及一只蒸馏釜，原料预热至泡点，由塔顶连续加入，xF=0.20（摩尔分率，下同），测得塔顶产品能回收原料液中易挥发组分的80%，且xD=0.28,系统的相对挥发度=2.5 ，试求残液组成xw及该塔板的板效率。蒸馏釜可视为一块理论板。解：得：第52页/共77页y*是与x成平衡的浓度,故需求x ,列出操作线方程。泡点进料：第53页/共77页第54页/共77页例2：某精馏塔共有3块理论板，xF=0.002,预热至饱和蒸汽连续送入精馏塔的塔釜，R=4.0，物系的平衡关系为:y=6.4x,求：xD ,xw 解：需要建立2个关系式第55页/共77页饱和蒸汽进料：q=0 物料衡算：第56页/共77页例3：某双组分混合液在连续精馏塔中进行分离，泡点进料，泡点回流，xF=0.50,xw=0.10,=4 ,NT=4(包括釜），料液自第二层板（自上数起）加入，提馏段下降液体摩尔流率是塔底产品流率的2倍。试求：1、第三层理论板上升蒸汽的组成；2、若改为全回流，塔底仍连续出料，此时塔顶汽相、塔底溶液的组成各为多少？解：1、因 xw 已知，应考虑自塔底向上推算，需要写出提馏段操作线方程第57页/共77页2、全回流 D=0 F=W xw=xF=0.50 说明了第2、第3、第4块理论板上无传质的推动力，这样的板数无论有多少块只等价于一块理论板。全回流第58页/共77页例4：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，而是偏下了几块板。若 F xF q R V 均同设计值，试分析 L V L D W xD xw 的变化趋势（同原设计时相比）。F xF q R V N 不变，xD xw 的分析：避免错觉：加料板下移，使 N1 增大，N2 减小，单从二段的分离能力看，似乎应有 xD 增大，xw 增大。但这个结论不符合物料衡算式。原设计实际解：实际上是未在适宜的位置进料，塔内出现物料的返混，达到预定分离要求所需的理论板数增多。第59页/共77页事实是未在合理的位置进料，达到预定分离要求所需的理论板数增多。第60页/共77页进料位置下移，使得达到原分离要求所需的理论塔板数比在最佳位置进料所需的理论塔板数增多。塔内实际板数已固定，即实际板数（分离能力）小于达到原分离要求所需的理论塔板数，必将出现：说明：进料位置下移，尽管精馏段理论板数 N1 增大，但是 xD 还是减小了，原因分析：在最佳进料位置时，每一块板均发挥了最佳分离能力，而当偏离最佳位置时（其他条件不变，如本题加料位置偏低，原本在提馏段的板变成精馏段的板），人为的造成浓度混乱了，这数块塔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。第61页/共77页例5：一操作中的精馏塔，保持 F xF q V 不变，增大回流比R,则 L V L D W xD xw 变化趋势如何？解：D减小。进料线不变，R增大，精馏段操作线将与平衡线距离增大，即达到原 xD 所需的理论塔板数减少，而 N1 已定，则精馏段的分离能力过剩，故将使得 xD 增大。V不变。W增大。L增大。L 增大。分析 xD xw 的变化：第62页/共77页例6：一精馏塔，冷液进料。由于某种原因 F增加，但 xF q R V 仍不变，试分析 L V L D W xD xw 的变化趋势。解：V减小。W增大。q 线不变，L/V 不变，L/V 增大，设 xD 不变，作出新工况下的二操作线，可知所需 N 减少，而 Np 已定，将有 xD 增大。假设 xD 不变时的情况xD 增加时的新工况D减小。L增大。L减小。原因是塔内温度会降低。第63页/共77页例7：一正在运行中的精馏塔，因某种原因，致使进料的热焓量降低，q 值增大，若 F xF R D 保持不变，则 L V L V W xD xw 将如何变化？解：1、L V 不变W 不变L增大V 增大2、L/V L/V 分析不变提馏段中，由于 q线向右移，使得两段操作线的交点向着与平衡线距离增大的方向移动，使得达到原塔底组成所需的塔板数减少，而 N2已定，则表明了提馏段分离能力过剩，并上面已表明，提馏段操作线斜率减小，故xw减小，依物料衡算，必有xD 增大。从本质上说，需要的总能量一定，Qf减小了，QB增加了，能量使用方式更合理了。第64页/共77页板式塔塔径的设计计算根据气相的体积流量和流速计算Cf-气相负荷因子。首先根据Smith泛点关联图查Cf20 应用注意Smith泛点关联图应用的条件。注意圆整两相流动参数第65页/共77页气体通过塔板的阻力损失hd-气体通过干板的阻力损失，m液柱；hl -气体穿过板上液层的阻力损失，m液柱。第66页/共77页降液管内泡沫层的平均密度。以塔板平面为基准面，Hd 的表达式-影响Hd的各因素第67页/共77页板式塔的不正常操作现象：1、夹带液泛2、溢流液泛降液管是沟通相邻两塔板空间的液体通道。其两端的压差即为板压降。液体自低压空间流向高压空间。Hd数值变化可以有一定的范围。自衡作用达到极限，转变为恶性循环的状态。液泛的临界条件是：Hd=(H HT T+h hw w)操作正常条件是：Hd(H HT T+h hw w)降液管阻力太大时，如：液体流量大；降液管截面积太小；降液管底隙受堵。第68页/共77页3、漏液 当气速较小时，部分液体会从塔板的筛孔（或浮阀孔等）直接落下，称为漏液。干板阻力设计值合理，较为大时，板压降 hf（反映自下向上的压差）高于液面波峰处当量清液层高度（产生自上向下的压力），各个孔均有上升气体，塔板不会漏液。气体穿过塔板的阻力：干板阻力 、液层阻力为减少倾向性漏液，设计入口安定区。设计时，使得：气速是决定塔板是否漏液的主要因素。设计时，要合理地取定气速。气速是否均匀取决于造成流动阻力的结构是否均匀。流动阻力均匀则气速均匀。第69页/共77页塔板的负荷性能图汽体上限线 1受液沫夹带量的限制，塔板开孔率较大时，汽体上限的值可以较大。汽体下限线 2受漏液量的限制，塔板开孔率较大时，汽体下限的值则要大。降液管液泛线 3受液相量、汽相量、降液管横截面积、板间距等的限制。液体下限线 4受堰上最小清液层厚度的限制。液体上限线 5受 降液管内液体停留时间、降液管液泛的限制。第70页/共77页1 1、（汽体上限线）过量液沫夹带线由液沫夹带量e eG G=0.1kg=0.1kg液沫/kg/kg干气确定。2、（汽体下限线）漏液线由发生漏液时的干板压降计算。3 3、（溢流）液泛线由Hd=(H HT T+h hw w)确定。4、液体流量下限线由how=6mm 确定。5、液体流量上限线由液体在降液管内的停留时间=3=3 5s5s计算。第71页/共77页三种主要塔板在三种主要塔板在5 5 5 5种性能方面的比较种性能方面的比较:1.生产能力：筛板 浮阀 泡罩；2.压降：泡罩 浮阀 筛板；3.操作弹性：浮阀 泡罩 筛板；4.造价：泡罩 浮阀 筛板；5.板效率：浮阀、筛板相当 泡罩。第72页/共77页正系统：液滴或液膜稳定性皆好，宜采用泡沫接触状态；（希望液膜稳定）。负系统：液滴或液膜稳定性皆差，宜采用喷射接触状态。（希望液滴不稳定）。（2）设置倾斜的进气装置，使全部或部分气流斜向进入液层。作用：给液体部分动量；使液体流动均匀；使液沫夹带量有所减少。x 表示重组分的摩尔分数，正系统。液体自上而下流动中2、合理的汽液相操作参数提高塔板效率的措施1、优化塔板结构参数有两点值得特别指出：（1）合理选择塔板的开孔率和孔径（决定着气速）造成适应于物系性质的气液接触状态；第73页/共77页气液传质设备思考题1、气体通过塔板的阻力可视作是_的阻力与_的阻力之和。2、同一塔板上液体流量愈大，则液面落差愈_（大，小），而塔板上各处气体的压力降愈_（均匀，不均匀）。3、只要塔板间距足够高，就可以消除雾沫夹带，_错_（对，错），但不能一定避免降液管液泛_错_。（对，错）4、板式塔塔板上汽液两相接触状态有三种：_。5、板式塔中液面落差表示_。塔设计时，降液管中液体停留时间需要大于_5_秒，平直堰上液层高度需要大于_6_mm。6、为了使通过填料层的压降小，应选用_大的填料。7、板式塔塔板上造成液面落差的主要原因_液体流过塔板时的能量损失_。为减小液面落差可采用_的办法。第74页/共77页8、塔板设计时，改变结构参数则造成如下结果（对，错）：（1）板间距降低，使液沫夹带线上移；（错）（2）板间距降低，使液泛线上移；（错）（3）塔径增大，使液泛线下移；（错）（4）降液管面积减小，使液相上限线左移；（对）（5）降液管面积减小，使液相下限线右移；（对）9、板式塔从总体上看，汽、液两相呈_（逆流、并流、错 流），在塔板上汽液两相呈_接触。10、板式塔不正常操作现象通常有_夹带液泛_、溢流液泛_漏液_。11、判断下列命题是否正确；（1）上升气速过大会使板效率下降。（对）（2）上升气速过大会引起液泛。（对）第75页/共77页（3）上升气速过大会造成过量的液沫夹带。（对）（4）上升气速过大会造成过量的气泡夹带。（错）（5）上升气速过大会引起漏液。（错）12、气液两相在填料塔内逆流接触时，_是气液两相的主要传质面积。13、填料塔是连续接触式气液传质设备，塔内_液体_为分散相，_气体_为连续相，为保证操作过程中两相的良好接触，故填料吸收塔顶部要有良好的_装置。14、当填料塔操作气速达到泛点气速时，_液体_充满了全塔的空隙，此现象称为_，此情况下，_急剧升高。第76页/共77页感谢您的观看！第77页/共77页