(精品)蒸馏第四节.ppt
第四节 精馏过程的数学描述双组分连续精馏塔计算 一、全塔物料衡算一、全塔物料衡算-指塔顶产物，塔底产物和料液指塔顶产物，塔底产物和料液之之间的关系间的关系F,xFD,xDW,xW连续定态操作，连续定态操作，输入量输入量=输出量输出量F=D+W 塔顶回收率塔顶回收率=塔底回收率塔底回收率=二、精馏过程基本假定二、精馏过程基本假定1理论板概念理论板概念塔板上传质过程的简化塔板上传质过程的简化指离开的蒸汽和液体成平衡的塔板。指离开的蒸汽和液体成平衡的塔板。理论板是衡量实际塔板分离效果的最高标准。理论板是衡量实际塔板分离效果的最高标准。2恒摩尔流假定恒摩尔流假定-塔板上热量衡算方程的简化塔板上热量衡算方程的简化设设（1）各组分摩尔汽化潜热相同；）各组分摩尔汽化潜热相同；（2）忽略相邻板间的温度差异；）忽略相邻板间的温度差异；（3）忽略塔的热损失。）忽略塔的热损失。结结论论：精精馏馏塔塔内内，除除加加料料板板或或出出料料板板外外，各各段段内内上升蒸汽和下降液量各自相等上升蒸汽和下降液量各自相等.即精馏段内即精馏段内：提馏段内：提馏段内：三、精馏塔的数学描述三、精馏塔的数学描述 1精馏段操作精馏段操作-探索板间空间探索板间空间x，y的关系的关系 L,xnV,yn+112nVD,xDL物料衡算物料衡算V=L+D 解得解得令回流比令回流比 R=L/D 则则在在x-y 相图上，精馏段操作线是一条直线相图上，精馏段操作线是一条直线,过（过（xD,xD）点，点，斜率为斜率为 截距为截距为前提是分离系统前提是分离系统符合恒摩尔流假定符合恒摩尔流假定。回流比讨论回流比讨论：（1）增加或减少增加或减少R，并不意味产品流量的变化；并不意味产品流量的变化；（2）增增加加R，将将会会增增加加冷冷凝凝器器和和再再沸沸釜釜的的热热负负荷荷，增加蒸汽流量，增大塔径。增加蒸汽流量，增大塔径。（3）增增加加R，将将使使传传质质推推动动力力增增大大，分分离离效效率率提提高高，减少塔板数，降低塔的高度。减少塔板数，降低塔的高度。2提馏段操作线提馏段操作线物料衡算物料衡算 解得解得 在在x-y相图上，相图上，提馏段操作线是一条直线，提馏段操作线是一条直线，过（过（xw，xw）点，点，斜率为斜率为 W,xWL,xmV,ym+1m+1LV四、精馏过程的数学解四、精馏过程的数学解理论塔板数的确定理论塔板数的确定前提：前提：1）由全塔物料衡算确定）由全塔物料衡算确定F，D，W，xw；2）已知操作压力已知操作压力确定相平衡关系；确定相平衡关系；3）已知回流比和进料热状态）已知回流比和进料热状态确定操作线确定操作线方法：交替使用相平衡关系和操作线方程。方法：交替使用相平衡关系和操作线方程。1逐板计算法逐板计算法 D,xD123y1F,xFy1y2y3x1x2x3n123yny2y3x1x2x3m-1L,xm-1V,yWW,xW(1)精馏段计算精馏段计算若在塔顶设一全冷凝器，且在泡点下回流，由塔顶开若在塔顶设一全冷凝器，且在泡点下回流，由塔顶开始往下计算：始往下计算：表示第表示第n板为加料板，精馏段需板为加料板，精馏段需n-1块板。块板。(2)提馏段计算提馏段计算从加料板开始从加料板开始提馏段需提馏段需m-1块塔板（再沸釜部分汽化，算一块塔板）。块塔板（再沸釜部分汽化，算一块塔板）。注意：每使用一次平衡关系，表示需一块理论板。注意：每使用一次平衡关系，表示需一块理论板。2直角梯级图解法（直角梯级图解法（McCabe-ThieleMethod）前提前提恒摩尔流假定恒摩尔流假定方法方法同逐板计算法，交替使用相平衡关系和操作线同逐板计算法，交替使用相平衡关系和操作线方程。方程。（1）在相图上作平衡线，并划出对角线；在相图上作平衡线，并划出对角线；（2）作精馏段操作线；作精馏段操作线；（3）作提馏段操作线；作提馏段操作线；xDxWxFXD/(R+1)aeddqq12345768（4）从点从点a（xD,xD）开始在精馏线与平衡线间划直角开始在精馏线与平衡线间划直角梯级，并在点梯级，并在点d 处改为在提馏线与平衡线间划直角处改为在提馏线与平衡线间划直角梯级，直到跨过（梯级，直到跨过（xw,xw）点。点。每一个直角梯级代表一块塔板。每一个直角梯级代表一块塔板。适宜进料板位置适宜进料板位置在更换操作线处。在更换操作线处。五、进料热状态对精馏过程的影响五、进料热状态对精馏过程的影响进料热状态不同，使进料板上方与下方的汽、液量关进料热状态不同，使进料板上方与下方的汽、液量关系发生变化，是提馏段操作线位置发生变化的原因。系发生变化，是提馏段操作线位置发生变化的原因。1.定性分析定性分析 LLVV（冷进料）（冷进料）FLVV L（泡点进料）（泡点进料）FL V LV(汽液混合进料汽液混合进料)FLLVVFLLV V（露点进料）（露点进料）（过热蒸汽进料）（过热蒸汽进料）2.定量分析定量分析 加料板加料板FF,hFL,hF-1V,HFL,hFV,HF+1对进料板作物料衡算和热量衡算，可得：对进料板作物料衡算和热量衡算，可得：令令 q 称为进料热状态；其物理意义称为进料热状态；其物理意义料液中液体所料液中液体所占的分率。占的分率。冷进冷进料料泡点泡点进料进料汽液混汽液混和进料和进料露点露点进料进料过热过热蒸汽蒸汽进料进料q 1q=10 q 1q=0q 03进料方程（进料方程（q 线方程）线方程）目的：求精馏线与提馏线的交点。目的：求精馏线与提馏线的交点。略去下标，整理略去下标，整理由两操作线方程开始：由两操作线方程开始：联解联解进料线方程是一条直线，过点（进料线方程是一条直线，过点（），），斜率为斜率为其在其在y轴上的截距为轴上的截距为在在x轴上的截距为轴上的截距为4.进料热状态对进料热状态对q 线的影响线的影响xFq=1q11.q0q=0q05.进料热状态对精馏过程的影响进料热状态对精馏过程的影响推推动动力力：冷冷料料 泡泡点点进进料料 汽汽液液混混和和进进料料 露露点点进进料料 过热蒸汽进料过热蒸汽进料理理论论板板数数：冷冷料料 泡泡点点进进料料 汽汽液液混混和和进进料料 露露点点进进料料 过热蒸汽进料过热蒸汽进料适宜进料板位置适宜进料板位置：冷料最高，过热蒸汽最低：冷料最高，过热蒸汽最低六、回流比的影响与选择六、回流比的影响与选择1.回流比与传质推动力回流比与传质推动力当当R增大，精馏线斜率增大，精馏线斜率亦亦增增大大，表表示示精精馏馏线线向向对对角角线线靠靠近近，而而远远离离平平衡衡线线，推动力增大。推动力增大。有利点有利点理论板数减少，降低设备成本；理论板数减少，降低设备成本；不利点不利点增加能耗。增加能耗。回流比有二个极限：回流比有二个极限：1）全回流，）全回流，2）最小回流比）最小回流比yxFxq线2全回流（全回流（）与最少理论板数（）与最少理论板数（）在全回流时，在全回流时，D=0，同时同时F=0，W=0，精馏线斜率等于精馏线斜率等于1，与对角线重合，无精馏线与提馏线之分。其特点：，与对角线重合，无精馏线与提馏线之分。其特点：1）两板空间汽液组成相同，）两板空间汽液组成相同，2）要达到预定的分离目的，需理论板数最少。）要达到预定的分离目的，需理论板数最少。yxWxDx图.全回流时的理论塔板数全回流应用：不是生产上的正常情况，但可应用于全回流应用：不是生产上的正常情况，但可应用于1）开工或调试等非定态情况，使塔内快速达到平衡；）开工或调试等非定态情况，使塔内快速达到平衡；2）测定板效率）测定板效率3最小回流比最小回流比yqdaxqxFxD减少回流比，两操作线交点沿进料线向平衡线靠近，减少回流比，两操作线交点沿进料线向平衡线靠近，若与平衡线相交时的回流比称为最小回流比。此时所若与平衡线相交时的回流比称为最小回流比。此时所需理论板数为无穷多。需理论板数为无穷多。求最小回流比：求最小回流比：(1)由夹紧点由夹紧点d的坐标（的坐标（xq,xq），），求精馏线斜率求精馏线斜率(2)解析法：解析法：对理想溶液对理想溶液泡点进料时泡点进料时，露点进料时，露点进料时，（3）若平衡线形状有上凸或下凹时，可由切点的）若平衡线形状有上凸或下凹时，可由切点的坐标（坐标（xq,xq）求求RmindgxWxFxDaq线bxWxFxDdgabq线（4）适宜回流比）适宜回流比RminR费费用用1231设设备备费费用用,2操操作作费费用用,3总费用总费用七、理论板数的简捷算法七、理论板数的简捷算法-适用于初步设计估算适用于初步设计估算方法：方法：1）理想溶液，全回流下，逐板计算法求）理想溶液，全回流下，逐板计算法求NminFenske公式公式2）实际回流比）实际回流比R，Rmin，Nmin求求NGilliland图图1Fenske公式推导公式推导xDy1y2y3y1123nynyWx1x2x3xWxn对理想溶液，平衡关系对理想溶液，平衡关系：全回流下，操作线方程全回流下，操作线方程：由塔顶往下逐板计算：由塔顶往下逐板计算：第第N+1块板是再沸釜，故块板是再沸釜，故令令 或或 图右端为全回流，图左端为最小回流比，2Gilliland图 1.00.10.010.010.11.0
