精馏操作型计算.pptx

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1、会计学1精馏精馏 操作操作(cozu)型计算型计算第一页，共119页。2023/2/8D,xDW,xWF,xF6.3 二元连续精馏二元连续精馏(jn li)的分析与计算的分析与计算计算项目：计算项目：塔塔 顶顶（或或 塔塔 底底）产产 量量(chnling)(chnling)和浓度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 塔径塔径第1页/共119页第二页，共119页。2023/2/8D,xDW,xWF,xF-若组分若组分A、B的汽化的汽化(qhu)潜热接近，则潜热接近，则NA=NB第2页/共119页第三页，共119页。2023/2/8理论板理论

2、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。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；）各组分的摩尔汽化潜热相等；（2）气液接触时因温度不同）气液接触时因温度不同(b tn)而交换的显热可以忽略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。）塔设备保温良好，热损失可以忽略。第3页/共119页第四页，共119页。2023/2/8恒摩尔恒摩尔(m r)溢流溢流 恒摩尔恒摩尔(m r)汽化汽化第4页/共119页第五页，共119页。2023/2/8D,xDW,xWF,x

3、F1、全塔物料、全塔物料(w lio)衡算衡算二、物料二、物料(w lio)衡算和操作线衡算和操作线第5页/共119页第六页，共119页。2023/2/8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(qudng)，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(qudng)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第6页/共119页第七页，共119页。2023/2/8n n例例 每小时将每小时将15000kg含苯含苯40%（质量（质量%，下同）和甲苯，下同）和甲苯60%的溶液的溶液(rngy)，在连续

4、，在连续精馏塔中进行分离，要求釜残精馏塔中进行分离，要求釜残液中含苯不高于液中含苯不高于2%，塔顶馏，塔顶馏出液中苯的回收率为出液中苯的回收率为97.1%。试求馏出液和釜残液的流量及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组成，以摩尔流量和摩尔分率表示。表示。第7页/共119页第八页，共119页。2023/2/8解：苯的分子量为78；甲苯(jibn)的分子量为92。进料组成：釜残液组成(zchn)：原料(yunlio)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）第8页/共119页第九页，共119页。2023/2/8D,xDW,

5、xWF,xFn1第9页/共119页第十页，共119页。2023/2/8nxn 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）之间的关系间的关系(gun x)，即任一塔截，即任一塔截面汽、液两相组成之间的关系面汽、液两相组成之间的关系(gun x)。第10页/共119页第十一页，共119页。2023/2/8 操作线斜率大，意味操作线斜率大，意味着经过一块理论板后，着经过一块理论板后，汽相的增浓程度变大，汽相的增浓程度变大，液相的减浓程度变大。液相的减浓程度变大。故

6、操作线斜率大对精馏故操作线斜率大对精馏段的分离段的分离(fnl)是有利是有利的的。汽相汽相增浓增浓程度程度液相减浓液相减浓浓浓(nn nn)程度程度思考：操作思考：操作(cozu)线斜率大，对精馏是否有利？线斜率大，对精馏是否有利？第11页/共119页第十二页，共119页。2023/2/83提馏段操作提馏段操作(cozu)线方程线方程第12页/共119页第十三页，共119页。2023/2/8斜率斜率(xil)(xil)小，小，提馏段内塔板的提馏段内塔板的分离能力高。分离能力高。第13页/共119页第十四页，共119页。2023/2/8三、进料热状况的影响三、进料热状况的影响(yngxing)(

7、yngxing)及加料线及加料线方程方程 第14页/共119页第十五页，共119页。2023/2/8对加料板作总物料对加料板作总物料(w lio)衡算和热量衡算：衡算和热量衡算：第15页/共119页第十六页，共119页。2023/2/8第16页/共119页第十七页，共119页。2023/2/8第17页/共119页第十八页，共119页。2023/2/8思考题思考题n n1、已知原料(yunlio)为气液混合进料，气液量之比为3：4，则q=()n n2、已知q=1.1,则加料中液体量与总加料量之比为（）n nA、1.1:1 B 1:1.1 C 1:1 D 0.1:1第18页/共119页第十九页，共

8、119页。2023/2/8q线线方方程程(fngchng)第19页/共119页第二十页，共119页。2023/2/8-q线线 方方 程程(fngchng)第20页/共119页第二十一页，共119页。2023/2/8 图示：图示：（1）精馏）精馏(jn li)段操作线段操作线（2）q线（3）提馏段操作(cozu)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三线的特点是都必通过(tnggu)对角线一点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：注意：第21页/共119页第二十二页，共119页。2023/

9、2/8 可见：可见：q 的值不影响精馏的值不影响精馏(jn li)段操作线，但对提馏段操作线有影响。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(cozu)线的影响精馏段操作(cozu)线方程:提馏段操作线方程:q线方程：第22页/共119页第二十三页，共119页。2023/2/8不同进料热状态时的不同进料热状态时的q线和对提馏段操作线和对提馏段操作(cozu)线的影响线的影响说明：说明：q，提馏段操作，提馏段操作(cozu)线斜率增大。线斜率增大。提馏段操作提馏段操作(cozu)线方程经变换，与线方程经变换，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

10、殊值：饱和饱和(boh)液体进料：液体进料：q=1 饱和饱和(boh)蒸汽进料：蒸汽进料：q=0q=1q10q1q=0q10q1q=0q0zFxDxW第61页/共119页第六十二页，共119页。2023/2/8若F，xf，xD，xw，QR给定(i dn)，试问qNT？若再沸器面积已选定，即QR给定(i dn)，问题为：思考(sko)第62页/共119页第六十三页，共119页。2023/2/8，同样以全塔热量同样以全塔热量(rling)衡算来分析：衡算来分析：QR一定(ydng)，则提馏线斜率(xil)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，

11、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，使所产生的汽相回流能综上分析，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，使所产生的液体回流能经过全塔发挥在全塔中发挥作用，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。最大的效能。第63页/共119页第六十四页，共119页。2023/2/8n n有的同学可能会问：照此讲，工厂中精馏塔进料只有的同学可能会问：照此讲，工厂中精馏塔进料只有冷液进料了。不存在

12、其它进料情况了？有冷液进料了。不存在其它进料情况了？n n工业上有时工业上有时(y(y ush)ush)采用热态或冷态进料，其目的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，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。一般就以饱和蒸汽进塔，不必冷凝成液态再进塔。

13、n n换个角度，精馏操作型计算命题中：当换个角度，精馏操作型计算命题中：当NTNT，F F，xfxf，R R一定，一定，qxDqxD，xwxw，反之亦然。，反之亦然。第64页/共119页第六十五页，共119页。2023/2/8R、Rmin、NT和Nmin的关系可以(ky)用吉利兰(Gilliland)图表示。六、理论六、理论(lln)板数的捷算法板数的捷算法 第65页/共119页第六十六页，共119页。2023/2/8注意注意(zh y)：NT、Nmin均已均已包括釜。包括釜。曲线(qxin)可近似表示为：简捷法具体步骤是：（1）根据(gnj)精馏给定条件计算Rmin；（2）由Fenske方程

14、及给定条件计算Nmin。第66页/共119页第六十七页，共119页。2023/2/8（3）计算(jsun)（4）查得（5）计算(jsun)说明：简捷法主要说明：简捷法主要(zhyo)用于对理论塔板数的初用于对理论塔板数的初估。估。第67页/共119页第六十八页，共119页。2023/2/8七、实际七、实际七、实际七、实际(shj)(shj)塔板数、塔板效率塔板数、塔板效率塔板数、塔板效率塔板数、塔板效率 1、单板效率、单板效率(xio l)默弗里（默弗里（Murphree）效率）效率(xio l)气相单板效率 操作线平衡线ynyn-yn+1液相单板效率 第69页/共119页第七十页，共119页

15、。2023/2/82全塔效率全塔效率(xio l)E0 又又称称总总板板效效率率(xio l)，其其定定义义为：为：其值一定其值一定(ydng)小于小于1，多数在，多数在0.50.7之间。之间。D,xDW,xWF,xF第71页/共119页第七十二页，共119页。2023/2/8nxn-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(cnzi)着着各各种种不不利利的的操操作作现现象象，如如漏

16、漏液、雾沫夹带、液泛等。液、雾沫夹带、液泛等。思思考考：单单板板效效率率(xio l)Em与与全全塔塔效效率率(xio l)E0有有何关系？何关系？D,xDW,xWF,xF第72页/共119页第七十三页，共119页。2023/2/8八、精馏装置八、精馏装置八、精馏装置八、精馏装置(zhungzh)(zhungzh)的热量衡算的热量衡算的热量衡算的热量衡算 1、冷凝器的热量、冷凝器的热量(rling)衡算衡算 冷却(lngqu)介质用量第74页/共119页第七十五页，共119页。2023/2/82、再沸器的热负荷、再沸器的热负荷 进入再沸器的热量：进入再沸器的热量：加热蒸汽供给加热蒸汽供给(gn

17、gj)的热量的热量QB；回流液体带入的热量回流液体带入的热量LILm 离开再沸器的热量离开再沸器的热量：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 第75页/共119页第七十六页，共119页。2023/2/8若近似取 加热(jir)介质的消耗量若用饱和蒸汽加热(jir)，且冷凝液在饱和温度下排出，则加热(jir)蒸汽消耗量第76页/共119页第七十七页，共119页。2023/2/8习题课习题课D,xDW,xWF,xF公式公式(gngsh)：操操作作条条件件包包括括(boku)：进进料料状状况况（F、xF、q）、R 操作压力操作压力P、操作温度、操作温度T 冷凝器热负荷冷凝器热

18、负荷V、再沸器热负荷、再沸器热负荷V D、W。第77页/共119页第七十八页，共119页。2023/2/8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(hnh)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汽加热，相对挥发度蒸汽加热，相对挥发度=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

19、操作线方程。DxD=0.95W,xWFxF=0.45R=1.5Rmin=2.5第78页/共119页第七十九页，共119页。2023/2/8汽液摩尔汽液摩尔(m r)比为比为1:2DxD=0.95W,xWFxF=0.45R=1.5Rmin=2.5解：（解：（1）原料）原料(yunlio)中汽相和液相组成中汽相和液相组成设设原原料料(yunlio)中中汽汽相相组组成成为为ye，液液相相组组成成为为xe，则则第79页/共119页第八十页，共119页。2023/2/8（2）列出提馏段操作）列出提馏段操作(cozu)线方程线方程DxD=0.95W,xWFxF=0.45R=1.5Rmin=2.5第80页/

20、共119页第八十一页，共119页。2023/2/8第81页/共119页第八十二页，共119页。2023/2/81.NT不变，泡点进料，讨论不变，泡点进料，讨论(toln)xD,xW如何变化？如何变化？a.xF ,其它其它(qt)不变，不变，D,W不变。不变。结论结论(jiln)：xD ,xW 操作型计算操作型计算xF 对对xD,xW 的影响的影响第82页/共119页第八十三页，共119页。2023/2/8b.加料加料(ji lio)板位板位置上移置上移结论结论(jiln)：xD ,xW 加料加料(ji lio)板位置板位置 对对xD,xW 的影响的影响第83页/共119页第八十四页，共119页

21、。2023/2/8c.R 结论结论(jiln)：xD ,xW R 对对xD,xW 的影响的影响(yngxing)第84页/共119页第八十五页，共119页。2023/2/8d.q ,R 不变，不变，D不变，不变，V 结论结论(jiln)：xD ,xW q 对对xD,xW 的影响的影响(yngxing)第85页/共119页第八十六页，共119页。2023/2/8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(fnl)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，而而减减小小操操作作压压力，试分析力，试分析x

22、D、xW如何变化？如何变化？解：解：第87页/共119页第八十八页，共119页。2023/2/8第88页/共119页第八十九页，共119页。2023/2/8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(z chn)。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，系系统统相相对对挥挥发发度度为为3.0。试求：试求：（1）残液组成）残液组成(z chn)xw；（2）该层塔板

23、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=3.0第89页/共119页第九十页，共119页。2023/2/8解：（解：（1）残液组成）残液组成(z chn)xwq=1，xF=0.20 xD=0.30 80=3.0第90页/共119页第九十一页，共119页。2023/2/8y1xFx1yw（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=3.0第91页/共119页第九十二页，共119页。2023/2/8y1xFx1yw第9

24、2页/共119页第九十三页，共119页。2023/2/8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(z chn)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饱和饱和(boh)液体液体第93页/共119页第九十四

25、页，共119页。2023/2/8y=4x第94页/共119页第九十五页，共119页。2023/2/8九、几种特殊情况九、几种特殊情况九、几种特殊情况九、几种特殊情况(qngkung)(qngkung)时理论时理论时理论时理论板数的求法板数的求法板数的求法板数的求法 1、多侧线、多侧线(cxin)的塔的塔 例：在常压连续精馏塔中，分离乙醇例：在常压连续精馏塔中，分离乙醇水溶液，组成为水溶液，组成为xF1=0.6（易挥发组分摩尔分率，下同）及（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的两股原料液分别被送到不同到不同(b tn)的塔板进入塔内，两股原料液的流量之比的塔板进入塔内

26、，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，均为饱和液体进料。操作回流比R=2，若要求馏出流，若要求馏出流组成组成xD为为0.8，釜残液组成，釜残液组成xW为为0.02，试求理论板层数及两股原料，试求理论板层数及两股原料液的进料板位置。液的进料板位置。应用场合：应用场合：多股进料或多股出料第95页/共119页第九十六页，共119页。2023/2/8分析分析(fnx)：求理论(lln)板层数图解法操作(cozu)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。第96页/共119页第

27、九十七页，共119页。2023/2/8两股进料板之间塔段的操作线方程，可按虚线(xxin)范围内作物料衡算求得：总物料(wlio)：易挥发组分(zfn)：两股进料之间塔段的操作线方程第97页/共119页第九十八页，共119页。2023/2/8因进料为饱和(boh)液体D如何(rh)求？全塔物料(w lio)衡算总物料：易挥发组分：设 第98页/共119页第九十九页，共119页。2023/2/8对原料液组成为xF2的下一股进料，其加料板以下(yxi)塔段的操作线方程与无侧线塔的提馏段操作线方程相同第99页/共119页第一百页，共119页。2023/2/8各段操作线交点的轨迹(guj)方程分别为：

28、第100页/共119页第一百零一页，共119页。2023/2/8理论板层数为9自塔顶往下的第5层为原料(yunlio)F1的加料板自塔顶往下的第8层为原料(yunlio)F2的加料板第101页/共119页第一百零二页，共119页。2023/2/8总结：总结：塔段数（或操作线数）塔段数（或操作线数）=塔的进出料数塔的进出料数-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 别各自相同别各自相同各段操作线首尾相接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精馏段及提馏段操作线方程的形式与简单精馏塔 相同相同中间中间(zhngjin)段的操作线

29、方程应通过各段的物料衡算求得段的操作线方程应通过各段的物料衡算求得第102页/共119页第一百零三页，共119页。2023/2/82、直接、直接(zhji)蒸汽加热蒸汽加热 应用应用(yngyng)场合：场合：待分离的混合液为水溶液，且水为难挥发(huf)组分操作线：操作线：精馏段：与普通精馏塔相同提馏段：物料衡算第103页/共119页第一百零四页，共119页。2023/2/8（恒摩尔流动）直接加热时提馏段操作直接加热时提馏段操作(cozu)线方线方程程总物料(wlio)易挥发组分(zfn)：第104页/共119页第一百零五页，共119页。2023/2/8由操作(cozu)线方程知：提馏段操作

30、(cozu)线通过横轴上的x=xw的点（xw,0）,不是c（xw,xw）第105页/共119页第一百零六页，共119页。2023/2/8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(fnbi)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(jir)时操作线方程精馏段操作线方程为：第106页/共119页第一百零七页，共119页。2023/2/8提馏段操作(cozu)线方程为：对易挥发组分(zfn)第107页/共119页第一百零

31、八页，共119页。2023/2/8第108页/共119页第一百零九页，共119页。2023/2/82)直接蒸汽(zhnq)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(jir)蒸汽流量：第109页/共119页第一百一十页，共119页。2023/2/8第110页/共119页第一百一十一页，共119页。2023/2/8讨论讨论(toln)：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(zhji)蒸汽加热所需理论板数比间接蒸汽加热的多，因为直接(zhji)蒸汽的稀释作用，故需增多理论板数来回收易挥发组分。第111页/共119页第一百一十二页，共1

32、19页。2023/2/83、提馏塔提馏塔（回收塔）（回收塔）应用应用(yngyng)场合：场合：蒸馏的目的只是为了回收稀溶液中的易挥发组分(zfn)，而对馏出液的浓度不做过多的要求。D、xDFxFWxW第112页/共119页第一百一十三页，共119页。2023/2/8操作操作(cozu)线：线：与完全精馏塔的提馏段操作线方程(fngchng)相同提馏塔操作(cozu)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。第113页/共119页第一百一十四页，共119页。2023/2/8xDxFxWbaexD,max第114页/共119页第一百一十五页，

33、共119页。2023/2/8xWb 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(cozu)线上端。xFqxD第115页/共119页第一百一十六页，共119页。2023/2/8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(cozu)线方程2)由塔内最下一层理论板下流的液相组成解：1）操作(cozu)线方程第116页/共119页第一百一十七页，共119页。2023/2/82）塔内最下一层理论(lln)板下降的液相组成再沸器相当于一层理论(lln)板第117页/共119页第一百一十八页，共119页。2023/2/8与 呈操作关系 第118页/共119页第一百一十九页，共119页。