第06章 液体精馏过程.ppt

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1、过 程 系 统 原 理第六章 液体精馏主讲人：程 明南京工业大学本科系列课程南京工业大学本科系列课程 教学内容精馏过程原理精馏过程原理蒸馏过程概述蒸馏过程概述精馏过程计算精馏过程计算12/21/20222Process System Principle 蒸馏过程概述蒸馏过程基本概念蒸馏过程基本概念 蒸馏及精馏是液体混合物的分离的一种单元操作。蒸馏及精馏是液体混合物的分离的一种单元操作。（1 1）蒸馏原理：）蒸馏原理：式中：式中：y yA A、y yB B 气相中气相中A A、B B两组分的摩尔分数；两组分的摩尔分数；x xA A、x xB B 液相中液相中A A、B B两组分的摩尔分数。两组分

2、的摩尔分数。液体具有挥发而成为蒸汽的能力，称液体的挥发度（挥发能力）。液体具有挥发而成为蒸汽的能力，称液体的挥发度（挥发能力）。蒸蒸馏馏及及精精馏馏是是根根据据各各种种液液体体挥挥发发能能力力不不同同而而进进行行液液体体混混合合物物的的分分离离的一种单元操作。的一种单元操作。液体混合物部分气化所生成的气相组成与液相组成是有差别，即：液体混合物部分气化所生成的气相组成与液相组成是有差别，即：12/21/20223Process System Principle 图图6-1 6-1 平衡蒸馏平衡蒸馏 1-1-加热炉加热炉 ；2-2-节流阀；节流阀；3-3-分离器；分离器；4-4-冷凝器冷凝器 蒸馏

3、过程概述蒸馏过程基本概念蒸馏过程基本概念 （2 2）工业蒸馏过程：）工业蒸馏过程：12/21/20224Process System Principle 蒸馏过程概述蒸馏过程基本概念蒸馏过程基本概念 图图6-2 6-2 简单蒸馏简单蒸馏 1-1-蒸馏釜蒸馏釜 ；2-2-冷凝器；冷凝器；3 3，4 4，5-5-产品受液槽产品受液槽12/21/20225Process System Principle 蒸馏过程概述混合液的气液相平衡混合液的气液相平衡 一般而言，蒸馏过程是在恒压下进行。一般而言，蒸馏过程是在恒压下进行。在气液相物系中存在以下两个关系：在气液相物系中存在以下两个关系：液相（或气相）组

4、成与温度间的一一对应关系；液相（或气相）组成与温度间的一一对应关系；气、液相组成之间的一一对应关系；气、液相组成之间的一一对应关系；理想物系：理想物系：液相为理想溶液，服从拉乌尔（液相为理想溶液，服从拉乌尔（RaoultRaoult）定律；）定律；气相为理想气体，服从道尔顿分压定律。气相为理想气体，服从道尔顿分压定律。12/21/20226Process System Principle 蒸馏过程概述混合液的气液相平衡混合液的气液相平衡 式中：式中：P PA A、P PB B-液相上方液相上方A A、B B两组分的蒸汽压；两组分的蒸汽压；x xA A、x xB B-液相中液相中A A、B B两

5、组分的摩尔分数；两组分的摩尔分数；-在溶液温度在溶液温度t t下纯组分下纯组分A A、B B的的饱和蒸汽压；饱和蒸汽压；根据拉乌尔（根据拉乌尔（RaoultRaoult）定律：定律：（1 1）双组分的液相组成）双组分的液相组成-温度温度(泡点泡点)关系式：关系式：液相上方的平衡蒸汽压为：液相上方的平衡蒸汽压为：12/21/20227Process System Principle 蒸馏过程概述混合液的气液相平衡混合液的气液相平衡 道尔顿分压定理：道尔顿分压定理：（2 2）双组分的气液两相组成间的关系：）双组分的气液两相组成间的关系：混合液的沸腾条件是各组分的蒸汽压之和等于外压，即：混合液的沸腾

6、条件是各组分的蒸汽压之和等于外压，即：P P0 0与温度的关系符合安托因（与温度的关系符合安托因（Antoine)Antoine)方程：方程：A A、B B、C C的值可查阅相关手册。的值可查阅相关手册。12/21/20228Process System Principle 蒸馏过程概述混合液的气液相平衡混合液的气液相平衡 拉乌尔定律：拉乌尔定律：则：则：式中：式中：也可以写成则：也可以写成则：（3 3）双组分的气相组成）双组分的气相组成-温度温度(露点露点)关系式：关系式：12/21/20229Process System Principle 蒸馏过程概述混合液的气液相平衡混合液的气液相平衡

7、 （4 4）ttx(yx(y)和和y-xy-x关系图：关系图：图图6-3 6-3 双组分溶液的温度组成图双组分溶液的温度组成图图图6-4 6-4 相平衡曲线相平衡曲线12/21/202210Process System Principle 蒸馏过程概述混合液的气液相平衡混合液的气液相平衡 （5 5）y-xy-x的近似表达式与相对挥发度的近似表达式与相对挥发度：设溶液中组分设溶液中组分A A、B B的挥发度定义为：的挥发度定义为：则两个组分之间的相对挥发度定义为：则两个组分之间的相对挥发度定义为：所以，相平衡方程写为：所以，相平衡方程写为：对于理想溶液：对于理想溶液：12/21/202211Pr

8、ocess System Principle图图6-5 6-5 平衡蒸馏的物料衡算与热量衡算平衡蒸馏的物料衡算与热量衡算 蒸馏过程概述平衡蒸馏平衡蒸馏 （1 1）过程的数学描述：）过程的数学描述：12/21/202212Process System Principle 蒸馏过程概述平衡蒸馏平衡蒸馏 物料衡算：物料衡算：对于连续定态过程做物料衡算可得：对于连续定态过程做物料衡算可得：总物料衡算：总物料衡算：易挥发组分的物料衡算：易挥发组分的物料衡算：两式联立可得：两式联立可得：式中：式中：F F、x xF F-加料流率，加料流率，kmol/skmol/s及料液组成摩尔分数；及料液组成摩尔分数；D

9、 D、y-y-气相产物流率，气相产物流率，kmol/skmol/s及组成摩尔分数；及组成摩尔分数；W W、x-x-液相产物流率，液相产物流率，kmol/skmol/s及组成摩尔分数。及组成摩尔分数。12/21/202213Process System Principle 蒸馏过程概述平衡蒸馏平衡蒸馏 设液相产物占总加料量设液相产物占总加料量F F的分率为的分率为q q，气化率为气化率为D/FD/F(1-q)(1-q)，代人上代人上式整理可得：式整理可得：该方程称为该方程称为q q线方程。线方程。热量衡算：热量衡算：加热炉的热流量加热炉的热流量Q Q为：为：节流减压，释放显热节流减压，释放显热-

10、自身部分汽化，所以：自身部分汽化，所以：所以料液加热温度为：所以料液加热温度为：12/21/202214Process System Principle 蒸馏过程概述平衡蒸馏平衡蒸馏 式中式中 t tF F、T-T-分别为料液温度与加热后的液体温度，分别为料液温度与加热后的液体温度，K K；t te e-闪蒸后气、液两相的平衡温度，闪蒸后气、液两相的平衡温度，K K；Cm,pCm,p-混合液的平均摩尔热容，混合液的平均摩尔热容，kJ/(kJ/(kmolkmolK)；r-r-平均摩尔气化热，平均摩尔气化热，kJ/kJ/kmolkmol。例例题题：将将含含苯苯摩摩尔尔分分数数为为0.70.7、甲甲

11、苯苯摩摩尔尔分分数数为为0.30.3的的溶溶液液加加热热气气化化，气气化化率率为为1/31/3。已已知知物物系系的的相相对对挥挥发发度度为为2.472.47，试试计计算算平平衡衡蒸蒸馏馏时时的的气气相与液相组成。相与液相组成。解：解：12/21/202215Process System Principle 蒸馏过程概述平衡蒸馏平衡蒸馏 物料衡算式：物料衡算式：相平衡方程：相平衡方程：两式联立求得：两式联立求得：12/21/202216Process System Principle 精馏过程原理精馏原理精馏原理图图6-6 6-6 连续精馏过程连续精馏过程 （1 1）精馏塔的组成）精馏塔的组成

12、一一个个完完整整的的精精馏馏塔塔的的分分为为精馏段和提馏段。精馏段和提馏段。精精馏馏段段完完成成上上升升蒸蒸汽汽的的精精制制，提提馏馏段段完完成成下下降降液液体体的的增增浓。浓。主要特点：主要特点：塔顶液相回流；塔顶液相回流；塔底气相回流；塔底气相回流；12/21/202217Process System Principle 精馏过程原理精馏原理精馏原理 （2 2）全塔的物料衡算）全塔的物料衡算 假设系统为定态过程。假设系统为定态过程。总的物料衡算总的物料衡算 由上述两式可得：由上述两式可得：图图6-7 6-7 全塔物料衡算全塔物料衡算 轻组分的物料衡算：轻组分的物料衡算：12/21/2022

13、18Process System Principle 精馏过程原理精馏原理精馏原理 当当塔塔顶顶、塔塔底底产产品品组组成成x xD D、x xW W即即产产品品质质量量巳巳规规定定，产产品品的的采采出出率率D/FD/F和和W/FW/F亦随之确定而不能再自由选择；亦随之确定而不能再自由选择；当当规规定定塔塔顶顶产产品品的的产产率率和和质质量量x xD D，则则塔塔底底产产品品的的质质量量x xW W及及产产率率亦亦随之确定而不能自由选择（也可以规定塔底产品的产率和质量）。随之确定而不能自由选择（也可以规定塔底产品的产率和质量）。在在规规定定分分离离要要求求时时，应应使使DxDxD DFxFxF

14、F或或D/D/FxFxF F/x/xD D。如如果果塔塔顶顶产产出出率率D/FD/F取取得得过过大大，即即使使精精馏馏塔塔有有足足够够的的分分离离能能力力，塔塔顶顶仍仍不不可可能能获获得得高高纯纯度的产品，因其组成必须满足：度的产品，因其组成必须满足：讨论：讨论：12/21/202219Process System Principle 精馏过程原理精馏原理精馏原理 （3 3）回流比：）回流比：RR，轻组分纯度轻组分纯度，利于精馏；利于精馏；RR，能耗能耗，蒸汽加热量蒸汽加热量，冷凝量冷凝量。12/21/202220Process System Principle 精馏过程原理精馏过程的数学描述

15、精馏过程的数学描述 （1 1）逆流多级传质操作：）逆流多级传质操作：图图6-8 6-8 板式精馏塔板式精馏塔 精精馏馏塔塔由由若若干干块块塔塔板板组组成成，每每块塔板为一个气液接触单元。块塔板为一个气液接触单元。精馏过程的数学描述方法：精馏过程的数学描述方法：物料衡算；物料衡算；热量衡算；热量衡算；过程特方程征。过程特方程征。12/21/202221Process System Principle 精馏过程原理精馏过程的数学描述精馏过程的数学描述 （2 2）塔板上过程的数学描述：）塔板上过程的数学描述：图图6-9 6-9 塔板的热量衡算和物料衡算塔板的热量衡算和物料衡算12/21/202222

16、Process System Principle 精馏过程原理精馏过程的数学描述精馏过程的数学描述 物料衡算：物料衡算：热量衡算：热量衡算：饱和蒸汽的焓饱和蒸汽的焓I I为泡点液体的焓为泡点液体的焓i i与气化潜热与气化潜热r r之和，所以：之和，所以：对第对第 n n 块塔板作热量衡算块塔板作热量衡算（不计热量损失）：（不计热量损失）：对第对第 n n 块塔板作物料衡算可得：块塔板作物料衡算可得：总物料衡算式：总物料衡算式：轻组分衡算式：轻组分衡算式：12/21/202223Process System Principle 精馏过程原理精馏过程的数学描述精馏过程的数学描述 忽略组成与温度所引

17、起的饱和液体焓忽略组成与温度所引起的饱和液体焓i i及气化潜热及气化潜热r r的差别，则假设：的差别，则假设：将物料衡算式代入上式，得：将物料衡算式代入上式，得：则：则：结结论论：在在精精馏馏塔塔内内没没有有加加科科和和出出料料的的任任一一块块塔塔板板中中，各各板板上上升升的的蒸蒸汽量均相等，各板下降的液体量也均相等。汽量均相等，各板下降的液体量也均相等。12/21/202224Process System Principle 精馏过程原理精馏过程的数学描述精馏过程的数学描述 适用：被分离组分沸点相差较小，气化潜热相近。适用：被分离组分沸点相差较小，气化潜热相近。（3 3）理论板和板效率）理论

18、板和板效率 不不同同液液体体的的摩摩尔尔气气化化潜潜热热相相近近，V V和和L L取取摩摩尔尔流流量量，上上述述简简化化称称为恒摩尔流假定；为恒摩尔流假定；不不同同液液体体的的质质量量气气化化潜潜热热相相近近，V V和和L L取取质质量量流流量量，上上述述简简化化称称为恒质量流假定。为恒质量流假定。理理论论板板：气气、液液两两相相充充分分混混合合而而且且传传质质与与传传热热过过程程的的阻阻力力皆皆为为零零的的理想化塔板。即两相温度相同，组成互成平衡。理想化塔板。即两相温度相同，组成互成平衡。12/21/202225Process System Principle 精馏过程原理精馏过程的数学描述

19、精馏过程的数学描述 则特征方程为：则特征方程为：板效率：板效率：实际塔板不同于一个理论板。实际塔板不同于一个理论板。泡点方程泡点方程 相平衡方程相平衡方程 板效率的定义如下：板效率的定义如下：式中：式中：与离开第与离开第n n板液相板液相x xn n成平衡的气相组成；成平衡的气相组成；气相的默弗里板效率。气相的默弗里板效率。12/21/202226Process System Principle 精馏过程原理精馏过程的数学描述精馏过程的数学描述 引入理论板和恒摩尔流假定后：引入理论板和恒摩尔流假定后：相平衡方程：相平衡方程：适用范围：适用范围：适用于精馏段、提馏段每一块塔板；适用于精馏段、提馏

20、段每一块塔板；不适用于有物料加入或引出的塔板。不适用于有物料加入或引出的塔板。物料衡算式：物料衡算式：（4 4）加料板的过程分析）加料板的过程分析 图图6-10 6-10 加料板的物料和热量衡算加料板的物料和热量衡算 进料状态：进料状态：液相进料，气相进料、液相进料，气相进料、气液相混合进料。气液相混合进料。12/21/202227Process System Principle 精馏过程原理精馏过程的数学描述精馏过程的数学描述 理论进料板理论进料板：两相温度相同，组成互成平衡。：两相温度相同，组成互成平衡。精馏段与提馏段两相流量的关系精馏段与提馏段两相流量的关系：联立求解，得：联立求解，得：

21、物料衡算和热量衡算：物料衡算和热量衡算：物料衡算式物料衡算式 相平衡方程相平衡方程 设第设第m m块板为加料板：块板为加料板：12/21/202228Process System Principle 精馏过程原理精馏过程的数学描述精馏过程的数学描述 若定义：若定义：则可得：则可得：q q-加加料料热热状状态态参参数数，其其数数值值大大小小等等于于每每加加入入1kmol1kmol的的原原料料使使提提馏段液体所增加的摩尔数。馏段液体所增加的摩尔数。q q0 0：为饱和蒸汽加料；为饱和蒸汽加料；0q10q1q1：为为冷冷料料加加料料。此此时时进进料料液液体体的的温温度度低低于于泡泡点点，入入塔塔后后

22、由由提提馏馏段上升蒸汽部分冷凝所放出的冷凝热将其加热至泡点，因此段上升蒸汽部分冷凝所放出的冷凝热将其加热至泡点，因此q q值大于值大于1 1；q0q0：为为过过热热蒸蒸汽汽加加料料。入入塔塔后后将将放放出出显显热热成成为为饱饱和和蒸蒸汽汽，使使加加料料板上的液体部分气化，因此板上的液体部分气化，因此q q值小于值小于0 0；（5 5）精馏塔内的摩尔流率：）精馏塔内的摩尔流率：设设精精馏馏塔塔顶顶的的冷冷凝凝器器为为全全凝凝器器，凝凝液液在在泡泡点点温温度度下下部部分分地地回回流流入入塔塔(泡点回流泡点回流)。精馏段：精馏段：提馏段：提馏段：12/21/202230Process System

23、Principle 精馏过程原理精馏过程的数学描述精馏过程的数学描述 塔顶冷凝器的热负荷：塔顶冷凝器的热负荷：塔釜的热负荷：塔釜的热负荷：式中：式中：r rc c-组成为组成为x xD D的混合液的平均气化热；的混合液的平均气化热；r rb b-组成为组成为x xW W的混合液的平均气化热。的混合液的平均气化热。12/21/202231Process System Principle 精馏过程原理精馏过程的两种解法精馏过程的两种解法 （1 1）方程联立求解：）方程联立求解：设某精馏塔共有设某精馏塔共有N N块理论板，其中第块理论板，其中第m m块板为加料板，最未一块是蒸块板为加料板，最未一块是

24、蒸馏釜，可视为一块理论板。馏釜，可视为一块理论板。对对N N块块理理论论板板可可写写出出N N个个物物料料衡衡算算式式。设设回回流流液液体体组组成成为为x x0 0，则则N N个个物物料衡算式可依次列出如下：料衡算式可依次列出如下：第第1 1块板块板 第第2 2块板块板 加料板（第加料板（第m m板板)12/21/202232Process System Principle 精馏过程原理精馏过程的两种解法精馏过程的两种解法图图6-11 6-11 塔釜的物料衡算塔釜的物料衡算 最后一块板（第最后一块板（第N N板）：板）：且：且：已知条件：已知条件：全凝器：全凝器：上述方程联立，可求得上述方程联

25、立，可求得共共2N2N个未知数。个未知数。解法实用范围：解法实用范围：N N板数已知。板数已知。提馏段任一块板（第提馏段任一块板（第n n板）：板）：12/21/202233Process System Principle 精馏过程原理精馏过程的两种解法精馏过程的两种解法 （2 2）逐板计算法：）逐板计算法：该法适用与板数该法适用与板数N N未知的情况。未知的情况。冷凝器：冷凝器：由：由：求出：求出：x x1 1 第一块板：第一块板：精馏段任意一块塔板（加料板以上）：精馏段任意一块塔板（加料板以上）：提馏段任意一块塔板（加料板以下）：提馏段任意一块塔板（加料板以下）：交替使用上述方程，计算到交

26、替使用上述方程，计算到 为止，停止计算。为止，停止计算。X XN N的下标的下标N N便是所需要的理论板数量。便是所需要的理论板数量。12/21/202234Process System Principle 精馏过程原理精馏塔的操作方程精馏塔的操作方程 （1 1）精馏段操作方程：）精馏段操作方程：图图6-12 6-12 精馏段的物料衡算精馏段的物料衡算 变换：变换：又：又：所以：所以：12/21/202235Process System Principle 精馏过程原理精馏塔的操作方程精馏塔的操作方程 （2 2）提馏段操作方程：）提馏段操作方程：变换：变换：又：又：所以：所以：图图6-13 6

27、-13 提馏段的物料衡算提馏段的物料衡算12/21/202236Process System Principle 精馏过程原理精馏塔的操作方程精馏塔的操作方程 因为：因为：所以：所以：（3 3）操作方程的图示：）操作方程的图示：图图6-14 精馏段和提馏段操作线精馏段和提馏段操作线 精馏段端点坐标（精馏段端点坐标（a a点）：点）：12/21/202237Process System Principle 精馏过程原理精馏塔的操作方程精馏塔的操作方程 提馏段端点坐标（提馏段端点坐标（c c点）：点）：斜率：斜率：或或 截距：截距：斜率：斜率：两操作线方程的交点坐标：两操作线方程的交点坐标：12/

28、21/202238Process System Principle 精馏计算设计型计算设计型计算 1.1.理论板数的计算理论板数的计算 （1 1）设计命题）设计命题 选择条件：操作压强选择条件：操作压强P P，回流比回流比R R，进料状态进料状态q q。（2 2）逐板计算法）逐板计算法 根据规定的分离要求，选择精馏的操作条件，计算所需的理论板数。根据规定的分离要求，选择精馏的操作条件，计算所需的理论板数。关于分离要求：关于分离要求：轻组分的回收率轻组分的回收率：计算公式：操作线方程，相平衡方程。计算公式：操作线方程，相平衡方程。图图6-156-15为一连续精馏塔，塔顶设全凝器，泡点回流。为一连

29、续精馏塔，塔顶设全凝器，泡点回流。12/21/202239Process System Principle 精馏计算设计型计算设计型计算图图6-15 6-15 逐板计算的图示逐板计算的图示12/21/202240Process System Principle 精馏计算设计型计算设计型计算 从塔顶开始计算：从塔顶开始计算：step1step1：第一块板，第一块板，；注意：在精馏段使用精馏段操作线方程；注意：在精馏段使用精馏段操作线方程；在提馏段使用提馏段操作线方程；在提馏段使用提馏段操作线方程；交替点在两个操作线方程的交点处。交替点在两个操作线方程的交点处。step3step3：根据操作线方程

30、：根据操作线方程 ，求出，求出 y y2 2。step4step4：交交替替使使用用相相平平衡衡方方程程和和操操作作线线方方程程，直直到到达达到到规规定定的的x xW W为为止止，从而得到所需的理论板数。从而得到所需的理论板数。step2step2：根据相平衡根据相平衡 ，求出，求出 x x1 1 。12/21/202241Process System Principle 精馏计算设计型计算设计型计算 （3 3）最优加料位置的确定：）最优加料位置的确定：图图6-16 6-16 加料位置选择不当加料位置选择不当 （a a）第第8 8块块板板进进料料（1212块块理理论论板板）；（b b）第第4

31、4块块板板进进料料（1212块块理理论论板）板）；图；图6 61515第五块板进料（第五块板进料（1010块理论板）。块理论板）。12/21/202242Process System Principle 精馏计算设计型计算设计型计算 最优加料位置的确定，应该选择该板的液相组成最优加料位置的确定，应该选择该板的液相组成x x等于或略低于等于或略低于x xq q。（4 4）操作线的实际做法）操作线的实际做法图图6-17 6-17 操作线的实际作法操作线的实际作法 由：由：得：得：上式称为上式称为q q线方程。线方程。12/21/202243Process System Principle 精馏计算

32、设计型计算设计型计算 例：逐板计算法求理论板数例：逐板计算法求理论板数 在在常常压压下下将将含含苯苯摩摩尔尔分分数数为为0.250.25的的苯苯甲甲苯苯混混合合液液连连续续精精馏馏，要要求求馏馏出出液液中中含含苯苯摩摩尔尔分分数数为为0.980.98，釜釜液液中中含含苯苯摩摩尔尔分分数数为为0.0850.085。操操作作时时所所用用回回流流比比为为5 5，泡泡点点加加料料，泡泡点点回回流流，塔塔顶顶为为全全凝凝器器，求求所所需需理理论论板板数。数。常压下苯甲苯混合物可视为理想物系，相对挥发度为常压下苯甲苯混合物可视为理想物系，相对挥发度为2.472.47。解：解：或或相平衡方程：相平衡方程：1

33、2/21/202244Process System Principle 精馏计算设计型计算设计型计算 精馏段操作线精馏段操作线 提馏段操作线提馏段操作线（因因 q q1 1）式中式中12/21/202245Process System Principle 精馏计算设计型计算设计型计算 代入可得代入可得 泡点进料泡点进料 第一块塔板上升的蒸汽组成第一块塔板上升的蒸汽组成 从第一块板下降的液体组成由式（从第一块板下降的液体组成由式（a a）求取）求取 从第二块板上升的气相组成由式（从第二块板上升的气相组成由式（b b）求取）求取12/21/202246Process System Principl

34、e 精馏计算设计型计算设计型计算 第二块板下降的液体组成第二块板下降的液体组成 第三块板上升的气相组成第三块板上升的气相组成 第三块板下降的液体组成第三块板下降的液体组成 如此反复计算得如此反复计算得12/21/202247Process System Principle 精馏计算设计型计算设计型计算 因为因为x x8 8 x xq q，第，第9 9块板上升的气相组成由提馏段操作线方程（块板上升的气相组成由提馏段操作线方程（c c）计算）计算 第第9 9块板下降的液体组成块板下降的液体组成 所需总理论板数为所需总理论板数为1010块，第块，第8 8块加料，精馏段需块加料，精馏段需7 7块板。块

35、板。12/21/202248Process System Principle 精馏计算设计型计算设计型计算 2 2、回流比的选择：、回流比的选择：精馏段精馏段 增大；增大；回流比回流比R R增大：增大：提馏段提馏段 增大；增大；对精馏过程有利。对精馏过程有利。y-xy-x线移向对角线，则理论板数减少。线移向对角线，则理论板数减少。但回流比但回流比R R增大：增大：全凝器负荷增大；全凝器负荷增大；再沸器负荷增大；再沸器负荷增大；无回流；无回流；全回流；全回流；实际：实际：（1 1）全回流和最少理论板数：）全回流和最少理论板数：全回流：不加料也不出料，此时的理论板数为最少：全回流：不加料也不出料，

36、此时的理论板数为最少：12/21/202249Process System Principle 精馏计算设计型计算设计型计算图图6-18 6-18 全回流时的理论板数全回流时的理论板数12/21/202250Process System Principle 精馏计算设计型计算设计型计算 芬斯克芬斯克(FenskeFenske)方程：方程：对双组分溶液，对双组分溶液，则：则：全全回回流流是是操操作作回回流流比比的的极极限限，只只是是在在设设备备开开工工、调调试试及及实实验验研研究究时时采用。采用。（2 2）最小回流比）最小回流比 R Rminmin ：RR，操作线移向平衡线，操作线移向平衡线，理

37、论板数理论板数NN，两线相交，两线相交，R Rminmin 。12/21/202251Process System Principle 精馏计算设计型计算设计型计算图图6-19 6-19 最小回流比最小回流比12/21/202252Process System Principle 精馏计算设计型计算设计型计算 （3 3）最适宜回流比的选择）最适宜回流比的选择 ：图图6-20 6-20 回流比与理论板数的关系回流比与理论板数的关系图图6-21 6-21 最适宜回流比的选择最适宜回流比的选择12/21/202253Process System Principle 精馏计算设计型计算设计型计算 （4

38、 4）理论板数的捷算法）理论板数的捷算法 ：当当需需对对指指定定的的分分离离任任务务所所需需要要的的理理论论板板数数作作出出大大致致的的估估计计，或或简简略略地地找找出出塔塔板板数数与与回回流流比比之之关关系系，以以供供经经济济分分析析的的需需要要，可可用用如如下下的的经经验验方法求取理论板数：方法求取理论板数：step1step1：求出最小回流比求出最小回流比R Rminmin ；step2step2：求出全回流条件下的最少理论板数求出全回流条件下的最少理论板数N Nminmin ；step3step3：利利 用用 经经 验验 关关 联联 求求 出出 指指 定定 回回 流流 比比 下下 的的

39、 理理 论论 板板 数数。常常 用用 的的 经经 验验 关联是吉利兰关联是吉利兰(Gilliland)(Gilliland)图，关联图，关联R Rminmin 、N Nminmin 、N N、R R几个数据。几个数据。范围内可用下式代替：范围内可用下式代替：12/21/202254Process System Principle 精馏计算设计型计算设计型计算图图6-22 6-22 吉利兰吉利兰(Gilliland)(Gilliland)关联图关联图12/21/202255Process System Principle 精馏计算设计型计算设计型计算 例：捷算法计算前例的理论板数例：捷算法计算前

40、例的理论板数N N。已知：已知：x xF F=0.25=0.25，x xD D=0.98=0.98，x xW W=0.085=0.085，R=5R=5，q=1q=1，=2.47=2.47 解：解：苯甲苯为理想溶液，在最小回流比时，精馏段操作线的斜率为：苯甲苯为理想溶液，在最小回流比时，精馏段操作线的斜率为：最小回流比：最小回流比：12/21/202256Process System Principle 精馏计算设计型计算设计型计算 与前例所得结果与前例所得结果1010块相近。块相近。全回流下的最少理论板数：全回流下的最少理论板数：当采用回流比当采用回流比R R5 5时，时，查吉利兰图可得：查吉

41、利兰图可得：解出：解出：12/21/202257Process System Principle 精馏计算操作型计算操作型计算 1.1.计算命题计算命题 在在设设备备（精精馏馏段段板板数数及及全全塔塔理理论论板板数数）已已定定条条件件下下，由由指指定定的的操操作作条件预计精馏操作的结果。条件预计精馏操作的结果。已已知知条条件件：总总理理论论板板数数 N N；加加料料板板位位置置 m m；y=fy=f（x x）平平衡衡线线或或相相对对挥发度挥发度；x xF F（原料）；热状态原料）；热状态q q；回流比回流比 R R；采出率采出率D/FD/F。操作型计算的特点：操作型计算的特点：待求量：产品待求

42、量：产品x xD D 、x xW W ，逐板的组成分布。逐板的组成分布。（1 1）由由于于众众多多变变量量之之间间的的非非线线性性关关系系使使操操作作型型计计算算一一般般均均须须通通过过试试差差（迭迭代代），即即先先假假设设一一个个塔塔顶顶（或或塔塔底底）组组成成，再再用用物物料料衡衡算算及及逐板计算予以校核的方法采解决。逐板计算予以校核的方法采解决。12/21/202258Process System Principle 精馏计算操作型计算操作型计算 （2 2）加料板位置（或其它操作条件）一般不满足最优化条件。）加料板位置（或其它操作条件）一般不满足最优化条件。2 2、回流比增加对精馏结果的

43、影响（分析）、回流比增加对精馏结果的影响（分析）图图6-23 6-23 增加回流比对精馏结果的影响增加回流比对精馏结果的影响12/21/202259Process System Principle 精馏计算操作型计算操作型计算 计算方法：计算方法：step3step3：x xm m 加料板后，提馏段交替使用：加料板后，提馏段交替使用：step1step1：假设假设 ：x xW W=value =value；step2step2：自自 x xD D 起，在精馏段交替使用：起，在精馏段交替使用：则：则：12/21/202260Process System Principle 精馏计算操作型计算操作

44、型计算 step4step4：算出算出x xn n，与，与x xw w 相比较：相比较：结果相近，计算有效；结果相差，重新试差。结果相近，计算有效；结果相差，重新试差。例：改变回流比求全塔组成分布。例：改变回流比求全塔组成分布。某某精精馏馏塔塔具具有有1010块块理理论论板板，加加料料位位置置在在第第8 8块块塔塔板板，分分离离原原料料组组成成为为摩摩尔尔分分数数0.250.25的的苯苯甲甲苯苯混混合合液液，物物系系相相对对挥挥发发度度为为2.472.47。已已知知在在R R5 5，泡泡点点进进料料时时xxD D=0.98=0.98，xxW W=0.085=0.085。今今改改用用回回流流比比

45、8 8，塔塔顶顶采采出出率率D/FD/F及及物物料料热热状状态态均均不不变变，求求塔塔顶顶、塔塔底底产产品品组组成成有有何何变变化化？并并同同时时求求出塔内各板的两相组成。出塔内各板的两相组成。12/21/202261Process System Principle 精馏计算操作型计算操作型计算 解：原工况（解：原工况（R R5 5）时）时 新工况（新工况（R R8 8）时，假定初值）时，假定初值x xW W=0.0821=0.0821，由物料衡算式得：，由物料衡算式得：精馏段操作线方程为：精馏段操作线方程为：12/21/202262Process System Principle 精馏计算操

46、作型计算操作型计算 提馏段操作线方程为：提馏段操作线方程为：相平衡方程为：相平衡方程为：由由x xD D0.99280.9928开始，用精馏段操作线方程求出开始，用精馏段操作线方程求出y1y10.99280.9928 将将y1y1代入相平衡方程，求出代入相平衡方程，求出x1x10.98250.9825；将将x1x1代入精馏段操作线方程，求出代入精馏段操作线方程，求出y2y20.98360.9836；将将y2y2代入相平衡方程，求出代入相平衡方程，求出x2x20.96050.9605；如如此此反反复复计计算算，用用精精馏馏段段操操作作线线方方程程共共8 8次次，求求出出y1y1y8，用用相相平平

47、衡衡方程方程8次，求出次，求出x1x8。12/21/202263Process System Principle 精馏计算操作型计算操作型计算 x xw w设设=0.0821=0.0821 x x1010=0.08250.0825，计算有效。计算有效。结结论论：R R 增增大大，x xD D 增增大，大，x xw w 降低。降低。12/21/202264Process System Principle 精馏计算操作型计算操作型计算 3 3、进料组成变动的影响、进料组成变动的影响 结论：结论：图图6-24 6-24 进料组成下降对精馏结果的影响进料组成下降对精馏结果的影响 （1 1）R=Cons

48、t.R=Const.时时：xF降降低低，则则x xD D 降低，降低，x xw w 降低。降低。（2 2）若若想想x xD D=Const.=Const.：xF降降低，则低，则R R必须增加或必须增加或D/FD/F降低。降低。12/21/202265Process System Principle 精馏计算操作型计算操作型计算 4 4、精馏塔的温度分布和灵敏板、精馏塔的温度分布和灵敏板 （1 1）塔内的温度分布）塔内的温度分布图图6 62 25 5 精精馏馏塔塔的的温温度度分分布布 溶溶液液的的泡泡点点与与总总压压和和组组成成有有关关，各各塔塔板板上上的的组组成成不不同同，则则自自塔塔顶顶到到

49、塔塔底底形形成成的的温温度度分分布布如右图所示。如右图所示。12/21/202266Process System Principle 精馏计算操作型计算操作型计算 （2 2）灵敏板）灵敏板 精精馏馏塔塔受受外外界界干干扰扰（R R、x xF F变变化化），各各塔塔板板的的y yn n和和x xn n变变动动，t te e变动。变动。图图6-266-26 高纯度分离时全塔的温度分布高纯度分离时全塔的温度分布 在在高高纯纯度度分分离离时时，在在塔塔顶顶（塔塔底底）相相当当高高的的一一个个塔塔段段中中温温度变化极小，如右图所示。度变化极小，如右图所示。某某些些塔塔板板，温温度度变变化化显显著著，称称该该塔塔板板为为灵灵敏敏板板。一一般般灵灵敏敏板板比较靠近进料口。比较靠近进料口。12/21/202267Process System Principle