第十章 蒸馏3

Reviewing
进料状况的影响：
影响提馏段传质推动力和再沸器的热负荷 理论板数NT的求解： 逐板计算法：交替使用平衡关系和操作关系求解 图解梯级法：原理(一个梯级为什么是一块理论板) 求解过程， 求解项目 特殊情况下的操作线及理论板数的求解 填料精馏塔填料层高h0的求解：HETP
10.3 二元连续精馏的分析与计算
分离要求恒定：加料板过高，提馏段延长；过低，精馏段长，推动力 都↓，需板数↑ 板数一定：加料板过高，N1↓而xD↓；过低则xW↑，达不到分离要求。 物理实质：加料浓度与板上浓度接近，减少返混。
⑶特殊情况下NT的图解：
侧线进出料，回收塔，直接蒸汽加热
q
D’ y’D
q
F
x’D
侧线出料：左图是饱和液体出料,右图是饱和气体出料. 第二操作线斜率小于第一操作线斜率。
理论塔板数及填料层高
回流比影响及选择 理论板数捷算法 精馏塔操作型问题
10.3.4 理论板数 Number of ideal plates/stages
1.逐板计算法求理论板数NT：
原理：交替使用平衡关系和物料衡算 ( 操作线 )关系 计算每块板上的汽液组成 特点：精确，但工作量大。 示例：塔顶全凝器，塔釜再沸器
全塔物料衡算
精馏塔分析及图解
进料热状况影响 理论塔板数及填料层高 回流比影响及选择 理论板数捷算法 精馏塔操作型问题
10.3.0 二元连续精馏的计算项目
计算项目： 塔顶和塔底产量和浓度 确定塔类型，定塔板数或填料层高 回流量，塔内物流量，计算塔径 进料位置，热量衡算… 计算方法 物料衡算式 热量衡算式 过程的特征方程式
进料热状态影响
理论塔板数及填料层高 回流比影响及选择 理论板数捷算法 精馏塔操作型问题
10.3.3 进料热状态 thermal condition of the feed
F L V L V V V F L L Fi F Li L Vi V Li L Vi V Fi F (L L)i L (V V)i V 近似认为i L i L，i V i V F L Lh
10.3.5 回流比的影响及选择
⑴最小回流比Rmin, minimum reflux ratio 进料条件(F、xF和q)一定时，精馏段操作线的极限？ 与平衡线相交，需理论板数为∞ e：挟点，附近恒浓区(△x=0, △y=0) 正常平衡关系时，Rmin的计算
x ye R min D R min 1 x D x e
10.3.4 理论板数 Number of ideal plates/stages
3.实际塔板数Ne和塔板效率：传质效率不同 ⑴总板效率 Overall (plate) efficiency：全塔平均
E0=NT/Ne；h=HT×Ne
⑵单板效率 Murphree/Plate efficiency：
E m L, n x n 1 x n x n 1 x * n
D F1 F2
q1
q2
xDmax
W
xW
xF xD
多股进料：精馏塔分成三段，三 根操作线，且下段操作线斜率大。 如二股物料混合后加入,不利分离
回收塔：仅有提馏段无精馏段， 无回流 目的：回收稀溶液中的A，要 求不高；或低浓度时α较大.
水蒸汽直接加热(上升蒸汽中不含A组分)
适用场合：待分离的混合物为某轻组分的水溶液。 优点：省去再沸器，↑推动力，但↑塔板数(xD、xW一定时)。
精馏塔分析及图解
进料热状态影响 理论塔板数及填料层高 回流比影响及选择 理论板数捷算法 精馏塔操作型问题
精馏塔分析及图解
进料热状态影响 理论塔板数及填料层高 回流比影响及选择 理论板数捷算法 精馏塔操作型问题
10.3.2 精馏塔分析及图解
1. 精馏段rectifying section：塔顶第一块板到加料板feed plate 作用：上升蒸汽的精制，除去难挥发组分
L
i yi yi+1 yi+2
D, xD V
xi-1 xi
F, xF
i+1 L’
V’
xi+1
理论板假定 简化假定 恒摩尔流假定
W, xW
精馏：多次汽化、冷凝（有回流）
10.3.1 全塔物料衡算 Overall ~
F D W Fx F Dx D WxW
xF xW D x x D W W x D x F xD xW
精馏段操 作线方程
F, xF
过 a(xD, xD)、斜率<1 的直线 适用范围：全凝器，泡点回流
10.3.2 精馏塔分析及图解
y n 1 R x xn D R 1 R 1
xD yn
yn+1 汽相增 浓程度
y
思考1：操作线斜率增 大，对精馏的影响？ 操作线斜率大 →→经过一块板的汽、 液相的浓度变化↑，对 精馏段分离有利。 思考2：精馏段的理论 梯/板级如何求取？
10.3.3 进料热状态影响
Vy Lx Dx D Vy Lx WxW
q>1 0<q<1 q↓ q=0 q<0 a
q=1
(V V) y (L L)x (Dx D WxW )
L L qF q线方程 过f(xF, xF)的直线 V V (q 1)F x q y x F q 1 q 1
NT=8.3-1=7.3； 精馏段N1=4.5 合适加料板位置：4.5
8 9 b xW xF xD 2
q线
1
a
3 4
5 6 7 f
10.3.4 理论板数 Number of ideal plates/stages
Discussion： ⑴塔顶、塔底何时算理论板？
有汽-液平衡时是一块理论板
⑵适宜加料板 feed plate位置？
V L (d)饱和蒸汽
V
L
(e)过热蒸汽
V=V， L>L
V<V， L>L
V<V， L=L
V<V， L<L
t B
0
过冷液：t F t 泡，q 1 饱和液：t F t 泡，q 1 进料热状况液、汽混合物：t 泡 t F t 露， 0 q 1 A 饱和蒸汽：t F t 露，q 0 过热蒸汽：t t ，q 0 F 露 1
ym+1
a
V’
WxW L y m1 xm V V
提馏段操 作线方程
L’
V’, yW
b L’, xn x D W,xx W 0 xW
过 b(xW, xW)、斜率>1 的直线 适用范围：再沸器，露点回流
xW
斜率影响：斜率↓，提馏段塔板分离能力↑
10.3 二元连续精馏的分析与计算
全塔物料衡算 精馏塔分析及图解 全塔物料衡算 精馏塔分析及图解 进料热状态影响 理论塔板数及填料层高 回流比影响及选择 理论板数捷算法 精馏塔操作型问题
E m V, n y n y n 1 y* n y n 1
⑶板效率的影响因素：
物性，操作条件，塔结构，……
10.3.4 理论板数 Number of ideal plates/stages
4.填料精馏塔的填料层高度：HETP等板高度
h0=NT ×HETP
或使用关联式计算：
/3 AG B D C Z1 0 L he L
液相减浓 浓程度
a
0
xn
xn-1
xD
x
10.3.2 精馏塔分析及图解
2. 提馏段stripping ~ ：加料板以下(含加料板)部分 y ym 作用：下降液体中B的提浓，除去A组分 m x
D
xm-1 xm xm+1
L V W Lx m Vy m 1 WxW
m+1
分离任务 (xD和xW)一定时，R↑，精馏操作线斜率 L/V↑，提馏段V’/L’↑，操作线靠向对角线，传质推动力 ↑，设备费用(NT) ↓；但操作费用(能耗)↑。
→→优化问题
R数值变化范围：0——∞。
但由于产品浓度xD、xW要求，存在最小值，称为最小 回流比，Rmin。
全凝器冷凝液全部回流时，称为全回流，R=∞。
x D 1 x W log 1 x D x W log x x A B lg x x B D A log W
V
(L L)(i V i L ) F(i V i F )
L L i V i F q 进料液相分率 F iV iL
F, iF
V, iV
L, iL
每kmol 进料从进料状况变为饱 和蒸汽所需热量 原料的kmol 汽化潜热
L' L qF
V' V (1 q)F
or R min
x D ye ye x e
e
两种特殊情况： ①泡点进料，xe=xF, xe与ye相平衡 ②露点进料，ye=xF, ye与xe相平衡
10.3.5 回流比的影响及选择
非正常平衡关系(非理想体系)时，用切线法求解Rmin
10.3.5 回流比的影响及选择
⑵全回流(R=∞) total reflux与最少理论板数Nmin 全回流：D=W=F=0。一般用于设备开车(建立全塔浓度分布)， 或调整操作，或实验研究中使用。 此时操作线为对角线yn+1=xn，推动力(距离)最大，所需理论 板数最少，称为minimum number of plates, Nmin。 ①图解法 ②逐板计算：芬斯克(Fenske)方程
第十章 蒸馏 Distillation