第六章精馏

第六章精馏一、精馏过程的数学描述在化工生产中，常根据混合液中各组分挥发度的不同，以精馏实现均相混合液的分离，二元连续精馏的基本流程如图6-1所示。精馏过程的实质是伴有传热的传质过程，传质推动力取决于相互接触汽液两相偏离平衡的程度。因此精馏过程的严格分析除了要应用相平衡、物料衡算两关系外，还需结合热量衡算及传质速率方程。为了避开后两关系使分析得以简化，在工程上常引入似下两个概念：(1)理论板，(2)恒摩尔流，前者将影响板上传质速率的全部因素包括在塔板效率中；后者则是对热量衡算的简化。于是精馏过程的数学描述可归结为全塔物料衡算、逐板组成变化两关系。以图6-1的流程分离理想溶液；其已知量、未知量之间的关系可用图6-2表示。图6-2表明，描述二元连续精馏的基本方程为)(1WFDWDFxxRqNNfxWxDxFxWDF，，，，，，由于三式中共涉及11个基本变量)(1RqNNxxxWDFWDF，，，，，，，，，，，因此其自由度为8，即须给定其中8个独立变量，才能确定另外3个变量。二、精馏操作型问题的特点及基本类型精馏操作型问题的特点是：精馏塔已经给定(设塔板效率已知)。即N、N1(或进料位置，通常不一定是最佳进料位置)为巳知量，其主要类型如下。(1)对现有的精馏塔，在给定精馏条件下，核算其可能达到的分离程度。如：已知N、N1、α、F、xF、q、R及W，求D、xD、xW。(2)对运行中的精馏塔，当某一操作条件改变时，分析分离效果的变化，是否能获得合格的产品及为此需采取的措施；还会产生什么其他的影响。如：①已知N、N1、α、F、xF、q、R不变，若V减少时，分析D、xD、xW的变化趋势；②已知N、N1、α、F、xF、q、V不变，若xF下降，能否采取什么措施使xF不降低?通常对类型2，操作条件的变化将引起塔内液，汽流量的改变，并影响塔板效率，若这一影响甚小而能忽略，便可把操作中精馏塔的理论板数视为不变。这是本章进行精馏塔操作分析时的一个前提条件。（6-1）（6-2）（6-3）三、精馏塔操作型问题的分析方法1定性分析方法图6-2所示的关系表明，操作条件改变所引起分离结果(xD、xW等)的变化必须同时满足全塔物料衡算和逐板组成变化两关系，但二者所起的作用并不相同。分离结果的改变是由于塔板分离能力(即经过一层理论板后，汽相的增浓程度或液相的减浓程度，详见本章附录一)的改变引起逐板组成发生变化所致，而其变化的程度则受全塔物料衡算关系的约束，因此定性分析时应首先考察逐板组成变化关系。逐板组成变化关系可用M-T图解法直观地表示，其基本步骤是画出精馏段、提馏段二操作线(见图6-3)：先利用已知条件及物料衡算定出xD、xW，再根据点a(xD，xD)及c(xD/(R+1))画出精馏段操作线，并与进料q线相交于点d(xd，yd)，然后连点d与b(xW，xW)即得提馏段操作线。原则上，上述步骤也适用于定性分析时二操作线的作法，但通常点a、b不易同时确定(除非D、W均不变，否则仅利用FxF=DxD+WxW，无法从xD的变化趋势确定出xW的变化趋势)，因此上述作法通常要稍作改动。即画提馏段操作线时不再连点d与b，而是从d作斜率为VL/的直线(见图6-3)。换句话说，画二操作线时通常要先确定VL/(或R)、VL/的变化情况，从而可认为用M-T图解法进行定性分析时，其着眼点是VL/(或R)、VL/变化的分析。在分析出VL/、VL/的变化情况后，利用M-T图解法及全塔物料衡算关系就可确定xD、xW的变化趋势，但由于在作操作线时xD、xW还待定，因此xD、xW变化情况的分析常要用试差法或反证法；即先假设xD的一个变化趋势，结合全塔物料衡算及VL/、VL/的改变情况，作出新工况下的二操作线，然后根据M-T图解法看其是否有可能满足N不变这个限制条件，若不能满足，则假设有误，应予以排除，再假设新的xD变化趋势，直至正确为止。通常上述方法是行之有效的，但有时稍显繁琐。另外一个较简单的方法是通过考察理论塔板的分离能力来确定xD、xW的变化趋势。影响理论板分离能力的主要因素是VL/、VL/，定性地说，VL/越大(≤1)，精馏段操作线越靠近对角线即偏离平衡线，精馏段的分离能力越高，同理，VL/越小(≥1)，提馏段的分离能力也越高(较严格的分析请参见本章附录一)。因此利用这个结论及全塔物料衡算关系，可确定操作条件改变后xD、xW的变化趋势。有时，上述基于塔板分离能力考察的方法还只能定出xD、xW二者之一的变化趋势，此时则还需根据xD(或xW)、VL/、VL/的变化情况，利用M-T图解法才能定出xD(或xW)的变化趋势。2定量计算方法对于一般操作型问题的定量计算，由于xD、xW或R往往是待求量，操作线方程就不能确定，而须用试差法，计算量较大。若板数稍多，宜借助计算机求解。定量计算时常用的公式如下。精馏段操作线方程11RxxRRyD提馏段操作线方程WxVWxVLy进料线(g线)11Fqxxqqy相平衡线xxy)1(1或yyx)1(应该指出，上述内容是针对图6-1的基本流程而言的，且认为总压不变。若总压有变化，则需考察总压对相平衡关系的影响(对理想溶液，总压增加，α略有减小)；若流程有变化(如有侧线、多股进料等)，则计算方法要作相应的调整。为了书写简明，在本章后面的例题及习题中，若无特殊说明，流程即为图6-1，并满足以下条件：全凝器，泡点回流，间接蒸汽加热，加料位置不变，操作压力不变，恒摩尔流。四、分析与计算示例