化工原理精馏

§9.4精馏的原理和二元连续精馏的分析与计算一、全塔物料衡算二、精、提馏段物料衡算三、理论塔板数N的计算yxWD,xDW1,x1加热简单蒸馏VyDPFxFt高温高压LxW平衡蒸馏为什么利用多次简单蒸馏或多次平衡蒸馏操作实现物系的高纯度分离是不经济的?yxWD,xDW1,x1加热简单蒸馏VyDPFxFt高温高压LxW平衡蒸馏yxWD,xDW1,x1加热简单蒸馏VyDPFxFt高温高压LxW平衡蒸馏能耗大！设备投资大！产品量小！使不平衡的汽液两相（汽相温度高、液相温度低）经过足够长时间充分接触，离开时，汽液两相达到了平衡，这个过程称为平衡级。1．平衡级定义又称接触级接触级x0t0L饱和液相饱和汽相y0T0VT0t0yVtxLtBA0yy0xxtxyt-yt-xBT0t0Ay0x0§9.4平衡级和精馏原理x0t0ytLt,xy0T0V进料釜液馏出液精馏段提馏段冷凝器再沸器理论板(平衡级)回流加料板§9.4平衡级和精馏原理精馏是利用回流手段、经过多次平衡级过程，使物系实现高纯度分离的操作。2．精馏原理及设备平衡级平衡级平衡级§9.4平衡级和精馏原理2．精馏原理及设备板式塔的操作情况分析tn+1tnynyn+1xn-1xnyn–xn理论板D,xDW,xWF,xF§9.4二元连续精馏的分析与计算塔顶（或塔底）产量和浓度塔内物流量回流量塔板数或填料层高度进料位置塔径LVLV计算项目：D,xDW,xWF,xFWDFWxDxFxWDF易挥发组分回收率：%1001FDFxDx难挥发组分回收率：%100)1()1(2FWxFxW§9.4二元连续精馏的分析与计算一、全塔物料衡算塔顶（或塔底）产量和浓度塔内物流量回流量塔板数或填料层高度进料位置塔径D,xDW,xWF,xFLVLV饱和液相x0t0ytLV饱和汽相t,xy0T0LVBAABANBN------若组分A、B的汽化潜热接近，则NANBVL二、精、提馏段物料衡算txyt-yt-xBT0t0Ay0x0§9.4二元连续精馏的分析与计算塔顶（或塔底）产量和浓度塔内物流量回流量塔板数或填料层高度进料位置塔径计算前提：恒摩尔假定塔顶（或塔底）产量和浓度塔内物流量回流量塔板数或填料层高度进料位置塔径1．精馏段操作线方程全凝器，泡点回流D,xDW,xWF,xFV,yn+1L,xnDnnDxLxVyDLV1DnnxVDxVLy1令DLR-------回流比DRVRDL)1(111RxxRRyDnnn1LxDVy1Vy1=xD-------精馏段的操作线方程DnnxDLDxDLLy1L二、精、提馏段物料衡算111RxxRRyDnn-------精馏段的操作线方程过点a（xD、xD）、截距为xD/(R+1)、斜率小于1的直线yxDa0XxDxnyn+1二、精、提馏段物料衡算nxnyn+1操作线斜率大，意味着经过一块理论板后，汽相的增浓程度变大，液相的减浓程度变大。故操作线斜率大对精馏段的分离是有利的。yxDaxn-1ynnxnyn+10xDxnyn+1ynxn-1汽相增浓程度液相减浓浓程度二、精、提馏段物料衡算思考：操作线斜率大，对精馏是否有利？111RxxRRyDnnxm+1L,xMV,yWymVLxm-1W,xWxmm+1mym+1物料衡算得：WmmWxyVxLWVL1VWxxVLyWmm1------提馏段的操作线方程二、精、提馏段物料衡算2．提馏段操作线方程塔顶（或塔底）产量和浓度塔内物流量回流量塔板数或填料层高度进料位置塔径''1'1RxxRRyWmmWV'R'令WVxxWVWVVWxxVWVyWmWmm1''1yxDaxWb0xWxD二、精、提馏段物料衡算------提馏段的操作线方程过点b（xW、xW）、斜率1'1'RR、截距为'Rxw的直线斜率小，提馏段内塔板的分离能力高。思考：操作线斜率大，对精馏是否有利？xmym+1xmxm-1ymymxm-1ym+1''1'1RxxRRyWmmP一定Bt-ytt-xA01(a)过冷液体(b)饱和液体(c)汽液混合物(d)饱和蒸汽(e)过热蒸汽VLLVF}VLLVF{VLLVF{VLLVF{}VLLVF}VV，LLV=V，LLVV，LLVV，L=LVV，LL露露露泡泡泡过热蒸汽：饱和蒸汽：饱和液、汽混合物：饱和液体：过冷液体：五种进料热状况tttttttttttFFFFF3、进料热状况的影响及加料线方程t泡t露V,hVL,hLL,hLV,hVF,hFVVLLhhhh，近似认为VLFhVVhLLFh)()()())((FVLVhhFhhLLLLFVVVhLLF对加料板作总物料衡算和热量衡算：VLVLFVhhLhVLhFhVLVLFLVFVhhhhFLLV,hVL,hLL,hLV,hVF,hFLVFVhhhhFLL进料的千摩尔汽化潜热量态变为饱和蒸汽所需热每千摩尔进料从进料状-----进料热状况参数qFqVVqFLL)1(LLFVVDRVRDL)1((a)过冷液体(b)饱和液体(c)汽液混合物(d)饱和蒸汽(e)过热蒸汽VLLVF}VLLVF{VLLVF{VLLVF{}VLLVF}001011qttqttqtttqttqttFFFFF，过热蒸汽：，饱和蒸汽：，饱和液、汽混合物：，饱和液体：，过冷液体：五种进料热状况露露露泡泡泡q------液相分率FqVVqFLL)1(''VV，LLV=V，LLVV，LLVV，L=LVV，LLLVFVhhhhFLLq'前已推得，精馏段和提馏段操作线方程如下：DDxLxVyWWxxLyV)()()(WDWxDxxLLyVV又FqVVqFLL)1(，故11qxxqqyF-----q线方程过点f（xF、xF）的直线d5q0xDacxWxbxFfq=00q1q=1q1d4d3d2d1二、精、提馏段物料衡算q线方程11qxxqqyFd5q0xDacxWxbxFfq=00q1q=1q1d4d3d2d1FqVVqFLL)1(''二、精、提馏段物料衡算-----q线方程进料状况的影响：影响到提馏段传质推动力；影响到再沸器的热负荷。例1：在连续精馏塔中分离两组分理想溶液，原料液流量为100kmol/h，组成为0.3（摩尔分数），其精馏段操作线和提馏段操作线分别为y＝0.714x＋0.257和y＝1.686x－0.0343。试求：1）馏出液的组成和釜液的组成；2）精馏段下降液体流量，kmol/L;3）进料热状况参数。例2：用连续精馏塔中分离两组分理想溶液，已知塔的精馏段操作线和提馏段操作线分别为：y＝0.75x＋0.205和y＝1.415x－0.041。试求：1）此塔的操作回流比R和馏出液的组成XD；2）饱和液体进料条件下的釜液组成XW;3）饱和液体进料、馏出液量为120kmol/h时所需原料液的量F。三、理论塔板数N的计算理论板数的求取方法：捷算法图解法逐板法塔顶（或塔底）产量和浓度塔内物流量回流量塔板数或填料层高度进料位置塔径计算前提：理论板假定相平衡方程：xxy)1(1精馏段操作线方程：111RxxRRyDnn提馏段操作线方程：WLWxxWLLyWmm'''111xyxD相wNNyyx提操作线相1全塔理论板数N-1块三、理论塔板数N的计算1．逐板法精馏塔的逐板计算yN-1D,xDy1y2L,xDx1xnyn+1VL12nx2ynV,y1xN-1xm+1L,xN-1V,yWymVLxm-1W,xWm+1mym+1N-1NxmF,xFN1+1N1xN1xN1+1xN1+1xN1[yN1+1xD=yN=yW2y精操作线2x相11111NNNxyx相精操作线相第一块塔板dx第N1块塔板请看图精馏段板数N1块进料位置在第N1+1块第N1+1块塔板21Ny提操作线……WNxx相第N-1块塔板第N块塔板（再沸器）提馏段板数(N-1-N1)块1yabdfxFxWxD8102463791151213理论板数的图解三、理论塔板数N的计算(1)作出精、提操作线、q线；(2)从点a开始在平衡线和精馏段操作线之间画阶梯，当梯级跨过点d时，就改在平衡线和提馏段操作线之间画阶梯，直至梯级跨过点b为止；2．图解法麦卡勃-蒂列（Mccabe-Thiele）法，简称M-T法精馏段5.7块加料板在第6块提馏段板数=11.8-5.7=6.1块全塔理论板12.8块（包括再沸器）100.20.40.60.8100.20.40.60.8xyabcdfxFxWxD8102463791151213理论板数的图解x1y2思考：为什么一个梯级代表一个理论板？精馏塔的逐板计算yN-1D,xDy1y2L,xDx1xnyn+1VL12nx2ynV,y1xN-1xm+1L,xN-1V,yWymVLxm-1W,xWm+1mym+1N-1NxmF,xFN1+1N1xN1xDy1=xD100.20.40.60.8100.20.40.60.8xyabcdfxFxWxD8102463791151213理论板数的图解D,xDW,xWF,xF最佳位置进料00.20.40.60.8100.20.40.60.8xy1abcdfxFxWxD8102463791151213理论板数的图解14D,xDW,xWF,xF非最佳位置进料与最佳进料的比较：进料口下移3块板非最佳位置进料比最佳位置进料所需的理论板数多。100.20.40.60.8100.20.40.60.8xyabcdfxFxWxD8102463791151213理论板数的图解14D,xDW,xWF,xF非最佳位置进料与最佳进料的比较：进料口上移1块板非最佳位置进料比最佳位置进料所需的理论板数多。