武汉大学-《化学工程基础》第6章精馏-2

§4理论塔板数的计算在精馏塔设计中引入理论塔板的概念，是为了简化计算。通常是先求出理论板数，然后根据塔板效率予以修正，求出实际的塔板数。对于填料塔，用相当于一块理论塔板分离效率的填料层高度代表塔板，称为填料的等板高度，只要求出理论板数即可以求出填料塔的填料层高度。4-１逐板计算法•假设离开该板（第n块板）的上升蒸汽Yn组成和板上（第n块板）下流液体Xn组成互成平衡，该板称之为理论板。逐板计算法：•逐板计算法是利用进料的气液相平衡关系和操作线方程去计算每一块理论塔板的气液相浓度。•其依据是：进入每块塔板的气液相在塔板上充分接触，最大限度地实现热量、质量传递，由不平衡达到平衡。从塔最上层上升的蒸汽y1，在塔顶冷凝器中被全部冷凝后，得到的塔顶馏出液组成、塔顶回流液的组成xd与第一层塔板上升的蒸汽组成y1相同，即y1=xd。因是理论塔板，由塔顶第一板下降的回流液组成x1与该板上升蒸汽的组成y1符合气、液平衡方程。第二层塔板的组成符合精馏段操作方程依此类推，算到第n板的液相组成xn与加料板的组成xf近似为止，即xn≤xf，表明第n层为加料板；可做为提馏板的第一层，故精馏段的理论板数为n-1，以后再逐级向下计算。)1(1xxy11RxxRRy由提馏段第二层塔板下降的液体组成x’2与y’2符合相平衡关系，由相平衡方程可以解出x’2，依此类推，当x’m≤xw为止。提馏段的理论塔板数为m-1，而精馏塔所有的塔板数为（m+n-1）由此可以求出理论塔板数。这种方法计算的结果较准确。xqqqqxqqqqqy提馏塔段的计算公式4-2图解法通常采用直角梯级图解法。其实质仍然是以平衡关系与操作关系为依据，将两者绘在x-y图上，便可图解得出达到指定分离任务所需的理论塔板数及加料板位置。图解步骤如下：①作平衡线(x-y)与对角线②作精馏段操作线，即连的直线111RxxRRydddxxaRxb,10,与③作进料线，④作提馏段操作线即连所得直线即是。⑤从a点开始，在平衡线与操作线之间作直角梯级，直到超过O点。有多少直角梯级，就有多少块理论板数。跨越d点的阶梯为加料板。11xxydACxxeFF于的直线交点，作斜率为过1,xqqqqxqqqqqydxxcWW与,4-2回流比的影响及选择•稳定回流是维持定常连续精馏过程的必要条件，应用回流与上升蒸汽是精馏过程的基本条件。所以，回流比的大小是影响精馏操作最重要的因素。•对于组成一定的料液和分离要求，增加回流比，精馏段操作线的斜率R/R+1增大，精馏段和提馏段操作线均向对交线方向移动，它们与平衡线之间的距离增大，表示塔内气、液两相离开平衡状态的距离增大，两相间的推动力增加。结果，分离所需要的理论塔板数减少。•显然，R越大，所需理论塔板数越少。当R增到无穷大时，其实质上是馏出液量为零，即上升蒸汽在冷凝器中冷凝后全部回流，故称为全回流，这是增大回流比的极限。因此，此时分离所需的理论塔板数为最小理论塔板数。全回流和芬斯克方程•全回流——当xd→０时，则Ｒ→∞，此时称为全回流。这时精馏段与提馏段操作线方程均与对角线（y=x）重合，此时理论板数最少（Nm）。•全回流时，最少理论板数的计算式芬斯克公式推导•全回流时，qn，D=O，R=qn，L/qn，D=∞，最少理论板数的计算式•最小回流比•最小回流比——当Ｒ减小时，R/(R+1)↓，当Ｒ减至两操作线交点逼近平衡线时，此时N→∞，此时Ｒ称为最小回流比Ｒmin。•适宜回流比的确定•（1）回流比Ｒ对理论板数的影响。如图所示。RNNRxRNRxRDD111正比于即操作线远离平衡线，，，反之，操作线靠近平衡线，，，（2）回流比对设备费与操作费的影响操作费，，加热蒸汽量冷却水量塔高下降，设备费设备费，蒸馏釜，冷凝器塔直径,,,,,,1,,,,,,VnVnDnDnLnVnqRNRqRqRqqq•１线为“设备费～Ｒ”的关系式•２线为“操作费～Ｒ”的关系式•３线为“总费用～Ｒ”的关系式。•取总费用为最少的3线中的低点，一般取最小回流比的1.1-2倍。即R=（1.1-2）Rmin4-4进料热状况的影响•精馏原料的进料状态有以下5种：•（1)温度低于泡点的冷液体，δ1;•（2)处于泡点的液体,δ=1;•（3)温度介于泡点与露点之间的气液混合物,0δ1;•（4)温度处于露点的饱和蒸汽,δ=0;•（5)温度高于露点的过热蒸汽,δ0.•表现在图上是提馏线向左移动.五种进料对δ线的影响进料状况δ值斜率δ/(δ-1)进料线位置A，冷凝体1＋B，泡点液体=1∞C，汽-液混合物0～1－D，露点蒸汽=00E，过热蒸汽0＋4-5简捷法求理论塔板数吉利兰图法求理论板数1.由作图法或解析法求出Rmin,并确定适宜的回流比R。2.由芬斯克方程求出Nmin。3.计算(R-Rmin)/(R+1),在吉利兰图上查出对应的(N-Nmin)/(N+1),然后算出理论板数N。【例3-4】某二元理想混合液其平均相对挥发度为。若进料组成，要求馏出液组成为，釜液组成，泡点进料，回流比Ｒ取为8.0。试求所需理论板数。1.35.0Fx9.0Dx1.0Wx•【例3-5】欲用一连续精馏塔分离含苯为44%（摩尔分数）的苯-甲苯二元混合物液，现用泡点进料，操作回流比R=3，相对挥发度a=2.41,要求塔顶产品含苯xD=95.5%,塔底残液含苯xw=5.85%.试用逐板计算法、图解法和简捷算法求取该塔所需要理论塔板数。4-6实际板数与板效率•塔板效率•上升蒸汽（yn+1）中的难挥发份Ｂ，以分子扩散的形式，穿过气膜，扩散至液膜。易挥发组分Ａ由液膜以分子扩散的形式，穿过气膜，进入上升蒸汽中。当蒸汽离开液相时，蒸汽中易挥发组分Ａ增高，即ynyn+1，此即精馏的传质过程机理。此处计算要用菲克定律。•理论板数，是假定板上流体与上升蒸汽成平衡。但实际上，由于接触面积有限，接触时间也有限，汽相与液相不可能达到平衡。因此达到指定的分离要求，实际板数（N）要大于计算的理论板数（NT）。1.单板效率莫弗里板效率1）气相莫弗里板效率（EMG），如图6-30所示。成平衡的气相组成。—与—变化一块理论板汽相浓度的变化一块实际板汽相浓度的nnnnnnMGxyyyyyE*1*1•（2）液相莫弗里板效率（EML）成平衡的液相组成。—与—变化一块理论板液相浓度的变化一块实际板液相浓度的nnnnnnMLyxxxxxE**112.总板效率为理论板数。为实际塔板数；称为全塔效率；式中：NNEENNNNETTT影响塔板效率的因素•影响塔板效率的因素只要有:•物性因素:•只要指物质的密度,粘度,表面张力,相对挥发度,等.•结构因素:•塔板的类型,板间距离,塔径,等•操作因素:•主要指温度,压强,上升速度和气液流速等.§5间歇精馏•5-1间歇精馏的特点•1.间歇精馏为非定常态精馏过程.一次性投入,各组成随温度,压力,时间而变化。如浓度随着操作的进行而不断降低，当釜液浓度达到规定值时，停止加料，排出残渣。•2.间歇精馏只有精馏段.•5-2恒回流比操作的间歇精馏计算••间歇精馏的二种操作方式:•一种是恒定馏出液组成,即在操作过程中不断改变回流比,保持馏出液组成衡定.•另一种是回流比不变,馏出液中易挥发组分含量逐渐降低.•后种操作方式相对较多.馏出液维持恒定的操作如上图中红线表示需要2块理论塔板数.计算回流比恒定操作时所需要的理论塔板数•1.按工艺要求馏出液的平均浓度xd,则设计时应使最初的馏出液浓度xd,1xd,以使平均浓度达到或超过规定值,并设釜液起始组成xw,1=xf.•2.根据xf和xd,1计算最小回流比Rmin•最小回流比Rmin为:•由于物料一次加入而没有提馏段,yδ=yf,xδ=xfxyyxR,1xyyxR•3.取适当的回流比,以确定实际回流比.通常为:R=(1.1-2)Rmin•4.由当xf,xd,1和R确定后,即可按一般图解法求出所需要的理论塔板数.•5.xd(xw)与qn,wqn,D的关系xxdxqqln§6多组成精馏和其他精馏方法简介•6-1多组分简单精馏•如何由简单蒸馏发展为大型精馏塔？为什么塔顶要引入回流？为什么必须在塔中部加料？这是进行精馏计算之前必须解决的问题。•多组分精馏的原理•依据组分之间的相对挥发度的差异采用多次部分气化和多次部分冷凝的方法来达到分离的目的。•6-2共沸精馏•适用于待分离的组成的挥发度非常接近的物质.•原理:•向共沸溶液中加入第三组分,若该组分能与原有的一个或多个组分形成共沸物,且这种新共沸组分的挥发度显著高与于或低于原有个组分的挥发度,则新的共沸物中各组分的含量与原料液组成不同,可采用普通精馏的方法予以分离,这种方法称为共沸精馏。•如无水乙醇的制备.苯作为共沸剂,物质中的水转移到苯中,乙醇被提纯,苯与水经蒸馏后回收苯,水被分离出来.•6-3萃取精馏•萃取精馏原理•向原料液中加入第三组分,通过该组分的萃取作用改变原有组分间的相对挥发度。•如苯-环已烷的分离,加入糠醛.苯与糠醛留在塔的底部,环已烷从塔的上部流出。苯与糠醛因沸点相差较大,很容易分离。把10毫升碘水和4毫升CCl4加入分液漏斗中，并盖好玻璃塞。用CCl4萃取碘水中的碘并分液•萃取剂的选择•1.选择性强,即加入少量溶剂就可以使原组分间的相对挥发度显著增大.•2.溶解度大,能与任何浓度下的原混合液互溶.•3.挥发性小,即具有比被分离组分得多的沸点,且不与原混合液中各组分形成共沸物.以便于吸收.•4.应满足一般工业要求.•共沸与萃取不同:•1.萃取剂比共沸剂容易选择•2.通常萃取剂的沸点比原有组分高许多.•3.在萃取精馏中,加入的萃取剂的量变化范围较大,容易控制;而在共沸精馏中,加入的量多有限.•4.萃取不易采用间歇操作,而共沸精馏可以采用间歇操作;•5.共沸精馏的操作温度比萃取精馏的操作温度低,更适应于热敏性物料的分离.§7传质设备•7-1评价传质设备的指标•传质设备主要有填料塔和板式塔.评价指标为:•1.分离效果•分离效果是指每层塔板或单位高度的填料所能分离的程度，它取决于物料的性质与操作状态。•2.生产能力•是指单位时间单位塔截面上处理的物料的量.它与空塔速度有关.••3.压力降•压力降是指:气相通过每层塔板或单位高度填料层的压力下降.下降过大,能耗增加。•4.持液量•在正常操作时,填料表面,塔内构件和塔板上所保持的液体量,它随操作符合的变化而变化。7-2填料塔•填料的性质•1.比表面积:单位填料层所具有的表面积.•2.空隙率:单位体积填料所具有的空隙体积称为空隙率.••常用填料和新型填料•可分为:整块填料与散装填料.•主要有:拉西环,鲍尔环,弧鞍填料,•金属填料等等•塔高和塔径的计算•1.传质单元法•填料层高度=传质单元高度×传质单元数•2.等板高度法•填料层高度=等板高度×理论板数•3.塔径计算•式中:qv-在操作条件下,混合气体的体积流量.•u-填料塔的适宜空塔气速.uqD47-3板式塔此塔若为间歇加料，操作不稳定，但可以从塔顶和塔底得到两种纯组分，若为连续加料，操作是稳定的，却只能从塔顶获得一种纯产品，称为没有提馏段的精馏塔。若在图6-38中，改为塔顶加料，则称为提馏塔。根据板的结构不同可分为:泡罩塔:泡罩的结构筛板塔:多孔的板面浮阀塔新型塔板板式塔高和塔径的计算有效段塔高:H=NHTN---实际塔板数HT—板间距离填料塔与板式塔的比较项目塔型板式塔填料塔压力降压力降一般比填料大压力降小,适于减压操作空塔气速空塔气速大空塔气速小塔效率效率较稳定,大塔板效率比小塔板效率有所提高塔径在1.5米一下效率高,塔径增大,效率会下降液气比适用范围大对液体喷淋量有一定要求持液量较大较小适应能力能够处理易聚合或含固体悬