化工原理課件95雙組分精餾的設(shè)計(jì)型計(jì)算

1、9.5雙組分精餾的設(shè)計(jì)型計(jì)算 9.5.1理論板數(shù)的計(jì)算 9.5.2 回流比的選擇 9.5.3 進(jìn)料熱狀況的選擇 9.5.4雙組分精餾過程的其他類型 9.5雙組分精餾的設(shè)計(jì)型計(jì)算 9.5.1理論板數(shù)的計(jì)算 用精餾方法分離乙烯-乙烷(常壓泡點(diǎn)分別為-88.6，-103.7）混合物。已知xF=0.78(指乙烯的摩爾分?jǐn)?shù)，下同)。要求：試設(shè)計(jì)一板式精餾塔來完成上述設(shè)計(jì)任務(wù)。目標(biāo):確定塔板類型、實(shí)際塔板數(shù)、塔徑和塔板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要選擇的變量：操作壓力、回流比、加料熱狀態(tài)。 用精餾方法分離乙烯-乙烷(常壓泡點(diǎn)分別為-889.5.1理論板數(shù)的計(jì)算 一、設(shè)計(jì)型計(jì)算的命題 根據(jù)規(guī)定的分離要求，選擇精餾的操作條件，計(jì)

2、算所需的理論板數(shù)。 規(guī)定分離要求：對塔頂、塔底產(chǎn)品的質(zhì)量和數(shù)量（產(chǎn)率或回收率）提出一定的要求，即在D、W、xD、xW、中規(guī)定任意2個(gè)條件。9.5.1理論板數(shù)的計(jì)算 一、設(shè)計(jì)型計(jì)算的命題 根二、逐板計(jì)算法 先考慮操作壓力、回流比、加料熱狀態(tài)均已知時(shí)理論板數(shù)的計(jì)算。 假設(shè)塔頂冷凝器為全凝器，泡點(diǎn)回流，塔釜為間接蒸汽加熱。 1.計(jì)算依據(jù) 相平衡方程： 理想溶液 精餾段操作方程： 提餾段操作方程： 精餾段與提餾段交點(diǎn)坐標(biāo) (1)(2)(3)二、逐板計(jì)算法 先考慮操作壓力、回流比、加料(1)(2)(3)使用相平衡方程的總次數(shù)，就是總理論板數(shù)。冷凝器類型塔板數(shù)塔頂為全凝器n(包括塔釜)n-1(不包括塔釜)

3、塔頂為分凝器n-1(包括塔釜)n-2(不包括塔釜)(1)(2)(3)使用相平衡方程的總次數(shù)，就是總理論板數(shù)。冷三、圖解法 1、繪對角線 2、繪相平衡曲線 3、繪精餾段操作線 4、繪提餾段操作線 5、繪直角梯級 從a點(diǎn)開始，在精餾段操作線與平衡線之間作水平線及垂直線，當(dāng)梯級首次跨過d點(diǎn)時(shí)，則改在提餾段操作線與平衡線之間作直角梯級，直至梯級的水平線達(dá)到或跨過c點(diǎn)為止。其中過d點(diǎn)的梯級為加料板，最后一個(gè)梯級為再沸器。 三、圖解法 1、繪對角線四、最優(yōu)加料位置的確定 1. 加料位置的體現(xiàn)？ 2. 設(shè)計(jì)型計(jì)算時(shí)加料位置的改變會不會影響操作線的位置？不會。 圖解法中，更換操作線； 逐板計(jì)算法中更換精餾段操

4、作方程。3. 加料位置是否可任選？不能，必須在pm之間。 加料過早或過晚，都會使某些梯級的增濃程度減少而使理論板數(shù)增加。4. 分離要求不變，改變加料位置對塔板數(shù)的影響？四、最優(yōu)加料位置的確定 1. 加料位置的體現(xiàn)？ 加料位置偏高：餾出液難揮發(fā)組分含量偏高。 5. 總板數(shù)不變，改變加料位置偏低或偏高對分離要求的影響？表現(xiàn)：釜?dú)堃号c餾出液不能同時(shí)達(dá)到規(guī)定的分離要求。加料位置偏低：釜?dú)堃阂讚]發(fā)組分含量偏高。 6. 最優(yōu)加料位置 該板的液相組成x等于或略低于xq的板作為加料板。加料位置偏高：餾出液難揮發(fā)組分含量偏高。 5. 總板數(shù)不變，9.5.2 回流比的選擇 一、全回流(R=)與最少理論板數(shù)Nmin

5、1. 全回流的特點(diǎn) 不加料，也不出料。F=0,D=0,W=0 R=L/D=L/0=.兩操作線合二為一且與對角線重合。 兩板之間任一截面上，上升蒸汽組成yn+1與下降液體組成xn相等 全回流時(shí)操作線和平衡線的距離最遠(yuǎn)，因此達(dá)到指定分離程度所需的理論板數(shù)最少，以Nmin表示。9.5.2 回流比的選擇 一、全回流(R=)與最少理論板數(shù)2. 最少理論板數(shù)Nmin的求法 圖解法。 該法繁瑣，但對理想溶液和非理想溶液均適用。 2. 最少理論板數(shù)Nmin的求法 圖解法。 該法繁瑣，但 芬斯克（Fenske）方程法 待分離物系：理想溶液相平衡方程操作方程自塔頂開始計(jì)算 芬斯克（Fenske）方程法 待分離物系

6、：理想溶液相平衡令（包括塔釜） 二元精餾 （包括塔釜） 3. 應(yīng)用 開工、調(diào)試、實(shí)驗(yàn)研究及一些特殊的場合 例1：操作中當(dāng)生產(chǎn)中因意外而產(chǎn)生低于純度要求的產(chǎn)品時(shí)，進(jìn)行一定時(shí)間的全回流，能較快地達(dá)到操作正常； 例2：在實(shí)驗(yàn)中測定塔的分離效能（塔板效率等）或?qū)嶒?yàn)室研究的目的是得到幾滴極高純度的產(chǎn)品 令（包括塔釜） 二元精餾 （包括塔釜） 3. 應(yīng)用 開二、回流比的選擇 1 技術(shù)限制存在最小回流比Rmin 前提：分離要求xD、xW，加料組成xF、加料熱狀態(tài)q、物系的相平衡關(guān)系已知。 分析：當(dāng)回流比自全回流逐漸減小的過程中會發(fā)生什么現(xiàn)象，回流比能否降至零？ 理想溶液 兩操作線的交點(diǎn)只能落在ef線段上 交

7、點(diǎn)為e時(shí)R=交點(diǎn)為f時(shí)R=Rmin 恒濃區(qū):在e點(diǎn)上下塔板無增濃作用，所以此區(qū)稱為恒濃區(qū)（或稱挾緊區(qū)）， e點(diǎn)稱為挾緊點(diǎn)二、回流比的選擇 1 技術(shù)限制存在最小回流比Rmin xe、ye泡點(diǎn)進(jìn)料 q=1，xe=xF 露點(diǎn)進(jìn)料 q=0，ye=xF xe、ye泡點(diǎn)進(jìn)料 q=1，xe=xF 露點(diǎn)進(jìn)料 q=0，y非理想體系 平衡線沒下凹，如甲醇水溶液xeye平衡線有凹，如乙醇水溶液非理想體系 平衡線沒下凹，如甲醇水溶液xe平衡線有凹，如 最小回流比的特點(diǎn)：完成分離要求所需理論板數(shù)為無窮大。 最小回流比：對規(guī)定的分離要求，特定的加料組成與加料熱狀態(tài)，平衡線已定的情況下，回流比從無窮大減小的過程中，首次出現(xiàn)

8、挾緊點(diǎn)時(shí)的回流比。 影響最小回流比的因素：分離要求、物系的汽液相平衡、加料熱狀況 最小回流比的特點(diǎn)：完成分離要求所需理論板數(shù)為無窮大。2. 經(jīng)濟(jì)優(yōu)化存在最優(yōu)回流比 比較基準(zhǔn)：F、xF、q、xD、xW相同 結(jié)論：R，操作費(fèi)用增加 R冷凝器 Qc Qb 再沸器 操作費(fèi)用 回流比對費(fèi)用的影響 2. 經(jīng)濟(jì)優(yōu)化存在最優(yōu)回流比 比較基準(zhǔn)：F、xF、q、x設(shè)備費(fèi)用精餾段R(L/V)提餾段操作線遠(yuǎn)離平衡線操作線遠(yuǎn)離平衡線設(shè)備費(fèi)用精餾段R(L/V)提餾段操作線遠(yuǎn)離平衡線操作 最適宜回流比應(yīng)通過經(jīng)濟(jì)衡算來決定，即按照操作費(fèi)用與設(shè)備折舊費(fèi)用之和為最小的原則來確定 R,塔板數(shù)下降，設(shè)備費(fèi)用降低。結(jié)論： 最適宜回流比

9、最適宜回流比應(yīng)通過經(jīng)濟(jì)衡算來決定，即按照操作費(fèi)通常適宜回流比可取最小回流比的(1.12.0)倍，即 近年，由于能源緊張，其倍數(shù)有降低的趨勢，甚至可小至1.05倍。 三適宜回流比的選擇通常適宜回流比可取最小回流比的(1.12.0)倍，即 四理論塔板數(shù)的捷算法 將已有的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)以作圖。對2.Gilliland關(guān)聯(lián)圖 8種物系在廣泛的精餾條件下，由逐板計(jì)算得到的結(jié)果：組分?jǐn)?shù)目211,加料熱狀況包括過冷至過熱等5種情況，Rmin為0.537.0；組分間的相對揮發(fā)度為1.264.05；理論板層數(shù)為2.443.1。1. 思路吉利蘭關(guān)聯(lián)圖的依據(jù)： 吉利蘭關(guān)聯(lián)圖可用于兩組分和多組分精餾的計(jì)算。對甲醇-水一類非

10、理想物系也可適用，但其條件應(yīng)盡量與上述條件相似。3.應(yīng)用 四理論塔板數(shù)的捷算法 將已有的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)以作圖。對2.Gil適用條件：適用條件：4吉利蘭關(guān)聯(lián)式適用條件：適用條件：4吉利蘭關(guān)聯(lián)式9.5.3 進(jìn)料熱狀況的選擇 討論前提：處理量、xF及分離要求xD、xW不變 一、R不變時(shí)q對過程的影響 q即進(jìn)料前原料經(jīng)過預(yù)熱和部分汽化 結(jié)論:R不變,q ,塔板數(shù)增加 總結(jié)論：在總供熱量不變的情況下，熱量盡可能自塔低輸入。 9.5.3 進(jìn)料熱狀況的選擇 討論前提：處理量、xF及分離二、q即進(jìn)料前原料經(jīng)過預(yù)熱和部分汽化 這是以增加熱耗為代價(jià)的。 不變時(shí)q對過程的影響提餾段不變結(jié)論:不變,q ,塔板數(shù)減小,二、q

11、即進(jìn)料前原料經(jīng)過預(yù)熱和部分汽化 這是以增加熱耗為代價(jià)三、加料狀態(tài)的選擇依據(jù) 1. 一般而言，在熱耗不變的情況下熱量應(yīng)盡可能在塔底輸入 冷量應(yīng)盡可能施加于塔頂 2. 前道工序的來料狀態(tài)就是進(jìn)料狀態(tài) 3. 工業(yè)上有時(shí)采用熱態(tài)甚至汽態(tài)進(jìn)料的原因 減少塔釜的加熱量。尤其是塔釜溫度過高，物料易產(chǎn)生聚合或結(jié)焦的情況。 三、加料狀態(tài)的選擇依據(jù) 1. 一般而言，在熱耗不變的情況下熱9.5.4雙組分精餾過程的其他類型 一、直接蒸汽加熱 操作前提：1、物料中有水2、水是重組分，從塔釜出去特殊點(diǎn): (xw,0)9.5.4雙組分精餾過程的其他類型 一、直接蒸汽加熱 操作前二、多股進(jìn)料1 應(yīng)用場合 兩種成分相同但濃度不

12、同的料液 2. 過程的數(shù)學(xué)描述(以兩股進(jìn)料為例) 二、多股進(jìn)料1 應(yīng)用場合 兩種成分相同但濃度不同的料液 2段段段段段段 回流比R減小，三條操作線均向平衡線靠攏。當(dāng)R減小至某個(gè)值時(shí)，挾點(diǎn)可能出現(xiàn)在-兩段操作線的交點(diǎn)e1處，也可能出現(xiàn)在-兩段操作線的交點(diǎn)e2處。對非理想性很強(qiáng)的物系，挾點(diǎn)也可能出現(xiàn)在某個(gè)中間位置，先出現(xiàn)挾點(diǎn)時(shí)的回流比為最小回流比。 最小回流比Rmin 回流比R減小，三條操作線均向平衡線靠攏。當(dāng)R減三、側(cè)線出料 有側(cè)線出料時(shí)操作線斜率通常，在最小回流比Rmin時(shí)，挾點(diǎn)一般出現(xiàn)在q線與平衡線交點(diǎn)處。 三、側(cè)線出料 有側(cè)線出料時(shí)操作線斜率通常，在四、回收塔（提餾塔） 從第一塊板加料，無精餾段，無回流，下降的液體由進(jìn)料提供。一般用于回收稀溶液中的易揮發(fā)組分。加料情況：冷液或泡點(diǎn)進(jìn)料。 操作線方程四、回收塔（提餾塔）