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化工原理第六章(双组分连续精馏的计算与分析)课件

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    • 1、2020/9/19,第六章 蒸 馏,第三节 双组分连续精馏的计算与分析 一、全塔物料衡算 二、恒摩尔流的假定 三、精馏塔的进料热状况 四、操作线方程 五、理论塔板数的确定 六、回流比的影响及选择 七、简捷法求理论板层数,2020/9/19,1、设计型计算 (1)根据精馏塔的塔板层数以确定塔的高度; (2)适宜的加料位置。 2、操作型计算 (1)确定产品的流量或组成; (2)确定适宜的操作回流比; (3)计算冷凝器、再沸器的热负荷等。,【精馏过程的计算内容】,2020/9/19,F = D W,一、 全塔物料衡算,2020/9/19,【例】有一个甲醇精馏塔,采用连续精馏,常压操作。进料为组成84%(mol)的甲醇,16%(mol)的水,处理量为235kmol/h,要求塔顶馏出液含甲醇98%(mol),塔底采出的水中含甲醇小于0.2%(mol)。计算该塔塔顶、塔底采出量每小时各为多少?,2020/9/19,【解】依题意知 xF=0.84 xD=0.98 xw=0.002 F=235kmol/h 据 FDW FxFDxDWxw 235DW 0.842350.98D0.002W 联立后可解得:

      2、 D201.36kmol/h W33.64kmol/h 即塔顶采出量为 201.36kmol/h 塔底采出量为 33.64kmol/h,2020/9/19,塔顶易挥发组分的回收率A :,塔釜难挥发组分的回收率B :,【回收率】,2020/9/19,V1=V2=V=常数,V1=V2=V=常数,式中:V精馏段上升蒸汽的摩尔流量,kmol/h; V 提馏段上升蒸汽的摩尔流量,kmol/h。,二、 恒摩尔流的假定,1、恒摩尔汽化,2020/9/19,2、恒摩尔溢流,L1=L2=L=常数,L1=L2=L=常数,式中:L精馏段下降液体的摩尔流量,kmol/h; L提馏段下降液体的摩尔流量,kmol/h。,2020/9/19,在精馏塔的每层塔板上,若有n kmol的蒸汽冷凝,相应有n kmol的液体汽化,恒摩尔流动的假定才能成立。为此必须满足以下条件: (1)混合物中各组分的摩尔汽化潜热相等; (2)汽液接触时因温度不同而交换的显热可以忽略; (3) 塔设备保温良好,热损失可以忽略。,2、满足恒摩尔流假设的条件,2020/9/19,温度低于泡点的冷液体; 泡点下的饱和液体; 温度介于泡点和露点之间的

      3、气液混合物; 露点下的饱和蒸气; 温度高于露点的过热蒸气。,1、五种进料热状态,三、精馏塔的进料热状况,2020/9/19,进料热状况示意图,【结论】进料热状况不同,其温度不同,状态亦不同。,2020/9/19,2、进料热状况参数,对进料板作物料及热量衡算,以单位时间为基准,可得:,【定义】 q 称为进料热状况参数。 【作用】(1)可根据 q 的大小,确定进料热状况; (2)定量地分析进料量及其热状况对于精馏操作的影响(精馏段和提馏段汽液两相流量间的关系)。,2020/9/19,各种进料状态下的q值,冷液体,饱和液体,气液混合物,饱和蒸汽,过热蒸汽,2020/9/19,2020/9/19,1、什么是操作线方程?,四、 操作线方程,【定义】在精馏塔中,任意塔板(n 板)下降的液相组成xn与由其下一层塔板(n+1板)上升的蒸汽组成yn+1之间的关系称之为操作关系,描述它们之间关系的方程称为操作线方程。,2020/9/19,1、 精馏段操作线方程,(1)物料衡算式,总物料衡算:,易挥发组分:,2020/9/19,将以上两式联立后,有:,两式均称为精馏段操作线方程,简称精馏线方程。,(2) 精

      4、馏段操作线方程,2020/9/19,(3)两点说明,该方程表示在一定操作条件下,从任意板下降的液体组成xn 和与其相邻的下一层板上升的蒸汽组成yn+1 之间的关系。,该方程为一直线方程,该直线过对角线上a(xD,xD)点,以R/(R+1)为斜率,或在y轴上的截距为xD/(R+1)。,2020/9/19,精馏操作线,2020/9/19,2、 提馏段操作线方程,总物料衡算:,易挥发组分衡算:,2020/9/19,将以上两式联立后,有:,以上两式均称为提馏段操作线方程,简称提馏线方程。,(2) 提馏段操作线方程,2020/9/19,该方程表示在一定操作条件下,提馏段内自任意板下降的液体组成xm,和与其相邻的下一层板上升蒸汽组成ym+1之间的关系。,提馏操作线方程为一直线方程,在定常连续操作过程中,该直线过对角线上b(xw,xw)点,以L/V为斜率,或在y轴上的截距为WxW/V。,(3)两点说明,2020/9/19,提馏操作线,2020/9/19,(4)提馏操作线方程的其他表现形式,【说明】再沸比R是提馏段内各块塔板下降的液体量与塔底引出的釜液(馏残液)量之比。,则提馏操作线可改写为:,202

      5、0/9/19,(5)再沸比与回流比的关系,根据进料的热状况(q)、进料的组成(xF)、精馏操作应达到的分离要求(xD、xW)以及操作过程中所采用的回流比(R),可以推导出再沸比与回流比的关系如下:,2020/9/19,【例】将含24%(摩尔分数,下同)易挥发组分的某液体混合物送入一连续精馏塔中。要求馏出液含95%易挥发组分,釜液含3%易挥发组分。送入冷凝器的蒸气量为850kmol/h,流入精馏塔的回流液为670kmol/h,试求: 1、每小时能获得多少kmol/h的馏出液?多少kmol/h的釜液? 2、回流比R为多少? 3、写出精馏段操作线方程; 4、若进料为饱和液体,写出提馏操作线方程。,2020/9/19,【解】(1) 依题意知: V670kmol/h L670kmol/h 据: VLD 馏出液量为: DVL850670=180kmol/h 据:,已知: xF0.24 xD0.95 xW0.03 则: F180W 0.24F1800.950.03W,2020/9/19,解得: F788.6kmol/h(进料量) W608.6kmol/h(釜液量) (2)据 RL/D 故回流比为:,

      6、(3)据:,故精馏段操作线方程为:,2020/9/19,(4)由于进料为饱和液体,故 q1 则:,据:,故提馏段操作线方程为:,2020/9/19,3、q 线方程(进料方程), q 线方程,2020/9/19,【q 线方程(进料方程)的几点说明】,(1)q线方程为精馏段操作线与提馏段操作线交点(q点)轨迹的方程。 (2)在进料热状态一定时,q 即为定值,则 q 线方程为一直线方程。 (3) q线在yx图上是过对角线上e (xF,xF)点,以q/(q1)为斜率的直线。 (4)不同进料热状态,q 值不同,其对q 线的影响也不同。,2020/9/19,【说明】(1)回流比不同,精馏操作线与提馏操作线的截距不同,故其交点的位置不同; (2) 将精馏操作线与提馏操作线交点用直线连接起来即为q线。,x=xF,y=xF,2020/9/19,不同进料热状况,q 值不同,q 线的斜率也不同。,2020/9/19,4、 操作线的作法,【作用】 用图解法求理论板层数时,需先在xy图上作出精馏段和提馏段的操作线。 【特点】 精馏段和提馏段的操作线方程在xy图上均为直线。 【方法】 (1)先找出操作线与对角线的

      7、交点; (2)根据已知条件求出操作线的斜率(或截距); (3)作出操作线。,2020/9/19,(1)精馏段操作线的作法,【方法】 (1)确定一点。精馏线有一点其横坐标与纵坐标相等,这一点必然落在对角线上,可从对角线上查找。 (2)确定截距。由分离要求xD和经确定的回流比R可计算出截距xD/(R1)。,2020/9/19,精馏操作线的作法,截距 xD/(R1),对角线上的一点(xnxD, yn+1xD),【说明】由一点加上截距在xy图上作出直线即为精馏操作线。,2020/9/19,(2)提馏段操作线的作法,【说明】 (1)确定一点。提馏线也有一点其横坐标与纵坐标相等,这一点必然落在对角线上,可从对角线上查找。 (2)确定截距。由分离要求 xW 和经确定的再沸比 R 可计算出截距xW/(R 1)。,2020/9/19,提馏操作线的作法,对角线上的一点( xmxW ,ym+1xW ),截距xW/(R 1),【说明】由一点加上截距在xy图上作出直线即为提馏操作线。,2020/9/19,【提馏段操作线通常的作法(两点式)】,(1)确定提馏段操作线与对角线的交点c; (2)找出提馏段操作线与精馏

      8、段操作线的交点d;(3)连接直线cd即为提馏段操作线。,【两操作线的交点的确定】 (1)由联解两操作线方程而得;(解析法) (2)由精馏操作线与q线的交点确定。(图解法),2020/9/19,提馏操作线的作法,对角线上的一点,两操作线的交点,2020/9/19,操作线的作用,xn,yn+1,【作用】确定操作关系。,2020/9/19,五、理论塔板数的确定,1、 理论板的假定,【理论板的定义】 (1)离开该板的汽液两相互成平衡; (2)塔板上各处的液相组成均匀一致。,【前提条件】(1) 汽、液两相皆充分混合,接触时间相当长,各自组成均匀; (2)塔板上不存在传热、传质过程的阻力。,2020/9/19,【两点说明】,(1)实际上,由于塔板上汽液间的接触面积和接触时间是有限的,在任何形式的塔板上,汽液两相都难以达到平衡状态,除非接触时间无限长,因而理论板是不存在的。,(2)理论板作为一种假定,可用作衡量实际板分离效率的依据和标准。通常,在工程设计中,先求得理论板层数,用塔板效率予以校正,即可求得实际塔板层数。,2020/9/19,【理论塔板数的确定方法】,(1)图解法; (2)逐板计算法;

      9、(3)捷算法。,2020/9/19,2、图解法,图解法又称麦克布蒂利(McCabeThiele)法,简称MT 法。 【基本原理】(1)通过作图的方法获得每一块理论塔板上的气液相组成; (2)根据理论塔板上的气液相组成以及分离的要求,求解理论板层数。 【特点】该方法既适用于理想物系,也适用于非理想物系,在两组分精馏计算中得到广泛应用。,2020/9/19,【图解法的具体求解步骤】,(1)在xy 相图上绘出相平衡曲线和操作线; (2)画出直角阶梯; (3)数阶梯以确定理论塔板数。,2020/9/19,图解法求理论板数,【说明】平衡线上每个阶梯的顶点即代表一层理论板,对应的x、y即为塔板上的气液相组成。,2020/9/19,【几点说明】,(1)气液平衡线可通过查找数据手册,由气液平衡数据表绘制;,2020/9/19,(2)当阶梯跨过两操作线的交点时,改在提馏段操作线与平衡线之间绘阶梯,直至阶梯的垂线达到或跨过点c(xW,xW)为止。 (3)跨过交点的阶梯为进料板,最后一个阶梯为再沸器。 (4)总理论板层数为阶梯数减1。 (5)若从塔底点c开始作阶梯,将得到基本一致的结果。,2020/9/19,【说明】再沸器的作用相当于一块塔板,故总理论板层数为阶梯数减1 。,2020/9/19,3、逐板计算法,【计算原理】 (1)通过计算的方法获得每一块理论塔板上的气液相组成; (2)根据理论塔板上的气液相组成以及分离的要求,求解理论板层数。,【计算前提】双组分溶液为理想溶液,即汽液平衡关系可用下式表示:,2020/9/19,y1xD,【方法】交替地利用平衡方程及精馏段操作线方程进行逐板计算,直至求得的xnxF(泡点进料)时,则第n 层理论板便为进料板。,2020/9/19,(1)通常,进料板算在提馏段,因此精馏段所需理论板层数为(n1)。 (2)对于其它进料热状态,应计算到xnxq为止(xq为两操作线交点坐标值)。,【两点说明】,2020/9/19,在进料板以下,改用提馏段操作线方程由xm(进料板的液相组成,将其记为x1)求得y2,即:,【提馏段的计算】,再利用相平衡方程由y2求算x2:,如此重复计算,直至计算到 xmxW 为止。,2020/9/19,(1)对于间接蒸汽加热,再沸器内汽液两相可

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