变量增多使得该板计算所需相关方程数增加其基本计算式仍由三个衡课件.ppt
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1、第九章 蒸 馏,9.5 两组分连续精馏的计算,9.5.1 计算的基本假定,一、理论板的假定,理论板的概念,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,再用塔板效率予以校正,即可求得实际塔板层数。,离开该板的气液两相互成平衡;,塔板上各处的液相组成均匀一致。,理论板提出的意义,实际塔板上气液两相难以达到平衡,且传递过程与物系的性质、操作条件以及塔板结构和安装状况等因素有关,很难用简单地确定离开实际塔板的气、液两相温度和组成关系。设计中,为了避免寻求这种难以确定的关系,一般是首先根据分离任务计算出所需的理论板数,然后再根据所选塔板类型以塔板效率进行修正,从而确定出所需
2、的实际塔板数。,板效率*,塔板效率(板效率)表征的是实际塔板的分离效果接近理论板的程度。单板效率与全塔板效率是常用的两种表示方法。,板效率*,单板效率:Em 又称默弗里板效率,可用气相单板效率 EmV 或液相单板效率 EmL 表示,其定义分别为,xn,yn 离开第 n 板的液相与气相的实际组成;yn*,xn*与离开第 n 板的液(气)相组成 xn(yn)成平衡的气(液)相组成;,分子代表经过一块板后组成的实际变化,分母则为将该板视为理论板时的组成变化。单板效率通常由实验测定。注意:单板效率是一块板的平均效率,板上各点的传质差异可进一步由点效率来表达。,全塔板效率:,全塔板效率 ET(总板效率)
3、为完成一定分离任务所需的理论塔板数 N 和实际塔板数 NT 之比:,ET 代表了全塔各层塔板的平均效率,其值恒小于1.0。一般由实验确定或用经验公式计算。对一定结构形式的板式塔,由分离任务和工艺条件确定出理论板数后,若已知一定操作条件下的全塔效率,便可求得实际板数。,板效率*,料液,xF,塔顶产品,xD(馏出液),塔底产品,xW,液相回流,蒸汽,精馏段,提馏段,再沸器,冷凝器,蒸汽,回流液体,二、恒摩尔 流的假定,假设精馏塔各段上升或下降的流量相等。,1.恒摩尔气流,精馏段,提馏段,注意:两段上升的气相摩尔流量不一定相等。,二、恒摩尔流的假定,精馏段中上升气体摩尔流量,提馏段中上升气体摩尔流量
4、,2.恒摩尔液流,精馏段,提馏段,二、恒摩尔流假定,注意:两段下降的液相摩尔流量不一定相等。,精馏段中下降液体摩尔流量,提馏段中下降液体摩尔流量,恒摩尔流动的假定成立的条件,恒摩尔流动虽是一项简化假设,但某些物系能基本上符合上述条件,因此,可将这些系统在精馏塔内的气液两相视为恒摩尔流动。后面介绍的精馏计算均是以恒摩尔流为前提的。,混合物中各组分的摩尔汽化潜热相等;,塔设备保温良好,热损失可以忽略。,二、恒摩尔流假定,第九章 蒸 馏,9.5 两组分连续精馏的计算,9.5.1 计算的基本假定,9.5.2 物料衡算与操作线方程,一、全塔物料衡算,精馏塔各股物料(包括进料、塔顶产品和塔底产品)的流量、
5、组成之间的关系可通过全塔物料衡算来确定。,精馏塔的物料衡算,馏出液,釜残液,原料液,总物料衡算,易挥发组分衡算,馏出液采出率,易挥发组分回收率,一、全塔物料衡算,难挥发组分回收率,二、操作线方程,在精馏段中,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)上升的气相组成 yn1之间的关系称之为操作关系,描述该关系的方程称为精馏段操作线方程。,1.精馏段操作线方程,精馏段的物料衡算,总物料衡算,易挥发组分衡算,整理得,令,则,二、操作线方程,精馏段操作线方程,回流比,精馏段操作线方程,根据恒摩尔流假定,qn,L为定值,且在稳态操作时,qn,D及 xD为定值,故 R 也是常量。
6、精馏段操作线方程为一直线方程。,精馏段操作线直线方程,斜率,截距,二、操作线方程,在提馏段中,任意塔板(m 板)下降的液相组成 与由其下一层塔板(m+1 板)上升的气相组成 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提馏段操作线方程。,2.提馏段操作线方程,提馏段的物料衡算,二、操作线方程,总物料衡算,易挥发组分衡算,整理得,二、操作线方程,提馏段操作线方程,二、操作线方程,提馏段操作线直线方程,斜率,截距,根据恒摩尔流假定,为定值,且在稳态操作时,及 xW为定值。提馏段操作线方程为一直线方程。,因有物料自塔外引入,故进、出加料板的气液两相摩尔流率一般不相等。变量增多使得该板计算所需
7、相关方程数增加,其基本计算式仍由三个衡算式和相平衡关系式组成。,加料板的基本计算式:,设第 m 块板为加料板,进、出该板各股的摩尔流率、组成与热焓可由物料衡算与热量衡算得出。,F,xF,IF,V,ym+1,IV,V,ym,IV,L,xm-1,IL,L,xm,IL,第m板,三、进料热状况的影响,三、进料热状况的影响,精馏塔五种进料热状况,精馏塔的进料热状况,(1)冷液进料,(2)饱和液体进料(泡点进料),(3)气液混合物进料,(4)饱和蒸气进料(露点进料),(5)过热蒸气进料,1.精馏塔的进料状况,冷液进料,对于冷液进料,冷液进料,三、进料热状况的影响,饱和液体(泡点)进料,对于饱和液体进料,饱
8、和液体进料,三、进料热状况的影响,气液混合物进料,对于气液混合物进料,气液混合物进料,三、进料热状况的影响,饱和蒸气(露点)进料,对于饱和蒸气进料,饱和蒸气进料,三、进料热状况的影响,过热蒸气进料,对于过热蒸气进料,过热蒸气进料,三、进料热状况的影响,2.进料热状况参数,为了定量地分析进料量及其热状况对于精馏操作的影响,现引入进料热状况参数的概念。,进料板的物料衡算和热量衡算,三、进料热状况的影响,(1)进料热状况参数定义,物料衡算:,热量衡算:,三、进料热状况的影响,进料热状况参数,则,整理得,令,三、进料热状况的影响,(9-38),(9-39),(2)进料热状况参数对提馏段操作线方程的影响
9、,将上两式,得提馏段方程:,三、进料热状况的影响,代入:,(9-40),(3)进料热状况参数的计算,对于冷液进料,设进料温度为 tF、泡点温度为 tb,泡点进料,定性温度,三、进料热状况的影响,由,冷液进料,泡点进料,气液混合物进料,露点进料,过热蒸气进料,三、进料热状况的影响,作业:自学例题9-6,q 的物理意义:提馏段中液相量较精馏段的增加值,第九章 蒸 馏,9.5 两组分连续精馏的计算,9.5.1 计算的基本假定,9.5.2 物料衡算与操作线方程,9.5.3 理论板层数的计算,一、逐板计算法,逐板计算法通常从塔顶开始,计算过程中依次使用平衡方程和操作线方程,逐板进行计算,直至满足分离要求
10、为止。,平衡方程,操作线方程,(a),(b),(c),逐板计算法示意图,塔顶采用全凝器,由 y1=xD,(a),x1,y2,x2,y3,xF xn(泡点进料),进料板 NF:第 n 层,一、逐板计算法,(b),(a),(a),(a),(b),精馏段理论板层数:n-1(进料板算在提馏段),由=xn,xW,总理论板层数 NT:n m-2(不包括再沸器),一、逐板计算法,(a),(a),(a),(c),(c),(c),提馏段理论板层数:m-1(不包括再沸器),二、梯级图解法,梯级图解法又称麦克布蒂利法,简称MT法。,1.操作线的作法,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。
11、作图时,先找出操作线与对角线的交点,然后根据已知条件求出操作线的斜率(或截距),即可作出操作线。,xD,a,b,xW,c,d,精馏塔的操作线,g,提馏段操作线的截距数值很小,因此提馏段操作线不易准确作出,且这种作图法不能直接反映进料热状况的影响。故提馏段操作线通常按以下方法作出:先确定提馏段操作线与对角线的交点c,再找出提馏段操作线与精馏段操作线的交点d,直线cd即为提馏段操作线。,二、梯级图解法,联解:,在交点处两式中的变量相同,略去有关变量的上下标,经整理得:,又,二、梯级图解法,q 线方程或进料方程,(9-29),(9-33),(9-41),与对角线联立解得交点e(xF,xF)。过点 e
12、作斜率为q/(q-1)的直线与精馏段操作线交于点d,联接cd 即得提馏段操作线。,二、梯级图解法,直线方程,斜率,截距,操作线的作法,xD,a,b,xW,c,xF,e,截距,斜率,f,d,2.梯级图解法求理论板层数,自对角线上的点 a开始,在精馏段操作线与平衡线之间作由水平线和铅垂线构成的阶梯,当阶梯跨过两操作线的交点 d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为止。,二、梯级图解法,xD,a,b,xW,c,xF,e,f,d,1,2,3,4,5,NT=4(不包括再沸器);NT=5(包括再沸器);进料板NF=3,x1,y1,y2,3.适宜的进料位置,进料位置对应于两操
13、作线交点d所在的梯级,这一位置即为适宜的进料位置。,适宜的进料板位置,二、梯级图解法,4.进料热状况对理论板层数的影响,进料热状况参数 q 值不同,q 线的斜率也就不同,q 线与精馏段操作线的交点 d 随之而变动,从而影响提馏段操作线的位置,进而影响所需的理论板层数。,二、梯级图解法,进料热状况对q线的影响,进料热状况,q 值,q/(q-1),q线的形状,冷液进料,泡点进料,气液混合物进料,露点进料,过热蒸气进料,二、梯级图解法,进料热状况对理论板层数的影响,q 值越大,进料温度越低,平衡线与操作线距离越远,所需的理论板层数越少。,三、影响理论塔板数的因素,1.影响的主要因素有、xF、q、R、
14、xD、xW。一般 减少、xF 减少、xD 增加、xW 减少塔板数增加。,2.进料液热状态q的影响:q越小(热)板数越多。,3.适宜的进料位置:两操作线交点台阶对应的板。,4.回流比 R 减少,塔板数增加(后面讨论),5.特别说明,处理原料量qn,F 大小与塔板数无关.,8在连续精馏塔中分离苯甲苯混合液,其组成为0.48(苯的摩尔分数,下同),泡点进料。要求馏出液组成为0.95,釜残液组成为0.05。操作回流比为2.5,平均相对挥发度为2.46,试用图解法确定所需理论板层数及适宜加料板位置。,例题:习题8,解:由气液平衡方程计算气液相平衡组成如本题附表所示。,在xy图上作出平衡线,如本题附图所示
15、。由已知的xD,xF,xW在附图上定出点a、e、c。精馏段操作线的截距为,在y 轴上定出点b,连接点a及点b,即为精馏段操作线。过点e作q线(垂直线)交精馏段操作线于点d。连接cd即得提馏段操作线。从点a开始,在平衡线与操作线之间绘阶梯,达到指定分离程度需11层理论板,第5层理论板进料。,第九章 蒸 馏,9.5 两组分连续精馏的计算,9.5.1 计算的基本假定,9.5.2 物料衡算与操作线方程,9.5.3 理论板层数的计算,9.5.4 回流比的影响及其选择,1.全回流和最少理论板层数,(1)全回流的概念,若上升至塔顶的蒸气经全凝器冷凝后,冷凝液全部回流到塔内,该回流方式称为全回流。,全回流,精
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