1、第第五五章章 蒸馏蒸馏第第三三节节 两组分两组分连续精馏的分析和计算连续精馏的分析和计算 一、理论板及恒摩尔流一、理论板及恒摩尔流1、理论板、理论板 离开这种板的气液两相互成平衡，而且塔板上的液相组成也可视为均匀的。2、操作关系、操作关系 yn+1与xn之间的关系 3、恒摩尔汽化恒摩尔汽化VVVVn.21VVVVm.214、恒摩尔溢流、恒摩尔溢流 LLLLn.21LLLLm.215、恒摩尔流假设的条件、恒摩尔流假设的条件 （1）各组分的摩尔汽化潜热相等； （2）气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。 二、物料衡算和操作线二、物料衡算和操作线1、全塔
2、物料衡算全塔物料衡算 对总物料： WDF对于易挥发组分： WDFWxDxFxWDWFxxxxFDFDFW1当塔顶、塔底产品组成xD、xW及产品质量已规定，产品的采出率D/F和W/F也随之确定，不能再自由选择；当规定塔顶产品的产率和质量xD，则塔底产品的质量xW及产率也随之确定而不能自由选择；在规定分离要求时，应使FDFxDx塔顶产品的组成应满足DFxxFD塔顶易挥发组分回收率：易挥发组分从塔顶采出的量占全部进料量中轻组分的百分数。 %100FDDFxDx塔底难挥发组分回收率： %100)1 ()1 (FWWxFxW习题分析1、每小时将100kmol含苯40%（摩尔%，下同）和甲苯60%的溶液，
3、在连续精馏塔中进行分离，要求釜残液中含苯不高于5%，塔顶馏出液中含苯95%。（1）试求馏出液和釜残液的流量。（2）若保持塔顶组成不变，达到馏出液流量为40Kmol/h是否可行？最大馏出液流量是多少Kmol/h？ 2、精馏段操作线方程、精馏段操作线方程 对总物料： DLV对易挥发组分： DnnDxLxVy1DLR 回流比 精馏段操作线方程DnxRxRR111DnnxDLDxDLLy13、提馏段操作线方程、提馏段操作线方程 对总物料： WVL对易挥发组分： wmmWxyVxL1wmmxWLWxWLLy1提馏段操作线方程：5、进料热状况对操作的影响、进料热状况对操作的影响 1）定义式）定义式FLLq
4、2）q的计算的计算物料衡算： LVLVF热量衡算： LVLVFiLViLiiVFiFLLqLVFViiii汽化潜热原料液的热量进料变为饱和蒸汽所需将kmolkmol1（1）对于泡点进料 LFiiLVFViiiiq1LFLVV （2）对于饱和蒸汽进料 LLFVV（3）对于冷液进料 LFLL LVV （4）汽液混合物进料 qFLLFqVV) 1( （5）过热蒸汽进料 VLL VFVV 对于饱和液体、汽液混合物及饱和蒸汽三种进料而言，q值就等于进料中的液相分率。FLLq（3）q值与提馏段操作线方程qFLLLVLVFFqVV) 1( wmmxWqFLWxWqFLqFLy1提馏段操作线方程为：提馏段操作
5、线方程为： 例：例：用一连续精馏装置在常压下，分离含苯41%（质量%，下同）的苯-甲苯溶液。要求塔顶产品中含苯不低于97.5%，塔底产品中含甲苯不低于98.2%，每小时处理的原料量为8570kg。操作回流比为3，试计算：（1）塔顶及塔底的产品量；（2）精馏段上升蒸汽量及回流液量；（苯的汽化潜热rA=93kcal/kg，甲苯的汽化潜热rB=87.5kcal/kg，苯和甲苯的平均比热Cp,l=0.45 kcal/kg，蒸汽的平均比热Cp,v=0.30 kcal/kg）。分析：分析：求W、D全塔物料衡算求xF、xW、xD求V、L已知R精馏段物料衡算求LV、qFLLFqVV) 1( 求q解：解： （1
6、）产品量 92/5978/4178/41Fx4504. 092/5 . 278/5 .9778/5 .97Dx9787. 092/2 .9878/8 . 178/8 . 1wx0212. 092)4504. 01 (784504. 0FMkmolkg /69.8569.858570Fhkmol /0 .100WDFwDFWxDxFxWD0 .1000212. 09787. 04504. 00 .100WDhkmolD/3 .44hkmolW/7 .55(2)上升蒸汽量及回流量 精馏段： RDL 8 .443hkmol/5 .134DLV83.445 .134hkmol/3 .179课内练习1、
7、用一精馏塔分离二元液体混合物，进料量100kmol/h，易挥发组分xF=0.5，泡点进料，得塔顶产品xD=0.9，塔底釜液xW=0.05（皆摩尔分率），操作回流比R=2，塔顶为全凝器，求：（1）塔顶和塔底的产品量（kmol/h）；（2）塔顶易挥发组分的回收率为多少；（3）写出精馏段与提馏段操作线方程。课内练习2、精馏段操作线方程和提馏段操作线方程分别为y=0.67x+0.3和 y=1.2x-0.018 ,求泡点进料时（1）原料液、馏出液、釜液组成及回流比。三、理论塔板层数的求法三、理论塔板层数的求法 1逐板计算法逐板计算法 Dxy 1（已知） 1x平衡关系2y操作关系1112RxxRRyD1）
8、精馏段）精馏段2x平衡关系3y操作关系Fnxx 泡点进料精馏段n-1层2）提馏段）提馏段nxx 1（已知）提馏段操作线WxWqFLWxWqFLqFLy122ywmxx提馏段m-1层2x平衡关系3y操作关系2、图解法、图解法1）操作线作法）操作线作法 a）精馏段操作线精馏段操作线11RxxRRyDxy Dxy Dxx b）提馏段操作线的作法提馏段操作线的作法 wxWqFLWxWqFLqFLyxy Wxx Wxy abyxxDxWcxFefdc）q线方程线方程DDxLxVywWxxLyV)()()(wDWxDxxLLyVVFwDFxWxDxqFLLFqVV) 1( 11qxxqqyFq线方程或进料
9、方程 d）进料热状况对进料热状况对q线及操作线的影响线及操作线的影响 过冷液体： q1, 01qq，ef1 （ ）饱和液体： q=1, 1qq，ef2 （）汽液混合物 ：0q1, 01qq，ef3 （ ）饱和蒸汽：q=0, 01qq，ef4 （）过热蒸汽：q0, 01qq，ef5 （ ）f1f2f3f4f52）图解方法）图解方法 xDabefdxFxWc11234563、最宜的进料位置、最宜的进料位置 四、回流比的影响及其选择四、回流比的影响及其选择 精馏操作必须使塔顶部分冷凝液回流，而且回流比的大小，对精馏塔的操作与设计影响很大。在指定分离要求下，即XD和 Xw均为定值时，增大回流比，精馏段
10、操作线的截距减小，操作线离平衡线越远，每一梯级的垂直线段及水平线段都增大，说明每层理论板的分离程度加大，为完成一定分离任务所需的理论板数就会减少。但是增大回流比又导致操作费用增加，因而回流比的大小涉及经济问题。即应考虑工艺上的问题，又应考虑设备费用（板数多少及冷凝器、再沸器传热面积大小）和操作费用，来选择适宜的回流比。 回流比有两个极限值，上限为全回流（即回流比为无穷大），下限为最小回流比，实际回流比为介于两极限值之间的某一适宜值。1、回流比对精馏操作的影响、回流比对精馏操作的影响 RxD/R+1 abyxxDxWcxFefdxD/R+1 NTab 下移RD、W不变L、Vab与ac重合R=NT
11、=NminabyxxDxWcxFefdxD/R+1 RxD/R+1ab、q线与平衡线交于dR=RminN=d点夹紧点Nab上移RRminR 2.2.全回流和最少理论塔板数全回流和最少理论塔板数 若塔顶上升之蒸汽冷凝后全部回流至塔内，这种回流方式称为全回流。 在全回流操作下，塔顶产品量D为零，进料量F和塔底产品量D也均为零，即不向塔内进料，也不从塔内取出产品。因而精馏塔无精馏段和提馏段之分了。 全回流时回流比 , 是回流比的最大值。 精馏段操作线的斜率 ，在y轴上的截距 ，操作线与上的对角线重合，即 在操作线与平衡线间绘直角梯级，其跨度最大，所需的理论板数最少，以 表示。0LDLR11RR01R
12、xDnnxy1minN 可在 图上的平衡线与对角线之间直接作阶梯图解，也可用平衡方程与对角线方程逐板计算得到。 全回流操作生产能力为零，因此对正常生产无实际意义。但在精馏操作的开工阶段或在实验研究中，多采用全回流操作，这样便于过程的稳定和精馏设备性能的评比。minNxy xWxD 3.3.最小回流比最小回流比 对于一定的分离任务，若减小回流比，精馏段的斜率变小，两操作线的交点沿q线向平衡线趋近，表示汽-液相的传质推动力减小，达到指定的分离程度所需的理论板数增多。当回流比减小到某一数值时，两操作线的交点d落在平衡曲线上，如图所示，在平衡线和操作线间绘梯级，需要无穷多的梯级才能达到d点，这是一种不
13、可能达到的极限情况，相应的回流比称为最小回流比，以 表示。minR 图7-20 最小回流比4、最小回流比的求法、最小回流比的求法 1）作图法）作图法a）对于正常的平衡曲线 qDqDxxyxRR1minminqqqDxyyxRminxq,yqq线与平衡线的交点坐标 qyqxq2）解析法）解析法 对于相对挥发度为常量（或取平均值）的理想溶液 qqqxxy) 1(1qqqDxyyxRminqqqqqDxxxxxx) 1(1) 1(1qDqDxxxxR1)1 (11min饱和液体进料时 FDFDxxxxR1)1 (11min饱和蒸汽进料时 11111minFDFDyxyxR5、适宜回流比的选择、适宜回
14、流比的选择 R=（1.12）Rmin 实际的回流比一定要大于最小回流比；而适宜回流比需按实际情况，全面考虑到设备费用（塔高、塔径、再沸器和冷凝器的传热面积等）和操作费用（热量和冷却器的消耗等），应通过经济核算来确定，使操作费用和设备费用之和为最低。 在精馏塔设计中，通常根据经验取最小回流比的一定倍数作为操作回流比。近年来一般都推荐取最小回流比的1.12倍，即 对于难分离的物系，R应取得更大些。 在生产中，设备都已安装好，即理论板数固定。若原料的组成、加料热状况均为定值，倘若加大回流比操作，这时操作线更接近对角线，所需理论板数减少，而塔内理论板数比需要的多，因而产品纯度会有所提高。反之，减少回流
15、比操作，情景正好与上述相反，产品纯度会有所下降。所以在生产中把调节回流比当作保持产品纯度的一种手段。min0 . 21 . 1RR 五、精馏塔操作分析五、精馏塔操作分析 精馏塔操作的基本要求是在连续稳定状态和最经济的条件下处理更多的原料液，达到预定的分离要求，即在允许范围内采用较小的回流比和较大的再沸器传热量。影响精馏稳定状态和高效操作的主要因素包括：操作压力、进料组成和热状况、塔顶回流比、全塔的物料平衡和稳定、冷凝器和再沸器的传热性能、设备散热情况等。由此可见，影响精馏操作的因素十分复杂，以下就其中主要因素予以分析。 1物料平衡的影响和制约 保持精馏装置的物料平衡是精馏塔稳定操作的必要条件。
16、根据全塔物料衡算可知，对于一定的原料液流量F，只要确定了分离程度和，馏出液流量D和釜残液流量W也就被确定了。而和决定于汽液平衡关系、原料液组成、进料热状况q、回流比R和理论板数NT，因此馏出液流量D和釜残液流量W只能根据和确定，而不能任意增减，否则进出塔的两个组分的量不平衡，必然导致塔内组成变化，操作波动，使操作不能达到预期的分离要求。 2回流比的影响 回流比是影响精馏塔分离效果的主要因素，生产中经常用改变回流比来调节、控制产品的质量。例如当回流比增大时，精馏段操作线斜率L/V变大，该段内传质推动力增加，因此，在一定的精馏段理论板数下馏出液组成变大。同时回流比增大，提馏段操作线斜率L/V变小，
17、该段的传质推动力增加，因此在一定的提馏段理论板数下，釜残液组成变小。反之，回流比减小时， 减小 而增大，使分离效果变差。 回流比增加，使塔内上升蒸汽量及下降液体量均增加，若塔内汽液负荷超过允许值，则应减少原料液流量。回流比变化时再沸器和冷凝器的传热量也应相应发生变化。 DxWx 3进料组成和进料热状况的影响 当进料状况（xF和q）发生变化时，应适当改变进料位置。一般精馏塔常设几个进料位置，以适应生产中的进料状况的变化，保证在精馏塔的适宜位置进料。如进料状况改变而进料位置不变，必然引起馏出液和釜残液组成的变化。 对特定的精馏塔，若xF减小，则将使xD和xW均减小，欲保持xD 不变，则应增大回流比
18、。 全塔效率（总板效率）全塔效率（总板效率）E 六、塔板效率六、塔板效率六、塔板效率六、塔板效率六、塔板效率六、塔板效率全塔效率：理论板数与实际板数之比称为全塔效率，又称为总板效率，用E表示。%100实理NNET 全塔效率反映了全塔的平均传质效果，但它并不等于所有单板效率是某种简单的平均值。 如已知全塔效率，就很容易由理论板数，算出所需的实际板数。但问题在于影响塔板效率的因素很复杂，有系统的物性、塔板的结构、操作条件、液沫夹带、漏液、返混等等。目前尚未能得到一个较为满意地求全塔效率的关联式。比较可靠的数据来自生产及中间试验的测定。对双组分混合液全塔效率多在0.50.7之间。 习题分析1、在精馏
19、操作中，回流比减小，精馏段操作线的截距 ，操作线与平衡线之间的距离_，所需理论板数_。（增大；减少；不变）2、某连续精馏塔中，若精馏段操作线方程截距等于0，则（1）回流比对于 ；（2）馏出液量等于 ；（以上均用数字表示）3、选择适宜回流比应考虑 和 的总和为最小。正常操作时的适应回流比一般为最小回流比的 倍。4、精馏的操作费用主要决定与 及 ，而两者又都取决于 。习题分析1、在精馏操作中，回流比减小，精馏段操作线的截距 ，操作线与平衡线之间的距离_，所需理论板数_。（增大；减少；不变）2、某连续精馏塔中，若精馏段操作线方程截距等于0，则（1）回流比对于 ；（2）馏出液量等于 ；（以上均用数字表
20、示）3、选择适宜回流比应考虑 和 的总和为最小。正常操作时的适应回流比一般为最小回流比的 倍。4、精馏的操作费用主要决定与 及 ，而两者又都取决于 。习题分析5全回流指全回流指 。全回流操作时。全回流操作时操作线与操作线与y-x图对角线图对角线 ，此时全塔只有有，此时全塔只有有 条操作线条操作线，斜率是，斜率是 ，截距为，截距为 。回流比。回流比R= ，理论板数，理论板数 。F,D,W为为 。6泡点进料时，泡点进料时，q值为值为 ，q线方程斜率为线方程斜率为 ，q线在线在x-y图图上的位置是上的位置是 。露点进料时，。露点进料时，q值为值为 ，q线方程斜率为线方程斜率为 ，q线在线在x-y图上的位置是图上的位置是 。7、逐板计算法中塔顶使用、逐板计算法中塔顶使用 ，故，故y1= .当计算到当计算到xnxF时，说明第时，说明第n块板为块板为 ，精馏段理论板数为，精馏段理论板数为 。8，用连续精馏塔每小时蒸馏100 Kmol含苯40%和甲苯60%的混合物，要求馏出液苯的回收率为90%，残液中含苯5%（组成均以Kmol%计）。馏出液和残液各多少Kmol/h？（2） 设塔顶回流液量86.6 Kmol/h，问回流比是多少？
