1、9.5双组分精馏的设计型计算双组分精馏的设计型计算 v9.5.1理论板数的计算理论板数的计算 v9.5.2 回流比的选择回流比的选择 v9.5.3 进料热状况的选择进料热状况的选择 v9.5.4双组分精馏过程的其他类型双组分精馏过程的其他类型 0.996Dx0.0035Wx 用精馏方法分离乙烯用精馏方法分离乙烯-乙烷乙烷(常压泡点分别为常压泡点分别为-88.6，-103.7）混合物。）混合物。已知已知xF=0.78(指乙烯的摩尔分数，下同指乙烯的摩尔分数，下同)。要求：。要求：试设计一板式精馏塔来完成上述设计任务。试设计一板式精馏塔来完成上述设计任务。目标目标:确定塔板类型、确定塔板类型、实际
2、塔板数实际塔板数、塔径和塔板结构设计、塔径和塔板结构设计要选择的变量：操作压力、回流比、加料热状态。要选择的变量：操作压力、回流比、加料热状态。9.5.1理论板数的计算理论板数的计算 一、设计型计算的命题一、设计型计算的命题 根据规定的分离要求，选择精馏的操作条件，根据规定的分离要求，选择精馏的操作条件，计算所需的理论板数。计算所需的理论板数。规定分离要求：对塔顶、塔底产品的质量和数规定分离要求：对塔顶、塔底产品的质量和数量（产率或回收率）提出一定的要求，即在量（产率或回收率）提出一定的要求，即在D、W、xD、xW、中规定任意中规定任意2个条件。个条件。二、逐板计算法二、逐板计算法 先考虑先考
3、虑操作压力、回流比、加料热状态均操作压力、回流比、加料热状态均已知已知时理论板数的计算。时理论板数的计算。假设塔顶冷凝器为全凝器，泡点回流，塔釜假设塔顶冷凝器为全凝器，泡点回流，塔釜为间接蒸汽加热。为间接蒸汽加热。1.计算依据计算依据 相平衡方程：相平衡方程：)(nnxfy 理想溶液理想溶液 nnnyyx)1(精馏段操作方程：精馏段操作方程：DnnxRxRRy111提馏段操作方程：提馏段操作方程：WnnxVWxVLy精馏段与提馏段交点坐标精馏段与提馏段交点坐标)(qqyx，(1)(2)(3)nnnyyx)1(DnnxRxRRy111WnnxVWxVLy(1)(2)(3)使用相平衡方程的总次数，
4、就是总理论板数。使用相平衡方程的总次数，就是总理论板数。冷凝器类型冷凝器类型塔板数塔板数塔顶为全凝器塔顶为全凝器n(包括塔釜包括塔釜)n-1(不包括塔釜不包括塔釜)塔顶为分凝器塔顶为分凝器n-1(包括塔釜包括塔釜)n-2(不包括塔釜不包括塔釜)三、图解法三、图解法 1、绘对角线、绘对角线 2、绘相平衡曲线、绘相平衡曲线 3、绘精馏段操作线、绘精馏段操作线 4、绘提馏段操作线、绘提馏段操作线 5、绘直角梯级、绘直角梯级 从从a点开点开始，在精馏段操作线与平衡始，在精馏段操作线与平衡线之间作水平线及垂直线，线之间作水平线及垂直线，当梯级当梯级首次跨过首次跨过d点点时，则改时，则改在提馏段操作线与平
5、衡线之在提馏段操作线与平衡线之间作直角梯级，直至梯级的间作直角梯级，直至梯级的水平线达到或跨过水平线达到或跨过c点为止。点为止。其中其中过过d点的梯级为加料板点的梯级为加料板，最后一个梯级为再沸器。最后一个梯级为再沸器。四、最优加料位置的确定四、最优加料位置的确定 1.加料位置的体现？加料位置的体现？2.设计型计算时加料位置的改变设计型计算时加料位置的改变会不会影响操作线的位置？会不会影响操作线的位置？不会。不会。图解法中，更换操作线；图解法中，更换操作线；逐板计算法中更换精馏段操作方程。逐板计算法中更换精馏段操作方程。3.加料位置是否可任选？加料位置是否可任选？不能，必须在不能，必须在pm之
6、间。之间。加料过早或过晚，都会使某些梯级的增浓程度减少而使理论加料过早或过晚，都会使某些梯级的增浓程度减少而使理论板数增加。板数增加。4.分离要求不变，改变加料位置对塔板数的影响？分离要求不变，改变加料位置对塔板数的影响？加料位置偏高：馏出液难挥发组分含量偏高。加料位置偏高：馏出液难挥发组分含量偏高。5.总板数不变，改变加料位置偏低或偏高对分离要求的影响？总板数不变，改变加料位置偏低或偏高对分离要求的影响？表现：釜残液与馏出液不能同时达到规定的分离要求。表现：釜残液与馏出液不能同时达到规定的分离要求。加料位置偏低：釜残液易挥发组分含量偏高。加料位置偏低：釜残液易挥发组分含量偏高。6.最优加料位
7、置最优加料位置 该板的液相组成该板的液相组成x等于或略低等于或略低于于xq的板作为加料板。的板作为加料板。9.5.2 回流比的选择回流比的选择 一、一、全回流全回流(R=)(R=)与最少理论板数与最少理论板数Nmin1.全回流的特点全回流的特点 不加料不加料，也不出料。，也不出料。F=0,D=0,W=0 R=L/D=L/0=.两操作线合二为一且与对角线重合。两操作线合二为一且与对角线重合。两板之间任一截面上，上升蒸汽组成两板之间任一截面上，上升蒸汽组成yn+1与下降液体组成与下降液体组成xn相等相等 全回流时操作线和平衡线的距离最远，因此达到指定分离全回流时操作线和平衡线的距离最远，因此达到指
8、定分离程度所需的理论板数最少，以程度所需的理论板数最少，以Nmin表示。表示。2.最少理论板数最少理论板数Nmin的求法的求法 图解法。图解法。该法繁琐，但对理想溶液和非理想溶液均适用。该法繁琐，但对理想溶液和非理想溶液均适用。芬斯克（芬斯克（Fenske）方程法）方程法 待分离物系：理想溶液待分离物系：理想溶液(/)(/)ABnnABnyyxx相平衡方程相平衡方程操作方程操作方程1nnyx自塔顶开始计算自塔顶开始计算1(/)(/)ABDABxxyy111(/)(/)ABAByyxx11(/)(/)ABDABxxxx11(/)(/)ABDABxxxx()()AAnnnBByxyx1nnyx12
9、2(/)(/)ABDABxxxx 12(/)(/)ABABxxyy222(/)(/)ABAByyxx12(/)(/)ABDABxxyy1231(/)(/)ABDNNABWxxxx 1231(/)(/)ABDNNABWxxxx NN21令令loglogminWABDBAxxxxN（包括塔釜）（包括塔釜）二元精馏二元精馏 log)1)(1log(minWWDDxxxxN （包括塔釜）（包括塔釜）3.应用应用 开工、调试、实验研究及一些特殊的场合开工、调试、实验研究及一些特殊的场合 例例1：操作中当生产中因意外而产生低于纯度要求的产品时，操作中当生产中因意外而产生低于纯度要求的产品时，进行一定时间的
10、全回流，能较快地达到操作正常；进行一定时间的全回流，能较快地达到操作正常；例例2：在实验中测定塔的分离效能（塔板效率等）或实验室在实验中测定塔的分离效能（塔板效率等）或实验室研究的目的是得到几滴极高纯度的产品研究的目的是得到几滴极高纯度的产品 二、回流比的选择二、回流比的选择 1 技术限制技术限制存在最小回流比存在最小回流比Rmin 前提：前提：分离要求分离要求xD、xW，加料组成，加料组成xF、加料热状态、加料热状态q、物系的、物系的相平衡关系已知。相平衡关系已知。分析：分析：当回流比自全回流逐渐减小的过程中会发生什么现象，当回流比自全回流逐渐减小的过程中会发生什么现象，回流比能否降至零？回
11、流比能否降至零？理想溶液理想溶液 两操作线的交点只能落在两操作线的交点只能落在ef线段上线段上 交点为交点为e时时R=交点为交点为f时时R=Rmin 恒浓区恒浓区:在在e点上下塔板无增浓点上下塔板无增浓作用，所以此区称为恒浓区（或称挟作用，所以此区称为恒浓区（或称挟紧区），紧区），e点称为点称为挟紧点挟紧点DeminminDe1xyRRxxDemineexyRyxF11xqyxqqxe、ye泡点进料泡点进料 q=1，xe=xF 1(1)FeFxyx露点进料露点进料 q=0，ye=xF(1)FeFxxx1(1)xyx非理想体系非理想体系 F11xqyxqq平衡线没下凹，如甲醇平衡线没下凹，如甲醇
12、水溶液水溶液xeye平衡线有凹，如乙醇平衡线有凹，如乙醇水溶液水溶液DeminminDe1xyRRxxDemineexyRyx()11dyxcyx 最小回流比的特点：最小回流比的特点：完成分离要求所需理论板数为无穷大。完成分离要求所需理论板数为无穷大。eminmine(1)(1)wwxyRDqFRDq Fxx 最小回流比：最小回流比：对规定的分离要求，特定的加料组成与加对规定的分离要求，特定的加料组成与加料热状态，平衡线已定的情况下，回流比从无穷大减小的过料热状态，平衡线已定的情况下，回流比从无穷大减小的过程中，首次出现挟紧点时的回流比。程中，首次出现挟紧点时的回流比。影响最小回流比的因素：影
13、响最小回流比的因素：分离要求、物系的汽液相平衡、分离要求、物系的汽液相平衡、加料热状况加料热状况 2.经济优化经济优化存在最优回流比存在最优回流比 比较基准：比较基准：F、xF、q、xD、xW相同相同 结论：结论：R，操作费用增加，操作费用增加 R冷凝器冷凝器 CQ(1)CCVrRDrQc bQ(1)(1)bbVrRDq F rQb 再沸器再沸器 操作费用操作费用 回流比对费用的影响回流比对费用的影响 设备费用设备费用精馏段精馏段/(1)L VRRR(L/V)提馏段提馏段/(1)/L VRR/RV W R/L V操作线远操作线远离平衡线离平衡线操作线远操作线远离平衡线离平衡线 最适宜回流比应通
14、过经最适宜回流比应通过经济衡算来决定，即按照操作济衡算来决定，即按照操作费用与设备折旧费用之和为费用与设备折旧费用之和为最小的原则来确定最小的原则来确定 R,塔板数下降，设塔板数下降，设备费用降低。备费用降低。结论：结论：最适宜回流比最适宜回流比通常适宜回流比可取最小回流比的通常适宜回流比可取最小回流比的(1.12.0)倍，即倍，即min)0.21.1(RR 近年，由于能源紧张，其倍数有降低的趋势，甚至近年，由于能源紧张，其倍数有降低的趋势，甚至可小至可小至1.05倍。倍。三适宜回流比的选择三适宜回流比的选择四理论塔板数的捷算法四理论塔板数的捷算法 将已有的实验数据以将已有的实验数据以min1
15、NNNmin1RRR作图。作图。对对2.Gilliland关联图关联图 min1RRRmin1NNN 8种物系在广泛的精馏条件下，由种物系在广泛的精馏条件下，由逐板计算得到的结果：组分数目逐板计算得到的结果：组分数目211,加料热状况包括过冷至过热等加料热状况包括过冷至过热等5种情况，种情况，Rmin为为0.537.0；组分间的相对挥发；组分间的相对挥发度为度为1.264.05；理论板层数为；理论板层数为2.443.1。1.思路思路吉利兰关联图的依据：吉利兰关联图的依据：吉利兰关联图可用于两组分和多组分精馏的计吉利兰关联图可用于两组分和多组分精馏的计算。对甲醇算。对甲醇-水一类非理想物系也可适
16、用，但其条水一类非理想物系也可适用，但其条件应尽量与上述条件相似。件应尽量与上述条件相似。3.应用应用 17.019.01lgminminRRRNNN17.01minRRR5667.0minmin1175.01RRRNNN5.011.0minRRR适用条件：适用条件：适用条件：适用条件：4吉利兰关联式吉利兰关联式9.5.3 进料热状况的选择进料热状况的选择 讨论前提：讨论前提：处理量处理量、xF及分离要求及分离要求xD、xW不变不变 一、一、R不变时不变时q对过程的影响对过程的影响 q即进料前原料经过预热和部分汽化即进料前原料经过预热和部分汽化 结论结论:R不变不变,q,塔板数增加塔板数增加
17、总结论：总结论：在总供热量不变的在总供热量不变的情况下，热量尽可能自塔低输入。情况下，热量尽可能自塔低输入。FBDWCQQQQQ二、二、q即进料前原料经过预热和部分汽化即进料前原料经过预热和部分汽化 这是以增加热耗为代价的。这是以增加热耗为代价的。V不变时不变时q对过程的影响对过程的影响提馏段提馏段/()/L VVWV/L V不变不变结论结论:VFBDWCQQQQQ不变不变,q,塔板数减小塔板数减小,三、加料状态的选择依据三、加料状态的选择依据 1.一般而言，在热耗不变的情况下一般而言，在热耗不变的情况下热量应尽可能在塔底输入热量应尽可能在塔底输入 冷量应尽可能施加于塔顶冷量应尽可能施加于塔顶
18、 2.前道工序的来料状态就是进料状态前道工序的来料状态就是进料状态 3.工业上有时采用热态甚至汽态进料的原因工业上有时采用热态甚至汽态进料的原因 减少塔釜的加热量。尤其是塔釜温度过高，物料减少塔釜的加热量。尤其是塔釜温度过高，物料易产生聚合或结焦的情况。易产生聚合或结焦的情况。9.5.4双组分精馏过程的其他类型双组分精馏过程的其他类型 一、直接蒸汽加热一、直接蒸汽加热 操作前提：操作前提：1、物料中有水、物料中有水2、水是重组分，从塔釜出去、水是重组分，从塔釜出去FDSWFDSWFxWSxDxx1mmWmWLLWWyxxxxVVSSVSLW特殊点特殊点:(xw,0)二、多股进料二、多股进料1
19、应用场合应用场合 两种成分相同但浓度不同的料液两种成分相同但浓度不同的料液 2.过程的数学描述过程的数学描述(以两股进料为例以两股进料为例)11DRxxRRyIIFIIIIVxFDxxVLy11D1111FqRDFqLLII1111(1)(1)(1)IIVVq FRDq F段段段段WIIIIIIIIILWyxxLWLW2211121122 IIIIILLq FLq Fq FRDq Fq FDFFW21段段R 回流比回流比R减小，三条操作线均向平衡线靠拢。当减小，三条操作线均向平衡线靠拢。当R减小至某减小至某个值时，个值时，挟点可能出现在挟点可能出现在-两段操作线的交点两段操作线的交点e1处，也
20、可处，也可能出现在能出现在-两段操作线的交点两段操作线的交点e2处。对非理想性很强的物系，处。对非理想性很强的物系，挟点也可能出现在某个中间位置，挟点也可能出现在某个中间位置，先出现挟点时的回流比为最先出现挟点时的回流比为最小回流比小回流比。最小回流比最小回流比Rmin三、侧线出料三、侧线出料 minRq有侧线出料时操作线斜率通常有侧线出料时操作线斜率通常，在最小，在最小回流比回流比Rmin时，挟点一般出现在时，挟点一般出现在q线与平衡线交点处。线与平衡线交点处。四、回收塔（提馏塔）四、回收塔（提馏塔）从第一块板加料，无精馏段，无回流，下降的液体从第一块板加料，无精馏段，无回流，下降的液体由进
21、料提供。由进料提供。一般用于回收稀溶液中的易挥发组分。一般用于回收稀溶液中的易挥发组分。加料情况：加料情况：冷液或泡点进料。冷液或泡点进料。WmxVLxVLy1操作线方程操作线方程塔板数求取塔板数求取从从y1=xD的的a点作为起点开始作梯级。点作为起点开始作梯级。注意：注意：a点只是操作线点只是操作线上的一特殊点，并无物理意上的一特殊点，并无物理意义，并不表示第一板上方的义，并不表示第一板上方的汽液浓度间的操作关系。因汽液浓度间的操作关系。因回收塔的操作线不适用于第回收塔的操作线不适用于第一板的上方截面。一板的上方截面。最大可能获得的馏出液含量最大可能获得的馏出液含量xDmax(以泡点加料为例以泡点加料为例)
