化工原理-9章液體精餾.ppt

化工原理principlesofchemicalengineering,第九章液體精餾（Distillation）,延安大學化學與化工學院,9.1蒸餾概述,9.2雙組分溶液的氣液相平衡,9.3平衡蒸餾與簡單蒸餾,9.4精餾,9.5雙組分精餾的設(shè)計型計算,9.6雙組分精餾的操作型計算,9.7間歇精餾,9.8恒沸精餾與萃取精餾,9.9多組分精餾基礎(chǔ),第9章液體精餾,9.1概述,工業(yè)乙醇的蒸餾（有機化學實驗）,化工生產(chǎn)過程中所遇到的物料有許多是兩個或兩個以上組分的均相混合物。,物系內(nèi)部各處物料性質(zhì)均勻而且不存在相界面的混合物。,如：石油、空氣、粗甲醇,均相混合物：,思考：混合物的分類？,蒸餾操作在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用,世界六大蒸餾酒的制備白蘭地(Brandy)、威士忌(Whisky)、伏特加(Vodka)、金酒（Gin）、朗姆酒(Rum)、中國白酒(Spirit)。,蒸餾酒把經(jīng)過發(fā)酵的原酒，經(jīng)過一次或多次蒸餾過程提取的高度酒酒液。,西鳳1952第一界評酒會獲評四大名酒稱號,蒸餾水的制備,海水淡化技術(shù),粗苯精制,粗甲醇的三塔精餾,酒精,水,如何實現(xiàn)分離？,酒精的沸點低易于氣化。,若將氣化的酒精蒸氣全部冷凝，即實現(xiàn)分離提純。,如何操作？,蒸餾：將液體部分氣化，利用各組分揮發(fā)度的不同從而使混合物達到分離的單元操作。蒸餾是分離液相混合物的典型單元操作。,易揮發(fā)組分：沸點低的組分，又稱為輕組分。,難揮發(fā)組分：沸點高的組分，又稱為重組分。,一、概念,精餾：多次進行部分氣化和部分冷凝后，最終可以在氣相中得到較純的易揮發(fā)組分，而在液相中得到較純的難揮發(fā)組分，這個過程叫精餾。,二、蒸餾的分類1、按蒸餾方法：簡單蒸餾、平衡蒸餾(閃蒸)、精餾、特殊精餾。2、按操作壓力：常壓；減壓；加壓。3、按原料液組分數(shù)：雙組分蒸餾和多組分蒸餾4、按操作方式：間歇蒸餾和連續(xù)蒸餾。,平衡蒸餾（閃蒸）,平衡蒸餾是液體的一次部分氣化或蒸氣的一次部分冷凝的蒸餾操作。是連續(xù)定態(tài)過程。,閃蒸罐,塔頂產(chǎn)品,yA,xA,加熱器,原料液,塔底產(chǎn)品,Q,減壓閥,特點：閃蒸是連續(xù)、穩(wěn)定的單級蒸餾程，生產(chǎn)能力大，不能得到高純產(chǎn)物，常用于只需粗略分離的物料。,簡單蒸餾(微分蒸餾/瑞利蒸餾)：,y,原料液,x,蒸汽,冷凝器,定義：將原料液一次加入蒸餾釜中，在一定壓強下加熱至沸，使液體不斷氣化，并不斷將生成的蒸氣移出在冷凝器內(nèi)冷凝，使混合液中組分部分分離的方法。是間歇過程。,三、蒸餾操作的特點,優(yōu)點：*適用面廣，液體混合物和氣體混合物均可*操作流程較簡單，無需其他外加介質(zhì),缺點：*能耗大（加熱和冷卻費用是蒸餾過程的主要操作費用）,四、氣液傳質(zhì)設(shè)備的分類,實現(xiàn)蒸餾過程是在氣液傳質(zhì)設(shè)備中進行的。,在塔板上，氣液兩相密切接觸，進行熱量和質(zhì)量的交換。,散裝填料塑料鮑爾環(huán)填料,規(guī)整填料塑料絲網(wǎng)波紋填料,填料塔,9.2雙組分溶液的氣液相平衡,9.2.1雙組分理想物系的氣液相平衡,理想物系：液相為理想溶液，氣相為理想氣體且服從道爾頓分壓定律的物系。,道爾頓分壓定律：理想氣體混合物的總壓力為各組元氣體分壓力之和。,注：理想溶液并不存在，但對于化學結(jié)構(gòu)相似、性質(zhì)極相近的組分組成的物系，如，苯-甲苯、甲醇-乙醇等，在壓力不太高（一般t泡點,兩相區(qū)特點：當兩相溫度相同時yx,t/C,x(y),0,1.0,露點線,泡點線,露點,泡點,xA,yA,xf,氣相區(qū),液相區(qū),兩相區(qū),在總壓一定的條件下，將組成為xf的溶液加熱至該溶液的泡點TA，產(chǎn)生第一個氣泡的組成為yA。,繼續(xù)加熱升高溫度，物系變?yōu)榛コ善胶獾臍?、液兩相，兩相溫度相同組成分別為yA和xA。,當溫度達到該溶液的露點，溶液全部氣化成為組成為yA=xf的氣相，最后一滴液相的組成為xA。,對角線y=x為輔助曲線，yx，平衡線在對角線之上；,x-y線上各點溫度不同；,平衡線離對角線越遠，揮發(fā)性差異越大，物系越易分離。,2、氣液平衡相圖（y-x圖）,四、用相對揮發(fā)度表示的氣液平衡關(guān)系,通常，純液體的揮發(fā)度是指該液體在一定溫度下的飽和蒸汽壓?；旌弦后w中各組分的揮發(fā)度可用它在蒸氣中的分壓和與之平衡的液相中的摩爾分數(shù)之比來表示，即,對于理想溶液，因符合拉烏爾定律，則,相對揮發(fā)度：溶液中易揮發(fā)組分的揮發(fā)度與難揮發(fā)組分的揮發(fā)度之比。,若操作壓力不高，氣相遵循道爾頓分壓定律,其值標志著分離的難易程度。,對于兩組分溶液,代入,相平衡方程,y=x,即相平衡時氣相的組成與液相的組成相同，不能用蒸餾方法分離。,則yx,愈大，y比x大的愈多，組分A和B愈易分離。,當為已知時，可用相對揮發(fā)度表示了氣液相平衡關(guān)系。,當=1,當1,液相為理想溶液，氣相為非理想氣體,溶液為非理想的原因：不同種類分子之間的作用力與同種分子之間的作用力的大小不同，其表現(xiàn)是溶液中各組分的飽和蒸氣壓偏離拉烏爾定律。,9.2.2雙組分非理想物系的氣液相平衡,本書討論：氣相屬于理想氣體，而液相為非理想溶液的體系。,液相為非理想溶液，氣相為理想氣體,非理想物系：,液相為非理想溶液，氣相為非理想氣體,非理想溶液：,i活度系數(shù)，分子間引力發(fā)生變化，使得i1。,（1）正偏差溶液,平衡分壓高于拉烏爾定律的計算值，泡點下降。,（2）負偏差溶液,平衡分壓低于拉烏爾定律的計算值，泡點升高。,當壓力不太高，氣相為理想氣體時，則,當溶液正、負偏差較大時，出現(xiàn)恒沸點。,正偏差：具有最低恒沸點；,恒沸點：氣相組成和液相組成相等的點，如圖中M點。=1,負偏差：具有最高恒沸點。,9.3.1平衡蒸餾,平衡蒸餾是液體的一次部分汽化或蒸汽的一次部分冷凝的蒸餾操作。生產(chǎn)工藝中溶液的閃蒸分離是平衡蒸餾的典型應(yīng)用。,閃蒸罐,塔頂產(chǎn)品,yA,xA,加熱器,原料液,塔底產(chǎn)品,Q,減壓閥,9.3平衡蒸餾與簡單蒸餾,特點：閃蒸是連續(xù)、穩(wěn)定的單級蒸餾程，生產(chǎn)能力大，不能得到高純產(chǎn)物，常用于只需粗略分離的物料。,1.物料衡算,總物料衡算,式中：F、D、W進料流率和出塔氣、液相產(chǎn)物的流率，kmol/s；xF、y、x料液組成以及出塔氣、液相產(chǎn)物的摩爾分數(shù)。,易揮發(fā)組分的物料衡算,兩式聯(lián)立可得,總物料衡算,若設(shè)液相產(chǎn)物占總加料量的分率為q，即W/F=q，則汽化率為D/F=(1-q)，代入上式整理可得,平衡蒸餾過程yx符合平衡關(guān)系:,物料衡算式,若已知進料組成xF和生產(chǎn)任務(wù)所要求的汽化率(1-q)，結(jié)合物料衡算式可求得氣液相組成y、x。,料液由進料溫度tF升至T需供給的熱量Q為,閃蒸后，物料放出的顯熱即供自身的部分汽化，即,2.熱量衡算,tf,T分別為料液溫度與加熱后的液體溫度；Kte閃蒸后氣、液兩相的平衡溫度，Kcm,p混合液的平均摩爾熱容，kJ/(kmolK)r平均摩爾汽化熱，kJ/kmol,氣化量越大，(1-q)值越大大，閃蒸前料液溫度T需加熱至更高值。,由上式可得,9.3.2簡單蒸餾(微分蒸餾/瑞利蒸餾)：,y,原料液,x,蒸汽,冷凝器,定義：將原料液一次加入蒸餾釜中，在一定壓強下加熱至沸，使液體不斷氣化，并不斷將生成的蒸氣移出在冷凝器內(nèi)冷凝，使混合液中組分部分分離的方法。,釜內(nèi)任一時刻的氣、液兩相組成互成平衡。,簡單蒸餾原理：,釜內(nèi)易揮發(fā)組分含量由原料的初始組成沿泡點線不斷下降直至終止蒸餾時組成，釜內(nèi)溶液的沸點溫度不斷升高，氣相組成也隨之沿露點線不斷降低。因此，通常設(shè)置若干個槽按組成范圍收集餾出液產(chǎn)品。,特點：間歇操作過程單級過程非穩(wěn)態(tài)過程,應(yīng)用：液體混合物初步分離沸點相差較大，分離要求不高場合,設(shè)d時間內(nèi)，釜液變化量為dW(kmol)時刻釜內(nèi)液體量為W(kmol)，汽、液相組成為y、x+d時刻釜內(nèi)液體量及組成為W-dW(kmol)及x-dx在d時間內(nèi)由物料衡算可得：,整理上兩式，略去二階微分項，得,在操作初始的W1、x1至終止時刻的W2、x2間積分上式得,利用相平衡關(guān)系,積分可得：,W1及x1一般已知，當給定x2，即可求出W2,釜液組成x隨時間變化，則氣相組成y也相應(yīng)變化，將全過程氣相產(chǎn)物冷凝后匯集一起，設(shè)餾出液平均組成為，可對全過程始末作物料衡算，全過程易揮發(fā)組分的物料衡算式為：,多次進行部分氣化或部分冷凝以后，可以在氣相中得到較純的易揮發(fā)組分，而在液相中得到較純的難揮發(fā)組分。,一、精餾概念：,9.4.1精餾過程,9.4精餾,二、精餾原理,精餾段的作用：自下而上逐步增濃氣相中的易揮發(fā)組分，以提高產(chǎn)品中易揮發(fā)組分的濃度；提餾段的作用：自上而下逐步增濃液相中的難揮發(fā)組分，以提高塔釜產(chǎn)品中難揮發(fā)組分的濃度。再沸器的作用：提供一定流量的上升蒸氣流。冷凝器的作用：提供塔頂液相產(chǎn)品和回流液。給塔板上液相補充易揮發(fā)組分，使塔板上液相組成保持不變。,加料板：原料液進入的塔板精餾段：加料板以上部分提餾段：加料板以下的部分（包括加料板）,將部分氣化得到的氣相經(jīng)過n次部分冷凝后，最終產(chǎn)品組成為yn。次數(shù)愈多，組成愈高，最后可得到幾乎純態(tài)的易揮發(fā)組分。將部分氣化得到的液相經(jīng)過n次部分氣化后，最終產(chǎn)品組成為xn。次數(shù)愈多，組成愈高，最后可得到幾乎純態(tài)的難揮發(fā)組分。,再沸器供熱，使釜中殘液部分氣化后蒸氣逐板上升，塔中各板上液體處于沸騰狀態(tài)。冷凝器得到的餾出液部分作回流入塔，從塔頂引入后逐板下流，使各板上保持一定液層。上升蒸氣和下降液體呈逆流流動，在每塊板上相互接觸進行傳熱和傳質(zhì)。原料液于中部適宜位置處加入精餾塔。由于塔底部幾乎是純難揮發(fā)組分，因此塔底部溫度最高，而頂部回流液幾乎是純易揮發(fā)組分，因此塔頂部溫度最低，整個塔內(nèi)的溫度，由下向上逐漸降低。,板式塔內(nèi)相鄰幾塊板的溫度、組成的關(guān)系：,單位時間為基準,總物料衡算：,F=D+W,易揮發(fā)組分物料衡算：,FxF=DxD+WxW,F、D、W流量，kmol/h,xF、xD、xW輕組分摩爾分數(shù),三、全塔物料衡算,W/F、D/F餾出液和釜液的采出率,進料板：原料液進入的那層塔板,精餾段：進料板以上的塔段,提餾段：進料板以下（包括進料板）的塔段,四、工業(yè)中的連續(xù)精餾裝置流程：,.連續(xù)精餾裝置,2、塔板的作用,塔板提供了汽液分離的場所。每一塊塔板是一個混合分離器足夠多的板數(shù)可使各組分較完全分離,特點：,回流的作用：提供不平衡的氣液兩相，是構(gòu)成氣液兩相傳質(zhì)的必要條件。精餾的主要特點就是有回流！,3、精餾過程的回流,回流包括：,塔頂回流液塔底回流汽,回流比：,增大回流比的措施：,增大塔底加熱速率增大塔頂冷凝量,加大回流比既增加精餾段液氣比，也增加了提餾段氣液比，對提高兩組分的分離程度都起積極作用,物料衡算熱量衡算傳質(zhì)速率方程,9.4.2精餾過程數(shù)學描述的基本方法,精餾塔內(nèi)自塔頂算起的任一第n塊塔板（非加料板），組成如圖所示：,9.4.3精餾過程的數(shù)學描述,1、單塊塔板的物料衡算,總物料衡算式:Vn+1+Ln-1=Vn+Ln輕組分衡算式：Vn+1yn+1+Ln-1xn-1=Vnyn+Lnxn,在精餾塔內(nèi)，無中間加料或出料的情況下，每層塔板的上升蒸氣摩爾流量相等（恒摩爾氣流）下降液體摩爾流量相等（恒摩爾液流）。,本書以后介紹的精餾計算均是以恒摩爾流假設(shè)為前提,2、恒摩爾流假定,（1）精餾段提餾段VV其中:V精餾段任一塔板上升蒸汽流量，kmol/h或kmol/sV提餾段任一塔板上升蒸汽流量，kmol/h或kmol/s,（2）精餾段提餾段LL其中：L精餾段任一塔板下降液體流量，kmol/h或kmol/sL提餾段任一塔板下降液體流量，kmol/h或kmol/s,理論板是指離開該塔板的蒸氣和液體成平衡的塔板。不論進入理論板的氣液兩相組成如何，離開時兩相溫度相等，組成互成平衡。實際上，由于板上氣液兩相接觸面積和接觸時間是有限的，因此在任何形式的塔板上，氣液兩相難以達到平衡狀態(tài)，理論板是不存在的，但它可作為實際板分離效率的依據(jù)和標準。在設(shè)計時求得理論板數(shù)后，通過用板效率校正就可得到實際板數(shù)。,3.塔板傳質(zhì)過程的簡化理論板和板效率,（1）理論板的概念,影響塔板效率的因素很復(fù)雜，有系統(tǒng)的物性、塔板的結(jié)構(gòu)、操作條件、液沫夾帶、漏液、返混等等。目前尚未能得到一個較為滿意地求全塔效率的關(guān)聯(lián)式。比較可靠的數(shù)據(jù)來自生產(chǎn)及中間試驗的測定。對雙組分混合液全塔效率多在0.50.7之間。,（2）塔板效率,全塔效率ET,用氣相（或液相）經(jīng)過一實際塔板時組成變化與經(jīng)過一理論板時組成變化的比值來表示。,單板效率(EmV或EmL),以氣相表示的單板效率,以液相表示的單板效率,4.加料板過程分析,加料板的物料衡算與熱量衡算,FiF+Li+I=VI+i,I，i，iF-分別為飽和蒸汽、飽和液體、原料液的摩爾焓kJ/kmol；,熱量衡算：,FiF+Li+I=VI+i,物料衡算：F+L=V+,理論加料板不論進入加料板各物流的組成、熱狀態(tài)及接觸方式如何，離開加料板的氣液兩相溫度相等，組成互為平衡。,精餾段與提餾段兩流量的關(guān)系,進料熱狀態(tài),過冷液體：溫度低于泡點,飽和液體：溫度等于泡點,氣液混合物：溫度在泡點和露點之間,飽和蒸氣：溫度等于露點,過熱蒸氣：溫度高于露點,FiF+Li+I=VI+i,F+L=V+,由物料衡算和熱量衡算式：,得到:,令：,q進料的熱狀態(tài)參數(shù),q作用：判斷進料狀態(tài)及溫度,兩段下降液體流之間關(guān)系：,兩段上升蒸汽流之間關(guān)系：,a.過冷液體進料q1,原料液溫度低于加料板上沸騰液體的溫度，遇到提餾段上升的蒸氣，蒸氣部分冷凝。提餾段下降液體流量L由三部分組成,LL+FVV(其差值為蒸氣冷凝量),b.飽和液體進料（泡點進料）q=1,原料液加入后不會在加料板上產(chǎn)生氣化或冷凝，進料全部作為提餾段的回流液，兩段上升蒸汽流量相等，即,V=V,L=L+F,原料液中液相部分氣化成為L的一部分，而其中蒸氣部分冷凝成為V的一部分，即,c氣液混合進料0q1,VV,LL,d飽和蒸氣進料q=0,原料液中沒有液體，整個進料與提餾段上升的蒸氣V匯合進入精餾段，兩段的回流液流量則相等，即,L=L,V=V+F,e過熱蒸氣進料qV+FL1(2)飽和液體（泡點進料）q=1(3)氣液混合0q1(4)飽和蒸汽（露點進料）q=0(5)過熱蒸汽q0,5.塔釜和冷凝器的物料衡算,（1）塔釜,釜內(nèi)液體在蒸餾釜內(nèi)部分汽化，離開塔釜的氣液兩相組成yN與xW可認為互成平衡，故蒸餾釜可視作一塊理論板。,（2）冷凝器,回流液體組成為x0，冷凝器的物料衡算式為：,若冷凝器為全凝器，則y1=x0=xD,Vy1=Lx0+DxD,注：因原料液不斷從塔中部加入，使得精餾段和提餾段具有不同的操作關(guān)系。,操作線方程：表達由任意板下降液相組成xn與其下一層塔板上升的氣相組成yn+1之間的關(guān)系方程。,9.4.4精餾塔的逐板計算,回流比,一、精餾段操作線方程,精餾段操作線方程,因為V=L+D,精餾段操作線的畫法：,截距:,y,x,xD,操作線為過點（xD,xD）,xD,二、提餾段操作線方程,提餾段操作線方程,得到:,因為,代入,得到,又因為,提餾段操作線方程,得到：,三、操作方程的圖示操作線,精餾段操作線方程,提餾段操作線方程,聯(lián)立求解，可得到兩操作線交點坐標,操作線做法:,y,x,xD,xD,xW,xW,(xq,yq),例題：用一精餾塔分離二元液體混合物，進料量100kmol/h，易揮發(fā)組分xF=0.5，泡點進料，得塔頂產(chǎn)品xD=0.9，塔底釜液xW=0.05（皆摩爾分率），操作回流比R=1.61，該物系平均相對揮發(fā)度=2.25，塔頂為全凝器，求：1)塔頂和塔底的產(chǎn)品量（kmol/h）；2)第一塊塔板下降的液體組成x1為多少；3)寫出精餾段操作線數(shù)值方程；4)寫出提餾段操作線數(shù)值方程；,相平衡方程為：,（4）泡點進料，即q=1提餾段操作線方程為：,則提餾段操作線方程為,（3）精餾段操作線方程為,則精餾段操作線方程為：y=0.62x+0.345,xD=0.9，R=1.61,四、理論板的增濃值,B點：離開理論板的氣液兩相組成狀態(tài),AB：液體經(jīng)過該理論板的提純或增濃程度,BC:氣相經(jīng)過該理論板的提純或增濃程度,五、逐板計算法,通常是從塔頂(或塔底)開始，交替使用氣-液相平衡方程和操作線方程去計算每一塊塔板上的氣-液相組成，直到滿足分離要求為止。,若塔頂采用全凝器，即：,已知y1,得到x1,得到y(tǒng)2,得到x2,得到y(tǒng)3,相平衡關(guān)系,操作線關(guān)系,相平衡關(guān)系,操作線關(guān)系,例題：氯仿（CHCl3）和四氯化碳（CCl4）的混合物在一連續(xù)精餾塔中分離。餾出液中氯仿的濃度為xD=0.95,餾出液流量為D=50kmol/h，平均相對揮發(fā)度=1.6，回流比R=2。,求:（1）塔頂?shù)诙K塔板上升的氣相組成；（2）精餾段各板上升蒸氣量V及下降液體量L（以kmol/h表示）。氯仿與四氯化碳混合液可認為是理想溶液。,解：（1）由題知，y1=xD=0.95，R=2,由相平衡方程,得,由精餾段操作線方程,則,（2）V=L+D，L/D=R，V=（R+1）DV=350=150kmol/h，L=250=100kmol/h,一、精餾設(shè)計型計算的命題,9.5.1理論板數(shù)的計算,9.5雙組份精餾的設(shè)計型計算,任務(wù)：,分離要求,選擇操作條件,計算理論板數(shù),操作條件,操作壓強得到相對揮發(fā)度,回流比R得到精餾段操作線方程,熱狀態(tài)參數(shù)q得到提餾段操作線方程,工業(yè)上一般用產(chǎn)物的回收率來代替產(chǎn)率：,二、理論板數(shù)的計算方法,1、逐板計算法,若塔頂采用全凝器，即：,已知y1,得到x1,得到y(tǒng)2,得到x2,得到y(tǒng)3,相平衡關(guān)系,精餾段操作線關(guān)系,相平衡關(guān)系,精餾段操作線關(guān)系,直至xNxW,結(jié)論：理論板數(shù)為N塊,直至xnxq,提餾段操作線關(guān)系,得到y(tǒng)n+1,相平衡關(guān)系,得到xn+1,提餾段操作線關(guān)系,得到y(tǒng)n+2,氣液兩相的平衡求得塔板上氣液平衡組成；ynxn操作線關(guān)系求得相鄰塔板上的液相或氣相組成。yn+1xn,利用氣-液相平衡方程,(1)若塔頂采用全凝器，即,(2)由第一塊理論塔板下降的回流液組成x1，按精餾段操作線方程求出第二塊理論板上升的蒸氣組成y2，即,同理，第二塊理論塔板下降的液相組成x2與y2互成平衡，可利用氣-液相平衡方程由求得x2。,(3)按照精餾段操作線方程再由x2求得y3，如此重復(fù)計算，直至計算到xnxq時，表示第n塊理論板是進料板(即提餾段第1塊理論板)，因此精餾段所需理論板數(shù)為(n-1)。在計算過程中，每利用一次平衡關(guān)系式，表示需要一塊理論板。,(4)從此開始，改用提餾段操作線方程和氣-液相平衡方程，繼續(xù)采用與上述相同的方法進行逐板計算，直至計算到xNxW止。,結(jié)論：理論板數(shù)為N塊,2、圖解法,圖解法計算精餾塔的理論板數(shù)和逐板計算法一樣，也是利用氣液平衡關(guān)系和操作關(guān)系，只是把氣液平衡方程和操作線方程描繪在相圖上，使繁瑣數(shù)學運算簡化為圖解過程。兩者并無本質(zhì)區(qū)別，只是形式不同而己。,在直角坐標紙上繪出待分離的雙組分混合物在操作壓強下的平衡曲線，并作出對角線。,依照前面介紹的方法作精餾段的操作線ac，q線ef，提餾段操作線bd。,從a點開始，在精餾段操作線與平衡線之間作水平線及垂直線構(gòu)成直角梯級，當梯級跨過d點時，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到或跨過c點為止。,每一個直角梯級代表一塊理論板，這結(jié)合逐板計算法分析不難理解。其中過d點的梯級為加料板。,在圖中梯級總數(shù)為7，即該分離過程共需7塊理論板。第4層跨過d點，即第4層為加料板，精餾段共3層。,圖解法較為簡單，且直觀形象，有利于對問題的了解和分析，目前在雙組分連續(xù)精餾計算中仍廣為采用。,三、最優(yōu)加料位置的確定,1、加料板偏下,此加料板狀態(tài)下，氣相提濃程度必小于原加料板提濃程度。說明加料板偏下是不利的，釜殘液中易揮發(fā)組分含量增高，從而降低餾出液中易揮發(fā)組分的收率。,2、加料板偏上,此加料板狀態(tài)下，第4、5、6板提濃程度有所減少。說明加料板偏上是不利的，會使餾出液的組成偏低（難揮發(fā)組分偏高）。,由以上可以看出，最優(yōu)加料板位置是該板的液相組成xxq（兩操作線交點的橫坐標），設(shè)計時加料板位置可變范圍在（p,m）兩點之間。,表9-1加料板位置對理論板數(shù)的影響舉例,四、操作線的實際做法,為簡便起見，常找出兩操作線交點坐標（xq,yq）,y,x,xD,xD,xW,xW,(xq,yq),若要得到兩操作線交點坐標(xq,yq)，需知道交點的軌跡方程（q線方程）,q線方程為精餾段操作線與提餾段操作線交點軌跡的方程,q線方程/進料線方程,已知交點坐標,兩式消去xD，得,q線是通過點（xF,xF）的一條直線,斜率為q/(q-1),9.5.2回流比的選擇,回流比的大小，對精餾塔的分離能力、系統(tǒng)能耗和設(shè)備結(jié)構(gòu)尺寸有影響。,回流比有兩個極限值，上限為全回流（即回流比為無窮大），下限為最小回流比，實際回流比為介于兩極限值之間的某一適宜值。,xD,xW,xF,回流比與理論板層數(shù)的關(guān)系,R越大NT越少,R1,R2,R3,一、全回流與最少理論板數(shù),全回流：塔頂上升蒸氣冷凝后全部引回塔頂作為回流。,D=0，W=0，F(xiàn)=0；,全回流的特點：,全回流的意義:全回流是操作回流比的極限，只在開工、實驗研究、設(shè)備異?；蛘{(diào)試時采用，便于控制。,在操作線與平衡線間繪直角梯級，其跨度最大，所需的理論板數(shù)最少。,全回流時回流比R為無窮大，氣液兩相流量相等,是回流比的最大值。精餾段和提餾段操作線的斜率均為1，此時塔內(nèi)無精餾段和提餾段之分，操作線方程為：,yn+1=xn,N=Nmin,1.圖解法,2.解析法（芬斯克方程）,假設(shè)分離兩種混合溶液，輕組分為A，重組分為B,因為相對揮發(fā)度,則：,1第一塊板上液體相對揮發(fā)度,全回流操作線方程yn+1=xn,則：,又因為相對揮發(fā)度,則離開第二塊板液體組成：,依次類推，離開第N塊板液體組成：,當?shù)贜塊板液體組成達到指定的釜液組成(xA/xB)W時，則全回流下塔的理論板塊數(shù)為N塊,記為Nmin,若相對揮發(fā)度取平均值：,代替各板上相對揮發(fā)度,芬斯克(Fenske)方程,得：,若塔頂、塔底相對揮發(fā)度相差不大時，則平均相對揮發(fā)度為：,則：,變?yōu)椋?當回流比減小到某一數(shù)值時，兩操作線的交點e落在平衡曲線上，如圖所示，在平衡線和操作線間繪梯級，需要無窮多的梯級才能達到e點，這是一種不可能達到的極限情況，相應(yīng)的回流比稱為最小回流比，以Rmin表示。,二、最小回流比,對于一定的分離任務(wù)，若減小回流比，精餾段的斜率變小，兩操作線的交點沿q線向平衡線趨近，表示氣-液相的傳質(zhì)推動力減小，達到指定的分離程度所需的理論板數(shù)增多。,精餾段操作線方程,xD,xW,xF,R1,R2,最小回流比,斜率,xq,yq,g,依據(jù)平衡曲線的形狀不同，作圖方法有所不同。對于理想溶液曲線，根據(jù)下圖，在最小回流比時，精餾段操作線的斜率為：,1.圖解法,對于不正常的平衡曲線，平衡線具有下凹部分。當兩操作線的交點還未落到平衡線上之前，操作線已與平衡線相切，如下圖此時達到分離要求，所需理論板數(shù)為無窮多，故對應(yīng)的回流比為最小回流比。這種情況下的求法應(yīng)根據(jù)切點確定其Rmin。,e點稱為挾點,實際的回流比一定要大于最小回流比，而適宜回流比需按實際情況，全面考慮到設(shè)備費用（塔高、塔徑、再沸器和冷凝器的傳熱面積等）和操作費用（熱量和冷卻器的消耗等），應(yīng)通過經(jīng)濟核算來確定，使操作費用和設(shè)備費用之和為最低。在精餾塔設(shè)計中，通常根據(jù)經(jīng)驗取最小回流比的一定倍數(shù)作為操作回流比。近年來一般都推薦取最小回流比的1.12倍，即,三、最適宜回流比的選取,3總費用,2操作費,1設(shè)備費,在生產(chǎn)中，設(shè)備都已安裝好，即實際板數(shù)固定。若原料的組成、加料熱狀況均為定值，倘若加大回流比操作，這時操作線更接近對角線，所需理論板數(shù)減少，而塔內(nèi)理論板數(shù)比需要的多，因而產(chǎn)品純度會有所提高。反之，減少回流比操作，情況正好與上述相反，產(chǎn)品純度會有所下降。,在生產(chǎn)中把調(diào)節(jié)回流比當作保持產(chǎn)品純度的一種手段,在一常壓精餾塔內(nèi)分離苯和甲苯混合物，塔頂為全凝器，塔釜間接蒸汽加熱，平均相對揮發(fā)度為2.47，飽和蒸汽進料。已知進料量為150kmol/h，進料組成為0.4（摩爾分率），回流比為4，塔頂餾出液中苯的回收率為0.97，塔釜采出液中甲苯的回收率為0.95。試求：1)塔頂餾出液及塔釜采出液組成；2)精餾段操作線方程；3)提餾段操作線方程；4)回流比與最小回流比的比值；,四、理論板數(shù)的捷算法,大致估計理論板數(shù)，簡略找出N和R的關(guān)系(吉利蘭圖),捷算法求理論板數(shù)的步驟：根據(jù)物系性質(zhì)及分離要求，求出Rmin，選擇合適的R；求出全回流下所需理論板數(shù)Nmin；使用吉利蘭圖，求出所需理論板數(shù)N.,圖中曲線在,范圍內(nèi)可用下式代替：,其中N和Nmin均指全塔（包括塔釜）的理論板數(shù),9.5.3進料熱狀態(tài)的選擇（及其影響）,回流比以及分離要求不變時：q增加塔釜供熱必須增加提餾段斜率減小所需塔板數(shù)減少。(P75-76),結(jié)論：q值得大小影響理論塔的板數(shù)，q值越大，理論板塊數(shù)越少,1、精餾操作型計算的命題,9.6.1精餾過程的操作型計算,9.6雙組份精餾的操作型計算,任務(wù)：在設(shè)備已定的條件下，由指定的操作條件預(yù)計精餾操作的結(jié)果（產(chǎn)品組成xD、xW以及逐板的組成分布）。,操作型計算特點：（1）眾多變量之間的非線性關(guān)系，操作型計算一般均需通過試差法（迭代法）。（2）加料板位置（或其他操作條件）一般不滿足最優(yōu)化條件。,2.R（F、D、W不變，R值增加）,結(jié)論：xD,xW,這是提高精餾分離效果最有效途徑!,但代價是：塔釜需要更多的熱量，塔頂需要更多的冷量!,3.xF,D,W不變，其它相關(guān)不變。,結(jié)論：xD,xW,4.加料板位置上移（或下移）,結(jié)論：xD,xW,5.q,R不變，D不變，V,結(jié)論：xD,xW,9.6.2精餾塔的溫度分布和靈敏板,一、精餾塔的溫度分布,溶液的泡點與總壓和組成有關(guān)，精餾塔內(nèi)各塊塔板上物料的組成及總壓并不相同，因而從塔頂?shù)剿仔纬赡撤N溫度分布。,二、靈敏板,一個正常操作的精餾塔當受到某一外界因素的干擾（如回流比、進料組成發(fā)生波動等）,全塔各板的組成發(fā)生變動,全塔的溫度分布發(fā)生相應(yīng)的變化,可用測量溫度的方法預(yù)示塔內(nèi)組成,在一定總壓下，塔頂溫度是餾出液組成的直接反映。但在高純度分離時，在塔頂（或塔底）相當高的一個塔段