液體精餾（理論課16學(xué)時(shí)）

第9章液體精餾（理論課16學(xué)時(shí)）第4講：9.4.4操作線方程典型例題9.5雙組分精餾的設(shè)計(jì)型計(jì)算9.5.1理論板(theoreticalplate)數(shù)的求法與最優(yōu)加料位置的確定。例題。9/26/20231第9章液體精餾例3：有如圖的精餾流程，以回收二元理想混合物中的易揮發(fā)組分A，塔1和塔2的回流比都是3，加料、回流均為飽和液體。已知：xF=0.6,xD=0.9,xB=0.3,xT=0.5（均為摩爾分?jǐn)?shù)），F(xiàn)=100kmol/h。整個(gè)流程可使易揮發(fā)組分A的回收率達(dá)90%。試求：1、塔2的塔釜蒸發(fā)量；2、寫(xiě)出塔1中間段（F~T)的操作線方程。1#2#1段2段3段1段2段9/26/20232第9章液體精餾解：1#塔物料衡算：解得：2#塔物料衡算：1#2#1段2段3段1段2段9/26/20233第9章液體精餾2#塔：1#塔：1#塔虛線所圍范圍物料衡算：1#2#1段2段3段1段2段9/26/20234第9章液體精餾1#塔虛線所圍范圍易揮發(fā)組分物料衡算：F~T段操作線方程：數(shù)值代入，得：1#2#1段2段3段1段2段9/26/20235第9章液體精餾2#

的1段：或1#2#1段2段3段1段2段9/26/20236第9章液體精餾例1：某塔頂蒸汽在冷凝器中作部分冷凝，所得的氣、液兩相互成平衡。汽相作產(chǎn)品，液相作回流，見(jiàn)圖，該系統(tǒng)符合恒摩爾流的假定，試推導(dǎo)此時(shí)的精餾段操作線方程。解：虛線范圍物料衡算：再分析分凝器與塔頂?shù)谝粔K板之間的關(guān)系：結(jié)論：符合操作線關(guān)系。將操作線方程中的斜率和截距用已知參數(shù)表示出來(lái)9/26/20237第9章液體精餾

例2：某精餾塔頂采用的是冷回流（即回流液的溫度低于泡點(diǎn)溫度），其回流比為R’=L0/D（摩爾比，下同），而塔頂?shù)谝粔K板下方的回流比即為塔內(nèi)實(shí)際回流比為R（內(nèi)回流），R=L/D，試證明：1、2、冷回流時(shí)精餾段的操作線方程形式不變，即解：9/26/20238第9章液體精餾結(jié)論：冷回流時(shí)精餾段的操作線方程形式不變。9/26/20239第9章液體精餾方法：1、逐板計(jì)算法；2、圖解法；3、簡(jiǎn)捷計(jì)算法（后面計(jì)算）。9.5雙組分（連續(xù)）精餾的設(shè)計(jì)型計(jì)算9.5.1理論塔板數(shù)和進(jìn)料位置的計(jì)算設(shè)計(jì)型問(wèn)題的命題：

已知條件：F、xf

，分離要求xD

、xW

計(jì)算：（1）產(chǎn)品分配；（2）塔板數(shù)和進(jìn)料位置；（3）塔徑（后面計(jì)算）。物料衡算進(jìn)行產(chǎn)品分配選擇操作條件：操作壓強(qiáng)（操作溫度）、進(jìn)料熱狀態(tài)、回流比，相平衡關(guān)系和操作線方程隨之確定。9/26/202310第9章液體精餾1、逐板計(jì)算法連續(xù)精餾、塔頂設(shè)全凝器、泡點(diǎn)回流。精餾段操作方程提餾段操作方程相平衡方程9/26/202311第9章液體精餾注意：（1）塔釜相當(dāng)于一塊理論板，塔內(nèi)的理論板數(shù)是N-1；（2）若塔頂設(shè)置的是分凝器，則分凝器也相當(dāng)于一塊理論板,塔內(nèi)的理論板數(shù)是N-2。自塔頂開(kāi)始計(jì)算起：(1)y1=xD;步驟：即：交替使用操作關(guān)系和相平衡關(guān)系當(dāng)出現(xiàn)xi≤xq

時(shí)，由xi計(jì)算yi+1時(shí)，使用提餾段方程。當(dāng)出現(xiàn)xN≤xW時(shí)，終止計(jì)算。N即為所得的理論塔板數(shù)。操作線關(guān)系9/26/202312第9章液體精餾2、理論塔板的圖解法（根據(jù)逐板計(jì)算法的原理）

（McCabe—Thiele法，M-T法）9/26/202313第9章液體精餾最適宜的進(jìn)料位置第i塊塔板為進(jìn)料板，通常進(jìn)料板歸屬于提餾段內(nèi)。此時(shí)，原料進(jìn)入到進(jìn)料塔上后自發(fā)分散成的汽相組成、液相組成與進(jìn)料塔上的汽相組成、液相組成最接近，在組成上無(wú)返混。9/26/202314第9章液體精餾進(jìn)料口位置偏下注意：進(jìn)料口偏下或偏上，都使得達(dá)到同樣的分離所需要的理論塔板數(shù)增加。此時(shí)，濃度較高的原料進(jìn)入到濃度較低的進(jìn)料塔上，對(duì)于向下流動(dòng)的液體來(lái)說(shuō)，在組成上有返混。進(jìn)料口位置偏上此時(shí)，濃度較低的原料進(jìn)入到濃度較高的進(jìn)料塔上，對(duì)于向上流動(dòng)的汽體來(lái)說(shuō)，在組成上有返混。9/26/202315第9章液體精餾實(shí)際塔板增濃值與理論塔板增濃值的差異9/26/202316第9章液體精餾單板效率即Murphree板效率分析實(shí)際塔板增濃值與理論塔板增濃值的差異在塔板上汽液兩相有限時(shí)間的接觸過(guò)程中，汽、液兩相的傳質(zhì)不可能達(dá)到平衡，離開(kāi)塔板的汽、液兩相yi、xi

不成平衡關(guān)系。即傳質(zhì)速率是有限的。理論塔板的Murphree

板效率等于1，即100%。9/26/202317第9章液體精餾例：有兩股原料，一股為100kmol/h含苯0.6（摩爾分率，下同）和含甲苯0.4的混合液。另一股為100kmol/h含苯0.2（摩爾分率，下同）和含甲苯0.8的混合液。擬用精餾操作進(jìn)行分離，要求餾出液含苯0.9，釜液含苯0.05。塔頂設(shè)全凝器，塔釜為水蒸氣間接加熱。操作回流比為2。問(wèn)下述兩種方案哪種方案所需的理論板數(shù)少？（1）兩股原料分別在其泡點(diǎn)下進(jìn)入相應(yīng)濃度的塔板上；

（2）將兩股原料混合后在其泡點(diǎn)下進(jìn)入相應(yīng)濃度的塔板上。1段2段3段解：（1）兩股原料分別在其泡點(diǎn)下進(jìn)入相應(yīng)濃度的塔板上全塔物料衡算9/26/202318第9章液體精餾1段2段3段第2段：操作線方程第3段：操作線方程得：所需理論板8塊，自頂數(shù)第3塊為F1進(jìn)料，第6塊為F2進(jìn)料。（2）將兩股原料混合后在其泡點(diǎn)下進(jìn)入相應(yīng)濃度的塔板上1段2段兩股原料混合后的組成xfF、q=1第2段：操作線方程得：所需理論板10塊，自頂數(shù)第5塊進(jìn)料。9/26/202319第9章液體精餾第5講：

9.5.2回流比的選擇

全回流與最少理論板數(shù)、最小回流比(minimumrefluxratio)，最適宜操作回流比的選擇。

理論板數(shù)的捷算法。第9章液體精餾（理論課16學(xué)時(shí)）9/26/202320第9章液體精餾達(dá)到一定分離要求所需要的N減少了，實(shí)質(zhì)上使得傳質(zhì)推動(dòng)力(ye-y)增加了。9.5.2回流比的選擇如果操作的回流比R增加，精餾段、提餾段的操作線均改變。9/26/202321第9章液體精餾NT,min中包含了塔釜。Fenske公式：1、全回流與最小理論塔板數(shù)9/26/202322第9章液體精餾

Fenske公式的推導(dǎo)：逐板計(jì)算法前提是全回流平衡關(guān)系：操作線關(guān)系：自塔頂開(kāi)始逐板計(jì)算：9/26/202323第9章液體精餾取平均相對(duì)揮發(fā)度(relativevolatility)：9/26/202324第9章液體精餾Fenske公式：9/26/202325第9章液體精餾求挾點(diǎn)e(xe,ye)坐標(biāo)（1）解析法；（2）做圖法。2、最小回流比Rmin

對(duì)于設(shè)計(jì)型問(wèn)題Rmin與分離要xD

、相平衡關(guān)系和xf

、q均有關(guān)。9/26/202326第9章液體精餾平衡線形狀不規(guī)則時(shí)，求Rmin只能采用圖解法9/26/202327第9章液體精餾3、最適宜回流比的選取9/26/202328第9章液體精餾Gilliland（吉利蘭）關(guān)聯(lián)式和關(guān)聯(lián)圖的依據(jù)是：8種物系，在廣泛的精餾條件下，由逐板計(jì)算得出理論塔板數(shù)。組分?jǐn)?shù)為2~11個(gè)；進(jìn)料熱狀態(tài)包括冷料至過(guò)熱蒸汽等5種情況；Rmin為0.53~7.0；組分間的相對(duì)揮發(fā)度為1.26~4.05；理論塔板數(shù)為2.4~43.1。注意：NT,NT,min中均為包含塔釜的理論板數(shù)。利用Fenske公式和Gilliland（吉利蘭）關(guān)聯(lián)式求解4、理論塔板的捷算法為了便于用計(jì)算機(jī)計(jì)算，9/26/202329第9章液體精餾（1）利用Fenske公式計(jì)算全回流時(shí)的Nmin

和Nmin,1

理論塔板的捷算法的步驟：(2)求最小回流比Rmin

和操作回流比R(3)利用Gilliland關(guān)聯(lián)式或關(guān)聯(lián)圖求N、N19/26/202330第9章液體精餾2001華東石油大學(xué)試題在一連續(xù)常壓精餾塔中分離某混合液，要求xD=0.94，xW=0.04。已知此塔進(jìn)料q線方程為y=6x-1.5，采用回流比為最小回流比的1.2倍，混合液在操作條件下的相對(duì)揮發(fā)度為2。求：⑴精餾段操作線方程；⑵若塔底產(chǎn)品量W=150kmol/h，求進(jìn)料量F和塔頂產(chǎn)品量D；⑶提餾段操作線方程。解：9/26/202331第9章液體精餾例：2000年華東理工大學(xué)碩士入學(xué)考試試題用連續(xù)精餾塔分離某雙組分混合液，混合液中含易揮發(fā)組分xF=0.4（摩爾分率，下同），原料以飽和液體狀態(tài)加入塔中部，塔頂全凝，泡點(diǎn)回流。操作條件下物系的相對(duì)揮發(fā)度α=2.5，要求塔頂產(chǎn)品濃度xD=0.8，塔頂易揮發(fā)組分的回收率η=0.9。塔釜間接蒸汽加熱。試求：（1）完成上述分離任務(wù)的最小回流比；（2）若R=1.5Rmin,則進(jìn)入塔頂?shù)谝粔K塔板的汽相組成為多少？解：q線方程平衡線方程9/26/202332第9章液體精餾例：華東理工大學(xué)1999年碩士入學(xué)考試試題采用連續(xù)精餾塔分離某雙組分混合物，進(jìn)料組成為0.4（易揮發(fā)組分摩爾分率），進(jìn)料汽液比為1：1（摩爾量比）。塔頂泡點(diǎn)回流，塔釜間接蒸汽加熱。要求塔頂易揮發(fā)組分回收率達(dá)到98%，塔釜難揮發(fā)組分回收率達(dá)到99%。已知該物系的相對(duì)揮發(fā)度為3試求：（1）塔頂、塔底產(chǎn)品的組成和塔頂采出率；（2）Rmin（3）R=1.5Rmin,試寫(xiě)出提餾段的操作線方程。解：（1）均代入（3）式9/26/202333第9章液體精餾解得：（2）解交點(diǎn)坐標(biāo)(xe,ye)9/26/202334第9章液體精餾9/26/202335第9章液體精餾例：華東理工大學(xué)1998年碩士入學(xué)考試試題采用一連續(xù)操作的常壓精餾塔，分離某A（輕組分）B（重組分）雙組分混合物，已知進(jìn)料組成為0.4（易揮發(fā)組分摩爾分率），進(jìn)料溫度為50℃。塔頂泡點(diǎn)回流，塔釜間接蒸汽加熱。要求塔頂產(chǎn)品含易揮發(fā)組分95%，塔釜產(chǎn)品含易揮發(fā)組分3%。已知該物系的相對(duì)揮發(fā)度為2.5，實(shí)際操作回流比為1.95。試求：（1）組分A的回收率；（2）Rmin(3)寫(xiě)出提餾段的操作線方程。（4）若塔頂?shù)谝粔K板下降的液相濃度為0.9，求該塔板以氣相組成表示的Emv（由平衡數(shù)據(jù)已知，xf=0.4,AB混合液的泡點(diǎn)為

95.2℃,定性溫度下，原料液的

Cp=39kcal/(kmol.℃),r=8800kcal/kmol)解：9/26/202336第9章液體精餾9/26/202337第9章液體精餾9/26/202338第9章液體精餾例：9-18習(xí)題(西北大學(xué)1999年碩士入學(xué)考試試題)兩股組成不同的原料液分別預(yù)熱至泡點(diǎn)，從塔的不同部位連續(xù)加入。已知：xD=0.98,xS=0.56xF=0.35,xw=0.02（均為易揮發(fā)組分的摩爾分率）。物系的相對(duì)揮發(fā)度α=2.4，S=0.2F試求：（1）塔頂易揮發(fā)組分的回收率；（2）為達(dá)到上述分離要求所需的Rmin.9/26/202339第9章液體精餾解:物料衡算：解得：9/26/202340第9章液體精餾兩股進(jìn)料均為泡點(diǎn)，應(yīng)根據(jù)哪股加料求

Rmin？分別求解后再做比較。首先根據(jù)S確定Rmin如果第2段的操作線到e2點(diǎn)時(shí)，如圖所示，則可以按照S進(jìn)料求Rmin9/26/202341第9章液體精餾可能出現(xiàn)如圖所示：盡管第2段斜率增加，但仍然出現(xiàn)不符合實(shí)際的情況。此時(shí)應(yīng)考慮根據(jù)F股進(jìn)料出現(xiàn)挾點(diǎn)，根據(jù)第3段操作線的斜率,上推到第1段的參數(shù)，確定Rmin

。此時(shí)則不能按照S進(jìn)料求Rmin

。見(jiàn)下頁(yè)9/26/202342第9章液體精餾此時(shí)應(yīng)根據(jù)第3段操作線的斜率,上推到第2段，再上推到第1段確定Rmin

?？捎?種方式來(lái)表示9/26/202343第9章液體精餾如果考慮不周全，僅根據(jù)S股進(jìn)料，則得出Rmin=1.21的錯(cuò)誤結(jié)論。9/26/202344第9章液體精餾第6講：

9.5.3加料熱狀態(tài)的選擇

精餾操作的熱量衡算

9.5.4雙組分連續(xù)精餾過(guò)程的其它類(lèi)型

（塔釜加料的塔、提餾塔、水蒸氣直接加熱的塔）

9.5.5平衡線為直線時(shí)理論板數(shù)的解析計(jì)算第9章液體精餾（16學(xué)時(shí)）9/26/202345第9章液體精餾

連續(xù)精餾裝置的熱量平衡如果F、D、W保持不變，若回流比R已定，QB+QF

則總量已定。9.5.3加料熱狀態(tài)的選擇9/26/202346第9章液體精餾為什么q值增大（冷態(tài)，Qf數(shù)值減?。?，所需要的NT減少呢？（1）回流比R一定精餾操作所需要的總熱流量一定。若q值增加，Qf減小，則意味著QB增加了，這樣達(dá)到預(yù)定分離程度所需要的NT數(shù)量減少。QB值大，使NT減小的原因：

QB值大，意味著數(shù)值大，使得提餾段操作線與平衡線距離增大，傳質(zhì)推動(dòng)力增大，故所需NT減少。根據(jù)熱量平衡原理和理論塔板數(shù)的求解，分析進(jìn)料熱狀態(tài)的選擇，分為2種情況結(jié)論：在需要總熱量一定的情況下，熱量應(yīng)從塔釜（再沸器）加入，而不應(yīng)該是從原料帶入。即：熱量應(yīng)從塔底（塔釜）加入。為什么當(dāng)Qt一定時(shí)，QB增加，可以使得N減少？9/26/202347第9章液體精餾（2）如果塔釜加熱能力一定（即一定，QB一定）時(shí)，加料熱狀態(tài)變化，對(duì)于NT的影響若Qf增加，則提供給精餾操作的總熱量增加，意味著Qc增加了（消耗更多的冷量），回流比R增加了，傳質(zhì)推動(dòng)力增加了，故所需要的NT可以減少。結(jié)論：

精餾操作，熱量盡量加在塔底；冷量盡量加在塔頂。9/26/202348第9章液體精餾如果是飽和水蒸氣，q=0,水蒸氣的流率為S精餾段操作線、進(jìn)料線不變，提餾段操作線有了變化。9.5.4雙組分精餾過(guò)程的其它類(lèi)型1、水蒸氣直接加熱的精餾水蒸氣的熱狀態(tài)參數(shù)為q提餾段輕組分衡算過(guò)點(diǎn)（xw,0）9/26/202349第9章液體精餾全塔物料衡算塔釜間接加熱時(shí)的物料衡算如果是飽和水蒸氣，q=0,水蒸氣的流率為S9/26/202350第9章液體精餾分析直接蒸汽加熱提餾段方程式的特點(diǎn)：過(guò)點(diǎn)（xw,0）9/26/202351第9章液體精餾直接蒸汽加熱與間接釜式加熱相比較：分2種情況第一種情況：F、xf

、q、R、xD

、xW

相同，比較熱能消耗、輕組分的回收率和理論塔板數(shù)N由于S直接進(jìn)入塔釜，出塔的物料總量（D+W）必然增加。D?W?塔釜間接加熱時(shí)的物料衡算9/26/202352第9章液體精餾第一種情況：F、xf

、q、R、xD

、xW

相同，比較熱能消耗、輕組分的回收率和理論塔板數(shù)N直接間接9/26/202353第9章液體精餾第二種情況：F、xf

、q、R、xD

相同，要求輕組分的回收率η相同，比較熱能消耗、和理論塔板數(shù)N由于D、xD相同，則(R+1)D相同，q相同，V’相同，則能耗相同。精餾段方程、q線方程相同，提餾段的液汽流量和液汽比也相同，直接蒸汽加熱時(shí)的提餾段操作線只是將間接加熱的操作線延長(zhǎng)到橫坐標(biāo)上。直接間接9/26/202354第9章液體精餾例：含甲醇0.45（摩爾分率，下同）的甲醇水溶液在一常壓連續(xù)精餾塔中進(jìn)行分離。原料流量為100kmol/h，