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1、2020/1/30,第 9 章 液体精馏,1,第 9 章 液体精馏（理论课16学时）,第4讲： 9.4.4 操作线方程典型例题 9.5 双组分精馏的设计型计算 9.5.1 理论板(theoretical plate)数的求法与最优加料位置的确定。 例题。,2020/1/30,第 9 章 液体精馏,2,例3：有如图的精馏流程，以回收二元理想混合物中的易挥发组分A ，塔1和塔2的回流比都是3 ，加料、回流均为饱和液体。已知：xF=0.6 ,xD=0.9 ,xB=0.3 ,xT=0.5（均为摩尔分数），F=100kmol/h 。整个流程可使易挥发组分A的回收率达90% 。试求： 1、塔2的塔釜蒸发量
2、；2、写出塔1中间段（FT)的操作线方程。,2020/1/30,第 9 章 液体精馏,3,解：,1#塔物料衡算：,解得：,2#塔物料衡算：,2020/1/30,第 9 章 液体精馏,4,2#塔：,1#塔：,1#塔虚线所围范围物料衡算：,2020/1/30,第 9 章 液体精馏,5,1#塔虚线所围范围易挥发组分物料衡算：,FT段操作线方程：,数值代入，得：,2020/1/30,第 9 章 液体精馏,6,2# 的1段：,或,2020/1/30,第 9 章 液体精馏,7,例1：某塔顶蒸汽在冷凝器中作部分冷凝，所得的气、液两相互成平衡。汽相作产品，液相作回流，见图，该系统符合恒摩尔流的假定，试推导此时
3、的精馏段操作线方程。,解：,虚线范围物料衡算：,再分析分凝器与塔顶第一块板之间的关系：,结论：符合操作线关系。,将操作线方程中的斜率和截距用已知参数表示出来,2020/1/30,第 9 章 液体精馏,8,例2：某精馏塔顶采用的是冷回流（即回流液的温度低于泡点温度），其回流比为R=L0/D （摩尔比，下同），而塔顶第一块板下方的回流比即为塔内实际回流比为R（内回流），R=L/D ，试证明： 1、,2、冷回流时精馏段的操作线方程形式不变，即,解：,2020/1/30,第 9 章 液体精馏,9,结论：冷回流时精馏段的操作线方程形式不变。,2020/1/30,第 9 章 液体精馏,10,方法：1、逐板
4、计算法；2、图解法； 3、简捷计算法（后面计算）。,9.5 双组分（连续）精馏的设计型计算,9.5.1 理论塔板数和进料位置的计算,设计型问题的命题： 已知条件：F、xf ，分离要求xD 、xW 计算： （1）产品分配；（2）塔板数和进料位置；（3）塔径（后面计算）。,物料衡算进行产品分配,选择操作条件：操作压强（操作温度）、进料热状态、回流比 ，相平衡关系和操作线方程随之确定。,2020/1/30,第 9 章 液体精馏,11,1、逐板计算法,连续精馏、塔顶设全凝器、泡点回流。,精馏段操作方程,提馏段操作方程,相平衡方程,2020/1/30,第 9 章 液体精馏,12,注意： （1）塔釜相当于
5、一块理论板，塔内的理论板数是 N-1 ； （2）若塔顶设置的是分凝器，则分凝器也相当于一块理论板,塔内的理论板数是 N-2 。,自塔顶开始计算起：,(1) y1=xD ;,步骤：,即：交替使用操作关系和相平衡关系,当出现 xi xq 时，由xi计算yi+1时，使用提馏段方程。,当出现xNxW时，终止计算。N即为所得的理论塔板数。,2020/1/30,第 9 章 液体精馏,13,2、理论塔板的图解法（根据逐板计算法的原理） （McCabeThiele法，M-T法）,2020/1/30,第 9 章 液体精馏,14,最适宜的进料位置,第 i 块塔板为进料板，通常进料板归属于提馏段内。,此时，原料进入
6、到进料塔上后自发分散成的汽相组成、液相组成 与 进料塔上的汽相组成、液相组成 最接近，在组成上无返混。,2020/1/30,第 9 章 液体精馏,15,进料口位置偏下,注意：进料口偏下或偏上，都使得达到同样的分离所需要的理论塔板数增加。,此时，浓度较高的原料进入到浓度较低的进料塔上，对于向下流动的液体来说，在组成上有返混。,进料口位置偏上,此时，浓度较低的原料进入到浓度较高的进料塔上，对于向上流动的汽体来说，在组成上有返混。,2020/1/30,第 9 章 液体精馏,16,实际塔板增浓值与理论塔板增浓值的差异,2020/1/30,第 9 章 液体精馏,17,单板效率 即Murphree板效率,
7、分析实际塔板增浓值与理论塔板增浓值的差异,在塔板上汽液两相有限时间的接触过程中，汽、液两相的传质不可能达到平衡，离开塔板的汽、液两相 y i 、xi 不成平衡关系。即传质速率是有限的。,理论塔板的Murphree 板效率等于1 ，即100% 。,2020/1/30,第 9 章 液体精馏,18,例：有两股原料，一股为100kmol/h含苯0.6（摩尔分率，下同）和含甲苯0.4的混合液。另一股为100kmol/h含苯0.2（摩尔分率，下同）和含甲苯0.8的混合液。拟用精馏操作进行分离，要求馏出液含苯0.9 ，釜液含苯0.05 。塔顶设全凝器，塔釜为水蒸气间接加热。操作回流比为2 。问下述两种方案哪
8、种方案所需的理论板数少？（1）两股原料分别在其泡点下进入相应浓度的塔板上； （2）将两股原料混合后在其泡点下进入相应浓度的塔板上。,解： （1）两股原料分别在其泡点下进入相应浓度的塔板上,全塔物料衡算,2020/1/30,第 9 章 液体精馏,19,第2段：操作线方程,第3段：操作线方程,得：所需理论板8块，自顶数第3块为F1进料，第6块为F2进料。,（2）将两股原料混合后在其泡点下进入相应浓度的塔板上,两股原料混合后的组成xf F、q=1,第2段：操作线方程,得：所需理论板10块，自顶数第5块进料。,2020/1/30,第 9 章 液体精馏,20,第5讲： 9.5.2 回流比的选择 全回流与
9、最少理论板数、最小回流比(minimum reflux ratio)，最适宜操作回流比的选择。 理论板数的捷算法。,第 9 章 液体精馏（理论课16学时）,2020/1/30,第 9 章 液体精馏,21,达到一定分离要求所需要的N减少了，实质上使得传质推动力( ye-y) 增加了。,9.5.2 回流比的选择,如果操作的回流比R增加，精馏段、提馏段的操作线均改变。,2020/1/30,第 9 章 液体精馏,22,NT,min中包含了塔釜。,Fenske公式：,1、全回流与最小理论塔板数,2020/1/30,第 9 章 液体精馏,23,Fenske公式的推导：逐板计算法,前提是全回流,平衡关系：,
10、操作线关系：,自塔顶开始逐板计算：,2020/1/30,第 9 章 液体精馏,24,取平均相对挥发度(relative volatility)：,2020/1/30,第 9 章 液体精馏,25,Fenske公式：,2020/1/30,第 9 章 液体精馏,26,求挟点e (xe ,ye)坐标,（1）解析法；（2）做图法。,2、最小回流比Rmin,对于设计型问题,Rmin与分离要xD 、相平衡关系和xf 、q均有关。,2020/1/30,第 9 章 液体精馏,27,平衡线形状不规则时，求Rmin只能采用图解法,2020/1/30,第 9 章 液体精馏,28,3、最适宜回流比的选取,2020/1/
11、30,第 9 章 液体精馏,29,Gilliland （吉利兰）关联式和关联图的依据是：8种物系，在广泛的精馏条件下，由逐板计算得出理论塔板数。组分数为211个；进料热状态包括冷料至过热蒸汽等5种情况；Rmin为0.537.0 ；组分间的相对挥发度为1.264.05 ；理论塔板数为2.443.1 。,注意：NT , NT,min中 均为包含塔釜的理论板数。,利用Fenske公式 和 Gilliland （吉利兰）关联式求解,4、理论塔板的捷算法,为了便于用计算机计算，,2020/1/30,第 9 章 液体精馏,30,（1）利用Fenske公式计算全回流时的 Nmin 和 Nmin,1,理论塔板
12、的捷算法的步骤：,(2) 求最小回流比Rmin 和操作回流比R,(3)利用Gilliland关联式或关联图求N 、N1,2020/1/30,第 9 章 液体精馏,31,2001华东石油大学试题 在一连续常压精馏塔中分离某混合液，要求xD=0.94，xW=0.04。已知此塔进料q线方程为y=6x-1.5，采用回流比为最小回流比的1.2倍，混合液在操作条件下的相对挥发度为2。求： 精馏段操作线方程； 若塔底产品量W=150kmol/h，求进料量F和塔顶产品量D； 提馏段操作线方程。,解：,2020/1/30,第 9 章 液体精馏,32,例：2000年华东理工大学硕士入学考试试题 用连续精馏塔分离某
13、双组分混合液，混合液中含易挥发组分xF=0.4（摩尔分率，下同），原料以饱和液体状态加入塔中部，塔顶全凝，泡点回流。操作条件下物系的相对挥发度=2 . 5 ，要求塔顶产品浓度xD=0.8 ，塔顶易挥发组分的回收率=0. 9 。塔釜间接蒸汽加热。试求：（1）完成上述分离任务的最小回流比； （2）若R=1.5Rmin ,则进入塔顶第一块塔板的汽相组成为多少？,解：,q线方程,平衡线方程,2020/1/30,第 9 章 液体精馏,33,例：华东理工大学1999年硕士入学考试试题 采用连续精馏塔分离某双组分混合物，进料组成为 0.4（易挥发组分摩尔分率），进料汽液比为 1：1（摩尔量比）。塔顶泡点回流
14、，塔釜间接蒸汽加热。要求塔顶易挥发组分回收率达到98% ，塔釜难挥发组分回收率达到99% 。已知该物系的相对挥发度为 3 试求：（1）塔顶、塔底产品的组成和塔顶采出率；（2）Rmin （3）R=1.5Rmin ,试写出提馏段的操作线方程。,解：（1）,均代入（3）式,2020/1/30,第 9 章 液体精馏,34,解得：,（2）,解交点坐标(xe , ye ),2020/1/30,第 9 章 液体精馏,35,2020/1/30,第 9 章 液体精馏,36,例：华东理工大学1998年硕士入学考试试题 采用一连续操作的常压精馏塔，分离某A（轻组分）B（重组分）双组分混合物，已知进料组成为 0.4（
15、易挥发组分摩尔分率），进料温度为50。塔顶泡点回流，塔釜间接蒸汽加热。要求塔顶产品含易挥发组分95% ，塔釜产品含易挥发组分3% 。已知该物系的相对挥发度为 2. 5 ，实际操作回流比为1.95 。 试求：（1）组分A的回收率；（2）Rmin (3) 写出提馏段的操作线方程。 （4）若塔顶第一块板下降的液相浓度为 0. 9 ，求该塔板以气相组成表示的 Emv （由平衡数据已知，xf=0.4 , AB混合液的泡点为 95. 2 ,定性温度下，原料液的 Cp=39kcal/(kmol.) , r=8800kcal/kmol ),解：,2020/1/30,第 9 章 液体精馏,37,2020/1/3
16、0,第 9 章 液体精馏,38,2020/1/30,第 9 章 液体精馏,39,例：9-18习题 (西北大学1999年硕士入学考试试题),两股组成不同的原料液分别预热至泡点，从塔的不同部位连续加入。已知：xD=0.98 , xS=0.56 xF=0.35 , xw=0.02 （均为易挥发组分的摩尔分率）。物系的相对挥发度=2.4 ，S=0.2F 试求：（1）塔顶易挥发组分的回收率； （2）为达到上述分离要求所需的 Rmin .,2020/1/30,第 9 章 液体精馏,40,解:,物料衡算：,解得：,2020/1/30,第 9 章 液体精馏,41,两股进料均为泡点，应根据 哪股加料求 Rmin
17、 ？分别求解后再做比较。,首先根据S确定Rmin,如果第2段的操作线到e2点时，如图所示，则可以按照S进料求Rmin,2020/1/30,第 9 章 液体精馏,42,可能出现如图所示：尽管第2段斜率增加，但仍然出现不符合实际的情况。,此时应考虑根据F股进料出现挟点，根据第3段操作线的斜率,上推到第1段的参数，确定Rmin 。,此时则不能按照S进料求Rmin 。,见下页,2020/1/30,第 9 章 液体精馏,43,此时应根据第3段操作线的斜率,上推到第2段，再上推到第1段确定Rmin 。,可有2种方式来表示,2020/1/30,第 9 章 液体精馏,44,如果考虑不周全，仅根据S股进料，则得
18、出Rmin=1.21的错误结论。,2020/1/30,第 9 章 液体精馏,45,第6讲： 9.5.3 加料热状态的选择 精馏操作的热量衡算 9.5.4 双组分连续精馏过程的其它类型 （塔釜加料的塔、提馏塔、水蒸气直接加热的塔） 9.5.5 平衡线为直线时理论板数的解析计算,第 9章 液体精馏（16学时）,2020/1/30,第 9 章 液体精馏,46,连续 精馏装置的热量平衡,如果F、D、W保持不变，若回流比R已定，QB+QF 则总量已定。,9. 5. 3 加料热状态的选择,2020/1/30,第 9 章 液体精馏,47,为什么 q 值增大（冷态，Qf数值减小），所需要的NT减少呢？,（1）
19、回流比R一定,精馏操作所需要的总热流量一定。,若q值增加，Qf减小，则意味着QB增加了，这样达到预定分离程度所需要的NT数量减少。,根据热量平衡原理 和 理论塔板数的求解，分析进料热状态的选择，分为2种情况,结论：在需要总热量一定的情况下，热量应从塔釜（再沸器）加入，而不应该是从原料带入。即：热量应从塔底（塔釜）加入。,为什么 当Qt一定时，QB增加，可以使得N减少？,2020/1/30,第 9 章 液体精馏,48,（2）如果塔釜加热能力一定（即 一定，QB一定）时，加料热状态变化，对于NT的影响,若Qf增加，则提供给精馏操作的总热量增加，意味着Qc增加了（消耗更多的冷量），回流比 R 增加了
20、，传质推动力增加了，故所需要的NT可以减少。,结论： 精馏操作，热量尽量加在塔底；冷量尽量加在塔顶。,2020/1/30,第 9 章 液体精馏,49,如果是饱和水蒸气，q=0 ,水蒸气的流率为S,精馏段操作线、进料线不变，提馏段操作线有了变化。,9.5.4 双组分精馏过程的其它类型,1、水蒸气直接加热的精馏,水蒸气的热状态参数为q,提馏段轻组分衡算,过点（xw , 0）,2020/1/30,第 9 章 液体精馏,50,全塔物料衡算,如果是饱和水蒸气，q=0 ,水蒸气的流率为S,2020/1/30,第 9 章 液体精馏,51,分析直接蒸汽加热提馏段方程式的特点：,过点（xw , 0）,2020/
21、1/30,第 9 章 液体精馏,52,直接蒸汽加热与间接釜式加热相比较：分2种情况,第一种情况：F、xf 、q 、R 、xD 、xW 相同，比较热能消耗、轻组分的回收率和理论塔板数N,由于S直接进入塔釜，出塔的物料总量（D+W）必然增加。D? W?,2020/1/30,第 9 章 液体精馏,53,第一种情况：F、xf 、q 、R 、xD 、xW 相同，比较热能消耗、轻组分的回收率和理论塔板数N,直接,间接,2020/1/30,第 9 章 液体精馏,54,第二种情况：F、xf 、q 、R 、xD 相同，要求轻组分的回收率相同，比较热能消耗、和理论塔板数N,由于D、xD相同，则(R+1)D相同，q
22、相同，V相同，则能耗相同。精馏段方程、q线方程相同，提馏段的液汽流量和液汽比也相同，直接蒸汽加热时的提馏段操作线只是将间接加热的操作线延长到横坐标上。,直接,间接,2020/1/30,第 9 章 液体精馏,55,例：含甲醇0.45（摩尔分率，下同）的甲醇水溶液在一常压连续精馏塔中进行分离。原料流量为100kmol/h ，泡点进料。要求馏出液中含甲醇0.95 ，釜液含甲醇0.05 。塔釜用饱和水蒸气直接加热。回流比为1.8 。甲醇水溶液在操作条件下的汽、液相平衡数据见表。图解法确定理论塔板数。,是饱和水蒸气，q=0 ,水蒸气的流率为S,解：,2020/1/30,第 9 章 液体精馏,56,对q0
23、或q1 的情况应具体计算。,2、多股加料的精馏,当回流比R变化时，各段操作线的斜率均发生变化。挟点位置有多种可能。,2020/1/30,第 9 章 液体精馏,57,若液相侧线，则引出下降的液相物。,3、侧线出料的精馏,挟点一般出现在q线与平衡线的交点处。,若汽相侧线，则引出上升的汽相物。,2020/1/30,第 9 章 液体精馏,58,4、只有精馏段的塔,塔釜即为理论进料板,若饱和蒸汽进料：q=0,精馏段操作线方程 q线方程,2020/1/30,第 9 章 液体精馏,59,5、提馏塔（回收塔）,馏出液浓度要求不高，目的是回收轻组分。,如果是泡点进料 q=1,若一般进料：,2020/1/30,第
24、 9 章 液体精馏,60,冷液进料,泡点进料,首先规定xw ，则操作线的下端点确定。,确定理论塔板数,如果是泡点进料 q=1,2020/1/30,第 9 章 液体精馏,61,9.5.5 平衡线为直线时理论板数的解析计算（逐板计算关系的演绎结果）,双组分溶液在很低的含量范围内，气液平衡关系近似为一直线，即,式中K为一常数。,操作线（自塔底至提馏段某两塔板之间物料衡算）：,令,在指定的液相浓度范围内(x0xN) x0 是自塔提馏段某块板向下流液体的浓度。,2020/1/30,第 9 章 液体精馏,62,2020/1/30,第 9 章 液体精馏,63,令：,该解析方法主要应用于低浓度区分离过程所需理论板数的计算。,9.5完,