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化工原理第九章.ppt

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9.5雙組分精餾的設計型計算9.5.1理論板數的計算(1)精餾設計型命題 已知:原料的處理量、組成,規定分離要求(對塔頂、塔底產品的質量和數量(產率)提出一定的要求,也即某個有用產品的回收率)求:合適的操作條件如壓力、進料狀況、R、所需板數、進料位置等。(2)q線方程(進料方程) 圖示:(1)精餾段操作線(2)q 線 (3)提餾段操作線 意義:一定的進料狀態下,操 作回流比改變時,兩操 作線交點的軌跡方程。 可見: q 的值不影響精餾段操作線,但對提餾段操作線有影響。進料狀態參數對操作線的影響精餾段操作線方程:q線方程:提餾段操作線方程:進料狀況的影響:影響到提餾段傳質推動力;影響到再沸器的熱負荷。 說明:① q↓,提餾段操作線斜率增大。 ② 提餾段操作線與進料量F無關。 提餾段操作線方程經變換,與xD,xW,xF,q,R有關。注意q的兩個特殊值:飽和液體進料:q=1 飽和蒸汽進料:q=0q=1q>10<q<1q=0q<0xFxDxW(3) 逐板計算法精餾塔的逐板計算yN-1 D, xD y1 y2 L, xD x1 xn yn+1 V L 1 2n x2 yn V, y1 xN-1 xm+1 L¢, xN-1 V¢,yWym V¢ L¢ xm-1 W, xW m+1 m ym+1 N-1 Nxm F, xF N1+1N1xN1 ?作出精、提餾段操作線、q線;?從點a開始在平衡線和精餾段操作線之間畫階梯,當梯級跨過點d時,就改在平衡線和提餾段操作線之間畫階梯,直至梯級跨過點b為止;(4)圖解法麥卡勃-蒂列(Mccabe-Thiele)法,簡稱M-T法?所畫的總階梯數就是全塔所需的理論塔板數(包含再沸器),跨過點d的那塊板就是加料板,其上的階梯數為精餾段的理論塔板數。D, xDW, xWF, xF最佳位置進料 1 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 0 0.2 0.4 0.6 0.8 xy a b c d f xF xW xD 8 10 2 4 6 3 7 9 11 5 12 13 理論板數的圖解(5) 最佳進料位置的確定D, xDW, xWF, xF非最佳進料與最佳進料的比較:進料口下移三塊板非最佳位置進料比最佳位置進料所需的理論板數多。0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 0 0.2 0.4 0.6 0.8 x y 1 a b c d f xF xW xD 8 10 2 4 6 3 7 9 11 5 12 13 14 D, xDW, xWF, xF非最佳位置進料比最佳位置進料所需的理論板數多。1 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 0 0.2 0.4 0.6 0.8 x y a b c d f xF xW xD 8 10 2 4 6 3 7 9 11 5 12 13 14 非最佳進料與最佳進料的比較:進料口上移一塊板進料位置對分離的影響9.5.2 回流比的選擇(1)全回流 與最少理論板數L=Vy xD a xW b 0 xW xD 最小理論板數的確定 :圖解法 、 逐板計算法。a) 圖解法在平衡線與對角線之間畫梯級,直至xn≤xw為止。b) 逐板計算法計算思想:由xD始,依次反復應用平衡關系與操作關系,直至 xn≤xw為止。 平衡關系:對第n塊板:αn—第n塊板A組分對B組分的相對揮發度。 操作關系: 逐板計算當塔頂為全凝器時:板序號 平衡關系 操作關系 12…………………………………………………n整理得:達到規定的分離要求時對雙組分:—— Fenske 方程結論:(2)最小回流比Rmin為完成某一分離要求,所需的理論塔板數為無窮多時的回流比稱為最小回流比。圖解法 解析法特殊平衡關系下的Rminyxe恒濃區在提餾段 dyxe恒濃區在精餾段 d(3) 回流比的影響和選擇適宜回流比說明:R↑ → N↓ → 塔設備費↓(4) 理論板數的捷算法(N、Nmin均包括再沸器在內)9.5.3加料熱狀態的選擇 q ↑ , Q點右移,提餾段操作線與平衡線距離↑ , 提餾段各塔板分離能力↑,N ↓。1.直接蒸汽加熱流程 (1)全塔物料衡算式形式不同與間接蒸汽加熱流程相比:9.5.4雙組分精餾過程的其他類型(2)精、 提、q線方程形式相同乙醇-水精餾體系直接蒸汽加熱ab¢dfxFxWxDxyx*Wb 乙醇-水精餾體系直接蒸汽加熱ab¢dfxFxWxDxyx*Wb2.多股加料流程特點: 1. 精、提操作線方程不變 2. 兩股進料之間的操作線方程可通過虛線范圍內的物料衡算得到:從上到下,操作線斜率依次增大。思考:當多股進料時,如何確定最小回流比?多股進料的精餾操作線圖示3. 側線出料流程 4. 回收塔流程回收塔的理論板數計算過程9.5.5平衡線為直線時理論板數的解析計算當雙組分溶液在很低的含量范圍內,氣液平衡關系近似為一直線時,應用于高純度分離過程所需理論板數的計算。9.6雙組分精餾的操作型計算9.6.1精餾過程的操作型計算(1) 操作型計算的命題?對已有的精餾塔,在給定的精餾條件下,核算其可能達到 的分離程度。如已知?對運行中的精餾塔,當某一操作條件改變時,分析分離效果的變化,是否能獲得合格產品?如不能需采取何措施?還會產生何影響等。如(2) 精餾塔操作型問題的分析方法?定性分析方法?定量計算方法需用試差法計算公式包括精餾段操作線方程提餾段操作線方程q線方程相平衡方程全塔物料衡算方程例:一正在運行中的精餾塔,由于前段工序的原因,導致 原料組成xF下降,試分析L、V、L’、D、W、xD、xW 如何變化?(3)回流比增加對精餾結果的影響(4)進料組成變動的影響9.6.2 精餾塔的溫度分布和靈敏板 (1)精餾塔的溫度分布 溶液的泡點與總壓及組成有關。精餾塔內各塊塔板上物料的組成及總壓并不相同,因而塔頂至于塔底形成某種溫度分布。(2)靈敏板 仔細分析操作條件變動前后溫度分別的變化,即可發現在精餾段或提餾段的某些塔板上,溫度變化量最為顯著?;蛘哒f,這些塔板的溫度對外界干擾因素的反映最靈敏,故將這些塔板稱之為靈敏板。9.7其他精餾方式與多元精餾一、水蒸汽蒸餾原理:使沸點降低適用范圍:不相溶物系(其中一相為水)水蒸汽消耗量的計算:由于水蒸汽與液體接觸時間有限,A的實際分壓一般用直接蒸汽時,由于接觸時間較短,所帶出的A的分壓達不到飽和狀態。?消耗水水蒸汽蒸餾的代價?負荷增加?由于多一組分水,對傳質不利, 同樣要求下,所需板數將增加。思考:間歇精餾與簡單蒸餾有何相同和不同之處?間歇精餾通常有恒回流比、恒餾出液組成這兩種操作方式二、間歇精餾1.恒回流比操作2.恒餾出液組成操作 在被分離的混合液中加入第三組分,以改變原混合物組分間的相對揮發度,從而用精餾將它們分離。三、特殊精餾1. 恒沸精餾乙醇水共沸物無水乙醇廢水乙醇水共沸物補充苯稀乙醇無水乙醇生產共沸精餾工藝流程恒沸劑的選擇原則: (1)新的最低恒沸物沸點要與另一從塔底排出的組分要有足夠大的差別,一般要求大于10℃。 (2)希望能與料液中含量較少的那個組分形成恒沸物,而且夾帶組分的量要盡可能高,這樣夾帶劑用量較少,能耗較低。 (3)最好能形成非均相恒沸物,以便于回收其中的夾帶劑。如在環己烷-苯恒沸精餾中的萃取加精餾的辦法,乙醇-水恒沸精餾中靜置分層的辦法。 (4)還應滿足其它的工業要求,如具備熱穩定性、無毒、不腐蝕、來源容易、價格低廉等。 2.萃取精餾乙醇-水無水乙醇乙二醇-水乙二醇水無水乙醇生產萃取精餾工藝流程萃取劑的選擇原則: (1)選擇性高 加入少量萃取劑就能使原組分間的相對揮發度顯著增大。 (2) 溶解度大 能和任何濃度的原溶液互溶,以避免分層,否則難以充分發揮萃取精餾的作用。 (3)揮發性小 其沸點比混合液的其它組分高得多,以保證塔頂產品的質量,也易與另一組分分離,但沸點也不能太高,否則會造成回收困難。 (4)具有穩定性、無毒、不腐蝕、來源容易、價格低廉等其它工業要求。多元精餾一、多元精餾的特點 將多個組分進行精餾分離的單元操作過程。對n個組分,一般需要n?1個精餾塔。塔序的排列原則: ?對熱敏性物質,應優先分出; ?對純度要求高的組分,應設計從塔頂采出或側線采出; ?如有難分離的相鄰組分,應置于最后(原因是在最后負荷 最小,此時需理論板數較多,回流比較大,較經濟); ?各組分在流程中的汽化、冷凝次數應盡可能減小,以降低 設備的負荷和能耗。單塔分離重點: ?關鍵組分 二、多元精餾的計算簡介1. 多元物系的相平衡相對揮發度:相平衡常數:2. 多元精餾的物料衡算?清晰分割 只考慮輕、重關鍵組分,比輕關鍵組分更輕的組分全部從塔頂蒸出,釜出忽略不計;比重關鍵組分更重的組分全部從塔釜排出,頂出忽略不計。?非清晰分割 全塔整體考慮。本章小結一. 概念理想溶液理想物系揮發度iiixpv=相對揮發度BAvv=aBBAAxpxp=BBAAxyxy=平衡級理論板恒摩爾流假定精餾原理最佳位置進料易揮發組分回收率1=FDFxDxh難揮發組分回收率)1()1(2--=FWxFxWh五種進料狀態回流比DLR=單板效率 11*)(++--=nnnnmVyyyynE*)(11nnnnmLxxxxnE--=--、全塔效率eNNE=0等板高度有分凝器的流程多股進料流程間歇精餾特殊精餾二. 公式1. 理想物系的相平衡關系拉烏爾定律???íì==BBBAAAxppxpp00 xxy)1(1-+=aat~x~y相圖、y~x相圖2. 流程、特點、計算平衡蒸餾簡單蒸餾tyü3. 精餾計算全塔 : ?íì+=+=WDFWxDxFxWDF精 : 111+++=+RxxRRyDnn, ?íì+==DRVRDL)1(min)2~1.1(RR=eeeDxyyxR--=minq : 11---=qxxqqyFFiIiIq--=???íì===01qqq飽和蒸汽時:液相分率飽和液、汽混合物時:飽和液體時:提 : '''1VWxxVLyWmm-=+,?íì-+=+=FqVVqFLL)1(''理論板數N:?íì圖解法逐板法
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