第三章 汽液传质分离过程-3
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精馏过程的内在规律,严格计算的基础。
3.2.2 最小回流比
多组分精馏最小回流比 与两组分精馏一样,最小回流比都是指 在无穷多塔板数的条件下,达到关键组分预期分离所需 要的回流比。
全回流
无穷多塔板数
对应 对应
最少理论塔板数
最小回流比
e
恒浓区- 精馏塔中浓度不变的区域。
R Rm时, N 塔中出现恒浓区
如果按恒摩尔流假设,气液流量只在进料板处有变化 ;对非恒摩尔 流,液、汽流量都有一定变化,但液汽比L/V接近常数。 温度分布从再沸器到冷凝器仍呈单调下降; 但与双组分的精馏、提馏中段温度变化较快不同,多组分塔顶、塔底及 进料板附近,温度变化较快。
甲苯
异丙苯
苯
甲苯
异丙苯
苯
多组分精馏与二组分精馏在浓度分布上的主要区别:
3.2 多组分精馏过程
3.1.2.2 多组分精馏特性
二元精馏与多元精馏的比较:
计算方法上: 二元精馏,设计变量被确定后,可从任一端出发,作 逐板计算,无需试差。 多元精馏,由于不能指定全部组成,所以需先假设一 端的组成,再通过反复试差求解。
在塔内流率,温度和浓度分布上
实例:二元精馏 vs 多元精馏。 二元精馏实例:苯-甲苯 特点:
θ: 方程3-3b的根,为多根方程,取alr> θ> ahr
计算方法
1. 在[ l r , hr ]值之间设初值
i r ( xi , D )m Rm 1 (3 3a ) ir i r xi , F 1 q ir
(3 3b)
重组分为非分配组分,轻组分为分配组分 轻非关键组分出现在塔顶、塔釜,重非关键组分只出现 在塔釜。 进料板以上,必须紧接着有若干塔板使重组分的浓度 降到零。所以恒浓区向上推移出现在精馏段的中部。 而进料板以下,无需一个区域使轻组分浓度降至零,
所以恒浓区依然紧靠进料板。
轻组分为非分配组分,重组分为分配组分
关键组分含量存在极大值; 非关键组分通常是非分配的,即重组分通常仅出现在釜 液中,轻组分仅出现在馏出液中;
重、轻非关键组分分别在进料板下、上形成几乎恒浓区;
全部组分均存在于进料板上,但进料板含量不等于进料含 量。
精馏级间流量变化
塔内流量变化与热平衡关系密切相关。
(1)温度沿塔向上逐渐降低,蒸汽冷却。这种冷却 或是增加液体的显热,或是增加液体汽化量。
流率-恒摩尔流
(精馏段与提馏段内各自流量恒定)
除进料板处液体流率有突变外,各段摩尔流率基本不变。
组成 液体组成在塔顶部的变化较为缓慢,随后较快,进料板处又
较缓慢。
进料板以下,同样情况。
温度
因为泡点和组成密切相关,温度分布的形状接近于液体组成 分布图的形状。
三元精馏实例
苯(LK)-甲苯(HK)-异丙苯
2、 Rm 的计算
采用Underwood法计算:
i r ( xi , D )m Rm 1 (3 3a ) ir Underwood公式: i r xi , F (3 3b) 1 q ir
ห้องสมุดไป่ตู้
式中: air : i 对基准组分 r 的相对挥发度 基准r选取:① 最难挥发的组分;② HK xi,F: 进料混合物中组分i的摩尔分率; q: 进料热状况参数(进料的液相分率)。 (xi,D)m: 最小回流比操作下,塔顶馏出液中i 的摩尔分数。
轻非关键组分只出现在塔顶,重非关键组分出现在塔釜、 塔顶。 进料板以上,无需一个区域使轻组分浓度降至零, 所以 恒浓区依然紧靠进料板。 而进料板以下,必须紧接着有若干塔板使轻组分的浓度 降到零。 所以恒浓区向下推移出现在提馏段的中部。
轻、重组分均为分配组分
轻非关键组分、重非关键组分均出现在塔釜、塔顶。 进料板上下,都无需一个区域使轻重组分浓度降至零, 所以恒浓区依然紧靠进料板。
轻(非关键)、重(非关键)组分均为非分配组分 轻非关键组分只出现在塔顶,重非关键组分只出现在 塔釜。
进料板以上,必须紧接着有若干塔板使重组分的浓度 降到零。 这一段不可能是恒浓区,恒浓区向上推移而出现在精 馏段的中部。 同理,进料板以下,必须紧接着有若干塔板使轻组分浓 度降至零,提留段恒浓区向下推移到提留段中部。
i r xi ,F i r
1 q (3 3 b )
试差确定
i r ( xi , D )m 2. 将 代入 Rm 1 (3 3a )式 i r
注意:
Rm
1、若LK、HK挥发度不相邻,可能会在alr ,ahr之间 需要解出几个Rm,然后求平均值。 试差出几个θ ,
y
xW
恒浓区
x
xD
1、 Rm 时,恒浓区出现的情况
二元精馏:
R 1 y x xD R1 R1
e
恒浓区
y
xW
x
x D ye Rm ye x e
xD
恒浓区:一个,出现在进料板。
多元精馏: 定义: 只在顶或釜出现的组分 顶釜同时出现的组分 ——非分配组分 ——分配组分
一般:LK、HK和中间关键组分为分配组分; 非关键组分可以是分配组分,也可以是非分配组分。
2、3-3a计算需要最小回流比下的塔顶溜出液组成,难 以知道, 估算麻烦,常用全回流条件下数据代替。
例3—1 计算最小回流比
x 已知: i ,F , x i , D , q 1.0
解:由(3—3b)试差 1.325 将 1 .325 代入(3—3a)得 Rm 1.306
本次课重点内容
(2)挥发度高的化合物通常都是低分子量的,而低 分子量组分一般具有较小的汽化潜热。 所以假设上升蒸汽在某一级冷凝1mol时,增加的是汽化 量,则会产生>1mol的含易挥发组分多的蒸汽。 所以沿塔向上流量通常有增大的趋势。 当然,若沸点高的组分有较低的汽化潜热,情况会相反。
(3)液体向下流动时,液体被蒸汽提供的热量被动 加热,如果蒸汽冷凝的同时,放出的热量只是增加了液体 的显热,则,下降的液体流量会增大。 上述三种因素的相互作用是复杂的,这些因素很大程 度上相互抵消,所以往往用恒摩尔流假定是适合的。
清晰分割 若馏出液中,除了重关键组分之外没有其他重组分, 釜液中,除了轻关键组分之外没有其他轻组分,这种情况称 为清晰分割。 ◆轻重关键组分的相对挥发度相邻,且分离要求苛刻时,可 达到清晰分割。 ◆非关键组分的相对挥发度与关键组分相差很大时,一般可 达到清晰分割。
[例]:某精馏塔进料中含A0.33,B0.33,C0.34。要求馏出液中B含量 不大于0.011,釜液中A含量不大于0.015(以上均为摩尔分数)。若进料流 率为100kmol/h,试求馏出液和釜液的流量及组成。 解:根据分离要求,可假定为清晰分割。 设A为轻关键组分,B为重关键组分,则C为重组分。 列出方程 F=D+W=100 对于组分1 Fx1=DxD,1+WxW,1 即 100×0.33=D(1-0.011)+W ×0.015 对于组分2 Fx2=DxD,2+WxW,2 即 100×0.33=D×0.011+WxW,2 对于组分3 Fx3=WxW,3 即 100×0.33=W(1-XW,3-xW,2) =W(1-0.015-xW,2) 可解得: D=32.74(kmol/h) W=67.26(kmol/h) xW,2=0.485
级间流量对分离影响小:
由物料衡算知,如果塔顶、塔釜采出量一定,V增大, 则L增大。 同时,分离作用主要取决于L/V。
y L qF W x' xW L qF W L qF W
y
R 1 x xD R1 R1
精馏过程内在规律
温度分布主要反映物流的组成; 总的级间流率分布则主要反映热衡算的限制。
关键组分、清晰分割等概念。
谢谢!