直接蒸汽加热板式精馏塔设计

双组分溶液直接蒸汽加热板式精馏塔设计

设计任务：规定F 、xF 、xD 、xW ，设计出能完成分离任务的板式精馏塔 1. 回流比

● 最小回流比

设夹紧点在精馏段，其坐标为(xe,ye)则

min D e

e e

x y R y x -=

-

(1)

设夹紧点在提馏段，其坐标为(xe,ye)

min min 0(1)(1)e e W

y R D qF L

V R D q F x x -+==+--- (2) 所需基础数据：气液相平衡数据 丙酮-水

xi = [0 0.01 0.02 0.05 0.10 0.15 0.20 0.30 0.40 0.50 0.60 0.70 0.80 0.90 0.95 1.0]; % 液相丙酮平衡浓度

yi = [0 0.253 0.425 0.624 0.755 0.793 0.815 0.830 0.839 0.849 0.859 0.874 0.898 0.935 0.963 1.0]; % 汽相丙酮平衡浓度

ti=[ 100 92.7 86.5 75.8 66.5 63.4 62.1 61.0 60.4 60.0 59.7 59.0 58.2 57.5 57.0 56.13 ];%平衡温度 甲醇-水

xi = [0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.10 0.15 0.20 0.30 0.40 0.50 0.60 0.70 0.80 0.90 0.95 1.0]; % 液相甲醇平衡浓度

yi = [0 0.134 0.234 0.304 0.365 0.418 0.517 0.579 0.665 0.729 0.779 0.825 0.870 0.915 0.958 0.979 1.00]; % 汽相甲醇平衡浓度

ti=[ 100 96.4 93.5 91.2 89.3 87.7 84.4 81.7 78.0 75.3 73.1 71.2 69.3 67.6 66.0 65.0 64.5 ];%平衡温度

来源：王志魁.化工原理（第三版），北京：化学工业出版社,2004 ● 确定操作回流比

min

(1.1~2.0)R R =

用Matlab 或Excel 工具求出N 与R 间的关系以确定适宜的回流比。(课堂讲解)

2 全塔物料衡算与操作方程

(1)全塔物料衡算

F S D W +=+ (3)

F D W Fx Dx Wx =+ (4)

其中

(1)(1)S V R D q F ==+--

(5)

W L RD qF ==+

(6)

联立式(3)、式(4)得： F W

D W

x qx D F x Rx -=+

(7)

(2) 操作方程 精馏段 111

D n n x R

y x R R +=

+++ 提馏段 1n n W W W

y x x S S

+=

- 3 计算精馏段、提馏段理论板数

① 理想溶液 图解法或求出相对挥发度用逐板计算法求取。

② 非理想溶液 相平衡数据为离散数据,用图解法或数值积分法求取

4. 全塔组成分布、温度分布及精馏段、提馏段平均温度与组成

精馏段平均温度 1()/2F t t t =+ 提馏段平均温度 ()/2F N t t t =+

其中 1t ——塔顶第一板温度，由y=xd 查t-y 数据获得，因塔顶为蒸汽冷凝；

F t ——加料板温度，由加料板组成xm 查t-x 数据获得； B t ——塔釜温度，由xw 查t-x 数据获得。

5物性参数的计算

① 塔顶条件下的物性参数(气相密度、液相密度、表面张力及粘度） ② 进料板组成与温度条件的物性参数 ③ 塔釜条件下的物性参数 ④ 精馏段平均物性参数 ⑤ 提馏段平均物性参数

附：① 气相密度用理想气体状态方程计算 pM

RT

ρ= ② 液相密度

1

A

B

L

A

B

w w ρρρ=

+

A w 、

B w 为组分A 与B 的质量分数，A ρ、B ρ分别为组分A 与B 的液

相密度，水的密度用插值法求，甲醇或丙酮的密度查有机液体相对密度共线图(陈敏恒，化工原理（上册）：北京：化学工业出版社,2006)

③ 二元含水混合物的表面张力（含水溶液)(B E Poling, J M Prausnitz, J P O ’Conell 著，赵红梅，王凤坤，陈圣坤等译，气液物性估算手册，北京：化学工业出版社,2006,497-498)

1/41/41/4m SW W SO O σϕσϕσ=+

/()W W W W W O O x V x V x V ϕ=+ /()O O O W W O O x V x V x V ϕ=+

lg(/)q

W

O B ϕϕ=

2/3

2/3

0.441(/)(

)O O W W V Q q T V q

σσ=-

lg(/)q

SW SO B Q ϕϕ+=

1SW SO ϕϕ+=

醇类，脂肪酸类 q=碳原子数，如乙酸q=2,甲醇q=1；酮类 q=碳原子数-1,例丙酮q=2

σW 、σO 分别为纯水与纯有机物的表面张力,mN/m 。纯有机物的表面张力查有机液体的表面张力共线图。

x W 、x O 分别为水与有机物的液相摩尔分数

V W 、V O 分别为水与有机物的液相摩尔体积,cm 3/mol T ——温度,K

例估算甲醇-水混合物在303K 时的表面张力，甲醇的摩尔分数为0.122,实验数据46.1 mN/m. 解：303K 时σW =71.18 mN/m 、σO =21.75mN/m,Vw=18 cm 3/mol, V o=41cm 3/mol ，q=1。

（31000cm /mol W

W W

M V ρ=

31000cm /mol o

o o

M V ρ=

Mo,Mw —有机组分与水的分子量,kg/kmol; ρo,ρw —有机组分与水的密度,kg/m 3)

//()0.87818/(0.12241) 3.16W o W W O O x V x V ϕϕ==⨯⨯=

lg(/)lg 3.160.50W O B ϕϕ===

2/3

2/3

2/32/321.75410.441(/)(

)0.441(1/303)(71.1818)1

O O W W

V Q q T V

q

σσ⨯=-=-⨯

0.34Q =-

lg(/)q

SW SO B Q ϕϕ+= 0.500.34lg(/)SW SO ϕϕ-=

/ 1.45SW SO ϕϕ= （1）

1SW SO ϕϕ+= （2）

联立式(1) (2)得：0.59 41SW SO ϕϕ==

1/40.250.250.5971.180.4121.75m σ=⨯+⨯

46mN/m m σ=

④ 水的物性数据查化工原理上册教材附录，采用内差法 ⑤ 甲醇、乙醇、丙酮的物性数据查上册教材附录 密度见p272有机液体的相对密度共线图 表面张力见p274有机液体表面张力共线图 液体粘度见p276液体粘度共线图