现代分离技术：复杂精馏

进料
F1 F1 F2 F2 F3 F3 F4 F4
2. 侧线采出
进料
……
1 石油气
塔顶采出 S1 S2 侧线采出
Sn
原油
2 汽油
3 煤油
石
油 分
4 轻柴油
馏
塔
5 重柴油
6 重油
(常压)加热炉来
7 润滑油
8 沥青
塔釜采出
3. 中间再沸
F 中间 再沸器
4. 中间冷凝
中间 冷凝器 F
塔顶
1
塔 板 10 序 号
(6-71)
将(6-71)整理成函数形式(按x或y排列，序号由小到大；序号
相同者，先y、后x)
Mij(xij,Vj,tj)=Lj-1xi,j-1-(Vj+Gj)yij-(Lj+uj)xij+Vj+1yi,j+1+Fjzij=0 (6-72)
2) 汽液平衡方程(E方程)
yij=kij xij
或:
Eij(xij,Vj,tj )=yij-kijxij =0
(2) 求:
1) 各板各组分的组成xij (yij); 2) 各板温度tj ; 3) 蒸汽流量Vj、液相流量Lj (3) 计算依据
1) 物料衡算方程
(M方程)
2) 相平衡方程
(E方程)
3) 摩尔分率总和方程 (S方程)
4) 热平衡方程
(H方程)
简称为M、E、S、H方程
(4) 计算方法
1) 建立全塔每一块理论板的MESH方程;
(6-72) Mij=Lj-1xi,j-1-(Vj+Gj)kijxij-(Lj+uj)xij +Vj+1ki,j+1xi,j+1+Fjzij=0 或, 按塔板顺序号排列xi Mij=Lj-1xi,j-1-[(Vj+Gj)kij+(Lj+uj)]xij+Vj+1ki,j+1xi,j+1+Fjzij=0
Hj(xij,Vj,tj)=Lj-1hj-1-(Vj+Gj)Hj-(Lj+uj)hj+Vj+1Hj+1+FjHFj-Qj=0
(6-75)
Vj, yij, Hj
Lj-1, xi,j-1, hj-1
Gj
Fj, zij, HFj
第 j 块理论板
Qj
uj
Vj+1, yi,j+1, Hj+1
Lj, xij, hj
hij 纯i组分在温度tj 下的液相焓
式(6-72)~(6-75)称为第 j 板上的M、E、S、H方程
(2) 求各板组成xij 利用汽液平衡方程 (6-73)式 yij=kij xij, 代入(6-72)式（减少变量） Mij(xij,Vj,tj)=Lj-1xi,j-1-(Vj+Gj)yij-(Lj+uj)xij+Vj+1yi,j+1+Fjzij=0
§4 复杂精馏
一、复杂精馏流程
F, zi, (xFi)
进料
L
D,xDi
塔顶采出
qr
W, xWi
塔釜采出
重沸器
石 油 分 馏 塔
原油
(常压)加热炉来
1 石油气
2 汽油 3 煤油 4 轻柴油 5 重柴油 6 重油
7 润滑油
8 沥青
1. 多股进料
从能量消耗方面比较， 单股进料要比多股进料耗费 能量多。因为混合物分离非 热力学的自发过程，必需外 界供给能量。而四股不同组 成进料流股F1～4，进塔前已 有一定程度的分离，采用多 股进料比将它们混合成一股 进塔分离节省能量。
Gj
Fj , zij, HFj
第 j 块理论板
Qj
对第 j 板进行总物料衡算
Lj-1+Vj+1+Fj=(Vj+Gj )+(Lj+uj )
uj
对i组分作物料衡算
Vj+1, yi,j+1, Hj+1
Lj, xij, hj
Lj-1xi,j-1+Vj+1yi,j+1+Fjzij=(Vj+Gj )yij+(Lj+uj )xij
第 j 块理论板
Qj
uj
Vj+1 , yi,j+1 , Hj+1
Lj , xij , hj
图 6-27
假定: 模型塔中只有一个操作压力, 汽液平衡常数只是温度的函数。 (1) 已知条件及基础数据
1) 体系的组分数C (下标i为组分顺序数); 2) 理论板数N (下标j为各板的顺序数); 3) 各板的进料量和组成Fj 、zij ; 4) 塔顶产品量D; 5) 塔底产品量W; 6) 各板汽相侧线出料量Gj; 7) 各板液相侧线出料量uj; 8) 各板进料的焓Hfj; 9) 各板的换热量Qj; 10) 塔顶回流比R; 11) 塔压P; 12) 平衡常数与温度的函数关系Kij=f(t); 13) 焓与温度的函数关系Hi(hi)=F(t); 14) 塔顶与塔底的近似组成(或近似温度);
Vj , yij , Hj
Lj-1 , xi,j-1 , hj-1
Gj
Fj , zij , HFj
第 j 块理论板
Qj
uj
Vj+1 , yi,j+1 , Hj+1
Lj , xij , hj
图 6-27
2. 数学模型 (1) 建立MESH方程
1) 物料衡算方程(M方程)
Vj, yij, Hj
Lj-1, xi,j-1, hj-1
(6-73)
3) 摩尔分率总和方程(S方程)
C
y 1 ;
i1 ij
C
x 1
i1 ij
或:
Sij
yij ,Vj ,t j
C
yij 1 0
i1 C
Sij
xij ,Vj ,t j
xHale Waihona Puke Baiduj 1 0
i1
(6-74)
4) 热量衡算方程(H方程) 对第j 板作热量衡算
Lj-1hj-1+Vj+1Hj+1+FjHFj=(Vj+Gj)Hj+(Lj+uj)hj+Qj 或:
Hj(xij,Vj,tj)=Lj-1hj-1-(Vj+Gj)Hj-(Lj+uj)hj+Vj+1Hj+1+FjHFj-Qj=0 (6-75)
式中：
C
Hj 汽相混合物的焓，H j yij Hij i 1
Hij 纯i组分在温度tj 下的汽相焓
C
hj 液相混合物的焓, hj xij hij i 1
2) 联立M、E方程, 求出xij (yij); 3) 用S方程求tj ; 4) 用H方程求Vj ,Lj
(5) 注意 1) 模型塔的塔板编号(冷凝器1, 釜N, 由上往下) 2) 每股物料的符号(F, G, V, L, u, Q, x, y, z, H, h等) 3) 下标 i (组分顺序数), j (塔板顺序数)
20
30
液相回流
汽相负荷与液相回流
气相负荷
无中段回流 有中段回流
kmol/h
常压精馏塔汽、液相负荷分布示意图
二、复杂精馏的简捷计算 三、复杂精馏的电子计算机计算 托马斯(Thomas)法，三对角矩阵法 1. 预备知识
Vj , yij , Hj
Lj-1 , xi,j-1 , hj-1
Gj
Fj , zij , HFj