化工基础精馏过程的物料衡算与操作线方程

2020/3/10
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2、 提馏段操作线方程
在图虚线范围（包括提馏段第m层板以下塔段及再沸器）内 作物料衡算，以单位时间为基准，可得：
总物料衡算： L’=V’+W
易挥发组分衡算： L’xm=V’ym+1+WxW
一、 全塔物料衡算
精馏塔各股物料(包括进料、塔顶产品和塔底产品)的流量、 组成之间的关系可通过全塔物料衡算来确定。
在图片虚线范围内作全塔物料衡算，并以单位时间为基准 ，可得：
总物料衡算： F = D ＋ W
易挥发组分的物料衡算：
FxF DxD WxW
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式中：
F——原料液量，kmol/h； D——塔顶产品（馏出液）量，kmol/h； W——塔底产品（釜液）量，kmol/h； xF——原料液组成，摩尔分率； xD——塔顶产品组成，摩尔分率； xW——塔底产品组成，摩尔分率。
一层塔板（n+1板）上升的蒸汽组成yn+1之间的关系称之为操作 关系，描述它们之间关系的方程称为操作线方程。
操作线方程可通过塔板间的物料衡算求得。
在连续精馏塔中，因原料液不断从塔的中部加入，致使精 馏段和提馏段具有不同的操作关系，现分别予以讨论。
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1、 精馏段操作线方程
①温度低于泡点的冷液体； ②泡点下的饱和液体； ③温度介于泡点和露点之间的气液混合物； ④露点下的饱和蒸气； ⑤温度高于露点的过热蒸气。
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2、进料热状况参数
为了定量地分析进料量及其热状况对于精馏操作的影响， 须引入进料热状况参数的概念。
对进料板作物料及热量衡算，以单位时间为基准，可得：
满足恒摩尔流假设的条件
在精馏塔的每层塔板上，若有n kmol的蒸汽冷凝，相应有n kmol的液体汽化，恒摩尔流动的假定才能成立。为此必须满 足以下条件： （1） 混合物中各组分的摩尔汽化潜热相等； （2）汽液接触时因温度不同而交换的显热可以忽略； （3） 塔设备保温良好，热损失可以忽略。
恒摩尔流动虽是一项简化假设，但某些物系能基本上符合上 述条件，因此，可将这些系统在精馏塔内的汽液两相视为恒 摩尔流动。
L1=L2=∙∙∙∙∙∙＝L=常数
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同理，提馏段内每层塔板下降的液体摩尔流量亦相等，即：
L1’=L2’=∙∙∙∙∙∙＝L’=常数
式中：L——精馏段下降液体的摩尔流量，kmol/h; L’——提馏段下降液体的摩尔流量，kmol/h。
恒摩尔汽流与恒摩尔溢流总称为恒摩尔流假设。
2020/3/1，对分离过程除要求用塔顶和塔底的产品组 成表示外，有时还用回收率表示。
塔顶易挥发组分的回收率ηA：
A

Dx D FxF
100%
塔釜难挥发组分的回收率ηB：
B

W (1 xw ) F(1 xF )
100%
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二、 恒摩尔流的假定
精馏操作时，在精馏段和提馏段内，每层塔板上升的汽相 摩尔流量和下降的液相摩尔流量一般并不相等，为了简化精 馏计算，通常引入恒摩尔流动的假定。
在图片虚线范围（包括精馏段的第n+1层板以上塔段及冷凝 器）内作物料衡算，以单位时间为基准，可得：
总物料衡算： V=L+D
易挥发组分的物料衡算： V yn+1=Lxn+DxD
式中： V——精馏段内每块塔板上升的蒸汽摩尔流量，kmol/h； L——精馏段内每块塔板下降的液体摩尔流量，kmol/h； yn+1——从精馏段第n+1板上升的蒸汽组成，摩尔分率； xn——从精馏段第n板下降的液体组成，摩尔分率。
式中：V——精馏段上升蒸汽的摩尔流量，kmol/h； V’——提馏段上升蒸汽的摩尔流量，kmol/h。
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（2）恒摩尔溢流
恒摩尔溢流是指在精馏塔内，从精馏段或提馏段每层塔板 下降的液相摩尔流量分别相等，但两段下降的液相摩尔流量 不一定相等。
精馏段内，每层塔板下降的液体摩尔流量都相等，即：
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将以上两式联立后，有：
yn1

L V
xn

D V
xD

L LD
xn

D LD
xD
令R=L/D，R 称为回流比，于是上式可写作：
yn1

R R 1
xn

1 R 1
xD
以上两式均称为精馏段操作线方程。
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两点讨论 （1）该方程表示在一定操作条件下，从任意板下降的液体组 成xn 和与其相邻的下一层板上升的蒸汽组成yn+1 之间的关系。 （2）该方程为一直线方程，该直线过对角线上a(xD，xD)点， 以R/(R+1)为斜率，或在y轴上的截距为xD/(R+1)。
q
H hF H h

L'L F
每千摩尔原料液汽化为饱和蒸气所需的热量

原料液的摩尔汽化潜热
q 称为进料热状况参数。进料热状况不同，q 值亦不同。
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各 种 进 料 状 态 下 的
q
值
进料热状态对塔内气、液流量的影响.swf
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四、 操作线方程
在精馏塔中，任意塔板（n 板）下降的液相组成xn与由其下
精馏过程的计算内容
精馏过程的计算可分为设计型计算和操作型计算两类。 此处讨论板式精馏塔的设计型计算问题，其主要内容包括： （1） 确定产品的流量或组成； （2） 确定精馏塔的理论板层数和适宜的加料位置； （3） 确定适宜的操作回流比； （4） 计算冷凝器、再沸器的热负荷等。
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（1）恒摩尔汽流
恒摩尔汽流是指在精馏塔内，从精馏段或提馏段每层塔板 上升的汽相摩尔流量各自相等，但两段上升的汽相摩尔流量 不一定相等。
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在精馏段内，每层塔板上升的蒸汽摩尔流量都相等，即：
V1=V2=∙∙∙∙∙∙＝V=常数
同理，提馏段内每层塔板上升的蒸汽摩尔流量亦相等，即：
V1’=V2’=∙∙∙∙∙∙＝V’=常数
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三、精馏塔的进料热状况
精馏塔在操作过程中，精馏段和提馏段汽液两相流量间的 关系与精馏塔的进料热状况有关，因而进料热状况对精馏段 和提馏段的操作线方程有直接的影响。
根据工艺条件和操作要求，精馏塔可以不同的物态进料。 组成为xF 的原料，其进料状态可有以下几种：
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1、五种进料热状态