操作型计算和特殊精馏

9.5双组分精馏的设计型计算

9.5.1理论板数的计算 9.5.2 回流比的选择

9.5.3双组分精馏过程的其他类型

（1）直接蒸汽加热

若待分离的混合液为水溶液，且水是难挥发组分，釜液接近于纯水，这时可采用如上图所示的直接加热方式，把加热水蒸汽直接通入塔釜，以省掉造价昂贵的再沸器。

与间接蒸汽加热精馏塔相比，直接蒸汽加热时精馏操作线、q 线均相同，但是由于塔釜中通入蒸汽直接加热，提馏段物料衡算及全塔物料衡算关系变了。

① 全塔物料衡算

总物料衡算 W D S F +=+ 易挥发组分衡算 W Wx Dx S Fx +=⨯+D F 0 式中 S ——直接加热蒸汽流率，kmol/h ； W ——直接蒸汽加热时釜液流率， kmol/h ； W x ——直接蒸汽加热时釜液组成，摩尔分率。 其它符号意义与间接蒸汽加热相同。

② 提馏段操作线方程

直接蒸汽加热时也应满足恒摩尔流假设,故有S V =，W L =。根据物料衡算可导出提馏段操作线方程为

W W m x S W x S W x V L x V L y -

=

-

=

+1

如图所示，直接蒸汽加热时提馏段操作线通过横轴上的点（0,W x ）及q 线与精馏段操作线的交点（q q y x ,）两点，因此也可用两点求直线的方法求提馏段操作线方程：

*

W

*

W

00x x y x x y q q --=

--

用上式求直接蒸汽加热时提馏段操作线方程比较方便，问题归结为两操作线交点坐标(q q y x ,)如何求。因为q 线及精馏段操作线均与间接蒸汽加热时相同，所以仍可用前述方法求q x 、q y 值。若用式求，则需根据F q D R F q V V S )1()1()1(--+=--==，qF L L W +='=*等关系导出可利用题给已知条件的形式才能求解。

（2）多股进料

两种成分相同但浓度不同的料液可在同一塔内进行分离，两股料液应分别在适当位置加入塔内。

整个精馏塔可分成三段，每段均可按图中所示符号用物料衡算推出其操作线方程。

① 操作线方程Ⅰ段 1

1D

++

+=

R x x R R

y

Ⅱ段 V x F Dx x V L y F '

'-+''''=11D 式中 1111F q RD F q L L +=+=''

1111)1()1()1(F q D R F q V V --+=--=''

特别，当1F 为泡点进料)1(1=q ，则Ⅱ段操作线可写成1

/1/11F D 1+-+

++=

R D

F x x x R D F R y

Ⅲ段 W x W

L W x W

L L y -'-

-''=

式中 2211211122F q F q RD F q F q L F q L L ++=++=+''='

D F F W -+=21

无论何种进料热状况，操作线斜率必有（Ⅲ） （Ⅱ） （Ⅰ）。

② 全塔物料衡算

总物料衡算 W D F F +=+21 易挥发组份衡算 W

D 2F 21F 1Wx Dx x F x F +=+

联立以上两式可得

W

D W 1F W

D W 2F 121

x x x x x x x x F F F D --+

--=

回收率 2

F 121F D 12

F 21F 1D

)/()/(x F F x x F D x F x F Dx

+=

+=

η

③ q 线方程

q 线方程数与进料股数相同，两股进料q 线方程有两个，即

1

1

11F 11--

-=

q x x q q y ，1

1

22F 22--

-=

q x x q q y

④最小回流比m in R

回流比R 减小，三条操作线均向平衡线靠拢。当R 减小至某个值时，挟点可能出现在Ⅰ-Ⅱ两段操作线的交点1e 处，也可能出现在Ⅱ-Ⅲ两段操作线的交点2e 处。对非理想性很强的物系，挟点也可能出现在某个中间位置，先出现挟点时的回流比为最小回流比。

（3）侧线出料

如下图所示，此时操作线数目314=-=，因而整个精馏塔可分成三段，每段均可按图中所示符号用

物料衡算推出其操作线方程。以下仅讨论侧线抽出的产品2D x 为泡点液体的情况。

操作线方程Ⅰ段 11D

++

+=

R x x R R

y

Ⅱ段 1

)/(1/2

D 121D 12++++-=R x D D x x R D D R y （泡点采出）

以上两式中R 定义为1/D L R =。 Ⅲ段 W x W

L W x W

L L y -'-

-''=

式中 qF D RD qF D L qF L L +-=+-=+''='212

2

1D D F W --=

有侧线出料时操作线斜率通常Ⅱ、Ⅰ，在最小回流比m in R 时，挟点一般出现在q 线与平衡线交点处。

9.6 双组分精馏的操作型计算

9.6.1 精馏过程的操作型计算

（1）操作型计算的命题：

此类计算的任务是在设备（精馏段板数及全塔理论板数）已定的条件下，由指定的操作条件预计精馏操作的结果。

计算所用的方程与设计时相同，此时的已知量为：全塔总板数N 及加料板位置（第m 块板）；相平衡曲线或相对挥发度；原料组成F x 与热状态q ，回流比R ；并规定塔顶馏出液的采出率F

D 。待求的未知

量为：精馏操作的最终结果——产品组成w D ,x x 及逐板的组成分布。

操作型计算的特点：

① 由于众多变量之间的非线形关系，使操作型计算一般均须通过试差（迭代），即先假设一个塔顶（或塔底）组成，再用物料衡算及逐板计算予以校核的方法来解决。

② 加料板位置（或其它操作条件）一般不满足最优化条件。 下面以两种情况为例，讨论此类问题的计算方法。

回流比增加对精馏结果的影响

设某塔的精馏段有)1(-m 块理论板，提馏段为)1(+-m N 块板，在回流比R '操作时获得塔顶组成D x '与釜液组成w

x '（参见图9-43a ）。 现将回流比加大至R ，精馏段液气比增加，操作线斜率变大；提馏段气液比加大，操作线斜率变小。当操作达到稳定时馏出液组成D x 必有所提高，釜液组成w x 必将降低，如图（9-43b ）所示。

定量计算方法是：先设定某一w x 值，可按物料衡算式求出

F

D F D

x x x D )1(w F --=

然后，自组成为D x 起交替使用精馏段操作线方程1

1

1++

+=

+R x x R R y D n n 及相平衡方程